DE102010048770A1

DE102010048770A1 - Voltage control units for use in control device utilized for controlling battery for power supply to safety-critical application in e.g. power plant, have current conductors for conducting current depending on comparison signal

Info

Publication number: DE102010048770A1
Application number: DE102010048770A
Authority: DE
Inventors: Erhard Gietz; Sven Zarske; Horst Büttner
Original assignee: BAE HOLDING GmbH
Current assignee: BAE HOLDING GmbH
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2012-04-19

Abstract

The control-units (30-1 - 30-n) have comparators for comparing voltage of battery subsections (10-1 - 10-n) with voltage of a guide voltage generator (20) that is connected with the control-units. A comparison signal indicating a result of comparison is output. Multiple current conductors e.g. current control valves such as FET and insulated gate bipolar transistor, are connected with the respective comparators and arranged parallel to the respective battery subsections for switching-on the battery subsections and for conducting current depending on the comparison signal. Independent claims are also included for the following: (1) a control device comprising a guide voltage generator for producing guide voltage for battery subsections (2) a method for voltage regulation of battery cells of a battery.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für eine Batterie und ein Verfahren zur Spannungsregelung der Batteriezellen einer Batterie.The invention relates to a control device for a battery and a method for voltage regulation of the battery cells of a battery.

Stand der TechnikState of the art

Batteriezellen besitzen abhängig von der Kombination der eingesetzten chemischen Komponenten eine Leerlaufspannung von wenigen Volt. Um für praktische Anwendungszwecke ausreichend hohe Leistungen zur Verfügung zu stellen, wird daher gewöhnlich eine Mehrzahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Dadurch sinken die für eine gegebene Leistung von der Batterie bereitzustellenden Ströme, so dass infolgedessen auch Leitungsquerschnitte in den Batteriezellen und den Verbindungen zwischen den Batteriezellen verringert werden können.Battery cells have an open-circuit voltage of a few volts, depending on the combination of the chemical components used. Therefore, in order to provide sufficiently high powers for practical applications, a plurality of battery cells are usually connected in series. As a result, the currents to be provided by the battery for a given power decrease, as a result of which line cross-sections in the battery cells and the connections between the battery cells can also be reduced.

Allen Batterien gleich ist die sogenannte Selbstentladung. Die Selbstentladung wird durch innerhalb der Batteriezellen ablaufende chemische Reaktionen verursacht, die zu einer sich fortlaufend reduzierenden entnehmbaren Energiemenge (gewöhnlich als Kapazität der Batterie bezeichnet) führen. Es ist daher erstrebenswert, die Selbstentladung so gering wie möglich zu gestalten. Beispielhaft weisen heutige Blei-Säure-Batterien eine Selbstentladung von ungefähr 2 bis 3% pro Monat auf, wobei Randbedingungen wie beispielsweise die Temperatur der Batteriezellen eine wichtige Rolle spielen.All batteries are equal to the so-called self-discharge. Self-discharge is caused by chemical reactions taking place within the battery cells, resulting in a continuously reducing amount of removable energy (commonly referred to as the capacity of the battery). It is therefore desirable to make the self-discharge as low as possible. By way of example, today's lead-acid batteries have a self-discharge of about 2 to 3% per month, with boundary conditions such as the temperature of the battery cells playing an important role.

In der Praxis werden Batterien für viele wichtige Aufgaben eingesetzt. Beispiele finden sich in unterbrechungsfreien Stromversorgungen für sicherheitskritische Anwendungen, in Kraftwerken, Telekommunikationseinrichtungen und Elektrofahrzeugen, um nur einige zu nennen. Allen Anwendungen ist gemein, dass bei Inanspruchnahme der Batterie möglichst die maximale Kapazität der Batterie für die Anwendung zur Verfügung stehen soll. Um dies jederzeit gewährleisten zu können, werden Batterien dauerhaft oder zyklisch aufgeladen, wodurch die durch Selbstentladung entstehenden Verluste ausgeglichen werden können. Die heutzutage dabei am häufigsten angewendete Lademethode ist die Ladung mit einer konstanten Gleichspannung, der sogenannten Ladeerhaltungsspannung. Die Höhe der Ladeerhaltungsspannung wird vom Batteriehersteller gewöhnlich in Abhängigkeit bestimmter Faktoren wie beispielsweise der Batteriezelltemperatur spezifiziert. Die Ladeerhaltungsspannung wird in der Praxis dann mit der Anzahl der in der Batterie seriengeschalteten Batteriezellen multipliziert und die resultierende Spannung an die Batterie angelegt. Diese Spannung bewirkt einen Strom in die Batterie, der für eine durchschnittliche Batteriezelle angepasst ist, jedoch nur ideal ist, wenn mehrere in der Realität nur schwierig oder überhaupt nicht erreichbare Bedingungen zutreffen. So müssen alle Batteriezellen hinsichtlich der eingesetzten chemischen Aktivmassen identisch sein, die gleiche Batteriezelltemperatur und jederzeit den gleichen Ladezustand haben und auch alle sonstigen Komponenten der Batterie wenigstens nahezu ohne Toleranzen ausgelegt sein. In der Praxis können im Rahmen einer wirtschaftlichen Fertigung derart geringe Toleranzen kaum gewährleistet werden. Eine Angleichung der Batteriezelltemperaturen ist insbesondere bei größeren Batterien mit einer Vielzahl von Batteriezellen unmöglich. Aus all diesen Gründen kommt es je nach Zustand der jeweiligen Batteriezellen entweder zu einer Minderladung oder einer Überladung. Diese Fehlladungen wirken sich negativ auf die verfügbare Kapazität der Batteriezelle und die Lebensdauer der Batterie aus. Insbesondere verstärken sich durch die Fehlladungen auch die Unterschiede zwischen den einzelnen Batteriezellen, so dass sich das Problem mit zunehmendem Alter der Batterie verstärkt.In practice, batteries are used for many important tasks. Examples are found in uninterruptible power supplies for safety-critical applications, in power plants, telecommunications equipment and electric vehicles, to name but a few. All applications have in common that when using the battery as possible, the maximum capacity of the battery for the application should be available. To ensure this at all times, batteries are charged permanently or cyclically, which can compensate for self-discharge losses. The most commonly used charging method today is charging with a constant DC voltage, the so-called charge sustaining voltage. The level of the trickle charge voltage is usually specified by the battery manufacturer depending on certain factors such as the battery cell temperature. The charge sustaining voltage is then multiplied by the number of battery cells connected in series in the battery and the resulting voltage is applied to the battery. This voltage causes a current into the battery that is adapted for an average battery cell, but is only ideal when several conditions that are difficult or impossible to achieve in reality are met. Thus, all battery cells must be identical in terms of chemical active masses used, have the same battery cell temperature and at any time the same state of charge and all other components of the battery to be designed at least almost without tolerances. In practice, such low tolerances can hardly be guaranteed in the context of economical production. An approximation of the battery cell temperatures is impossible especially for larger batteries with a plurality of battery cells. For all these reasons, depending on the condition of the respective battery cells, either a reduced charge or an overcharge occurs. These failures negatively affect the available capacity of the battery cell and the life of the battery. In particular, the misalignments increase the differences between the individual battery cells, so that the problem intensifies with increasing age of the battery.

Um allen einzelnen Batteriezellen eine optimale Ladeerhaltungsspannung zur Verfügung zu stellen, wäre es erforderlich, die Spannung jeder einzelnen Batteriezelle zu messen und die Ladeerhaltungsspannung dementsprechend einzustellen. Oftmals verfügen große leistungsstarke Batterien über eine so genannte Einzelzellenüberwachung, die jedoch vorwiegend für die Fehlerdiagnose benutzt wird. Nur in Ausnahmefällen wird die Ladeerhaltungsspannung entsprechend den Ergebnissen der Messungen der einzelnen Batteriezellen temporär oder dauerhaft angepasst. Als nachteilig bei dieser Lösung sind jedoch die hohen Kosten für die Überwachung der Batteriezellen und der enorme Installationsaufwand zu nennen. Derartige Systeme kommen daher nur bei besonders wichtigen Anwendungszwecken wie beispielsweise zur Absicherung von lebenserhaltenden Systemen in Krankenhäusern und dergleichen zum Einsatz.In order to provide an optimal charge sustaining voltage to all individual battery cells, it would be necessary to measure the voltage of each individual battery cell and adjust the charge sustaining voltage accordingly. Often large powerful batteries have a so-called single-cell monitoring, which is mainly used for fault diagnosis. Only in exceptional cases, the charge sustaining voltage is adjusted temporarily or permanently according to the results of the measurements of the individual battery cells. A disadvantage of this solution, however, are the high cost of monitoring the battery cells and the enormous installation effort. Such systems are therefore used only for particularly important purposes such as for example to secure life-support systems in hospitals and the like.

Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren einzuführen, die eine einfache und kostengünstig zu realisierende Lösung zum Laden von seriengeschalteten Batteriezellen einer Batterie bereitstellen.The invention therefore has for its object to introduce a circuit arrangement and a method which provide a simple and inexpensive to implement solution for charging series-connected battery cells of a battery.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung führt daher eine Steuereinrichtung für eine Batterie mit einer Mehrzahl von zwischen einen positiven Batteriepol und einen negativen Batteriepol seriengeschalteten Batterieteilsträngen ein. Jeder der Batterieteilstränge beinhaltet wenigstens eine Batteriezelle, so dass sich eine Serienschaltung einer Mehrzahl von Batteriezellen ergibt. Die Steuereinrichtung weist einen Führungsspannungsgenerator und eine Mehrzahl von Spannungskontrolleinheiten auf. Der Führungsspannungsgenerator ist ausgebildet, für jeden der Batterieteilstränge eine Führungsspannung auszugeben. Die Mehrzahl von Spannungskontrolleinheiten, von denen jeweils eine einem der Batterieteilstränge zugeordnet ist, enthalten jeweils einen Vergleicher, der ausgebildet ist, eine Spannung des jeweiligen Batterieteilstranges mit der zugehörigen Führungsspannung des Führungsspannungsgenerators zu vergleichen und ein Vergleichssignal auszugeben, das ein Ergebnis des Vergleichs anzeigt. Außerdem enthalten die Spannungskontrolleinheiten einen mit dem Vergleicher verbundenen Stromableiter, welcher parallel zu dem jeweiligen Batterieteilstrang zu schalten und ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem Vergleichssignal einen Strom zu leiten.The invention therefore introduces a control device for a battery having a plurality of battery sub-strings connected in series between a positive battery pole and a negative battery pole. Each of the battery sub-strings includes at least one battery cell, so that there is a series connection of a plurality of battery cells. The control device has a guide voltage generator and a plurality of Voltage control units on. The guide voltage generator is configured to output a bias voltage for each of the battery sub-strings. The plurality of voltage control units, each associated with one of the battery sub-strings, each include a comparator configured to compare a voltage of the respective battery sub-string with the associated tracking voltage of the tracking voltage generator and output a comparison signal indicative of a result of the comparison. In addition, the voltage control units include a current collector connected to the comparator, which is connected in parallel with the respective battery sub-string and configured to conduct a current in dependence on the comparison signal.

Die Erfindung beruht auf der Einsicht, dass es für ein optimales Laden der Batteriezellen der Batterie nicht notwendig ist, eine für jede einzelne Batteriezelle angepasste Ladungserhaltungsspannung einzusetzen, um die Batteriezellen optimal zu laden, sondern dass es stattdessen möglich ist, eine pauschalisierte, über allen Batteriezellen anliegende Ladungserhaltungsspannung dadurch auszugleichen, dass ein bezogen auf eine jeweilige Batteriezelle überschüssiger, in der Batterie fließender Ladestrom an der jeweiligen Batteriezelle vorbeigeleitet wird. Generell kann die Erfindung auch auf Batterieteilstränge mit mehr als einer Batteriezelle angewendet werden, was vorteilhaft den Schaltungsaufwand senkt, dann besteht jedoch innerhalb des Batterieteilstranges wieder das eingangs erklärte Problem. Optimalerweise wird daher für jede seriengeschaltete Batteriezelle eine Spannungskontrolleinheit vorgesehen, d. h. vorzugsweise enthält jeder Batterieteilstrang genau eine Batteriezelle. Im Folgenden wird daher austauschbar von Batterieteilsträngen (mit einer oder mehreren Batteriezellen) und einzelnen Batteriezellen gesprochen.The invention is based on the insight that for optimum charging of the battery cells of the battery it is not necessary to use a charge sustaining voltage adapted for each individual battery cell in order to optimally charge the battery cells, but instead it is possible to make a flat rate across all battery cells adjoining charge sustaining voltage, that a reference to a respective battery cell excess, flowing in the battery charging current is conducted past the respective battery cell. In general, the invention can also be applied to battery sub-strings with more than one battery cell, which advantageously reduces the circuit complexity, but then within the battery sub-string again the problem explained above. Optimally, therefore, a voltage control unit is provided for each series-connected battery cell, d. H. Preferably, each battery sub-string contains exactly one battery cell. The following is therefore interchangeably spoken of battery sub-strings (with one or more battery cells) and individual battery cells.

Der Führungsspannungsgenerator hat dabei die Aufgabe, Führungsspannungen für jede Batteriezelle der Batterie zu erzeugen, die von der tatsächlich an den Batteriepolen anliegenden Ladespannung abhängen. Der Führungsspannungsgenerator erzeugt also gerade keine Referenzspannungen, die unabhängig von Schwankungen der anliegenden Spannung einen konstanten Bezugspunkt für die Regelung vorgeben sollen, sondern Führungsspannungen, die mit der Ladespannung schwanken und so jederzeit sicherstellen, dass keine Batteriezelle einen gemessen an ihrer individuellen Aufnahmefähigkeit zu hohen Ladestrom aufnehmen muss und daher eine überproportional hohe Zellspannung an ihr anliegt. Selbst größte Unterschiede in den Ladungszuständen der Batteriezellen können ausgeglichen werden, indem an einer voll aufgeladenen Batteriezelle der gesamte Ladestrom vorbeigeleitet wird und in einer stark entladenen Batteriezelle hingegen der gesamte Ladestrom in der Batteriezelle fließt und der Stromableiter abgeschaltet wird.The guide voltage generator has the task to generate guide voltages for each battery cell of the battery, which depend on the current applied to the battery terminals charging voltage. The guide voltage generator thus generates no reference voltages that are intended to provide a constant reference point for the control, regardless of fluctuations in the applied voltage, but guide voltages that fluctuate with the charging voltage and thus ensure at all times that no battery cell record a measured at their individual capacity too high charging current must and therefore a disproportionately high cell voltage is applied to her. Even largest differences in the charge states of the battery cells can be compensated by the entire charge current is conducted past a fully charged battery cell and in a heavily discharged battery cell, however, the entire charging current flows in the battery cell and the current collector is turned off.

Die Erfindung bietet den besonderen Vorteil, dass ein Cell-Balancing während des Ladens der Batterie durchgeführt wird. Im Gegensatz hierzu wird im Stand der Technik das Cell-Balancing gewöhnlich während des Entlade- oder Ruhebetriebs der Batterie durchgeführt, indem Batteriezellen mit einem höheren Ladungszustand Energie entnommen und ggf. einer Batteriezelle mit einem niedrigeren Ladungszustand zugeführt wird. Die Erfindung stellt im Gegensatz zu den genannten Ansätzen des Standes der Technik sicher, dass sich die Ladungszustände der einzelnen Batteriezellen gar nicht erst soweit voneinander unterscheiden können, dass ein Cell-Balancing gemäß dem Stand der Technik notwendig würde. Außerdem findet der Ausgleich der Ladungszustände während des Ladens selbst statt, also zu einem Zeitpunkt, zu dem eine externe Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Wird hingegen ein Cell-Balancing eingesetzt, das einen Ladungsausgleich während der Betriebs- oder Ruhephasen der Batterie anstrebt, muss dieses Cell-Balancing zwangsläufig aus dem begrenzten Energievorrat der Batterie selbst betrieben werden, was das Energiebudget für den eigentlichen Einsatzzweck der Batterie schmälert.The invention offers the particular advantage that a cell balancing is carried out during the charging of the battery. In contrast, in the prior art, cell balancing is usually performed during the discharge or quiescent operation of the battery by removing energy from battery cells having a higher state of charge and possibly supplying it to a battery cell having a lower state of charge. In contrast to the prior art approaches mentioned, the invention ensures that the charge states of the individual battery cells can not even differ from one another to the extent that cell balancing according to the prior art would be necessary. In addition, the compensation of the charge states takes place during the charging itself, ie at a time when an external supply voltage is available. If, on the other hand, cell balancing is used, which seeks to balance the charge during the operating or resting phases of the battery, this cell balancing must inevitably be operated from the limited energy supply of the battery itself, which reduces the energy budget for the actual intended use of the battery.

Die Erfindung betrifft jedoch auch eine Spannungskontrolleinheit gemäß Anspruch 1, die in einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung eingesetzt werden kann. Eine solche Spannungskontrolleinheit kann als eigener Gegenstand handelbar sein. Vorteilhafte Ausführungen der Spannungskontrolleinheit sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 dargelegt. Ebenfalls führt die Erfindung einen Batterieteilstrang mit einer solchen Spannungskontrolleinheit ein, wie in Anspruch 9 dargelegt. Bevorzugt ist dabei der Stromableiter der Steuereinrichtung an der wenigstens einen Batteriezelle des Batterieteilstranges und in wärmeleitendem Kontakt zu der wenigstens einen Batteriezelle des Batterieteilstranges angeordnet. Der vom Stromableiter abgeleitete Strom wird in dem Stromableiter in Wärme umgewandelt. Die wenigstens eine Batteriezelle des Batterieteilstranges mit ihrer vergleichsweise sehr hohen Wärmekapazität wird bei dieser Ausführungsform als Wärmesenke genutzt, um den Stromableiter vor Überhitzung zu schützen. Der Batterieteilstrang mit einer erfindungsgemäßen Spannungskontrolleinheit kann eigenständiger Handelsgegenstand sein, welcher von Batterieherstellern mit weiteren Komponenten zu einer Batterie mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kombiniert werden kann.However, the invention also relates to a voltage control unit according to claim 1, which can be used in a control device according to the invention. Such a tension control unit can be traded as a separate object. Advantageous embodiments of the voltage control unit are set forth in the subclaims 2 to 4. The invention also introduces a battery sub-string with such a voltage control unit as set forth in claim 9. Preferably, the current conductor of the control device is arranged on the at least one battery cell of the battery sub-string and in heat-conducting contact with the at least one battery cell of the battery sub-string. The current derived from the current collector is converted into heat in the current collector. The at least one battery cell of the battery sub-string with their comparatively very high heat capacity is used in this embodiment as a heat sink to protect the current conductor from overheating. The battery sub-string with a voltage control unit according to the invention can be an independent item of trade, which can be combined by battery manufacturers with other components to a battery with a control device according to the invention.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung enthält der Führungsspannungsgenerator eine Mehrzahl von seriengeschalteten Widerständen, die zwischen den positiven Batteriepol und den negativen Batteriepol zu schalten sind und jeder einen vorbestimmten Widerstandswert aufweisen. Die Anzahl der Widerstände entspricht derjenigen der Batterieteilstränge. Jeder Verbindungspunkt zwischen den seriengeschalteten Widerständen des Führungsspannungsgenerators kann dabei ausgebildet sein, eine jeweilige der Führungsspannungen zu erzeugen. Hierzu ist bevorzugt ein Impedanzwandler vorgesehen, um die von dem Führungsspannungsgenerator erzeugten Führungsspannungen von einer zu großen und unter Umständen im Betrieb der Steuervorrichtung variierenden Last abzukoppeln.In preferred embodiments of the control device according to the invention, the guide voltage generator comprises a plurality of series-connected resistors which are connected between the positive battery pole and the negative battery pole are to switch and each having a predetermined resistance value. The number of resistors corresponds to that of the battery sub-strings. Each connection point between the series-connected resistors of the guide voltage generator can be designed to generate a respective one of the guide voltages. For this purpose, an impedance converter is preferably provided in order to decouple the guide voltages generated by the guide voltage generator from a load that is too large and possibly varying during operation of the control device.

Der Einsatz eines solchen resistiven Spannungsteilers hat den Vorteil, dass er einfach und durch enge Toleranzen bei der Auswahl der verwendeten Widerstände beliebig genau aufgebaut werden kann. Dadurch, dass der resistive Spannungsteiler zwischen den positiven und den negativen Batteriepol geschaltet ist, folgen die Führungsspannungen schnell etwaigen Schwankungen der Batteriespannung beziehungsweise der Ladeerhaltungsspannung. Hierzu ist es vorteilhaft, eine Eingangskapazität der mit dem Führungsspannungsgenerator verbundenen Vergleicher möglichst gering zu gestalten, falls kein Impedanzwandler vorgesehen ist.The use of such a resistive voltage divider has the advantage that it can be easily constructed as required by tight tolerances in the selection of the resistors used. By connecting the resistive voltage divider between the positive and negative battery poles, the leading voltages quickly track any fluctuations in the battery voltage or the trickle charge voltage, respectively. For this purpose, it is advantageous to make an input capacitance of the comparator connected to the guide voltage generator as low as possible, if no impedance converter is provided.

Die Vergleicher der Spannungskontrolleinheiten sind vorzugsweise als Vierquadrantenverstärker ausgeführt. Der Vierquadrantenverstärker besitzt vier Eingänge, welche mit der Führungsspannung für eine bestimmte Batteriezelle, der tatsächlichen Zellspannung der Batteriezelle sowie mit den entsprechenden Spannungen einer benachbarten Batteriezelle verbunden sind. Der Einsatz eines Vierquadrantenverstärkers besitzt den Vorteil, dass die einzelnen Regelkreise, also die Paare von Batteriezellen und Stromableiter, einander wechselseitig beeinflussen. Wird beispielsweise für eine Batteriezelle festgestellt, dass ein größerer Anteil des aktuell fließenden Ladestromes an der Batteriezelle vorbeigeleitet werden muss, wird die Zellspannung der betroffenen Batteriezelle wegen des nun geringeren Stromes, der durch sie fließt, sinken. Dadurch verändert sich aber auch die Spannung am Fußpunkt einer benachbarten Batteriezelle, so dass sich auch für den diese Batteriezelle umfassenden Regelkreis die Randbedingungen der Regelung ändern. Besonders bevorzugt weist der Vierquadrantenverstärker einen Differenzverstärker und zwei Spannungsteiler mit je zwei Widerständen auf. Die beiden Eingänge des Differenzverstärkers sind dabei mit den jeweiligen Mittenpunkten der beiden Spannungsteiler verbunden. Die Spannungsteiler besitzen bevorzugt jeweils gleich große Widerstände. Die beiden Anschlüsse der Spannungsteiler stellen dann die vier Eingänge des Vierquadrantenverstärkers dar. Ändert sich die Spannung an einem Anschluss eines Spannungsteilers, erscheint diese Änderung auch an dem jeweiligen Eingang des Differenzverstärkers, was eine entsprechende Änderung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers bewirkt. Da jeweils benachbarte Regelkreise auf diese Weise verbunden sind, entsteht eine Verkettung aller Regelkreise, durch die sich eine Änderung an einer Batteriezelle der Batterie auf alle anderen Regelkreise auswirkt, so dass an jeder Batteriezelle jederzeit auf eine solche Änderung reagiert werden kann.The comparators of the voltage control units are preferably designed as four-quadrant amplifiers. The four-quadrant amplifier has four inputs which are connected to the supply voltage for a particular battery cell, the actual cell voltage of the battery cell and the corresponding voltages of a neighboring battery cell. The use of a four-quadrant amplifier has the advantage that the individual control circuits, that is, the pairs of battery cells and current conductors, influence each other mutually. If it is determined, for example, for a battery cell that a larger proportion of the currently flowing charging current has to be conducted past the battery cell, the cell voltage of the affected battery cell will decrease because of the now lower current flowing through it. However, this also changes the voltage at the base of an adjacent battery cell, so that the boundary conditions of the control also change for the control circuit comprising this battery cell. Particularly preferably, the four-quadrant amplifier on a differential amplifier and two voltage divider, each with two resistors. The two inputs of the differential amplifier are connected to the respective center points of the two voltage dividers. The voltage dividers preferably each have equal resistances. The two terminals of the voltage divider then represent the four inputs of the four-quadrant amplifier. If the voltage at a terminal of a voltage divider changes, this change also appears at the respective input of the differential amplifier, which causes a corresponding change in the output signal of the differential amplifier. Since adjacent control loops are connected in this way, a chaining of all control circuits, by which a change to a battery cell of the battery affects all other control circuits, so that at any battery cell can be reacted to such a change at any time.

Das Ausgangssignal des Vierquadrantenverstärkers kann dann als Stellsignal für den Stromableiter benutzt werden. Da der Stromableiter die Spannung der Batteriezelle durch das parallele Ableiten eines Stromes senkt, entsteht eine Rückkopplung, die eine etwaige auftretende Differenz zwischen der tatsächlichen Batteriezellspannung und der Führungsspannung schnell ausgleichen kann. Je weiter dabei die Bandweite des Differenzverstärkers ist, desto weiter wird auch die Bandweite der Regelschleife und desto schneller können Spannungsdifferenzen ausgeglichen werden. Selbstredend können Schaltungsmaßnahmen zur Stabilisierung der Regelkreise vorgesehen sein, die hier keiner gesonderten Diskussion bedürfen.The output signal of the four-quadrant amplifier can then be used as a control signal for the current collector. Since the current collector lowers the voltage of the battery cell by the parallel dissipation of a current, a feedback arises, which can quickly compensate for any occurring difference between the actual battery cell voltage and the guide voltage. The further the bandwidth of the differential amplifier, the further the bandwidth of the control loop and the faster voltage differences can be compensated. Needless to say, circuit measures for stabilizing the control circuits can be provided, which need no separate discussion here.

Die Stromableiter können beispielsweise als Stromventile ausgeführt sein. Beispiele für ein geeignetes Stromventil stellen ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ein FET (Field Effect Transistor) dar.The current collector can be designed for example as a flow control valves. Examples of a suitable flow control valve are an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a FET (Field Effect Transistor).

Die Steuervorrichtung weist bevorzugt eine Betriebsmodusbestimmungseinheit auf, welche ausgebildet ist, einen Entladebetrieb oder Ladebetrieb der mit der Steuervorrichtung ausgestatteten Batterie zu erkennen und durch ein Betriebsmodussignal anzuzeigen. Die Betriebsmodusbestimmungseinheit kann beispielsweise einen Stromsensor beinhalten, der die Richtung des Batteriestromes erkennt. Fließt Strom in die Batterie, wird sie aufgeladen (Ladebetrieb), fließt Strom aus der Batterie, befindet sie sich im Entladebetrieb.The control device preferably has an operation mode determination unit which is designed to detect a discharge operation or charging operation of the battery equipped with the control device and to display it by an operation mode signal. The operation mode determination unit may include, for example, a current sensor that detects the direction of the battery current. If electricity is flowing into the battery, it will be charged (charging mode), electricity will flow out of the battery, it is in discharge mode.

Die Spannungskontrolleinheiten können dabei einen Steuereingang für das Betriebsmodussignal aufweisen und ausgebildet sein, auf den Empfang des Betriebsmodussignal die Stromableiter zu aktivieren oder zu deaktivieren. Im Entladebetrieb ist es wünschenswert, dass die gesamte zur Verfügung stehende Ausgangsleistung der Batterie auch tatsächlich für den jeweiligen Anwendungszweck aufgewandt wird. Bleiben die Spannungskontrolleinheiten aktiv, würde weiterhin Strom durch die Stromableiter geleitet und somit nicht für den Anwendungszweck bereitstehen. Zusätzlich kann vorgesehen sein, den Führungsspannungsgenerator von wenigstens einem der Pole der Batterie abzukoppeln, um einen Stromfluss durch den Führungsspannungsgenerator zu unterbinden.The voltage control units can have a control input for the operating mode signal and can be configured to activate or deactivate the current diverters upon receipt of the operating mode signal. In the discharge operation, it is desirable that the total available output power of the battery is actually used for the particular application. If the voltage control units remain active, current would continue to flow through the current conductors and thus not be available for the intended purpose. In addition, it can be provided to decouple the guide voltage generator from at least one of the poles of the battery in order to prevent current flow through the guide voltage generator.

Die erfindungsgemäße Beschaltung kann auch in einem Ruhezustand der Batterie, also wenn ein Strom der Batterie Null oder näherungsweise Null beträgt, wenigstens zeitweilig in Betrieb gehalten werden. In diesem Fall wird die Spannung zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Batterie von der Batterie selbst erzeugt. Die Beschaltung mit den Spannungskontrolleinheiten und dem Führungsspannungsgenerator bewirkt dann ein sogenanntes Cell-Balancing, bei dem der Ladezustand der Batteriezellen einander angeglichen wird, indem Batteriezellen mit einer höheren Batteriezellspannung teilweise entladen werden, um die Spannungen der Batteriezellen einander anzugleichen. Allerdings ist eine solche Betriebsweise normalerweise nicht notwendig, weil erfindungsgemäß während des Ladebetriebes sichergestellt wird, dass die Batteriezellen immer gleiche Ladungszustände aufweisen. The circuit according to the invention can also be kept in operation at least temporarily even when the battery is at rest, ie when a current of the battery is zero or approximately zero. In this case, the voltage between the positive and the negative pole of the battery is generated by the battery itself. The wiring with the voltage control units and the guide voltage generator then causes a so-called cell balancing, in which the state of charge of the battery cells is equalized by battery cells are partially discharged with a higher battery cell voltage to equalize the voltages of the battery cells. However, such a mode of operation is normally not necessary because it is ensured according to the invention during the charging operation that the battery cells always have the same charge states.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von zwischen einen positiven Batteriepol und einen negativen Batteriepol seriengeschalteten Batterieteilsträngen, von denen jeder wenigstens eine Batteriezelle beinhaltet, so dass sich eine Serienschaltung einer Mehrzahl von Batteriezellen ergibt, und einer mit den Batteriezellen, dem positiven Batteriepol und dem negativen Batteriepol verbundenen Steuereinrichtung gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt. Ein weiterer Erfindungsaspekt führt ein Verfahren zur Spannungskontrolle der Batteriezellen einer Batterie mit einer Mehrzahl von zwischen einen positiven Batteriepol und einen negativen Batteriepol seriengeschalteten Batterieteilsträngen, von denen jeder wenigstens eine Batteriezelle beinhaltet, so dass sich eine Serienschaltung einer Mehrzahl von Batteriezellen ergibt. Das Verfahren umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

a) Erzeugen von Führungsspannungen für die Batterieteilstränge;
b) Vergleichen der Führungsspannungen mit Spannungen der Batterieteilstränge; und
c) abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs, Ableiten eines Stromes parallel zu dem jeweiligen Batterieteilstrang.

A second aspect of the invention relates to a battery having a plurality of battery sub-strings connected in series between a positive battery post and a negative battery post, each of which includes at least one battery cell, resulting in a series connection of a plurality of battery cells, and one with the battery cells, the positive Batteriepol and the negative battery pole connected control device according to the preceding Erfindungsaspekt. Another aspect of the invention provides a method of voltage control of the battery cells of a battery having a plurality of battery sub-series connected between a positive battery pole and a negative battery pole, each of which includes at least one battery cell, resulting in a series connection of a plurality of battery cells. The method comprises at least the following steps:

a) generating guide voltages for the battery sub-strands;
b) comparing the tracking voltages with voltages of the battery sub-strings; and
c) depending on a result of the comparison, deriving a current parallel to the respective battery sub-string.

Bevorzugt wird dabei ein Betriebsmodus der Batterie bestimmt und das Ableiten des Stromes parallel zu dem jeweiligen Batterieteilstrang nur ausgeführt, wenn sich die Batterie in einem Ladebetrieb befindet. Wie bereits oben erwähnt, ist das Ableiten des Stromes nachteilig, wenn sich die Batterie in einem Entladebetrieb befindet. Das Verfahren kann aber auch ausgeführt werden, wenn sich die Batterie in einem Ruhezustand befindet, um eine Angleichung der Ladezustände der einzelnen Batterieteilstränge beziehungsweise Batteriezellen zu erreichen.In this case, an operating mode of the battery is preferably determined and the dissipation of the current parallel to the respective battery sub-string is only carried out when the battery is in a charging operation. As already mentioned above, the discharge of the current is disadvantageous when the battery is in a discharge operation. The method can also be carried out when the battery is in an idle state, in order to achieve an alignment of the states of charge of the individual battery sub-strands or battery cells.

Das Verfahren umfasst bevorzugt einen zusätzlichen Schritt des Ableitens einer bei dem Ableiten des Stromes parallel zu dem jeweiligen Batterieteilstrang entstehenden Abwärme an die wenigstens eine Batteriezelle des jeweiligen Batterieteilstranges.The method preferably comprises an additional step of dissipating a waste heat arising during the discharge of the current parallel to the respective battery sub-string to the at least one battery cell of the respective battery sub-strand.

Kurzbeschreibung der AbbildungenBrief description of the pictures

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche Elemente. Es zeigen:The invention will be described in more detail below with reference to illustrations of exemplary embodiments. The same reference numerals designate the same elements. Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockdiagramm; 1 a first embodiment of the invention as a block diagram;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockdiagramm; und 2 A second embodiment of the invention as a block diagram; and

3 eine vorteilhafte Spannungsversorgung für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Batterie. 3 an advantageous power supply for use in a battery according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der AbbildungenDetailed description of the pictures

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockdiagramm. Eine Mehrzahl von Batterieteilsträngen 10-1 bis 10-n ist zwischen einen ersten Batteriepol 40a und einen zweiten Batteriepol 40b in Serie geschaltet. Die Batterieteilstränge 10-1 bis 10-n enthalten jeweils wenigstens eine Batteriezelle, bevorzugt genau eine Batteriezelle. Es können innerhalb eines Batterieteilstranges 10-1 bis 10-n auch mehrere Batteriezellen in Reihe oder alternativ oder zusätzlich auch parallel geschaltet sein. Ebenfalls zwischen die Batteriepole 40a und 40b geschaltet ist ein Führungsspannungsgenerator 20, welcher aus einer an den Batteriepolen 40a, 40b anliegenden Spannung Führungsspannungen für die Batterieteilstränge 10-1 bis 10-n erzeugt. Die Differenzen zwischen jeweils zwei benachbarten Führungsspannungen sind dabei möglichst gleich und geben die Spannung an, die idealerweise an den Batterieteilsträngen 10-1 bis 10-n anliegen sollen. Außerdem vorgesehen sind Spannungskontrolleinheiten 30-1 bis 30-n, welche jeweils einen Vergleicher und einen Stromableiter enthalten. Der Vergleicher ist ausgebildet, eine Spannung des der jeweiligen Spannungskontrolleinheit 30-1 bis 30-n zugeordneten Batterieteilstranges mit der zugehörigen Führungsspannung des Führungsspannungsgenerators zu vergleichen und ein Vergleichssignal auszugeben, das ein Ergebnis des Vergleichs anzeigt. Der mit dem Vergleicher verbundene Stromableiter ist parallel zu dem jeweiligen Batterieteilstrang angeordnet und ausgebildet, in Abhängigkeit von dem Vergleichssignal einen Strom zu leiten. Durch das Ableiten des Stromes wird ein Ladestrom des jeweils zugeordneten Batterieteilstranges 10-1 bis 10-n reduziert, so dass auch die Spannung über den Batterieteilstrang 10-1 bis 10-n sinkt, da der Batterieteilstrang 10-1 bis 10-n entsprechend weniger Strom aufnehmen muss. Dadurch wird es möglich, die Ladespannungen und Ladeströme für alle Batterieteilstränge 10-1 bis 10-n identisch einzustellen. 1 shows a first embodiment of the invention as a block diagram. A plurality of battery sub-strings 10-1 to 10-n is between a first battery pole 40a and a second battery pole 40b connected in series. The Battery subsections 10-1 to 10-n each contain at least one battery cell, preferably exactly one battery cell. It can be inside a battery sub-string 10-1 to 10-n Also, a plurality of battery cells in series or alternatively or additionally also be connected in parallel. Also between the battery poles 40a and 40b connected is a guidance voltage generator 20 , which from one at the battery poles 40a . 40b applied voltage leading voltages for the battery sub-strings 10-1 to 10-n generated. The differences between each two adjacent guide voltages are as equal as possible and indicate the voltage, ideally on the battery sub-strings 10-1 to 10-n should be present. Also provided are voltage control units 30-1 to 30-n , which each contain a comparator and a current conductor. The comparator is designed to be a voltage of the respective voltage control unit 30-1 to 30-n associated battery sub-string with the associated guide voltage of the guide voltage generator to compare and output a comparison signal indicating a result of the comparison. The current collector connected to the comparator is arranged parallel to the respective battery sub-string and is designed to conduct a current in dependence on the comparison signal. By deriving the current is a charging current of the respective associated battery sub-string 10-1 to 10-n reduces, so that the voltage across the battery sub-string 10-1 to 10-n decreases because the battery sub-string 10-1 to 10-n accordingly less power must absorb. This makes it possible, the charging voltages and charging currents for all battery sub-strings 10-1 to 10-n set the same.

Bei Ausführungen der Erfindung kann die erste Spannungskontrolleinheit 30-1 oder die letzte Spannungskontrolleinheit 30-n unter Umständen schaltungstechnisch leicht von den restlichen Spannungskontrolleinheiten abweichen, wenn die Führungsspannung für den Batterieteilstrang 10-1 beziehungsweise 10-n gleich der am ersten Batteriepol 40a beziehungsweise zweiten Batteriepol 40b anliegenden Spannung ist. In diesem Fall sind zwei der an dem Vergleicher der Spannungskontrolleinheit 30-1 anliegenden Spannungen immer gleich.In embodiments of the invention, the first voltage control unit 30-1 or the last voltage control unit 30-n may be slightly different in terms of circuitry from the rest of the voltage control units when the leading voltage for the battery sub-string 10-1 respectively 10-n the same at the first battery pole 40a or second battery pole 40b applied voltage is. In this case, two are connected to the comparator of the voltage control unit 30-1 applied voltages always the same.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockdiagramm, bei dem eine Mehrzahl von Batteriezellen 50-1 bis 50-n zwischen den ersten und den zweiten Batteriepol 40a und 40b geschaltet sind. Jede der Batteriezellen 50-1 bis 50-n repräsentiert einen Batterieteilstrang. Parallel zu jeder der Batteriezellen 50-1 bis 50-n ist ein Stromableiter 60-1 bis 60-n vorgesehen, welche zusammen mit den Vergleichern 70-1 bis 70-n die Mehrzahl von Spannungskontrolleinheiten 30-1 bis 30-n der 1 bilden. Jeder der Stromableiter 60-1 bis 60-n enthält einen beispielsweise als IGBT oder FET ausgeführten Bypass-Transistor, welcher parallel zu der jeweiligen Batteriezelle 50-1 bis 50-n geschaltet ist und einen überschüssigen Ladestrom an ihr vorbeileiten soll. Beispielhaft gezeigt ist eine Beschaltung des Bypass-Transistors mit einem Tiefpass, welcher einen Widerstand und einen Kondensator aufweist, die zwischen Gate und Source des Transistors geschaltet sind. Der Tiefpass dient dazu, hochfrequente Störeinflüsse bei der Ansteuerung des Bypass-Transistors zu unterdrücken und den Regelkreis zu stabilisieren. In bestimmten Ausführungen der Erfindung kann er entfallen oder durch andere geeignete Schaltungsmaßnahmen ersetzt werden. 2 shows a second embodiment of the invention as a block diagram, in which a plurality of battery cells 50-1 to 50-n between the first and the second battery pole 40a and 40b are switched. Each of the battery cells 50-1 to 50-n represents a battery sub-string. Parallel to each of the battery cells 50-1 to 50-n is a current conductor 60-1 to 60-n provided, which together with the comparators 70-1 to 70-n the majority of tension control units 30-1 to 30-n of the 1 form. Each of the current conductors 60-1 to 60-n contains a bypass transistor designed, for example, as an IGBT or FET, which runs parallel to the respective battery cell 50-1 to 50-n is switched and should pass an excess charge current to her. By way of example, a wiring of the bypass transistor with a low-pass filter, which has a resistor and a capacitor, which are connected between the gate and source of the transistor is shown. The low-pass filter is used to suppress high-frequency interference when driving the bypass transistor and to stabilize the control loop. In certain embodiments of the invention, it may be omitted or replaced by other suitable circuitry.

Der Führungsspannungsgenerator 20 ist im Beispiel der 2 als Serienschaltung von Widerständen 80-1 bis 80-n ausgeführt, welche möglichst gleiche Widerstandswerte aufweisen. Der derartig ausgeführte Führungsspannungsgenerator bietet den Vorteil, dass Änderungen einer an den Polen 40a, 40b der Batterie anliegenden Spannung in kürzester Zeit eine entsprechende Änderung der Führungsspannungen bewirken. Auch folgen die Führungsspannungen vorteilhaft einem Umschalten zwischen einer Ladeerhaltungsspannung und einer Starkladespannung, wie sie nach einer längeren Belastung der Batterie im Entladebetrieb eingesetzt wird, um die Batterie schnell wieder aufzuladen. Durch den Einsatz eines einfachen Spannungsteilers wird es zudem überflüssig, eine Spannung für jede einzelne Batteriezelle gesondert vorzugeben und abzugleichen.The guide voltage generator 20 is in the example of 2 as a series connection of resistors 80-1 to 80-n executed, which have the same possible resistance values. The guide voltage generator designed in this way offers the advantage that changes to one at the poles 40a . 40b Apply the voltage applied to the battery in a short time a corresponding change in the guide voltages. Also, the bias voltages advantageously follow a switch between a trickle charge voltage and a boost charging voltage as used after a prolonged load of the battery in the discharge operation to quickly recharge the battery. By using a simple voltage divider, it is also unnecessary to specify a voltage for each individual battery cell separately and adjust.

Damit die vom Führungsspannungsgenerator 20 erzeugten Führungsspannungen schnell einer Änderung der zwischen den Batteriepolen 40a, 40b anliegenden Spannung folgen können, sollte die kapazitive Belastung der Ausgänge für die Führungsspannungen gering sein. Aus diesem Grund besitzt das Ausführungsbeispiel von 2 optionale Impedanzwandler 90-1 bis 90-n vor, die beispielsweise als Spannungsfolger ausgeführt sein können.So that of the guide voltage generator 20 generated conduction voltages quickly change between the battery poles 40a . 40b voltage applied, the capacitive loading of the outputs for the leading voltages should be low. For this reason, the embodiment of 2 optional impedance converter 90-1 to 90-n before, which may for example be designed as a voltage follower.

Die Vergleicher 70-1 bis 70-n bilden den Kern des Regelkreises des Ausführungsbeispiels der 2. Die Vergleicher 70-1 bis 70-n sind als Vierquadrantenverstärker ausgeführt und weisen Anschlüsse für die Terminals eines zugeordneten Batterieteilstranges beziehungsweise einer zugeordneten Batteriezelle 50-1 bis 50-n sowie für ein Paar von jeweils benachbarten Führungsspannungen auf. Die Vierquadrantenverstärker besitzen jeweils zwei Spannungsteiler, die zwischen ein Paar von Anschlüssen des Vierquadrantenverstärkers geschaltet sind und vorzugsweise zwei gleich große Widerstände aufweisen. Die Mittenkontakte der beiden Spannungsteiler sind mit den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden, dessen Ausgangssignal für die Ansteuerung des jeweils zugehörigen Stromableiters verwendet wird. Zur Stabilisierung kann der Vierquadrantenverstärker gegebenenfalls eine Gegenkopplung mit einem Kondensator aufweisen, wie sie in 2 dargestellt ist.The comparators 70-1 to 70-n form the core of the control loop of the embodiment of 2 , The comparators 70-1 to 70-n are designed as four-quadrant amplifier and have connections for the terminals of an associated battery sub-string or an associated battery cell 50-1 to 50-n as well as for a pair of each adjacent guide voltages. The four-quadrant amplifiers each have two voltage dividers, which are connected between a pair of terminals of the four-quadrant amplifier and preferably have two equal resistances. The center contacts of the two voltage dividers are connected to the two inputs of a differential amplifier, whose output signal is used for the control of the respective associated Stromableiters. For stabilization, the four-quadrant amplifier may optionally have a negative feedback with a capacitor, as in 2 is shown.

Die in 2 gezeigte Ausführungsform erlaubt einen einfachen modularen Aufbau, bei dem ein Modul jeweils den Stromableiter 60, den Vergleicher 70 und den Impedanzwandler 90 sowie unter Umständen auch den zugehörigen Widerstand 80 des Führungsspannungsgenerators 20 aufweist. Es können dann für den jeweiligen Anwendungszweck beliebige Zahlen von Batteriezellen zu einer Batterie verschaltet werden, wobei die Fertigung gleicher Module eine besonders wirtschaftliche Herstellung ermöglicht. Einziger Unterschied zwischen den Modulen stellt deren externe Verdrahtung dar, die im Fall der Batteriezelle 50-n zwei Anschlüsse des Vierquadrantenverstärkers 70-n mit dem negativen Pol der Batteriezelle 50-n verbindet.In the 2 embodiment shown allows a simple modular structure, in which a module in each case the current conductor 60 , the comparator 70 and the impedance converter 90 as well as the associated resistance 80 of the guide voltage generator 20 having. It can then be connected to a battery for the particular application any numbers of battery cells, the production of the same modules allows a particularly economical production. The only difference between the modules is their external wiring, which in the case of the battery cell 50-n two ports of the four-quadrant amplifier 70-n with the negative pole of the battery cell 50-n combines.

Allerdings kann sich auch die Beschaltung für den Fall der ersten Batteriezelle 50-1 geringfügig von jenen der anderen Batteriezellen unterscheiden. So kann in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der erste Impedanzwandler 90-1 entfallen, da hier die positive Ausgangsspannung der Batterie als Führungsspannung anliegt, welche einen geringen Innenwiderstand aufweist, so dass eine Impedanzwandlung prinzipiell nicht notwendig wäre. Allerdings kann es dennoch vorteilhaft sein, den Impedanzwandler 90-1 vorzusehen, um durch die Impedanzwandler 90-1 bis 90-n eventuell verursachte Offset-Spannungen oder dergleichen symmetrisch für alle Führungsspannungen zu erzeugen. Aus demselben Grund kann auch ein zusätzlicher Impedanzwandler 90-n + 1 vorgesehen sein, der nach identischem Schaltungsschema wie für die Vierquadrantenverstärkers 70-1 bis 70-n – 1 zwischen den Batteriepol 40b und einen Anschluss des Vierquadrantenverstärkers 70-n geschaltet wird.However, the wiring may also be in the case of the first battery cell 50-1 slightly different from those of the other battery cells. Thus, in the embodiment shown, the first impedance converter 90-1 omitted, since here the positive output voltage of the battery is applied as a guide voltage, which has a low internal resistance, so that an impedance conversion would not be necessary in principle. However, it may still be beneficial to the impedance converter 90-1 provide to through the impedance converter 90-1 to 90-n possibly caused offset voltages or the like symmetrical for all guide voltages to create. For the same reason, an additional impedance transformer can also be used 90-n + 1 can be provided, the same circuit diagram as for the four-quadrant amplifier 70-1 to 70-n - 1 between the battery pole 40b and a port of the four-quadrant amplifier 70-n is switched.

Nicht dargestellt sind in den 1 und 2 optionale Schaltmaßnahmen, um die Spannungskontrolleinheiten und den Führungsspannungsgenerator beziehungsweise deren stromleitenden Komponenten zu deaktivieren. Solche Schaltmaßnahmen können vorteilhaft vorgesehen sein, um eine zusätzliche Belastung der Batterie im Entladebetrieb zu vermeiden. Ebenfalls nicht dargestellt sind Schaltungsmaßnahmen für die Spannungsversorgung der einzelnen aktiven Schaltungskomponenten, insbesondere der in den Vierquadrantenverstärkern eingesetzten Differenzverstärker sowie der Impedanzwandler, welche ebenfalls in das obengenannte Modul integriert sein können.Not shown in the 1 and 2 optional switching measures to deactivate the tension control units and the guidance voltage generator or their current-conducting components. Such switching measures can be advantageously provided to avoid an additional load of the battery in the unloading operation. Also not shown are circuit measures for the power supply of the individual active circuit components, in particular the differential amplifier used in the four-quadrant amplifiers and the impedance converter, which may also be integrated in the above-mentioned module.

3 zeigt eine solche vorteilhafte Spannungsversorgung für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Batterie. Es stellt sich das Problem, dass die Spannungskontrolleinheiten 30 durch die Parallelschaltung zu einem zugehörigen Batterieteilstrang an unterschiedlichen Potentialen liegen, welche abhängig von Zahl und Art der Batteriezellen bis zu einigen hundert Volt über dem Potential des negativen Batteriepols 40b liegen können. Da zur Ansteuerung des Bypass-Transistors Steuerspannungen benötigt werden, die zwischen den Potentialen des positiven oder negativen Pols des jeweiligen Batterieteilstranges 10-1 bis 10-n liegen, werden eine Anzahl von wenigstens n + 1 unterschiedlichen Versorgungsspannungen benötigt. Nach dem Stand der Technik werden Beschaltungen von Batterie wie etwa für das Cell-Balancing oder andere Aufgaben des Batterie-Managements gewöhnlich von einer zentralen Spannungsversorgung versorgt, die eine Vielzahl von Versorgungsspannungen bereitstellt. Dies besitzt jedoch den Nachteil eines enorm hohen Verdrahtungsaufwandes, um die Versorgungsspannungen zu den Beschaltungen der einzelnen Batteriezellen zu führen. Alternativ werden die Spannungen von benachbarten Batteriezellen als Versorgungsspannung herangezogen, was jedoch ebenfalls einen relativ hohen Verdrahtungsaufwand und Schwierigkeiten bei der räumlichen Anordnung der Batteriezellen mit sich bringt. Ein auch gesondert von den vorgenannten Erfindungsaspekten verwirklichbarer Aspekt der Erfindung sieht daher eine lokale Spannungserzeugung vor, die die benötigte Versorgungsspannung für die Beschaltung einer Batteriezelle oder eines Batterieteilstranges erzeugt. Die lokale Spannungserzeugung kann dabei beispielsweise auch vorteilhaft in anderen Batteriemanagement-Systemen oder sogenannten Smart-Batteries verwendet werden. 3 shows such an advantageous power supply for use in a battery according to the invention. It raises the problem that the voltage control units 30 due to the parallel connection to an associated battery sub-string are at different potentials, which depend on the number and type of battery cells up to several hundred volts above the potential of the negative battery 40b can lie. Since control voltages are required for driving the bypass transistor, which are between the potentials of the positive or negative pole of the respective battery sub-string 10-1 to 10-n a number of at least n + 1 different supply voltages are needed. In the prior art, battery wiring, such as for cell balancing or other battery management tasks, is usually powered by a central power supply providing a variety of supply voltages. However, this has the disadvantage of an enormous amount of wiring effort to lead the supply voltages to the circuits of the individual battery cells. Alternatively, the voltages of adjacent battery cells are used as the supply voltage, but this also entails a relatively high wiring complexity and difficulties in the spatial arrangement of the battery cells. An aspect of the invention which can also be realized separately from the aforementioned aspects of the invention therefore provides for local voltage generation which generates the required supply voltage for the wiring of a battery cell or a battery sub-string. For example, the local voltage generation can also be advantageously used in other battery management systems or so-called smart batteries.

In dem Ausführungsbeispiel von 3 weist ein Batterieteilstrang 10-1 bis 10-n jeweils eine Batteriezelle 50-1 bis 50-n auf, es ist aber auch hier möglich, eine größere Anzahl von Batteriezellen parallel oder seriell zusammenzuschalten. Für jeden Batterieteilstrang 10-1 bis 10-n ist eine lokale Spannungsversorgung 100-1 bis 100-n vorgesehen. Es ist jedoch bei bestimmten Ausführungsformen auch möglich, die lokale Spannungsversorgung 100-1 entfallen zu lassen und dafür die Spannung des positiven Batteriepols 40a als Versorgungsspannung heranzuziehen.In the embodiment of 3 has a battery sub-string 10-1 to 10-n one battery cell each 50-1 to 50-n but it is also possible here to connect a larger number of battery cells in parallel or in series. For each battery sub-string 10-1 to 10-n is a local power supply 100-1 to 100-n intended. However, in certain embodiments, it is also possible to use the local power supply 100-1 to be omitted and for the voltage of the positive battery pole 40a to be used as supply voltage.

Jede lokale Spannungsversorgung 100-1 bis 100-n ist eingangsseitig an eine Versorgungsleitung 101 angeschlossen, welche erfindungsgemäß eine Wechselspannung führt. Diese Wechselspannung ist vorzugsweise eine sinusförmige Wechselspannung und kann eine Amplitude von beispielsweise zwischen 6 und 12 Volt besitzen. Die Wechselspannung wird bevorzugt über einen Transformator auf die Versorgungsleitung 101 gekoppelt, wodurch vorteilhaft eine galvanische Trennung der mit der hohen Spannung der Batterie und der eigentlichen Spannungsquelle erreicht wird.Every local power supply 100-1 to 100-n is input side to a supply line 101 connected, which leads according to the invention an AC voltage. This AC voltage is preferably a sinusoidal AC voltage and may have an amplitude of, for example, between 6 and 12 volts. The AC voltage is preferably applied to the supply line via a transformer 101 coupled, which advantageously a galvanic separation is achieved with the high voltage of the battery and the actual voltage source.

Kern dieses Erfindungsaspektes ist es, eine lokale Versorgungsspannung durch Einkoppeln einer Wechselspannung zu erzeugen, wobei in jedem Batterieteilstrang 10-1 bis 10-n eine Potentialabtrennung über einen Koppelkondensator 103 erreicht wird. Optional kann aus Sicherheitsgründen eine Sicherung 102 vorgesehen sein, die vorzugsweise zwischen die Versorgungsleitung 101 und den Koppelkondensator 103 geschaltet ist. Als Koppelkondensatoren 103 werden bevorzugt Elektrolytkondensatoren verwendet, welche eine hohe Spannungsfestigkeit und hohe Kapazitäten bezogen auf ein bestimmtes Volumen aufweisen. Die über den Koppelkondensator 103 eingekoppelte Wechselspannung der Versorgungsleitung 101 wird über gegenpolig geschaltete Dioden 104 und 105 abhängig von der jeweiligen Halbphase der Wechselspannung auf die Anschlüsse eines Speicherkondensators 106 gegeben, wodurch eine Gleichrichtung der Wechselspannung stattfindet. Parallel zum Speicherkondensator 106 sind vorzugsweise ein Widerstand 107 und ein Pufferkondensator 108 vorgesehen, welche die gleichgerichtete Wechselspannung glätten beziehungsweise tiefpassfiltern. Außerdem kann eine Zener-Diode 109 zur Spannungsstabilisierung und -begrenzung vorgesehen sein. Ein Pol der lokalen Spannungsversorgung wird mit einem Pol des zugeordneten Batterieteilstranges 10-1 bis 10-n verbunden, um ein Bezugspotential für die lokale Spannungsversorgung bereitzustellen. Im gezeigten Beispiel der 3 wird der negative Pol der lokalen Spannungsversorgung mit dem entsprechenden Pol des zugeordneten Batterieteilstranges verbunden. Alternativ wäre es aber auch möglich, den positiven Pol der lokalen Spannungsversorgung mit dem positiven Pol des zugeordneten Batterieteilstranges zu verbinden.The essence of this aspect of the invention is to generate a local supply voltage by coupling an AC voltage, wherein in each battery sub-string 10-1 to 10-n a potential separation via a coupling capacitor 103 is reached. Optionally, for security reasons, a fuse 102 be provided, preferably between the supply line 101 and the coupling capacitor 103 is switched. As coupling capacitors 103 Electrolytic capacitors are preferably used, which have a high dielectric strength and high capacity relative to a certain volume. The over the coupling capacitor 103 coupled AC voltage of the supply line 101 is via opposite polarity connected diodes 104 and 105 depending on the respective half-phase of the AC voltage to the terminals of a storage capacitor 106 given, whereby a rectification of the AC voltage takes place. Parallel to the storage capacitor 106 are preferably a resistor 107 and a buffer capacitor 108 provided that smooth the rectified AC voltage or low-pass filter. In addition, a zener diode 109 be provided for voltage stabilization and limitation. One pole of the local power supply is connected to one pole of the associated battery sub-string 10-1 to 10-n connected to provide a reference potential for the local power supply. In the example shown the 3 the negative pole of the local power supply is connected to the corresponding pole of the associated battery sub-string. Alternatively, it would also be possible to connect the positive pole of the local power supply to the positive pole of the associated battery sub-string.

Die Speicherkondensatoren 106 und die Pufferkondensatoren 108 werden ebenfalls bevorzugt als Elektrolytkondensatoren ausgeführt, können jedoch auch in einer anderen geeigneten Kondensatortechnik ausgeführt sein.The storage capacitors 106 and the buffer capacitors 108 are also preferably carried out as electrolytic capacitors, but may also be embodied in another suitable capacitor technology.

Ein großer Vorteil der lokalen Spannungsversorgung ist, dass eine Spannungsversorgung von elektronischen Komponenten, die zur Regelung, Messung von Betriebsparametern oder dergleichen in einer Batterie eingesetzt werden, durch eine einzige externe Versorgungsleitung geschehen kann, so dass es möglich wird, eine Mehrzahl von Batteriezellen mit entsprechender Beschaltung in einem Batteriegehäuse zu einer austauschbaren Batterie zu integrieren, ohne eine große Anzahl von Kontakten vorsehen zu müssen. Prinzipiell genügen hierfür Kontakte für die beiden Batteriepole und ein zusätzlicher Kontakt für die zur Versorgung verwendete Wechselspannung.A great advantage of the local power supply is that a power supply of electronic components used for control, measurement of operating parameters or the like in a battery can be done by a single external supply line, so that it becomes possible to have a plurality of battery cells with corresponding ones To integrate circuitry in a battery case to a replaceable battery without having to provide a large number of contacts. In principle, contacts for the two battery poles and an additional contact for the alternating voltage used for the supply suffice for this purpose.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10-1 bis 10-n10-1 to 10-n: BatterieteilstrangBattery pack train
2020: FührungsspannungsgeneratorLeadership voltage generator
30-1 bis 30-n30-1 to 30-n: SpannungskontrolleinheitVoltage control unit
40a, 40b40a, 40b: erster und zweiter Batteriepolfirst and second battery pole
50-1 bis 50-n50-1 to 50-n: Batteriezellebattery cell
60-1 bis 60-n60-1 to 60-n: StromableiterCurrent conductor
70-1 bis 70-n70-1 to 70-n: Vergleichercomparator
80-1 bis 80-n80-1 to 80-n: Widerständeresistors
90-1 bis 90-n90-1 to 90-n: Impedanzwandlerimpedance transformer
100-1 bis 100-n100-1 to 100-n: lokale Spannungsversorgunglocal power supply
101101: Versorgungsleitungsupply line
102102: Sicherungfuse
103103: Koppelkondensatorcoupling capacitor
104104: Diodediode
105105: Diodediode
106106: Speicherkondensatorstorage capacitor
107107: Widerstandresistance
108108: Pufferkondensatorbuffer capacitor
109109: Zener-DiodeZener diode

Claims

A voltage control unit ( 30-1 , ..., 30-n ) with a comparator ( 70-2 , ..., 70-n ), which is adapted to generate a voltage of a voltage with the voltage control unit ( 30-1 , ..., 30-n ) connected or connectable battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ) with a bias voltage of one with the voltage control unit ( 30-1 , ..., 30-n ) connected or connectable guide voltage generator ( 20 ) and output a comparison signal indicating a result of the comparison, and one with the comparator ( 70-2 , ..., 70-n ) connected current conductors ( 60-2 , ..., 60-n ), which parallel to the respective battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ) and adapted to conduct a current in response to the comparison signal.

The voltage control unit ( 30-1 , ..., 30-n ) of claim 1, wherein the comparator ( 70-2 , ..., 70-n ) is designed as a four-quadrant amplifier.

The voltage control unit ( 30-1 , ..., 30-n ) of one of claims 1 or 2, wherein the current collector ( 60-2 , ..., 60-n ) is designed as a flow control valve.

The voltage control unit ( 30-1 , ..., 30-n ) of one of the preceding claims, having a control input for an operating mode signal and designed, upon receipt of the operating mode signal, the current collector ( 60-2 , ..., 60-n ) to activate or deactivate.

A control device for a battery having a plurality of between a positive battery pole ( 40a ) and a negative battery pole ( 40b ) series-connected battery sub-strings ( 10-1 , ..., 10-n ), each of which has at least one battery cell ( 50-1 , ..., 50-n ), so that a series connection of a plurality of battery cells ( 50-1 , ...., 50-n ), the control device at least comprising a guide voltage generator ( 20 ), which is designed for each of the battery sub-strands ( 10-1 , ..., 10-n ) output a bias voltage, and a plurality of voltage control units ( 30-1 , ..., 30-n ), each of which has a voltage control unit ( 30-1 , ..., 30-n ) one of the battery sub-strings ( 10-1 , ..., 10-n ), the voltage control units ( 30-1 , ..., 30-n ) each have a comparator ( 70-2 , ..., 70-n ), which is formed, a voltage of the respective battery sub-string ( 10-1 , ...., 10-n ) with the associated guide voltage of the guide voltage generator ( 20 ) and output a comparison signal indicating a result of the comparison and one with the comparator ( 70-2 , ..., 70-n ) connected current conductors ( 60-2 , ..., 60-n ), which parallel to the respective battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ) and adapted to conduct a current in response to the comparison signal.

The control device of claim 5, wherein the guide voltage generator ( 20 ) a plurality of series-connected resistors ( 80-1 , ..., 80-n ) between the positive battery pole ( 40a ) and the negative battery pole ( 40b ) and each having a predetermined resistance, the number of Resistors ( 80-1 , ..., 80-n ) of the battery sub-strings ( 10-1 , ..., 10-n ) corresponds.

The control device of claim 6, wherein each connection point between the series-connected resistors ( 80-1 , ..., 80-n ) of the guide voltage generator ( 20 ) is adapted to generate a respective one of the guide voltages.

The controller of any of claims 5 to 7, wherein the voltage control units ( 30-1 , ..., 30-n ) according to claim 4 and with an operating mode determining unit which is designed to detect a discharging or charging operation of the battery and by an operating mode signal to the voltage control units ( 30-1 , ..., 30-n ).

A battery sub-string with at least one battery cell ( 50-1 , ..., 50-n and a voltage control unit connected to the battery sub-string according to one of claims 1 to 4.

The battery sub-string of claim 9, wherein the current conductor ( 60-2 , ..., 60-n ) of the control device on the at least one battery cell ( 50-1 , ..., 50-n ) of the battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ) and in heat-conducting contact with the at least one battery cell ( 50-1 , ..., 50-n ) of the battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ) is arranged.

A battery with a plurality of between a positive battery pole ( 40a ) and a negative battery pole ( 40b ) series-connected battery sub-strings ( 10-1 , ..., 10-n ) according to one of claims 9 or 10, and one with the battery cells ( 50-1 , ..., 50-n ) of the battery sub-strands ( 10-1 , ..., 10-n ), the positive battery pole ( 40a ) and the negative battery pole ( 40b ) connected control device according to one of the preceding claims.

The battery of claim 11, wherein each battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ) exactly one battery cell ( 50-1 , ..., 50-n ) contains.

Method for voltage regulation of the battery cells ( 50-1 , ..., 50-n ) of a battery having a plurality of between a positive battery pole ( 40a ) and a negative battery pole ( 40b ) series-connected battery sub-strings ( 10-1 , ..., 10-n ), each of which has at least one battery cell ( 50-1 , ..., 50-n ), so that a series connection of a plurality of battery cells ( 50-1 , ..., 50-n ), the method comprises the following steps: a) generating guide voltages for the battery sub-strings ( 10-1 , ..., 10-n ); b) comparing the reference voltages with voltages of the battery sub-strings ( 10-1 , ..., 10-n ); and c) depending on a result of the comparison, deriving a current parallel to the respective battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ).

The method of claim 13, wherein an operating mode of the battery determines and deriving the current in parallel with the respective battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ) is only performed when the battery is in a charging operation.

The method of one of claims 13 or 14, comprising an additional step of deriving one in deriving the current in parallel with the respective battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ) generated waste heat to the at least one battery cell ( 50-1 , ..., 50-n ) of the respective battery sub-string ( 10-1 , ..., 10-n ).