Titel

Akkupack mit zumindest einem Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Akkupack, insbesondere einen Wechselakkupack mit einer Überwachungseinrichtung und mit zumindest einem ersten Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms.

Die DE 103 54 871 A1 offenbart einen Wechselakkupack, der zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms mit einem Schaltelement im Strompfad ausgestattet ist, welches durch eine Überwachungseinrichtung des Wechselakkupacks gesteuert wird.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, hohe Ruheströme zu vermeiden und ein sicheres Schalten des Schaltelements zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms auf Grundlage einer vorhandenen Wechselakkupack-Spannung zu gewährleisten.

Offenbarung der Erfindung

Dies wird erreicht durch einen Akkupack mit einer Überwachungseinrichtung, zumindest einem ersten Schaltelement, insbesondere einem MOSFET, und einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweisenden Schnittstelle, wobei die Überwachungseinrichtung das zumindest eine erste Schaltelement derart ansteuern kann, dass ein Lade- oder Entladestrom über zumindest zwei der elektrischen Kontakte unterbrochen oder ermöglicht ist, wobei der Akkupack eine Messschaltung aufweist, die einen Spannungswert einer Überwachungsspannung zur Ansteuerung des zumindest einen ersten Schaltelements in einen Messwert einer Messspannung umsetzt, wobei die Überwachungseinrichtung den Messwert mit zumindest einem ersten Grenzwert vergleicht und bei einem Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement öffnet. Beim Überschreiten oder Unterschreiten dieses Grenzwerts wird das zumindest eine erste Schaltelement geöffnet, um einen Laststrom zu unterbrechen, wodurch eine Batterie-Spannung auf ihr Leerlauf-Potential entspannt. Dadurch wird ein weiteres, transientes Absinken der zu überwachenden Spannung verhindert, was ansonsten unvorteilhafte Folgeeffekte mit sich bringen könnte. Der Messwert der Messspannung kann als ein Betrag der Messspannung oder als ein Betrag eines Stromsignals ausgebildet sein.

Der Akkupack kann einen ersten Energieversorgungskontakt, der mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlagbar ist, und einen zweiten Energieversorgungskontakt, der mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbar ist, umfassen, wobei das zumindest eine erste Schaltelement, insbesondere der MOSFET, zur Unterbrechung oder Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms über den ersten Energieversorgungskontakt und den zweiten Energieversorgungskontakt angeordnet ist, wobei der Akkupack ausgebildet ist, das zumindest eine erste Schaltelement mittels der Überwachungsspannung anzusteuern, wobei die Überwachungsspannung aus dem ersten Bezugspotenzial, insbesondere aus dem Versorgungspotential, abgeleitet ist, wobei der Messabgriff vorzugsweise zwischen einem, insbesondere dem ersten, Energieversorgungskontakt und dem zumindest einen ersten Schaltelement geschaltet ist, und die Überwachungsspannung zwischen dem Messabgriff und dem Massepotential anliegt. Dadurch werden negative Folgen von Spannungseinbrüchen aufgrund von hohen bzw. zeitlich stark veränderlichen Lastströmen verhindert. Das Massepotential ist vorzugsweise als ein neagtives Potential einer ersten Akkuzelle eines in Serie geschalteten Akkuzellstrangs ausgebildet.

In einem Aspekt ist die Überwachungsspannung direkt aus einer Treiberspannung des zumindest einen ersten Schaltelements abgeleitet. Eine Überwachung dieses Potentials ermöglicht die direkteste Absicherung des zumindest einen ersten Schaltelements. ln einem Aspekt ist die Überwachungsspannung direkt aus dem ersten Bezugspotenzial, insbesondere aus dem Versorgungspotential, abgeleitet und gegenüber Spannungsschwankungen und -einbrüchen des ersten Bezugspotenzials, insbesondere des Versorgungspotentials, entkoppelt. Eine Überwachung dieses Potentials stellt sicher, dass sowohl die Treiberspannung des Schaltelements als auch weitere hieraus abgeleitete Versorgungsspannung vor Einbrüchen geschützt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch z.B. auch sichergestellt wird, dass eine Steuerelektronik des zumindest einen ersten Schaltelements vor Unterspannung geschützt wird.

In einem Aspekt ist die Überwachungsspannung direkt aus dem ersten Bezugspotenzial, insbesondere aus dem Versorgungspotential, abgeleitet. Eine Überwachung dieses Potentials bietet eine schnellstmögliche Reaktion auf Spannungseinbrüche.

Die Überwachungseinrichtung kann einen Mikroprozessor umfassen, der ausgebildet ist, den Messwert mit dem Grenzwert zu vergleichen und beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement zu öffnen. Vorzugsweise ist der Messwert als eine Messpanung ausgebildet, wobei der Mikroprozessor dazu ausgebildet ist, den Betreag der Messspannung zu erfassen. Der Mikroprozessor ist vorzugsweise der Messeinrichtung oder der Steuervorrichtung zugeordnet.

Die Überwachungseinrichtung kann eine Komparatorschaltung umfassen, die ausgebildet ist, den Messwert mit einer Referenzspannung zu vergleichen, die den Grenzwert darstellt, und beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement zu öffnen. Die Komparatorschaltung ist vorzugsweise der Messeinrichtung zugeordnet. Zusätzlich ist für diesen Fall ein Mikrokontroller

Die Überwachungseinrichtung kann eine Messeinrichtung mit einer Transistorschaltung umfassen, die wenigstens einen abhängig vom Messwert schaltbaren Transistor umfasst, dessen Schaltschwelle den Grenzwert darstellt. Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung zustätzlich dazu ausgebildet beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement zu öffnen. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Akkupack wenigstens einen Widerstand umfasst, der zwischen einem Kontakt für die Überwachungsspannung und einem Massepotential geschaltet ist, wobei die Messspannung zwischen dem Kontakt und dem Widerstand anliegt.

Die Messschaltung kann eine durch ein Schaltsignal schaltbare erste Schalteinrichtung und eine durch die erste Schalteinrichtung schaltbare zweite Schalteinrichtung umfassen, wobei die zweite Schalteinrichtung und wenigstens zwei Widerstände in Reihenschaltung zwischen dem Kontakt und dem Massepotential geschaltet sind, und wobei ein Abgriff für die Messspannung zwischen den beiden Widerständen geschaltet ist und wobei der Akkupack einen Kondensator umfasst, der zwischen die erste Schalteinrichtung und den Abgriff für die Messspannung geschaltet ist.

Die wenigstens zwei Widerstände und der Kondensator sind vorzugsweise derart dimensioniert, dass die Messspannung den Grenzwert unterschreitet, der zum Unterbrechen des zumindest einen Schaltelements führt, wenn ein für den zuverlässigen Betrieb des zumindest einen ersten Schaltelements zu geringes Schaltpotential anliegt.

Vorzugsweise wird ein Wiedereinschalten des zumindest einen ersten Schalteleements durch Wiederüberschreiten eines oder des Grenzwerts ermöglicht. Insbesondere ist das Schaltelement durch die Überwachungseinrichtung einschaltbar ausgebildet, wobei das Einschalten bevorzugt über einen Mikroprozessor erfolgt. Alternativ zum Mikroprozessor wäre auch eine diskrete Schaltung denkbar.

Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, das Schaltsignal an die erste Schalteinrichtung, insbesondere einen Transistor, vorzugsweise einen MOSFET, zur Ermöglichung der Messung der Messspannung auszugeben, wenn ein Ladevorgang oder ein Entladevorgang aktiv ist und anderenfalls kein Schaltsignal an die erste Schalteinrichtung, insbesondere den Transistor, vorzugsweise den MOSFET, zum Ermöglichen der Messung der Messspannung auszugeben. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Teil einer ersten Ausführung eines Akkupacks,

Fig. 2 einen Teil einer zweiten Ausführung eines Akkupacks,

Fig. 3 einen Teil einer dritten Ausführung des Akkupacks,

Fig. 4 einen Teil einer vierten Ausführung des Akkupacks,

Fig. 5 einen Teil einer fünften Ausführung des Akkupacks.

In Figur 1 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das einen Teil eines Wechselakkupacks 10 darstellt. Der Wechselakkupack 10 ist mit einem nicht in Figur 1 dargestellten Ladegerät bzw. elektrischen Verbraucher lösbar verbindbar. Der Wechselakkupack 10 und das Ladegerät bzw. der elektrische Verbraucher weisen zueinander korrespondierende elektromechanische Schnittstellen auf, von denen eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 des Wechselakkupacks 10 in Figur 1 dargestellt sind.

Ein erster der elektrischen Kontakte 12 dient als ein mit einem ersten Bezugspotential V1 , vorzugsweise einem Versorgungspotential V+, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 14. Ein zweiter der elektrischen Kontakte 12 dient als ein mit einem zweiten Bezugspotential V2, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 16.

Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 14, 16 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät mit einem Ladestrom geladen und andererseits durch den elektrischen Verbraucher mit einem Entladestrom entladen werden. Die Stromstärken von Lade- und Entladestrom können sich signifikant voneinander unterscheiden. So kann der Entladestrom bei entsprechend ausgelegten elektrischen Verbrauchern z.B. bis zu 10 Mal höher sein als der Ladestrom des Ladegeräts. Im Folgenden soll trotz dieser Unterschiede zwischen Lade- und Entladestrom das gemeinsame Symbol I verwendet werden. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V+ und GND insbesondere im Falle eines als elektrischen Verbrauchers nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 14, 16 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektromechanischen Schnittstellen. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät.

Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 18 auf, die zwar in Figur 1 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder ergänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung eine über die Energieversorgungskontakte 14, 16 abfallende Spannung UBatt des Wechselakkupacks 10 definiert, während eine Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 18 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne Zell- Cluster, die parallel verschalteten Energiespeicherzellen 18 umfassen, in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung UBatt des Wechselakkupacks 10 bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-Ion- Energiespeicherzellen 18 mit einer Zellspannung UCell von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 14, 16 eine Wechselakkupack-Spannung UBatt = V1 - V2 von 5 ■ 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 18 kann die Kapazität gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art, Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 18 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 16 angewendet werden. Die Erfindung ist auch bei nicht wechselbaren Akkupacks anwendbar.

Zur Überwachung des Wechselakkupacks 10 ist eine Überwachungseinrichtung 20 vorgesehen. Um zur Erhöhung der Betriebssicherheit den Lade- oder Entladestrom I innerhalb des Wechselakkupacks 10 unterbrechen oder ermöglichen zu können, weist der Wechselakkupack 10 zumindest ein erstes Schaltelement 22 auf, das von der Überwachungseinrichtung 20 über eine aus einem zweiten und einem dritten Schaltelement 24, 26 bestehende Halbbrücke 28 zum Unterbrechen des Lade- bzw. Entladestroms I geöffnet und zum Ermöglichen des Lade- oder Entladestroms I geschlossen werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zumindest eine erste Schaltelement 22 in einem Massepfad (Low-Side) zwischen dem zweiten als Energieversorgungskontakt 16 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle und einem Massekontaktpunkt 30 der Reihenschaltung der Energiespeicherzellen 18 angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist es ebenso möglich, zumindest ein erstes Schaltelement 22 im High-Side-Pfad zwischen einem Abgriff 32 für die Reihenschaltung der Energiespeicherzellen 18 und dem ersten als Energieversorgungskontakt 14 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle anzuordnen. Darüber hinaus können sowohl im Low-Side- als auch im High-Side-Pfad jeweils mehrere erste Schaltelemente 22 angeordnet sein. Bevorzugt ist das zumindest eine erste Schaltelement 22, wie in Figur 1 dargestellt, als ein MOSFET ausgebildet. Es sind aber auch andere Schaltelemente, wie beispielsweise ein Relais, ein IGBT, ein Bipolar-Transistor oder dergleichen einsetzbar.

Analog dem zumindest einen ersten Schaltelement 22, sind auch die beiden Schaltelemente 24, 26 der Halbbrücke 28, wie in Figur 1 dargestellt, vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet. Es sind aber auch andere zweite und dritte Schaltelemente 24, 26, wie beispielsweise Relais, IGBTs, Bipolar- Transistoren oder dergleichen denkbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das zweite, als High-Side-Schalter der Halbbrücke 28 ausgebildete Schaltelement 24 ein P-Kanal-MOSFET und das dritte, als Low-Side-Schalter der Halbbrücke 28 ausgebildete Schaltelement 26 ein N-Kanal-MOSFET. Zum Unterbrechen des Lade- oder Entladestroms I wird nun durch die Überwachungseinrichtung 20 das zumindest eine erste Schaltelement 22 geöffnet, indem sie das dritte Schaltelement 26 schließt. Zudem kann die Überwachungseinrichtung 20 das zweite Schaltelement 24 zusätzlich öffnen, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Umgekehrt ermöglicht die Überwachungseinrichtung 20 den Lade- oder Entladestrom I, indem sie durch ein Schließen des zweiten Schaltelements 24 bei offenem dritten Schaltelement 26 das zumindest eine erste Schaltelement 22 schließt. Dazu ist die Halbbrücke 28 einerseits mit dem Bezugspotential GND und andererseits über eine Schutzdiode 34 sowie einen ersten Widerstand 36 und einen zweiten Widerstand 38 mit dem Versorgungspotential V+ verbunden, wobei ein Abgriff 40 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 36, 38 als Anschlusspunkt für einen Kondensator 42 dient, der wiederum mit dem zweiten Energieversorgungskontakt 16 der elektromechanischen Schnittstelle verbunden ist. Somit sind der Kondensator 42, der zweite Widerstand 38 sowie die Halbbrücke 28 parallel zum

Ansteuerpotential des zumindest einen ersten Schaltelement 22 geschaltet. Weiterhin ist ein Abgriff 44 zwischen den beiden Schaltelementen 24, 26 der Halbbrücke 28 über einen dritten Widerstand 46 mit einem Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements 22, insbesondere mit einem Gate- Anschluss des MOSFETs, verbunden.

Der erste Widerstand 36 und der Kondensator 42 bilden ihrerseits ein RC-Glied 48, dessen Zeitkonstante T sich aus dem Produkt des Widerstandswerts R1 des ersten Widerstands 36 und der Kapazität C1 des Kondensators 40 ergibt. Die Zeitkonstante T ist bevorzugt derart dimensioniert, dass sich keine für den Betrieb des Wechselakkupacks 10 unvorteilhaft hohen Ladezeiten des zumindest einen Kondensators 42 ergeben, die ein Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 negativ beeinflussen könnten. Durch die daraus resultierende Vermeidung zu langer Schaltzeiten oder sich zu langsam aufbauender Schaltpotentiale vor dem Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 kann die Gefahr von Funktionsbeeinträchtigungen oder Leistungseinbußen des Wechselakkupacks 10 wirksam reduziert werden.

Das RC-Glied 48 ist über die vorzugsweise als Schottky-Diode ausgebildete Schutzdiode 34 von dem Versorgungspotential V+ entkoppelt. Somit schützt die Schutzdiode 34 das RC-Glied 48 vor einem Spannungseinbruch zwischen dem Versorgungspotential V+ und dem Massepotential GND. Die Ausbildung der Schutzdiode 34 als Schottky-Diode bietet überdies den Vorteil eines geringeren Spannungsabfalls, so dass eine höhere Spannung zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 zur Verfügung steht.

Der Abgriff 44 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 36, 38 bildet gleichzeitig einen Mittenabgriff des RC-Glieds 48 an dem ein entkoppeltes Schaltpotential VS zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 über die Halbbrücke 28 anliegt. Dabei ist der ersten Widerstand 36 des RC- Glieds 48 derart dimensioniert, dass durch seinen Widerstandswert R1 im Falle eines Kurzschlusses keine für den Wechselakkupack 10 gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Ein derartiger Kurzschluss kann beispielsweise intern durch einen Fehler des Kondensators 42 des RC-Glieds 28, durch einen Fehler in der Überwachungseinrichtung 20 oder der Halbbrücke 28 entstehen. Um eine Überlastung des ersten Widerstands 36 durch einen Kurzschluss zu vermeiden, beträgt sein Widerstandswert R1 mindestens 1 kß. Da dies aber den Schaltstrom für das zumindest eine erste Schaltelement 22 begrenzen würde, muss der Kondensator 42 des RC-Glieds 48 eine aus-reichend hohe Kapazität C1 aufweisen. Idealerweise ist der Kapazität C1 derart dimensioniert, dass sie deutlich größer ist als die Summe aller Kapazitäten des Wechselakkupacks 10, die beim Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 geladen werden. So wäre beispielsweise ein Wert von ca. 100 nF für die Kapazität C1 denkbar. Um jedoch auch im Kurzschlussfall ein sich nur langsam abbauendes Schaltpotential VS zu gewährleisten, sind Werte von über 1 pF für die Kapazität C1 vorteilhaft. Ergänzend ergibt sich durch die hochohmige Auslegung des RC- Glieds 48 ein Vorteil dahingehend, dass das Schaltpotential VS für das zumindest eine erste Schaltelement 22 weitestgehend von Kurzschlüssen an oder in dem Wechselakkupack 10 entkoppelt ist.

Das Schaltpotential VS kann nun durch die Überwachungseinrichtung 20 über die Halbbrücke 28 sowie den zweiten und dritten Widerstand 38, 46 in der beschriebenen Weise an einen Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements 22, beispielsweise an den Gate-Anschluss des MOSFETs, angelegt werden, um es zu schließen. Dabei sind der zweite und der dritte Widerstand 38 bzw. 46 derart dimensioniert, dass durch ihren resultierenden Widerstandswert R2 + R3 einerseits der für ein schnelles Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 erforderliche Schaltstrom nicht zu gering ist und andererseits im Falle eines Kurzschlusses oder bei versehentlich gleichzeitigem Einschalten des zweiten und dritten Schaltelements 24, 26 der Halbbrücke 28 keine für den Wechselakkupack 10 gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Bevorzugt ist der resultierende Widerstandswert R2 + R3 des zweiten und dritten Widerstands 38, 46 deutlich kleiner als 1 kß. Zudem bewirkt eine optimierte Dimensionierung des zweiten Widerstands 38, dass die Ströme, die durch das Schalten des zweiten als High-Side-Schalter ausgebildeten zumindest einen ersten Schaltelements 22 auftretenden können, keine übermäßige Bauteilbeanspruchung nach sich ziehen, was zu einer frühzeitigen Alterung insbesondere des zweiten Schaltelements 24 und des zweiten Widerstands 38 und damit zu einer Beschädigung des Wechselakkupacks 10 führen könnte. Statt des zweiten und des dritten Widerstands 38, 46 kann auch nur ein einziger Widerstand verwendet werden. Ebenso sind auch mehrere Widerstände denkbar. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Kondensatoren und Widerstände des RC-Glieds. Die Überwachungseinrichtung 20 gewährleistet ein sicheres und schnelles Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms auf Grundlage einer vorhandenen Wechselakkupack-Spannung, ohne dass etwaige Spannungsschwankungen der Wechselakkupack-Spannung Einfluss auf die Funktion des zumindest einen ersten Schaltelements 22 haben.

Die Spannung UBatt unterliegt im Betrieb eines Werkzeugs, das durch den Wechselakkupack 10 mit Energie versorgt wird, starken Schwankungen aufgrund von z.B. Widerständen von Leiterbahnen, Zellverbindern und Zellen oder deren induktiver Anteile in Kombination mit hohen bzw. zeitlich stark veränderlichen Lastströmen.

Sowohl eine Funktion der Überwachungseinrichtung 20 als auch das sichere und schnelle Schalten sind nur verfügbar, wenn eine minimale Versorgungsspannung gewährleistet ist. Weiterhin ist es problematisch für viele Ausführungen der Schaltelemente, wenn ihre Ansteuerspannung unter eine minimale Schwelle fällt, da ein ausreichend niederohmiger Zustand des Schaltelements dann nicht mehr sichergestellt werden kann und die im Schaltelement abfallende Verlustleistung dramatisch zunimmt. Für den Wechselakkupack 10 ist seine Ruhestrom- Aufnahme innerhalb seiner Elektronik eine kritische Größe. Um eine Selbstentladung des Akkupacks 10 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, Ruheströme innerhalb der Batterie so gering wie möglich zu halten.

Die Überwachungseinrichtung 20 ist ausgebildet, das zumindest eine erste Schaltelement 22 vor einer zu niedrigen Ansteuerspannung zu schützen. Im Beispiel wird der MOSFET vor zu niedriger Ansteuerspannung geschützt.

Die Überwachungseinrichtung 20 umfasst dazu einen Kontakt 50 für eine Überwachungsspannung VU. Die Überwachungsspannung VU ist ein von der Spannung UBatt des Wechselakkupacks 10 direkt abhängiges, ggf. vorgefiltertes/aufbereitetes Potential.

Ein von der Überwachungseinrichtung 20 ausgehendes Schaltsignal 52 aktiviert eine erste Schalteinrichtung 54. Dies führt dazu, dass eine zweite Schalteinrichtung 56 in einen leitenden Zustand übergeht, und die Überwachungsspannung VU über einen vierten Widerstand 58 und einen fünften Widerstand 60 heruntergeteilt, d.h. an einem Abgriff 62 zwischen diesen Widerständen 58, 60, als Messspannung UMess erfasst und an eine Messeinrichtung 64 weitergeleitet wird. Die Überwachungseinrichtung 20 kann einen Kondensator 66 umfassen, der zwischen der ersten Schalteinrichtung 54 und dem Massepotential geschaltet ist.

Die beiden Schalteinrichtungen 54, 56 sind vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet. Es sind aber auch andere zweite und dritte Schaltelemente 54, 56, wie beispielsweise Relais, IGBTs, Bipolar-Transistoren oder dergleichen denkbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste, als Low-Side- Schalter ausgebildete Schalteinrichtung 54 ein N-Kanal-MOSFET und die zweite, als High-Side-Schalter ausgebildete Schalteinrichtung 56 ein P-Kanal-MOSFET.

Unterschreitet die Überwachungsspannung VU z.B. aufgrund von Lastsprüngen ein bestimmtes Potential, löst die Messeinrichtung 64 aus. Das Auslösen der Messeinrichtung 64 führt dazu, dass ein Signal S an eine Steuervorrichtung 68 weitergegeben wird.

Der erste Widerstand 58 und der zweite Widerstand 60 und der Kondensator 66 sind beispielsweise derart dimensioniert, dass die Messspannung UMess einen Grenzwert unterschreitet, wenn ein für den zuverlässigen Betrieb des zumindest einen ersten Schaltelements 22 zu geringes Schaltpotential VS anliegt. Die Messeinrichtung 64 ist beispielsweise ausgebildet, das Signal S auszugeben, wenn der Grenzwert unterschritten wird.

Das von der Überwachungseinrichtung 20 ausgehendes Schaltsignal 52 wird im Beispiel von der Steuervorrichtung 68 über eine Signalleitung 70 aktiviert, wenn eine Messung zur Überwachung der Überwachungsspannung VU ausgeführt werden soll oder anderenfalls deaktiviert. Im Beispiel ist vorgesehen, das Schaltsignal 52 im Ladevorgang oder im Entladevorgang zu aktivieren und anderenfalls zu deaktivieren. Dadurch entlädt sich der Wechselakkupack 10 bei einer Lagerung nicht selbst aufgrund von permanent verbundenen Ableitpfaden.

Die Steuervorrichtung 68 ist über eine erste Ansteuerleitung 72 mit dem zweiten Schaltelement 24 und über eine zweite Ansteuerleitung 74 mit dem dritten Schaltelement 26 verbunden. Die Steuervorrichtung 68 ist ausgebildet, das zweite Schaltelement 24 und das dritte Schaltelement 26 zum Ermöglichen oder Unterbrechen des Lade- bzw. Entladestroms I d.h. zum Öffnen des mindestens einen Schaltelements 22 oder zum Schließen des mindestens einen Schaltelements 22 anzusteuern.

Wenn das Signal S an die Steuervorrichtung 68 weitergegeben wird, führt dies in dem in Figur 1 dargestellten Beispiel indirekt zum Ausschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22. Die Steuervorrichtung 68 unterbricht den Ladeoder Entladestrom I beispielsweise, indem sie durch ein Schließen des dritten Schaltelements 26 das zumindest eine erste Schaltelement 22 öffnet.

Die Erfindung ist nicht auf das indirekte Ausschalten beschränkt. Es kann vorgesehen sein, dass ein Weitergeben des Signals S dazu führt, dass das mindestens eine Schaltsignal 22 unabhängig vom zweiten Schaltelement 24 und unabhängig vom dritten Schaltelement 26 direkt ausgeschaltet wird.

Dadurch wird der Lade- bzw. Entladestroms I unterbrochen und die Spannung UBatt entspannt sich auf ihr Leerlauf-Potential.

Erfindungsgemäß können eine oder mehrere erfindungsgemäße Schaltungen in ihren verschiedenen Varianten implementiert werden, um mehr als eine Überwachungsspannung VU zu überwachen. Beispielsweise kann eine Ansteuerspannung von MOSFETs oder eine Versorgungsspannung einer Batterie-Elektronik überwacht werden.

In Figur 1 sind ein erster Messabgriff P1 , ein zweiter Messabgriff P2, ein dritter Messabgriff P3 und ein vierter Messabgriff P4 dargestellt, an denen Potentiale innerhalb der Batterie-Elektronik abgreifbar sind, die sich besonders als Überwachungsspannung VU eignen, um das mindestens eine Schaltelement 22, z.B. den MOSFET, vor zu niedriger Ansteuerspannung zu schützen.

Der erste Messabgriff P1 liefert eine Treiberspannung des mindestens einen Schaltelements 22. Eine Überwachung dieses Potentials ermöglicht die direkteste Absicherung des Schaltelements 22. Der zweite und der dritte Messabgriff P2, P3 liefert je eine entkoppelte Batteriespannung. Eine Überwachung dieses Potentials stellt sicher, dass sowohl die Treiberspannung des mindestens einen Schaltelements 22 als auch weitere hieraus abgeleitete Versorgungsspannungen vor Einbrüchen geschützt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch z.B. auch sichergestellt wird, dass die weitere Steuerelektronik, z.B. die Steuervorrichtung 68 vor Unterspannung geschützt wird.

Besonders vorteilhaft ist es bei dieser Absicherung an dem zweiten oder dem dritten Messabgriff P2, P3, verschiedene Unterspannungsschwellen für verschiedene Teile der Batterie-Elektronik zu berücksichtigen. Eine minimale Eingangsspannung eines Spannungsreglers der Batterie-Elektronik ist z.B. 8V, während eine minimale Überwachungspannung für die Halbbrücke 28, bevor unzulässige Verlustleistungen im mindestens einen Schaltelement 22 auftreten können, z.B. bei 5V liegt.

Über eine geeignete Parametrisierung der beschriebenen Bauelemente ist es möglich, den ersten oder zweiten Messabgriff P2, P3 gegenüber einer minimalen Spannung von z.B. 8V abzusichern, und gleichzeitig sicherzustellen, dass z.B. die Gate-Source Spannung der MOSFETs nicht unter 5V fällt.

Der vierte Messabgriff P4 liefert die nicht entkoppelte Spannung UBatt. Eine Überwachung dieses Potentials bietet eine schnellstmögliche Reaktion auf Spannungseinbrüche.

In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel wird die Überwachungsspannung VU am ersten Messabgriff P1 erfasst. Die Erfindung umfasst auch die Erfassung an den anderen Messabgriffen. Dies ist in der Figur 2 für den zweiten Messabgriff P1 , in der Figur 3 für den dritten Messabgriff P3 und in der Figur 4 für den vierten Messabgriff P4 dargestellt. Bauteile, die in diesen Fällen dieselbe Funktion wie die Bauteile haben, die für das Beispiel mit dem ersten Messabgriff P1 beschrieben wurde, sind mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.

Die Messeinrichtung 64 und/oder die Steuervorrichtung 68 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Die Überwachungseinrichtung 20, kann in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die Überwachungseinrichtung 20 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die erste Überwachungseinrichtung 20 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung UBatt, den Zellspannungen UCell, einer Temperatur ?, des Ladeoder Entladestroms I oder dergleichen aufweisen.

In Figur 5 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das einen Teil des Wechselakkupacks 10 darstellt. Der Wechselakkupack 10 umfasst die Messeinrichtung 64, die Steuereinrichtung 68 und eine Messschaltung 78 mit der die Messspannung UMess aus der Überwachungsspannung UV direkt abgeleitet wird.

Die Messschaltung 78 umfasst den Kontakt 50, die vom Schaltsignal 52 aktivierbare erste Schalteinrichtung 54, die durch diese aktivierbare zweite Schalteinrichtung 56, den vierten Widerstand 58, den fünften Widerstand 60, und den Abgriff 62 zwischen diesen Widerständen 58, 60, an dem die Messspannung UMess erfasst und an eine Messeinrichtung 64 weitergeleitet wird. Die Überwachungseinrichtung 20 umfasst im Beispiel den Kondensator 66, der zwischen der ersten Schalteinrichtung 54 und dem Abgriff 62 geschaltet ist.

Die Steuervorrichtung 68 kann einen Mikroprozessor umfassen, der ausgebildet ist, den Messwert mit dem Grenzwert zu vergleichen und beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement 22 zu öffnen.

Die Steuervorrichtung 68 kann eine Komparatorschaltung umfassen, die ausgebildet ist, den Messwert mit einer Referenzspannung zu vergleichen, die den Grenzwert darstellt, und beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement 22 zu öffnen.

Die Steuervorrichtung 68 kann eine Transistorschaltung umfassen, die wenigstens einen abhängig vom Messwert schaltbaren Transistor umfasst, dessen Schaltschwelle den Grenzwert darstellt. Das Schalten des Transistors verursacht in diesem Beispiel das Öffnen des zumindest einen ersten Schaltelements 22.

Die beschriebenen Bauteile sind Bestandteil einer besonders vorteilhaften Ausführung. Es ist jedoch auch im Sinne der Erfindung, wenn einzelne Bauteile weggelassen oder hinzugefügt werden. Durch zusätzliche Bauteile können zusätzliche Messabgriffe eingefügt werden. Durch Verzicht auf Bauteile können gegenüber dem Beschriebenen Messeingriffe reduziert werden. Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die in den Figuren gezeigte Art der Wechselakkupacks 10 noch auf ein Zusammenwirken mit bestimmten Ladegeräten oder elektrischen Verbrauchern beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 18. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen Schnittstellen sowie die Anzahl ihrer Kontakte 12 lediglich exemplarisch zu verstehen.