DE102011108038A1

DE102011108038A1 - Sensoranordnung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren, um diese zu verwenden

Info

Publication number: DE102011108038A1
Application number: DE102011108038A
Authority: DE
Inventors: Andrew K. Chandler; Andrew H. Leutheuser; Willard A. Blevins; Larry J. Yount
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: US8587318B2; DE102011108038B4; US20120025835A1

Abstract

Eine Sensoranordnung und ein Verfahren, die mit einer Vielzahl von verschiedenen Energiespeichereinrichtungen verwendet werden können, welche Batteriestapel umfassen, die in Hybridfahrzeugen, Batterieelektrofahrzeugen und anderen Fahrzeugtypen anzutreffen sind. Einige Batterieüberwachungssysteme, etwa diejenigen, die zum Überwachen und/oder Steuern von Lithium-Ionen-Batteriestapeln entworfen sind, können individuelle Spannungslesewerte für jede einzelne Zelle benötigen. Wenn eine Batterieüberwachungssystemkomponente – selbst eine, die nur einen dieser Sensorlesewerte bereitstellt – fehlerhaft arbeitet oder auf eine andere Weise eine Fehlerbedingung aufweist, dann kann es notwendig sein, das gesamte Fahrzeug zur Wartung zu bringen. Die beispielhafte Sensoranordnung und das beispielhafte Verfahren können verwendet werden, um eine Reihe von Ausgleichsschaltern in der Sensoranordnung auf eine Weise zu steuern, die es dem Fahrzeug ermöglicht, Fehlerbedingungen zu detektieren und im Fall, dass derartige Fehlerbedingungen auftreten, einen Betrieb erfolgreich fortzusetzen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Sensoranordnung und insbesondere eine Sensoranordnung, die mit einer Energiespeichereinrichtung, etwa einer Fahrzeugbatterie, verwendet werden kann.
HINTERGRUND
Hybridfahrzeuge, Batterieelektrofahrzeuge und andere Fahrzeugtypen, die eine Batterie zum Fahrzeugantrieb verwenden, vertrauen zunehmend auf eine Batterieelektronik zum korrekten Batteriemanagement und zum korrekten Betrieb.
Oft ist es notwendig, dass eine Batterieelektronik viele Dienststunden im Feld ableistet; manchmal sehr viel mehr Stunden, als es von anderen elektronischen Einrichtungen verlangt wird, die im Fahrzeug anzutreffen sind. Zum Beispiel kann ein typisches Fahrzeugelektronikmodul über eine Zeitspanne von 15 Jahren 8.000 Dienststunden erleben, während es für eine bestimmte Batterieelektronik erforderlich sein kann, über dieselbe Zeitspanne 50.000 Dienststunden abzuleisten. Diese Art der erhöhten Anforderung kann manchmal dazu führen, dass die Batterieelektronik mit einer beschleunigten Rate gewartet oder ausgetauscht werden muss.
Zudem ist eine bestimmte Batterieelektronik – etwa Sensoren zum Überwachen der Batteriespannung, des Batteriestroms, der Batterietemperatur usw. – manchmal innerhalb des realen Batteriestapels eingebaut und montiert. Eine Wartung und/oder ein Austausch einer derartigen Batterieelektronik können daher kompliziert und kostspielig sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verwenden einer Sensoranordnung mit einer Energiespeichereinrichtung, die eine Vielzahl von Zellen aufweist, bereitgestellt. Das Verfahren kann die Schritte umfassen, dass: (a) eine Sensoranordnung bereitgestellt wird, die eine Vielzahl von Ausgleichsschaltern aufweist, wobei jeder Ausgleichsschalter mit einer Zelle verbunden ist; (b) veranlasst wird, dass die Vielzahl von Ausgleichsschaltern in einem ausgeschalteten Zustand ist und dann die Spannungen für zumindest einige der Vielzahl von Zellen gemessen wird; (c) der Zustand von mindestens einigen der Vielzahl von Ausgleichsschaltern so geschaltet wird, dass eine erste Gruppe von Ausgleichsschaltern in einem eingeschalteten Zustand ist und eine zweite Gruppe von Ausgleichsschaltern in einem ausgeschalteten Zustand ist, und dann die Spannungen für zumindest einige der Vielzahl von Zellen gemessen wird; (d) der Zustand von zumindest einigen der Vielzahl von Ausgleichsschaltern so geschaltet wird, dass die erste Gruppe von Ausgleichsschaltern in einem ausgeschalteten Zustand ist und die zweite Gruppe von Ausgleichsschaltern in einem eingeschalteten Zustand ist, und dann die Spannungen für zumindest einige der Vielzahl von Zellen gemessen werden; und (e) die Spannungen aus den Schritten (b), (c) und (d) verglichen werden, um zu ermitteln, ob eine Fehlerbedingung vorliegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verwenden einer Sensoranordnung mit einer Energiespeichereinrichtung, die eine Vielzahl von Zellen aufweist, bereitgestellt. Das Verfahren kann die Schritte umfassen, dass: (a) eine Sensoranordnung mit einer Vielzahl von Ausgleichsschaltern bereitgestellt wird, wobei jeder Ausgleichsschalter mit einer Zelle verbunden ist; (b) ermittelt wird, ob eine Fehlerbedingung in der Energiespeichereinrichtung vorliegt; und (c) dann, wenn eine Fehlerbedingung in der Energiespeichereinrichtung vorliegt, die Fehlerbedingung lokalisiert wird und eine Spannung für eine erste Zelle und eine zweite Zelle geschätzt wird, wobei die erste und zweite Zelle beide mit der Fehlerbedingung verbunden sind.
ZEICHNUNGEN
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen werden hier nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Sensoranordnung ist, die mit einer Energiespeichereinrichtung, etwa einer Fahrzeugbatterie, verwendet werden kann;
2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der beispielhaften Sensoranordnung von 1 ist;
3 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens ist, das mit einer Sensoranordnung, etwa der in 1 gezeigten beispielhaften Sensoranordnung, verwendet werden kann; und
4A–D schematische Darstellungen von Abschnitten beispielhafter Sensoranordnungen sind, die in Verbindung mit der Beschreibung des in 3 gezeigten beispielhaften Verfahrens bereitgestellt sind.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die Sensoranordnung und das Verfahren, die nachstehend beschrieben sind, können mit einer Vielfalt verschiedener Energiespeichereinrichtungen verwendet werden, welche Batteriestapel umfassen, die in Hybridfahrzeugen, Batterieelektrofahrzeugen und anderen Fahrzeugtypen anzutreffen sind. Derartige Fahrzeuge können auch eine Batterieelektronik aufweisen (z. B. ein Batterieüberwachungssystem), die verschiedene Zellen oder Zellengruppen innerhalb des Batteriestapels überwacht. Zum Beispiel kann ein Batterieüberwachungssystem die Spannung, den Strom und/oder die Temperatur von Dutzenden von verschiedenen Batteriezellen beobachten; dies kann zu Hunderten oder sogar Tausenden von Sensorlesewerten führen. Einige Batterieüberwachungssysteme, etwa diejenigen, die zum Überwachen und/oder Steuern von Lithium-Ionen-Batteriestapeln entworfen sind, können individuelle Spannungslesewerte für jede einzelne Zelle benötigen. Wenn eine Komponente eines Batterieüberwachungssystems – selbst eine, die nur einen dieser Sensorlesewerte bereitstellt – fehlerhaft arbeitet oder anderweitig eine Fehlerbedingung zeigt, dann kann es notwendig sein, das gesamte Fahrzeug zur Wartung zu bringen.
Die beispielhafte Sensoranordnung und das beispielhafte Verfahren, die nachstehend beschrieben sind, können jedoch ermöglichen, dass das Fahrzeug im Fall, dass bestimmte Fehlfunktionen auftreten, weiterhin erfolgreich arbeiten kann; dies kann die Kosten, die mit einer Wartung und/oder einem Austausch der Batterieelektronik verbunden ist, erheblich verringern. Obwohl die folgende beispielhafte Beschreibung im Kontext eines Fahrzeugbatteriestapels bereitgestellt wird, ist festzustellen, dass das hier beschriebene Verfahren mit einer Anzahl anderer Anwendungen verwendet werden kann. Zum Beispiel kann das Verfahren mit anderen Typen von Energiespeichereinrichtungen wie etwa Brennstoffzellen sowie mit Energiespeichereinrichtungen verwendet werden, die in Flugzeugen, Schiffen, Militärfahrzeugen, Rasen- und Gartengeräten, strombetriebenen Werkzeugen, tragbarer Elektronik wie etwa Laptopcomputern, bei Systemen mit sekundärer Verwendung von Batterien von verschiedenen Anwendungen zur Stabilisierung des elektrischen Netzes und weiteren anzutreffen sind. So, wie er hier verwendet wird, umfasst der Begriff ”Zelle” in weit gefasstem Sinn jeden Typ von sich wiederholendem Energiespeicherknoten in einer Energiespeichereinrichtung, und ist nicht auf irgendeine spezielle Ausführungsform beschränkt. Im Falle einer Hochspannungsbatterie, die zum Fahrzeugantrieb verwendet wird, bezeichnet ”Zelle” allgemein eine Ansammlung aus einer oder mehreren Standard-Batteriezellen.
Mit Bezug auf 1 und 2 sind schematische Darstellungen einer beispielhaften Sensoranordnung 10 gezeigt, die mit einer Vielfalt verschiedener Energiespeichereinrichtungen verwendet werden kann, welche einen Fahrzeugbatteriestapel 12 umfassen, der eine Anzahl individueller Batteriezellen A, B, C usw. aufweist. 2 ist eine detaillierte oder vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der beispielhaften Sensoranordnung 10 und wird bereitgestellt, um die Darstellung einiger Komponenten der Sensoranordnung zu unterstützen. Die in 2 gezeigte Anordnung von Komponenten ist allgemein repräsentativ für die Gesamtsensoranordnung 10. Folglich ist die folgende Beschreibung, die im Kontext von 2 bereitgestellt wird, ebenfalls auf die in 1 gezeigte gesamte Sensoranordnung anwendbar.
Gemäß der hier gezeigten speziellen Ausführungsform enthält die Sensoranordnung 10 allgemein Erfassungsdrähte 20–24, Ausgleichswiderstände 28–30, Ausgleichsschalter 34–36, Sensoreinheiten 40–42 und eine Anzahl anderer elektronischer Komponenten. Die Sensoranordnung 10 ist nicht auf das Überwachen der verschiedenen Batteriezellen A–F beschränkt; sie kann auch andere Funktionen ausführen, etwa einen Zellenausgleich. Bei einem Beispiel einer Zellenausgleichsaktivität werden die Ausgleichsschalter 34, 36 verwendet, um die Ladung an einer speziellen Batteriezelle oder einer Gruppe von Zellen abzuleiten oder anderweitig so zu verringern, dass eine relativ einheitliche Ladung über den Batteriestapel 12 hinweg beibehalten werden kann. Es ist festzustellen, dass die Sensoranordnung 10 mehr oder weniger Sensoreinheiten als diejenigen, die in den beispielhaften Zeichnungen gezeigt sind, aufweisen kann und dass auch der Batteriestapel 12 mehr oder weniger Knoten, Zellen usw. aufweisen kann, als diejenigen, die gezeigt sind. Die Batteriezellen A–F können Teil einer Lithium-Ionen-Batterie sein und können jeweils eine Spannung von 0–5 VDC aufweisen, aber dies ist nicht notwendig.
Die Erfassungsdrähte 20–24 sind diejenigen Drähte, Leiterbahnen und/oder anderen Verbindungen, welche die verschiedenen Batteriezellen mit den Sensoreinheiten 40–42 elektrisch koppeln. Bei der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform bezeichnet der Erfassungsdraht 20 die gesamte Verbindung zwischen dem positiven Anschluss der Batteriezelle C und dem positiven Anschluss der Sensoreinheit 40 und umfasst einen ersten Drahtabschnitt 50, einen zweiten Drahtabschnitt 52 und einen dritten Drahtabschnitt 54. Der erste Drahtabschnitt 52 verbindet den positiven Anschluss der Batteriezelle C elektrisch mit dem negativen Anschluss der benachbarten Batteriezelle D (in 2 nicht gezeigt) und mit dem zweiten Drahtabschnitt 52. Ein interner Verbindungswiderstandswert wird durch einen Widerstand 60 modelliert oder dargestellt und liegt typischerweise in der Größenordnung von etwa 0,01 mΩ; Fachleute werden feststellen, dass dieser interne Verbindungswiderstand keine reale Widerstandskomponente ist, sondern stattdessen einen naturgegebenen Widerstandswert in der Schaltung darstellt. Der zweite Drahtabschnitt 52 verbindet den ersten Drahtabschnitt 50 auf elektrische Weise mit einem elektrischen statischen Entladekondensator (ESD-Kondensator) 62 (z. B. 5 × 10^–11 F), einem Zellenausgleichswiderstand 28 und einem weiteren Widerstand 64. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Kondensator 62 mit der Batteriezelle C und der seriellen Kombination aus dem Zellenausgleichswiderstand 28 und dem Zellenausgleichsschalter 34 parallel verdrahtet. Der dritte Drahtabschnitt 54 verbindet einen Filterwiderstand 64 (z. B. 500 Ω) elektrisch mit einem Tiefpass-Filterkondensator 66 (z. B. 5 × 10^–8 F) und dem positiven Anschluss der Sensoreinheit 40. Eine ähnliche Anordnung ist für den Erfassungsdraht 22 bereitgestellt, aber diese Verbindung koppelt den negativen Anschluss der Batteriezelle C mit dem negativen Anschluss der Sensoreinheit 40, oder den positiven Anschluss der Batteriezelle B mit dem positiven Anschluss der Sensoreinheit 42, je nachdem, wie man es betrachtet. Die Schaltungen für die Zellen B und C nutzen der Erfassungsdraht 22 und seine elektronischen Komponenten gemeinsam.
Es ist nicht notwendig, dass die Erfassungsdrähte 20–24 und die elektrischen Komponenten genau in dem Layout angeordnet sind, das in 1 und 2 gezeigt ist, da viele der Widerstände und Kondensatoren beispielsweise nur zu Filterzwecken oder zur Verbesserung der Sensorlesewerte bereitgestellt sind und auf andere Weise bereitgestellt werden könnten. Obwohl die Erfassungsdrähte 20–24 und die Drahtabschnitte 50–54 als ”Drähte” bezeichnet sind, versteht es sich darüber hinaus, dass diese Leiterbahnen auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) oder dergleichen oder einem beliebigen anderen Typ von elektrischer Verbindung enthalten können und nicht in der Form herkömmlicher Drähte vorliegen müssen. Einige der in 1–2 gezeigten elektrischen Komponenten, etwa der Widerstand 60, sollen keine tatsächlichen physikalischen Komponenten, sondern stattdessen interne Eigenschaften der Schaltung darstellen.
Die Ausgleichswiderstände 28–30 und die Ausgleichsschalter 34–36 können zusammen verwendet werden, um einen Zellenausgleich sowie andere Funktionen durchzuführen. Gemäß dieser speziellen Ausführungsform ist der Ausgleichswiderstand 28 in Reihe mit dem Ausgleichsschalter 34 derart verbunden, dass eine serielle Verbindung oder ein serieller Pfad zwischen den Erfassungsdrähten 20 und 22 ausgebildet wird, wenn der Schalter aktiviert wird (d. h. wenn er geschlossen oder eingeschaltet wird). Das Gate des Ausgleichsschalters 34 kann mit einem Ausgangskontakt einer Sensorschaltung 70 (diese kann die gleiche Sensorschaltung sein, welche die verschiedenen Sensoreinheiten 40–42 enthält), derart verbunden sein, dass die Sensorschaltung den Zustand des Ausgleichsschalters steuern kann. Wenn die Sensorschaltung 70 den Ausgleichsschalter 34 über dessen Gate aktiviert, kann Ladung von der Batteriezelle C über einen thermischen Energieverlust durch den Ausgleichswiderstand 28 abgeleitet oder entleert werden (d. h. ein Zellenausgleich). Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die Ausgleichwiderstände 28–30 Standardwiderstandselemente mit einem Widerstandswert von etwa 80 Ω und die Ausgleichsschalter 34–36 sind N-Kanal MOSFET-Transistoren. Der Fachmann wird feststellen, dass eine Anzahl verschiedener Techniken, Komponenten und/oder Anordnungen eingesetzt werden kann, um den Zustand des Ausgleichsschalters 34 zu steuern, und dass das vorliegende Verfahren gewiss nicht auf irgendeine spezielle davon beschränkt ist.
Die Sensoreinheiten 40–42 können verschiedene Betriebsparameter der Batteriezellen, mit denen sie verbunden sind, detektieren, messen, erfassen oder auf andere Weise ermitteln. Zum Beispiel kann die Sensoreinheit 40 die Spannung, den Strom und/oder die Temperatur der Batteriezelle C ermitteln und kann diese Lesewerte in Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform lokal speichern oder diese an eine andere Einrichtung senden. Wie im vorstehenden Absatz erwähnt wurde, können die Sensoreinheiten 40–42 Teil einer größeren Sensorschaltung 70 sein, welche nicht nur die Sensoreinheiten, sondern auch eine Stromversorgung 72, eine Logikeinheit 74 und eine Kommunikationseinheit 76 (siehe 1) enthalten kann. Die Sensoreinheiten 40–42 sind nicht auf irgendeinen speziellen Typ von Hardware oder Konfiguration beschränkt und können mit oder ohne einen internen Speicher, mit oder ohne Signalverarbeitungsfähigkeiten und mit oder ohne eine komplexe Kommunikationsfunktionalität bereitgestellt sein, um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. Bei einer Ausführungsform agieren die Sensoreinheiten 40–42 als Spannungsmessungskanäle und die Sensorschaltung 70 ist in der Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) bereitgestellt, die von den verschiedenen Batteriezellen selbst mit Leistung versorgt wird. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, da andere Ausführungsformen stattdessen gewiss verwendet werden können.
Die Sensoranordnung 10 kann als ein serielles Netzwerk (z. B. ein lokales Verbindungsnetzwerk (LIN), ein Controllerbereichsnetzwerk (CAN), eine serielle periphere Schnittstelle (SPI), FlexRay, RS485, usw.), als ein paralleles Netzwerk oder als beliebiges anderes geeignetes drahtgebundenes oder drahtloses Netzwerk strukturiert sein. Dies umfasst Netzwerke, die Standardkupferdrähte, Platinenleiterbahnen, Glasfaser, Stromverbindungen und/oder drahtlose Kanäle zur Kommunikation verwenden. Es ist auch möglich, dass die Sensoranordnung 10 Teil eines ersten Systems ist, etwa eines Batterieüberwachungssystems, und dass das erste System mit einem oder mehreren anderen Systemen in dem Fahrzeug verbunden ist und damit kommuniziert, etwa einem Kraftmaschinenmanagementsystem usw. Dies sind selbstverständlich nur einige der potentiellen Ausführungsformen, da die Sensoranordnung 10 in einer beliebigen Anzahl verschiedener Netzwerke, Systeme, Konfigurationen, Architekturen usw. verwendet werden kann und nicht auf das spezielle Beispiel beschränkt ist, das hier gezeigt und beschrieben ist.
Wenn die Sensoranordnung 10 ohne die Verwendung des vorliegenden Verfahrens betrieben wird, können bestimmte Szenarien entstehen, die zu falschen Lesewerten führen können. Dies trifft speziell zu, wenn eine Unterbrechung oder eine andere Störung bei einem der Erfassungsdrähte 20–24 vorliegt, was eines der häufigeren Fehlerszenarien bei Sensoranordnungen wie dieser ist. Es wird das Beispiel betrachtet, bei dem eine Unterbrechung oder eine andere Störung beim Erfassungsdraht 22 vorliegt, wie in 2 dargestellt ist. Aufgrund der offenen Schaltung kann die Spannung am Knoten Y in Abhängigkeit vom Zustand der Ausgleichsschalter 34, 36 undefiniert sein. Parasitäre Ströme durch die Zellenausgleichsbereiche und die Messbereiche der Sensoranordnung 10 können einen schwachen Widerstandsteiler schaffen und somit können die an den Sensoreinheiten 40–42 gemessenen Spannungen aufgrund der Unterbrechung im Erfassungsdraht 22 ebenfalls undefiniert sein. Dies wird durch die Tatsache beeinflusst, dass die Messbereiche der Sensoranordnung 10 derart hohe Eingangsimpedanzen aufweisen (z. B. den Filterwiderstand 64, die Eingangsimpedanz der Sensoreinrichtung 40 usw.) und dass die ESD-Kondensatoren 62 noch eine gewisse Ladung halten, die von den Unterschieden bei den parasitären Effekten der hohen Impedanz abhängt. Derartige Bedingungen in einer gestaffelten Spannungsmessschaltung mit hoher Impedanz können dort zu einer undefinierten Antwort führen, wo der Knoten, der gemessen wird, floatet. Die beispielhafte Unterbrechung oder Trennung im Erfassungsdraht 22 beeinflusst nicht nur die Messung der Batteriezelle C, sondern sie kann auch die Messung der Batteriezelle B beeinträchtigen, da diese einen gemeinsamen Erfassungsdraht gemeinsam nutzen. Daher kann ein einfaches Messen der Spannung der Batteriezellen C und B mit den Sensoreinheiten 42 und 40 (z. B. wenn die Ausgleichsschalter 36 und 34 ausgeschaltet sind) ungenügend sein, wenn es Fehler oder andere ungewünschte Bedingungen in der Schaltung gibt.
Mit Bezug nun auf 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens 100 gezeigt, das mit einer Sensoranordnung wie derjenigen verwendet werden kann, die in 1 und 2 gezeigt ist. Allgemein gesprochen kann das beispielhafte Verfahren 100 zuerst eine Fehlerbedingung in der Sensoranordnung detektieren und die Fehlerbedingung dann heilen oder ansprechen. Das Verfahren 100 wird in den folgenden Absätzen in Verbindung mit 4A–C beschrieben, welche vereinfachte Schaltpläne der in 2 gezeigten Schaltung sind (zu Klarheitszwecken wurde eine Anzahl der elektrischen Komponenten entfernt) und nur bereitgestellt sind, um eine beispielhafte Bedingung darzustellen, bei der es eine Unterbrechung oder eine andere Fehlfunktion im Erfassungsdraht 22 gibt. Die vorliegende Sensoranordnung und das vorliegende Verfahren sind nicht auf einen derartigen Schaltplan beschränkt.
Mit Schritt 102 beginnend misst das Verfahren zuerst alle Zellenspannungen, wobei alle Ausgleichsschalter ausgeschaltet sind (z. B. die Ausgleichsschalter 34, 36 usw.); siehe 4A. Bei dem Beispiel, bei dem eine Batteriestruktur sechs Batteriezellen aufweist (wie die in 1 gezeigte Sensoranordnung, welche Zellen A–F aufweist), erzeugt dies sechs separate Spannungslesewerte. Gemäß der Darstellung in 4A sind die Spannungen, die von den Sensoreinheiten 40 und 42 wahrgenommen werden, aufgrund der Unterbrechung im Erfassungsdraht 22 und der somit undefinierten Spannung am Knoten Y beide undefiniert. Tatsächliche Unterbrechungen oder Trennungen in den Erfassungsdrähten sind nicht die einzigen Fehlerbedingungen in der Sensoranordnung 10, welche genaue Zellenspannungsmessungen beeinflussen können. Zum Beispiel kann der Widerstandswert R_i von Zellenerfassungsdrähten aufgrund von Reibverschleiß, Korrosion, sich lösenden Fügestellen usw. ansteigen. Es ist möglich, dass die Sensoreinheiten 40 und/oder 42 Spannungslesewerte messen werden, die nicht offenkundig falsch oder offensichtlich auf den ersten Blick problematisch sind, und folglich kann eine zusätzliche Analyse notwendig sein, um die Unterbrechungs- oder Störungsbedingung im Erfassungsdraht 22 zu detektieren.
Als nächstes schaltet oder verändert das Verfahren bei Schritt 104 den Zustand von zumindest einigen Ausgleichsschaltern, sodass eine erste Gruppe von Ausgleichsschaltern in einem eingeschalteten Zustand ist und eine zweite Gruppe in einem ausgeschalteten Zustand ist. Zum Beispiel kann jeder zweite Ausgleichsschalter eingeschaltet sein, sodass eine erste Hälfte der Schalter geschlossen ist und eine zweite Hälfte der Schalter geöffnet ist. Es ist bevorzugt, dass benachbarte Ausgleichsschalter in verschiedenen oder entgegengesetzten Zuständen betrieben werden (z. B. ist der Ausgleichsschalter 34 ausgeschaltet, während der Ausgleichsschalter 36 eingeschaltet ist und so weiter); siehe 4B. Dies führt zu einer alternierenden Sequenz von eingeschalteten und ausgeschalteten Schaltern. Wenn benachbarte Ausgleichsschalter beide im gleichen Zustand betrieben werden, bei dem sie beide eingeschaltet sind, dann werden die Sensoreinheiten 40 und 42 die durchschnittliche Zellenspannung für die Zellen B und C messen; das heißt, dass sie wie ein Spannungsteiler wirken werden, anstatt die tatsächliche Spannung der Zellen B und C zu ermitteln. Dies kann zu einem fehlerhaften Zellenspannungslesewert führen und ist ein Grund, warum es bevorzugt ist, sie in einer alternierenden Sequenz wie vorstehend beschrieben zu betreiben. Die Logik oder Software, die steuert, welche Ausgleichsschalter zu schließen sind und wann sie zu schließen sind, kann in der Steuerschaltung 70 oder an anderer Stelle vorhanden sein.
Wenn die erste Gruppe von Ausgleichsschaltern geschlossen oder eingeschaltet ist und die zweite Gruppe von Ausgleichsschaltern geöffnet oder ausgeschaltet ist, kann Schritt 106 dann zumindest einige der Zellenspannungen messen oder erfassen. Dies kann umfassen, dass nur die Spannungen für diejenigen Batteriezellen erfasst werden, bei denen der entsprechende Ausgleichsschalter geschlossen oder eingeschaltet ist (beim aktuellen Beispiel die Spannungen V_B, V_D, V_F usw.), oder dass nur die Spannungen für diejenigen Batteriezellen erfasst werden, bei denen der entsprechende Ausgleichsschalter geöffnet oder ausgeschaltet ist (bei dem aktuellen Beispiel die Spannungen V_A, V_C, V_E usw.), oder es kann umfassen, dass die Zellenspannungen für alle Batteriezellen gelesen werden, um mehrere Möglichkeiten aufzuzählen. Bei dem in 4B dargestellten Beispiel, bei dem der Schalter 34 ausgeschaltet oder geöffnet ist, der Schalter 36 eingeschaltet oder geschlossen ist und eine Unterbrechung im Erfassungsdraht 22 vorliegt, beträgt die Spannung am Knoten X etwa V_B + V_C, die Spannung am Knoten Y ist etwa 0 und die Spannung am Knoten Z ist etwa 0. Dies fuhrt dazu, dass die Sensoreinheit 40 eine Spannung misst, die in etwa gleich V_B + V_C ist und die Sensoreinheit 42 eine Spannung misst, die allgemein 0 ist.
Als nächstes schaltet oder verändert Schritt 110 den Zustand von zumindest einigen Ausgleichsschaltern. Beim aktuellen Beispiel kann Schritt 110 den Betriebszustand der ersten Gruppe von Ausgleichsschaltern von einer Eingeschaltet-Bedingung in eine Ausgeschaltet-Bedingung und den Betriebszustand der zweiten Gruppe von Ausgleichsschaltern von einer Ausgeschaltet-Bedingung in eine Eingeschaltet-Bedingung verändern.
Anders ausgedrückt kann Schritt 110 den Zustand der Ausgleichsschalter vertauschen; wenn die ungeraden Schalter eingeschaltet waren und die geraden Schalter ausgeschaltet waren, sind nun die ungeraden Schalter ausgeschaltet und die geraden Schalter eingeschaltet; siehe 4C. Ein unabhängiges Steuern der Ausgleichsschalter kann insofern wichtig sein, als es dem Verfahren 100 ermöglicht, die verschiedenen Erfassungsdrähte individuell abzufragen oder zu überprüfen; wenn benachbarte Ausgleichsschalter im gleichen Zustand betrieben würden, dann könnte es z. B. nicht möglich sein, ihren gemeinsam genutzten Erfassungsdraht zu diagnostizieren. Andere Prozeduren und Sequenzen zum Öffnen/Schließen oder zum Ein-/Ausschalten der Schalter können stattdessen verwendet werden.
Wenn die Betriebszustände der ersten und zweiten Gruppe von Ausgleichsschaltern umgeschaltet wurden, misst oder erfasst dann Schritt 112 die vorherrschenden Zellenspannungen. Wie vorstehend angegeben wurde, ist es möglich, dass das Verfahren nur einige der Zellenspannungen misst oder dass es alle Zellenspannungen misst. Bei dem aktuellen Beispiel, bei dem der Ausgleichsschalter 34 eingeschaltet ist, der Ausgleichsschalter 36 ausgeschaltet ist und der Erfassungsdraht 22 eine Unterbrechung in einer Verbindung aufweist, ist die Spannung am Knoten X etwa V_B + V_C, die Spannung am Knoten Y ist etwa V_B + V_C und die Spannung am Knoten Z ist etwa 0. Dies führt dazu, dass die Sensoreinheit 40 eine Spannung misst, die etwa 0 ist, und die Sensoreinheit 42 eine Spannung misst, die allgemein gleich V_B + V_C ist. Wieder ist es möglich, dass Schritt 112 Zellenspannungen für alle Batteriezellen oder nur bestimmte Batteriezellen aufzeichnet, etwa diejenigen, deren Schalter geschlossen wurden. Zu diesem Zeitpunkt wurden mindestens drei separate Sätze von Zellenspannungslesewerten gemessen und gespeichert; ein Satz von Zellenspannungslesewerten für die Bedingung in 4A, ein Satz für die Bedingung in 4B und ein Satz für die Bedingung in 4C. Wenn die Sensoren 40 und 42 nicht über die Fähigkeit verfügen, den exakten Wert von V_B + V_C zu erfassen, weil dieser Wert den Gesamtmessbereich der Sensoren überschreitet, dann können Sensoren mit einer größeren Messbereichskalierung verwendet werden.
Es ist festzustellen, dass einer oder mehrere der vorstehenden Schritte den Zustand der Spannungslesewerte als eine Funktion der Zeit messen oder betrachten können und nicht nur, wenn sich die Schalter in diskreten Eingeschaltet-/Ausgeschaltet-Zuständen befinden. Da Filter eine Zeitkonstante hinzufügen können, ist es möglich, dass das Verfahren 100 die Zustände von einem oder mehreren Schaltern verstellt oder verändert und dann wartet oder die Zellenspannungen in diesem Zustand mehrere Male abtastet, um die Detektion durchzuführen. Beispielsweise können Zellenspannungen auf der Grundlage der Schaltung im Lauf der Zeit zu 0, zu V_B + V_C oder zu einem anderen Wert tendieren. Andere Techniken zum Messen, Abtasten oder anderweitigen Ermitteln von Spannungslesewerten können gewiss ebenso verwendet werden, da das Verfahren 100 nicht auf irgendeine Technik begrenzt ist.
Als nächstes vergleicht Schritt 120 die Spannungslesewerte von Schritt 102 (bei dem alle Schalter ausgeschaltet oder geöffnet sind) mit denjenigen, die in den Schritten 106 und 112 beschafft wurden, um zu ermitteln, ob eine Fehlerbedingung vorliegt. Dieser Vergleich oder diese Auswertung kann auf eine Anzahl verschiedener Weisen durchgeführt werden. Eine derartige Weise besteht darin, die Differenz zwischen zwei Lesewerten für die gleiche Batteriezelle zu vergleichen, um zu erkennen, ob sie um mehr als eine zulässige Toleranz differieren; es wird erwartet, dass in ansonsten korrekt funktionierenden Schaltungen kleine Differenzen existieren können, und daher sollte eine bestimmte Fehlerschwelle in den Vergleich eingebaut sein. Wenn die Spannungslesewerte für die gleiche Zelle um einen signifikanten Betrag differieren, kann dies anzeigen, dass bei diesen Lesewerten ein Problem vorliegt. Schritt 120 kann die Fehlerbedingung auch lokalisieren, indem er benachbarte Zellen identifiziert, die beide problematische Spannungslesewerte aufweisen. Bei dem vorstehenden Beispiel würden die Spannungsvergleiche für die Batteriezellen B und C anzeigen, dass es Probleme mit den Lesewerten für beide Zellen gibt; dies wiederum legt nahe, dass die Fehlerbedingung irgendwo entlang der gemeinsam genutzten Verbindung liegt, etwa beim Erfassungsdraht 22. Wieder können bei Schritt 120 andere Vergleiche verwendet werden. Wenn keine Fehlerbedingung detektiert wird, dann geht das Verfahren einfach zu Schritt 124 weiter, bei dem die verschiedenen Zellenspannungslesewerte an eine Komponente, eine Einrichtung, ein Modul, ein System usw. zur weiteren Verarbeitung durch das Batteriemanagement übertragen oder gesandt werden können. Einige beispielhafte Empfänger derartiger Zellenspannungslesewerte sind ein Fahrzeugintegrations-Steuermodul (VICM), ein Batteriemanagementsystem sowie andere Fahrzeugsteuermodule. Andere Komponenten können die Lesewerte ebenfalls empfangen und/oder verarbeiten.
Wenn eine Fehlerbedingung detektiert wird, dann geht das Verfahren zu Schritt 130 weiter, sodass der Fehler aufgelöst werden kann, ohne dass das Fahrzeug zur Wartung gebracht oder der gesamte Fahrzeugbatteriestapel ersetzt werden muss. Wie zuvor erwähnt wurde ist es möglich, das beispielhafte Verfahren 100 so zu betrachten, dass es einen Fehlerdetektionsabschnitt (Schritte 102–124) und einen Fehlerbehebungsabschnitt (Schritte 130–138) umfasst. Dies soll nicht bedeuten, dass das beispielhafte Verfahren 100 unbedingt in derart klare und verschiedene Abschnitte unterteilt ist, sondern dass es möglich sein kann, dass das Verfahren 100 beide Funktionen ausführt. Wenn die Spannungslesewerte für die Batteriezellen B und C beispielsweise nahelegen, dass es eine Fehlerbedingung mit dem Erfassungsdraht 22 gibt, dann kann Schritt 130 versuchen, sich darauf zu fokussieren und zu versuchen, diese potentielle Fehlerbedingung zu lösen. Ein Weg, dies zu tun, besteht darin, die Ausgleichsschalter 34 und 36, welche über und unter der vermuteten Fehlerbedingung angeordnet sind, die in diesem Fall eine Unterbrechung oder Trennung im Erfassungsdraht 22 ist, zu schließen oder einzuschalten (siehe 4D). Dies erzeugt einen Ausgleichsstrom I_BAL, der durch die Batteriezellen B und C, durch das obere Ausgleichswiderstands-/Schalterpaar 28/34, durch das untere Ausgleichswiderstands-/Schalterpaar 30/36 und zurück zur Batteriezelle B fließt. Dies erzeugt einen Spannungsteiler, der vom Verfahren verwendet werden kann, um die Zellenspannungen für die Batteriezellen B und C zu schätzen oder anderweitig zu ermitteln, obwohl der Erfassungsdraht 22 einen Fehler zeigt.
Schritt 132 misst oder liest die anliegenden Zellenspannungen aus. Bei einer Ausführungsform verwendet Schritt 132 die Sensoreinheiten 40 und 42, um die Spannungsabfälle zwischen den Knoten X und Y sowie zwischen Y und Z zu ermitteln. Der Fachmann wird feststellen, dass die von den Sensoreinheiten 40 und 42 erfassten Spannungslesewerte gemittelte Schätzwerte der Zellenspannungen für die Zellen B und C sein können. Solange die Zellenspannungen für die Zellen B und C zueinander in etwa gleich sind – was typischerweise der Fall ist, weil die Zellen im Batteriestapel 12 periodisch ausgeglichen oder angeglichen werden – sollte dieser Schätzwert ziemlich genau sein. Es ist unwahrscheinlich, dass zwei benachbarte Zellen an der gleichen Stelle, an der eine Unterbrechung oder eine Fehlerbedingung ist, signifikant verschiedene Spannungen aufweisen würden (jedes Szenario ist unwahrscheinlich, das kombinierte Ereignis umso mehr).
Es ist auch möglich, dass Schritt 132 die geschätzten Zellenspannungen und die Kenntnis der Widerstandswerte der verschiedenen elektrischen Komponenten im Pfad des Ausgleichsstroms I_BAL (z. B. R_BAL1, R_ON1, R_BAL2, R_ON2 usw.) verwendet, um den Ausgleichsstrom I_BAL zu ermitteln. Der Ausgleichsstrom I_BAL kann aus einem oder mehreren Gründen eine nützliche Information für die Sensoranordnung 10 und/oder die Batterieelektronik sein; wobei das Steuern von Zellenausgleichsoperationen möglicherweise einer davon ist. Wenn diese Berechnung durchgeführt werden muss, ist es bevorzugt, dass die verschiedenen elektrischen Komponenten im Pfad des Ausgleichsstroms I_BAL auf der Grundlage einer definierten Messgenauigkeit oder von Toleranzanforderungen gewählt werden.
Sobald die Zellenausgleichs- und Messaufgaben des vorhergehenden Schrittes abgeschlossen sind, öffnet Schritt 136 die Ausgleichsschalter 34, 36 oder schaltet diese aus und bringt den Batteriestapel in einen normalen Betriebszustand zurück. Dann kann Schritt 138 die Zellenspannungslesewerte, den Ausgleichsstrom I_BAL und/oder beliebige andere geeignete Informationen an eine Komponente, ein Modul, ein System usw. im Fahrzeug übertragen oder auf andere Weise senden. Bei einem Beispiel sendet Schritt 136 die Zellenspannungslesewerte und/oder den Schätzwert des Ausgleichsstroms I_BAL. zur weiteren Verarbeitung an ein Fahrzeugintegrations-Steuermodul (VICM) oder ein Batteriemanagementsystem. Die Anzahl potentieller Energiemanagementaktionen und anderer Aktionen, die ein derartiges Modul mit einer derartigen Information ergreifen kann, ist unbegrenzt. In diesem Zustand können die Ausgleichsschalter beispielsweise eine längere Zeit eingeschaltet werden, um die Zellenveränderungen auszugleichen; d. h. ein Zellenausgleich. Beliebige Zellengruppen, von denen erkannt wurde, dass sie eine Unterbrechung oder eine Fehlerbedingung wie vorstehend beschrieben aufweisen, könnten während dieser Zeit paarweise ausgeglichen werden. Sobald dieser Schritt abgeschlossen ist, kann das Verfahren 100 zum Beginn des Verfahrens für eine weitere Überwachung zurückspringen.
Es ist zu verstehen, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt, sondern sie ist stattdessen allein durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Darüber hinaus betreffen die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen spezielle Ausführungsformen und dürfen nicht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition von Begriffen, die in den Ansprüchen verwendet werden, aufgefasst werden, außer dort, wo ein Begriff oder ein Satz explizit vorstehend definiert ist. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Veränderungen und Modifikationen an den offenbarten Ausführungsformen werden sich dem Fachmann offenbaren. Zum Beispiel ist die spezielle Kombination und Reihenfolge von Schritten im beispielhaften Verfahren 100 nur eine Möglichkeit, da das vorliegende Verfahren eine Kombination von Schritten enthalten kann, die weniger, mehr oder andere Schritte als diejenigen aufweist, die hier gezeigt sind. Alle derartigen anderen Ausführungsformen, Veränderungen und Modifikationen sollen in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Wieder ist das hier beschriebene Verfahren nicht auf irgendeine spezielle Schaltungsanordnung oder Konfiguration begrenzt und kann leicht mit der Sensoranordnung 10 oder einer anderen Anordnung verwendet werden.
Die Begriffe ”zum Beispiel”, ”z. B.”, ”wie etwa” und ”wie” und die Verben ”umfassend”, ”aufweisend”, ”enthaltend” und deren anderen Verbformen sollen so, wie sie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, wenn sie in Verbindung mit einer Aufzählung von einer oder mehreren Komponenten oder anderen Gegenständen verwendet werden, jeweils als offen aufgefasst werden, was bedeutet, dass die Aufzählung nicht so aufgefasst werden darf, dass sie andere, zusätzliche Komponenten oder Gegenstände ausschließt. Andere Begriffe müssen unter Verwendung ihrer weitesten vernünftigen Bedeutung aufgefasst werden, sofern sie nicht in einem Kontext verwendet werden, der eine andere Interpretation erfordert.

Claims

Verfahren zur Verwendung einer Sensoranordnung mit einer Energiespeichereinrichtung, die eine Vielzahl von Zellen aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: (a) eine Sensoranordnung mit einer Vielzahl von Ausgleichsschaltern bereitgestellt wird, wobei jeder Ausgleichsschalter mit einer Zelle verbunden ist; (b) veranlasst wird, dass die Vielzahl von Ausgleichsschaltern in einem ausgeschalteten Zustand ist und dann die Spannungen für zumindest einige der Vielzahl von Zellen gemessen werden; (c) der Zustand von zumindest einigen der Vielzahl von Ausgleichsschaltern so umgeschaltet wird, dass eine erste Gruppe von Ausgleichsschaltern in einem eingeschalteten Zustand ist und eine zweite Gruppe von Ausgleichsschaltern in einem ausgeschalteten Zustand ist, und dann die Spannungen für zumindest einige der Vielzahl von Zellen gemessen werden; (d) der Zustand von zumindest einigen der Vielzahl von Ausgleichsschaltern so umgeschaltet wird, dass die erste Gruppe von Ausgleichsschaltern in einem ausgeschalteten Zustand ist und die zweite Gruppe von Ausgleichsschaltern in einem eingeschalteten Zustand ist und dann die Spannungen für zumindest einige der Vielzahl von Zellen gemessen werden; und (e) die Spannungen von den Schritten (b), (c) und (d) verglichen werden, um zu ermitteln, ob eine Fehlerbedingung vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner umfasst, dass eine Sensoranordnung mit einer Vielzahl von Ausgleichsschaltern und einer Vielzahl von Ausgleichswiderständen bereitgestellt wird, wobei jeder der Ausgleichsschalter in Reihe mit einem Ausgleichswiderstand verbunden ist und die Kombination aus dem Ausgleichsschalter und dem Widerstand, die in Reihe verbunden sind, mit einer Zelle parallel verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) ferner umfasst, dass der Zustand von zumindest einigen der Vielzahl von Ausgleichsschaltern umgeschaltet wird, sodass die Vielzahl von Ausgleichsschaltern eine alternierende Sequenz von eingeschalteten und ausgeschalteten Ausgleichsschaltern enthält, wobei benachbarte Ausgleichsschalter in entgegengesetzten Zuständen betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (e) ferner umfasst, dass die Spannungslesewerte von Schritt (b) mit den Spannungslesewerten von den Schritten (c) und/oder (d) verglichen werden und ermittelt wird, dass eine Fehlerbedingung vorliegt, wenn die verglichenen Spannungslesewerte für die gleiche Zelle um mehr als eine zulässige Toleranz differieren.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner den Schritt umfasst, dass: (f) die Fehlerbedingung lokalisiert wird, indem zwei benachbarte Zellen identifiziert werden, die beide verglichene Spannungslesewerte aufweisen, die eine Fehlerbedingung nahelegen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst, dass: (f) die Fehlerbedingung gelöst. wird, indem die Fehlerbedingung lokalisiert wird und die Spannungen für erste und zweite Zellen geschätzt werden, die zueinander benachbart sind und beide mit der Fehlerbedingung verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei Schritt (f) ferner umfasst, dass de Fehlerbedingung gelöst wird, indem veranlasst wird, dass erste und zweite Ausgleichsschalter, die zueinander benachbart sind und mit der ersten und zweiten Zelle verbunden sind, in einem eingeschalteten Zustand sind und dann die Spannungen für die erste und zweite Zelle gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei Schritt (f) ferner umfasst, dass ein Ausgleichsstrom I_BAL ermittelt wird, der durch die erste und zweite Zelle fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst, dass: (f) Zellenspannungslesewerte und/oder ein Ausgleichsstrom I_BAL von der Sensoranordnung an ein elektronisches Modul übertragen werden, das an einer anderen Stelle im Fahrzeug angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren Zellenspannungsmesswerte aufnimmt und gleichzeitig einen Zellenausgleich durchführt, und wobei der Zellenausgleich über zwei oder mehr Zellen hinweg auftritt, die einen fehlerhaften Eingangsdraht gemeinsam nutzen.