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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit mindestens einem Batteriemodul, das eine oder mehrere Batteriezellen umfasst, einer Strommesseinrichtung zum Ermitteln eines Batteriestroms, und mindestens einer Zellspannungsmesseinheit zur Spannungsmessung an den Batteriezellen eines der Zellspannungsmesseinheit zugeordneten Batteriemoduls. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung von Zellspannungen und eines Batteriestroms einer Batterie, wobei die Zellspannungen mittels einer oder mehrerer jeweils in einer Zellüberwachungseinheit, die von einem Steuergerät angesteuert wird, angeordneten Zellspannungsmesseinheiten ermittelt werden und zur Weiterverarbeitung an das Steuergerät übermittelt werden,
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie beispielsweise Hybrid- und Elektrofahrzeuge, als auch im Consumer-Bereich, wie beispielsweise bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen, an die erhöhte Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Aufgaben sind insbesondere Batterien mit Lithium-Ionen-Technologie geeignet. Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Einzelne Lithium-Ionen-Zellen können durch parallele oder serielle Verschaltung zu Modulen und dann zu Batterien verschaltet werden. Dabei besteht per Definition eine Lithium-Ionen-Batterie aus mindestens zwei verschalteten Lithium-Ionen-Zellen. Ein Batteriemodul umfasst typischerweise sechs Zellen.
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Um die ordnungsgemäße Funktion von Batteriezellen zu überwachen, wird ein Batteriemanagementsystem (BMS) eingesetzt. Dieses überwacht die einzelnen Batteriezellen auf diverse Parameter, wie beispielsweise Spannung, Strom, Ladezustand (SOC) („State of Charge“), und Temperatur. Die ausgewerteten Daten können dann an Aktoren weitergegeben werden, die wiederum korrigierend auf die Zellen einwirken können, beispielsweise durch Ladungsausgleich, Temperierung, usw. Ferner versorgt das Batteriemanagementsystem (BMS) auch den Benutzer mit aktuellen Informationen bezüglich des Batteriezustands, beispielsweise in Form einer geschätzten Restreichweite des Fahrzeuges.
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Zur Ermittlung des Ladezustandes sind sowohl die Spannung der Batteriezellen als auch der Batteriestrom relevant. Die Spannungen der Batteriezellen werden in Zellüberwachungseinheiten (CSC) („Cell Supervision Circuit“) ermittelt. Dabei überwacht eine Zellüberwachungseinheit typischerweise jeweils zwei Batteriemodule. Der Batteriestrom wird mithilfe eines seriell verschalteten Strommessgeräts beziehungsweise mit einem Stromsensor oder einer Strommesseinrichtung gemessen. Eine in der Praxis übliche Methode ist die Verwendung eines sogenannten Shunts, der dauerhaft in der Schaltung verbaut, das heißt in einem Strompfad der Batterie angeordnet ist. Ein Shunt ist ein niederohmiger elektrischer Widerstand, der einen definierten Widerstandswert hat, wobei der Strom, der durch den Shunt fließt, einen zum Messwiderstand proportionalen Spannungsabfall verursacht, der gemessen wird. Bevorzugterweise wird für den Shunt ein Material gewählt, das einen nur geringen Temperaturkoeffizienten hat, wie beispielsweise Manganin oder andere geeignete Zusammensetzungen. Die Messung des Stroms ist aber auch auf anderer Art und Weise möglich, zum Beispiel mithilfe eines Hall-Sensors. Das Signal der Strommesseinrichtung wird mit einer definierten Verstärkung aufbereitet und mit einem A/D-Wandler eingelesen. Dann wird das Signal an eine ASIC geleitet und dort verarbeitet. Die ASIC übermittelt dann den Stromwert, beispielsweise über einen LIN-Bus, für eine Weiterverarbeitung an das Steuergerät der Batterie.
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In der 1 ist das Prinzip einer typischen Verschaltung eines Shunts 101, gezeigt, der mit Batteriezellen 102 einer Batterie in Reihe geschaltet ist. Der Spannungsabfall über den Shunt 101 wird mittels eines elektrischen Verstärkers 103 verstärkt, der an seinen Versorgungsanschlüssen mit beispielsweise +/–5 V Versorgungsspannung betrieben wird. Der Verstärker 103 ist mit einem A/D-Wandler 104 verbunden, der die von dem Verstärker 103 gelieferten Werte in digitale Signale umwandelt, die an das Batteriemanagementsystem 105 übermittelt werden.
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Bisher melden die bekannten Strommesseinrichtungen in regelmäßigen Abständen den Stromwert an das Steuergerät. Dort wird aus dem Stromwert und den ermittelten Zellspannungen ein Ladezustand (SOC) berechnet. Dabei müssen die Messwerte des Stroms und der Zellspannungen in dem Steuergerät mittels eines bestimmten Rechenalgorithmus, beispielsweise durch Interpolation, miteinander synchronisiert werden, um vergleichbare Werte zu erhalten, die einen gemeinsamen Messzeitpunkt für die Messungen des Batteriestroms und der Zellspannungen darstellen. Die Synchronisation der Daten erfordert jedoch einen hohen Aufwand.
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Aus der
EP 2 138 858 A2 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemanagementsystems einer Batterie bekannt, die ein Steuergerät und eine Detektionseinheit umfasst. Die Detektionseinheit weist ein Strommessteil und ein Spannungsmessteil auf, die mit Steuersignalen angesteuert werden. Das Strommessteil wird angesteuert, den Batteriestrom zu messen, nachdem eine gemessene Zellspannung in der Detektionseinheit gespeichert wurde.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit mindestens einem Batteriemodul, das eine oder mehrere Batteriezellen umfasst, einer Strommesseinrichtung zum Ermitteln eines Batteriestroms, und mindestens einer Zellspannungsmesseinheit zur Verfügung gestellt. Die Zellspannungsmesseinheit ist zur Spannungsmessung an den Batteriezellen eines der Zellspannungsmesseinheit zugeordneten Batteriemoduls vorgesehen. Ferner ist das Batteriesystem dazu eingerichtet, durch Ansteuerung der Strommesseinrichtung und der mindestens einen Zellspannungsmesseinheit mit synchronisierten Triggersignalen Messungen des Batteriestroms und mindestens einer Zellspannung oder Batteriemodulspannung zeitgleich zueinander durchzuführen.
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Ferner wird ein zugehöriges vorteilhaftes Verfahren zur Ermittlung von Zellspannungen und eines Batteriestroms einer Batterie vorgeschlagen. Dabei werden erfindungsgemäß die Zellspannungen mittels einer oder mehrerer jeweils in einer Zellüberwachungseinheit angeordneten Zellspannungsmesseinheiten ermittelt. Die Zellüberwachungseinheiten werden von einem Steuergerät angesteuert. Die Zellspannungen werden dann zur Weiterverarbeitung an das Steuergerät übermittelt. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch Schritte, bei denen synchron an sowohl eine in einem Strompfad der Batterie angeordnete Strommesseinrichtung als auch an zumindest eine der Zellüberwachungseinheiten ein Triggersignal ausgegeben wird. Dazu wird ein Kommunikationsbus, der mit der Strommesseinrichtung verbunden ist, gegen ein definiertes Potenzial geschaltet, und die Strommesseinrichtung ermittelt den Batteriestrom auf das Schalten des Kommunikationsbusses hin.
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Gemäß der Erfindung wird es vorteilhafterweise ermöglicht, Strom und Spannungswerte derart zu messen, dass diese eine für eine Weiterverarbeitung zuverlässigere Grundlage bilden, um so nachfolgende Berechnungen zu vereinfachen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein Ladezustand (SOC) der Batterie berechnet werden soll, bei dem typischerweise sowohl ein Stromwert als auch ein Spannungswert mit in die Berechnung einfließen. Erreicht wird dies insbesondere durch die erfindungsgemäßen synchronen Triggersignale, mit denen eine gleichzeitige Messung bereitgestellt wird. Eine gleichzeitige Messung eines Batteriestroms und einer Batteriespannung, wie sie gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelehrt wird, führt zu besseren Ergebnissen als bei zeitlich hintereinander oder zeitlich unabhängig voneinander durchgeführten Messungen. Erfindungsgemäß wird gewährleistet, dass die Ermittlungszeitpunkte der Strom- und Spannungswerte unabhängig sind von der speziellen Bauart und/oder Funktionsweise beziehungsweise Arbeitsweise der verwendeten Messeinrichtungen. Dabei kann gleichzeitig auf eine Programmierung des Steuergerätes, bei der mit einem hohen notwendigen Aufwand eine Verrechnung von Werten unterschiedlicher Zeitpunkte durchgeführt wird und mit der eine nachträgliche softwaremäßige Synchronisation erreicht werden soll, verzichtet werden.
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Die Erfindung ist besonders von Vorteil bei Einsatz innerhalb von Anwendungen, bei denen der Batteriestrom starken zeitlichen Schwankungen beziehungsweise schnellen Veränderungen ausgesetzt ist, beispielsweise bei einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, bei dem ein zeitlicher Verlauf der bereitgestellten Batterieleistung eine hohe positive oder negative Steigung aufweisen kann.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Strommesseinrichtung über einen Kommunikationsbus mit dem Steuergerät verbunden, wobei das Batteriesystem dazu eingerichtet ist, den Kommunikationsbus gegen ein definiertes Potenzial, insbesondere gegen Masse, zu schalten. Dabei kann der Kommunikationsbus über einen Schalter, beispielsweise einen Halbleiterschalter, mit Masse verbunden werden. Damit kann auf günstige Weise eine zuverlässige Antriggerung der Strommesseinrichtung erreicht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Strommesseinrichtung ferner einen mit dem Kommunikationsbus verbundenen Mikrocontroller auf. Der Mikrocontroller hat einen Speicher mit Befehlen, den Batteriestrom auf das Schalten des Kommunikationsbusses hin zu messen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Strommesseinrichtung ferner dazu ausgebildet, ununterbrochen in einem Leerlaufmodus betrieben zu werden. Dadurch können beispielsweise unnötige Reaktionszeiten vermieden werden, die ansonsten beispielsweise durch ein entsprechendes Delay insbesondere in den Zellspannungsmesseinheiten zu kompensieren sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Zellspannungsmesseinheiten jeweils innerhalb einer jeweiligen Zellüberwachungseinheit angeordnet, die mit demselben Kommunikationsbus verbunden ist, mit dem auch die Strommesseinrichtung verbunden ist. Dadurch kann eine synchrone Antriggerung der Strommesseinrichtung und der Zellüberwachungseinheiten besonders einfach durchgeführt werden.
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Die Strommesseinrichtung kann einen Shuntwiderstand und/oder einen Hall-Sensor aufweisen, jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Art von Strommesseinrichtung beschränkt.
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Ferner ist der erfindungsgemäße Kommunikationsbus bevorzugt ein LIN-Bus. Jedoch kann das Batteriesystem alternativ oder zusätzlich auch einen CAN-Bus oder eine andere Art von Kommunikationsbus aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kommunikationsbus, nachdem die Strommesseinrichtung den Batteriestrom ermittelt hat, freigegeben, um so nicht mehr gegen das definierte Potenzial geschaltet zu sein. Ein von der Strommesseinrichtung ermittelter Stromwert wird daraufhin an das Steuergerät übermittelt.
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Erfindungsgemäß können die synchronen Triggersignale periodisch von dem Steuergerät ausgesendet werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform jedoch werden die synchronen Triggersignale nur zu Beginn eines vorbestimmten Zeitraums zur Initialisierung ausgesendet. Diese Ausführungsform erweist sich als besonders geeignet, wenn derartige Zellspannungsmesseinheiten und eine derartige Strommesseinrichtung verwendet werden, die jeweils dazu ausgestaltet sind, Messungen einer Zellspannung beziehungsweise Messungen eines Batteriestroms automatisch beziehungsweise selbsttätig periodisch durchzuführen. Die Länge des vorbestimmten Zeitraums kann an die Toleranzen der verwendeten Sensoren angepasst werden.
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Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem geschaffen, das in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Batteriesystem eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild der Verschaltung einer Strommesseinrichtung mit einem Shuntwiderstand in einem herkömmlichen Batteriesystem,
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2 eine schematische Darstellung der Architektur einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, und
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3 eine Prinzipdarstellung der Ansteuerung von Zellüberwachungseinheiten und einer Strommesseinrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 2 ist eine schematische Darstellung der Architektur einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems gezeigt. Ein Batteriesystem 200 weist einen Batteriestrang 201 mit mehreren Batteriezellen 102 auf. Die Batteriezellen 102 des Batteriestrangs 201 können in mehrere Batteriemodule (nicht gekennzeichnet) eingeteilt sein. Die Batteriezellen 102 stellen an den Batterieterminals 202, 203 eine Batteriespannung zu Verfügung, wobei die Batteriezellen 102 mittels Leistungsschaltern 204, 205 von den Batterieterminals 202, 203 entkoppelt werden können, so dass die Batterieterminals 202, 203 spannungsfrei geschaltet sind. Die Batterie und der Zustand der Batteriezellen 102 werden von einer Mehrzahl von Zellüberwachungseinheiten 206 auf verschiedene Parameter hin, wie elektrische Spannung, Temperatur, usw. überwacht, die den Batteriezellen 102 entnommen werden. Die Zellüberwachungseinheiten (CSC) 206 weisen Zellspannungsmesseinheiten 207 auf, durch die die Zellspannungen von Batteriezellen 102 des Batteriesystems 200 bestimmt werden. Das Batteriesystem 200 hat außerdem eine Strommesseinrichtung zum Bestimmen des Batteriestroms beziehungsweise des durch einen Batteriestrang 201 des Batteriesystems 200 fließenden Stroms. Die Strommesseinrichtung weist einen Hall-Sensor 208 und einen Shunt 101 auf, mit denen der Batteriestrom redundant bestimmt werden kann. Ein Steuergerät 209 des Batteriesystems 200 steuert sowohl die Zellüberwachungseinheiten 206 als auch den Shunt 101 und den Hall-Sensor 208 an. Dazu wird ein Kommunikationsbus 210, beispielsweise ein LIN-Bus verwendet. Außerdem kommuniziert das Steuergerät 209 mit einer zentralen Fahrzeugsteuereinheit (nicht dargestellt) über einen Kommunikationsbus 211.
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In 3 ist eine Prinzipdarstellung der Ansteuerung von Zellüberwachungseinheiten und einer Strommesseinrichtung 301 nach einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In der 3 umfasst die Strommesseinrichtung 301 einen Shuntwiderstand 101, einen Verstärker 103 und einen Mikrocontroller 302, der eine digitale Logik mit dem LIN-Protokoll aufweist, wobei eine Kommunikation mit dem Steuergerät 303 über den LIN-Bus 304 erfolgt. In 3 sind außerdem die Batteriezellen 102 dargestellt, in deren Strompfad der Shunt 101 angeordnet ist. Das Steuergerät 303 fragt synchron sowohl die Zellüberwachungseinheiten (CSC) (in 3 nicht dargestellt) nach den aktuellen Zellspannungen und die Strommesseinrichtung 301 nach dem aktuellen Batteriestrom. Letzteres wird erreicht, indem die Strommesseinrichtung 301 ununterbrochen im Leerlaufmodus (Idle-Mode) betrieben wird und von dem Steuergerät 303 über den vorhandenen Kommunikationsbus 210 ein Signal bekommt, den Batteriestrom zu messen. Dies wird erreicht, indem der Kommunikationsbus 210 gegen Masse geschaltet wird, was in dem Ausführungsbeispiel nach 3 durch Antriggerung 306 eines Halbleiterschalters 304 geschieht. Die Zellüberwachungseinheiten (nicht dargestellt) werden durch einen Trigger 305 angesteuert, was bei einer Variante dieser Ausführungsform über denselben Kommunikationsbus 210, gemäß einer anderen Variante jedoch separat geschehen kann. Der Mikrocontroller 302 der Strommesseinrichtung 301 wird für den Moment des Kurzschlusses programmiert, den Strom zu messen. Danach wird der Kommunikationsbus 210 wieder freigegeben und die Strommesseinrichtung 301 meldet den Stromwert an das Steuergerät 303 zurück. Hier wird der gemessene Batteriestrom nun mit einer Zellspannung aus den Zellüberwachungseinheiten (nicht dargestellt) verrechnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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