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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Reihenschaltung mehrerer Batteriemodule, wobei ein Batteriemodul wenigstens eine Batteriezelle umfasst; einer Batteriesteuereinheit, und einem Stromsensor. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der Batterie.
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Stand der Technik
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Batteriesysteme zum Einsatz in Kraftfahrzeugen für das Bereitstellen von Antriebsenergie werden zur Unterscheidung von Anlasserbatterien für das Starten eines Verbrennungsmotors „Hochvoltbatterien“ genannt. Solche Hochvoltbatterien verfügen über eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen zur Erzeugung der gewünschten hohen Ausgangsspannung. Die einzelnen Batteriezellen werden mittels Zellüberwachungseinheiten etwa hinsichtlich ihrer lokalen Zellenspannung überwacht. Eine solche Hochvoltbatterie weist ferner als übergeordnete Überwachungseinheit eine Batteriesteuereinheit auf, die die Batteriegesamtspannung erfasst und über eine Kommunikationsschnittstelle mit einem Stromsensor kommuniziert. Der Stromsensor ist zusammen mit einem oder mehreren Schützen in einer Batterietrenneinheit an einem Ende der Reihenschaltung der Batteriezellen, das heißt an den Polen der Hochvoltbatterie angeordnet, wie etwa aus
DE 10 2009 054 943 A1 und
DE 10 2009 046 564 A1 bekannt ist.
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Die am Stromsensor angeschlossene Batteriesteuereinheit überwacht dabei üblicherweise die ordnungsgemäße Funktion der Hochvoltbatterie dahingehend, ob unzulässig hohe Batterieströme bei der Batterieladung oder der Batterieentladung auftreten. Im Fehlerfall steuert die Batteriesteuereinheit die Schütze derart an, dass sie die Hochvoltbatterie vom Verbraucher trennen.
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Eine bekannte Batteriesteuereinheit 100 ist in der 1 gezeigt, sie umfasst einen Niederspannungsteil 102, der einen Mikrocontroller und eine Ansteuerelektronik 104 für die Schütze aufweist. Des Weiteren umfasst die bekannte Batteriesteuereinheit 100 einen Hochspannungsteil 106, in dem die Gesamtspannung des Batteriesystems erfasst wird und in dem eine Feldbus-Kommunikationsschnittelle 108 angeordnet ist, die einen entfernt angeordneten Stromsensor über einen Feldbus ausliest.
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Die bekannte Batteriesteuereinheit 100 kommt in einem herkömmlichen Batteriesystem 200 zum Einsatz, wie in der 2 gezeigt ist. Das herkömmliche Batteriesystem 200 weist einen quaderförmigen Batteriepack 202 auf, der seinerseits eine Reihenschaltung von mehreren Batteriemodulen 204 umfasst. Die Batteriemodule 204 weisen jeweils mehrere Lithium-Ionen-Batteriezellen und eine Zellüberwachungseinheit, auch CSC genannt, auf. An einem ersten Ende des Batteriepacks 202 ist die bekannte Batteriesteuereinheit 100 angeordnet, an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Batteriepacks 202 ist eine Batterietrenneinheit 206 angeordnet, die ein Schütz aufweist. Meist aus Platzgründen sind die Batteriesteuereinheiten und die Batterietrenneinheiten getrennt voneinander angeordnet. Die Batterietrenneinheit 206 ist mit dem ersten und dem letzten Batteriemodul 204 der Reihenschaltung verbunden, das heißt mit dem Pluspol und dem Minuspol des Batteriepacks 202. Die Batterietrenneinheit 206 weist ein Schütz zum Trennen des Batteriepacks 202 von einem Verbraucher und den Stromsensor zum Erfassen von Batterieströmen auf. Das Schütz und der Stromsensor werden bekanntermaßen nahe den Batteriepack-Polen angeordnet, um den Gesamtstrom der Batterie schalten bzw. messen zu können; sie sind deshalb in der Batterietrenneinheit angeordnet.
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Die Steuerung des Schützes erfolgt üblicherweise mittels der Batteriesteuereinheit 100, die Ansteuersignale für das Schütz über eine Leitung 208 an die entfernt angeordnete Batterietrenneinheit 206 überträgt. Die Leitung 208 und eine weitere Leitung 210 sind quer durch den Batteriepack 202 verlegt. Die weitere Leitung 210 dient zum Übertragen des mit dem Stromsensor gemessenen Batteriestroms. Der Stromsensor wird häufig von einem Shunt-Widerstand gebildet, der am Pluspol oder Minuspol des Batteriepacks 202 angeordnet ist. Die weitere Leitung 210 überträgt dabei entweder die gemessene Spannung oder ein entsprechendes Datensignal. Die Leitung 210 ist beispielsweise eine Feldbusleitung.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batterie bereitgestellt, welche eine Reihenschaltung mehrerer Batteriemodule umfasst, wobei ein Batteriemodul wenigstens eine Batteriezelle umfasst, sowie eine Batteriesteuereinheit und einen Stromsensor zur Erfassung des Stroms der Batterie, der über eine Leitung mit der Batteriesteuereinheit verbunden ist. Der Stromsensor ist dabei zwischen zwei der mehreren Batteriemodule geschaltet.
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Die erfindungsgemäße Batterie ermöglicht, dass ihr Stromsensor nicht mehr am Batteriepol der Batterie angeordnet sein muss, sondern zwischen zwei Batteriemodule geschaltet sein kann. Dies bietet den Vorteil, den Stromsensor überall in der Reihenschaltung der Batteriemodule anordnen zu können, dadurch kann die Länge der Leitung zwischen Batteriesteuereinheit und Stromsensor auf vorteilhafte Weise kurz gewählt werden.
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Bei herkömmlichen Batterien führt die Leitung zwischen dem Stromsensor und der Batteriesteuereinheit durch einen ganzen Batteriepack, ist also wenigstens so lang wie eine Längsausdehnung des Batteriepacks. Durch die Länge der Leitung ist sie hoher elektromagnetischer Einstrahlung ausgesetzt, die Signale auf der Leitung stört. Wenn die Leitung kurz ist, insbesondere kürzer als eine Längsausdehnung eines Batteriepacks, kann die darauf wirkende elektromagnetische Einstrahlung verringert werden. Das heißt, die elektromagnetische Verträglichkeit in der Batterie kann verbessert werden. Ist die Leitung insbesondere als Eindrahtbus ausgelegt, z. B. als Local Interconnect Network (LIN) Bus, kann die erfindungsgemäße Batterie eine sichere und ungestörte Kommunikation zwischen Stromsensor und Batteriesteuereinheit gewährleisten.
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In einer bevorzugten Weiterbildung kann die Batterie eine Batterietrenneinheit umfassen, die wenigstens ein Schaltelement zum Trennen oder zum Verbinden der Batterie mit einer Last oder mit einer Ladeeinrichtung umfasst, wobei die Batteriesteuereinheit das Schaltelement steuert. Die Batterietrenneinheit ist vorzugsweise am Plus- oder Minuspol der Batterie angeordnet und verbindet den Plus- oder Minuspol beispielsweise mit einem Elektromotor als Last oder trennt den Plus- oder Minuspol davon. Es ist bevorzugt, ein Schütz als Schaltelement zu verwenden. Das Schütz kann von der Batteriesteuereinheit mittels eines Ansteuersignals geschaltet werden.
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Eine räumlich getrennte Anordnung von Batteriesteuereinheit und Batterietrenneinheit kann vorteilhaft sein, um elektromagnetische Störungen zwischen den Einheiten zu verringern. Auch können Platzgründe dafür sprechen, die Einheiten räumlich getrennt anzuordnen, etwa um zusammen mit den Batteriemodulen eine besonders flache Batterie herstellen zu können.
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Bekannte Batterietrenneinheiten umfassen den Stromsensor. Ist die Batterietrenneinheit von der Batteriesteuereinheit räumlich getrennt angeordnet, kann die erfindungsgemäße Batterie dafür sorgen, dass der Stromsensor jedoch an beliebiger Stelle zwischen den Batteriemodulen angeordnet ist. Bevorzugt ist der Stromsensor nahe der Batteriesteuereinheit angeordnet oder näher an der Batteriesteuereinheit als an der Batterietrenneinheit angeordnet.
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Die Länge einer ersten Kommunikationsleitung von der Batteriesteuereinheit zum Stromsensor ist dabei kürzer als die Länge einer zweiten Kommunikationsleitung von der Batteriesteuereinheit zur Batterietrenneinheit, bevorzugt weist sie weniger als 50 % der Länge der zweiten Kommunikationsleitung auf, noch bevorzugter weniger als 20 % der Länge der zweiten Kommunikationsleitung, höchst bevorzugt weniger als 10 % der Länge der zweiten Kommunikationsleitung.
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Ist die Reihenschaltung der Batteriemodule U-förmig angeordnet, so ist die Batterietrenneinheit bevorzugt an den U-Enden der Reihenschaltung angeschlossen. Der Stromsensor ist bevorzugt am U-Bogen angeordnet.
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Vorteilhaft ist auch die Anordnung des Stromsensors in der Mitte einer geraden Anzahl von Batteriemodulen, also beispielsweise zwischen dem sechsten und siebten Batteriemodul von zwölf Batteriemodulen oder dergleichen.
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Die Batteriesteuereinheit umfasst einen Niederspannungsteil sowie einen Hochspannungsteil mit einer Sensorkommunikationsschnittstelle. Ein Strang aus den in Reihe geschalteten Batteriemodulen ist bevorzugt in zwei sich nicht überlappende Abschnitte unterteilbar, wobei der der Batteriesteuereinheit am nächsten gelegene Abschnitt des Strangs das dem Strang in Reihe geschaltete Mittel zur Strommessung aufweist, und ein Anschluss des Mittels zur Strommessung mit der Sensorkommunikationsschnittstelle des Hochspannungsteils verbunden ist. Der am nächsten gelegene Abschnitt des Strangs weist höchstens 50 % der Gesamtlänge des Strangs auf, bevorzugt höchstens 20 %, noch bevorzugter höchstens 10 %.
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Mit anderen Worten umfasst die Batteriesteuereinheit einen Niederspannungsteil, der Steuerelektronik umfasst, und einen Hochspannungsteil, der mit dem höchsten Spannungspotenzial und dem niedrigsten Spannungspotenzial der Batterie zum Messen eines Parameters der Batterie verbunden ist und einen lokalen Masseanschluss aufweist, wobei der lokale Masseanschluss des Hochspannungsteils mit einem Eingang des Stromsensors der Batterie verbunden ist, welcher auf einem Potenzial liegt, welches niedriger als die Batteriespannung ist.
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Die erfindungsgemäße Batterie hat den Vorteil, dass der Hochspannungsteil auf einem zusätzlichen Spannungspotenzial, nämlich einem Zwischenspannungspotenzial der Batterie betreibbar ist. Bevorzugt entspricht das Zwischenspannungspotenzial beispielsweise etwa der halben Batteriespannung. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Batteriesteuereinheit mit einem weiteren Sensorelement, z. B. einem Stromsensor, verbunden ist, das auf Höhe des Zwischenspannungspotenzials arbeitet.
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Insbesondere misst die Batteriesteuereinheit die Batteriegesamtspannung bipolar am niedrigsten Batteriespannungspotenzial, am Zwischenspannungspotenzial und am höchsten Batteriespannungspotenzial. Dies umfasst insbesondere ein Messen einer Teilspannung zwischen niedrigstem Batteriespannungspotenzial und dem Zwischenspannungspotenzial und ein Messen einer weiteren Teilspannung zwischen höchstem Batteriespannungspotenzial und dem Zwischenspannungspotenzial.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batterie kann die Batteriesteuereinheit neben der bipolaren Messung der Batteriespannung auch mit dem Stromsensor kommunizieren, der auf einem Zwischenspannungspotenzial liegt.
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Herkömmliche Batteriesteuereinheiten sind nur mit dem höchsten und niedrigsten Batteriespannungspotenzial verbunden und können deshalb nicht mit Sensorelementen, die auf einem Zwischenspannungspotenzial arbeiten, verbunden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Batteriesteuereinheit einen Gleichspannungswandler, der mit dem höchsten Spannungspotenzial und mit dem niedrigsten Spannungspotenzial der Batterie verbunden ist und der den Hochspannungsteil mit Energie aus der Batterie versorgt. Der Hochspannungsteil benötigt vorzugsweise keine zusätzliche Energiequelle, sondern kann aus der Batterie mitversorgt werden. Der Gleichspannungswandler kann insbesondere einen Sperrwandler, auch Flyback Konverter oder Hoch-Tiefsetzsteller genannt, umfassen. Solche Wandler sind einfach aufgebaut und bieten einen hohen Wirkungsgrad.
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Der Stromsensor umfasst vorzugweise einen Shunt-Widerstand. Er kann jedoch auch andere Sensortypen umfassen, wie magneto-resistive Sensoren auf Basis nicht-magnetischer Materialien, z. B. einen Hallsensor, oder auf Basis magnetischer Materialien.
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Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie vorgeschlagen, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Außerdem wird ein Verfahren zum Messen einer Batteriespannung mittels der erfindungsgemäßen Batteriesteuereinheit zur Verfügung gestellt, wobei die Batteriespannung bipolar am höchsten Spannungspotenzial, am Zwischenspannungspotenzial und am niedrigsten Spannungspotenzial gemessen wird.
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Es wird insbesondere bevorzugt, dass die Batteriesteuereinheit an einem ersten Batterieende angeordnet ist und dass die Batterietrenneinheit an einem dem ersten Batterieende gegenüberliegenden zweiten Batterieende angeordnet ist. Ist die Batterie beispielsweise quaderförmig, so können einander gegenüberliegende Abschnitte an den zwei kleinsten Quaderflächen die Batterieenden bilden.
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Der Stromsensor ist bevorzugt am ersten Batterieende angeordnet oder näher am ersten Batterieende als am zweiten Batterieende angeordnet. Dadurch kann die Länge der Leitung zwischen Stromsensor und Batteriesteuereinheit vorteilhaft kurz gewählt werden.
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Ferner ist es bevorzugt, dass die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
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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 eine bekannte Batteriesteuereinheit,
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2 eine bekannte Batterie,
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3 eine Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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4 eine Batteriesteuereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 3 ist eine Batterie 300 gezeigt, die einen quaderförmigen Batteriepack 202 umfasst. Der Batteriepack 202 umfasst seinerseits eine Reihenschaltung aus acht Batteriemodulen 204, die U-förmig miteinander verbunden sind. Die Anzahl der Batteriemodule 204 ist beispielhaft und kann auch zwölf, vierundzwanzig oder sechzig und dergleichen umfassen. Da jedes Batteriemodul 204 eine bestimmte Spannung liefert, ist durch die Anzahl der Batteriemodule 204 die Ausgangsspannung des Batteriepacks 202 bzw. der Batterie 300 bestimmbar.
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Die Batteriemodule 204 umfassen jeweils wenigstens eine Batteriezelle, bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, und eine Zellüberwachungseinheit. Das erste Batteriemodul 204 bildet den Pluspol+ des Batteriepacks 202 bzw. der Batterie 300 und das achte, also letzte Batteriemodul 204 bildet den Minuspol– des Batteriepacks 202 bzw. der Batterie 300.
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Zwischen dem vierten und fünften Batteriemodul 204, also in der Mitte der Reihenschaltung, ist ein Shunt-Widerstand 302 in die Reihenschaltung geschaltet, der einen Stromsensor bildet. Der Shunt-Widerstand 302 wird vom Gesamtstrom des Batteriepacks 202 durchflossen und ruft einen dazu proportionalen Spannungsabfall hervor. Der Spannungsabfall wird über eine Leitung 306 an eine Batteriesteuereinheit 400 übertragen. Die Leitung 306 kann entweder als Einzelleitung, Mehrfachleitung oder Datenleitung, z. B. als Local Interconnect Network (LIN) Bus, ausgebildet sein. Ferner kann die Leitung 306 den Spannungsabfall des Shunt-Widerstands 302 direkt übertragen oder ein entsprechendes Datensignal.
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An den Pluspol+ und den Minuspol– ist eine Batterietrenneinheit 304 angeschlossen. Die Batterietrenneinheit 304 umfasst ein Schütz, das ein Schaltelement bildet, um den Batteriepack 202 bzw. die Batterie 300 von einer Last zu trennen oder mit der Last zu verbinden. In gleicher Weise kann das Schütz den Batteriepack 202 mit einer Ladeeinrichtung verbinden oder davon trennen. Die Batteriesteuereinheit 400 generiert dazu ein Ansteuersignal, das über eine weitere Leitung 208 von der Batteriesteuereinheit 400 an die Batterietrenneinheit 304 übertragen wird. Die weitere Leitung 208 führt dabei durch den Batteriepack 202.
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Die Seite, an der der Stromsensor 302 angeordnet ist, bildet ein erstes Ende der Batterie 300 bzw. des Batteriepacks 202. Am ersten Ende ist die Batteriesteuereinheit 400 angeordnet. Somit ist die Leitung 306 zwischen den Stromsensor 302 und der Batteriesteuereinheit 400 kurz, elektromagnetische Einstrahlung auf die Leitung 306 wird so effizient verringert. Die Seite, an der der Pluspol+ und der Minuspol– angeordnet sind, bildet ein zweites Ende der Batterie 300, das dem ersten Ende gegenüberliegt. Am zweiten Ende ist die Batterietrenneinheit 304 angeordnet. Bekannte Batterietrenneinheiten umfassen auch den Stromsensor, wobei die Leitung zwischen Stromsensor und der Batteriesteuereinheit in diesem Fall durch den ganzen Batteriepack führt. Herkömmliche Leitungen zwischen dem Stromsensor und der Batteriesteuereinheit sind länger als die Leitung 306 und erfahren dadurch eine höhere elektromagnetische Einstrahlung, das heißt Störung.
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Mit anderen Worten kann der Strang von in Reihe geschalteten Batteriemodulen 204 in zwei Abschnitte 502 und 504 unterteilt werden, die sich nicht überlappen. Der Abschnitt 502, der näher an der Batteriesteuereinheit 400 liegt als der andere Abschnitt 504, umfasst dann erfindungsgemäß den Stromsensor 302.
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In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriesteuereinheit 400 gezeigt. Die Batteriesteuereinheit 400 umfasst einen Niederspannungsteil 402 und einen Hochspannungsteil 404. Der Hochspannungsteil 404 umfasst seinerseits einen Flyback-Konverter 406, der einen Gleichspannungswandler bildet. Der Flyback-Konverter 406 ist mit dem Pluspol+ und dem Minuspol– der Batterie verbunden. Er wandelt die Batteriespannung in eine Versorgungsspannung für den Hochspannungsteil 404 um. Der Hochspannungsteil 404 ist ferner über die Leitung 306 mit dem Shunt-Widerstand 302 verbunden, um den Gesamtstrom der Batterie ermitteln zu können.
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Ferner ist der Hochspannungsteil 404 mit dem höchsten Batteriespannungspotenzial der Batterie verbunden, das heißt in diesem Fall mit dem Pluspol+, und mit niedrigstem Spannungspotenzial der Batterie, das heißt in diesem Fall mit dem Minuspol– der Batterie, sowie über eine Leitung 408 mit einem Zwischenspannungspotenzial, das beispielsweise am Massepotenzial des Shunt-Widerstands 302 anliegt. Das Zwischenspannungspotenzial liegt beispielsweise auf etwa der halben Batteriespannung. Die Leitung 306 und die Leitung 408 können den Spannungsabfall am Shunt-Widerstand 302 übertragen, oder zusammen eine Datenleitung bilden, die ein dem Spannungsabfall entsprechendes Datensignal übertragen. Zum Ermitteln des Gesamtstroms der Batterie arbeitet die Elektronik im Hochspannungsteil 404 auf dem Zwischenspannungspotenzial der Batterie. Um dennoch auch die Gesamtspannung der Batterie messen zu können, wird die Gesamtspannung bipolar gemessen, wobei das Zwischenspannungspotenzial ein lokales Massepotenzial bildet, gegenüber dem eine Teilspannung zum Pluspol+ und eine weitere Teilspannung zum Minuspol– gemessen wird. Die Kenntnis beider Teilspannungen ermöglicht das Ermitteln der Gesamtspannung der Batterie.
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Der Hochspannungsteil 404 weist einen lokalen Masseanschluss 410 auf. Der lokale Masseanschluss 410 ist mit einem Eingang des Stromsensors der Batterie verbunden und liegt auf einem Potenzial, welches niedriger als die Batteriespannung ist.
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Die Batteriesteuereinheit ermöglicht eine störungsfreiere Strommessung und zugleich die Messung der Batteriespannung auf bipolare Weise. Die Batterie mit der Batteriesteuereinheit kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug Anwendung finden, wobei die Batterie dort mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009054943 A1 [0002]
- DE 102009046564 A1 [0002]
