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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitselektronik für ein Batteriemodul, eine Batteriezellenüberwachungseinheit zur Überwachung mehrerer Batteriezellen, die das Batteriemodul bilden, und ein Batteriesystem mit der Sicherheitselektronik. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, z. B. bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeuge, und bei Laptops und Mobiltelefonen Lithium-Ionen-Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
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Der prinzipielle funktionale Aufbau eines Batteriesystems gemäß des Standes der Technik ist in der 1 gezeigt. Um geforderte Leistungs- und Energiedaten mit einem solchen Batteriesystem zu erzielen, werden meist einzelne Batteriezellen 100 in Serie und teilweise zusätzlich parallel zu einer Batterie zusammengeschaltet. Eine Gruppe von Batteriezellen 100 ist dabei jeweils an eine von mehreren Batteriezellenüberwachungseinheiten 102, englisch auch Cell Supervision Circuit oder CSC genannt, angeschlossen. Eine weitere Funktionseinheit bildet das Batteriemanagementsystem 104, an dem die Batteriezellenüberwachungseinheiten 102 angeschlossen sind. Das Batteriemanagementsystem 104 sorgt dabei für hohe Sicherheit, Performance und Lebensdauer des Batteriesystems. Es umfasst neben einer Batteriezustandserkennung auch Diagnose- und Sicherheits-Funktionen und Kommunikationsschnittstellen für andere Systeme, etwa ein Thermomanagement des Batteriesystems.
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Eine Batterietrenneinheit 106, die zwischen den Batteriezellen 100 und Polen des Batteriesystems angeordnet ist, übernimmt u. a. ein Zu- und Abschalten der Batterie an bzw. von Verbrauchern. Die Batterietrenneinheit 106 wird vom Batteriemanagementsystem 104 gesteuert und gewährleistet die Absicherung des Batteriesystems gegen unzulässig hohe Ströme und Spannungen, und bietet Sicherheitsfunktionen, wie z. B. ein zweipoliges Abtrennen der Batteriezellen 100 von den Batteriepolen, etwa bei Wartungsarbeiten am Batteriesystem. In herkömmlichen Batteriemanagementsystemen werden dazu heute üblicherweise pauschale Vorhalte bzw. Sicherheitsabstände einkalkuliert, um die mit höchster Priorität einzuhaltende Sicherheit des Batteriesystems nicht aus Gründen der Bereitstellung einer zu hohen Leistungsfähigkeit zu gefährden.
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Die Funktion einer herkömmlichen Batteriezellenüberwachungseinheit 102 ist in der 2 gezeigt. Die Batteriezellenüberwachungseinheit 102 umfasst bekanntermaßen einen Analog-Digital-Wandler 200, der über eine Filterschaltung 202 mit einer der Batteriezellen 100 verbunden ist. Der Analog-Digital-Wandler 200 digitalisiert eine Batteriezellenmomentanspannung der Batteriezelle 100 und stellt diese einer Auswerteelektronik 204 zur Verfügung. Die Auswerteelektronik 204 kann daraufhin ein Steuersignal für eine der Batteriezelle 100 parallel geschaltete Ladungszustandsausgleichschaltung 206, engl. auch cell balancing genannt, bereitstellen. Zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs der Batteriezelle 100 ist derselben häufig auch eine Begleitelektronik 208 mit einem Komparator parallel geschaltet. Da bekannt ist, dass herkömmliche Lithium-Ionen-Batteriezellen 100 eine Betriebsspannung von typischerweise 2,8 Volt bis 4,2 Volt aufweisen, ist die Begleitelektronik 208 so ausgelegt, dass sie bei einem Unter- oder Überschreiten der unteren bzw. oberen Betriebsspannung ein Alarmsignal auf einem Alarmsignalbus 210 erzeugt.
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Die Messung der Batteriezellenspannung, einerseits durch die Batteriezellenüberwachungseinheit 102 und andererseits durch die Begleitelektronik 208, gewährleistet heutzutage bereits eine verhältnismäßig sichere Überwachung von Batteriezellen 100.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Sicherheitselektronik für ein Batteriemodul zur Verfügung gestellt. Die Sicherheitselektronik umfasst einen Komparator und einen Alarmsignalausgang für ein Alarmsignal. Die Sicherheitselektronik weist ferner einen Spannungsschwellwerteingang für einen Spannungsschwellwert auf, wobei der Komparator in Abhängigkeit eines Vergleichs des Spannungsschwellwerts mit einer am Batteriemodul anliegenden Batteriemodulspannung das Alarmsignal erzeugt.
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Außerdem wird eine Batteriezellenüberwachungseinheit zur Überwachung mehrerer Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Die mehreren Batteriezellen bilden ein Batteriemodul. Die Batteriezellenüberwachungseinheit überwacht Batteriezellenspannungen der Batteriezellen. Die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik ist mit dem Batteriemodul verbunden und stellt der Batteriezellenüberwachungseinheit das Alarmsignal über einen Alarmsignalbus bereit.
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Ferner wird ein Batteriesystem bereitgestellt. Das Batteriesystem umfasst mehrere Batteriezellen, die wenigstens ein Batteriemodul einer Batterie bilden. Die Batteriezellen weisen jeweils eine Batteriezellensicherung auf. Außerdem umfasst das Batteriesystem die erfindungsgemäße Batteriezellenüberwachungseinheit zur Überwachung des wenigstens einen Batteriemoduls der Batterie sowie die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik für das wenigstens eine Batteriemodul der Batterie. Ferner umfasst das Batteriesystem eine Batterietrenneinheit zum Trennen der Batterie von einem Verbraucher, eine Batteriemanagementeinheit und einen Alarmsignalbus, der den Alarmsignalausgang der Sicherheitselektronik mit der Batteriemanagementeinheit verbindet. Die Batteriemanagementeinheit steuert die Batterietrenneinheit in Abhängigkeit des Alarmsignals.
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Außerdem wird ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik ermöglicht, auf vorteilhafte Weise einen sicheren Betrieb eines Batteriemoduls zu gewährleisten. Die Sicherheitselektronik überwacht dabei nicht wie etwa bekannte Begleitelekroniken auf der Ebene von Batteriezellen, sondern auf der Ebene von Batteriemodulen, die jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Wird ein Batteriesystem, das mehrere Batteriemodule aufweist, mit den erfindungsgemäßen Sicherheitselektroniken ausgestattet, so sind weniger Sicherheitselektroniken erforderlich und somit ein Ausstatten des Batteriesystems preisgünstig.
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Zwar sind auch Batteriezellenüberwachungseinheiten bekannt, die eine einzelne Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen, die ein Batteriemodul bilden, überwachen. Die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik bildet jedoch insbesondere ein redundantes, unabhängiges bzw. zusätzliches Mess- bzw. Überwachungsmittel zu den bekannten Batteriezellenüberwachungseinheiten, das eine hohe Sicherheitseinstufung für mit der Sicherheitselektronik ausgestatte Batteriesysteme ermöglicht. Die Sicherheitselektronik kann auf vorteilhafte Weise eine Einstufung eines solchen Batteriesystems z. B. in ASIL (Automotive Savety Integrity Level) C oder D ermöglichen.
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Wird eine Batterie, die Batteriemodule mit Batteriezellen aufweist, kurzgeschlossen, etwa weil ein an der Batterie angeschlossener Verbraucher defekt ist oder weil die Batterie, ein Batteriemodul oder eine Batteriezelle selbst beschädigt ist, so lösen im Allgemeinen Batteriezellensicherungen aus, die in den Batteriezellen aus Sicherheitsgründen integriert sind. Dabei können an Batteriezellenüberwachungseinheiten, die mit den Batteriezellen verbunden sind, hohe negative Spannungen auftreten. Löst die Batteriezellensicherung einer bestimmten Batteriezelle aus, so kann an dieser Batteriezellensicherung und somit an einer Batteriezellenüberwachungseinheit die gesamte Spannung der übrigen Batteriezellen mit negativem Vorzeichen anliegen. Die Batteriezellenüberwachungseinheit kann durch hohe negative Spannungen Schaden nehmen, z. B. sich entzünden und abbrennen.
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Durch das Auslösen einer Batteriezellensicherung verringert sich sofort die Batteriemodulspannung eines betroffenen Batteriemoduls. Der Komparator erzeugt bevorzugt das Alarmsignal, wenn der Vergleich ergibt, dass die Batteriemodulspannung kleiner als der Spannungsschwellwert ist. Der Komparator detektiert so den verbraucherseitigen Kurzschluss.
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Löst beispielsweise eine Batteriezellensicherung einer Batteriezelle aus, wobei die Batteriezellenspannung eben dieser Batteriezellen in einem zulässigen Bereich von typischerweise etwa 2,8 V bis etwa 4,2 V bleibt, so erkennt die Sicherheitselektronik, dass im Wesentlichen kein kritischer Zustand vorliegt und erzeugt in diesem Fall insbesondere kein Alarmsignal.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Komparator einen Eingangswiderstand von mehreren Kiloohm oder Megaohm auf. Batteriezellenüberwachungseinheiten sind meist mit niederohmigen Eingängen ausgestattet, beispielsweise um eine hohe Messgenauigkeit für die Batteriezellenspannungen zu erreichen. Häufig nehmen Bauelemente mit niederohmigen Eingängen bei anliegenden hohen Spannungen Schaden, da ein nahezu ebenso hoher Strom fließt. Der Komparator der Sicherheitselektronik ist dagegen insbesondere durch hochohmige Eingänge, d. h. Eingangswiderstände im Bereich von mehreren Kiloohm oder Megaohm, robust gegen anliegende hohe Spannungen.
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Die erfindungsgemäße Batteriezellenüberwachungseinheit hat den Vorteil, dass sie mittels des von der Sicherheitselektronik bereitgestellten Alarmsignals Sicherheitsmaßnahmen für das Batteriemodul treffen kann. Bevorzugt umfasst die Batteriezellenüberwachungseinheit einen Kurzschlusspfad. Die Batteriezellenüberwachungseinheit kann bei Empfang des Alarmsignals das Batteriemodul mit dem Kurzschlusspfad kurzschließen. Dadurch kann eine unkontrolliert hohe insbesondere negative Spannung an der Batteriezellenüberwachungseinheit verhindert werden.
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Im Allgemeinen umfasst eine Batteriezellenüberwachungseinheit einen Analog-Digital-Wandler, eine Steuereinheit und eine Kommunikationseinheit. Der Analog-Digital-Wandler weist normalerweise mehrere Eingänge auf, an denen Batteriezellenspannungen anliegen. Zur Einhaltung des bekannten Abtasttheorems ist den Analog-Digital-Wandler-Eingängen jeweils ein Tiefpassfilter vorgeschaltet. Um ein weitgehend unverfälschtes Messen der Batteriezellenspannungen zu ermöglichen, sind die Analog-Digital-Wandler-Eingänge niederohmig. Liegt jedoch in einem Fehlerfall, z. B. bei einem verbraucherseitigen Kurzschluss und einer ausgelösten Batteriezellensicherung, eine hohe negative Spannung an den Analog-Digital-Wandler-Eingängen, so kann der Analog-Digital-Wandler Schaden nehmen. Die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik kann dazu beitragen einen solchen Schaden zu verhindern, indem sie beispielsweise frühzeitig das Alarmsignal erzeugt. Die hochohmigen Eingänge des Komparators können dabei ein Funktionieren der Sicherheitselektronik auch bei bereits anliegender hoher Spannung noch sicherstellen.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem kann ebenfalls das Alarmsignal empfangen und beispielsweise dazu nutzen, das gesamte Batteriesystem von einem kurzgeschlossenen Verbraucher mittels der Batterietrenneinheit zu trennen, und dadurch einen sicheren Batteriesystemzustand herzustellen. Ein Funktionieren des Komparators, des Alarmsignals und des Steuerns der Batterietrenneinheit ist im Wesentlichen ohne Software möglich, die etwa ausfallen oder fehlerhaft sein könnte. Die Batterietrenneinheit funktioniert insbesondere auch dann noch, wenn beispielsweise die Überwachungseinheit durch anliegende hohe Spannungen bereits ausgefallen bzw. beschädigt ist. In weiterer Ausgestaltung steuert das Alarmsignal die Batterietrenneinheit direkt an, wodurch ein schnelleres Trennen und eine höhere Ausfallsicherheit des Batteriesystems erreicht werden können.
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Der Spannungsschwellwert ist bevorzugt ein vorbestimmter bzw. vorab festgelegter Wert. Die Batteriemanagementeinheit kann den Spannungsschwellwert jedoch auch in Abhängigkeit der Anzahl der Batteriezellen des Batteriemoduls, einer Batteriezellenleerlaufspannung, eines Batteriezelleninnenwiderstands und eines Batteriestroms ermitteln. Außerdem kann das Batteriesystem der erfindungsgemäßen Sicherheitselektronik den Spannungsschwellwert am Spannungsschwellwerteingang zur Verfügung stellen.
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Wenn sich die Batteriezellenleerlaufspannung, der Batteriezelleninnenwiderstand oder der Batteriestrom ändert, so kann die Batteriemanagementeinheit den Spannungsschwellwert neu bzw. dynamisch ermitteln und wiederum der Sicherheitselektronik am Spannungsschwellwerteingang zur Verfügung stellen.
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Es ist bevorzugt, dass der Alarmbus eine separate Hardwareleitung bildet. Dadurch kann eine Redundanz hergestellt werden, die die Betriebs- bzw. Ausfallsicherheit des Batteriesystems erhöht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Batteriesystem eine Begleitelektronik, die einen Komparator aufweist. Die Begleitelektronik ist an jede Batteriezelle angeschlossen und prüft mittels des Komparators, ob eine Batteriezellenspannung der Batteriezelle einen oberen Spannungsgrenzwert überschreitet oder einen unteren Spannungsgrenzwert unterschreitet. In Abhängigkeit dieser Prüfungen erzeugt die Begleitelektronik ein weiteres Alarmsignal. Vorzugsweise ergänzt die Sicherheitselektronik die Begleitelektronik und die Batteriezellenüberwachungseinheit, um die Betriebssicherheit des Batteriesystems zu erhöhen.
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Das Batteriesystem ist bevorzugt ein Lithium-Ionen-Batteriesystem.
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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 Batteriesystem aus dem Stand der Technik,
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2 eine Batteriezellenüberwachungseinheit aus dem Stand der Technik,
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3 eine Sicherheitselektronik gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
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4 ein Batteriemodul im Schadensfall gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 3 ist eine Sicherheitselektronik 300 für ein Batteriemodul 302 gezeigt. Die Sicherheitselektronik 300 umfasst einen Komparator 304 und einen Alarmsignalausgang 306 für ein Alarmsignal 308. Ferner umfasst die Sicherheitselektronik 300 einen Spannungsschwellwerteingang 310 für einen Spannungsschwellwert Uschwell 312. Der Komparator 304 vergleicht den Spannungsschwellwert Uschwell 312 mit einer am Batteriemodul 302 anliegenden Batteriemodulspannung Umodul. In Abhängigkeit des Vergleichs erzeugt der Komparator das Alarmsignal 308.
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Das Batteriemodul 302 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs einzelne Lithium-Ionen-Batteriezellen 314. In anderen Ausführungen können es beispielsweise auch vier, zwölf oder mehr Lithium-Ionen-Batteriezellen 314 sein. Jede Lithium-Ionen-Batteriezelle 314 liefert typischerweise eine Batteriezellenspannung Ucell zwischen etwa 2,8 V und etwa 4,2 V. Die Summe dieser n gleich sechs Batteriezellenspannungen Ucell bildet die Batteriemodulspannung Umodul des Batteriemoduls 302. Umodul(t) = n·Ucell(t) wobei hier n = 6 (1)
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Die Batteriemodulspannung Umodul ändert sich je nach Ladezustand und Belastung des Batteriemoduls über die Zeit.
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Mehrere Batteriemodule 302 können eine Lithium-Ionen-Batterie bilden, wobei der Begriff Batterie allgemein einen Sekundärspeicher oder auch Akkumulator betrifft. Die Batterie bildet zusammen mit einer Batteriemanagementeinheit, der Sicherheitselektronik 300 und einer Batterietrenneinheit ein Batteriesystem.
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Um Ladungsunterschiede zwischen den einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezellen 314 auszugleichen, ist jede Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Ladungszustandsausgleichschaltung 316 verbunden.
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Je Batteriemodul 302 ist eine Batteriezellenüberwachungseinheit 318 vorgesehen, die mit jeder Lithium-Ionen-Batteriezelle 314 verbunden ist, um diese zu überwachen. Die Batteriezellenüberwachungseinheit 318 umfasst dazu einen Analog-Digital-Wandler und eine Auswertelektronik. Der Analog-Digital-Wandler weist mehrere Eingänge auf, die mit den Lithium-Ionen-Batteriezellen 314 verbunden sind und dort jeweils eine Batteriezellenspannung Ucell abgreifen. Zur Einhaltung des Abtasttheorems nach Nyquist ist jedem der Analog-Digital-Wandler-Eingänge ein Tiefpassfilter 320 vorgeschaltet. Um die Messgenauigkeit des Analog-Digital-Wandlers nicht durch einen etwaigen Spannungsabfall oder dergleichen zu verschlechtern, sind Eingangswiderstände des Analog-Digital-Wandlers und Widerstände in den Tiefpassfiltern 320 niederohmig gewählt.
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In der 4 ist das Batteriemodul 302 in einem Schadensfall gezeigt. Das Batteriemodul 302 ist mit einem Verbraucher 400 verbunden, der beispielsweise aufgrund eines Defekts einen in der 4 schematisch gezeichneten Kurzschluss 402 aufweist. Der Verbraucher bezeichnet allgemein einen Inverter, einen Pulswechselrichter, einen Generator und/oder einen Elektromotor.
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Die Lithium-Ionen-Batteriezellen 302 umfassen für einen Schadensfall Batteriezellensicherungen 404. Eine der Batteriezellensicherungen 404 löst an der Stelle 406 aus, d. h., sie trennt den Batteriestromkreis an dieser Stelle 406.
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Die Batteriezellenüberwachungseinheit 318 überwacht auch während dieses Schadensfalls die Batteriezellenspannungen Ucell, die durch Pfeile 407 in der 4 gezeigt sind. Die Analog-Digital-Wandler-Eingänge und Tiefpassfilter bilden zusammen Spannungsmesseinheiten, von denen in der 4 beispielhaft eine Spannungsmesseinheit 408 gezeigt ist. Umfasst der Stromkreis der Batterie eine Reihenschaltung einer Anzahl von n Lithium-Ionen-Batteriezellen 314, so liegt im gezeigten Schadensfall beispielsweise eine Schadenspannung von Uschad an der Spannungsmesseinheit 408 an. Uschad = –(n – 1)·Ucell (2 )
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Durch den Kurzschluss 402 entsteht eine hohe negative Schadenspannung an der Spannungsmesseinheit 408, die zu ihrer Beschädigung führen würde. Die mit dem Batteriemodul 302 verbundene Sicherheitselektronik 300 vergleicht jedoch die Batteriemodulspannung Umodul(t) laufend mit dem Spannungsschwellwert Uschwell(t). Umod(t) < Uschwell(t) (3)
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Die Batteriemanagementeinheit des Batteriesystems ermittelt den Spannungsschwellwert laufend in Abhängigkeit der Anzahl n der Lithium-Ionen-Batteriezellen 314 des Batteriemoduls 302, einer Batteriezellenleerlaufspannung UOCV, eines Batteriezelleninnenwiderstands Ri und eines Batteriestrom Ibatt auf folgende Weise: Uschwell(t) = n·(UOCV – Ri·Ibatt) (4)
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Sowohl die Leerlaufspannung UOCV als auch der Innenwiderstand und insbesondere der Batteriestrom verändern sich mit der Zeit, so dass der Spannungsschwellwert Uschwell im Allgemeinen zeitabhängig ist. Die Gleichung (4) nimmt jedoch an, dass die Werte über alle Lithium-Ionen-Batteriezellen 314 des Batteriemoduls 302 identisch oder zumindest nahezu gleich sind. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Batteriemanagementeinheit einen genaueren Spannungsschwellwert etwa dadurch erzeugen, indem sie die genauen Werte der einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezellen 314 berücksichtigt.
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Der Komparator 304 vergleicht anhand der Ungleichung (3) die Batteriemodulspannung Umodul und den Spannungsschwellwert Uschwell miteinander, wobei die Ungleichung (3) aufgrund des Schadensfalls erfüllt ist. Der Komparator 304 erzeugt daraufhin das Alarmsignal 308, das er der Batteriezellenüberwachungseinheit 318 und der Batteriemanagementeinheit über einen unabhängigen Alarmbus zur Verfügung stellt. Die Batteriemanagementeinheit steuert ihrerseits eine Batterietrenneinheit 410 an, die den Verbraucher 400, und dadurch den Kurzschluss 402, von der Batterie bzw. dem Batteriemodul 302 zweipolig trennt. Die Batterietrenneinheit 410 unterbricht so den Batteriestromkreis, und an der Spannungsmesseinheit 408 liegt keine hohe negative Spannung an. Die Batteriezellenüberwachungseinheit 318 kann auf diese Weise vor Schadensfällen, wie in der 4 gezeigt, geschützt werden.
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Das Alarmsignal kann auch direkt die Batterietrenneinheit 410 steuern. Durch dieses Ausführungsbeispiel wird die Sicherheitselektronik unabhängig von etwaiger Software und das Trennen der Batterie vom Verbraucher 400 erfolgt schneller.
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Ferner kann für den Vergleich in Ungleichung (3) zusätzlich ein Spannungsabstand vorgesehen sein, so dass der Komparator 304 erst dann ein Alarmsignal erzeugt, wenn der Spannungsschwellwert Uschwell deutlich, d. h. um den Spannungsabstand, unterschritten wird.
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Die Sicherheitselektronik kann zusätzlich in einem bestehenden Batteriesystem mit Begleitelektronik Anwendung finden und insbesondere die Betriebssicherheit von mit dem Batteriesystem ausgestatteten Kraftfahrzeugen erhöhen.
