DE102012211086A1 - Safety electronics unit for battery module of lithium ion battery system of e.g. electric car, has comparator producing alarm signal depending on comparison of voltage threshold value with battery module voltage lying close at module - Google Patents

Safety electronics unit for battery module of lithium ion battery system of e.g. electric car, has comparator producing alarm signal depending on comparison of voltage threshold value with battery module voltage lying close at module Download PDF

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Abstract

The electronics unit (300) has a comparator (304) and an alarm signal output (306) for an alarm signal (308). A voltage threshold value input (310) is provided for a voltage threshold value (312). The comparator produces the alarm signal depending on a comparison of the voltage threshold value with battery module voltage lying close at a battery module (302). The comparator produces the alarm signal if the comparison results that the battery module voltage is smaller than the voltage threshold value and comprises an input resistor of multiple Kilo ohms or Mega ohms. An independent claim is also included for a battery system.

Description

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.The present invention relates to a safety electronics for a battery module, a battery cell monitoring unit for monitoring a plurality of battery cells, which form the battery module, and a battery system with the safety electronics. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with the battery system.

Stand der TechnikState of the art

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.It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications, eg. B. in wind turbines, in vehicles, such. As in hybrid and electric vehicles, and in laptops and mobile phones lithium-ion battery systems will be used, are placed on the very high demands in terms of reliability, safety, performance and service life.

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.The basic functional structure of a battery system according to the prior art is in the 1 shown. In order to achieve required power and energy data with such a battery system, usually individual battery cells 100 connected in series and sometimes additionally in parallel to a battery. A group of battery cells 100 is in each case to one of several battery cell monitoring units 102 , also called Cell Supervision Circuit or CSC, connected. Another functional unit is the battery management system 104 at which the battery cell monitoring units 102 are connected. The battery management system 104 ensures high safety, performance and service life of the battery system. In addition to battery status detection, it also includes diagnostic and safety functions and communication interfaces for other systems, such as thermal management of the battery system.

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.A battery disconnect unit 106 between the battery cells 100 and Poland of the battery system is arranged, among other things, a switching on and off of the battery to or from consumers. The battery disconnecting unit 106 is from the battery management system 104 controlled and ensures the protection of the battery system against excessive currents and voltages, and provides safety features such. B. a bipolar separation of the battery cells 100 from the battery poles, such as during maintenance work on the battery system. In conventional battery management systems, standard allowances or safety clearances are usually calculated in order to avoid jeopardizing the safety of the battery system with the highest priority for reasons of providing too high a performance.

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.The function of a conventional battery cell monitoring unit 102 is in the 2 shown. The battery cell monitoring unit 102 is known to comprise an analog-to-digital converter 200 that has a filter circuit 202 with one of the battery cells 100 connected is. The analog-to-digital converter 200 digitizes a battery cell instantaneous voltage of the battery cell 100 and provides this an evaluation 204 to disposal. The evaluation electronics 204 may then be a control signal for one of the battery cell 100 Parallel connected charge state equalization circuit 206 , engl. also called cell balancing. To ensure safe operation of the battery cell 100 the same is often also an accompanying electronics 208 connected in parallel with a comparator. Since it is known that conventional lithium-ion battery cells 100 an operating voltage of typically 2.8 volts to 4.2 volts, is the accompanying electronics 208 designed so that it is an alarm signal on an alarm signal bus when the lower or upper operating voltage is exceeded or exceeded 210 generated.

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.The measurement of the battery cell voltage, on the one hand by the battery cell monitoring unit 102 and on the other hand by the accompanying electronics 208 , already ensures a relatively safe monitoring of battery cells today 100 ,

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.According to the invention, a safety electronics for a battery module is provided. The safety electronics includes a comparator and an alarm signal output for an alarm signal. The safety electronics further includes a voltage threshold input for a voltage threshold, the comparator generating the alarm signal in response to a comparison of the voltage threshold with a battery module voltage applied to the battery module.

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.In addition, a battery cell monitoring unit is provided for monitoring a plurality of battery cells. The multiple battery cells form a battery module. The battery cell monitoring unit monitors battery cell voltages of the battery cells. The safety electronics according to the invention is connected to the battery module and provides the battery cell monitoring unit with the alarm signal via an alarm signal bus.

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.Furthermore, a battery system is provided. The battery system includes a plurality of battery cells that form at least one battery module of a battery. The battery cells each have a battery cell fuse. In addition, the battery system comprises the inventive Battery cell monitoring unit for monitoring the at least one battery module of the battery and the security electronics according to the invention for the at least one battery module of the battery. Furthermore, the battery system comprises a battery disconnection unit for disconnecting the battery from a consumer, a battery management unit and an alarm signal bus, which connects the alarm signal output of the safety electronics with the battery management unit. The battery management unit controls the battery disconnection unit in response to the alarm signal.

Außerdem wird ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.In addition, a motor vehicle is provided with the battery system according to the invention, wherein the battery system is connected to a drive system of the motor vehicle.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The safety electronics according to the invention makes it possible to advantageously ensure safe operation of a battery module. In this case, the safety electronics do not monitor at the level of battery cells, as does the case with known accompanying electronics, but at the level of battery modules, which each comprise a plurality of battery cells. If a battery system which has a plurality of battery modules is equipped with the security electronics according to the invention, then fewer security electronics are required and thus equipping the battery system is inexpensive.

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.Although battery cell monitoring units are also known, which monitor a single battery cell or a plurality of battery cells, which form a battery module. However, the safety electronics according to the invention in particular form a redundant, independent or additional measuring or monitoring means to the known battery cell monitoring units, which enables a high safety rating for equipped with the safety electronics battery systems. The safety electronics can advantageously a classification of such a battery system z. B. in ASIL (Automotive Savety Integrity Level) C or D.

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.When a battery having battery cells with battery cells is shorted, for example because a consumer connected to the battery is defective or because the battery, a battery module or a battery cell itself is damaged, generally battery cell fuses will be triggered to integrate in the battery cells for safety reasons are. In this case, high negative voltages can occur at battery cell monitoring units, which are connected to the battery cells. If the battery cell fuse triggers a particular battery cell, then the entire voltage of the remaining battery cells can be present with a negative sign at this battery cell fuse and thus at a battery cell monitoring unit. The battery cell monitoring unit may be damaged by high negative voltages, eg. B. ignite and burn off.

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. Triggering a battery cell fuse immediately reduces the battery module voltage of an affected battery module. The comparator preferably generates the alarm signal when the comparison reveals that the battery module voltage is less than the voltage threshold. The comparator thus detects the consumer-side short circuit.

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.For example, if a battery cell fuse of a battery cell triggers, with the battery cell voltage of these battery cells remaining within a permissible range of typically approximately 2.8 V to approximately 4.2 V, then the safety electronics recognizes that essentially no critical condition exists and generates in this case in particular, no alarm signal.

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.According to a preferred embodiment, the comparator has an input resistance of several kilohms or megohms. Battery cell monitoring units are usually equipped with low-impedance inputs, for example in order to achieve a high accuracy of measurement for the battery cell voltages. Frequently, components with low-impedance inputs are damaged when high voltages are applied, since an almost equally high current flows. By contrast, the comparator of the safety electronics is characterized in particular by high-impedance inputs, i. H. Input resistances in the range of several kilohms or megohms, robust against applied high voltages.

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.The battery cell monitoring unit according to the invention has the advantage that it can make safety measures for the battery module by means of the alarm signal provided by the safety electronics. Preferably, the battery cell monitoring unit includes a short circuit path. The battery cell monitoring unit may short-circuit the battery module with the short-circuit path upon receipt of the alarm signal. As a result, an uncontrollably high, in particular negative, voltage can be prevented at the battery cell monitoring unit.

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.In general, a battery cell monitoring unit includes an analog-to-digital converter, a control unit, and a communication unit. The analog-to-digital converter typically has multiple inputs at which battery cell voltages are applied. To comply with the known sampling theorem, a low-pass filter is connected upstream of the analog-digital converter inputs. Around allow a largely unadulterated measuring the battery cell voltages, the analog-to-digital converter inputs are low impedance. Is in an error case, z. As in a consumer-side short circuit and a triggered battery cell fuse, a high negative voltage to the analog-to-digital converter inputs, so the analog-to-digital converter can be damaged. The safety electronics according to the invention can help prevent such damage by, for example, generating the alarm signal early on. The high-impedance inputs of the comparator can still ensure the functioning of the safety electronics even when the high voltage is already present.

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.The battery system of the present invention may also receive the alarm signal and use it, for example, to disconnect the entire battery system from a shorted consumer via the battery disconnect unit, thereby establishing a safe battery system condition. Functioning of the comparator, the alarm signal, and the control of the battery disconnect unit is essentially possible without software that may be down or malfunctioning. In particular, the battery disconnection unit still functions even if, for example, the monitoring unit has already failed or is damaged due to high voltages applied thereto. In a further embodiment, the alarm signal directly controls the battery disconnection unit, whereby a faster disconnection and a higher reliability of the battery system can be achieved.

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.The voltage threshold is preferably a predetermined value. However, the battery management unit can also determine the voltage threshold value depending on the number of battery cells of the battery module, a battery cell idle voltage, a battery cell internal resistance and a battery current. In addition, the battery system of the safety electronics according to the invention can provide the voltage threshold at the voltage threshold input.

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.If the battery cell idle voltage, the battery cell internal resistance or the battery current changes, the battery management unit can dynamically determine the voltage threshold and in turn provide it to the safety electronics at the voltage threshold input.

Es ist bevorzugt, dass der Alarmbus eine separate Hardwareleitung bildet. Dadurch kann eine Redundanz hergestellt werden, die die Betriebs- bzw. Ausfallsicherheit des Batteriesystems erhöht.It is preferred that the alarm bus forms a separate hardware line. As a result, a redundancy can be produced, which increases the operational reliability and reliability of the battery system.

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.In a further preferred refinement, the battery system comprises accompanying electronics, which has a comparator. The accompanying electronics is connected to each battery cell and checks by means of the comparator, whether a battery cell voltage of the battery cell exceeds an upper voltage limit or falls below a lower voltage limit. Depending on these tests, the monitoring electronics generates another alarm signal. The safety electronics preferably supplement the accompanying electronics and the battery cell monitoring unit in order to increase the operational safety of the battery system.

Das Batteriesystem ist bevorzugt ein Lithium-Ionen-Batteriesystem.The battery system is preferably a lithium-ion battery system.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 ein Batteriesystem aus dem Stand der Technik, 1 a battery system of the prior art,

2 eine Batteriezellenüberwachungseinheit aus dem Stand der Technik, 2 a battery cell monitoring unit of the prior art,

3 eine Sicherheitselektronik gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, und 3 a safety electronics according to an embodiment of the invention, and

4 ein Batteriemodul im Schadensfall gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. 4 a battery module in case of damage according to an embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

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.In the 3 is a safety electronics 300 for a battery module 302 shown. The safety electronics 300 includes a comparator 304 and an alarm signal output 306 for an alarm signal 308 , Furthermore, the safety electronics includes 300 a voltage threshold input 310 for a voltage threshold U threshold 312 , The comparator 304 compares the voltage threshold U threshold 312 with one on the battery module 302 applied battery module voltage U modul . Depending on the comparison, the comparator generates the alarm signal 308 ,

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) The battery module 302 in the present embodiment comprises six individual lithium-ion battery cells 314 , In other embodiments, for example, four, twelve or more lithium-ion battery cells 314 be. Every lithium-ion battery cell 314 typically provides a battery cell voltage U cell between about 2.8V and about 4.2V. The sum of these n equal to six battery cell voltages U cell forms the battery module voltage U modul of the battery module 302 , U modul (t) = n × U cell (t) where n = 6 (1)

Die Batteriemodulspannung Umodul ändert sich je nach Ladezustand und Belastung des Batteriemoduls über die Zeit.The battery module voltage U module changes depending on the state of charge and load of the battery module over time.

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.Several battery modules 302 can form a lithium-ion battery, the term battery generally relates to a secondary storage or accumulator. The battery forms together with a battery management unit, the safety electronics 300 and a battery disconnecting unit, a battery system.

Um Ladungsunterschiede zwischen den einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezellen 314 auszugleichen, ist jede Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Ladungszustandsausgleichschaltung 316 verbunden.To charge differences between the individual lithium-ion battery cells 314 is any lithium ion battery cell with a charge state equalization circuit 316 connected.

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.Per battery module 302 is a battery cell monitoring unit 318 provided with each lithium-ion battery cell 314 connected to monitor them. The battery cell monitoring unit 318 includes an analog-to-digital converter and an electronic evaluation system. The analog-to-digital converter has multiple inputs connected to the lithium-ion battery cells 314 are connected and tap there each a battery cell voltage U cell . To comply with the Nyquist sampling theorem, each of the analog-to-digital converter inputs is a low-pass filter 320 upstream. In order not to degrade the measurement accuracy of the A / D converter by any voltage drop or the like, input resistances of the A / D converter and resistances in the low-pass filters are 320 chosen low impedance.

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.In the 4 is the battery module 302 shown in a claim. The battery module 302 is with a consumer 400 connected, for example, due to a defect in the 4 schematically drawn short circuit 402 having. The consumer generally designates an inverter, a pulse inverter, a generator and / or an electric motor.

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.The lithium-ion battery cells 302 include battery cell fuses in case of damage 404 , One of the battery cell fuses 404 dissolves in the place 406 ie it disconnects the battery circuit at this point 406 ,

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 )The battery cell monitoring unit 318 Also monitors during this event of damage the battery cell voltages U cell , indicated by arrows 407 in the 4 are shown. The analog-to-digital converter inputs and low-pass filters together form voltage measuring units, of which in the 4 an example of a voltage measuring unit 408 is shown. The circuit of the battery comprises a series connection of a number of n lithium-ion battery cells 314 , so in the case of damage shown, for example, a damage voltage of U damage to the voltage measuring unit 408 at. U harm = - (n - 1) · U cell (2 )

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) By the short circuit 402 creates a high negative damage voltage at the voltage measuring unit 408 that would lead to their damage. The one with the battery module 302 Connected safety electronics 300 However, the battery module voltage U modul (t) continuously compares with the voltage threshold U threshold (t). U mod (t) <U threshold (t) (3)

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) The battery management unit of the battery system continuously determines the voltage threshold as a function of the number n of lithium-ion battery cells 314 of the battery module 302 , a battery cell idling voltage U OCV , a battery cell internal resistance R i and a battery current I batt in the following manner: U threshold (t) = n · (U OCV - R i · I batt ) (4)

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.Both the open circuit voltage U OCV and the internal resistance and in particular the battery current change with time, so that the voltage threshold U threshold is generally time-dependent. However, equation (4) assumes that the values across all lithium-ion battery cells 314 of the battery module 302 identical or at least nearly equal. In another embodiment, the battery management unit may generate a more accurate voltage threshold, such as by providing accurate values of the individual lithium-ion battery cells 314 considered.

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.The comparator 304 on the basis of the inequality (3) compares the battery module voltage U modul and the voltage threshold value U threshold with one another, whereby the inequality (3) is satisfied due to the damage case. The comparator 304 then generates the alarm signal 308 He is the battery cell monitoring unit 318 and the battery management unit via an independent alarm bus provides. The battery management unit in turn controls a battery disconnection unit 410 to the consumer 400 , and thereby the short circuit 402 , from the battery or the battery module 302 bipolar separates. The battery disconnecting unit 410 thus interrupts the battery circuit, and at the voltage measuring unit 408 There is no high negative voltage. The battery cell monitoring unit 318 This way, before damage, as in the 4 shown to be protected.

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.The alarm signal can also directly the battery disconnection unit 410 Taxes. By this embodiment, the security electronics is independent of any software and disconnecting the battery from the consumer 400 happens faster.

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.Furthermore, a voltage difference can additionally be provided for the comparison in inequality (3), so that the comparator 304 only then generates an alarm signal when the voltage threshold U threshold significantly, ie by the voltage gap, falls below.

Die Sicherheitselektronik kann zusätzlich in einem bestehenden Batteriesystem mit Begleitelektronik Anwendung finden und insbesondere die Betriebssicherheit von mit dem Batteriesystem ausgestatteten Kraftfahrzeugen erhöhen.The safety electronics can additionally be used in an existing battery system with accompanying electronics and, in particular, increase the operational reliability of motor vehicles equipped with the battery system.

Claims (10)

Sicherheitselektronik (300) für ein Batteriemodul (302), mit: einem Komparator (304) und einem Alarmsignalausgang (306) für ein Alarmsignal (308), dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitselektronik (300) einen Spannungsschwellwerteingang (310) für einen Spannungsschwellwert (312) aufweist, wobei der Komparator (304) in Abhängigkeit eines Vergleichs des Spannungsschwellwerts (312) mit einer am Batteriemodul (302) anliegenden Batteriemodulspannung das Alarmsignal (308) erzeugt.Safety electronics ( 300 ) for a battery module ( 302 ), with: a comparator ( 304 ) and an alarm signal output ( 306 ) for an alarm signal ( 308 ), characterized in that the safety electronics ( 300 ) a voltage threshold input ( 310 ) for a voltage threshold ( 312 ), wherein the comparator ( 304 ) as a function of a comparison of the voltage threshold ( 312 ) with one on the battery module ( 302 ) battery module voltage the alarm signal ( 308 ) generated. Sicherheitselektronik (300) nach Anspruch 1, wobei der Komparator (304) das Alarmsignal (308) erzeugt, wenn der Vergleich ergibt, dass die Batteriemodulspannung kleiner als der Spannungsschwellwert (312) ist.Safety electronics ( 300 ) according to claim 1, wherein the comparator ( 304 ) the alarm signal ( 308 ), if the comparison reveals that the battery module voltage is less than the voltage threshold ( 312 ). Sicherheitselektronik (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Komparator (304) einen Eingangswiderstand von mehreren Kiloohm oder Megaohm aufweist.Safety electronics ( 300 ) according to claim 1 or 2, wherein the comparator ( 304 ) has an input resistance of several kilo ohms or megohms. Batteriezellenüberwachungseinheit (318) zur Überwachung mehrerer Batteriezellen (314), die ein Batteriemodul (302) bilden, wobei die Batteriezellenüberwachungseinheit (318) Batteriezellenspannungen der Batteriezellen (314) überwacht und wobei eine Sicherheitselektronik (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Batteriemodul (302) verbunden ist und der Batteriezellenüberwachungseinheit (318) das Alarmsignal (308) über einen Alarmsignalbus bereitstellt.Battery cell monitoring unit ( 318 ) for monitoring several battery cells ( 314 ), which is a battery module ( 302 ), wherein the battery cell monitoring unit ( 318 ) Battery cell voltages of the battery cells ( 314 ) and wherein a safety electronics ( 300 ) according to one of the preceding claims with the battery module ( 302 ) and the battery cell monitoring unit ( 318 ) the alarm signal ( 308 ) via an alarm signal bus. Batteriezellenüberwachungseinheit (318) nach Anspruch 4, mit einem Kurzschlusspfad, wobei die Batteriezellenüberwachungseinheit (318) bei Empfang des Alarmsignals (308) das Batteriemodul (302) mit dem Kurzschlusspfad kurzschließt.Battery cell monitoring unit ( 318 ) according to claim 4, with a short circuit path, wherein the battery cell monitoring unit ( 318 ) upon receipt of the alarm signal ( 308 ) the battery module ( 302 ) short circuits to the short circuit path. Batteriesystem mit: mehreren Batteriezellen (314), die wenigstens ein Batteriemodul (302) einer Batterie bilden und die jeweils eine Batteriezellensicherung (404) aufweisen; einer Batteriezellenüberwachungseinheit (318) nach Anspruch 4 oder 5 zur Überwachung des wenigstens einen Batteriemoduls (302) der Batterie; einer Sicherheitselektronik (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für das wenigstens eine Batteriemodul (302) der Batterie, einer Batterietrenneinheit (410) zum Trennen der Batterie von einem Verbraucher (400); einer Batteriemanagementeinheit und einem Alarmsignalbus, der den Alarmsignalausgang (306) der Sicherheitselektronik (300) mit der Batteriemanagementeinheit verbindet, wobei die Batteriemanagementeinheit die Batterietrenneinheit (410) in Abhängigkeit des Alarmsignals (308) steuert.Battery system with: several battery cells ( 314 ), the at least one battery module ( 302 ) form a battery and each a battery cell fuse ( 404 ) exhibit; a battery cell monitoring unit ( 318 ) according to claim 4 or 5 for monitoring the at least one battery module ( 302 ) of the battery; a safety electronics ( 300 ) according to one of claims 1 to 3 for the at least one battery module ( 302 ) of the battery, a battery disconnecting unit ( 410 ) for disconnecting the battery from a consumer ( 400 ); a battery management unit and an alarm signal bus which receives the alarm signal output ( 306 ) of the safety electronics ( 300 ) connects to the battery management unit, wherein the battery management unit the battery disconnection unit ( 410 ) depending on the alarm signal ( 308 ) controls. Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei die Batteriemanagementeinheit den Spannungsschwellwert (312) in Abhängigkeit der Anzahl der Batteriezellen (314) des Batteriemoduls (302), einer Batteriezellenleerlaufspannung, eines Batteriezelleninnenwiderstands und eines Batteriestroms ermittelt und der Sicherheitselektronik (300) den Spannungsschwellwert am Spannungsschwellwerteingang (310) zur Verfügung stellt.Battery system according to claim 6, wherein the battery management unit the voltage threshold ( 312 ) depending on the number of battery cells ( 314 ) of the battery module ( 302 ), a battery cell idle voltage, a battery cell internal resistance and a battery current and the safety electronics ( 300 ) the voltage threshold at the voltage threshold input ( 310 ). Batteriesystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Alarmbus eine separate Hardwareleitung bildet.A battery system according to claim 6 or 7, wherein the alarm bus forms a separate hardware line. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit einer Begleitelektronik, die einen Komparator aufweist, wobei die Begleitelektronik an jede Batteriezelle (314) angeschlossen ist und mittels des Komparators prüft, ob eine Batteriezellenspannung der Batteriezelle (314) einen oberen Spannungsgrenzwert überschreitet oder einen unteren Spannungsgrenzwert unterschreitet und in Abhängigkeit davon ein weiteres Alarmsignal erzeugt.Battery system according to one of claims 6 to 8, with an accompanying electronics having a comparator, wherein the accompanying electronics to each battery cell ( 314 ) is connected and by means of the comparator checks whether a battery cell voltage of the battery cell ( 314 ) exceeds an upper voltage limit or falls below a lower voltage limit and generates a further alarm signal in response thereto. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.Motor vehicle with a battery system according to one of claims 6 to 9, wherein the battery system is connected to a drive system of the motor vehicle.
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CN107576921A (en) * 2017-08-09 2018-01-12 成都路行通信息技术有限公司 A kind of method and system of vehicle intelligent terminal power supply monitoring
EP3550696A1 (en) * 2018-04-03 2019-10-09 Volkswagen Aktiengesellschaft Motor vehicle and battery system for a motor vehicle

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