DE102012211092A1 - Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit Batteriesystem - Google Patents

Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit Batteriesystem Download PDF

Info

Publication number
DE102012211092A1
DE102012211092A1 DE201210211092 DE102012211092A DE102012211092A1 DE 102012211092 A1 DE102012211092 A1 DE 102012211092A1 DE 201210211092 DE201210211092 DE 201210211092 DE 102012211092 A DE102012211092 A DE 102012211092A DE 102012211092 A1 DE102012211092 A1 DE 102012211092A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
battery module
voltage
safety
module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE201210211092
Other languages
English (en)
Inventor
Holger Fink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, Samsung SDI Co Ltd filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE201210211092 priority Critical patent/DE102012211092A1/de
Publication of DE102012211092A1 publication Critical patent/DE102012211092A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0046Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40Drive Train control parameters
    • B60L2240/54Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547Voltage
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2250/00Driver interactions
    • B60L2250/10Driver interactions by alarm
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
    • G01R19/16538Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • G01R19/16542Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies for batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00Safety devices for primary or secondary batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Es wird ein Batteriesystem (300) beschrieben, das eine Batterie umfasst. Die Batterie weist wenigstens ein Batteriemodul (302) mit mehreren Batteriezellen (304) auf. Ferner umfasst das Batteriesystem eine Batteriemanagementeinheit, die Batteriemodellparameter der Batterie ermittelt und bereitstellt, eine Batteriezellenüberwachungseinheit (308) zum Überwachen der mehreren Batteriezellen (304) und eine Sicherheitselektronik (306) für das wenigstens eine Batteriemodul (302). Die Sicherheitselektronik (306) umfasst einen ersten Komparator (312) und einen Alarmsignalausgang (310) für ein Alarmsignal (314). Der erste Komparator (312) erzeugt in Abhängigkeit eines Vergleichs einer Batteriemodulmomentanspannung des wenigstens einen Batteriemoduls (302) mit einer basierend auf den Batteriemodulparametern prognostizierten Batteriemodulspannung das Alarmsignal (314). Ferner wird Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem vorgeschlagen, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, das eine Batterie umfasst. Die Batterie weist wenigstens ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen auf. Ferner umfasst das Batteriesystem eine Batteriemanagementeinheit, die Batteriemodellparameter der Batterie ermittelt und bereitstellt, eine Batteriezellenüberwachungseinheit zum Überwachen der mehreren Batteriezellen und eine Sicherheitselektronik für das wenigstens eine Batteriemodul. Die Sicherheitselektronik umfasst einen ersten Komparator und einen Alarmsignalausgang für ein Alarmsignal. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem.
  • Stand der Technik
  • Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, z. B. bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, 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.
  • 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 Reihe und teilweise zusätzlich parallel zu einer Gruppe bzw. zu einem Batteriemodul und mehrere Batteriemodule 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 die Batteriemanagementeinheit 104, an der die Batteriezellenüberwachungseinheiten 102 angeschlossen sind. Die Batteriemanagementeinheit 104 sorgt dabei für hohe Sicherheit, Performance und Lebensdauer des Batteriesystems. Sie umfasst neben einer Batteriezustandserkennung auch Diagnose- und Sicherheits-Funktionen und Kommunikationsschnittstellen für andere Systeme, etwa ein Thermomanagement der Batterie.
  • 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 von der Batteriemanagementeinheit 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 Batteriemanagementeinheiten 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.
  • Die Funktion einer herkömmlichen Batteriezellenüberwachungseinheit 102 ist in der 2 gezeigt. Die Batteriezellenüberwachungseinheit 102 umfasst bekanntermaßen einen Analog-Digital-Wandler 200, der üblicherweise 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 Auswertelektronik 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 Batteriezellenspannung ein Alarmsignal auf einem Alarmsignalbus 210 erzeugt.
  • Die Messung der Batteriezellenspannung, einerseits durch die Batteriezellenüberwachungseinheit 102 und andererseits durch die bekannte Begleitelektronik 208, gewährleistet also heutzutage bereits eine verhältnismäßig sichere Überwachung von Batteriezellen 100.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem vorgeschlagen, das eine Batterie umfasst. Die Batterie weist wenigstens ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen auf. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Batteriesystem eine Batteriemanagementeinheit, die Batteriemodellparameter der Batterie ermittelt und bereitstellt, eine Batteriezellenüberwachungseinheit zum Überwachen der mehreren Batteriezellen und eine Sicherheitselektronik für das wenigstens eine Batteriemodul. Die Sicherheitselektronik umfasst einen ersten Komparator und einen Alarmsignalausgang für ein Alarmsignal. Der erste Komparator erzeugt das Alarmsignal in Abhängigkeit eines Vergleichs einer Batteriemodulmomentanspannung des wenigstens einen Batteriemoduls mit einer prognostizierten Batteriemodulspannung, die auf den Batteriemodulparametern basiert.
  • Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem vorgeschlagen, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • Das erfindungsgemäße Batteriesystem mit der Sicherheitselektronik ermöglicht auf vorteilhafte Weise einen sicheren Betrieb des Batteriemoduls. Die Sicherheitselektronik überwacht dabei nicht, wie etwa bekannte Begleitelektroniken, ob die Batteriemodulmomentanspannung in den Spannungsgrenzen eines Normalbetriebs liegt, sondern vergleicht insbesondere die Batteriemodulmomentanspannung mit einer erwarteten bzw. prognostizierten Batteriemodulspannung. Die Sicherheitselektronik kann so vorausschauend ein Alarmsignal erzeugen, wenn beispielsweise die Batteriemodulmomentanspannung stark von der prognostizierten Batteriemodulspannung abweicht.
  • Tritt im Batteriesystem ein Fehlerfall auf, etwa weil ein am Batteriesystem angeschlossener Verbraucher kurzgeschlossen ist oder weil 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 den Batteriezellenüberwachungseinheiten, die typischerweise mit den Batteriezellen eines Batteriemoduls verbunden sind, hohe negative Spannungen auftreten. Löst die Batteriezellensicherung einer bestimmten Batteriezelle aus, so kann an dieser Batteriezellensicherung und somit an der jeweiligen Batteriezellenüberwachungseinheit die gesamte Spannung der übrigen Batteriezellen bzw. Batteriemodule mit negativem Vorzeichen anliegen. Batteriezellenüberwachungseinheiten und Begleitelektroniken können durch hohe negative Spannungen Schaden nehmen, z. B. sich entzünden und abbrennen.
  • Durch das Auslösen einer Batteriezellensicherung verringert sich im Allgemeinen die Batteriemodulmomentanspannung am betroffenen Batteriemodul. Der erste Komparator erzeugt bevorzugt das Alarmsignal, wenn der Vergleich ergibt, dass die Batteriemodulmomentanspannung kleiner als die prognostizierte Batteriemodulspannung ist. Der Komparator detektiert so im Wesentlichen den verbraucherseitigen Kurzschluss bzw. ein Auslösen einer Batteriezellensicherung im Batteriemodul.
  • Löst beispielsweise eine Batteriezellensicherung einer Batteriezelle aus, wobei die Batteriezellenspannung eben dieser Batteriezelle und damit die Batteriemodulmomentanspannung in einem zulässigen Bereich bleibt, so erkennt die Sicherheitselektronik, dass im Wesentlichen kein kritischer Zustand vorliegt und der erste Komparator erzeugt in diesem Fall insbesondere kein Alarmsignal.
  • Zwar sind auch Batteriezellenüberwachungseinheiten bekannt, die eine Batteriezellenspannung messen und weiterverarbeiten. Die Sicherheitselektronik des erfindungsgemäßen Batteriesystems bildet jedoch insbesondere ein redundantes, unabhängiges bzw. zusätzliches Messmittel 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.
  • Wenn der erste Komparator einen Eingangswiderstand von vorzugsweise mehreren Kiloohm oder Megaohm aufweist, ist der erste Komparator insbesondere robust gegen anliegende hohe Spannungen.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass die Sicherheitselektronik einen Sicherheitsspannungseingang für einen Sicherheitsspannungswert aufweist. Die Sicherheitsspannung ist vorzugsweise ein von einem Batteriebetriebspunkt der Batterie abhängiger Sicherheitsspannungswert, d. h. ein dynamischer Sicherheitsspannungswert oder alternativ ein konstanter Wert, d. h. ein Sicherheitskonstantspannungswert. Der Sicherheitsspannungswert wird insbesondere zur Batteriemodulmomentanspannung addiert. Anschließend wird diese Summe im ersten Komparator mit der prognostizierten Batteriemomentanspannung verglichen. Die Sicherheitsspannung kann so einen Schwellwert bilden. Durch die Sicherheitsspannung kann der erste Komparator erst dann ein Alarmsignal erzeugen, wenn die Batteriezellenmomentanspannung die prognostizierte Batteriezellenspannung drastisch, d. h. um die Sicherheitsspannung, unterschreitet. Damit kann beispielsweise ein versehentliches Erzeugen eines Alarmsignals bei unkritisch kleinen Spannungsschwankungen am Batteriemodul vermieden werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können die Batteriemodellparameter Batteriezellenruhespannungen der mehreren Batteriezellen und Innenwiderstände der Batteriezellen umfassen. Außerdem kann die Batteriemanagementeinheit, die Batteriezellenüberwachungseinheit oder die Sicherheitselektronik ausgelegt sein, einen durch das Batteriemodul fließenden Batteriemodulstrom zu messen. Die Batteriemanagementeinheit, die Batteriezellenüberwachungseinheit oder die Sicherheitselektronik kann aus den Batteriezellenruhespannungen, den Innenwiderständen und dem Batteriemodulstrom die prognostizierte Batteriemodulspannung ermitteln.
  • Ferner ist es mit Vorteil versehen, wenn das Batteriesystem mit einer Batterietrenneinheit ausgestattet ist, die das Batteriesystem in Abhängigkeit des Alarmsignals von einem Verbraucher trennen kann. Der Verbraucher umfasst im Allgemeinen Elektromotoren, Pulswechselrichter, Inverter und dergleichen. Tritt im Fehlerfall beispielsweise ein Kurzschluss im Verbraucher auf, den der erste Komparator der Sicherheitselektronik erkennt, so kann das Alarmsignal die Batterietrenneinheit derart ansteuern, dass das Batteriesystem insbesondere zweipolig vom Verbraucher getrennt wird. Um dabei eine hohe Betriebs- und Ausfallsicherheit des Batteriesystems gewährleisten zu können, ist eine separate Hardwareleitung bevorzugt, die das Alarmsignal von der Sicherheitselektronik zur Batteriezellenüberwachungseinheit oder zur Batteriemanagementeinheit überträgt.
  • Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels umfasst das Batteriesystem eine Begleitelektronik, die einen zweiten Komparator zur Überwachung der Batteriemodulmomentanspannung aufweisen kann. Der zweite Komparator überwacht insbesondere die Batteriemodulmomentanspannung des Batteriemoduls im Normalbetrieb. Der Normalbetrieb ist im Wesentlichen ein Spannungsbereich für die Batteriemodulmomentanspannung, der zwischen einer Ladeschlussspannung und einer Entladeschlussspannung des Batteriemoduls liegt.
  • Bevorzugt ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle und die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Batteriesystem aus dem Stand der Technik,
  • 2 ein weiteres Batteriesystem aus dem Stand der Technik,
  • 3 ein Batteriesystem gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
  • 4 eine Sicherheitselektronik gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 3 ist ein Batteriesystem 300 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Das Batteriesystem 300 umfasst eine Batterie mit mehreren Batteriemodulen, von denen beispielhaft ein Batteriemodul 302 gezeigt ist. Das Batteriemodul 302 umfasst eine Reihenschaltung von sechs Batteriezellen 304. Es können auch drei, vier, acht oder mehr Batteriezellen 304 sowohl in einer Reihenschaltung, Parallelschaltung als auch in einer gemischten Reihen- und Parallelschaltung vorgesehen sein.
  • Die Enden der in der 3 gezeigten Batteriezellen-Reihenschaltung bilden Anschlüsse für das Batteriemodul 302. Dem Batteriemodul 302 sind eine Sicherheitselektronik 306 und eine Batteriezellenüberwachungseinheit 308 parallel geschaltet.
  • Die Batteriezellenüberwachungseinheit 308 dient bekanntermaßen beispielsweise zur Überwachung einer am Batteriemodul 302 anliegenden Batteriemodulmomentanspannung Umod(t) sowie von an den einzelnen Batteriezellen 304 anliegenden Batteriezellenspannungen Ucell,n(t).
  • Auch eine Begleitelektronik 208 kann dem Batteriemodul 302 parallel geschaltet sein, um die Batteriemodulmomentanspannung Umod(t) in einem Normalbetrieb des Batteriemoduls 302 unabhängig von der Batteriezellenüberwachungseinheit 308 zu überwachen. Der Normalbetrieb des Batteriemoduls beschreibt einen Spannungsbereich zwischen einer Batteriemodulentladeschlussspannung und einer Batteriemodulladeschlussspannung. Sind die Batteriezellen 304 Lithium-Ionen-Batteriezellen mit einer Entladeschlussspannung von etwa 2,8 Volt und einer Ladeschlussspannung von 4,2 Volt, so liegt der Normalbetrieb bei sechs Batteriezellen 304 zwischen etwa 16,8 Volt und etwa 25,2 Volt. Die Begleitelektronik 206 und die Batteriezellenüberwachungseinheit 308 weisen meist einen niedrigen Eingangswiderstand auf, um die Spannungsmessungen möglichst wenig zu verfälschen.
  • Die Sicherheitselektronik 306 umfasst einen Alarmsignalausgang 310 und einen ersten Komparator 312 der im Unterschied zur Begleitelektronik 206 und der Batteriezellenüberwachungseinheit 308 einen hohen Eingangswiderstand im Bereich von mehreren Kiloohm bis Megaohm aufweist. Der erste Komparator 310 ist dadurch robuster gegen hohe Spannungen als der zweite Komparator der Begleitelektronik 208 bzw. die Eingänge der Batteriezellenüberwachungseinheit 308. Der erste Komparator 312 vergleicht die Batteriemodulmomentanspannung Umod(t) mit einer prognostizierten Batteriemodulspannung Ûmod. Die prognostizierte Batteriemodulspannung Ûmod basiert auf Batteriemodulparametern 316, die eine Batteriemanagementeinheit von der Batterie ermittelt und der Sicherheitselektronik bereitstellt. In Abhängigkeit des Vergleichs erzeugt der erste Komparator 312 ein Alarmsignal 314, das er am Alarmsignalausgang 310 zur Verfügung stellt.
  • In der 4 ist die Sicherheitselektronik 306 aus der 3 detaillierter gezeigt. Die Sicherheitselektronik 306 umfasst neben dem ersten Komparator 312 auch Berechnungsmittel 400 und einen Batteriezellensummenruhespannungseingang 402 für eine Batteriezellensummenruhespannung 404, die zu den Batteriemodellparametern 316 zählt. Die Batteriezellensummenruhespannung 404 wird beispielsweise in der Batteriemanagementeinheit aus der Summe der im Batteriemodul 302 anliegenden Anzahl n Batteriezellenruhespannungen UOCV,n gebildet und der Sicherheitselektronik 306 bereitgestellt.
  • Außerdem erfasst die Sicherheitselektronik mittels eines Erfassungsmittels 406 den durch das Batteriemodul 302 fließenden Batteriemodulstrom 408 Imod(t) und mittels eines weiteren Erfassungsmittels 410 die am Batteriemodul 302 anliegende Batteriemodulmomentanspannung 412 Umod(t). Alternativ können der Sicherheitselektronik 306 Werte des Batteriemodulstroms 408 Imod(t) und/oder der Batteriemodulmomentanspannung 412 Umod(t) von der Batteriezellenüberwachungseinheit 308 oder der Batteriemanagementeinheit bereitgestellt werden, wobei diese Werte zu den Batteriemodellparametern 316 zählen.
  • Ferner wird der Sicherheitselektronik ein Batteriezellengesamtinnenwiderstand 414 an einem Batteriezellengesamtinnenwiderstandseingang 416 bereitgestellt, der zu den Batteriemodellparametern 316 zählt. Die Batteriemanagementeinheit oder die Batteriezellenüberwachungseinheit 308 kann den Batteriezellengesamtinnenwiderstand 414 aus im Batteriemodul 302 vorliegenden Batteriezelleninnenwiderständen Ri,n der Anzahl n Batteriezellen 302 bilden. Da die Batteriezellen 304 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung bilden, wird der Batteriezellengesamtinnenwiderstand 414 aus einer Summe der Batteriezelleninnenwiderstände gebildet.
  • Die Berechnungsmittel 400 ermitteln aus dem Batteriemodulstrom Imod(t), den Batteriezelleninnenwiderständen Ri,n und den Batteriezellenruhespannungen UOCV,n eine prognostizierte Batteriemodulspannung Ûmod auf folgende Weise.
    Figure DE102012211092A1_0002
  • Der erste Komparator 312 vergleicht die Batteriemodulmomentanspannung Umod(t) 412 und die prognostizierte Batteriemodulspannung Ûmod miteinander und erzeugt das Alarmsignal 314, wenn die Batteriemodulmomentanspannung Umod(t) 412 kleiner als die prognostizierte Batteriemodulspannung Ûmod ist. Umod(t) < Ûmod(t)
  • Zusätzlich kann die Sicherheitselektronik 306 für den Vergleich eine statische Sicherheitsspannung 418 berücksichtigen. Die statische Sicherheitsspannung 418 wird durch Berechnungsmittel 400 zur Batteriemodulmomentanspannung Umod(t) 412 addiert. Dadurch erzeugt der Komparator das Alarmsignal erst dann, wenn die Batteriemodulmomentanspannung Umod(t) 412 die prognostizierte Batteriemodulspannung Ûmod deutlich, d.h. um den Wert der statischen Sicherheitsspannung unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Batteriemanagementeinheit eine Sicherheitsspannung 420 in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Batterie, also z.B. in Abhängigkeit des Ladezustands, dynamisch erzeugen und der Sicherheitselektronik an einem Sicherheitsspannungseingang 422 für den Vergleich zur Verfügung stellen.
  • Das Batteriesystem 300 mit der Sicherheitselektronik 306 kann in einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb Anwendung finden. Die Sicherheitselektronik 306 sorgt dabei für eine sichere Erkennung ausgelöster Batteriezellensicherungen und dergleichen und erhöht dadurch die Betriebssicherheit des Batteriesystems 300 und des Kraftfahrzeugs.

Claims (10)

  1. Batteriesystem (300) mit einer Batterie umfassend wenigstens ein Batteriemodul (302) mit mehreren Batteriezellen (304); einer Batteriemanagementeinheit, die Batteriemodellparameter der Batterie ermittelt und bereitstellt; einer Batteriezellenüberwachungseinheit (308) zum Überwachen der mehreren Batteriezellen (304) und einer Sicherheitselektronik (306) für das wenigstens eine Batteriemodul (302), wobei die Sicherheitselektronik (306) einen ersten Komparator (312) und einen Alarmsignalausgang (310) für ein Alarmsignal (314) umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Komparator (312) in Abhängigkeit eines Vergleichs einer Batteriemodulmomentanspannung des wenigstens einen Batteriemoduls (320) mit einer basierend auf den Batteriemodulparametern prognostizierten Batteriemodulspannung das Alarmsignal (314) erzeugt.
  2. Batteriesystem (300) nach Anspruch 1, wobei der erste Komparator (312) das Alarmsignal (314) erzeugt, wenn der Vergleich ergibt, dass die Batteriemodulmomentanspannung kleiner als die prognostizierte Batteriemodulspannung ist.
  3. Batteriesystem (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Komparator (312) einen Eingangswiderstand von mehreren Kiloohm oder Megaohm aufweist.
  4. Batteriesystem (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sicherheitselektronik (306) einen Sicherheitsspannungseingang (422) für eine Sicherheitsspannung (420) aufweist.
  5. Batteriesystem (300) nach Anspruch 4, wobei die Sicherheitsspannung (420) von einem Betriebspunkt der Batterie abhängt.
  6. Batteriesystem (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriemodellparameter Batteriezellenruhespannungen der mehreren Batteriezellen (304) und Innenwiderstände der Batteriezellen (304) umfassen, wobei die Batteriemanagementeinheit, die Batteriezellenüberwachungseinheit (308) oder die Sicherheitselektronik (306) einen durch das Batteriemodul (302) fließenden Batteriemodulstrom misst und wobei die Batteriemanagementeinheit, die Batteriezellenüberwachungseinheit (308) oder die Sicherheitselektronik (306) aus den Batteriezellenruhespannungen, den Innenwiderständen und dem Batteriemodulstrom die prognostizierte Batteriemodulspannung ermittelt.
  7. Batteriesystem (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer separaten Hardwareleitung, die das Alarmsignal (314) von der Sicherheitselektronik (306) zur Batteriezellenüberwachungseinheit (308) oder zur Batteriemanagementeinheit überträgt.
  8. Batteriesystem (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Batterietrenneinheit, die die Batterie in Abhängigkeit des Alarmsignals (314) von einem Verbraucher trennt.
  9. Batteriesystem (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Begleitelektronik, die einen zweiten Komparator zur Überwachung der Batteriemodulmomentanspannung des Batteriemoduls (302) aufweist.
  10. Kraftfahrzeug (300) mit einem Batteriesystem (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (300) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
DE201210211092 2012-06-28 2012-06-28 Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit Batteriesystem Pending DE102012211092A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201210211092 DE102012211092A1 (de) 2012-06-28 2012-06-28 Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit Batteriesystem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201210211092 DE102012211092A1 (de) 2012-06-28 2012-06-28 Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit Batteriesystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102012211092A1 true DE102012211092A1 (de) 2014-01-02

Family

ID=49754101

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE201210211092 Pending DE102012211092A1 (de) 2012-06-28 2012-06-28 Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit Batteriesystem

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102012211092A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017153011A1 (de) * 2016-03-08 2017-09-14 Siemens Aktiengesellschaft Elektrisches energiespeichersystem
EP3246719A1 (de) * 2016-05-18 2017-11-22 NXP USA, Inc. Batterieüberwachungsvorrichtung mit batteremulator
EP2924455B1 (de) * 2014-03-24 2022-05-04 Schneider Electric Industries SAS Überwachungsvorrichtung, die mit einem Steuerungssystem der Batterieentladung ausgestattet ist, und Steuerungsverfahren der Entladung.

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2924455B1 (de) * 2014-03-24 2022-05-04 Schneider Electric Industries SAS Überwachungsvorrichtung, die mit einem Steuerungssystem der Batterieentladung ausgestattet ist, und Steuerungsverfahren der Entladung.
WO2017153011A1 (de) * 2016-03-08 2017-09-14 Siemens Aktiengesellschaft Elektrisches energiespeichersystem
EP3246719A1 (de) * 2016-05-18 2017-11-22 NXP USA, Inc. Batterieüberwachungsvorrichtung mit batteremulator
US10106049B2 (en) 2016-05-18 2018-10-23 Nxp Usa, Inc. Battery monitoring device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013106370B4 (de) Schaltungsschutz
DE102006031874B4 (de) System und Verfahren zum Detektieren von Isolationsfehlern in einem Brennstoffzellensystem
EP2617095B1 (de) Batteriesystem mit zellspannungserfassungseinheiten
DE102013218077A1 (de) Batteriezelleinrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer komplexen Impedanz einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle
EP2619844B1 (de) Batteriesystem und verfahren zur bestimmung von batteriemodulspannungen
DE102011079292A1 (de) Batteriemanagementsystem und dazugehöriges Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie, Batterie mit Batteriemanagementsystem und Kraftfahrzeug mit Batteriemanagementsystem
DE102014221272A1 (de) Überwachungseinrichtung für eine Batterie, eine Lithium-Ionen-Batterie sowie Verfahren zur Überwachung einer Batterie
DE102017214302A1 (de) Abschaltvorrichtung für ein elektrisches Versorgungsnetz
DE102013218081A1 (de) Batteriemoduleinrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer komplexen Impedanz eines in einer Batteriemoduleinrichtung angeordneten Batteriemoduls
DE102011106297A1 (de) Batterieanordnung für einen Kraftwagen
DE102014202394A1 (de) Verfahren zur Erkennung einer Änderung eines elektrischen Kontakt-Übergangswiderstandes bei einem Batteriesystem sowie zur Ausführung eines solchen Verfahrens ausgebildetes Batteriesystem
WO2013189870A1 (de) Batteriemanagementsystem mit erhöhter robustheit gegenüber negativen spannungen
EP2867969B1 (de) Batteriesystem und kraftfahrzeug mit batteriesystem
DE102009045519A1 (de) Batteriesystem und Verfahren zum Balancieren der Batteriezellen eines Batteriesystems
DE102017218734A1 (de) Hochspannungs-Betriebssystem und Verfahren zum Betreiben eines Hochspannung-Batteriesystems
DE102012211092A1 (de) Batteriesystem und Kraftfahrzeug mit Batteriesystem
EP2779354B1 (de) Elektrisch eigensicheres Batteriemodul mit umpolbarer Ausgangsspannung und Verfahren zur Überwachung eines Batteriemoduls
DE102012211086A1 (de) Sicherheitselektronik für ein Batteriemodul, Batteriezellenüberwachungseinheit, Batteriesystem und Kraftfahrzeug
DE102018221479A1 (de) Schaltungsanordnung zur Fehlererkennung in einem ungeerdeten Hochvoltsystem
DE102011079120B4 (de) Batteriemanagementsystem, Batterie, Kraftfahrzeug mit Batteriemanagementsystem sowie Verfahren zur Überwachung einer Batterie
DE102010061763A1 (de) Verfahren zum Laden einer Batterie
DE102019215790B4 (de) Steuergeräteschaltung für ein Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug und Betriebsverfahren für die Steuergeräteschaltung
DE102014204922A1 (de) System, insbesondere Batteriesystem, mit Potentialausgleichselement
WO2021185630A1 (de) Verfahren zum betreiben eines lithium-akkumulators an einem auf bleiakkumulatoren ausgelegten bordnetz in einem unterseeboot
EP2523305A1 (de) Notenergieversorgungseinrichtung und Verfahren zur Notenergieversorgung

Legal Events

Date Code Title Description
R082 Change of representative

Representative=s name: GULDE & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWALTSKANZL, DE

Representative=s name: GULDE HENGELHAUPT ZIEBIG & SCHNEIDER, DE

R012 Request for examination validly filed