DE102012222720A1

DE102012222720A1 - Batteriemanagementsystem und Batteriesystem

Info

Publication number: DE102012222720A1
Application number: DE102012222720.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-12
Also published as: US20150333541A1; WO2014090529A1; US9728993B2; CN104838522B; CN104838522A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen (1), welche durch wenigstens ein Schaltelement (2) elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss (3) der Batterie verbunden sind, wobei die Regelschaltung wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) und wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) aufweist, die jeweils ausgebildet ist, Betriebsparameter wenigstens einer Batteriezelle (1) zu erfassen und an eine Steuereinrichtung weiterzuleiten, und wobei die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) über eine erste Schnittstelle (7) mit einer ersten Steuereinrichtung (12) verbunden ist und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) über eine zweite Schnittstelle (8) mit einer zweiten Steuereinrichtung (13) verbunden ist, wobei die erste Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter Batterieeigenschaften zu bestimmen, und wobei die zweite Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, das wenigstens eine Schaltelement (2) anzusteuern. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer erfindungsgemäßen Regelschaltung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung, insbesondere ein Batteriemanagementsystem, zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, welche durch wenigstens ein Schaltelement elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, wobei die Regelschaltung wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung und wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung aufweist, die jeweils ausgebildet ist, Betriebsparameter wenigstens einer Batteriezelle zu erfassen und an eine Steuereinrichtung weiterzuleiten.
Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem umfassend eine nachladbare Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, welche durch wenigstens ein Schaltelement elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, und eine Regelschaltung, insbesondere eine Batteriemanagementsystem, zum Überwachen und Regeln des Betriebs der Batterie.
Stand der Technik
Regelschaltungen zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie sind im Stand der Technik insbesondere unter der Bezeichnung Batteriemanagementsystem bekannt. Als Betrieb einer Batterie wird dabei einerseits ein Entladevorgang einer Batterie, d.h. insbesondere die Nutzung einer solchen Batterie mit einem entsprechenden elektrischen Verbraucher, und andererseits ein Ladevorgang einer Batterie angesehen. Bei bekannten Regelschaltungen werden hierbei die Zellspannungen der Batteriezellen von mehreren sogenannten Cell Supervision Circuits (CSCs) als Messwerte erfasst und über einen Kommunikations-Bus an eine zentrale Steuereinrichtung, die sogenannte Battery Control Unit (BCU), übertragen. Des Weiteren können von einem Stromsensor gemessene Ströme als weitere Messwerte an die Battery Control Unit übertragen werden. Durch Auswerten der Messwerte bestimmt die Battery Control Unit Batterieeigenschaften, wie unter anderem den Ladezustand einzelner Batteriezellen, welcher auch als State of Charge (SOC) bezeichnet wird, sowie die Alterung einzelner Batteriezellen, die auch als State of Health (SOH) bezeichnet wird.
Darüber hinaus ist bei derartigen Regelschaltungen der Battery Control Unit die Aufgabe zugewiesen, über die Ansteuerung von Schaltschützen einzelne Batteriezellen oder eine Gruppe von Batteriezellen von den Polanschlüssen der Batterie elektrisch zu trennen, wenn erfasste Messwerte auf einen kritischen Zellzustand dieser Batteriezellen hinweisen. Ein solches Abtrennen von Batteriezellen ist von großer Bedeutung, um größere Schäden sowohl von der Batterie als auch von einem von der Batterie gespeisten elektrischen Verbraucher beziehungsweise einer Ladeeinrichtung der Batterie fernzuhalten. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da von beschädigten Batterien, wie Lithium-Ionen-Batterien, auch Gefahren für den Nutzer solcher Batterien ausgehen können, wie beispielsweise Brand- und Explosionsgefahr.
Aufgrund der Sicherheitsrelevanz wird daher durch Diagnosen versucht zu erreichen, dass für den Sicherheitszustand einer Batteriezelle relevante Betriebsparameter, wie insbesondere die Zellspannungen, zuverlässig erfasst und zuverlässig über den Kommunikations-Bus an die Battery Control Unit übertragen werden. Es besteht dabei ein fortwährender Bedarf, insbesondere die Übertragungssicherheit der Betriebsparameter weiter zu verbessern, um eine zuverlässige Erkennung von sicherheitskritischen Zuständen von Batteriezellen zu ermöglichen.
Der Einsatz weiterer Diagnosesysteme beziehungsweise weiterer Diagnoseroutinen führt dabei zu dem Nachteil, dass die Komplexität solcher Regelschaltungen insbesondere zu Lasten der Performance solcher Regelschaltungen gesteigert wird. Die wegen der Sicherheitsrelevanz notwendige Redundanz bei der Übertragung sämtlicher von den Cell Supervision Circuits erfassten Betriebsparameter über den Kommunikations-Bus an die Battery Control Unit führt zu dem weiteren Nachteil, dass der Kommunikations-Bus stark ausgelastet ist. Zudem weisen derartige Regelschaltungen als weiteren Nachteil eine geringe Skalierbarkeit auf.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, zu verbessern, insbesondere hinsichtlich einer verbesserten Performance einer solchen Regelschaltung sowie hinsichtlich einer verbesserten Erkennung von sicherheitskritischen Zuständen der Batteriezellen und einem zuverlässigeren elektrischen Trennen der Batteriezellen von den Polanschlüssen der Batterie bei Vorliegen eines kritischen Zellzustandes.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, welche durch wenigstens ein Schaltelement elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, vorgeschlagen, wobei die Regelschaltung wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung und wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung aufweist, die jeweils ausgebildet ist, Betriebsparameter wenigstens einer Batteriezelle zu erfassen und an eine Steuereinrichtung weiterzuleiten, und wobei die wenigstens eine Zellüberwachungseinrichtung über eine erste Schnittstelle mit einer ersten Steuereinrichtung verbunden ist und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung über eine zweite Schnittstelle mit einer zweiten Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die erste Steuereinrichtung ausgebildet ist, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter Batterieeigenschaften zu bestimmen, und wobei die zweite Steuereinrichtung ausgebildet ist, dass wenigstens eine Schaltelement anzusteuern. Die Batteriezellen können dabei vorteilhafterweise jeweils einzeln oder als Gruppierung von Batteriezellen durch das wenigstens eine Schaltelement elektrisch entkoppelbar sein, wobei eine Gruppierung von Batteriezellen insbesondere auch sämtliche Batteriezellen umfassen kann. Das wenigstens eine Schaltelement, über das die Batteriezellen jeweils einzeln oder in Gruppen, beispielsweise in Gruppen von zwölf Batteriezellen, mit dem wenigstens einen Polanschluss der Batterie verbunden sind, ist vorzugsweise ein Schaltschütz, besonders bevorzugt ein elektrisch ansteuerbarer Schaltschütz. Das wenigstens eine Schaltelement öffnet beziehungsweise schließt den elektrischen Kontakt zwischen den Batteriezellen und dem wenigstens einen Polanschluss der Batterie in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch die zweite Steuereinrichtung. Vorteilhafterweise ist die Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie ein Batteriemanagementsystem. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung jeweils derart eingerichtet sind, dass diese Zellüberwachungseinrichtungen jeweils die Betriebsparameter derselben wenigstens einen Batteriezelle erfassen. Hierdurch wird bei der Erfassung der Betriebsparameter vorteilhafterweise eine Redundanz erzeugt, wodurch die Zuverlässigkeit bei der Bestimmung kritischer Zellzustände vorteilhafterweise erhöht wird.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Primärfunktion der ersten Steuereinrichtung darin besteht, Batterieeigenschaften zu bestimmen, und diese Batterieeigenschaften weiteren Einrichtungen, insbesondere auch einer übergeordneten weiteren Steuereinrichtung, als Information weiterzuleiten. Bei Nutzung einer erfindungsgemäßen Regelschaltung im Zusammenhang mit einer in einem Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeug eingesetzten Fahrzeugbatterie, kann eine solche übergeordnete Steuereinrichtung beispielsweise ein übergeordnetes Fahrzeug-Steuergerät sein, welches beispielsweise bei der Steuerung der Antriebskomponenten beteiligt ist. Von der ersten Steuereinrichtung durch Auswertung von empfangenen Betriebsparametern bestimmte Batterieeigenschaften sind erfindungsgemäß insbesondere der Ladezustand der Batterie (SOC), der Alterungszustand der Batterie (SOH) und/oder der Funktionszustand der Batterie (SOF, SOF: State of Function). Zudem ist die erste Steuereinrichtung ausgebildet, einen Zellzustand, insbesondere einen kritischen Zellzustand, als Batterieeigenschaft zu bestimmen. Die zweite Steuereinrichtung weist dagegen als Primärfunktion das Ansteuern des wenigstens einen Schaltelementes auf. Vorteilhafterweise ist hierdurch eine Trennung von der Bestimmung von allgemeinen Batterieeigenschaften und dem sicherheitsrelevanten Ansteuern des wenigstens einen Schaltelementes, also dem Öffnen und Schließen des elektrischen Kontaktes zwischen Batteriezelle und Polanschluss, vollzogen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Steuereinrichtung ausgebildet, einen Zellzustand als Batterieeigenschaft zu bestimmen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Zellzustand ein Schaltelementansteuerungssignal an die zweite Steuereinrichtung zu übertragen. Insbesondere ist die erste Steuereinrichtung dabei ausgebildet, einen kritischen Zellzustand als Batterieeigenschaft zu bestimmen. Ein kritischer Zellzustand liegt dabei insbesondere dann vor, wenn eine ungewöhnlich hohe oder ungewöhnlich niedrige Zellspannung an einer Batteriezelle als Betriebsparameter erfasst wird. Weitere Betriebsparameter, anhand derer die erste Steuereinrichtung einen kritischen Zellzustand bestimmt, sind insbesondere Messwerte, die vorgegebene maximale Grenzwerte überschreiten oder minimale Grenzwerte unterschreiten. Die Betriebsparameter können dabei neben Zellspannungen beispielsweise auch die Zelltemperatur oder Zellströme betreffen. Hat die erste Steuereinrichtung einen kritischen Zellzustand bestimmt, ist die erste Steuereinrichtung vorteilhafterweise ausgebildet, der zweiten Steuereinrichtung durch Senden eines Schaltelementansteuerungssignals diesen kritischen Zellzustand zu signalisieren. Hierzu ist die erste Steuereinrichtung vorteilhafterweise über eine Signalleitung mit der zweiten Steuereinrichtung verbunden. Vorteilhafterweise veranlasst das gesendete Schaltelementansteuerungssignal die zweite Steuereinrichtung bei Empfang des Schaltelementansteuerungssignals das wenigstens eine Schaltelement in Abhängigkeit von dem Schaltelementansteuerungssignal anzusteuern. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Schaltelementansteuerungssignal entweder die zweite Steuereinrichtung dazu veranlasst, dass wenigsten eine Schaltelement derart anzusteuern, dass sich das wenigstens eine Schaltelement, vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Schaltelementansteuerungssignal, öffnet oder schließt. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die erste Steuereinrichtung hierzu ausgebildet ist, zwei unterschiedliche Schaltelementansteuerungssignale zu generieren, nämlich ein Öffnungssignal und ein Schließsignal. D.h. die erste Steuereinrichtung generiert zwar ein Ansteuerungssignal zur Ansteuerung des wenigstens einen Schaltelementes, die erste Steuereinrichtung steuert das wenigstens eine Schaltelement dabei aber nicht unmittelbar an, sondern überträgt das Schaltelementansteuerungssignal an die zweite Steuereinrichtung. Die zweite Steuereinrichtung ist dabei ausgebildet, bei Empfang eines Schaltelementansteuerungssignals, das wenigstens eine Schaltelement in Abhängigkeit von dem empfangenen Schaltelementansteuerungssignal anzusteuern und hierdurch den elektrischen Kontakt zwischen den Batteriezellen und dem wenigstens einen Polanschluss der Batterie zu öffnen bzw. zu schließen.
Gemäß einer ebenfalls besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, ist die zweite Steuereinrichtung zudem ausgebildet, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter einen Zellzustand, insbesondere einen kritischen Zellzustand, zu bestimmen. Durch die Bestimmung des kritischen Zellzustandes wird dabei erfindungsgemäß ein von der ersten Steuereinrichtung an die zweite Steuereinrichtung gesendetes Schaltelementansteuerungssignal auf Plausibilität überprüft. Die Entscheidung, ob das wenigstens eine Schaltelement tatsächlich auf Anforderung der ersten Steuereinrichtung, also aufgrund des Sendens eines Schaltelementansteuerungssignals, betätigt wird, trifft die zweite Steuereinrichtung. Diese Entscheidung basiert dabei erfindungsgemäß auf der Auswertung empfangener Betriebsparameter durch die zweite Steuereinrichtung. Diese Entscheidung, ob bei Empfang eines Schaltelementansteuerungssignals das wenigstens eine Schaltelement angesteuert wird, erfolgt insofern unabhängig von einem Auswerteergebnis der ersten Steuereinrichtung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Komparatoreinheit über eine dritte Schnittstelle mit der zweiten Steuereinrichtung verbunden, wobei die wenigstens eine Komparatoreinheit ausgebildet ist, durch Vergleich von erfassten Betriebsparametern einer Batteriezelle mit wenigstens einem Grenzwert eine kritische Grenzwertabweichung zu bestimmen, und diese Grenzwertabweichung der zweiten Steuereinrichtung durch Senden eines Alarmsignals zu signalisieren. Die wenigstens eine Komparatoreinheit ist dabei vorteilhafterweise ausgebildet, ein Überschreiten eines maximalen Zellspannungsgrenzwertes und/oder ein Unterschreiten eines minimalen Zellspannungsgrenzwert zu erfassen. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Komparatoreinheit allgemein ausgebildet, einen von einem Erwartungswert abweichenden Zellspannungswert zu erfassen und in Abhängigkeit von der Abweichungsdifferenz kritische von unkritischen Zellspannungen zu separieren. Der jeweilige Komparator gleicht dazu vorteilhafterweise erfasste Zellspannungsmesswerte mit vorgegebenen Zellspannungswerten, insbesondere mit vorgegebenen maximalen und minimalen Zellspannungswerten, ab. Stellt der Komparator ein Abweichen von einem erwarteten Zellspannungswert, insbesondere ein Überschreiten eines maximalen Zellspannungswertes oder ein Unterschreiten eines minimalen Zellspannungsmesswertes, fest, so sendet der Komparator ein Alarmsignal als Betriebsparameter an die zweite Steuereinrichtung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Steuereinrichtung ausgebildet ist, dass wenigstens eine Schaltelement dann anzusteuern, wenn diese zweite Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung empfängt und diese zweite Steuereinrichtung zudem einen kritischen Zellzustand bestimmt hat und/oder ein Alarmsignal von der wenigstens einen Komparatoreinheit empfangen hat. Durch das von der wenigstens einen Komparatoreinheit gesendete Alarmsignal wird dabei vorteilhafterweise eine Redundanz zu dem von der zweiten Steuereinrichtung bestimmten Zellzustand erzeugt. Gemäß diesem vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind insbesondere folgende Ausgestaltungen vorgesehen: Die zweite Steuereinrichtung steuert das wenigstens eine Schaltelement an, wenn die zweite Steuereinrichtung von der ersten Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal empfangen hat und wenn die zweite Steuereinrichtung basierend auf einer Auswertung von von der wenigstens einen zweiten Zellüberwachungseinrichtung erfassten Betriebsparametern einen kritischen Zellzustand ermittelt hat. Oder: Die zweite Steuereinrichtung steuert das wenigstens eine Schaltelement dann an, wenn die zweite Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung empfangen hat und wenn die zweite Steuereinrichtung ein von der wenigstens einen Komparatoreinheit bereitgestelltes Alarmsignal empfangen hat. Oder: Die zweite Steuereinrichtung steuert das wenigstens eine Schaltelement dann an, wenn die zweite Steuereinrichtung von der ersten Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal empfangen hat und wenn die zweite Steuereinrichtung basierend auf einer Auswertung von von der wenigstens einen zweiten Zellüberwachungseinrichtung erfassten Betriebsparametern einen kritischen Zellzustand ermittelt hat und wenn die zweite Steuereinrichtung ein Alarmsignal von der wenigstens einen Komparatoreinheit empfangen hat. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Steuereinrichtung zudem ausgebildet, ein Schaltelementansteuerungssignal zu erzeugen, wenn die zweite Steuereinrichtung ein Alarmsignal von wenigstens einer Komparatoreinheit empfangen hat und basierend auf einer Auswertung von von der wenigstens einen zweiten Zellüberwachungseinrichtung erfassten Betriebsparametern einen kritischen Zellzustand ermittelt hat.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung jeweils ausgebildet, Zellspannungen als Betriebsparameter der wenigstens einen Batteriezelle zu erfassen. Die Zellüberwachungseinrichtungen sind vorteilhafterweise sogenannte Cell Supervision Circuits. Diese Cell Supervision Circuits weisen vorzugsweise jeweils eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, ASIC: application-specific integrated circuit) auf, welche ausgebildet ist, Zellspannungen als Zellspannungsmesswerte zu erfassen. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung weist die Zellüberwachungseinrichtung bzw. der Cell Supervision Circuit ferner einen Mikrocontroller auf, welcher erfasste Betriebsparameter unter Nutzung der ersten bzw. der zweiten Schnittstelle an die jeweilige Steuereinrichtung übertragen kann. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung ausgebildet, minimale Zellspannungen und/oder maximale Zellspannungen als Betriebsparameter der wenigstens einen Batteriezelle zu erfassen. Durch diese erfindungsgemäße Erfassung von nur minimalen und maximalen Zellspannungen ist vorteilhafterweise die über die zweite Schnittstelle zu übertragene Datenmenge reduziert. Da ein kritischer Zellzustand sich üblicherweise durch ungewöhnliche Zellspannungen auszeichnet, lässt sich mittels minimaler und maximaler Zellspannungsmesswerte ein kritischer Zellzustand bestimmen. Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausgestaltungsvariante die Datenmenge, die von der zweiten Steuereinrichtung auszuwerten ist, reduziert.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen und eine Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen vorgesehen, wobei die Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen in einer Daisy-Chain-Topologie mit der ersten Steuereinrichtung über die erste Schnittstelle verbunden ist, und wobei die Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen in einer Daisy-Chain-Topologie mit der zweiten Steuereinrichtung über die zweite Schnittstelle verbunden ist. Vorteilhafterweise sind die ersten und die zweiten Zellüberwachungseinrichtungen dabei jeweils in einer Kette angeordnet, wobei die jeweils am Anfang der Kette befindliche Zellüberwachungseinrichtung auf einem elektrischen Potential liegt und die jeweils in der Kette nachfolgenden Zellüberwachungseinrichtungen hin zu der ersten Steuereinrichtung beziehungsweise hin zu der zweiten Steuereinrichtung kaskadenartig jeweils auf einem niedrigeren elektrischen Potential liegen. Dabei erfolgt eine Übertragung der als Betriebsparameter erfassten Zellspannungen derart, dass die von einer Zellüberwachungseinrichtung erfasste Zellspannung jeweils an die potentialmäßig niedriger liegende Zellüberwachungseinrichtung übertragen wird, und die jeweilige auf dem niedrigsten Potential liegende Zellüberwachungseinrichtung sämtliche von den Zellüberwachungseinrichtungen erfassten Zellspannungen an die jeweilige Steuereinrichtung überträgt (Daisy-Chain-Übertragung). Vorteilhafterweise ist es bei einer derartigen Übertragung entbehrlich, dass die von einer Zellüberwachungseinrichtung erfassten Zellspannungen jeweils über einen Mikrocontroller und einen isolierten Kommunikationsbus an die jeweilige Steuereinrichtung übertragen werden. Hierdurch ist der Hardware-Aufwand vorteilhafterweise reduzierbar. Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Regelschaltung ferner eine Mehrzahl von Komparatoreinheiten auf, wobei die Mehrzahl von Komparatoreinheiten in einer Daisy-Chain-Topologie mit der zweiten Steuereinrichtung über die dritte Schnittstelle verbunden ist. Die Signalübertragung erfolgt dabei wie im Zusammenhang mit den Zellüberwachungseinrichtungen beschrieben.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird ein Batteriesystem vorgeschlagen, welches eine nachladbare Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, welche durch wenigstens ein Schaltelement elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, und eine erfindungsgemäße Regelschaltung aufweist.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Ansteuerung von wenigstens einem Schaltelement, über welches Batteriezellen einer Batterie mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass Betriebsparameter der Batteriezellen durch eine Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen erfasst und an eine erste Steuereinrichtung übertragen werden und Betriebsparameter derselben Batteriezellen durch eine Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen erfasst und an eine zweite Steuereinrichtung übertragen werden, wobei die erste Steuereinrichtung die erfassten Betriebsparameter auswertet und bei Ermittlung eines kritischen Zellzustandes ein Schaltelementansteuerungssignal an eine zweite Steuereinrichtung sendet, und wobei die zweite Steuereinrichtung die erfassten Betriebsparameter auswertet und die zweite Steuereinrichtung bei Empfang eines Schaltelementansteuerungssignals von der ersten Steuereinrichtung und Ermittlung eines kritischen Zellzustandes durch Auswerten erfasster Betriebsparameter das wenigstens eine Schaltelement entsprechend dem Schaltelementansteuerungssignal ansteuert. Das Ansteuern des wenigstens einen Schaltelementes bewirkt dabei ein Öffnen oder ein Schließen des wenigstens einen Schaltelementes. Ein kritischer Zellzustand ist insbesondere ein solcher Zustand der Zelle bei dem Betriebsparameter, wie beispielsweise die Zellspannung oder die Zelltemperatur oder Zellströme einer Batteriezelle, Werte annehmen, die um einen vordefinierten Betrag von einem Erwartungswert bezüglich des entsprechenden Betriebsparameters abweichen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Ausführung des Verfahrens eine erfindungsgemäße Regelschaltung genutzt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist ferner vorgesehen, dass Zellspannungen als Betriebsparameter von den Zellüberwachungseinrichtungen erfasst und durch die Steuereinrichtungen ausgewertet werden. Vorteilhafterweise sind die ersten Zellüberwachungseinrichtungen und die zweiten Zellüberwachungseinrichtungen jeweils in einer Daisy-Chain-Topologie mit der ersten beziehungsweise der zweiten Steuereinrichtung verbunden.
Für eine Ansteuerung des wenigstens einen Schaltelementes durch die zweite Steuereinrichtung ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die zweite Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung empfangen haben muss und zusätzlich eine von der zweiten Steuereinrichtung durchgeführte Auswertung von von den zweiten Zellüberwachungseinrichtungen erfassten Betriebsparametern einen Zellzustand als kritischen bewertet hat. Dabei ist vorgesehen, dass diese beiden Bedingungen für die Ansteuerung des wenigstens einen Schaltelementes vorteilhafterweise in demselben Arbeitstakt der zweiten Steuereinrichtung erfüllt sind, also im Wesentlichen zeitgleich. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist darüber hinaus vorgesehen, dass ein empfangenes Schaltelementansteuerungssignal und/oder ein ermittelter kritischer Zellzustand als Wert über mehrere Arbeitstakte gehalten beziehungsweise gespeichert wird, sodass das wenigstens eine Schaltelemente auch dann angesteuert wird, wenn die beiden Bedingungen mit einem geringen zeitlichen Versatz eintreten, also zwischen Empfang des Schaltelementansteuerungssignals und Ermittlung eines kritischen Zellzustandes wenige Arbeitstakte, beispielsweise sechs Arbeitstakte, liegen.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem; und
2 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem.
Bei dem in 1 dargestellten Batteriesystem sind mehrere Batteriezellen 1 zu einer nachladbaren Batterie zusammengeschaltet. Die Batteriezellen 1 sind dabei über das als Schaltschütz ausgebildete Schaltelement 2 von dem Polanschluss 3 der Batterie und somit von einem elektrischen Verbraucher oder von einer Aufladevorrichtung zum Laden der Batterie elektrisch entkoppelbar. Gemäß einer nicht dargestellten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass auch einzelne Batteriezellen bzw. kleinere Gruppen von Batteriezellen, beispielsweise eine Gruppe von vier Batteriezellen, von der Batterie über entsprechende Schaltelemente abtrennbar sind, wobei vorzugsweise zwischen den einzelnen Batteriezellen ein entsprechendes Schaltelement angeordnet ist und zur Überbrückung der Batteriezelle jeweils eine entsprechende mit einem Schaltelement versehene Parallelschaltung vorgesehen ist.
Das in 1 dargestellte Batteriesystem weist eine Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs der nachladbaren Batterie auf. Erste Zellüberwachungseinrichtungen 4 und zweite Zellüberwachungseinrichtungen 5 erfassen jeweils von drei zu einer Gruppe 11 zusammengefassten Batteriezellen 1 die jeweiligen Zellspannungen der Batteriezellen 1 als Betriebsparameter. Die Zellüberwachungseinrichtungen 4 bzw. 5 sind dabei als anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) zur Erfassung von Zellspannungen ausgebildet und in einer Daisy-Chain-Topologie mit der jeweiligen Steuereinrichtung 12 bzw. 13 verbunden. Dabei liegt die jeweilige Zellüberwachungseinrichtung der Zellüberwachungseinrichtungen 4 bzw. 5 jeweils auf einem unterschiedlichen Spannungspotential. Von einer Zellüberwachungseinrichtung 4 bzw. 5 erfasste Zellspannungen werden dabei jeweils an diejenige Zellüberwachungseinrichtung 4 bzw. 5 übertragen, die auf einem niedrigeren Spannungspotential liegt, wobei die erfassten Zellspannungen schließlich von der letzten Zellüberwachungseinrichtung 4 bzw. 5 in der Daisy-Chain (in 1 die unmittelbar mit der jeweiligen Steuereinrichtung 12 bzw. 13 verbundene Zellüberwachungseinrichtung 4 bzw. 5) an die Steuereinrichtung 12 bzw. 13 übertragen wird.
Die von der ersten Steuereinrichtung 12 auf diese Weise als Betriebsparameter erfassten Zellspannungen beziehungsweise Zellspannungsmesswerte werden von der ersten Steuereinrichtung 12 ausgewertet. Basierend auf der Auswertung bestimmt die erste Steuereinrichtung 12 Batterieeigenschaften, wie den Ladungszustand (SOC) der Batterie und die Alterung (SOH) der Batterie. Darüber hinaus ermittelt die erste Steuereinrichtung 12 basierend auf der Auswertung erfasster Zellspannungen kritische Zellzustände als weitere Batterieeigenschaft. Hat die erste Steuereinrichtung 12 einen kritischen Zellzustand ermittelt, generiert die erste Steuereinrichtung 12 ein Schaltelementansteuerungssignal und überträgt dieses über den Kommunikations-Bus 14 an die zweite Steuereinrichtung 13.
Die zweite Steuereinrichtung 13 wertet die als Betriebsparameter von den zweiten Zellüberwachungseinrichtungen 5 erfassten Zellspannungsmesswerte dahingehend aus, ob ein kritischer Zellzustand vorliegt. Hierzu prüft die zweite Steuereinrichtung 13 insbesondere, ob erfasste Zellspannungsmesswerte signifikant von einem festgelegten Erwartungswert abweichen. Empfängt die zweite Steuereinrichtung 13 von der ersten Steuereinrichtung 12 ein Schaltelementansteuerungssignal, dann steuert die zweite Steuereinrichtung 13 das Schaltelement 2 nur dann an, wenn die Auswertung der zweiten Steuereinrichtung ergeben hat, dass erfasste Zellspannungen signifikant von einem Erwartungswert abweichen und somit ein Zellzustand als kritisch eingestuft wird. Die zweite Steuereinrichtung 13 hält empfangene Schaltelementansteuerungssignale und ermittelte kritische Zellzustände als Ereignis vorteilhafterweise über acht Arbeitstakte in einem Speicherelement (in 1 nicht explizit dargestellt) und steuert das Schaltelement 2 dann an, wenn beide Ereignisse in einem Zyklus von acht Arbeitstakten auftreten. Empfängt die zweite Steuereinrichtung 13 ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung 12 und wird dabei von der zweiten Steuereinrichtung 13 selbst kein kritischer Zellzustand ermittelt, so steuert die zweite Steuereinrichtung 13 das Schaltelement 2 nicht an.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem dargestellt. Dieses weist eine Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen 1 auf. Die Batteriezellen 1 sind dabei als Gesamtheit durch die als Schaltschütze ausgebildeten Schaltelemente 2 elektrisch mit den Polanschlüssen 3 der Batterie verbunden. Durch ein Öffnen der Schaltschütze 2 sind die Batteriezellen 1 von den Polanschlüssen 3 der Batterie elektrisch entkoppelbar. Zellüberwachungseinrichtungen 4 und 5 überwachen jeweils die Zellspannungen einer Gruppe 11 von Batteriezellen 1, wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Die Regelschaltung weist darüber hinaus Komparatoreinheiten 6 auf, die, wie die zweiten Zellüberwachungseinrichtungen 5, mit der zweiten Steuereinrichtung 13 in einer Daisy-Chain-Topologie verbunden sind. Die Komparatoreinheiten 6 sind derart ausgebildet, dass ausschließlich maximale und minimale Zellspannungsmesswerte erfasst werden. Maximale Zellspannungsmesswerte sind dabei solche Messwerte, die einen festgelegten maximalen Zellspannungsgrenzwert überschreiten. Minimale Zellspannungsmesswerte sind dabei solche Messwerte, die einen vorgegebenen minimalen Zellspannungsmesswert unterschreiten. Bei Ermittlung eines solchen maximalen oder minimalen Zellspannungsmesswertes generiert die jeweilige Komparatoreinheit 6 ein Alarmsignal und überträgt dieses an die zweite Steuereinrichtung 13.
Die zweite Steuereinrichtung 13, die ausgebildet ist, die Schaltelemente 2 anzusteuern, empfängt als Betriebsparameter vorliegend also von den zweiten Zellüberwachungseinrichtungen 5 erfasste Zellspannungsmesswerte, gegebenenfalls ein von wenigstens einer der Komparatoreinheiten 6 generiertes Alarmsignal sowie gegebenenfalls ein von der ersten Steuereinrichtung 12 basierend auf einer Auswertung von von den ersten Zellüberwachungseinrichtungen 4 erfassten Zellspannungen generiertes Schaltelementansteuerungssignal. Die zweite Steuereinrichtung 13 steuert dabei die Schaltelemente 2 dann an, wenn die zweite Steuereinrichtung 13 ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung 12 über den Kommunikations-Bus 14 empfängt und dabei selbst einen kritischen Zellzustand durch Auswertung der erfassten Zellspannungen ermittelt hat und darüber hinaus ein Alarmsignal von wenigstens einer der Komparatoreinheiten 6 empfangen hat. Das heißt, eine Auslösung der Schaltelemente 2, also ein Öffnen oder Schließen der Schaltelemente 2, erfolgt nur dann, wenn sowohl die erste Steuereinrichtung 12 als auch die zweite Steuereinrichtung 13 und wenigstens eine der Komparatoreinheiten 6 einen kritischen Zellzustand ermittelt haben.
Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.

Claims

Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen (1), welche durch wenigstens ein Schaltelement (2) elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss (3) der Batterie verbunden sind, wobei die Regelschaltung wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) und wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) aufweist, die jeweils ausgebildet ist, Betriebsparameter wenigstens einer Batteriezelle (1) zu erfassen und an eine Steuereinrichtung weiterzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) über eine erste Schnittstelle (7) mit einer ersten Steuereinrichtung (12) verbunden ist und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) über eine zweite Schnittstelle (8) mit einer zweiten Steuereinrichtung (13) verbunden ist, wobei die erste Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter Batterieeigenschaften zu bestimmen, und wobei die zweite Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, das wenigstens eine Schaltelement (2) anzusteuern.
Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, einen Zellzustand als Batterieeigenschaft zu bestimmen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Zellzustand ein Schaltelementansteuerungssignal an die zweite Steuereinrichtung (13) zu übertragen.
Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter einen Zellzustand zu bestimmen.
Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Komparatoreinheit (6) über eine dritte Schnittstelle (9) mit der zweiten Steuereinrichtung (13) verbunden ist, wobei die wenigstens eine Komparatoreinheit (6) ausgebildet ist, durch Vergleich von erfassten Betriebsparametern einer Batteriezelle (1) mit wenigstens einem Grenzwert eine Grenzwertabweichung zu bestimmen, und diese Grenzwertabweichung der zweiten Steuereinrichtung (13) durch Senden eines Alarmsignals zu signalisieren.
Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, das wenigstens eine Schaltelement (2) dann anzusteuern, wenn diese zweite Steuereinrichtung (13) ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung (12) empfängt und diese zweite Steuereinrichtung (13) zudem einen kritischen Zellzustand bestimmt hat und/oder ein Alarmsignal von der wenigstens einen Komparatoreinheit (6) empfangen hat.
Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) jeweils ausgebildet sind, Zellspannungen als Betriebsparameter der wenigstens einen Batteriezelle (1) zu erfassen.
Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) ausgebildet ist, minimale Zellspannungen und/oder maximale Zellspannungen als Betriebsparameter der wenigstens einen Batteriezelle (1) zu erfassen.
Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen (4) und eine Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen (5), wobei die Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen (4) in einer Daisy-Chain-Topologie mit der ersten Steuereinrichtung (12) über die erste Schnittstelle (7) verbunden ist und wobei die Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen (5) in einer Daisy-Chain-Topologie mit der zweiten Steuereinrichtung (13) über die zweite Schnittstelle (8) verbunden ist.
Batteriesystem umfassend eine nachladbare Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen (1), welche durch wenigstens ein Schaltelement (2) elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss (3) der Batterie verbunden sind, und eine Regelschaltung, insbesondere eine Batteriemanagementsystem, zum Überwachen und Regeln des Betriebs der Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung eine Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.
Verfahren zur Ansteuerung von wenigstens einem Schaltelement (2), über das Batteriezellen (1) einer Batterie mit wenigstens einem Polanschluss (3) der Batterie verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsparameter der Batteriezellen (1) durch eine Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen (4) erfasst und an eine erste Steuereinrichtung (12) übertragen werden und Betriebsparameter derselben Batteriezellen (1) durch eine Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen (5) erfasst und an eine zweite Steuereinrichtung (13) übertragen werden, wobei die erste Steuereinrichtung (12) die erfassten Betriebsparameter auswertet und bei Ermittlung eines kritischen Zellzustandes ein Schaltelementansteuerungssignal an eine zweite Steuereinrichtung (13) sendet, und wobei die zweite Steuereinrichtung (13) die erfassten Betriebsparameter auswertet und die zweite Steuereinrichtung (13) bei Empfang eines Schaltelementansteuerungssignals von der ersten Steuereinrichtung (12) und Ermittlung eines kritischen Zellzustandes durch Auswerten erfasster Betriebsparameter das wenigstens eine Schaltelement (2) entsprechend dem Schaltelementansteuerungssignal ansteuert.