DE102013213288A1 - Battery system and method for diagnosing output terminals of a battery - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Diagnose von Ausgangsanschlüssen (25, 26) einer Batterie beschrieben, das Schritte aufweist, bei denen zumindest ein Schalterelement (13, 14, 15) in der Batterie für eine vorbestimmte Zeitdauer geschlossen wird, bestimmt wird, ob das Schließen des zumindest einen Schalterelements (13, 14, 15) für eine vorbestimmte Zeitdauer eine Spannungsänderung einer Messspannung (U, Ulink_pos, Ulink_neg), die an Ausgangsanschlüssen (25, 26) der Batterie anliegt, zur Folge hat, und entschieden wird, dass eine Zwischenkreiskapazität (11) ordnungsgemäß mit der Batterie verbunden ist, falls eine Spannungsänderung der Messspannung (U, Ulink_pos, Ulink_neg) festgestellt wurde.
Ferner wird ein entsprechendes Batteriesystem (30), mit dem das Verfahren durchgeführt werden kann, zur Verführung gestellt. The invention relates to a method for diagnosing output terminals (25, 26) of a battery, comprising the steps of closing at least one switch element (13, 14, 15) in the battery for a predetermined period of time, determining whether the closing of the at least one switch element (13, 14, 15) for a predetermined period of time, a voltage change of a measuring voltage (U, U link_pos , U link_neg ), which is applied to output terminals (25, 26) of the battery results, and it is decided that a DC link capacitance (11) is properly connected to the battery if a voltage change of the measuring voltage (U, U link_pos , U link_neg ) has been detected.
Furthermore, a corresponding battery system (30) with which the method can be carried out is seduced.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose von Ausgangsanschlüssen einer Batterie, die eine oder mehrere Batteriezellen zum Bereitstellen einer Batteriespannung und zumindest ein Schalterelement zum Verbinden der Batteriezellen mit den Ausgangsanschlüssen aufweist, wobei die Batterie dazu eingerichtet ist, über die Ausgangsanschlüsse mit einer Zwischenkreiskapazität verbunden zu werden, Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Batteriesystem und ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem. The present invention relates to a method of diagnosing output terminals of a battery having one or more battery cells for providing a battery voltage and at least one switch element for connecting the battery cells to the output terminals, wherein the battery is adapted to be connected via the output terminals with a DC link capacitance Furthermore, the invention relates to a corresponding battery system and a vehicle with a battery system.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie beispielsweise bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, beispielsweise bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt Batteriesysteme, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesysteme, zum Einsatz kommen werden, an die hohe Anforderungen bezüglich Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit gestellt werden. It is becoming apparent that in the future both in stationary applications, such as wind turbines, in vehicles, such as in hybrid and electric vehicles, as well as in the consumer sector, such as laptops and mobile phones, increasingly battery systems, especially lithium-ion Battery systems will be used, are placed on the high performance and reliability requirements.
Dabei werden, um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, oftmals eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet, wodurch ein Batteriestrang gebildet wird, der eine Batteriespannung bereitstellt. Zur Erzielung eines hohen Batteriestroms werden häufig noch zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet. In this case, in order to meet the requirements for voltage and available power that can be provided for a particular application, a large number of battery cells are often connected in series, whereby a battery string is formed, which provides a battery voltage. To achieve a high battery current, battery cells are often additionally connected in parallel.
In Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Batteriepacks durch Leistungsschütze mit den weiteren Komponenten wie Antrieb, Zusatzgenerator, Ladestecker und so weiter verbunden. Häufig werden diese Komponenten über eine Einrichtung, insbesondere einen Zwischenkreis, gespeist, die aus der Batteriespannung eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung oder getaktete Gleichspannung erzeugt.In hybrid and electric vehicles battery packs are connected by power contactors with the other components such as drive, auxiliary generator, charging plug and so on. Frequently, these components are supplied via a device, in particular a DC link, which generates a single-phase or multi-phase AC voltage or clocked DC voltage from the battery voltage.
Aufgrund der dabei entstehenden Lastspitzen sind solche Einrichtungen mit einer Speichereinrichtung versehen. Die Speichereinrichtung ist üblicherweise ein Kondensator, der als Zwischenkreiskapazität in einem entsprechenden, mit Ausgangsanschlüssen der Batterie angeordneten Zwischenkreis angeordnet ist. Dieser Kondensator kann beträchtliche Werte annehmen.Due to the resulting peak loads such devices are provided with a memory device. The memory device is usually a capacitor, which is arranged as a DC link capacitance in a corresponding, arranged with output terminals of the battery intermediate circuit. This capacitor can take on considerable values.
Sollen also die oben genannten Komponenten mit der Batterie verbunden werden, so muss zuerst die Zwischenkreiskapazität aufgeladen werden. Erst danach kann die Komponente selbst in Betrieb genommen werden. Die Aufladung der Zwischenkreisschaltung wird üblicherweise mit Hilfe eines Lastwiderstandes realisiert. In
Die durch eine Anordnung von in
Aus der
Um eine Gefährdung durch Hochspannung zu vermeiden, muss das Batteriesystem
In diesem Fall muss ein Schließen der Hauptschütze
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To
Nachteilig an dem oben genannten Verfahren ist, dass eine zusätzliche Leitung, die sogenannte Interlock Leitung, beziehungsweise die HVIL-Schleife benötigt wird. Dadurch verteuert sich die Verkabelung und die Steckersysteme werden aufwändiger.A disadvantage of the above-mentioned method is that an additional line, the so-called interlock line, or the HVIL loop is needed. As a result, the wiring becomes more expensive and the connector systems become more complex.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Diagnose von Ausgangsanschlüssen einer Batterie zur Verfügung gestellt, die eine oder mehrere Batteriezellen zum Bereitstellen einer Batteriespannung und zumindest ein Schalterelement zum Verbinden der Batteriezellen mit den Ausgangsanschlüssen aufweist. Die Batterie ist dazu eingerichtet, über die Ausgangsanschlüsse mit einer Zwischenkreiskapazität verbunden zu werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weist grundsätzlich Schritte auf, bei denen das zumindest eine Schalterelement für eine definierte Zeitdauer geschlossen wird, bestimmt wird, ob das Schließen des zumindest einen Schalterelements für eine definierte Zeitdauer eine Spannungsänderung einer Messspannung, die an den Ausgangsanschlüssen anliegt, zur Folge hat, und entschieden wird, dass die Zwischenkreiskapazität ordnungsgemäß mit der Batterie verbunden ist, falls eine Spannungsänderung der Messspannung festgestellt wurde, und/oder entschieden wird, dass die Zwischenkreiskapazität nicht ordnungsgemäß mit der Batterie verbunden ist, falls der ermittelte Spannungsanstieg einen vorbestimmten Schwellenwert oder ein Signalrauschen nicht überschreitet.According to the invention, a method for diagnosing output terminals of a battery is provided which has one or more battery cells for providing a battery voltage and at least one switch element for connecting the battery cells to the output terminals. The battery is designed to be connected to a DC link capacitance via the output terminals. The method according to the invention basically has steps in which the at least one switch element is closed for a defined period of time, it is determined whether the closure of the at least one switch element results in a voltage change of a measurement voltage applied to the output terminals for a defined period of time, and it is decided that the link capacitance is properly connected to the battery if a voltage change of the measurement voltage has been detected and / or it is decided that the link capacitance is not properly connected to the battery if the determined voltage rise is not a predetermined threshold or signal noise exceeds.
Ferner wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, das eine Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, und zumindest ein zwischen den Batteriezellen und Ausgangsanschlüssen der Batterie geschaltetes Schalterelement aufweist. Dabei ist die Batterie dazu eingerichtet, über die Ausgangsanschlüsse mit einer in einem Zwischenkreis angeordneten Zwischenkreiskapazität verbunden zu werden. Ferner weist das Batteriesystem eine Steuereinrichtung, insbesondere ein Batteriemanagementsystem, auf, die dazu eingerichtet ist, die Batterie derart zu steuern, dass das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Furthermore, a battery system is provided which has a battery with one or more battery cells, in particular a high-voltage battery, and at least one switched between the battery cells and output terminals of the battery switch element. In this case, the battery is set up to be connected via the output connections to a DC link capacitor arranged in a DC link. Furthermore, the battery system has a control device, in particular a battery management system, which is set up to control the battery such that the method according to the invention is carried out.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass auf einfache und sichere Art und Weise festgestellt werden kann, ob eine Komponente, hier: eine Zwischenkreiskapazität ordnungsgemäß an die Batterie angeschlossen ist, ohne dabei beispielsweise auf eine Interlock-Verbindung oder ähnliche Maßnahmen angewiesen zu sein. Andererseits kann durch die Diagnose, ob eine Komponente angeschlossenen ist, ein fälschliches Zuschalten sicher verhindert werden.The invention has the advantage that it can be determined in a simple and secure manner, whether a component, here: a DC link capacitance is properly connected to the battery, without being dependent on, for example, an interlock connection or similar measures. On the other hand, by the diagnosis of whether a component is connected, a false connection can be securely prevented.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Durchführung des Verfahrens ein erstes Schalterelement, das mit einem positiven Ausgangsanschluss gekoppeltes ist, verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein zweites Schalterelement, das mit einem negativen Ausgangsanschluss gekoppelt ist, verwendet werden. Durch geeignete Wahl der Schalterelemente kann hiermit die Sicherheit des Verfahrens entsprechend erhöht werden. According to one embodiment of the invention, a first switch element which is coupled to a positive output terminal is used to carry out the method. Alternatively or additionally, a second switch element which is coupled to a negative output terminal can also be used. By suitable choice of the switch elements hereby the security of the method can be increased accordingly.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden zwei Schalterelemente verwendet. So kann das zumindest eine zu schließende Schalterelement besonders vorteilhaft ein in einem Vorlade-Schaltungszweig der Batterie angeordnetes Schalterelement aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das zumindest eine zu schließende Schalterelement ferner ein in einem Referenzspannungszeig der Batterie angeordnetes Schalterelement umfassen. According to a particularly preferred embodiment, two switch elements are used. Thus, the at least one switch element to be closed can particularly advantageously have a switch element arranged in a precharge circuit branch of the battery. Alternatively or additionally, the at least one switch element to be closed may further comprise a switch element arranged in a reference voltage indicator of the battery.
Damit werden zumeist schon herkömmlich vorhandene Schalterelemente mit Vorteil für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt.This usually conventionally existing switch elements are used with advantage for the inventive method.
Die Länge der definierten Zeitdauer kann anhand der Größe der Zwischenkreiskapazität und/oder der Größe von zur Ermittlung der Messspannung verwendeten Messwiderstände gewählt werden.The length of the defined period of time can be selected based on the size of the DC link capacitance and / or the size of the measuring resistors used to determine the measuring voltage.
Bevorzugt wird das Verfahren so angewandt, dass in dem Schritt der Bestimmung einer Spannungsänderung ein Spannungsanstieg festgestellt wird. Damit kann zuverlässig auf die Aufladung beispielsweise eines im Zwischenkreis angeordneten Kondensators geschlossen werden.Preferably, the method is applied so that a voltage increase is detected in the step of determining a voltage change. This can be reliably concluded on the charge, for example, a capacitor arranged in the intermediate circuit.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Bestimmung der Spannungsänderung ein Vergleich eines nach Ablauf der definierten Zeitdauer gemessenen zweiten Wertes der Messspannung mit einem vor dem Schließen des Schalterelements gemessenen ersten Wert der Messspannung vorgenommen. In one embodiment of the invention, to determine the voltage change, a comparison of a second value of the measurement voltage measured after the defined time duration has been carried out with a first value of the measurement voltage measured before the closing of the switch element.
Es kann aber auch ein bereits während der definierten Zeitdauer auftretender Spannungsanstieg festgestellt werden. Mit anderen Worten, es wird bei manchen Ausführungsformen ein Spannungsanstieg festgestellt, bevor das zu schließende Schalterelement wieder geöffnet wurde. Dadurch kann eine besonders hohe Flexibilität erreicht werden. However, it is also possible to detect a voltage increase that has already occurred during the defined period of time. In other words, in some embodiments, a voltage increase is detected before the switch element to be closed has been reopened. This allows a particularly high flexibility can be achieved.
Bevorzugt kann ein Alarmsignal ausgegeben werden, falls entschieden wurde, dass die Zwischenkreiskapazität nicht ordnungsgemäß mit der Batterie verbunden ist. Preferably, an alarm signal may be issued if it has been decided that the DC link capacitance is not properly connected to the battery.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Ausgangsanschlüsse einen positiven Ausgangsanschluss und einen negativen Ausgangsanschluss umfassen. Ferner kann die Batterie eine Schaltung zu Spannungsmessung aufweisen, die einen positiven Messschaltungszweig zur Bestimmung eines an dem positiven Ausgangsanschluss vorliegenden elektrischen Potentials und einen negativen Messschaltungszweig zur Bestimmung eines an dem negativen Ausgangsanschluss vorliegenden elektrischen Potentials aufweist. Ferner kann die Batterie einen insbesondere im dem positiven Messschaltungszweig oder dem negativen Messschaltungszweig parallelgeschalten und eine Referenzspannungsquelle und einen Referenzwiderstand umfassenden Referenzspannungszweig aufweisen.In one embodiment of the invention, the output terminals may include a positive output terminal and a negative output terminal. Furthermore, the battery may have a circuit for voltage measurement, which has a positive measuring circuit branch for determining an electrical potential present at the positive output terminal and a negative measuring circuit branch for determining an electrical potential present at the negative output terminal. Furthermore, the battery can have a reference voltage branch, in particular in parallel in the positive measuring circuit branch or the negative measuring circuit branch and comprising a reference voltage source and a reference resistor.
Die erfindungsgemäße Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie. Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor zur Verfügung gestellt, das die erfindungsgemäße Batterie aufweist, wobei die Batterie mit einem Antriebsstrang des Elektromotors verbunden ist. The battery according to the invention is preferably a lithium-ion battery. According to one aspect of the invention, a motor vehicle with an electric motor is provided which has the battery according to the invention, wherein the battery is connected to a drive train of the electric motor.
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:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der
Dies kann eine Gefährdung beispielsweise für Wartungspersonal bedeuten. Ferner ist ein Fehlerfall denkbar, bei dem eine Anschlussleitung zwischen den Ausgangsanschlüssen
Um einen Fehlerfall und die Gefährdung durch Hochspannung zu vermeiden, muss das Batteriesystem
Ein Hochvoltsystem, wie das in
Damit kann eine Bestimmung von batterieinternen Messspannungen Ulink_pos und Ulink_neg, die ein Maß für die an den Ausgangsanschlüssen
Eine Aufladung der Zwischenkreiskapazität
Erfindungsgemäß geschieht eine Diagnose der Ausgangsanschlüsse
In einem ersten Schritt des Verfahrens werden einer oder mehrere Schalterelemente für eine definierte beziehungsweise vorbestimmte Zeitdauer geschlossen, so dass ein Stromkreis geschlossen wird, in dem die Batteriezellen
Hierdurch lädt sich der als Zwischenkreiskapazität
Das Schließen des Schalterelements
Nach Öffnen des Schalterelements
Die Messwiderstände
Die Zeitdauer, für die das Vorladeschütz beziehungsweise das Schalterelement
Erfindungsgemäß kann eine Spannungsänderung an der Zwischenkreiskapazität
Der Spannungsanstieg kann für kleine Spannungsänderungen als linear angenommen werden. Dies zeigt anschaulich das in
Dabei ist die Erfindung nicht auf ein Schließen eines Vorladeschützes beschränkt. So gibt es auch Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen während der definierten Zeitdauer ein Hauptschütz, beispielsweise das Schalterelement
In einer beispielhaften Anwendung wird mit etwa mit 1,1 V/s gemessen. Damit kann bereits nach etwa 500 ms eine angeschlossene Zwischenkreiskomponente mit Zwischenkreiskapazität
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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