DE102014204959A1

DE102014204959A1 - Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Temperaturmessschaltung zum Bestimmen der Temperatur der Batteriezelle und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102014204959A1
Application number: DE102014204959.8A
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Kouemo Ngomssu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Spannungsmesseinheit, die dazu vorgesehen ist, die zwischen zwei Batteriezellmessanschlüssen der Batteriezelle anliegende Spannung zu messen, wobei jeweils ein Batteriezellmessanschluss der zwei Batteriezellmessanschlüsse der Batteriezelle einem Batteriezellpol von zwei Batteriezellpolen der Batteriezelle zugeordnet ist und mit dem zugeordneten Batteriezellpol verbunden ist. Die Batteriezelleinrichtung weist ferner eine zwischen den Batteriezellpolen und den Batteriezellmessanschlüssen der Batteriezelle angeordnete Temperaturmessschaltung auf, die einen Kondensator und eine Schalteinheit umfasst. Dabei ist der Kondensator beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit zwischen die beiden Batteriezellmessanschlüsse geschaltet und von der Batteriezelle auf eine vordefiniere Ladespannung aufladbar. Ferner ist der Kondensator beim Vorliegen der in ihren nicht leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit über einen geschlossenen, in der Temperaturmessschaltung angeordneten und über den Kondensator verlaufenden Entladestromkreis vollständig entladbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Temperaturmessschaltung zum Bestimmen der Temperatur der Batteriezelle. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur einer Batteriezelle einer solchen Batteriezelleinrichtung mittels einer in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Temperaturmessschaltung. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemanagementsystem für ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren solchen Batteriezelleinrichtungen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren wie zuvor genannten Batteriezelleinrichtungen und einem wie zuvor genannten Batteriemanagementsystem.
Stand der Technik
Bei den meisten Batteriesystemen werden Temperatursensoren nicht direkt an den Batteriezellen der Batterie eines Batteriesystems angebracht, sondern beispielsweise an den Batteriezellenisolatoren der Batteriezellen, die sich jeweils zwischen je zwei benachbarten Batteriezellen befinden. Die an den Batteriezellisolatoren gemessenen Temperaturen können im extremen Fall von den realen Batteriezelltemperaturen stark abweichen. Dies ist der Fall beim Vorliegen von schnell ansteigenden Batteriezelltemperaturen oder beim Vorliegen einer lokalen Temperaturentwicklung in den Batteriezellen. Die realen Batteriezelltemperaturen können von solchen an den Batteriezellisolatoren angebrachten Temperatursensoren nur zeitlich verzögert erfasst werden. Dies könnte je nach Fehler fatale Folgen haben. Beispielsweise kann das Vorliegen eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle (thermal run-away) nicht rechtzeitig erkannt werden.
In der 1 wird ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem 10 dargestellt. Das Batteriesystem 10 umfasst eine Batterie 11 mit mehreren Batteriezelleinrichtungen 20, die jeweils eine Batteriezelle 21 umfassen. Die Batteriezellen 21 der Batteriezelleinrichtungen 20 sind in Reihe geschaltet. Dabei umfasst jede Batteriezelle 21 einen positiven Batteriezellpol 23 und einen negativen Batteriezellpol 24. Ferner ist der positive Batteriezellpol 23 einer Batteriezelle 21 mit dem negativen Batteriezellpol 24 einer benachbarten Batteriezelle 21 verbunden und der negative Batteriezellpol 24 derselben Batteriezelle 21 mit dem positiven Batteriezellpol 23 einer anderen benachbarten Batteriezelle 21 verbunden. Weiterhin umfasst jede Batteriezelle 21 einen Batteriezellmessanschluss 25, der mit dem positiven Batteriezellpol 23 der Batteriezelle 21 verbunden ist, und einen weiteren Batteriezellmessanschluss 26, der mit dem negativen Batteriezellpol 24 der Batteriezelle 21 verbunden ist. Jede Batteriezelleinrichtung 20 umfasst ferner eine Spannungsmesseinheit 30, die an die Batteriezellmessanschlüsse 25, 26 der Batteriezelle 21 der entsprechenden Batteriezelleinrichtung 22 angeschlossen ist und zum Messen der zwischen den Batteriezellmessanschlüssen 25, 26 beziehungsweise zwischen den Batteriezellpolen 23, 24 der Batteriezelle 21 der entsprechenden Batteriezelleinrichtung 20 anliegenden Spannung vorgesehen ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde die Spannungsmesseinheit 30 einer einzelnen Batteriezelleinrichtung 20 dargestellt. Aus demselben Grund wurden nur die Batteriezellpole 23, 24 und die Batteriezellmessanschlüsse 25, 26 der Batteriezelle 21 dieser einzelnen Batteriezelleinrichtung 20, deren Spannungsmesseinheit 30 dargestellt wurde, mit Bezugszeichen versehen.
Aus dem Dokument DE 10 2011 075 361 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur einer in einer Fahrzeugbatterie angeordneten Batteriezelle bekannt. Dazu werden ein durch die Batteriezelle fließender Strom und eine über der Batteriezelle anliegende Spannung gemessen. Daraus wird der Innenwiderstand der Batteriezelle ermittelt. Aus dem ermittelten Widerstand der Batteriezelle wird auf die Temperator der Batteriezelle geschlossen. Nachteilig dabei ist, dass zur Bestimmung des Innenwiderstandes der Batteriezelle ein Strom durch die Batteriezelle fließen muss.
Aus dem Dokument DE 10 2011 011 920 A1 ist eine Leistungsschaltung für eine Batterie bekannt. Die Leistungsschaltung umfasst eine Batterie, einen Speicherkondensator und eine Steuerschaltung, die zwischen der Batterie und dem Speicherkondensator gekoppelt ist. Die Steuerschaltung ist dazu eingerichtet, das Aufladen des Speicherkondensators von der Batterie zu ermöglichen, während eine Batteriespannung mit einem minimalen Spannungsniveau aufrechterhalten wird. Dabei wird der Speicherkondensator sehr schnell aufgeladen, wenn der Innenwiderstand der Batteriezelle niedrig ist, oder sehr langsam, wenn der Innenwiderstand der Batteriezelle hoch ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Spannungsmesseinheit bereitgestellt, wobei die Spannungsmesseinheit dazu vorgesehen ist, die zwischen zwei Batteriezellmessanschlüssen der Batteriezelle anliegende Spannung zu messen. Dabei ist jeweils ein Batteriezellmessanschluss der zwei Batteriezellmessanschlüsse einem Batteriezellpol von zwei Batteriezellpolen der Batteriezelle zugeordnet und mit dem zugeordneten Batteriezellpol verbunden. Die Batteriezelleinrichtung umfasst ferner eine zwischen den Batteriezellpolen und den Batteriezellmessanschlüssen der Batteriezelle angeordnete Temperaturmessschaltung, die einen Kondensator und eine Schalteinheit umfasst. Ferner ist der Kondensator beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit zwischen die beiden Batteriezellmessanschlüsse geschaltet und von der Batteriezelle auf eine vordefiniere Ladespannung aufladbar. Weiterhin ist der Kondensator beim Vorliegen der in ihren nicht leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit über einen geschlossenen, in der Temperaturmessschaltung angeordneten und über den Kondensator verlaufenden Entladestromkreis vollständig entladbar.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur einer Batteriezelle einer Batteriezelleinrichtung mit den folgenden Schritten bereitgestellt: Aufladen eines Kondensators auf eine vordefinierte Ladespannung durch die Batteriezelle, Ermitteln der dafür benötigte Ladezeit und Bestimmen der Temperatur der Batteriezelle anhand eines aus der ermittelten Ladezeit bestimmten Innenwiderstandes der Batteriezelle.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur der Batteriezelle einer Batteriezelleinrichtung bereitgestellt. Dabei ist jeweils ein Batteriezellmessanschluss von zwei Batteriezellmessanschlüssen der Batteriezelle einem Batteriezellpol von zwei Batteriezellpolen der Batteriezelle zugeordnet und mit dem zugeordneten Batteriezellpol verbunden. Bei dem Verfahren wird eine in der Batteriezelleinrichtung zwischen den Batteriezellpolen und den Batteriezellmessanschlüssen der Batteriezelle angeordnete Temperaturmessschaltung mit einem Kondensator und einer Schalteinheit verwendet. Dabei wird der vollständig entladene Kondensator zum Aufladen durch die Batteriezelle auf eine vordefinierte Ladespannung zwischen die Batteriezellmessanschlüsse geschaltet, indem die Schalteinheit von ihrem nicht leitenden in ihren leitenden Zustand geschaltet wird. Ferner wird mittels einer in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Spannungsmesseinheit die beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit zwischen den Batteriezellmessanschlüssen anliegende Spannung gemessen. Weiterhin werden die zum Aufladen des Kondensators von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung benötigte Ladezeit aus dem zeitabhängigen Verlauf der beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit mittels der Spannungsmesseinheit gemessenen Spannung ermittelt, aus der ermittelten Ladezeit des Kondensators der Innenwiderstand der Batteriezelle und daraus die Temperatur der Batteriezelle bestimmt.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Bei einer sehr bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kondensator derartig vorgesehen, dass beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit die Temperaturmessschaltung der Spannungsmesseinheit die an dem Kondensator anliegende Spannung bereitstellt.
Erfindungsgemäß kann in einer sehr einfachen Weise ein Zeitraum gemessen werden, der von einem Zeitpunkt, zu dem der Kondensator vollständig entladen ist und die Schalteinheit von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand geschaltet wird, bis zu einem weiteren Zeitpunkt, zu dem an dem Kondensator und gleichzeitig zwischen den Batteriezellmessanschlüssen die vordefinierte Ladespannung anliegt, vergeht. Der gemessene Zeitraum entspricht der zum Aufladen des Kondensators von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung benötigten Ladezeit, die von dem Innenwiderstand der Batteriezelle abhängig ist, der wiederrum von der Temperatur dieser Batteriezelle abhängig ist. Aus der gemessenen Ladezeit können dann der Innenwiderstand der Batteriezelle und daraus die Temperatur der Batteriezelle bestimmt werden.
Bei einer weiteren sehr bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Entladestromkreis derartig vorgesehen, dass beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit die Temperaturmessschaltung der Spannungsmesseinheit eine von der an dem Kondensator anliegenden Spannung und von einer zwischen den Batteriezellpolen der Batteriezelle anliegenden Spannung linear abhängigen Spannung bereitstellt. Dabei ist die zum Entladen des Kondensators von der vordefinierten Ladespannung auf eine Spannung von 0 Volt benötigte Entladezeit alleine von der Ausbildungsart des Entladestromkreises abhängig. Diese Entladezeit ist von dem Innenwiderstand der Batteriezelle unabhängig.
Erfindungsgemäß kann nach dem Ablaufen dieser bekannten Entladezeit die Schalteinheit zum erneuten Aufladen des Kondensators von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung erneut von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand geschaltet werden. Die zum Aufladen des Kondensators von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung benötigte Ladezeit kann dann widerholt gemessen werden. Ferner können aus der widerholt gemessenen Ladezeit auch der Innenwiderstand der Batteriezelle und daraus die Temperatur der Batteriezelle widerholt gemessen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem für ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen. Dabei ist das Batteriemanagementsystem dazu ausgebildet, die Schalteinheiten der Batteriezelleinrichtungen anzusteuern und die zum Aufladen des Kondensators jeder Batteriezelleinrichtung von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung benötigte Ladezeit aus dem zeitabhängigen Verlauf der beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit der entsprechenden Batteriezelleinrichtung mittels der Spannungsmesseinheit der entsprechenden Batteriezelleinrichtung gemessenen Spannung zu ermitteln und aus der ermittelten Ladezeit des Kondensators jeder Batteriezelleinrichtung den Innenwiderstand der Batteriezelle der entsprechenden Batteriezelleinrichtung und daraus die Temperatur der Batteriezelle der entsprechenden Batteriezelleinrichtung zu bestimmen.
Erfindungsgemäß sind die Ladezeiten eines Kondensators einer Temperaturmessschaltung jeder Batteriezelleinrichtung von der Temperatur der Batteriezelle der entsprechenden Batteriezelleinrichtung abhängig. Zur Bestimmung der Temperatur jeder Batteriezelle der Batteriezelleinrichtungen wird genau diese Information von der Software eines Batteriemanagementsystems eines Batteriesystems mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen zyklisch ausgewertet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Batteriemanagementsystem weiter dazu ausgebildet, die bestimmte Temperatur der Batteriezelle jeder Batteriezelleinrichtung mit einem vorbestimmten Temperaturgrenzwert zu vergleichen und beim Vorliegen einer bestimmten Temperatur der Batteriezelle einer der Batteriezelleinrichtungen, die den Temperaturgrenzwert überschreitet, einen defekten Zustand der Batteriezelle dieser Batteriezelleinrichtung zu erkennen.
Die erfindungsgemäß ermittelte Temperatur der Batteriezelle jeder erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung kann mit einem Temperaturgrenzwert, das heißt, mit einer definierten maximalen Grenztemperatur, von der Software eines Batteriemanagementsystems eines Batteriesystems mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen verglichen werden. Somit kann eine kritische Temperaturentwicklung in jeder Batteriezelle der Batteriezelleinrichtungen rechtzeitig, das heißt, vor dem Eintreten irreversibler elektrochemische Prozesse, mittels des Batteriemanagementsystems erkannt werden. Nachdem das Vorliegen einer kritischen Temperaturentwicklung in einer Batteriezelle der Batteriezelleinrichtungen erkannt worden ist, kann das Batteriesystem von dem Batteriemanagementsystem in einen sicheren Zustand überführt werden.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen je zwei benachbarten Batteriezelleinrichtungen der Batterie des Batteriesystems je ein Temperatursensor angeordnet, der vorzugsweise an den Batteriezellisolatoren der Batteriezellen der entsprechenden benachbarten Batteriezelleinrichtungen angebracht ist. Dabei ist das Batteriemanagementsystem weiter dazu ausgebildet, zur Plausibilisierung der mittels der Temperatursensoren gemessenen Temperaturen der Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen diese gemessenen Temperaturen der Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen mit den aus den Innenwiderständen der Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen bestimmten Temperaturen der Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen zu vergleichen.
Erfindungsgemäß kann ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren Batteriezelleinrichtungen mehrere integrierte Temperatursensoren umfassen, das heißt, über eine Batteriezellentemperaturmessung verfügen, die mehrere Temperatursensoren umfasst, die jeweils zwischen jeweils anderen zwei benachbarten Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen der Batterie angeordnet sind. Dabei kann die erfindungsgemäß ermittelte Temperatur der Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen als redundante Information zur Plausibilisierung der mittels der Temperatursensoren gemessenen Temperatur der Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen verwendet werden.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die funktionellen Merkmale des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems einzeln oder in Kombination.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen, wobei zwischen je zwei benachbarten Batteriezelleinrichtungen der Batterie bevorzugt je ein Temperatursensor angeordnet ist, der vorzugsweise an den Batteriezellisolatoren der Batteriezellen der entsprechenden benachbarten Batteriezelleinrichtungen angebracht ist. Das Batteriesystem umfasst ferner ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem.
Vorzugsweise sind die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem.
Die Erfindung ermöglicht eine Überwachung beziehungsweise eine Bestimmung der Temperatur der Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen der Batterie eines Batteriesystems mittels eines Batteriemanagementsystems des Batteriesystems, ohne dass eine Verwendung von Temperatursensoren notwendig ist. Die Erfindung ermöglicht ferner eine Überwachung beziehungsweise eine Bestimmung der Temperatur der Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen der Batterie eines erfindungsgemäßen Batteriesystems auch in dem Zustand, in dem die Batteriezellen passiv sind und keinen Strom an einen an die Batterieanschlüsse der Batterie eines solchen Batteriesystems angeschlossenen Verbraucher abgeben. Ferner wird durch den Vergleich der erfindungsgemäß bestimmten Temperatur der Batteriezellen (Batteriezellentemperatur) der Batteriezelleinrichtungen der Batterie eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einer von den integrierten Temperatursensoren gemessenen Temperaturen dieser Batteriezellen die Sicherheit eines solchen Batteriesystems erhöht.
Anders ausgedrückt wird bei der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung einer in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem eingebauten Batteriezelltemperaturmessung eine Erhöhung eines Diagnosedeckungsgrades beziehungsweise eine Erhöhung der Entdeckungswahrscheinlichkeit einer jeden in der Batterie des erfindungsgemäßen Batteriesystems angeordneten Batteriezelle, die eine kritische Temperaturentwicklung aufweist, erreicht. Dadurch wird die Sicherheit eines solchen Batteriesystems erhöht.
Sehr vorteilhaft bei der Erfindung ist ferner, dass für die erfindungsgemäße Bestimmung der Temperatur der Batteriezellen der Batteriezelleinrichtungen der Batterie eines erfindungsgemäßen Batteriesystems keine oder nur geringe zusätzlichen Hardwarekosten generiert werden müssen, weil die für die erfindungsgemäße Bestimmung der Temperatur der Batteriezellen notwendige Spannungswerte die Spannungswerte der zwischen den Batteriezellmessanschlüssen der Batteriezellen anliegenden Spannungen sind, die mittels der in einem herkömmlichen Batteriesystem bereits vorhandenen Spannungsmesseinheiten (Spannungsmessungen) der Batteriezelleinrichtungen gemessen werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen im Detail beschrieben. Dabei werden für gleiche Komponenten auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. In den Zeichnungen ist:
1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem,
2 eine Batteriezelleinrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und,
3 der zeitabhängige Verlauf der für drei unterschiedliche Temperaturen der Batteriezelle der Batteriezelleinrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung vorkommenden Spannungen, die jeweils an einem Kondensator einer Temperaturmessschaltung anliegen, die in derselben Batteriezelleinrichtung angeordnet ist.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 2 wird eine Batteriezelleinrichtung 20 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Batteriezelleinrichtung 20 umfasst eine Batteriezelle 21, eine Spannungsmesseinheit 30 und eine Temperaturmessschaltung 40. Die Batteriezelle 21 hat einen positiven Batteriezellpol 23 und einen negativen Batteriezellpol 24. Ferner hat die Batteriezelle 21 einen Batteriezellmessanschluss 25, der mit dem positiven Batteriezellpol 23 verbunden ist und einen weiteren Batteriezellmessanschluss 26, der mit dem negativen Batteriezellpol 24 verbunden ist. Zwischen den Batteriezellmessanschlüssen 25, 26 ist die Spannungsmesseinheit 30 zum Messen der zwischen den Batteriezellmessanschlüssen 25, 26 der Batteriezelle 21 anliegenden Spannung geschaltet.
Die Temperaturmessschaltung 40 ist zwischen den Batteriezellpolen 23, 24 der Batteriezelle 21 und den Batteriezellmessanschlüssen 25, 26 angeordnet und umfasst einen Kondensator 50 und eine Schalteinheit 60. Der Kondensator 50 ist an einem ersten Anschluss mit dem Batteriezellmessanschluss 25 verbunden, der mit dem positiven Batteriezellpol 23 verbundenen ist. Ferner ist der Kondensator 50 an seinem zweiten Anschluss über die Schalteinheit 60 auch mit dem weiteren Batteriezellmessanschluss 26 verbindbar, der mit dem negativen Batteriezellpol 24 verbundenen ist.
Zum Verbinden des Kondensators 50 mit dem weiteren Batteriezellmessanschluss 26, der mit dem negativen Batteriezellpol 24 verbunden ist, das heißt, zum Schalten des Kondensators 50 zwischen die Batteriezellmessanschlüsse 25, 26, wird die Schalteinheit 60 von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand geschaltet. Der zwischen den Batteriezellmessanschlüssen 25, 26 geschaltete Kondensator 50 kann dann von der Batteriezelle 21 auf eine vordefinierte Ladespannung aufgeladen werden. Die zum Aufladen des Kondensators 50 auf die vordefinierte Ladespannung benötigte Ladezeit ist von dem Innenwiderstand 22 der Batteriezelle 21 abhängig, der wiederrum von der Temperatur der Batteriezelle 21 abhängig ist.
Ist die Schalteinheit 60 in ihren leitenden Zustand geschaltet, so wird mittels der Spannungsmesseinheit 30 die an dem Kondensator 50 anliegende Spannung, die gleichzeitig die zwischen den Batteriezellmessanschlüssen 24, 25 anliegende Spannung ist, gemessen.
Ferner umfasst die Schalteinheit 60 der in der 3 dargestellten Batteriezelleinrichtung 20 einen Feldeffekttransistor 61, der an seinem Drain-Anschluss 63 mit dem Kondensator 50 und an seinem Source-Anschluss 62 mit dem negativen Batteriezellpol 24 der Batteriezelle 21 und mit dem weiteren Batteriezellmessanschluss 26 verbunden ist. Zum Schalten des Kondensators 50 zwischen die Batteriezellmessanschlüsse 25, 26 wird der Transistor 61 von seinem nicht leitenden Zustand in seinen leitenden Zustand geschaltet. Zum Schalten des Transistors 61 von seinem nicht leitenden Zustand in seinem leitenden Zustand wird der Gate-Anschluss 64 des Transistors 61 auf Masse geschaltet. Bedingt durch den Vorgang wird der Kondensator 50 von der Batteriezelle 21 aufgeladen.
Wird dann beim Vorliegen des auf die vordefinierte Ladespannung aufgeladenen Kondensators 50 die Schalteinheit 60 von ihrem leitenden Zustand in ihren nicht leitenden Zustand geschaltet, so kann der Kondensator 50 über einen in der Temperaturmessschaltung 40 angeordneten und über den Kondensator 50 verlaufenden Entladestromkreis 51 entladen werden, insbesondere vollständig entladen werden. Der Entladestromkreis 51 umfasst zwei Widerstände 55, 56. Beim Vorliegen der in ihren nicht leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit 60 ist der Kondensator 50 an seinem ersten Anschluss über den Widerstand 55 mit dem positiven Batteriezellpol 23 der Batteriezelle 21 und an seinem zweiten Anschluss über den Widerstand 56 mit demselben positiven Batteriezellpol 23 der Batteriezelle 21 verbunden.
In der 2 wird die Batteriezellspannung mit U0 gekennzeichnet.
Bei der Batteriezelleinrichtung 20 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung ist die zum Aufladen des Kondensators 50 von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung benötigte Ladezeit abhängig von dem Innenwiderstand 22 der Batteriezelle 21, die wiederrum von der Temperatur dieser Batteriezelle 21 abhängig ist. Aus dem zeitabhängigen Verlauf der beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit 60 mittels der Spannungsmesseinheit 30 gemessenen Spannung kann dann ein Zeitraum gemessen werden, der von einem Zeitpunkt, zu dem der Kondensator vollständig entladen ist und die Schalteinheit 60 von ihrem nicht leitenden Zustand in ihrem leitenden Zustand geschaltet wird, bis zu einem weiteren Zeitpunkt, zu dem an dem Kondensator 50 und gleichzeitig zwischen den Batteriezellmessanschlüssen 25, 26 der Batteriezelle 21 die vordefinierte Ladespannung anliegt, vergeht. Der gemessene Zeitraum entspricht der zum Aufladen des Kondensators 50 von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung benötigten Ladezeit. Aus der gemessenen Ladezeit können dann der Innenwiderstand 22 der Batteriezelle 21 und daraus die Temperatur der Batteriezelle 21 bestimmt werden.
Ferner ist bei der ersten Ausführungsform der Erfindung die zum Entladen des Kondensators 50 von der vordefinierten Ladespannung auf eine Spannung von 0 Volt benötigte Entladezeit alleine von der Ausbildungsart des Entladestromkreises 51 abhängig. Diese Entladezeit ist von dem Innenwiderstand 22 der Batteriezelle 21 beziehungsweise von der Temperatur der Batteriezelle 21 unabhängig.
Nach dem Ablaufen einer Zeit, die größer als die oder gleich mit der in diesem Fall bekannten Entladezeit ist, kann ferner die Schalteinheit 60 zum erneuten Aufladen des Kondensators 50 von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung erneut von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand geschaltet werden. Die zum Aufladen des Kondensators 50 von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung benötigte Ladezeit kann dann widerholt gemessen werden. Weiterhin können aus der widerholt gemessenen Ladezeit der Innenwiderstand 22 der Batteriezelle 21 und daraus die Temperatur der Batteriezelle 21 auch widerholt gemessen werden.
Erfindungsgemäß können die Schalteinheiten 60 der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen 21 mittels eines Batteriemanagementsystems eines Batteriesystems mit einer Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen angesteuert werden. Die vorhin genannte Bestimmung der Temperatur der Batteriezelle 21 einer erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung 20, die auf der Bestimmung des Innenwiderstands der Batteriezelle 21 der entsprechenden erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung 20 basiert, kann dann mittels desselben Batteriemanagementsystems durchgeführt werden.
3 zeigt drei in Abhängigkeit von einer Zeit t dargestellte Verläufe der Spannungen UC, die für drei unterschiedliche Temperaturen T1, T2, T3 der Batteriezelle 21 der Batteriezelleinrichtung 20 nach der ersten Ausführungsform an dem Kondensator 50 der Temperaturmessschaltung 40 derselben Batteriezelleinrichtung 20 anliegen. Dabei ist die erste Temperatur T1 kleiner als die zweite Temperatur T2 und die zweite Temperatur T2 kleiner als die dritte Temperatur T3.
Der zeitabhängige Verlauf der an dem Kondensator 50 anliegenden Spannung UC für die erste Temperatur T1 der Batteriezelle 21 wird in der 3 mit KT1 gekennzeichnet. Der zeitabhängige Verlauf der an dem Kondensator 50 anliegenden Spannung UC für die zweite Temperatur T2 der Batteriezelle 21 wird in der 3 mit KT2 gekennzeichnet. Der zeitabhängige Verlauf der an dem Kondensator 50 anliegenden Spannung UC für die dritte Temperatur T3 der Batteriezelle 21 wird in der 3 mit KT3 gekennzeichnet.
Der Kondensator 50 wird für alle drei Temperaturen T1, T2, T3 auf dieselbe vordefinierte Ladespannung UC1 aufgeladen, die beispielsweise einem sechstel der maximale Ladespannung entspricht, auf die der Kondensator 50 von der Batteriezelle 21 aufgeladen werden kann. Mit t1 wird dabei die erste Ladezeit gekennzeichnet, die beim Vorliegen der ersten Temperatur T1 der Batteriezelle 21 zum Aufladen des Kondensators 50 von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung UC1 benötigt wird. Mit t2 wird ferner die zweite Ladezeit gekennzeichnet, die beim Vorliegen der zweiten Temperatur T2 der Batteriezelle 21 zum Aufladen des Kondensators 50 von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung UC1 benötigt wird. Mit t3 wird weiterhin die dritte Ladezeit gekennzeichnet, die beim Vorliegen der dritten Temperatur T3 der Batteriezelle 21 zum Aufladen des Kondensators 50 von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung UC1 benötigt wird.
Aus der 3 ist leicht ersichtlich, dass je kleiner die Temperatur der Batteriezelle 21 ist, desto kürzer die zum Aufladen des Kondensators 50 von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung UC1 benötigte Ladezeit ist. Die Abhängigkeit zwischen der Ladezeit des Kondensators 50 und der Temperatur der Batteriezelle 21 wird in der 3 mit einem Pfeil angedeutet.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 2 und 3 Bezug genommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011075361 A1 [0004]
DE 102011011920 A1 [0005]

Claims

Batteriezelleinrichtung (20) mit einer Batteriezelle (21) und einer Spannungsmesseinheit (30), die dazu vorgesehen ist, die zwischen zwei Batteriezellmessanschlüssen (25, 26) der Batteriezelle (21) anliegende Spannung zu messen, wobei jeweils ein Batteriezellmessanschluss (25, 26) der zwei Batteriezellmessanschlüsse (25, 26) der Batteriezelle (21) einem Batteriezellpol (23, 24) von zwei Batteriezellpolen (23, 24) der Batteriezelle (21) zugeordnet ist und mit dem zugeordneten Batteriezellpol (23, 24) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine zwischen den Batteriezellpolen (23, 24) und den Batteriezellmessanschlüssen (25, 26) der Batteriezelle (21) angeordneten Temperaturmessschaltung (40), die einen Kondensator (50) und eine Schalteinheit (60) umfasst, wobei beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit (60) der Kondensator (50) zwischen die beiden Batteriezellmessanschlüsse (25, 26) geschaltet ist und von der Batteriezelle (21) auf eine vordefiniere Ladespannung (UC1) aufladbar ist, und wobei beim Vorliegen der in ihren nicht leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit (60) der Kondensator (50) über einen geschlossenen, in der Temperaturmessschaltung (40) angeordneten und über den Kondensator (50) verlaufenden Entladestromkreis (51) vollständig entladbar ist.
Batteriezelleinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der Kondensator (50) derartig vorgesehen ist, dass beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit (60) die Temperaturmessschaltung (40) der Spannungsmesseinheit (30) die an dem Kondensator (50) anliegende Spannung (UC) bereitstellt.
Batteriezelleinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Entladestromkreis (51) derartig vorgesehen ist, dass beim Vorliegen der in ihren nicht leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit (60) die Temperaturmessschaltung (40) der Spannungsmesseinheit (30) eine von der an dem Kondensator (50) anliegenden Spannung und von einer zwischen den Batteriezellpolen (23, 24) der Batteriezelle (21) anliegenden Spannung linear abhängigen Spannung bereitstellt.
Batteriemanagementsystem für ein Batteriesystem (10) mit einer Batterie (11) mit mehreren Batteriezelleinrichtungen (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Batteriemanagementsystem dazu ausgebildet ist, die Schalteinheiten (60) der Batteriezelleinrichtungen (20) anzusteuern und die zum Aufladen des Kondensators (50) jeder Batteriezelleinrichtung (20) von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung (UC1) benötigte Ladezeit (t1, t2, t3) aus dem zeitabhängigen Verlauf (KT1, KT2, KT3) der beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit (60) der entsprechenden Batteriezelleinrichtung (20) mittels der Spannungsmesseinheit (30) der entsprechenden Batteriezelleinrichtung (20) gemessenen Spannung (UC) zu ermitteln und aus der ermittelten Ladezeit (t1, t2, t3) des Kondensators (50) jeder Batteriezelleinrichtung (20) den Innenwiderstand (22) der Batteriezelle (21) der entsprechenden Batteriezelleinrichtung (20) und daraus die Temperatur (T1, T2, T3) der Batteriezelle (21) der entsprechenden Batteriezelleinrichtung (20) jeweils zu bestimmen.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 4, wobei das Batteriemanagementsystem weiter dazu ausgebildet ist, die bestimmte Temperatur (T1, T2, T3) der Batteriezelle (21) jeder Batteriezelleinrichtung (20) mit einem vorbestimmten Temperaturgrenzwert zu vergleichen und beim Vorliegen einer bestimmten Temperatur (T1, T2, T3) der Batteriezelle (21) einer der Batteriezelleinrichtungen (20), die den Temperaturgrenzwert überschreitet, einen defekten Zustand der Batteriezelle (21) dieser Batteriezelleinrichtung (20) zu erkennen.
Batteriemanagementsystem nach einem der Ansprüche 4 der 5, wobei zwischen je zwei benachbarten Batteriezelleinrichtungen (20) der Batterie (11) des Batteriesystems (10) je ein Temperatursensor angeordnet ist, der vorzugsweise an den Batteriezellisolatoren der Batteriezellen (21) der entsprechenden benachbarten Batteriezelleinrichtungen (20) angebracht ist, und wobei das Batteriemanagementsystem weiter dazu ausgebildet ist, zur Plausibilisierung der mittels der Temperatursensoren gemessenen Temperaturen der Batteriezellen (21) der Batteriezelleirichtungen (20) diese gemessenen Temperaturen der Batteriezellen (21) der Batteriezelleinrichtungen (20) mit den aus den Innenwiderständen der Batteriezellen (21) der Batteriezelleinrichtungen (20) bestimmten Temperaturen (T1, T2, T3) der Batteriezellen (21) der Batteriezelleinrichtungen (20) zu vergleichen.
Verfahren zum Bestimmen der Temperatur (T1, T2, T3) einer Batteriezelle (21) einer Batteriezelleinrichtung (20) gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Aufladen eines Kondensators (50) auf eine vordefinierte Ladespannung (UC1) durch die Batteriezelle (21), – Ermitteln der dafür benötigte Ladezeit (t1, t2, t3), und – Bestimmen der Temperatur (T1, T2, T3) der Batteriezelle (21) anhand eines aus der ermittelten Ladezeit (t1, t2, t3) bestimmten Innenwiderstandes (22) der Batteriezelle (21).
Verfahren zum Bestimmen der Temperatur (T1, T2, T3) einer Batteriezelle (21) einer Batteriezelleinrichtung (20) nach Anspruch 7, wobei jeweils ein Batteriezellmessanschluss (25, 26) von zwei Batteriezellmessanschlüssen (25, 26) der Batteriezelle (21) einem Batteriezellpol (23, 24) von zwei Batteriezellpolen (23, 24) der Batteriezelle (21) zugeordnet ist und mit dem zugeordneten Batteriezellpol (23, 24) verbunden ist, wobei die Schritte des Aufladens des Kondensators (50), des Ermittelns der dafür benötigte Ladezeit (t1, t2, t3) und des Bestimmens der Temperatur (T1, T2, T3) der Batteriezelle (21) ausgeführt werden, indem eine in der Batteriezelleinrichtung (20) zwischen den Batteriezellpolen (23, 24) und den Batteriezellmessanschlüssen (25, 26) der Batteriezelle (21) angeordnete Temperaturmessschaltung (40) mit einem Kondensator (50) und einer Schalteinheit (60) verwendet wird, wobei der vollständig entladene Kondensator (50) zum Aufladen durch die Batteriezelle (21) auf eine vordefinierte Ladespannung (UC1) zwischen die Batteriezellmessanschlüsse (25, 26) der Batteriezelle (21) geschaltet wird, indem die Schalteinheit (60) von ihrem nicht leitenden in ihren leitenden Zustand geschaltet wird, und wobei mittels einer in der Batteriezelleinrichtung (20) angeordneten Spannungsmesseinheit (30) die beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit (60) zwischen den Batteriezellmessanschlüssen (24, 25) der Batteriezelle (21) anliegende Spannung (UC) gemessen wird und wobei die zum Aufladen des Kondensators (50) von einer Spannung von 0 Volt auf die vordefinierte Ladespannung (UC1) benötigte Ladezeit (t1, t2, t3) aus dem zeitabhängigen Verlauf (KT1, KT2, KT3) der beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit (60) mittels der Spannungsmesseinheit (30) gemessenen Spannung (UC) ermittelt wird und aus der ermittelten Ladezeit (t1, t2, t3) des Kondensators (50) den Innenwiderstand (22) der Batteriezelle (21) und daraus die Temperatur (T1, T2, T3) der Batteriezelle (21) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kondensator (50) derartig vorgesehen ist, dass beim Vorliegen der in ihrem leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit (60) mittels der Temperaturmessschaltung (40) die an dem Kondensator (50) anliegende Spannung (UC) zwischen den Batteriezellmessanschlüssen (25, 26) der Batteriezelle (21) bereitstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei zum Entladen des Kondensators (50) über einen geschlossenen, in der Temperaturmessschaltung (40) und über den Kondensator (50) verlaufenden Entladestromkreis (51) die Schalteinheit (60) von ihrem leitenden Zustand in ihren nicht leitenden Zustand geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Entladestromkreis (51) derartig vorgesehen ist, dass beim Vorliegen der in ihren leitenden Zustand geschalteten Schalteinheit (60) mittels der Temperaturmessschaltung (40) eine von der an dem Kondensator (50) anliegenden Spannung und von einer zwischen den Batteriezellpolen (23, 24) der Batteriezelle (21) anliegenden Spannung linear abhängige Spannung zwischen den Batteriezellmessanschlüssen (25, 26) der Batteriezelle (21) bereitstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die bestimmte Temperatur (T1, T2, T3) der Batteriezelle (21) der Batteriezelleinrichtung (20) mit einem vorbestimmten Temperaturgrenzwert verglichen wird und beim Vorliegen einer bestimmten Temperatur, die den Temperaturgrenzwert überschreitet, ein defekter Zustand der Batteriezelle (21) dieser Batteriezelleinrichtung (20) erkannt wird.
Batteriesystem (10) mit einer Batterie (11) mit mehreren Batteriezelleinrichtungen (20) nach einem der Ansprüchen 1 bis 3 und einem Batteriemanagementsystem nach einem der Ansprüchen 4 bis 6, wobei zwischen je zwei benachbarten Batteriezelleinrichtungen (20) der Batterie (11) bevorzugt je ein Temperatursensor angeordnet ist, der vorzugsweise an den Batteriezellisolatoren der Batteriezellen (21) der entsprechenden benachbarten Batteriezelleinrichtungen (20) angebracht ist.