DE102020215243B4 - Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Ruhezustand - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (1) zur Überwachung von Batteriezellen (BT1 - BTX) eines Batteriestranges (10) im Ruhezustand, umfassend Differenzspannungseinheiten (30) für jede Batteriezelle (BT1 - BTX), wobei jeder Differenzspannungseinheit (30) ein Bandpassfilter (35) nachgeordnet ist, wobei die Ausgänge von jeweils zwei Bandpassfiltern (35) mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (36) mit nachgeordneten Gleichrichtern (37) verbunden sind, wobei die Ausgänge der Gleichrichter (37) mit jeweils einem Eingang eines Komparators (38) verbunden sind, wobei die Ausgänge des Komparators (38) mit mindestens einer Logik-Einheit (40) zur Erzeugung eines Überwachungssignals verbunden sind, wobei die Vorrichtung (1) eine Anregungsschaltung (20) aufweist, die derart ausgebildet ist, für eine vorgegebene Zeit einen Entladestrom zu erzeugen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Ruhezustand.
• Bei einem unentdeckten Schaden einer Batteriezelle in einem Batteriestrang z.B. aufgrund eines Herstellungsfehlers, einer unzulässigen Erwärmung oder einer sonstigen Beschädigung kann es zu einer thermischen Propagation (thermal runaway) kommen. Aus Sicherheitsaspekten ist man bemüht, dieses Ereignis so früh wie möglich zu detektieren. Die bekannten Sensoriken haben dabei verschiedene Nachteile.
• Beispielsweise sind Gas- oder Drucksensoriken bekannt, mittels derer detektiert wird, ob eine Batteriezelle ausgast. Dies ist ein relativ kurzer Zeitpunkt vor einer möglichen thermischen Propagation, so dass die Reaktionszeit entsprechend verkürzt ist. Auch klassische Zellspannungsmessungen sind relativ träge. Direkte Messungen der Temperaturen über alle Batteriezellen sind schaltungstechnisch sehr aufwendig. Ein weiteres mögliches Verfahren ist die Impedanzspektroskopie, die Strom- und Spannungsmessungen durchführt und daraus frequenzabhängig die Impedanz mit Amplitude und Phase bestimmt. Derartige Messzyklen dauern einige Minuten und verbrauchen viel Energie.
• Aus der DE 196 54 045 A1 ist ein Batteriekapazitätsvorhersageverfahren zum Vorhersagen einer verbleibenden Kapazität einer Batterieeinheit bekannt, die eine Vielzahl von Batteriezellen enthält, die seriell verbunden sind, in einer Vorrichtung, bei der die Batterieeinheit verwendet wird. Dabei werden die Ausgangsspannungen von jeder der Batteriezellen verglichen, wobei eine Vorhersage der verbleibenden Kapazität auf der Basis wenigstens einer von einer minimalen Spannung und einer maximalen Spannung von den verglichenen Ausgangsspannungen der Batteriezellen erfolgt.
• Aus der JP 2012 - 47 520 A ist ein ähnliches Verfahren bekannt.
• Aus der US 5 349 668 A ist ein batteriebetriebener Computer bekannt, der eine Batterie mit einer Vielzahl von seriell verbundenen Batteriezellenbänken umfasst, die während des Betriebes des Computers überwacht werden, um eine fast entladene Batteriebank und eine vollständig entladene Batteriebank zu erkennen. Der Computer enthält auch eine Vielzahl von Mikroprozessoren, einschließlich eines Host- oder Systemprozessors, eines Serviceprozessors und eines Leistungsteilungssystemprozessors. Wenn eine fast entladene Batteriebank erkannt wird, wird der Prozessor des Stromversorgungs-Subsystem unterbrochen und er sendet eine Nachricht an den Service-Prozessor, der wiederum den Host-Prozessor unterbricht. Ein Interrupt-Handler fährt dann das System herunter. Wenn eine vollständig entladene Batteriebank erkannt wird, wird die Batterie sofort abgeklemmt und das System abgeschaltet, um eine Polarität oder Zellvertauschung zu verhindern.
• Aus der US 2006 / 0 279 255 A1 ist ein auf- und entladbares Stromversorgungssystem bekannt, wobei mehrere Batteriezellenabschnitte in Reihe miteinander verbunden sind, wobei mehrere Zellenzustands-Erfassungsabschnitte für die jeweiligen Batteriezellenabschnitte installiert und konfiguriert sind, einen Ladezustand in den jeweils entsprechenden Batteriezellenabschnitten zu detektieren. Ein Leistungssteuerungsabschnitt ist derart konfiguriert, um eine Stromversorgungssteuerung für die Batterie durchzuführen.
• Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine alternative Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Ruhezustand zu schaffen, die eine frühzeitige Warnung vor thermischer Propagation ermöglicht.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Ruhezustand weist Differenzspannungseinheiten für jede Batteriezelle des Batteriestranges auf. Der Batteriestrang ist dabei eine Reihenschaltung von Batteriezellen. Der Batteriestrang kann dabei ein Batteriemodul oder eine komplette Batterie sein, beispielsweise eine Hochvoltbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges. Mittels der Differenzspannungseinheiten werden dabei differentielle Spannungsmessungen an den beiden Zellpolen einer Batteriezelle vorgenommen. Den Differenzspannungseinheiten ist jeweils ein Bandpassfilter nachgeordnet, um den Frequenzbereich auf ein besonders aussagekräftiges Frequenzband zu begrenzen. Das Frequenzband ist dabei abhängig vom Batteriezellen-Typ, wobei hierbei auf Ergebnisse von Impedanzspektroskopie-Messungen an den Batteriezellen-Typen zurückgegriffen werden kann. Die Ausgänge von jeweils zwei Bandpassfiltern sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden, um so Abweichungen zwischen zwei Ausgangssignalen an den Bandpassfiltern zu erfassen. Dabei können jeweils benachbarte Badpassfilter auf einen Differenzverstärker geführt sein, aber auch weiter voneinander beabstandete Bandpassfilter. Die Ausgänge der Differenzverstärker sind mit einem Gleichrichter, vorzugsweise einem Zwei-Weg-Gleichrichter verbunden. Am Ausgang der Gleichrichter liegen dann uni-polare Spannungssignale. Die Ausgänge der Gleichrichter sind dann mit Eingängen von Komparatoren verbunden, deren Ausgänge mit den Eingängen einer Logik-Einheit zur Erzeugung eines Überwachungssignale verbunden sind, wobei die Logik-Einheit im einfachsten Fall ein Oder-Gatter ist. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Anregungsschaltung auf, die derart ausgebildet ist, für eine vorgegebene Zeit einen Entladestrom zu erzeugen. Hierdurch wird der Batteriestrang temporär belastet, was sich in Spannungsänderungen an den Batteriezellen bemerkbar macht. Diese differentiellen Spannungsänderungen werden nun in einem bestimmten Frequenzband miteinander verglichen. Bei einer Abweichung eines Ausgangssignals am Bandpassfilter von den übrigen Ausgangssignalen spricht dies dafür, dass eine Batteriezelle beschädigt und/oder im Vergleich zu den anderen Batteriezellen überhitzt ist, was somit ohne direkte Temperaturmessung erfassbar ist. Ist dies der Fall, so erzeugt die Logik-Einheit ein Signal, um entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Beispielsweise kann eine komplexere Überwachungseinrichtung aktiviert werden, die einen höheren Ruhestrombedarf hat, dafür aber die Batteriezellen genau untersuchen kann. Alternativ oder ergänzend kann eine Warnmeldung generiert werden und/oder eine Kühlung der Batteriezellen gestartet werden. Ein Vorteil der Vorrichtung ist, dass diese ohne komplexere Mikroprozessoren einen ersten Hinweis auf einen möglichen Defekt einer Batteriezelle liefert, wobei der Ruhestrombedarf sehr gering ist, da viele Einheiten mit passiven Elementen gebildet werden können. Dabei kann vorgesehen sein, dass die aktiven Bauelemente (wie z.B. die Differenzverstärker) nur für die Messzeit mit der Versorgungsspannung verbunden sind, d.h. die Anregungsschaltung schaltet die Vorrichtung ein und aus.
• In einer Ausführungsform weist die Anregungsschaltung ein Relais oder einen Halbleiterschalter (z.B. MOSFET oder IGBT) sowie eine Steuerschaltung auf. Der Vorteil des Relais ist die galvanische Trennung, allerdings sind die erreichbaren Schaltzeiten im Vergleich zu Halbleiterschaltern gering, so dass zur Durchführung schneller Messungen Halbleiterschalter zu bevorzugen sind.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerschaltung als Timer ausgebildet, die dann jeweils nach einer vorgegebenen Zeit die Anregungsschaltung bzw. die Vorrichtung aktiviert und nach einer vorgegebenen Zeit wieder deaktiviert.
• In einer weiteren Ausführungsform weist die Anregungsschaltung einen separaten Lastwiderstand auf oder der Halbleiterschalter mit seinem Durchgangswiderstand bildet die Last.
• In einer weiteren Ausführungsform weist eine Differenzspannungseinheit zwei Gleichspannungs-Filter auf, die jeweils einem Batteriepol zugeordnet sind, sowie einen Differenzverstärker auf. Die Gleichspannungs-Filter können auch als DC-Blocker bezeichnet werden und sind im einfachsten Fall als Kondensatoren ausgebildet. Durch das Abtrennen der Gleichspannungsanteile vereinfacht sich die nachfolgende Signalverarbeitung erheblich, da dann alle Signale gegen die gleiche Bezugsmasse gemessen werden können.
• In einer weiteren Ausführungsform ist jeweils zwischen einem Gleichspannungs-Filter und einem Eingang des Differenzverstärkers ein Verstärker angeordnet. Der Verstärker dient dabei primär zur Verstärkung der Spannungssignale, filtert aber zusätzlich hochfrequente Anteile aufgrund seiner Trägheit heraus, was günstig für den nachfolgenden Differenzverstärker und Bandpassfilter ist.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die vorgegebene Zeit größer 100 ms und kleiner als 1 s, und ist vorzugsweise zwischen 150 ms und 250 ms. Hierdurch wird eine ausreichend lange Spannungsantwort erzeugt, wobei der Ruhestrombedarf sehr gering ist.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die untere Grenzfrequenz des Bandpassfilters größer 50 Hz und die obere Grenzfrequenz kleiner 500 Hz, weiter vorzugsweise liegt der Bandpass bei 100 Hz untere Grenzfrequenz und 300 Hz obere Grenzfrequenz.
• In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens einer Batteriezelle ein Temperatursensor zugeordnet, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, aufgrund der Messergebnisse der Differenzspannungseinheiten und des Messwertes des Temperatursensors die Temperaturen der Batteriezellen ohne Temperatursensor zu schätzen.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung Bestandteil eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Ruhezustand.
• In der 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Überwachung eines Batteriestranges 10 mit mehreren Batteriezellen BT1 - BTX dargestellt. Dabei ist die schaltungstechnische Umsetzung der Vorrichtung 1 für die ersten vier Batteriezellen BT1 - BT4 dargestellt, wobei die Fortsetzung für die weiteren Batteriezellen BTX nur gestrichelt angedeutet ist. Die Vorrichtung 1 weist eine Anregungsschaltung 20 auf, die einen Timer 22 als Steuereinheit 21, einen Lastwiderstand 23 sowie ein Schaltelement 24 aufweist, das vorzugsweise als Halbleiterschalter 25 ausgebildet ist. Weiter weist die Vorrichtung 1 entsprechend der Anzahl an Batteriezellen BT1 - BTX Differenzspannungseinheiten 30 auf. Jede Differenzspannungseinheit 30 weist zwei Gleichspannungs-Filter 31 auf, die jeweils mit einem Batteriepol der zugeordneten Batteriezelle BT1 - BTX verbunden sind. Die Ausgänge der Gleichspannungs-Filter 31 sind jeweils mit einem Eingang eines Verstärkers 32 verbunden, wobei die beiden Ausgänge des Verstärkers 32 mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 34 verbunden sind. Weiter weist die Vorrichtung 1 Bandpassfilter 35 auf, wobei die Ausgänge der Differenzverstärker 34 jeweils mit einem Eingang eines Bandpassfilters 35 verbunden ist, der beispielsweise eine untere Grenzfrequenz von 100 Hz und eine obere Grenzfrequenz von 300 Hz aufweist. Die Ausgänge von jeweils zwei Bandpassfiltern sind mit den Eingängen eines weiteren Differenzverstärkers 36 verbunden. Dabei ist dargestellt, dass die Bandpassfilter 35 der ersten Batteriezelle BT1 und der dritten Batteriezelle BT3 auf einen gemeinsamen Differenzverstärker 36 geführt sind sowie die Bandpassfilter 35 der zweiten Batteriezelle BT2 und vierten Batteriezelle BT4 auf einen gemeinsamen Differenzverstärker 36. Andere Zuordnungen sind möglich, wie beispielsweise, dass die jeweils direkt benachbarten Bandpassfilter 35 paarweise zusammengefasst werden. Die Ausgänge der Differenzverstärker 36 sind mit den Eingängen von Gleichrichtern 37 verbunden, deren Ausgänge mit jeweils einem Eingang eines Komparators 38 verbunden sind. An dem jeweils anderen Eingang eines Komparators 38 ist eine Referenzspannungsquelle Vref angeschlossen. Die Ausgänge der Komparatoren 38 sind mit einer Logik-Einheit 40 verbunden, wobei die Logik-Einheit 40 beispielsweise ein Oder-Gatter ist. Der Ausgang der Logik-Einheit 40 stellt ein Überwachungssignal bereit, das ein Trigger- bzw. Wake-up-Signal einer komplexeren Messeinrichtung 50 für die Batteriezellen BT1 - BTX sein kann. Schließlich weist die Vorrichtung 1 noch mindestens einen Temperatursensor T auf, der der ersten Batteriezelle BT1 zugeordnet ist.
• Die Wirkungsweise der Vorrichtung 1 soll nun kurz erläutert werden. Der Batteriestrang 10 ist im Ruhezustand, so dass kein Lade- oder Entladestrom fließt. Die Steuereinheit 21 der Anregungsschaltung 20 aktiviert dann zu einer vorgegebenen Zeit (z.B. alle 15 Minuten) die übrige Vorrichtung 1 und schaltet schließend für eine vorgegebene Zeit von beispielsweise 200 ms das Schaltelement 24, so dass ein Laststrom durch den Lastwiderstand 23 fließen kann, wobei anschließend das Schaltelement 24 wieder geöffnet wird. Dieser Laststrom verursacht Spannungsänderungen an den Batteriezellen BT1 - BTX. Diese differentiellen Spannungsänderungen an den Batteriepolen sind im Idealfall alle gleich groß, d.h. alle Batteriezellen werden gleich stark belastet. Durch die Gleichspannungs-Filter 31werden nun die Gleichspannungsanteile geblockt und nur die Wechselspannungsanteile zur weiteren Verarbeitung durchgelassen, wobei durch den Verstärker 32 bzw. den Differenzverstärker 34 sehr hochfrequente Anteile herausgefiltert werden. An den Ausgängen der Differenzverstärker 34 liegt dann die Wechselspannung der einzelnen Batteriezellen BT1 - BTX als Spannungsantwort auf den kurzzeitigen Laststrom der Anregungsschaltung 20 an. Durch den Bandpassfilter 35 wird dann das Frequenzband der Spannungsantwort auf einen aussagekräftigen Bereich beschränkt. Im Idealfall sind diese Signale am Ausgang der Bandpassfilter 35 ebenfalls für alle Batteriezellen BT1 - BTX gleich. Durch den nachfolgenden Differenzverstärker 36, der jeweils die Signale von zwei Bandpassfiltern 35 vergleicht, wird nun festgestellt, ob sich zwei Batteriezellen BT1 - BTX unterscheiden. Verhält sich die Spannungsantwort einer Batteriezelle BT1 - BTX anders als die der anderen Batteriezellen BT1 - BTX, so ist dies ein Anzeichen, dass die abweichende Batteriezelle BT1 - BTX einen Herstellungsfehler hat, mechanisch beschädigt und/oder überhitzt ist. Da nun nicht klar ist, welche der Batteriezellen BT1 - BTX defekt ist, kann das Ausgangssignal am Differenzverstärker positiv oder negativ sein. Durch die nachfolgende Gleichrichtung des Gleichrichters 37 wird dieses Problem gelöst. Anschaulich klappt der Gleichrichter 37 negative Spannungen in positive Spannungen um. Diese Spannungssignale von den Gleichrichtern 37 werden nun am Komparator 38 mit der Referenzspannungsquelle Vref verglichen. Ist nun eine Batteriezelle BT1 - BTX defekt, so liegt am zugewiesenen Gleichrichter 37 eine Spannung größer der Referenzspannung an und ein Spannungssignal wird am Ausgang des Komparators 38 erzeugt. Dies erzeugt wiederum ein Spannungssignal am Ausgang der Logik-Einheit 40. Dabei kann die Logik auch abgeändert werden, dass beispielsweise am Komparator 38 stets ein Spannungssignal am Ausgang anliegt und nur im Fall einer großen Spannung an einem Gleichrichter 37 die Spannung auf Null geht. In diesem Fall wäre die Logik-Einheit 40 ein Und-Gatter.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

10

Batteriestrang

20

Anregungsschaltung

21

Steuereinheit

22

Timer

23

Lastwiderstand

24

Schaltelement

25

Halbleiterschalter

30

Differenzspannungseinheit

31

Gleichspannungs-Filter

32

Verstärker

34

Differenzverstärker

35

Bandpassfilter

36

Differenzverstärker

37

Gleichrichter

38

Komparator

40

Logik-Einheit

50

Messeinrichtung

T

Temperatursensor

BT1 - BTX

Batteriezellen

Vref

Referenzspannungsquelle

Claims (10)

1. Vorrichtung (1) zur Überwachung von Batteriezellen (BT1 - BTX) eines Batteriestranges (10) im Ruhezustand, umfassend Differenzspannungseinheiten (30) für jede Batteriezelle (BT1 - BTX), wobei jeder Differenzspannungseinheit (30) ein Bandpassfilter (35) nachgeordnet ist, wobei die Ausgänge von jeweils zwei Bandpassfiltern (35) mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (36) mit nachgeordneten Gleichrichtern (37) verbunden sind, wobei die Ausgänge der Gleichrichter (37) mit jeweils einem Eingang eines Komparators (38) verbunden sind, wobei die Ausgänge des Komparators (38) mit mindestens einer Logik-Einheit (40) zur Erzeugung eines Überwachungssignals verbunden sind, wobei die Vorrichtung (1) eine Anregungsschaltung (20) aufweist, die derart ausgebildet ist, für eine vorgegebene Zeit einen Entladestrom zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsschaltung (20) ein Relais oder einen Halbleiterschalter (25) sowie eine Steuereinheit (21) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) als Timer (22) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsschaltung (20) einen separaten Lastwiderstand (23) aufweist, oder der Halbleiterschalter (25) die Last bildet.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenzspannungseinheit (30) zwei Gleichspannungs-Filter (31) aufweist, die jeweils einem Batteriezellenpol einer Batteriezelle (BT1 - BTX) zugeordnet sind, sowie einen Differenzverstärker (34).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen einem Gleichspannungs-Filter (31) und einem Eingang des Differenzverstärkers (34) ein Verstärker (32) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit größer 100 ms und kleiner als 1 s ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Grenzfrequenz des Bandpassfilters (35) größer 50 Hz und die obere Grenzfrequenz kleiner 500 Hz ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer Batteriezelle (BT1 - BTX) ein Temperatursensor (T) zugeordnet ist, wobei die Vorrichtung (1) derart ausgebildet ist, aufgrund der Messergebnisse der Differenzspannungseinheiten (30) die Temperatur der Batteriezellen (BT1 - BTX) ohne Temperatursensor (T) zu schätzen.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Bestandteil eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges ist.

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