DE19518729A1 - Einrichtung zum Messen von Batteriezellparametern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Zellparame­ tern einer mehrere in Reihe geschaltete Zellen aufweisenden Gesamtbatterie.

Bei der Anwendung von mehrzelligen Batterien weisen die Klemmenspannungen der einzelnen Zellen oder Gruppen von Zellen unvermeidlich unterschiedliche Klemmenspannungen auf (Nachfolgend wird durchgängig der Begriff "Zelle" für einzelne Zellen als auch Gruppen von Zellen verwendet. Der Begriff umfaßt somit jeweils alle meßtechnisch zu einer Einheit zusammengefaßte Einzelzellen).

Zur Vermeidung von Überladungen oder Tiefladungen einzelner Zellen ist wün­ schenswert, eine möglichst große Anzahl von Teilspannungen zu messen. Dies gilt auch für die einzelnen Zelltemperaturen. Weiterhin ist es bei Ausfall einer Batterie schwierig und zeitaufwendig, die defekte(n) Zelle(n) aufzufinden. Eine Klärung der Ausfallursache ist ebenfalls nicht ohne weiteres möglich.

Zur Messung von Teilspannungen sind Meßvorrichtungen bekannt, die je eine Meßleitung zwischen jeder zu messenden Zelle und einer zentralen Meßstation besitzen. Der damit verbundene Verkabelungs- und Kontaktierungsaufwand an der Meßstation ist beträchtlich.

Weiterhin ist aus EP 0 277 321 eine Schaltung zur laufenden Überprüfung der Qualität einer mehrzelligen Batterie bekannt. Nach diesem Stand der Technik wird jeder Zelle eine Meßschaltung zugeordnet, die über die gemeinsame Steuer­ leitung und/oder Meßleitung ausgelöst wird, wobei die Meßwerte nacheinander über die gemeinsame Meßleitung einer gemeinsamen Auswerteschaltung zu­ geführt werden. Der Nachteil bei dieser Anordnung besteht darin, daß jede Meßschaltung mit beiden Polen der zu messenden Zelle verbunden werden muß, daß die Meßschaltung Energie benötigt, welche aus der zu messenden Batterie entnommen wird, und daß jede Meßschaltung eine Einrichtung zur Signalcodie­ rung und Koppelglieder zur Potentialtrennung besitzt.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht demgemäß darin, eine baulich möglichst einfache Einrichtung zum Messen von Batteriezellparametern anzugeben.

Dieses Problem wird durch eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen von Zellparametern einer mehrere in Reihe geschaltete Zellen aufweisenden Gesamt­ batterie mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 12 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird jeder Knotenpunkt zwischen den Zellen jeweils nur einmal kontaktiert. Ferner laufen die batterienah anordnungs­ fähigen nichtlinearen Schaltungen zu einem Sternpunkt zusammen, so daß zum Abgreifen der elektrischen Meßgrößen lediglich eine Leitung ausgehend vom Sternpunkt aus notwendig ist.

Vorzugsweise ist die nichtlineare Schaltung eine passive Schaltung, so daß sich durch die Meßeinrichtung keine erhebliche Belastung der Batterie durch aktive Verbraucher ergibt.

Eine besonders einfache nichtlineare Schaltung zur Realisierung der erfindungs­ gemäßen Funktion ist eine Stromquelle, deren Stromstärke eine vorgegebene nichtlineare Abhängigkeit von ihrer Klemmenspannung besitzt. Die nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik der Stromquelle ist vorzugsweise derart, daß die Stromquelle nur innerhalb eines vorgegebenen Klemmenspannungsbereiches Strom liefert. Derartige Stromquellen sind baulich besonders einfach zu realisie­ ren. Ein bevorzugtes Beispiel ist die Realisierung der Stromquelle durch eine Reihenschaltung aus Diode und Widerstand.

Als Steuergröße wird vorzugsweise der Widerstandswert eines steuerbaren Widerstandes herangezogen, da ein steuerbarer Widerstand baulich besonders einfach und preisgünstig zu realisieren ist.

Als die sich am Sternpunkt einstellenden elektrischen Größen werden vorzugs­ weise das Potential des Sternpunktes sowie der durch den steuerbaren Wider­ stand fließende Strom erfaßt. Der durch den steuerbaren Widerstand fließende Strom entspricht dabei der Summe der Einzelströme aller nichtlinearen Schaltun­ gen (Stromquellen).

Vorzugsweise sind die Steuereinheit und die Meßeinheit zu einer kombinierten Meß- und Steuereinheit zusammengefaßt, welche nach einer besonders bevor­ zugten Ausführungsform durch einen Rechner gesteuert wird.

Mittels der bislang beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen können als Zellparameter die jeweiligen Teilspannungen der einzelnen Zellen ermittelt werden, um so auf einfache Weise Überladungen, Tiefentladungen oder Ausfälle zu detektieren.

Alternativ oder akkumulativ kann erfindungsgemäß als zu erfassender Zellpara­ meter die Zelltemperatur gemessen werden. Dies wird bevorzugt besonders einfach erreicht, wenn die nichtlineare Schaltung eine bekannte Temperatur­ abhängigkeit besitzt und mit der jeweiligen zu messenden Zelle thermisch gekoppelt ist. Zur akkumulativen Messung von Zellspannung und Zelltemperatur wird bevorzugt eine Stromquelle mit nichtlinearer Strom-Spannungscharakteristik und Temperaturabhängigkeit eingesetzt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be­ zugnahme auf die beigefügte einzige Figur beschrieben, die eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung zeigt.

Eine Batterie B besteht aus mehreren in Reihe geschalteten einzelnen Zellen 1.

Zwischen jeden elektrischen Knotenpunkt 2 der in Reihe geschalteten Zellen 1eund einem Sternpunkt 4 ist je eine Stromquelle 3 geschaltet, deren Strom- Spannungscharakteristik ausgeprägt nichtlinear ist. Die Batterie B, die Strom­ quellen 3 und der Sternpunkt 4 bilden eine Batterieeinheit bzw. einen Batterie­ trog T.

Eine Meßeinrichtung M, die von der Batterieeinheit T entfernt angeordnet sein kann, ist über eine Verbindungsleitung mit dem Sternpunkt 4 verbunden. Weiter­ hin ist die Meßeinrichtung M mit einem Endpol 0 der Batterie B verbunden. Alternativ könnte die Meßeinrichtung mit einem der beliebigen Knotenpunkte 2 verbunden sein.

Die Meßeinheit M weist eine rechnergesteuerte Meß- und Steuereinheit 6, einen steuerbaren Widerstand 5 und eine in Reihe mit diesem geschaltete Strom­ meßeinrichtung 7 auf. Die Reihenschaltung aus steuerbarem Widerstand 5 und Strommeßeinrichtung 7 ist einerends mit der von dem Sternpunkt 4 kommenden Verbindungsleitung und andernends mit der von dem Endpol 0 der Batterie B kommenden Leitung verbunden.

Ferner ist die Meß- und Steuereinheit 6 direkt mit der von dem Sternpunkt 4 kommenden Verbindungsleitung sowie der von dem Endpol 0 kommenden Leitung verbunden, so daß die Spannung zwischen dem Sternpunkt 4 und dem Endpol 0 der Gesamtbatterie B von der rechnergesteuerten Meß- und Steuer­ einheit 6 gemessen werden kann (Sternpunktspannung).

Die Meß- und Steuereinheit 6 ist weiterhin an der Strommeßeinrichtung 7 angeschlossen, so daß der durch den steuerbaren Widerstand 5 fließende Strom von der Meß- und Steuereinheit 6 gemessen werden kann.

Die Meß- und Steuereinheit 6 steuert den steuerbaren Widerstand 5 und ver­ ändert damit dessen Widerstandswert.

Mit dieser Einrichtung können die einzelnen Zellenspannungen dadurch gefunden werden, daß der steuerbare Widerstand 5 nacheinander auf eine Anzahl von Widerstandswerten eingestellt wird, die mindestens so groß ist wie die Anzahl der zu messenden Teilspannungen. Bei jedem durch einen Widerstandswert festgelegten Meßpunkt werden Wertepaare aus Sternpunktspannung und Strom durch den steuerbaren Widerstand 5 gemessen und in der rechnergesteuerten Meß- und Steuereinheit 6 gespeichert. Aus diesen Wertepaaren können bei Kenntnis der nichtlinearen Strom-Spannungscharkteristik der Stromquellen die einzelnen Teilspannungen der Zellen 1 z. B. durch iterative Lösung eines nicht­ linearen Gleichungssystems in der rechnergesteuerten Meß- und Steuereinheit 6 berechnet werden.

Zum Erreichen einer hohen Genauigkeit sollten die Meßpunkte so gewählt werden, daß die Sternpunktspannungen etwa gleichmäßig über den Bereich der Gesamtbatteriespannung verteilt sind. Außerdem sollte sich die Verteilung der Knotenpotentiale während eines Meßzyklus nicht wesentlich ändern. Daher sollte der Meßzyklus von möglichst kurzer Dauer sein und eventuell mehrfach wiederholt werden.

Das Meßverfahren ist besonders einfach, wenn die nichtlineare Strom-Span­ nungscharakteristik der Stromquellen so gewählt ist, daß die Stromquellen nur in einem determinierten Klemmenspannungsbereich Strom liefern. Die Strom- Spannungscharakteristik einer Stromquelle i = f(v) sei somit:

i = 0 für v < v0
i = g(v)_*v für v v0

Die Funktion g(v) muß bekannt sein und sollte technisch einfach realisierbar sein. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Einschaltspannungen v0 und die g(v)′s aller Stromquellen gleich sind. Besonders einfache Realisierungen für g(v) sind:
g(v) = G = konstant (ohmscher Widerstand)

oder:

g(v) = G/v (Konstantstromquelle).

Eine besonders kostengünstige Realisierung für die erste Variante mit ohmschem Widerstand ergibt sich z. B., wenn zum Schalten der Stromquellen Dioden verwendet werden, wenn also jede Stromquelle aus der Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes besteht. Das nicht-ideale Schaltverhalten der Dioden kann in der rechnergesteuerten Meß- und Steuereinheit 6 mit geringem Aufwand numerisch korrigiert werden.

Die Spannung v einer Stromquelle k ist gleich der Differenz des Knotenpotentials vk und des Sternpunktpotentials vs: v = vk - vs.

Zur Messung der Spannung einer k-ten Zelle werden bei dieser einfachen Aus­ führungsform nur vier Wertepaare benötigt, nämlich: zwei Strom-Spannungs­ wertepaare, bei denen alle Stromquellen 1 bis k eingeschaltet sind und zwei entsprechende Wertepaare, bei denen alle Stromquellen 1 bis k + 1 eingeschaltet sind. Aus den Strom- und Spannungsdifferenzen können die Zellenspannung und der Leitwert der k-ten und der (k + 1)-ten Stromquelle berechnet werden.

Wendet man diese Messung nacheinander auf alle Zellen an, ist der rechen­ technische Aufwand wesentlich geringer als bei der Lösung des nichtlinearen Gleichungssystems, da nur jeweils vier Meßwertpaare zu verarbeiten sind. Außerdem ist die Zeit für die Messung einer ausgewählten Zellenspannung kleiner. Die Zeit für die Messung aller Zellenspannungen ist jedoch größer.

Wählt man für g(v) eine Baugruppe (z. B. einen Thermistor) mit ausgeprägter Temperaturabhängigkeit i = g(v, t) und koppelt man jede dieser nunmehr temperaturabhängigen Stromquellen thermisch mit der entsprechenden zu messenden Zelle, so kann man mit der gleichen einfachen Einrichtung nicht nur sämtlich Zellenspannungen sondern auch alle Zellentemperaturen t messen.

Claims (13)

1. Einrichtung zum Messen von Zellparametern einer mehrere in Reihe ge­ schaltete Zellen (1) aufweisenden Gesamtbatterie (B), wobei zwischen jeden elektrischen Knotenpunkt (2) der Zellen (1) und einem Sternpunkt (4) je eine nichtlineare Schaltung (3) geschaltet ist, wobei die Arbeits­ punkte der Kennlinien der nichtlinearen Schaltungen (3) durch eine Steuer­ größe (5), die zwischen dem Sternpunkt (4) und einem Endpol (0) oder einem ausgewählten Knotenpunkt der Gesamtbatterie (B) aufgeschaltet ist, derart beeinflußbar sind, daß die Parameter der einzelnen Zellen (1) sich aus den für verschiedene Werte der Steuergröße (5) am Sternpunkt (4) einstellenden elektrischen Größen ergeben.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die nichtlineare Schaltung (3) eine passive Schaltung ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die nichtlineare Schaltung (3) eine Stromquelle ist, deren Stromstärke eine vorgegebene nichtlineare Abhängigkeit von ihrer Klemmenspannung besitzt.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Strom-Spannungscharak­ teristik der Stromquelle (3) so beschaffen ist, daß die Stromquelle nur innerhalb eines vorgegebenen Klemmenspannungsbereiches Strom liefert.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Stromquelle (3) aus einer Reihenschaltung von Diode und Widerstand besteht.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuergröße der Widerstandswert eines steuerbaren Widerstandes (5) ist, der von einer Steuereinheit (6) verändert werden kann.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Meßeinheit (6) die Spannung zwischen dem Sternpunkt (4) und dem Endpol (0) oder dem ausgewählten Knotenpunkt sowie den durch den steuerbaren Wider­ stand (5) fließenden Strom als die sich am Sternpunkt (4) einstellenden elektrischen Größen erfaßt.

8. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, wobei die Steuereinheit und die Meßeinheit in einer kombinierten Meß- und Steuereinheit (6) zusammengefaßt sind.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die nichtlineare Schaltung (3) eine bekannte Temperaturabhängigkeit besitzt und mit der jeweiligen zu messenden Zelle thermisch gekoppelt ist.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8 und Anspruch 9, wobei die Strom-Spannungscharakteristikder Stromquelle (3) die bekann­ te Temperaturabhängigkeit besitzt.

11. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 5 und 10, wobei der Widerstand der Stromquelle ein temperaturabhängiger Widerstand ist, welcher mit der jeweils zu messenden Zelle thermisch gekoppelt ist.

12. Verfahren zum Messen von Zellparametern einer mehrere in Reihe ge­ schaltete Zellen (1) aufweisenden Gesamtbatterie (B) zum Betrieb einer Meßeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten:

• a) Einstellen der Steuergröße (5) auf einen bestimmten Wert, so daß sich bestimmte Arbeitspunkte der Kennlinien der einzelnen Schal­ tungen einstellen,
• b) Messen von sich aufgrund der eingestellten Arbeitspunkte am Sternpunkt (4) ergebenden elektrischen Größen,
• c) N-faches Wiederholen der Schritte a) und b) unter jeweiliger Ver­ änderung der Steuergröße (5) entsprechend der Anzahl der Zellen,
• d) Ermitteln des(r) Zellparameter(s) aus den N gemessenen Sätzen von elektrischen Größen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei durch Ansteuerung des steuerbaren Widerstandes (5) die Spannung zwischen dem Sternpunkt (4) und dem Endpol (0) der Gesamtbatterie auf mindestens eine der Zellanzahl ent­ sprechenden Anzahl von verschiedenen Spannungswerten eingestellt wird und aus den an jedem Einstellpunkt gemessenen Strom-Spannungswerte paaren und der bekannten Strom-Spannungscharakteristik der Stromquel­ len (3) die Potentiale aller Knotenpunkte (2) in der Meß- und Steuereinheit (6) berechnet werden.