DE19518729C2 - Einrichtung zum Messen von Teilspannungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Teilspannungen einer mehrere in Reihe geschalteten Zellen aufweisenden Gesamtbatterie und zum Ermitteln der Temperaturen der Zellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Einrichtung ist bereits aus der WO 94/07153 bekannt.

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 Anmzahl von Teilspannungen zu messen. Dies gilt auch für die einzelnen Zelltemperaturen. Weiterhin ist es bei Ausfall einer Barrerie 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 Steuerleitung 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 Signalcodierung und Koppelglieder zur Potentialtrennung besitzt.

Die DE 31 46 141 A1 betrifft eine Überwachungseinrichtung für eine Batterie, die zum Messen von Teilspannungen einer Batterie unter Messung der Differenzspannung zwischen den Batteriezellen geeignet ist. Schließlich ist aus der EP 0 112 242 A1 eine Vorrichtung zur Steuerung der Kapazität einer Batterie bekannt, die als Meßeinrichtung zur Messung der Spannung der einzelnen Zellen der Batterie dient, indem die einzelnen Spannungen der Batteriezellen gemessen und mit einem Soll-Wert verglichen werden, wobei dann, wenn der gemessene Wert kleiner als der Soll-Wert ist, an ein Anzeigesignal ausgegeben wird.

Die aus dem Stand der Technik bekannte Art der Teilspannungsermittlung ist jedoch nicht ausreichend genau, da die Arbeitspunkte der Kennlinien der einzelnen nichtlinearen Schaltungen, insbesondere bei der WO 94/07153 nicht einstellbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe einer Einrichtung zum Messen von Teilspannungen einer mehrere in Reihe geschaltete Zellen aufweisenden Gesamtbatterie und zum Ermitteln der Temperaturen der Zellen, welche bezüglich Genauigkeit und Reaktionszeit verbessert ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 1. Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Arbeitspunkte der Kennlinien der einzelnen nichtlinearen Schaltungen einstellbar.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird jeder Verbindungspunkt zwischen den Zellen jeweils nur einmal kontaktiert. Ferner laufen die batterienah anordnungsfähigen nichtlinearen Schaltungen zu einem gemeinsamen Meßpunkt zusammen, so daß zum Abgreifen der elektrischen Meßgrößen lediglich eine Leitung ausgehend vom gemeinsamen Meßpunkt 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.

Alternativ ist die nichtlineare Schaltung zur Realisierung der erfindungs­ gemäßen Funktion 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 realisieren. Ein bevorzugtes Beispiel ist die Realisierung der nichtlinearen Schaltung durch eine Reihenschaltung aus Diode und Widerstand.

Als Element wird vorzugsweise ein steuerbarer Widerstand herangezogen, da dieser baulich besonders einfach und preisgünstig zu realisieren ist.

Als die sich am gemeinsamen Meßpunkt einstellenden elektrischen Größen werden vorzugs­ weise dessen Potential 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 Schaltungen (Stromquellen).

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

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

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

Die Meßeinheit M weist eine rechnergesteuerte Auswerteschaltung 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 an einem Ende mit der von dem Meßpunkt 4 kommenden Verbindungsleitung und am anderen Ende mit der von dem Endpol O der Batterie B kommenden Leitung verbunden.

Ferner ist die Auswerteschaltung 6 direkt mit der von dem Meßpunkt 4 kommenden Verbindungsleitung sowie der von dem Endpol O kommenden Leitung verbunden, so daß die Spannung zwischen dem gemeinsamen Meßpunkt 4 und dem Endpol O der Gesamtbatterie B von der rechnergesteuerten Auswerteschaltung 6 gemessen werden kann (Sternpunktspannung).

Die Auswerteschaltung 6 ist weiterhin an der Strommeßeinrichtung 7 angeschlossen, so daß der durch den steuerbaren Widerstand 5 fließenden Strom von der Auswerteschaltung 6 gemessen werden kann.

Die Auswerteschaltung 6 steuert den steuerbaren Widerstand 5 und verändert 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 Meßpunktspannung und Strom durch den steuerbaren Widerstand 5 gemessen und in der rechnergesteuerten Auswerteschaltung 6 gespeichert. Aus diesen Wertepaaren können bei Kenntnis der nichtlinearen Strom-Spannungscharakteristik der Stromquellen die einzelnen Teilspannungen der Zellen 1 z. B. durch iterative Lösung eines nichtlinearen Gleichungssystems in der rechnergesteuerten Auswerteschaltung 6 berechnet werden.

Zum Erreichen einer hohen Genauigkeit sollten die Meßpunkte so gewählt werden, daß die Meßpunktspannungen etwa gleichmäßig über den Bereich der Gesamtbatteriespannung verteilt sind. Außerdem sollte sich die Verteilung der Verbindungspotentiale 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 = O für v < vO
i = g(v)*v für v vO

Die Funktion g(v) muß bekannt sein und sollte technisch einfach realisierbar sein. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Einschaltspannungen vO 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 nichtlineare Schaltung aus der Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes besteht. Das nicht-ideale Schaltverhalten der Dioden kann in der rechnergesteuerten Auswerteschaltung 6 mit geringem Aufwand numerisch korrigiert werden.

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

Zur Messung der Spannung einer k-ten Zelle werden bei dieser einfachen Ausführungsform nur vier Wertepaare benötigt, nämlich: zwei Strom-Spannungswertepaare, 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 (7)

1. Einrichtung zum Messen von Teilspannungen einer mehrere in Reihe geschalteten Zellen (1) aufweisenden Gesamtbatterie (B) und zum Ermitteln der Temperaturen der Zellen (1), wobei zwischen jeden elektrischen Verbindungspunkt (2) der Zellen (1) und einen gemeinsamen Meßpunkt (4) je eine nichtlineare Schaltung (3) geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die nichtlinearen Schaltungen (3) mit den zu messenden Zellen (1) thermisch gekoppelt sind,
daß die nichtlinearen Schaltungen (3) bekannte Temperaturabhängigkeiten aufweisen,
daß zwischen den Meßpunkt (4) und einen Endpol (O) oder einen ausgewählten Verbindungspunkt der Gesamtbatterie (B) ein Element (5) geschaltet ist, welches eine Steuergröße erzeugt, durch die die Arbeitspunkte der Kennlinien der einzelnen nichtlinearen Schaltungen (3) einstellbar sind, und daß die Steuergröße (5) von einer Auswerteschaltung (6) gesteuert ist, und daß die Auswerteschaltung (6) aus der Spannung am Meßpunkt (4) und dem Strom durch das Element (5) die Teilspannungen und die Temperaturen der einzelnen Zellen (1) ermittelt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Schaltung (3) eine passive Schaltung ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Schaltung (3) eine Stromquelle ist, deren Stromstärke eine vorgegebene nichtlineare Abhängigkeit von ihrer Klemmenspannung besitzt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom-Spannungscharakteristik der Stromquelle (3) so beschaffen ist, daß die Stromquelle nur innerhalb eines vorgegebenen Klemmenspannungsbereiches Strom liefert.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Schaltung (3) aus einer Reihenschaltung von Diode und Widerstand besteht.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (5) ein steuerbarer Widerstand (5) ist, der von der Auswerteschaltung (6) verändert werden kann.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (6) die Spannung zwischen dem gemeinsamen Meßpunkt (4) und dem Endpol (O) oder dem ausgewählten Verbindungspunkt sowie den durch den steuerbaren Wider­ stand (5) fließenden Strom als die sich am gemeinsamen Meßpunkt (4) einstellenden elektrischen Größen erfaßt.