DE102010011740A1

DE102010011740A1 - Batterie für Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102010011740A1
Application number: DE102010011740A
Authority: DE
Inventors: Ralf Kessler; Jörg Weigold; Martin Meeh
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-09-22
Also published as: CN102195106B; CN102195106A; US20110229746A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Elektrofahrzeug, mit mehreren Zellen (2) und mehreren Sensoren (3, 4) zur Überwachung des Zustands von Zellen (2). Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Kommunikationseinheit (5) vorgesehen, um mit einem oder mehreren Sensoren (3, 4) ermittelte Zustandsinformationen von einer oder mehreren Zellen (2) drahtlos an eine Zentraleinheit (6) zu senden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Elektrofahrzeug, die mehrere Zellen aufweist.
Ständiges Ziel bei der Entwicklung derartiger Batterien ist es, die Anzahl der Be- und Entladezyklen, welche die einzelnen Zellen überstehen können, zu erhöhen. In der Regel verschlechtern sich nämlich Kenngrößen einer Batterie, wie beispielsweise die maximale Speicherkapazität, durch Alterung je häufiger die Batterie be- und entladen wurde. Um Schäden rechtzeitig festzustellen werden Batterien von Elektrofahrzeugen deshalb mit Sensoren überwacht, die über eine Leitung an eine Steuereinheit angeschlossen sind. Üblicherweise ist dabei jeder Batteriezelle mindestens ein Sensor zugeordnet, der Zustandsdaten über eine Leitung an ein Steuergerät meldet. Auf diese Weise kann beispielsweise eine lokale Überhitzung, die zu einem Brand führen könnte, rechtzeitig erkannt und ein weiterer Temperaturanstieg verhindert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Batterie eines Elektrofahrzeugs effizient überwacht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhaft Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einer erfindungsgemäßen Batterie sind mehrere Sensoren vorgesehen, die jeweils den Zustand einer Zelle oder Zellengruppe überwachen. Jeder Sensor ist an eine Kommunikationseinheit angeschlossen, die im Betrieb Zustandsinformationen der von dem Sensor überwachten Zelle drahtlos an eine Zentraleinheit sendet.
Durch eine drahtlose Datenübertragung lässt sich eine Zustandsüberwachung von Batterien kostengünstig realisieren, da das Verlegen von Leitungen zwischen den einzelnen Sensoren und einer Zentraleinheit entfällt. Dabei kann nicht nur die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht, sondern zusätzlich auch die Sicherheit der Batterie gesteigert werden. Eine erfindungsgemäße Batterie kann nämlich vollständig eingekapselt werden, da ein Kabelaustritt für Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Sensoren und einer Zentraleinheit entfällt. Eine vollständig gekapselte Batterie ist vor schädlichen Umwelteinflüssen geschützt. Gleichzeitig schützt eine flüssigkeitsdichte Verkapselung der Batterie im Schadensfall das Fahrzeug vor dem Batterieinhalt.
Bevorzugt ist bei einer erfindungsgemäßen Batterie jeder Zelle wenigstens ein Sensor zugeordnet. Vorteilhaft kann dann der Zustand jeder einzelnen Zelle individuell überwacht werden. Aus Kostengründen kann es aber auch vorteilhaft sein, mit einem Sensor eine Zellengruppe zu überwachen. Eine Batterie kann mehrere Zellengruppen aufweisen, die beispielsweise jeweils 2 bis 5 oder mehr Zellen enthalten. Eine solche Zellengruppe kann dann mit einem oder mehreren der Gruppe zugeordneten Sensoren überwacht werden. Insbesondere Temperatursensoren können vorteilhaft zur Überwachung einer Zellengruppe verwendet werden.
Bevorzugt ist bei einer erfindungsgemäßen Batterie jeder Zelle oder Zellengruppe ein Temperatursensor zugeordnet, mit dem die Temperatur der Zelle überwacht wird.
Insbesondere beim Beladen kann es nämlich zu einer gefährlichen Überhitzung einer Zelle kommen. Dies kann mit einem Temperatursensor leicht erkannt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann jeder Zelle ein Sensor zur Messung der Zellenspannung zugeordnet sein. Auf diese Weise können Über- oder Unterspannungen, die zu Schädigungen der Batterie führen können, erkannt werden. Bevorzugt sind jeder Zelle einer erfindungsgemäßen Batterie sowohl ein Temperatur- als auch ein Spannungssensor zugeordnet.
Bei einer erfindungsgemäßen Batterie kann für jede Zellengruppe, Zelle oder sogar für jeden Sensor eine eigene Kommunikationseinheit vorgesehen sein. Möglich ist es aber auch, dass die Sensoren mehrerer Zellen an eine gemeinsame Kommunikationseinheit angeschlossen sind. Im Prinzip genügt eine einzige Kommunikationseinheit für die gesamte Batterie.
Die erfindungsgemäß übermittelten Zustandsdaten können vorteilhaft beispielsweise bei der Steuerung von Be- und Entladevorgängen verwendet werden, um eine Symmetrisierung der Zeltspannungen zu erreichen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kommunikationseinheit Zustandsinformationen per Funk, insbesondere als Hochfrequenzsignal sendet. Geeignet sind insbesondere Trägerfrequenzen mindestens 100 MHz, beispielsweise zwischen 100 MHz und einem GHz.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jedem Sensor eine charakteristische Zellenkennung zugeordnet ist, die von der Kommunikationseinheit zusammen mit einer von dem Sensor ermittelten Zustandsinformation übertragen wird. An der Zellenkennung kann die Zentraleinheit eindeutig ermitteln, zu welcher Zelle die betreffenden Zustandsinformationen gehören. Beispielsweise kann die Kommunikationseinheit Zustandsinformationen als ein Datentelegramm übertragen, das eine charakteristische Bitfolge enthält, welche die Zelle bezeichnet. Wenn einer Zelle mehrere Sensoren zugeordnet sind, kann durch einen weiteren Teil des Datentelegramms auch der jeweilige Sensor der Zelle eindeutig bezeichnet werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kommunikationseinheit eine Auswerteeinheit zum Auswerten von gemessenen Zustandsinformationen enthält. Eine solche Auswerteeinheit kann beispielsweise eine Vorauswertung von gemessenen Zustandsinformationen durchführen und dabei von den Sensoren gelieferte Messdaten verdichten, so dass das zu übertragende Datenvolumen reduziert wird. Eine einfache Möglichkeit ist es beispielsweise aus mehreren Messwerten eines Sensors einen Mittelwert zu bilden und diesen zu übertragen.
Bevorzugt vergleicht die Auswerteeinheit im Betrieb eine gemessene Zustandsinformation mit einem Sollwert und löst einen Sendevorgang aus, wenn die gemessene Zustandsinformation außerhalb von einem Sollbereich liegt, also um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert von dem Sollwert abweicht. Auf diese Weise kann der Zentraleinheit ein kritischer Zellenzustand frühzeitig gemeldet werden. Wenn Messungen eines Sensors anzeigen, dass sich ein Zellenparameter, beispielsweise die Temperatur oder die Zellenspannung, nicht mehr in einem Sollbereich befindet, kann dies von der Auswerteeinheit erkannt und an die Zentraleinheit gemeldet werden.
Bevorzugt enthält die Kommunikationseinheit eine Uhr, die in regelmäßigen Zeitabständen das Aussenden einer Zustandsinformation veranlasst. Beispielsweise können Zustandsinformationen der einzelnen Zellen nacheinander in festen Zeitabständen ausgesandt werden. Ein solches Senden in regelmäßigen Zeitabständen lässt sich vorteilhaft damit verbinden, dass eine Auswerteeinheit zusätzlich einen Sendevorgang auslöst, wenn eine gemessene Zustandsinformation außerhalb eines Sollbereichs liegt. Die Uhr der Kommunikationseinheit kann durch einen Taktgeber oder Zähler, der für einen ASIC oder Mikroprozessor ohnehin benötigt wird, realisiert werden.
Bevorzugt hat die Kommunikationseinheit verschiedene Betriebsmodi, in denen Zustandsinformationen mit unterschiedlichen Zeitabständen ausgesandt werden. So kann beispielsweise während des Beladens einer Batterie und anderer kritischer Betriebszustände in verkürzten Zeitabständen gesendet werden. Bei stehendem Fahrzeug, d. h. unbelasteter Batterie, können die Zeitabstände zwischen Sendungen verlängert oder die Sendetätigkeit sogar ganz eingestellt werden. Bevorzugt wird bei Auftreten kritischer Zellenzustände aber durch eine Auswerteeinheit stets eine Sendetätigkeit veranlasst.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kommunikationseinheit zusätzlich zu einem Sender auch einen Empfänger enthält und durch den Empfang eines Anforderungssignals zum Senden veranlasst wird. Auf diese Weise können Zustandsinformationen beispielsweise zu Diagnosezwecken abgefragt werden. Möglich ist es auch, dass die Zentraleinheit beim Start eines Fahrzeugs jeweils die Kommunikationseinheit oder die Kommunikationseinheiten der Batterie zum Senden veranlasst, um Informationen über den Zustand der einzelnen Batteriezellen zu erhalten.
Bevorzugt enthält die Kommunikationseinheit einen Speicher zum Speichern von Zustandsinformationen und berechnet aus Zustandsinformationen fortlaufend einen Alterungsparameter, der die betriebsbedingte Abnutzung einer Batteriezelle charakterisiert. Da die Alterung einer Zelle maßgeblich von der Historie vorangegangener Be- und Endladezyklen abhängt, liegen der Kommunikationseinheit ohnehin alle Daten vor, um die Alterung einer Zelle nach einem Modell berechnen oder zumindest abschätzen zu können. Ein für jede einzelne Zelle einer Batterie berechnete Alterungsparameter kann jeweils zusammen mit einer aktuellen Zustandsinformation übertragen werden. Möglich ist es aber auch, dass der Alterungsparameter nur mit einem besonderem Datentelegramm, beispielsweise auf Anforderung durch die Zentraleinheit übertragen wird.
In einem Speicher der Kommunikationseinheit können beispielsweise Daten wie die gesamte Betriebsdauer einer Zelle, die Betriebsdauer in Extremzuständen, in denen ein Parameter einer Zelle, beispielsweise Temperatur oder Spannung, außerhalb eines Sollbereichs liegt, und/oder die Belastungshistorie gespeichert werden. Bevorzugt kann die Kommunikationseinheit durch Empfang eines Anforderungssignals zum Aussenden derartiger Daten veranlasst werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie.
Die in 1 dargestellte Batterie 1 enthält mehrere Zellen 2, die in Reihe geschaltet sein können. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur ein einziger solcher Zellenblock aus in Reihe geschalteten Zellen 2 vorhanden. Die Batterie 1 kann zu diesem Zellenblock zusätzlich weitere dazu parallel geschaltete Zellen 2 bzw. Zellenblöcke aufweisen.
Den einzelnen Zellen 2 sind jeweils Sensoren 3, 4 zur Überwachung des Zustandes der jeweiligen Zelle 2 zugeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind jeder Zelle 2 ein Temperatursensor 3 und ein Sensor 4 zur Messung der Zellenspannung zugeordnet. Die Sensoren 3, 4 sind an eine Kommunikationseinheit 5 angeschlossen. Die Kommunikationseinheit 5 sendet Zustandsinformationen der Zellen 2 drahtlos an eine Zentraleinheit 6. Die Übertragung erfolgt per Funk als Hochfrequenzsignal mit einer Frequenz, die beispielsweise zwischen 100 MHz und einem GHz liegen kann.
Jedem Sensor 3, 4 ist eine charakteristische Zellenkennung zugeordnet, die von der Kommunikationseinheit 5 zusammen mit einer von dem Sensor 3, 4 ermittelten Zustandinformation übertragen wird. Die Zellenkennung kann beispielsweise eine charakteristische Bitfolge sein, die Teil eines Datentelegramms ist, mit dem die Kommunikationseinheit 5 Daten an die Zentraleinheit 6 übermittelt.
Durch die Überwachung der einzelnen Zellen 2 können gefährliche oder potentiell schädliche Betriebszustände, beispielsweise eine lokale Überhitzung und eine Über- oder Unterspannung, erkannt werden. Die Zentraleinheit 6 kann dann steuernd in Be- oder Entladevorgänge eingreifen und Schäden verhindern und/oder ein Warnsignal erzeugen.
Die Kommunikationseinheit 5 enthält bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Auswerteeinheit zum Auswerten von gemessenen Zustandsinformationen, beispielsweise einen ASIC oder einen Mikroprozessor. Die Auswerteeinheit vergleicht im Betrieb gemessene Zustandsinformationen mit einem Sollwert und löst einen Sendevorgang aus, wenn die gemessene Zustandsinformation außerhalb eines Sollbereichs liegt. Zusätzlich wird das Aussenden von Zustandsinformationen in regelmäßigen Zeitabständen mittels einer in der Kommunikationseinheit 5 enthaltenen Uhr veranlasst.
Die Kommunikationseinheit 5 enthält einen Speicher zum Speichern von Zustandsinformationen. Die Auswerteeinheit berechnet aus Zustandsinformationen fortlaufend einen Alterungsparameter, der die betriebsbedingte Abnutzung der einzelnen Batteriezellen 2 charakterisiert. Der Alterungsparameter kann jeweils zusammen mit aktuellen Zustandsinformationen übertragen werden. Möglich ist es aber auch, dass der Alterungsparameter nur bei besonderem Anlass mit einem speziell dafür vorgesehenen Datentelegramm übertragen wird.
In dem Speicher der Kommunikationseinheit 5 könne vorteilhaft Betriebsdaten von Zellen 2 gespeichert werden, beispielsweise die gesamte Betriebsdauer, die Betriebsdauer außerhalb eines Sollbereichs, insbesondere die Betriebsdauer in Extremzuständen, und die Belastungshistorie.
Die Kommunikationseinheit 5 enthält zusätzlich zu einem Sender auch einen Empfänger. Auf diese Weise kann die Kommunikationseinheit 5 durch Empfangen eines Anforderungssignals von der Zentraleinheit 6 zum Senden veranlasst werden. Beispielsweise kann die Kommunikationseinheit 5 auf diese Weise veranlasst werden, einen Alterungsparameter oder andere Daten einer oder mehrerer Zellen 2 zu übertragen. Die ist insbesondere im Servicefall vorteilhaft.
Die Batterie 1 weist ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse 7 auf, in dem die einzelnen Zellen 2 zusammen mit den dazu gehörenden Sensoren 3, 4 und der Kommunikationseinheit 5 eingekapselt sind. Das Gehäuse 7 hat an den gegenüberliegenden Enden elektrische Anschlüsse 7a, 7b.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Zellen
3, 4: Sensoren
5: Kommunikationseinheit
6: Zentraleinheit
7: Gehäuse
7a, b: Anschlüsse

Claims

Batterie für ein Elektrofahrzeug, mit mehreren Zellen (2) und mehreren Sensoren (3, 4) zur Überwachung des Zustands von Zellen (2), gekennzeichnet durch wenigstens eine Kommunikationseinheit (5), um mit einem oder mehreren Sensoren (3, 4) ermittelte Zustandsinformationen von einer oder mehreren Zellen (2) drahtlos an eine Zentraleinheit (6) zu senden.
Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) in einem Gehäuse (7) flüssigkeitsdicht eingekapselt ist, das die Sensoren (3, 4) und die wenigstens eine Kommunikationseinheit (5) umgibt.
Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sensor (3, 4) eine charakteristische Zellen- oder Zellengruppenkennung zugeordnet ist, die von der Kommunikationseinheit (5) zusammen mit einer von dem Sensor (3, 4) ermittelten Zustandsinformation übertragen wird.
Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (3, 4) verschiedener Zellen oder Zellengruppen (2) an eine gemeinsame Kommunikationseinheit (5) angeschlossen sind.
Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (5) eine Auswerteeinheit zum Auswerten von gemessenen Zustandsinformationen enthält.
Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit im Betrieb eine gemessene Zustandsinformation mit einem Sollwert vergleicht und einen Sendevorgang auslöst, wenn die gemessene Zustandsinformation außerhalb von einem Sollbereich liegt.
Batterie nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (5) einen Speicher zum Speichern von Zustandsinformationen aufweist, wobei die Auswerteeinheit aus Zustandsinformationen fortlaufend einen Alterungsparameter berechnet, der die betriebsbedingte Abnutzung einer Batteriezelle (2) charakterisiert.
Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (5) zusätzlich zu einem Sender auch einen Empfänger enthält und durch Empfang eines Anforderungssignals zum Senden veranlasst wird.
Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (5) eine Uhr enthält, die in regelmäßigen Zeitabständen das Aussenden einer Zustandsinformation veranlasst.
Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (5) Informationen als Funksignal mit einer Trägerfrequenz zwischen 100 MHz und 1 GHz aussendet.