DE102010030747A1

DE102010030747A1 - Batteriesystem

Info

Publication number: DE102010030747A1
Application number: DE102010030747A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann; Holger Fink; Martin Lang
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-05
Also published as: TW201222921A; WO2012000709A1

Abstract

Es wird ein Batteriesystem (100) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (10) und einer Batteriemanagementeinheit beschrieben, wobei die Batteriemanagementeinheit eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen (26) und mindestens eine Auswertungseinheit (30) umfasst. Die Erfassungseinrichtungen (26) sind dazu ausgebildet, wenigstens einen Betriebsparameter der Batteriezellen (10) zu erfassen und der Auswertungseinheit (30) zu übermitteln. Die Erfassungseinheiten (26) und die Auswertungseinheit (30) sind Komponenten eines Feldbussystems (28). Es wird außerdem ein Kraftfahrzeug beschrieben, welches das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem sowie ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit gestellt werden.
Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann. Beispielsweise hat bei einem Elektrofahrzeug ein Ausfall der Traktionsbatterie einen so genannten „Liegenbleiber” zur Folge. Außerdem kann der Ausfall der Batterie zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen. Bei Windkraftanlagen werden beispielsweise Batterien eingesetzt, um bei starker Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen.
Das Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß heutigem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. Ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Batteriesystem umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 10 und eine Lade- und Trenneinrichtung 12, welche einen Trennschalter 14, einen Ladeschalter 16 und einen Ladewiderstand 18 umfasst. Zusätzlich umfasst das Batteriesystem 100 eine Trenneinrichtung 20 mit einem Trennschalter 22.
Für den sicheren Betrieb des Batteriesystems 100 ist es zwingend notwendig, dass jede Batteriezelle 10 innerhalb eines erlaubten Betriebsbereichs (Spannungsbereich, Temperaturbereich, Stromgrenzen) betrieben wird. Liegt eine Batteriezelle 10 außerhalb dieser Grenzen, muss sie aus dem Zellverbund herausgenommen werden. Bei einer Serienschaltung der Batteriezellen 10 (wie in 1 dargestellt) führt daher ein Ausfall einer einzelnen Batteriezelle 10 zum Ausfall des gesamten Batteriesystems 100.
Insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Batterien in Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhydrid-Technologie eingesetzt, die eine große Anzahl in Serie geschaltete elektrochemische Batteriezellen aufweisen. Eine Batteriemanagementeinheit wird zur Überwachung der Batterie eingesetzt und soll neben einer Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer gewähren. Dazu wird die Spannung jeder einzelnen Batteriezelle zusammen mit dem Batteriestrom und der Batterietemperatur gemessen und eine Zustandsschätzung (beispielsweise des Ladezustandes oder des Alterungszustandes der Batterie) vorgenommen. Um die Lebensdauer zu maximieren, ist es hilfreich, jederzeit die aktuell gegebene maximale Leistungsfähigkeit der Batterie, also die maximal abgeb- oder aufnehmbare elektrische Leistung, zu kennen. Wird diese Leistungsfähigkeit überschritten, kann die Alterung der Batterie stark beschleunigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von Batteriezellen und einer Batteriemanagementeinheit bereitgestellt. Bei dem Batteriesystem handelt es sich bevorzugt um ein Lithium-Ionen-Batteriesystem.
Die Batteriemanagementeinheit umfasst eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen und mindestens eine Auswertungseinheit. Die Erfassungseinrichtungen sind dazu ausgebildet, wenigstens einen Betriebsparameter der Batteriezellen zu erfassen und der Auswertungseinheit zu übermitteln. Dabei sind die Erfassungseinheiten und die Auswertungseinheit Komponenten eines Feldbussystems. Dadurch wird ein im Vergleich zum Stand der Technik verringerter Verkabelungsaufwand erreicht.
Die Erfassungseinrichtungen können dazu ausgelegt sein, die Betriebsparameter wahlweise jeweils einer Batteriezelle oder mehrerer Batteriezellen zu erfassen. Enthält ein Batteriesystem mehrere Erfassungseinrichtungen, können diese logisch gekoppelt und einer gemeinsamen Auswertung zugeführt werden.
Die Batteriezellen können im erfindungsgemäßen Batteriesystem in Reihe geschaltet sein. Die Komponenten des Feldbussystems können in verschiedenen Netztopologien vernetzt sein. Mögliche Ausführungsformen sind: eine Daisy-Chain-Topologie, eine Stern-Topologie, eine Ring-Topologie oder eine Bus-Topologie. Die Erfassungseinrichtungen können jeweils dazu ausgebildet sein, eine Zellspannung einer Batteriezelle und/oder eine Temperatur in einer Batteriezelle und/oder einen durch eine Batteriezelle fließenden Strom zu erfassen.
Die Batteriemanagementeinheit kann zusätzlich eine Vielzahl von Überwachungseinrichtungen umfassen. Diese können dazu ausgebildet sein, wenigstens einen Betriebsparameter der Batteriezelle zu messen und ein Alarmsignal zu erzeugen, wenn der gemessene Wert des Betriebsparameters einen vorbestimmten Schwellenwert unter- oder überschreitet. Bei den Überwachungseinrichtungen handelt es sich um redundante Komponenten der Batteriemanagementeinheit, welche verhindern sollen, dass beim Ausfall einer oder mehrerer Erfassungseinrichtungen keine präzise Aussage mehr über den Betriebszustand der Batteriezellen getroffen werden kann.
In Abwesenheit der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtungen wäre ein sicherer Betrieb des Gesamtsystems nicht mehr gewährleistet. Die Batteriezellen, deren Betriebsparameter von der ausgefallenen Erfassungseinrichtung im Normalbetrieb erfasst werden sollen, müssten aus dem Gesamtsystem herausgelöst oder das Gesamtsystem abgeschaltet werden.
Durch die Überwachungseinrichtung wird ein sicherer Betrieb auch bei Ausfall einer Erfassungseinrichtung gewährleistet. Die Überwachungseinrichtungen können eine oder mehrere der kritischen Betriebsparameter (Spannung, Strom oder Temperatur) überwachen. Eine Überwachungseinrichtung kann eine oder mehrere Größen pro Batteriezelle überwachen, oder auch eine Größe, welche sich auf den Zusammenschluss mehrerer Zellen bezieht, zum Beispiel eine Summenspannung einer bestimmten Anzahl von in Reihe geschalteter Batteriezellen.
Die genannten Ausführungsformen können auch beliebig kombiniert werden. Dadurch entsteht eine flexible modulare und skalierbare Überwachungsfunktionalität. Die Überwachungseinrichtungen können dabei logisch derart miteinander verknüpft sein, dass ein Ansprechen einer Überwachungseinrichtung zu einem Ansprechen des Gesamtsystems führt. Insbesondere kann die Auslösung eines Alarms in einer Überwachungseinrichtung zu der Auslösung eines Alarms im Gesamtsystem führen.
In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Überwachungseinrichtungen Komponenten des Feldbussystems sind, an den auch die Erfassungseinrichtungen angeschlossen sind. Die Überwachungseinrichtungen können aber auch Komponenten eines weiteren, separaten Feldbussystems sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst.
Insgesamt wird durch die Verwendung der Erfassungs- und Überwachungseinrichtungen erreicht, dass Batteriesysteme bereitgestellt werden, die bei Ausfall einer oder mehrerer Batteriezellen weiter sicher betrieben werden können. Das Batteriesystem weist dann zwar eine an seinen Klemmen unter Umständen eingeschränkte Leistungsfähigkeit gegenüber dem regulären Betrieb auf. Bei geeigneter Auslegung des Batteriesystems kann aber ein Ausfall des Systems beziehungsweise ein sicherheitskritischer Zustand des Batteriesystems vermieden werden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Batteriesystem nach dem Stand der Technik,
2 ein erfindungsgemäßes Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform und
3a bis 3d verschiedene Topologien des Feldbussystems des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt ein Batteriesystem 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine Vielzahl von Batteriezellen 10 ist in Reihe geschaltet und in einer Vielzahl von Modulen 24 zusammengefasst. Ein Modul 24 umfasst eine vorbestimmte Anzahl von Batteriezellen 10, die typischerweise zwischen sechs und zwölf beträgt. Erfassungseinrichtungen 26 messen die Spannung jeweils einer Batteriezelle 10 und übertragen die Spannungsmesswerte auf einen Feldbus 28, an dem eine Auswertungseinheit 30 angeschlossen ist. Die Auswertungseinheit 30 kann zum Schutz des Batteriesystems 100 eine Hochvolt-Schütze ansteuern. Das Feldbussystem 28 in 2 ist in einer Bus-Topologie vernetzt und benutzt ein CAN(Controlled Area Network)-Protokoll.
Außerdem sind an den Feldbus 28 eine Vielzahl von Überwachungseinrichtungen 32 angeschlossen (von denen in 2 nur eine Überwachungseinrichtung dargestellt ist). Die Überwachungseinrichtungen 32 umfassen jeweils einen Komparator 34, welcher eine an einem Modul 24 anliegende Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsschwellenwert V_S vergleicht.
Überschreitet die gemessene Spannung am Modul 24 den Spannungsschwellenwert V_S, so wird ein Alarmsignal auf den Feldbus 28 übertragen. Außerdem kann ein Signal auf den Feldbus 28 übertragen werden, wenn ein vorbestimmter weiterer Spannungsschwellenwert unterschritten wird.
Alle Überwachungseinrichtungen 32 des Batteriesystems 100 können mit einem Logik-Oder-Gatter verknüpft werden, welches einen Gesamtalarm auslöst, sobald eine der Überwachungseinrichtungen 32 einen Alarm auslöst.
Das Feldbussystem des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels ist in einer Bus-Topologie vernetzt. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung einer Bus-Topologie beschränkt, vielmehr können andere Grundarchitekturvarianten gewählt werden. Auch können verschiedene physikalische Medien, zum Beispiel ein optisches Medium oder ein elektrisches Medium verwendet werden, sowie verschiedene Feldbussysteme/Protokolle. So ist neben dem in 2 dargestellten CAN-Protokoll beispielsweise ein LIN(Local Interconnect Network)-Protokoll oder ein Flexray-Protokoll einsetzbar.
Die 3a bis 3d zeigen verschiedene Grundarchitekturvarianten des Feldbussystems 28. 3a zeigt die Vernetzung in Form einer Bus-Topologie, bei welcher die Erfassungseinrichtungen 26 und die Auswertungseinheit 30 parallel an dem Feldbus 28 angeschlossen sind. Die in 3a gezeigte Topologie entspricht der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung.
3b zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in Form einer Vernetzung des Feldbussystems 28 in einer Ring-Topologie, bei welcher die Erfassungseinrichtungen 26 und die Auswertungseinheit 30 mit Stichleitungen an einen ringförmigen Feldbus 28 angeschlossen sind.
3c zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung in Form einer Vernetzung des Feldbussystems 28 in einer Daisy-Chain-Topologie, in welcher die Erfassungseinrichtungen 26 und die Auswertungseinheit 30 hintereinander in Reihe geschaltet sind.
Schließlich zeigt 3d eine vierte Ausführungsform der Erfindung in Form einer Vernetzung des Feldbussystems 28 in einer Stern-Topologie, in welcher die Erfassungseinrichtungen 26 jeweils durch einen Feldbus 28 mit der Auswertungseinheit 30 verbunden sind.
Die in den 3a bis 3d gezeigten Topologien können auch auf die Vernetzung der Überwachungseinrichtungen 32 angewendet werden. Die Überwachungseinrichtungen 32 können somit auch an dem Feldbussystem 28 oder an einem weiteren, nicht dargestellten Feldbussystem angeschlossen sein, welches seinerseits unter Verwendung einer Daisy-Chain-Topologie, einer Stern-Topologie, einer Ring-Topologie oder einer Bus-Topologie vernetzt ist.
Insbesondere können sowohl die Erfassungseinrichtungen 26 als auch die Überwachungseinrichtungen 32 in den in den 3a bis 3d gezeigten Topologien gemeinsam vernetzt sein.

Claims

Batteriesystem (100) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (10) und einer Batteriemanagementeinheit, wobei die Batteriemanagementeinheit eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen (26) und mindestens eine Auswertungseinheit (30) umfasst und wobei die Erfassungseinrichtungen (26) dazu ausgebildet sind, wenigstens einen Betriebsparameter der Batteriezellen (10) zu erfassen und der Auswertungseinheit (30) zu übermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheiten (26) und die Auswertungseinheit (30) Komponenten eines Feldbussystems (28) sind.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen (10) in Reihe geschaltet sind.
Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens einige Komponenten des Feldbussystems (28) in einer Daisy-Chain-Topologie vernetzt sind.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einige Komponenten des Feldbussystems (28) in einer Stern-Topologie vernetzt sind.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einige Komponenten des Feldbussystems (28) in einer Ring-Topologie vernetzt sind.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einige Komponenten des Feldbussystems (28) in einer Bus-Topologie vernetzt sind.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Erfassungseinrichtung (26) dazu ausgebildet ist, eine Zellspannung einer Batteriezelle (10) und/oder eine Temperatur in einer Batteriezelle (10) und/oder einen durch eine Batteriezelle (10) fließenden Strom zu erfassen.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Batteriemanagementeinheit zusätzlich eine Vielzahl von Überwachungseinrichtungen (32) umfasst, welche dazu ausgebildet sind, wenigstens einen Betriebsparameter der Batteriezellen (10) zu messen und ein Alarmsignal zu erzeugen, wenn der gemessene Wert des Betriebsparameters einen vorbestimmten Schwellenwert unter- oder überschreitet.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachungseinrichtungen (32) Komponenten des Feldbussystems (28) sind.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Überwachungseinrichtungen (32) Komponenten eines zweiten Feldbussystems sind.
Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.