DE102011002621A1

DE102011002621A1 - Vorrichtung zum Messen einer Batteriespannung

Info

Publication number: DE102011002621A1
Application number: DE102011002621A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-07-19
Also published as: WO2012095208A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Messen einer Batteriespannung einer Batterie mit einer Mehrzahl von seriengeschalteten Batteriezellen eingeführt. Die Vorrichtung verfügt über eine zwischen einen ersten Messeingang und einen zweiten Messeingang geschaltete spannungsabhängige Kapazität (11) und eine mit der spannungsabhängigen Kapazität (11) verbundene Kapazitätsmesseinrichtung (12). Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Batterie mit einer solchen Vorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Balancing (Ladungsausgleich) der Batteriezellen einer Batterie mit mehreren in Serie geschalteten Batteriezellen, wobei erfindungsgemäß keine Steuerung durch einen Mikrocontroller notwendig ist, die Vorrichtung also autonom operieren kann.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Der Ausfall einer Batteriezelle kann wegen der Serienschaltung zum Ausfall der Batterie und dieser wiederum zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen, weshalb insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Batterie gestellt werden. Um den Zustand der Batterie und der einzelnen Batteriezellen möglichst genau erfassen und so einen drohenden Ausfall einer Batteriezelle rechtzeitig erkennen zu können, wird neben anderen Parametern der Batterie beziehungsweise Batteriezellen insbesondere auch die Spannung der Batterie regelmäßig gemessen.
1 zeigt ein erstes Beispiel einer vorbekannten Messvorrichtung zum Messen einer Batteriespannung. Dabei wird die Batteriespannung durch einen Widerstandsspannungsteiler 1 bestehend aus Widerständen 1-1 und 1-2 heruntergeteilt und dann über einen Analog-Digital-Umsetzer 2, der beispielsweise von einem Mikrocontroller 4 ausgelesen wird, erfasst. Dabei ist jedoch nachteilig, dass es zu einem kontinuierlichen Stromfluss durch den Widerstandsspannungsteiler 1 kommt, welcher auf Dauer die Batterie entlädt. Aus diesem Grund wird häufig ein zusätzlicher Schalter 5 vorgesehen, der den Stromfluss unterbricht, wenn keine Messung erfolgen soll (siehe zweites Beispiel in 2). Hierbei besteht jedoch weiterhin der Nachteil, dass ein kostspieliger Analog-Digital-Umsetzer 2 benötigt wird, der über einen ebenfalls mit erhöhten Kosten verbundenen Isolator 3 mit dem Mikrocontroller 4 kommuniziert. Solche Isolatoren 3 werden aus Sicherheitsgründen benötigt, um den Niederspannungsbereich von der hohen Spannung der Batterie abzukoppeln, damit es im Fehlerfall nicht zu einem Durchschlagen der Batteriespannung in den Niederspannungsbereich kommen kann. Für die Kommunikation zwischen dem Analog-Digital-Umsetzer 2 und dem Mikrocontroller 4 wird gewöhnlich ein Serial Peripheral Interface (SPI) mit vier bis fünf Kanälen verwendet, so dass entsprechend hoher Aufwand für die Isolation entsteht.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung zum Messen einer Batteriespannung einer Batterie mit einer Mehrzahl von seriengeschalteten Batteriezellen eingeführt. Die Vorrichtung verfügt über eine zwischen einen ersten Messeingang und einen zweiten Messeingang geschaltete spannungsabhängige Kapazität und eine mit der spannungsabhängigen Kapazität verbundene Kapazitätsmesseinrichtung.
Die Erfindung erlaubt damit die Messung der Batteriespannung, ohne dass in Ruhe ein Strom durch die Messvorrichtung fließen würde. Dadurch wird der im Stand der Technik zur Unterbindung des Stromflusses durch den Widerstandsspannungsteiler verwendete Schalter überflüssig, was zudem Verfälschungen der zu messenden Spannung aufgrund des Kanalwiderstandes des Schalters vermeidet. Allerdings ist die Messgenauigkeit bei der Messung der Batteriespannung nachrangig, da in üblichen Batteriesystemen zusätzlich die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen erfasst werden, wodurch sich die Batteriespannung durch Summierung der gemessenen Zellspannungen plausibilisieren lässt.
Die spannungsabhängige Kapazität kann einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfassen. Besonders bevorzugt weist dabei wenigstens einer von erstem und zweitem Kondensator eine spannungsabhängige Kapazitätskennlinie auf. Wenn beide Kondensatoren eine spannungsabhängige Kapazitätskennlinie aufweisen, wird die Spannungsabhängigkeit der Gesamtkapazität am größten. Es ist aber möglich, nur eine der beiden Kondensatoren als Kondensator mit einer spannungsabhängigen Kapazitätskennlinie auszuführen.
Der wenigstens eine von erstem und zweitem Kondensator, der eine spannungsabhängige Kapazitätskennlinie aufweist, ist dabei besonders bevorzugt ein Keramikkondensator beziehungsweise der erste und der zweite Kondensator sind Keramikkondensatoren. Keramikkondensatoren zeigen eine wohlbekannte Abhängigkeit ihrer Kapazität von der über dem Keramikkondensator anliegenden Spannung, so dass die Messung der Kapazität direkt Aufschluss über die zwischen den Messeingängen der Vorrichtung anliegende Batteriespannung bietet.
Die Vorrichtung kann über einen Widerstand verfügen, der einen mit einem Verbindungspunkt zwischen einer ersten Elektrode des ersten Kondensators und einer ersten Elektrode des zweiten Kondensators verbundenen ersten Anschluss und einen mit dem ersten Messeingang verbundenen zweiten Anschluss aufweist. Der Widerstand legt den Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren auf die Batteriespannung, bildet dabei jedoch einen hochohmigen Übergang zu der Batterie, so dass die Kapazität der Batterie nicht in die Kapazitätsmessung eingeht.
Die Kapazitätsmesseinrichtung weist vorzugsweise einen mit einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators verbundenen ersten Anschluss und einen mit einer zweiten Elektrode des zweiten Kondensators verbundenen zweiten Anschluss auf. In dieser Konfiguration misst die Kapazitätsmesseinrichtung die Kapazität einer Serienschaltung der beiden Kondensatoren.
Die Kapazitätsmesseinrichtung kann einen Oszillator enthalten, der ausgebildet ist, ein Ausgangssignal mit einer von einem Betrag der spannungsabhängigen Kapazität abhängigen Frequenz zu erzeugen. Alternativ kann die Kapazitätsmesseinrichtung einen Pulsweitenmodulator enthalten, der ausgebildet ist, ein Ausgangssignal mit einem von einem Betrag der spannungsabhängigen Kapazität abhängigen Tastverhältnis zu erzeugen. Beide dieser Ausführungsformen der Erfindung besitzen den besonderen Vorteil, dass die Kapazitätsmesseinrichtung ein Ausgangssignal ausgibt, das eine Information über die Batteriespannung enthält und über eine einzige Leitung übertragen werden kann, so dass im Gegensatz zu einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik nur geringer Isolationsaufwand zu betreiben ist. Das Frequenzsignal oder das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal können dann im Niederspannungsbereich durch eine einfache Anordnung beispielsweise mit einem Zähler oder dergleichen ausgewertet und in ein binärkodiertes Digitalsignal umgesetzt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen und einer Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ein, wobei der erste Messeingang der Vorrichtung mit einem ersten Batteriepol und der zweite Messeingang der Vorrichtung mit einem zweiten Batteriepol verbunden sind.
Die Batteriezellen sind bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen.
Ein dritter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:
1 ein erstes Beispiel einer vorbekannten Messvorrichtung zum Messen einer Batteriespannung,
2 ein zweites Beispiel einer vorbekannten Messvorrichtung zum Messen einer Batteriespannung,
3 eine Spannungs-Kapazitäts-Kennlinie eines Keramikkondensators,
4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung, und
5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt eine Spannungs-Kapazitäts-Kennlinie eines Keramikkondensators. Die Kapazität eines Keramikkondensators ist abhängig von der über dem Keramikkondensator anliegenden Spannung. Wie 3 zeigt, sinkt dabei die Kapazität des Keramikkondensators mit steigenden Spannungen. Allerdings ist der Zusammenhang nichtlinear, so dass die Kapazität mit steigenden Spannungen immer langsamer abnimmt. Generell steigt die Messgenauigkeit der Vorrichtung, wenn die Veränderung der Kapazität des Kondensators für eine gegebene Spannungsdifferenz hoch ist. Je nach Anforderungen an die Messgenauigkeit sind daher der oder die eingesetzten Keramikkondensatoren zu dimensionieren.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung. Eine spannungsabhängige Kapazität 11 umfasst zwei zwischen die beiden Eingänge einer Kapazitätsmesseinrichtung 12 geschaltete Kondensatoren 11-1 und 11-2. Wenigstens einer der beiden Kondensatoren 11-1 und 11-2 besitzt eine spannungsabhängige Kapazitätskennlinie, so dass auch die Kapazität 11 spannungsabhängig wird. Vorzugsweise zeigen beide Kondensatoren 11-1 und 11-2 identische Abhängigkeiten ihrer Kapazität von der Spannung, da hierdurch auch die Spannungsabhängigkeit der gesamten Kapazität 11 am größten wird.
Der Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren 11-1 und 11-2 wird vorzugsweise über einen Widerstand 13 mit der Batterie verbunden, wodurch die Kapazität der Batterie nicht in die Messung eingeht. Prinzipiell ist es auch möglich, die Batterie direkt an die Kondensatoren 11-1 und 11-2 anzubinden, allerdings müssen die Kondensatoren 11-1 und 11-2 dann sehr große Kapazitäten aufweisen.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung, das im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Die Kapazitätsmesseinrichtung 12 ist beim zweiten Ausführungsbeispiel als Oszillator 14 ausgeführt, es wäre aber auch möglich, einen Pulsweitenmodulator zu verwenden. Der Oszillator 14 wird so mit der Kapazität 11 der Messvorrichtung verbunden, dass seine Freilauffrequenz durch die Kapazität 11 bestimmt wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Kapazität 11 mit einem LC-Resonator des Oszillators 14 verbunden wird und so dessen Resonanzfrequenz verändert. Derartige Schaltungen sind aus dem Gebiet der spannungskontrollierten Oszillatoren (Voltage Controlled Oscillator, VCO) allgemein bekannt. Das zweite Ausführungsbeispiel besitzt den Vorteil, dass eine einzige Signalleitung verwendet werden kann, um das Ausgangssignal der als Oszillator 14 oder als Pulsweitenmodulator ausgeführten Kapazitätsmesseinrichtung 12 zu übertragen, wodurch entsprechend geringer Aufwand für die Isolation zum Niederspannungsbereich entsteht.

Claims

Eine Vorrichtung zum Messen einer Batteriespannung einer Batterie mit einer Mehrzahl von seriengeschalteten Batteriezellen, gekennzeichnet durch eine zwischen einen ersten Messeingang und einen zweiten Messeingang geschaltete spannungsabhängige Kapazität (11) und eine mit der spannungsabhängigen Kapazität (11) verbundene Kapazitätsmesseinrichtung (12).
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die spannungsabhängige Kapazität (11) einen ersten Kondensator (11-1) und einen zweiten Kondensator (11-2) umfasst.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der wenigstens einer von erstem und zweitem Kondensator (11-1, 11-2) eine spannungsabhängige Kapazitätskennlinie aufweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der der wenigstens eine von erstem und zweitem Kondensator (11-1, 11-2) ein Keramikkondensator ist oder bei der der erste und der zweite Kondensator (11-1, 11-2) Keramikkondensatoren sind.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einem Widerstand (13), der einen mit einem Verbindungspunkt zwischen einer ersten Elektrode des ersten Kondensators (11-1) und einer ersten Elektrode des zweiten Kondensators (11-2) verbundenen ersten Anschluss und einen mit dem ersten Messeingang verbundenen zweiten Anschluss aufweist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die Kapazitätsmesseinrichtung (12) einen mit einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators (11-1) verbundenen ersten Anschluss und einen mit einer zweiten Elektrode des zweiten Kondensators (11-2) verbundenen zweiten Anschluss aufweist.
Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kapazitätsmesseinrichtung (12) einen Oszillator (14) enthält, der ausgebildet ist, ein Ausgangssignal mit einer von einem Betrag der spannungsabhängigen Kapazität (11) abhängigen Frequenz zu erzeugen.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Kapazitätsmesseinrichtung (12) einen Pulsweitenmodulator enthält, der ausgebildet ist, ein Ausgangssignal mit einem von einem Betrag der spannungsabhängigen Kapazität (11) abhängigen Tastverhältnis zu erzeugen.
Eine Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle, vorzugsweise mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen, und einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Messeingang der Vorrichtung mit einem ersten Batteriepol und der zweite Messeingang der Vorrichtung mit einem zweiten Batteriepol verbunden sind.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Anspruch.