DE102011006304A1

DE102011006304A1 - Batterie mit sicherem Stromsensor

Info

Publication number: DE102011006304A1
Application number: DE102011006304A
Authority: DE
Inventors: Alfons Doerr; Stefan Butzmann
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Es wird eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (1-1, ..., 1-n), einem mit den Batteriezellen (1-1, ..., 1-n) in Reihe geschalteten Stromsensor (2) und einer Steuereinheit eingeführt. Die Steuereinheit ist ausgebildet, Strommesswerte aus dem Stromsensor (2) auszulesen. Erfindungsgemäß weist die Batterie außerdem mit der Steuereinheit verbundene Mittel (4) zum Leiten eines Stroms einer vorbekannten Größe auf, wobei die Mittel (4) zum Leiten des Stroms parallel zu dem Stromsensor (2) geschaltet sind. Die Steuereinheit ist außerdem dazu ausgebildet, die Mittel (4) zu aktivieren oder zu deaktivieren. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einem sicheren Stromsensor und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
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 der Batteriestrom gemessen.
Der Nachweis der funktionalen Sicherheit der Batterie ist insbesondere beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batteriezellen ein zentraler Aspekt für den sicheren Einsatz der Batterie in einem Kraftfahrzeug. Die Norm ISO26262 fordert eine Reihe von Sicherheitsmaßnahmen für Batteriesysteme, deren Umfang im Rahmen einer Gefährdungsanalyse und Risikoabschätzung ermittelt wird. Für den sicheren Betrieb der Batterie ist der Stromsensor eine besonders wichtige Komponente. So dürfen beispielsweise beim Laden der Batterie bei tiefen Temperaturen bestimmte Stromschwellwerte nicht überschritten werden, da es bei einer Überschreitung des Stromschwellwertes zu einer Schädigung der Batterie kommen kann, die im weiteren Betrieb zu einer Gefährdung der Umgebung führen kann. Aus diesen Gründen wird für die Messung des Batteriestroms ein hohes Maß an Sicherheit verlangt. Für die Überwachung von Strommesswerten werden in der Regel zwei Stromsensoren zur gegenseitigen Plausibilisierung eingesetzt. Dies führt jedoch zu erhöhten Kosten, weshalb Bedarf an alternativen Möglichkeiten zur Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion eines Stromsensors besteht.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen, einem mit den Batteriezellen in Reihe geschalteten Stromsensor und einer Steuereinheit eingeführt. Die Steuereinheit ist ausgebildet, Strommesswerte aus dem Stromsensor auszulesen. Die Batterie weist außerdem mit der Steuereinheit verbundene Mittel zum Leiten eines Stroms einer vorbekannten Größe auf, wobei die Mittel zum Leiten des Stroms parallel zu dem Stromsensor geschaltet sind. Die Steuereinheit ist außerdem dazu ausgebildet, die Mittel zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Die Erfindung ermöglicht eine Überprüfung der vom Stromsensor gelieferten Strommesswerte, indem die Mittel zum Leiten des Stroms einer vorbekannten Größe wahlweise aktiviert und deaktiviert werden, sodass eine entsprechende Veränderung des gemessenen Stroms in den Strommesswerten Niederschlag finden muss. Wird keine des durch den Stromsensor fließenden Stroms aufgrund des Vorbeileitens von Strom am Stromsensor entsprechende Änderung der Strommesswerte festgestellt, sind die Strommesswerte fehlerhaft, sodass entsprechende Schutzmaßnahmen eingeleitet werden können (beispielsweise das Öffnen von Schützen, um einen Stromfluss in die und aus der Batterie vollständig zu unterbinden). Die Erfindung erlaubt aber auch das Erkennen von systematischen Messfehlern, sodass diese bei der Auswertung der Strommesswerte berücksichtigt werden können. Die Erfindung ist daher besonders für den Betrieb mit Lithium-basierten Batteriezellen geeignet.
Die Mittel umfassen bevorzugt eine Konstantstromquelle, welche ausgebildet ist, einen Gleichstrom einer konstanten Größe zu leiten. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt das Detektieren von Linearitätsfehlern, das heißt, von Fehlern, die auf einen Skalarfaktor bei der Erfassung der Strommesswerte zurückgehen.
Alternativ oder zusätzlich können die Mittel eine Wechselstromquelle umfassen, welche ausgebildet ist, einen Wechselstrom zu leiten. Diese Ausführungsform ermöglicht eine Erfassung der Strommesswerte zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Aussteuerungen des Wechselstroms, wodurch die Plausibilisierung der Strommesswerte mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden kann. Auch können außer Linearitätsfehlern auch Offsetfehler detektiert werden.
Bevorzugt ist dabei die Wechselstromquelle dazu ausgebildet, den Wechselstrom mit einer vorgebbaren Frequenz zu leiten. Die Steuereinheit ist dann dazu ausgebildet, die Frequenz des Wechselstroms vorzugeben. Werden Strommessungen bei verschiedenen Frequenzen durchgeführt, können eventuelle dynamische Fehlereinflüsse bei der Strommessung erkannt werden.
Die Wechselstromquelle kann auch ausgebildet sein, den Wechselstrom mit einer vorgebbaren Amplitude zu leiten. Die Steuereinheit ist dabei dazu ausgebildet, die Amplitude des Wechselstroms vorzugeben. Diese Ausführungsform erlaubt es, die Größe der Änderung des durch den Stromsensor fließenden Stroms abhängig von der Größe des gesamten Batteriestroms zu machen. Hierdurch wird es unter anderem möglich, die Messgenauigkeit des Stromsensors in unterschiedlichen Messbereichen zu prüfen.
Besonders bevorzugt umfassen die Mittel einen Widerstand einer vorbekannten Größe. Hierbei wird der am Stromsensor vorbeigeleitete Strom direkt durch die Größe des Batteriestroms vorgegeben, wodurch Offsetfehler detektiert werden können. Diese Ausführungsform der Erfindung eignet sich besonders gut für den Einsatz mit Stromsensoren, die nach dem Prinzip des Shuntwiderstandes funktionieren.
Alternativ oder zusätzlich können die Mittel auch einen Varistor mit einem vorgebbaren Widerstandswert umfassen. Die Steuereinheit ist dann dazu ausgebildet, die Größe des Widerstandswertes vorzugeben. Mehrere Messungen mit unterschiedlichen vorgegebenen Widerstandswerten erhöhen die Genauigkeit bei der Bestimmung etwaiger systematischer Messfehler. Die Steuereinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, zu einem ersten Zeitpunkt die Mittel (oder ein Ausgewähltes der Mittel) zum Leiten des Stroms zu aktivieren und wenigstens einen ersten Strommesswert aus dem Stromsensor auszulesen und zu einem zweiten Zeitpunkt die Mittel zum Leiten des Stroms zu deaktivieren und wenigstens einen zweiten Strommesswert aus dem Stromsensor auszulesen. Die Plausibilisierung der Strommesswerte kann dann entweder in der Steuereinheit erfolgen oder aber nach Übermittlung an ein sogenanntes Battery-Management-System in einem Mikrocontroller des Battery-Management-Systems.
Der Stromsensor umfasst bevorzugt einen Shunt-Widerstand mit einem bekannten Widerstandswert und eine Spannungsmesseinheit, wobei die Spannungsmesseinheit parallel zu dem Shunt-Widerstand geschaltet und ausgebildet ist, eine Spannung über dem Shunt-Widerstand zu messen und aus der gemessenen Spannung einen durch den Shunt-Widerstand fließenden Strom zu bestimmen. Diese Art von Stromsensor zeichnet sich durch besonders geringe Kosten aus und lässt sich im Gegensatz zu anderen Arten von Stromsensoren wie beispielsweise Hall-Sonden einfach mit der Erfindung kombinieren, da der Stromsensor einen bekannten Innenwiderstand aufweist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt ein.
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 eine Batterie gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mittel zum Leiten eines Stroms.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Batterie gemäß dem Stand der Technik. Eine Batterie enthält gewöhnlich eine Mehrzahl von seriengeschalteten Batteriezellen 1-1 bis 1-n, um eine für eine gegebene Anwendung ausreichend hohe Batteriespannung zu erreichen. Üblicherweise werden Batterien mit einem Stromsensor 2 ausgestattet, die den Batteriestrom messen. Die Strommesswerte können von einer Steuereinheit oder einem Battery-Management-System ausgelesen und zur Steuerung des Batteriesystems verwendet werden. Die Strommesswerte können insbesondere zur Erhöhung der Betriebssicherheit herangezogen werden, um beispielsweise zu hohe Lade- oder Entladeströme zu detektieren und die Batterie durch Öffnen von Schützen 3-1 oder 3-2 elektrisch von der Umgebung abzutrennen. Die Schütze 3-1, 3-2 weisen hierfür Steuereingänge auf, die mit der Steuereinheit oder dem Battery-Management-System verbunden sind und durch diese gegebenenfalls ausgelöst werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gegenüber der Batterie von 1 stellen die Mittel zum Leiten eines Stroms einer vorbekannten Größe 4 den Beitrag und den Kern der Erfindung dar. Bezüglich der Beschreibung der weiteren Komponenten wird deshalb auf die Beschreibung der 1 verwiesen. Die Mittel 4 sind parallel zu dem Stromsensor 2 geschaltet und können einen Strom einer bekannten Größe an dem Stromsensor 2 vorbeileiten, sodass die von dem Stromsensor 2 erhaltenen Strommesswerte dahin gehend überprüft werden können, ob sie die Änderung des durch den Stromsensor 2 fließenden Stroms korrekt widerspiegeln. Dadurch wird es ohne Mehrkosten für einen weiteren Stromsensor möglich, die korrekte Funktionsweise des Stromsensors 2 zu überprüfen. Außerdem kann die Erfindung dazu eingesetzt werden, den Stromsensor zu kalibrieren, wenn der durch die Batterie fließende Strom bekannt oder vorgegeben ist.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mittel zum Leiten eines Stroms. 3 zeigt dabei mehrere parallel geschaltete Mittel 4-1 bis 4-4, von denen auch nur eines oder aber eine Auswahl von zwei oder drei der Mittel in einer gegebenen Anwendung eingesetzt werden kann. Die Mittel 4-1 bis 4-4 können jeweils über einen zugeordneten Schalter aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden, indem sie selektiv parallel zum Stromsensor 2 geschaltet werden (der zugeordnete Schalter wird geschlossen) oder aber elektrisch durch Öffnen des zugeordneten Schalters abgekoppelt werden.
Es kann eine Wechselstromquelle 4-1 vorgesehen sein, welche ausgebildet ist, einen Wechselstrom zu leiten. Dabei können die Amplitude und/oder die Frequenz des Wechselstroms vorgebbar sein. Die Wechselstromquelle 4-1 kann ausgebildet sein, einen Wechselstrom mit einem sinus-, dreieck- oder sägezahnförmigen Verlauf zu leiten.
Außerdem können die Mittel 4 eine Konstantstromquelle 4-2 umfassen, die bei Aktivierung einen Konstantstrom leitet. Dadurch, dass der Betrag des Konstantstroms bekannt ist, kann der Stromsensor 2 einfach auf Funktionsfähigkeit überprüft werden. Insbesondere ist es möglich, Linearitätsfehler aufzuspüren und gegebenenfalls zu kompensieren. Die Mittel 4 können zudem einen Widerstand 4-3 enthalten, der einen von der Größe des tatsächlichen Batteriestroms abhängigen Strom leitet, wodurch sich vorteilhaft Offsetfehler erkennen lassen. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Varistor 4-4 eingesetzt werden, dessen Widerstandswert vorgegeben werden kann. Dadurch werden Prüfungen bei verschiedenen Widerstandswerten möglich, wodurch sich neben Offsetfehlern auch Linearitätsfehler erkennen lassen. Insbesondere in Bezug auf widerstandsbasierte Mittel wie den Widerstand 4-3 und den Varistor 4-4 ist es vorteilhaft, wenn der Stromsensor 2 nach dem Shunt-Prinzip aufgebaut ist. Hierbei wird ein Widerstand bekannter Größe in den Strompfad geschaltet und die über dem Widerstand abfallende Spannung gemessen, was wegen des linearen Zusammenhangs zwischen Spannung und Strom einen direkten Rückschluss auf den fließenden Strom zulässt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm ISO26262 [0003]

Claims

Eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (1-1, ..., 1-n), einem mit den Batteriezellen (1-1, ..., 1-n) in Reihe geschalteten Stromsensor (2) und einer Steuereinheit, welche ausgebildet ist, Strommesswerte aus dem Stromsensor (2) auszulesen, gekennzeichnet durch mit der Steuereinheit verbundene Mittel (4) zum Leiten eines Stroms einer vorbekannten Größe, wobei die Mittel (4) zum Leiten des Stroms parallel zu dem Stromsensor (2) geschaltet sind und wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Mittel (4) zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Die Batterie gemäß Anspruch 1, bei der die Mittel (4) eine Konstantstromquelle (4-2) umfassen, welche ausgebildet ist, einen Gleichstrom einer konstanten Größe zu leiten.
Die Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Mittel (4) eine Wechselstromquelle (4-1) umfassen, welche ausgebildet ist, einen Wechselstrom zu leiten.
Die Batterie gemäß Anspruch 3, bei der die Wechselstromquelle (4-1) ausgebildet ist, den Wechselstrom mit einer vorgebbaren Frequenz zu leiten, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Frequenz des Wechselstroms vorzugeben.
Die Batterie gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der die Wechselstromquelle (4-1) ausgebildet ist, den Wechselstrom mit einer vorgebbaren Amplitude zu leiten, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Amplitude des Wechselstroms vorzugeben.
Die Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Mittel (4) einen Widerstand (4-3) einer vorbekannten Größe umfassen.
Die Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Mittel (4) einen Varistor (4-4) mit einem vorgebbaren Widerstandswert umfassen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Größe des Widerstandswertes vorzugeben.
Die Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, zu einem ersten Zeitpunkt die Mittel (4) zum Leiten des Stroms zu aktivieren und wenigstens einen ersten Strommesswert aus dem Stromsensor (2) auszulesen und zu einem zweiten Zeitpunkt die Mittel (4) zum Leiten des Stroms zu deaktivieren und wenigstens einen zweiten Strommesswert aus dem Stromsensor (2) auszulesen.
Die Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Stromsensor (2) einen Shunt-Widerstand mit einem bekannten Widerstandswert und eine Spannungsmesseinheit umfasst, wobei die Spannungsmesseinheit parallel zu dem Shunt-Widerstand geschaltet und ausgebildet ist, eine Spannung über dem Shunt-Widerstand zu messen und aus der gemessenen Spannung einen durch den Shunt-Widerstand fließenden Strom zu bestimmen.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.