DE102011084688A1

DE102011084688A1 - Batteriesystem

Info

Publication number: DE102011084688A1
Application number: DE102011084688A
Authority: DE
Inventors: Martin Lang
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: CN104137323B; DE102011084688B4; US9985321B2; US20140349157A1; WO2013056917A1; CN104137323A

Abstract

Es wird ein Batteriesystem (100) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (10) und einer Batteriemanagementeinheit beschrieben. Die Batteriemanagementeinheit umfasst eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) und eine Vielzahl von Überwachungseinrichtungen (32-1, ..., 32-4, 36), wobei jeder der Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen (10-1, ..., 10-6; 10-7, ..., 10-12) zugeordnet und jede der Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Betriebsparameter der ihr zugeordneten Batteriezellen (10-1, ..., 10-6; 10-7, ..., 10-12) zu erfassen, und wobei jeder der Überwachungseinrichtungen (32-2) jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen (10-4, ..., 10-9) zugeordnet und jede der Überwachungseinrichtungen (32-2) dazu ausgebildet ist, den Betriebsparameter der ihr zugeordneten Batteriezellen (10-4, ..., 10-9) zu überwachen. Die Batteriezellen (10-4, ..., 10-9), welche jeweils einer der Überwachungseinrichtungen (32-2) zugeordnet sind, sind mindestens zwei Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) zugeordnet.

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 starkem 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 geschalteter elektrochemischer 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. Die ausgewerteten Daten werden an Aktoren weitergegeben, welche korrigierend auf die Zellen einwirken können (beispielsweise durch Ladungsausgleich oder Temperierung). Gleichzeitig versorgt die Batteriemanagementeinheit den Benutzer mit aktuellen Informationen bezüglich des Zustandes der Batterie. 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 sowie eine Vielzahl von Überwachungseinrichtungen. Jeder der Erfassungseinrichtungen ist jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen zugeordnet. Jede der Erfassungseinrichtungen ist dazu ausgebildet, wenigstens einen Betriebsparameter der ihr zugeordneten Batteriezellen zu erfassen. Jeder der Überwachungseinrichtungen ist ebenfalls jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen zugeordnet. Jede der Überwachungseinrichtungen ist dazu ausgebildet, den Betriebsparameter der ihr zugeordneten Batteriezellen zu überwachen.
Die Batteriezellen, welche jeweils einer der Überwachungseinrichtungen zugeordnet sind, sind mindestens zwei Erfassungseinrichtungen zugeordnet. Durch diese Zuordnungsregel wird erreicht, dass die Überwachung der Batteriezellen optimiert und so die Verfügbarkeit des Batteriesystems verbessert wird. Dies geschieht dadurch, dass im Falle des Auftretens eines Fehlers in einer der Erfassungseinheiten diese defekte Erfassungseinheit zwar keinen Betriebsparameter einzelner Zellen mehr ermitteln kann, jedoch durch mindestens eine der verschränkt zugeordneten Überwachungseinrichtungen Informationen über die fehlenden Messdaten gewonnen werden können. Abstrahiert zielt die Erfindung darauf ab, dass den Überwachungseinheiten nicht dieselben Systemgrenzen zugeordnet werden wie den Erfassungseinheiten, wodurch eine genauere Schätzung der Betriebsparameter durch die Überwachungseinheiten und somit eine höhere Zuverlässigkeit und Sicherheit des Gesamtsystems erreicht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Erfassungseinrichtungen dazu ausgebildet ist, den Betriebsparameter für jede einzelne der ihr zugeordneten Batteriezellen zu erfassen. Hierbei kann es sich insbesondere um eine an jeder einzelnen der Batteriezellen anliegenden Einzelspannung handeln. Weiter ist bevorzugt, dass wenigstens eine der Überwachungseinrichtungen dazu ausgebildet ist, eine Summe der Werte des Betriebsparameters aller ihr zugeordneten Batteriezellen zu ermitteln. Hierbei kann es sich insbesondere um eine an der Gesamtheit der ihr zugeordneten Batteriezellen anliegenden Gesamtspannung handeln.
Eine besonders symmetrische Aufteilung beziehungsweise Zuordnung der Batteriezellen wird dadurch erreicht, dass wenigstens einigen der Erfassungseinrichtungen jeweils eine gerade Anzahl von Batteriezellen zugeordnet ist. Hierbei ist nun jeweils eine Hälfte der Batteriezellen einer Erfassungseinrichtung genau einer der Überwachungseinrichtungen zugeordnet. Außerdem ist praktischerweise vorgesehen, dass die Vielzahl von Batteriezellen in einer Vielzahl von Batteriemodulen gruppiert ist. Hierbei können jeder der Erfassungseinrichtungen die Batteriezellen jeweils eines Batteriemoduls zugeordnet sein.
Eine systemübergreifendere Überwachung lässt sich dadurch erreichen, dass wenigstens einigen der Überwachungseinrichtungen diejenigen Batteriezellen zugeordnet sind, welche zwei oder mehreren Erfassungseinrichtungen zugeordnet sind.
Üblicherweise ist wenigstens einigen der Erfassungseinrichtungen die gleiche Anzahl von Batteriezellen zugeordnet. Ähnliches gilt für den Fall der Überwachungseinrichtungen.
Schließlich können die Erfassungseinrichtungen Komponenten eines Feldbussystems sein, an welche optional auch die Überwachungseinrichtungen angeschlossen sein können.
Während das erfindungsgemäße Batteriesystem nicht notwendigerweise in kompakter Form vorliegen muss, betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung eine Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen und einer Batteriemanagementeinheit, welche als eine kompakte Vorrichtung die oben beschriebenen technischen Merkmale des erfindungsgemäßen Batteriesystems aufweist.
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 Batteriesystem umfassend eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen,
3 eine Zuordnung von Erfassungs- und Überwachungseinrichtungen in Bezug auf eine Vielzahl von Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik, und
4 eine Zuordnung von Erfassungs- und Überwachungseinrichtungen in Bezug auf eine Vielzahl von Batteriezellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt ein Batteriesystem 100, in welchem eine Vielzahl von Batteriezellen 10 in Reihe geschaltet und in einer Vielzahl von Modulen 24 zusammengefasst ist. 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.
3 zeigt eine Zuordnung von Erfassungs- und Überwachungseinrichtungen in Bezug auf eine Vielzahl von Batteriezellen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Vielzahl von Batteriezellen 10-1, ..., 10-12 ist in einer Vielzahl von Batteriemodulen 24-1, 24-2 gruppiert. Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Anordnung sind die Erfassungseinrichtungen 26-1, 26-2 den Batteriezellen 10 jeweils eines Batteriemoduls 24-1, 24-2 zugeordnet. Genauer ist beispielsweise die Erfassungseinrichtung 26-1 den sechs Batteriezellen 10-1, ..., 10-6 zugeordnet und ist dazu ausgebildet, die an jeder einzelnen der ihr zugeordneten Batteriezellen 10-1, ..., 10-6 anliegende Einzelspannung zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung 26-1 ist somit in der Lage, sechs Einzelspannungen zu erfassen. Jede der Überwachungseinrichtungen 32-1, 32-2, 32-3 ist ebenfalls genau den Batteriezellen 10 jeweils eines Batteriemoduls 24-1, 24-2, 24-3 zugeordnet und weist somit die gleichen Systemgrenzen wie die Erfassungseinrichtungen 26-1, 26-2, 26-3 auf. Jede der Überwachungseinrichtungen 32-1, 32-2, 32-3 ist dazu ausgebildet, die Gesamtspannung zu ermitteln, welche jeweils an dem ihr zugeordneten Batteriemodul 24-1, 24-2, 24-3 anliegt. Dies hat zur Folge, dass bei Ausfall einer der Erfassungseinrichtungen 26-1, 26-2, 26-3 nur die Gesamtspannung desjenigen Batteriemoduls ermittelt werden kann, in welchem der technische Ausfall erfolgt. Informationen über die Einzelspannungen in diesem Modul können nicht gewonnen werden, da es eine Eins-zu-Eins-Zuordnung zwischen Erfassungseinrichtungen 26-1, 26-2, 26-3 und Überwachungseinrichtungen 32-1, 32-2, 32-3 gibt.
Daher ist erfindungsgemäß eine verbesserte Zuordnung von Erfassungs- und Überwachungseinrichtungen in Bezug auf eine Vielzahl von Batteriezellen vorgesehen, wie sie in 4 dargestellt ist. Die Überwachungseinrichtungen 32-1, ..., 32-4 sind hier in Bezug auf die Erfassungseinrichtungen 26-1, 26-2, 26-3 verschränkt angeordnet, so dass sie nicht mehr die gleichen Systemgrenzen aufweisen. Genauer ist jede der Überwachungseinrichtungen 32 jeweils der Hälfte eines Batteriemoduls sowie einer weiteren Hälfte eines benachbarten Batteriemoduls zugeordnet. Beispielsweise ist die Überwachungseinrichtung 32-2 den Batteriezellen 10-4, ..., 10-9 zugeordnet, welche wiederum den Batteriemodulen 24-1 und 24-2 und den Erfassungseinrichtungen 26-1 und 26-2 zugeordnet sind. Bei einem Ausfall der Erfassungseinrichtung 26-2 können Informationen über die Einzelspannungen an den einzelnen Batteriezellen 10-7, ..., 10-12 durch die Messwerte oder sonstige Informationen geliefert werden, welche von den Überwachungseinrichtungen 32-2, 32-3 stammen.
Eine weitere Überwachungseinrichtung 36 ist vorgesehen, welche den Batteriezellen 10-1, ..., 10-12 von zwei Batteriemodulen 24-1, 24-2 zugeordnet ist. Wird nun eine Vielzahl von Überwachungseinrichtungen 32-1, ..., 32-4, 36 vorgesehen, welche jeweils für verschiedene Gruppen von Batteriezellen 10 Informationen liefern, so können durch ein nicht dargestelltes Steuergerät Informationen über die Einzelzellen 10 gesammelt werden.

Claims

Batteriesystem (100) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (10-1, ..., 10-12) und einer Batteriemanagementeinheit, wobei die Batteriemanagementeinheit eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) und eine Vielzahl von Überwachungseinrichtungen (32-1, ..., 32-4, 36) umfasst, wobei jeder der Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen (10-1, ..., 10-6; 10-7, ..., 10-12) zugeordnet und jede der Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Betriebsparameter der ihr zugeordneten Batteriezellen (10-1, ..., 10-6; 10-7, ..., 10-12) zu erfassen, und wobei jeder der Überwachungseinrichtungen (32-2) jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen (10-4, ..., 10-9) zugeordnet und jede der Überwachungseinrichtungen (32-2) dazu ausgebildet ist, den Betriebsparameter der ihr zugeordneten Batteriezellen (10-4, ..., 10-9) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (10-4, ..., 10-9), welche jeweils einer der Überwachungseinrichtungen (32-2) zugeordnet sind, mindestens zwei Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) zugeordnet sind.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen (10-1, ..., 10-12) in Reihe geschaltet sind.
Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine der Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) dazu ausgebildet ist, den Betriebsparameter für jede einzelne der ihr zugeordneten Batteriezellen (10-1, ..., 10-6; 10-7, ..., 10-12), insbesondere eine an jeder einzelnen der ihr zugeordneten Batteriezellen (10-1, ..., 10-6; 10-7, ..., 10-12) anliegenden Einzelspannung, zu erfassen.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der Überwachungseinrichtungen (32-2) dazu ausgebildet ist, eine Summe der Werte des Betriebsparameters aller ihr zugeordneten Batteriezellen (10-4, ..., 10-9) zu überwachen, insbesondere eine an der Gesamtheit der ihr zugeordneten Batteriezellen (10-4, ..., 10-9) anliegenden Gesamtspannung.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einigen der Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) jeweils eine gerade Anzahl von Batteriezellen (10-1, ..., 10-6; 10-7, ..., 10-12) zugeordnet ist, von welcher jeweils eine Hälfte (10-4, ..., 10-6; 10-7, ..., 10-9) einer der Überwachungseinrichtungen (32-2) zugeordnet ist.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Batteriezellen (10-1, ..., 10-12) in einer Vielzahl von Batteriemodulen (24-1, 24-2) gruppiert ist und wobei jeder der Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) die Batteriezellen (10-1, ..., 10-6; 10-7, ..., 10-12) jeweils eines Batteriemoduls (24-1, 24-2) zugeordnet sind.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Überwachungseinrichtungen (36) die mindestens zwei Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) zugeordneten Batteriezellen (10-1, ..., 10-12) zugeordnet sind.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einigen der Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) und/oder wenigstens einigen der Überwachungseinrichtungen (32-1, 32-2, 32-3) jeweils die gleiche Anzahl von Batteriezellen (10-1, ..., 10-12) zugeordnet ist.
Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtungen (26-1, 26-2) und/oder die Überwachungseinrichtungen (32-1, ..., 32-4, 36) Komponenten eines Feldbussystems (28) sind.
Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen (10-1, ..., 10-12) und einer Batteriemanagementeinheit, wobei die Batterie ein Batteriesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche bildet.
Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einer Batterie nach Anspruch 10, wobei das Batteriesystem oder die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.