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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachung einer Messeinrichtung zur Zellspannungsmessung eines mehrere Speicherzellen aufweisenden elektrischen Energiespeichers.
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Stand der Technik
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Es besteht ein wachsender Bedarf an Energiespeichersystemen, welche sowohl in stationären als auch in mobilen Anwendungen zahlreichen Einsatz finden. Als entsprechende Beispiele können u.a. Notstromsysteme oder Elektro-/Hybridfahrzeuge angeführt werden.
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Der elektrische Energiespeicher umfasst dabei zum Beispiel mehrere als wiederaufladbare Batterien ausgebildete Speicherelemente mit als Batteriezellen ausgebildeten Speicherzellen. Die einzelnen Batteriezellen der Batterien werden in Serie und/oder parallel geschaltet, um an die jeweilige Anwendung angepasste Leistungs- und/oder Energiedaten zu erhalten.
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Dabei werden u.a. aufgrund von Produktionsschwankungen bei den einzelnen Batteriezellen hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften (z. B. Spannung, Kapazität, Innenimpedanz) Unterschiede beobachtet. In einer Batterie sind die einzelnen Batteriezellen daher nie identisch hinsichtlich ihres Alterungszustandes und ihrer elektrischen Leistung.
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Üblicherweise wird bei Batteriezellen, die in der Batterie in Reihe geschaltet sind, der Entladevorgang gestoppt, sobald eine der Batteriezellen ihre EntladeSpannungsgrenze erreicht hat. Entsprechendes gilt für den Ladevorgang der Batterie. Der Ladevorgang stoppt, sobald die Ladespannungsgrenze einer der Batteriezellen erreicht ist. Die schwächste Zelle ist daher die erste, die vollständig geladen oder entladen wird. Somit ist die Batterie bzw. das Batteriemodul immer nur so gut wie deren/dessen schwächste Zelle.
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Die Kontrolle über sowohl den Ladevorgang als auch den Entladevorgang übernimmt üblicherweise ein Batterie-Management-System. Zu den Aufgaben eines Batterie-Management-System gehört häufig auch das Cell-Balancing, welches einen Ausgleich von Spannungs- und Ladezustand zwischen den einzelnen Zellen bezweckt.
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In einem einfachen Fall der Implementierung eines Cell-Balancing werden gezielt diejenigen Zellen mit der höchsten Batteriespannung so lange entladen, bis alle Zellen die gleiche Spannung aufweisen. Die Entladung erfolgt üblicherweise über Widerstände, wobei die zu entladende elektrische Energie in Wärme umgesetzt wird.
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Sowohl für ein Cell-Balancing als auch für die Erkennung der Lade- und Entladegrenzwerte ist eine zuverlässige Messeinrichtung zur Zellspannungsmessung unerlässlich. Insbesondere besteht bei der Überladung von Li-Ionen Batterien ein erhebliches Gefahrenpotential in der Form von Überhitzung, Brand oder Verpuffung.
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Üblicherweise wird die Messeinrichtung zur Zellspannungsmessung über einen ADC (Analog Digital Converter) in Verbindung mit einem Multiplexer realisiert. Der Multiplexer legt die Pole der Zellen sequentiell auf die Eingänge des ADC, der die jeweilige Zellspannung bestimmt.
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Allerdings können prinzipiell sowohl der ADC als auch der Multiplexer allgemeinen Fehlfunktionen unterliegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass mit geringem technischem Aufwand eine Fehlfunktion des Multiplexers (Hängen/Überspringen von Stationen) oder des ADCs erkennbar ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Überwachung einer Messeinrichtung zur Zellspannungsmessung eines elektrischen wiederaufladbaren Energiespeichers mit mehreren Speicherzellen, welcher eine Messeinrichtung aufweist, welche in einem ersten Zeitmultiplexverfahren mittels eines Multiplexers die Zellspannungen der Speicherzellen erfasst, und welcher eine Schaltmatrix aufweist, über welche die Speicherzellen einzelnen mit einer Last beschaltbar sind, wobei dem ersten Zeitmultiplexverfahren zur Ermittlung der Zellspannungen ein zweites Zeitmultiplexverfahren zur Erzeugung eines Lastmusters überlagert wird, welches zu einer zu dem Lastmuster korrelierenden Änderung der jeweiligen Zellspannungen in Form eines Spannungsmusters führt und wobei über den Vergleich des Lastmusters mit dem erfassten Spannungsmuster eine Überwachung des Multiplexers erfolgt.
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Dabei kann die Last, mit der die Speicherzellen beschaltet werden kann, sowohl negativ in Form beispielsweise eines Verbrauchers, als auch positiv, in Form beispielsweiser einer Ladungsquelle sein.
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Vorteilhaft wird das Lastmuster durch ein zeitlich sequentielles Aktivieren und Deaktivieren eines Cell-Balancings erzeugt.
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Die Überlagerung des ersten Zeitmultiplexverfahrens mit dem zweiten Zeitmultiplexverfahren bedeutet, dass diese zeitgleich durchgeführt werden. Vorteilhaft sind die beiden Verfahren synchronisiert ausgebildet, wodurch eine Auswertung der erfassten Spannungsmuster erleichtert ist.
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Grundsätzlich arbeiten die beiden Zeitmultiplexverfahren unabhängig voneinander, wodurch die Fehlererkennung ermöglicht wird.
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Vorteilhaft erfasst die Messeinrichtung in dem ersten Zeitmultiplexverfahren die Zelllspannungen der Speicherzellen periodisch in einer zeitlichen Sequenz Z1, Z2, ... Zn, wobei n die Anzahl der Messzeiträume der Messperiode des ersten Zeitmultiplexverfahrens darstellt. Üblicherweise entspricht n dabei auch der Anzahl der Speicherzellen des Energiespeichers.
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Über den Multiplexer des ersten Zeitmultiplexverfahrens werden zyklisch die Zellspannungen aller Zellen der Batterie ermittelt.
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Vorteilhaft werden die Speicherzellen in dem zweiten Zeitmultiplexverfahren periodisch in einer zeitlichen Sequenz L1, L2, ... Lm mit einer Last beschaltet, wobei m die Anzahl der Lastzeiträume der Lastperiode des zweiten Zeitmultiplexverfahrens darstellt.
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Über die Abfolge des Zu- oder Abschaltens der Last über das zweite Zeitmultiplexverfahren wird ein Lastmuster ausgebildet. Dieses muss nicht alternierend sein, sondern kann gegebenenfalls auch mehrere Zu- oder Abschaltezustände hintereinander aufweisen. Das sequentielle Beschalten der Speicherzellen mit einer Last gemäß einem Lastmuster wird im Weiteren auch als Aufschalten eines Lastmusters bezeichnet.
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Werden die von einer einzelnen Speicherzelle ermittelten Zellspannungen über die Zeit betrachtet, so werden ohne das Aufschalten eines Lastmusters nur sehr geringe oder allmähliche Veränderungen feststellbar sein, die beispielsweise auf Temperaturschwankungen oder die Selbstentladung zurückzuführen sind. Durch das Aufschalten eines Lastmusters wird in die Zellspannung aufgrund des Spannungsabfalls am Innenwiderstand der Speicherelle entsprechend sinken, sodass sich das Lastmuster in der Abfolge der ermittelten Zellspannungen als Spannungsmuster wiederfindet.
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Kann ein solches, mit dem Lastmuster korrelierendes Spannungsmuster nicht festgestellt werden, muss ein Fehler vorliegen.
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Dabei ist das Aufschalten eines Lastmusters nicht nur hilfreich für eine Beobachtung einer Speicherzelle über die Zeit, sie ist auch hilfreich bei der Überprüfung der Zuordnung von ermittelten Zellspannungen zu der jeweiligen Speicherzelle in dem Energiespeicher.
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Werden die Zellspannungen über den Energiespeicher sequentiell gemessen, so werden in der Höhe der ermittelten Zellspannungen ebenfalls nur sehr geringe oder keine Veränderungen feststellbar sein, da es Ziel eines Batterie-Managements ist, alle Zellspannungen gleich zu halten.
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Unterliegt jedoch eine bestimmte Speicherzelle des Energiespeichers einer Last, so ist wird sich deren Zellspannung aus der Sequenz der Messwerte abheben. Die positive oder negative Feststellung, ob die niedrigere Zellspannung zu dem Zeitpunkt gemessen wurde, zu dem sie erwartet wurde, lässt darauf schließen, ob ein Fehler vorliegt.
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Vorteilhaft entspricht die Dauer der Messperiode der Dauer eines Lastzeitraumes der Lastperiode. Bei einer solchen Ausgestaltung entspricht die zeitliche Abfolge der ermittelten Zellspannungen den Spannungen der in dem Energiespeicher befindlichen Speicherzellen.
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Vorteilhaft kann aber die Dauer der Lastperiode auch der Dauer eines Messzeitraumes der Messperiode der entsprechen. Bei einer solchen Ausgestaltung generiert die zeitliche Abfolge der ermittelten Zellspannungen ein dem Lastmuster entsprechendes Spannungsmuster.
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Weiterhin vorteilhaft kann die Dauer der Lastperiode auch der Dauer von (k mal n) + 1 Messzeiträumen der Messperiode entsprechen, wobei k eine ganze Zahl darstellt und vorzugsweise zu k gleich 1 ausgebildet ist. Bei einer solchen Ausgestaltung bildet die zeitliche Abfolge der ermittelten Zellspannungen die Spannungen der in dem Energiespeicher befindlichen Speicherzellen ab, wobei aber das aufgeschaltete Lastmuster je Zyklus (bzw. in jedem k-ten Zyklus) um eine Speicherzelle verschoben wird. Besteht das Lastmuster aus einem Zuschalteund n Abschaltezuständen und ist k gleich 1 gewählt, so wird je Zyklus eine Zelle voranschreitend genau eine Zelle belastet.
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Weiterhin vorteilhaft erfasst die Messeinrichtung in dem ersten Zeitmultiplexverfahren in derselben Sequenz zusammen mit den Zelllspannungen auch eine Referenzspannung oder die Zellspannung einer virtuellen Referenzzelle. Das Einbinden einer Referenzzelle mit einer definierbaren Spannung in die Reihe der Messwerte erlaubt zum einen, einen wegen seiner der Höhe nach aus der Menge der ansonsten sehr ähnlichen Messwerte herausragenden Messwert zu identifizieren und als Marke zu verwenden. Damit ist der Gang des Multiplexers überprüfbar. Sie erlaubt aber auch, den ADC der Messeinrichtung zu überprüfen, da die von dem ADC ermittelte Spannung mit der bekannten Referenzspannung übereinstimmen muss. Vorteilhaft ist die Referenzspannung für diese beiden Ziele unterschiedlich einstellbar.
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Vorteilhaft wird die Höhe der Referenzspannung nach einem Referenzmuster synchron zu dem Beschalten der Last gemäß dem zweiten Zeitmultiplexverfahren geändert. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt eine einfache Auswertung der ermittelten Zellspannungen, da in diesem Fall die zeitliche Abfolge von Messwerten für eine Speicherzelle mit dem Referenzmuster korrelieren muss.
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Vorteilhaft kann ferner ein zweidimensionales Muster erstellt werden, in dem die je Speichereinheit ermittelten Zellspannungen über die Lastperiode in einem Lastmuster als 1. Dimension sowie die je Speichereinheit ermittelten Zellspannungen über die Messperiode als Zellmuster in der 2. Dimension dargestellt werden, und bei der es als positive Überprüfung gewertet wird, wenn in der 1. Dimension die Lastmuster aus Zellspannungen bei zwischenzeitlich geschalteter Last mit dem Referenzmuster korrelieren und wenn in der 2. Dimension die Zellmuster aus Zellspannungen bei nicht geschalteter Last untereinander korrelieren.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Überwachung einer Messeinrichtung zur Zellspannungsmessung von Speicherzellen eines elektrischen wiederaufladbaren Energiespeichers, der neben der Speicherzellen auch die Messeinrichtung aufweist, welche in einem ersten Zeitmultiplexverfahren mittels eines Multiplexers die Zellspannungen der Speicherzellen erfasst, sowie eine Schaltmatrix aufweist, über welche die Speicherzellen einzelnen mit einer Last beschaltbar sind. Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, dem ersten Zeitmultiplexverfahren zur Ermittlung der Zellspannungen ein zweites Zeitmultiplexverfahren zur Erzeugung eines Lastmusters zu überlagern, welches zu einer zu dem Lastmuster korrelierenden Änderung der jeweiligen Zellspannungen in Form eines Spannungsmusters führt und über den Vergleich des Lastmusters mit dem erfassten Spannungsmuster eine Überwachung des Multiplexers erfolgt. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Diagramm aus einer Abfolge von ermittelten Zellspannungen, bei der die Dauer der Messperiode der Dauer eines Lastzeitraumes der Lastperiode entspricht,
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2 ein Diagramm aus einer Abfolge von ermittelten Zellspannungen, bei der die Dauer der Lastperiode der Dauer eines Messzeitraumes der Messperiode entspricht,
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3 ein Diagramm aus einer Abfolge von ermittelten Zellspannungen, bei der die Dauer der Lastperiode der Dauer von n + 1 Messzeiträumen der Messperiode entspricht,
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4 einen Energiespeicher mit sechs Zellen und den dazu ermittelten Zellspannungen zu sechs aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1...t6.
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Anhand der 1 bis 4 werden vier Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben. Dabei werden die Ausführungsformen des Verfahrens in den 1 bis 3 auf Basis eines Energiespeichers 1 mit drei Speicherzellen 2 beschrieben, wohingegen die vierte Ausführungsform auf Basis eines Energiespeichers 1 mit sechs Speicherzellen 2 beschrieben wird. Eine exemplarische Darstellung eines Energiespeichers 1 mit Speicherzellen 2 ist der 4 zu entnehmen.
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1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel ein Diagramm aus einer Abfolge von ermittelten Zellspannungen, bei dem die Höhe der ermittelten Zellspannungen sowie der gleichzeitige Zuschaltestatus einer Last über die Zeit aufgetragen sind. Dabei entspricht die Dauer der Messperiode der Dauer eines Lastzeitraumes der Lastperiode.
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Das Diagramm in 1 weist drei Messperioden mit sich wiederholenden Messzeiträumen Z1, Z2, Z3 auf, in welchen je Messperiode drei annähernd gleich hohe Zellspannungen eines Energiespeichers 1 mit drei Speicherzellen 2 über ein erstes Zeitmultiplexverfahrens ermittelt werden. Parallel dazu dargestellt ist der jeweilige Zuschaltestatus einer Last, mit welcher die Speicherzellen 2 über ein zweites Zeitmultiplexverfahren beschaltet werden. Die Lastperiode umfasst drei Lastzeiträume L1, L2, L3, wobei die Last nur während des Lastzeitraumes L2 zugeschaltet wird. Während des Lastzeitraumes L2 mit zugeschalteter Last sind die ermittelten Zellspannungswerte niedriger als in den Lastzeiträumen L1 und L3.
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2 zeigt ebenfalls ein Diagramm aus einer Abfolge von ermittelten Zellspannungen, bei dem die Höhe der ermittelten Zellspannung sowie der gleichzeitige Zuschaltestatus einer Last über die Zeit aufgetragen sind. Im Gegensatz zur 1 entspricht in 2 die Dauer der Lastperiode der Dauer eines Messzeitraumes der Messperiode.
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Das Diagramm in 2 weist drei sich wiederholdende Messperioden mit den Messzeiträumen Z1, Z2, Z3 auf, von denen nur die die erste Messperiode im Detail beschriftet ist. Innerhalb der einzelnen Messzeiträume Z1, Z2, Z3 wird die Lastperiode jeweils vollständig durchlaufen, sodass innerhalb eines jeden Messzeitraumes Z1/Z2/... zu jeweils drei Zeitpunkten t1, t2, t3/t4, t5, t6/... jeweils drei Zellspannungswerte ermittelt werden. Innerhalb der Messzeiträume entstehen zu dem Lastmuster (L1, L2, L3) korrelierende Spannungsmuster.
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Auch 3 zeigt ein Diagramm aus einer Abfolge von ermittelten Zellspannungen, bei dem die Höhe der ermittelten Zellspannungen sowie der gleichzeitige Zuschaltestatus einer Last über die Zeit aufgetragen sind. Im Gegensatz zu den Darstellungen in 1 und 2 entspricht in 3 die Dauer der Lastperiode der Dauer von n + 1 Messzeiträumen der Messperiode.
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Im Ausführungsbeispiel von 3 sind die Lastzeiträume L1, L2 nicht gleichlang gewählt. Die Dauer des Lastzeiträume L2 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel das Dreifache der Dauer der Lastzeitraums L1. Alternativ hätten für dieses Ausführungsbeispiel vier gleich lange Lastzeiträume mit der Dauer von L1 ausgebildet werden können. Entscheidend jedoch für dieses Ausführungsbeispiel entspricht die Dauer der Lastperiode der Dauer der Messperiode zuzügliche eines Messzeitraumes Z, sodass die Last nach jeder durchlaufenen Messperiode in einem anderen, und zwar dem nachfolgenden Messzeitraum und somit auf eine andere Speicherzelle 2 aufgeschaltet wird.
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4 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Energiespeicher 1 mit sechs in Reihe angeordneten Speicherzellen 2, bei dem die jeweils zuletzt ermittelten Zellspannungen in Form von unterschiedlich langen, die Höhe der Zellspannungen wiedergebenden Balken 3 dargestellt sind. Zur Veranschaulichung des zeitlichen Ablauf des Verfahrens ist der Energiespeicher 1 insgesamt 6 mal zu sechs aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1...t6 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Dauer der Lastperiode der Dauer von (3 × n) + 1 Messzeiträumen der Messperiode, wobei das Lastmuster analog zur Situation in 3 nur einen Lastzeitraum aufweist, in dem die Last aufgeschaltet wird, und welcher der Dauer eines Messzeitraumes Z entspricht. Zu den Zeitpunkten t1, t3, t4 und t6 sind die ermittelten Zellspannungen ohne eine aufgeschaltete Last zu erkennen. Zu den Zeitpunkten t2 und t5 ist zu erkennen, dass in den vorangegangenen Messungen jeweils für einen Messzeitraum Z eine Speicherzelle 2 mit einer Last beschaltet gewesen sein muss. Dies ist für den Zeitpunkt t2 die Speicherzelle 2 mit der Nummer 1 und für den Zeitpunkt t5 die Speicherzelle 2 mit der Nummer 2, welche jeweils einen niedrigere Zellspannung aufweisen.
