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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spannungsmesssystem und –verfahren.
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Je nach der Anwendung, wo es verwendet wird, kann das Messen der Spannung einer Batterie aus einer Reihe von Gründen wichtig sein. Beispielsweise kann im Fall von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, die möglicherweise Hochspannungsbatterien verwenden, die aus vielen kleineren Batteriezellen bestehen, die Kenntnis der Spannung in jeder Zelle oder einer Gruppe von Zellen für viele Steuerfunktionen wichtig sein, einschließlich der Steuerung von Entscheidungen über regeneratives Bremsen, ob das Fahrzeug unter Verwendung eines Verbrennungs- oder Elektromotors angetrieben werden soll und wie die verschiedenen elektrischen Lasten innerhalb des Fahrzeugs – z.B. Klimaanlage – gesteuert werden sollen, um nur einige zu nennen. Bei Anwendungen wie diesen kann ein Stromleiter wie etwa ein Draht verwendet werden, um Spannungsinformationen von einer oder mehreren Zellen zu einem Controller im Fahrzeug zu führen. Unter gewöhnlichen Umständen führt ein derartiger Draht nur eine geringe Stromlast und kann deshalb eine relativ geringe Stärke besitzen.
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Falls zwei oder mehr dieser Drähte miteinander kurzgeschlossen werden, werden auch die Batteriezellen, mit denen sie verbunden sind, miteinander kurzgeschlossen und große Strommengen könnten dann durch diese Drähte gezogen werden, die möglicherweise nicht dafür ausgestattet sind, eine derartige Last zu handhaben. Die Drähte dadurch zu schützen, dass ein eingeschleifter Stromschutzschalter wie etwa eine Sicherung hinzugefügt wird, ist für das potentielle Problem im Allgemeinen keine gute Lösung. Zunächst kann es Industriedesignstandards geben, die die Verwendung eingeschleifter Komponenten für diese „Messdrähte“ verbieten. Zudem erzeugt das Spleißen von Komponenten in einem Messdraht geringer Stärke neue Probleme, wie etwa den Draht mit dem zusätzlichen Gewicht der Komponente zu stützen, um die beiden Spleiße, wo der Draht mit der Komponente verbunden ist, nicht zu überbeanspruchen. Deshalb besteht während der Lebensdauer des Fahrzeugs ein fortdauerndes Problem mit der Sicherstellung der Zuverlässigkeit der Spleiße – falls zum Beispiel einer von ihnen getrennt oder teilweise getrennt wird, werden möglicherweise irrtümliche Spannungsinformationen oder keine Informationen an den Controller übertragen.
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Deshalb besteht ein Bedarf an einem System und Verfahren zum Schützen von Spannungsmessdrähten vor unerwartet großen Stromlasten, ohne sich auf einen eingeschleiften Sicherungsschutz zu verlassen.
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Mindestens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten ein Spannungsmesssystem für eine Fahrzeugtraktionsbatterie mit mehreren Zellen. Das Spannungsmesssystem enthält: einen Batteriecontroller, der beispielsweise konfiguriert sein kann zum Bestimmen von Spannungen der Zellen auf der Basis von Eingaben von den Zellen, mehrere elektrische Schaltungen, wobei jede jeweils mit mindestens einer der Zellen verbunden ist und eine elektrische Komponente zum Begrenzen eines Stroms dorthindurch enthält, und mehrere Drähte, wobei jeder jeweils mit dem Controller und einer der elektrischen Schaltungen in Reihe mit einer jeweiligen der elektrischen Komponenten zum Begrenzen des Stroms durch den Draht verbunden ist.
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Mindestens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten ein Spannungsmesssystem für eine Fahrzeugtraktionsbatterie mit mehreren Zellen. Das Spannungsmesssystem enthält: einen Controller, der konfiguriert ist zum Bestimmen einer Spannung auf der Basis einer Eingabe von mindestens einer der Zellen. Das Messsystem enthält weiterhin einen Leiter, der elektrisch mit mindestens einer der Zellen und dem Controller verbunden ist, und eine elektrische Schaltung, die mit der mindestens einen der Zellen und dem Leiter verbunden ist und eine elektrische Komponente zum Begrenzen eines Stroms durch den Leiter enthält.
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Mindestens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten ein Spannungsmesssystem für eine Fahrzeugtraktionsbatterie mit einem Batteriecontroller, der konfiguriert ist zum Bestimmen der Spannung von einzelnen von mehreren Zellen. Das Spannungsmesssystem enthält: eine elektrische Schaltung, die mit einer der Zellen verbunden ist und eine strombegrenzende elektrische Komponente in Reihe zwischen der einen Zelle und dem Controller enthält, und einen Draht, der mit der elektrischen Schaltung und dem Controller verbunden ist.
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Mindestens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten ein Spannungsmessverfahren für ein Fahrzeug mit einer Traktionsbatterie mit mehreren an einen Controller gekoppelten Zellen. Das Verfahren beinhaltet das Begrenzen des Stroms durch jede von mehreren elektrischen Schaltungen, wobei jede jeweils mit mindestens einer der mehreren Zellen und dem Controller verbunden ist.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Spannungsmesssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Seitenansicht eines Abschnitts des in 1 gezeigten Spannungsmesssystems 10 und
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3 ist eine Draufsicht auf den Abschnitt des in 2 gezeigten Spannungsmesssystems.
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Wie erforderlich, werden hierin ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen für die Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann, lediglich beispielhaft sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um den Fachmann zu lehren, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich einsetzen kann.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Spannungsmesssystems 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Spannungsmesssystem 10 wird in dem in 1 gezeigten Beispiel mit einer Hochspannungstraktionsbatterie 12 von dem Typ verwendet, die beispielsweise mit einem Elektro- oder Hybridfahrzeug und insbesondere mit einem Traktionsmotor eines derartigen Fahrzeugs verwendet werden kann. Die Batterie 12 besteht aus einer Reihe von Batteriezellen 14, 16, 18, 20, 22, 26, 28, 30, 32, 34, 36. In der Zeichnungsfigur sind die Zellen mit X1, X2, X3, X4, X5...Xn-5, Xn-4, Xn-3, Xn-2, Xn-1, Xn bezeichnet, was anzeigt, dass eine beliebige Anzahl von Zellen in der Batterie 12 vorliegen kann, von denen in 1 nur elf dargestellt sind.
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Elektrisch ist mit jeder der Zellen 14–36 ein Leiter verbunden, der bei diesem Beispiel ein Draht 40, 42, 44, 46, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 geringer Stärke ist. Ein Ende jedes der Drähte 40–62 ist mit einem Pluspol einer jeweiligen der Zellen 14–36 verbunden, während ein anderes Ende jedes der Drähte 40–62 an einem Batteriecontroller 63 endet, der konfiguriert ist zum Bestimmen der Spannungen der Zellen 14–36. Jeder der Drähte 40–62 liefert eine Eingabe zum Controller 63, und die Eingabe wird mit einer Referenzspannung von der vorausgegangenen benachbarten Zelle verglichen. Beispielsweise wird die durch den Draht 42 gelieferte Eingabe von der Zelle 16 vom Controller 63 mit der durch den Draht 40 gelieferten Eingabe von der Zelle 14 verglichen. Die Eingabe von der Zelle 14 wirkt als Referenzspannung für die Bestimmung der Spannung in der Zelle 16. Das Verfahren ist das Gleiche für jede der Zellen außer Zelle 14, die keine vorausgegangene benachbarte Zelle besitzt. Um die Bestimmung der Spannung der Zelle 14 zu erleichtern, ist deshalb ein anderer Draht 64 mit einem Minuspol der Zelle 14 verbunden und endet ebenfalls am Batteriecontroller 63. Der Draht 64 liefert die Referenzeingabe zum Controller 63 für die Zelle 14. Ebenfalls in 1 sind Leiter 66, 68 gezeigt, die jeweils die positive und negative Hochspannungsausgabe von der Batterie 12 an ein Bus gekoppeltes elektrisches Zentrum liefern.
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Wenngleich die in 1 dargestellte Ausführungsform jede der Zellen 14–36 über ihren eigenen Leiter 40–62 mit dem Controller 63 verbunden zeigt, wodurch separate Eingaben zum Controller 63 für jede der Zellen 14–36 geliefert werden, sind bei anderen Ausführungsformen möglicherweise nur einige der Zellen so konfiguriert, dass ihre Spannung gemessen wird, oder alternativ können Gruppen von Zellen zusammengeschaltet und ihre Spannung kollektiv bestimmt werden. Bei einigen Batteriezellanordnungen können mindestens einige der Zellen parallel geschaltet sein, wobei dann eine Messung jeder parallelen Gruppe eine Messung der Spannung jeder der Zellen liefern würde. Somit zieht die vorliegende Erfindung verschiedene Konfigurationen für die Spannungsmessung in Betracht.
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Ebenfalls in 1 sind mehrere elektrische Schaltungen gezeigt, die schematisch durch die Leiterplatten 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90 dargestellt sind. Jede der elektrischen Schaltungen und in dieser Ausführungsform der Leiterplatten 70–90 ist jeweils mit einer der Zellen 14–36 verbunden und ist auch mit einem jeweiligen der Drähte 40–62 verbunden. Bei anderen Ausführungsformen, wo nicht bei allen Zellen die Spannung gemessen wird, sind elektrische Schaltungen möglicherweise nur mit gewissen einzelnen der Zellen verbunden. Bei dieser Ausführungsform jedoch ist jede der elektrischen Schaltungen mit einer einzelnen jeweiligen Zelle verbunden. Eine zusätzliche elektrische Schaltung, als Leiterplatte 92 gezeigt, ist mit dem Minuspol der Zelle 14 und mit dem Draht 64 verbunden, der die Referenzspannung zum Batteriecontroller 63 führt. Wie unten ausführlicher erläutert, ist jede der elektrischen Schaltungen mit einer elektrischen Komponente konfiguriert, die in Reihe mit einem jeweiligen der Drähte 40–62 geschaltet ist, um den Stromfluss dorthindurch zu begrenzen. Auf diese Weise wird ein Überstromschutz für jeden der Drähte 40–64 bereitgestellt, die eine relativ geringe Stärke aufweisen und konfiguriert sein können, einen niedrigen Strompegel zu führen.
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Mit jeder der Zellen 14–36 ist mindestens eine Sammelschiene 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114 verbunden. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform verbindet jede der Sammelschienen 94–114 einen Pluspol von einer Zelle mit einem Minuspol einer benachbarten Zelle, wodurch jede der Zellen in Reihe geschaltet wird. Jede der Leiterplatten 70–90 ist jeweils durch eine der Sammelschienen 94–114 mit einem Pluspol einer Zelle verbunden; umgekehrt ist die Leiterplatte 92 direkt mit dem Minuspol der Zelle 14 verbunden, der keine Sammelschiene aufweist. Mit der in 1 gezeigten Reihenanordnung kann eine Batterie wie etwa die Batterie 12 mit 70–80 Zellen, jeweils mit einer Ausgangsspannung von 3,5–4 Volt (V), eine Gesamtausgangsspannung nahe 300 V besitzen. Bei einer derartigen Anwendung werden die Messdrähte 40–62 typischerweise einen sehr niedrigen Strompegel führen, beispielsweise etwa 100 Milliampere (mA), doch werden als Designüberlegung die Drähte so gewählt, dass sie viel größere Stromlasten führen können. Beispielsweise können bei der in
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1 gezeigten Anwendung – d.h. Spannungsmessung für eine Hochspannungsbatterie in einem Fahrzeug – die Drähte beispielsweise eine Stärke von 22 AWG (American Wire Gauge) besitzen, die nach der Umgebungstemperatur und dem Isolationstyp auf dem Draht 10 A oder mehr an Strom führen können. Deshalb ist, wie hierin verwendet, ein Draht, der konfiguriert – z.B. gewählt – ist, einen „niedrigen Strompegel“ zu führen, für das Führen von 10 A oder weniger ausgelegt.
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2 zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts der Batteriezelle 14. Insbesondere ist der Pluspol 116 entlang dem oberen Abschnitt der prismenförmigen Zelle 14 gezeigt, und er ist von dem „Zellbehälter“ durch einen Kunststoffhalter 118 isoliert, der auch dazu dient, den Pol 116 stützen zu helfen. Wie in 2 gezeigt, ist die Sammelschiene 94 elektrisch mit dem Pol 116 verbunden, und sie ist auch elektrisch mit der Leiterplatte 70 verbunden. Die Sammelschiene 94 kann wie die anderen Sammelschienen 96–114 über Schweißen, Löten oder sogar einen stromleitenden Kleber, je nach der jeweiligen Anwendung, an ihren jeweiligen Leiterplatten 72–90 angebracht werden. Ein Kunststoffgehäuse 120 umgibt die Sammelschiene 94 und die Leiterplatte 70 zumindest teilweise und sorgt für elektrische Isolation und Schutz vor Kontakt mit anderen Zellen oder sogar anderen Nicht-Batteriekomponenten. An der auf der Leiterplatte 70 gedruckten Schaltung ist der Draht 40 angebracht, der auch über Schweißen, Löten oder durch einige andere stromleitende Mittel an der Leiterplatte 70 angebracht werden kann.
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An der Leiterplatte 70 ist eine elektrische Komponente 122 angebracht, die konfiguriert ist zum Begrenzen der durch sie fließenden Strommenge. Die elektrische Komponente 122 kann beispielsweise eine Sicherung oder ein Widerstand sein. Für die hierin beschriebene Anwendung, wo die Drähte 40–62 möglicherweise typischerweise 100 mA erfahren können, kann eine 1 A-Sicherung für die Verwendung auf den Leiterplatten 70–90 angemessen sein. Wenn ein Widerstand anstelle einer Sicherung verwendet wird, kann ein 0,5 Ohm-Widerstand angemessen sein. Die Komponente 122 kann durch beliebige effektive Mittel an der auf die Leiterplatte 70 gedruckten Schaltung angebracht werden, wie etwa durch Oberflächenmontagetechnologie (SMT), Wellenlöten usw. Weil die auf die Leiterplatte 70 gedruckte elektrische Schaltung zwischen dem Draht 40 und dem Pol
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116 der Batterie 14 angeordnet ist, wird der durch den Draht 40 hindurchtretende Strom auf einen Pegel begrenzt, der durch die Komponente 122 fließen darf.
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3 zeigt eine Draufsicht auf die in 2 gezeigten Komponenten. Wie in 3 gezeigt, ist der Draht 40 über ein Schweißpad 124 an der Leiterplatte 70 angebracht. 3 veranschaulicht deutlich die Unterschiede zwischen dem durch das Spannungsmesssystem der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Überstromschutz und eingeschleiften Einrichtungen. Wie oben erörtert, erfordern eingeschleifte Einrichtungen zwei gespleißte Verbindungspunkte, die im Fall des Drahts 40 irgendwo zwischen seinem Verbindungspunkt an der Zelle 14 und dem Batteriecontroller 63 liegen würden – siehe auch 1. Umgekehrt erfordern Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung keine Spleiße in den Leitern – d.h. den Spannungsmessdrähten –, um einen Überstromschutz bereitzustellen. Vielmehr kann, wie in den Zeichnungsfiguren dargestellt und oben beschrieben, jeder der leitenden Drähte mit einem Ende am Batteriecontroller und mit dem anderen Ende an der elektrischen Schaltung enden, wobei der Überstromschutz durch eine oder mehrere elektrische Komponenten in der elektrischen Schaltung bereitgestellt werden kann. Wenngleich die hierin dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Spannungsmessung für Batteriezellen in einer Hochspannungsbatterie in einem Fahrzeug betreffen, wo relativ niedrige Strompegel typisch sein können, kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Anwendungen mit relativ hohen Nennstromlasten verwendet werden, wo aber ein eingeschleifter Stromschutz unpraktisch oder unpraktikabel ist.
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Wenngleich Ausführungsformen eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung oben beschrieben werden, können ein Spannungsmessverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und insbesondere ein Spannungsmessverfahren für ein Fahrzeug mit einer Traktionsbatterie mit mehreren an einen Controller gekoppelten Zellen beispielsweise den Schritt des Begrenzens von Strom durch jede von mehreren elektrischen Schaltungen beinhalten, wobei jede jeweils mit mindestens einer der mehreren Zellen und dem Controller verbunden ist – siehe z.B. die elektrischen Schaltungen 70–90 und die Batteriezellen 14–36, in 1 gezeigt. Der Schritt des Begrenzens des Stroms kann das Integrieren einer Sicherung oder eines Widerstands in eine der elektrischen Schaltungen beinhalten, so dass die Sicherung in Reihe zwischen der mindestens einen der Zellen und dem Controller geschaltet ist.
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Während oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentschrift verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale von verschiedenen implementierenden Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.
