-
Die Erfindung betrifft eine Hochvolt-Energiespeichereinrichtung mit mehreren Zellmodulen, die in Reihe geschaltet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Hochvolt-Energiespeichereinrichtung.
-
Eine Hochvolt-Energiespeichereinrichtung besteht üblicherweise aus mehreren in Reihe geschalteten Zellmodulen. Jedes Zellmodul besteht wiederum aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen (z.B. Lithium-Ionen-Zellen) und einer Zellüberwachungseinheit. Diese Zellüberwachungseinheit kann beispielsweise die Temperatur, die Spannung, die Speicherkapazität und ähnliches der einzelnen Zellen ermitteln.
-
Eine externe Überwachungseinheit kann die ermittelten Zustände aller Zellen empfangen und basierend darauf beispielsweise eine Ansteuerung der Hochvolt-Energiespeichereinrichtung vornehmen. Zur Übertragung der Zustände der Zellen kann jedes Zellmodul die ermittelten Zustände seiner Zellen an das in Reihe als nächstes geschaltete Zellmodul übertragen, welches wiederum die ermittelten Zustände seiner eigenen Zellen sowie die Zustände der Zellen aller vorhergehenden Zellmodule weiter übertragen kann. Diese Datenübertragung wird auch als Daisy-Chain-Datenübertragung bezeichnet, da sie durch eine Reihenschaltung der Zellüberwachungseinheiten funktioniert. Zwei aufeinanderfolgende Zellmodule liegen üblicherweise auf zwei unterschiedlichen Spannungspotentialen. Zur Übertragung werden daher kapazitive oder induktive Datenübertrager verwendet. Durch diese kann eine Überbrückung zwischen unterschiedlichen Spannungspotentialen ermöglicht werden, da diese galvanisch getrennt sind. Solche kapazitiven oder induktiven Übertrager sind zwar im Vergleich zu anderen digitalen Übertragern verhältnismäßig günstig, haben jedoch eine begrenzte Störfestigkeit. Daher kann es zu Ausfällen der Übertragung, beispielsweise aufgrund einer hohen Spannungswelligkeit bedingt durch die durch den Speicher versorgten Traktionsinverter, kommen.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kostengünstige und ausfallsichere Übertragung von Zellzuständen zwischen Zellmodulen einer Hochvoltenergiespeichereinrichtung bereitzustellen.
-
Demgemäß wird eine Hochvolt-Energiespeichereinrichtung mit mehreren Zellmodulen, die in Reihe geschaltet sind und jeweils zumindest eine Zelle und eine Zellüberwachungseinheit zum Ermitteln des Zustands der zumindest einen Zelle aufweisen, vorgeschlagen. Die Zellüberwachungseinheiten der Zellmodule sind dazu eingerichtet, den ermittelten Zustand der zumindest einen Zelle an die Zellüberwachungseinheit des in Reihe nachgeschalteten Zellmoduls zu übertragen.
-
Statt der bisher verwendeten kapazitiven oder induktiven Übertragungen zwischen den Zellüberwachungseinheiten nacheinander geschalteter Zellmodule ist die Zellüberwachungseinheit jedes Zellmoduls der vorgeschlagenen Hochvolt-Energiespeichereinrichtung dazu eingerichtet, den ermittelten Zustand an die Zellüberwachungseinheit des in Reihe nachgeschalteten Zellmoduls mittels eines Stromspiegels zu übertragen. Hierbei wird der ermittelte Zustand als Stromsignal übertragen.
-
Durch Verwendung eines Stromspiegels kann der ermittelte Zustand also direkt, ohne galvanische Trennung, zwischen den Zellüberwachungseinheiten übertragen werden. Im Vergleich zu einer kapazitiven oder induktiven Übertragung kann durch einen Stromspiegel eine Übertragung mit kostengünstigeren Bauteilen erfolgen. Des Weiteren kann eine hohe Störfestigkeit gewährleistet werden. Der Ausfall der Zustandsübertragung kann somit reduziert werden.
-
Der Stromspiegel kann durch Verschaltung eines ersten und eines zweiten Transistors realisiert werden. Bei den Transistoren handelt es sich bevorzugt um Bipolartransistoren. Durch die Transistorschaltung ist es möglich, von einem vorhandenen Referenzstrom einen weiteren Strom abzuleiten. Das bedeutet, dass der ermittelte Zustand als Stromsignal übertragen wird, welches zu einem Referenzstrom hinzugefügt wird (bzw. beim Empfang von diesem abgezogen wird).
-
In der Zellüberwachungseinheit liegt zunächst der ermittelte Zustand jeder Zelle als Logiksignal vor. Um dieses vor der Übertragung an das nächste Zellmodul in ein Stromsignal umzuwandeln, weist die Zellüberwachungseinheit daher eine erste Umwandlungseinheit auf, die das Logiksignal, das den ermittelten Zustand der zumindest einen Zelle darstellt, in ein Stromsignal umwandelt. Die erste Umwandlungseinheit kann beispielsweise einen Widerstand aufweisen, der dem Stromspiegel vorgeschaltet ist.
-
Das Logiksignal kann beispielsweise ein Transistor-Transistor-Logiksignal sein, das von einem Controller des Zellmoduls ausgegeben wird. Dieses Logiksignal kann dann über den Widerstand der ersten Umwandlungseinheit einen definierten Strom in dem ersten Transistor des Stromspiegels antreiben. Durch die Verschaltung des ersten und zweiten Transistors erzeugt der Strom des ersten Transistors einen gespiegelten Strom in dem zweiten Transistor, der diesen dann ausgibt und an das nächste Zellmodul weiterleitet.
-
Eine mögliche Verschaltung bei der Verwendung von Bipolartransistoren kann dabei wie folgt aussehen: Die Basis und der Collector des ersten Transistors sind kurzgeschlossen. Der zweite Transistor ist mit der Basis und dem Emitter des ersten Transistors verbunden (Spiegel). Der Collector des zweiten Transistors bildet den Ausgang der Zellüberwachungseinheit. Die Spannungsfestigkeit der Transistoren muss dabei nur so hoch sein, dass sie der Spannung eines Zellmoduls zuzüglich möglicher zu erwartender Störungen standhält.
-
Zum Empfangen der ermittelten Zustände der in Reihe vorgeschalteten Zellüberwachungseinheiten weist jede Zellüberwachungseinheit einen Empfangsteil auf. Dieser Empfangsteil kann beispielsweise einen Widerstand aufweisen. Der Ausgang der in Reihe vorgeschalteten Zellüberwachungseinheit erzeugt dabei in dem Widerstand ein Spannungssignal, welches vom Pegel her ähnlich ist wie das Logiksignal des vorherigen Zellmoduls.
-
Um dieses Spannungs- bzw. Stromsignal wieder in ein Logiksignal umzuwandeln, kann die Zellüberwachungseinheit eine zweite Umwandlungseinheit aufweisen. Die zweite Umwandlungseinheit kann beispielsweise einen Komparator aufweisen, der dem Empfangsteil nachgeschaltet ist. Der Komparator kann das empfangene Stromsignal mit einem Referenzstrom vergleichen und den Unterschied als Logiksignal ausgeben. Der Komparator kann ein Schmitt-Trigger sein, der Hysterese-Eigenschaften aufweist. Dabei werden aus langsam ablaufenden Vorgängen (dem Stromsignal) exakte Logiksignale erzeugt. Des Weiteren ist der Zeitversatz sehr gering und beträgt lediglich einige Nanosekunden.
-
Durch die Kombination aus Transistoren, Widerständen und Komparatoren können sehr hohe Übertragungsraten von 500 kBaud und mehr erreicht werden. Die einzelnen Bauteile sind sehr günstig und stellen außerdem eine extrem hohe Störfestigkeit bezüglich statischer und dynamischer Spannungsschwankungen bereit. Da keine galvanische Trennung erforderlich ist, kann auf zusätzliche trennende Bauteile verzichtet werden.
-
Die Hochvolt-Energiespeichereinrichtung kann mit einer externen Überwachungseinheit gekoppelt werden. Diese externe Überwachungseinheit kann verwendet werden, um die Hochvolt-Energiespeichereinrichtung basierend auf den aktuellen Zuständen der einzelnen Zellen zu steuern. Des Weiteren kann die externe Überwachungseinheit die ermittelten Zustände an weitere Vorrichtungen, beispielsweise ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, weiterleiten.
-
Beispielsweise kann die Zellüberwachungseinheit des letzten in Reihe geschalteten Zellmoduls dazu eingerichtet sein, die ermittelten Zustände der Zellen aller Zellmodule an die externe Überwachungseinheit zu übertragen.
-
Die Zellüberwachungseinheit jedes Zellmoduls kann gleich ausgebildet sein, d.h. einen Stromspiegel, eine erste Umwandlungseinheit, einen Empfangsteil und eine zweite Umwandlungseinheit aufweisen. Alternativ kann die Zellüberwachungseinheit des in Reihe ersten Zellmoduls nur eine erste Umwandlungseinheit und einen Stromspiegel aufweisen, da sie keine Zellzustände von vorherigen Zellmodulen empfängt. In ähnlicher Weise kann die Zellüberwachungseinheit des in Reihe letzten Zellmoduls ohne Stromspiegel und erster Umwandlungseinheit ausgebildet sein, da der Ausgang dieser Zellüberwachungseinheit direkt an die externe Überwachungseinheit geleitet wird.
-
Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, mit einer Hochvolt-Energiespeichereinrichtung, wie sie oben beschrieben ist, vorgeschlagen.
-
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
-
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
-
Es zeigen:
- 1: eine Hochvolt-Energiespeichereinrichtung mit mehreren Zellmodulen, die jeweils eine Zellüberwachungseinheit aufweisen;
- 2: einen Sendeteil einer Zellüberwachungseinheit; und
- 3: einen Empfangsteil einer Zellüberwachungseinheit.
-
Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
1 zeigt eine Hochvolt-Energiespeichereinrichtung 1. Diese weist mehrere Zellmodule 10, 20, 30 auf, die in Reihe geschaltet sind. Jedes Zellmodul 10, 20, 30 kann ein oder mehrere Zellen aufweisen, von denen jeweils zwei 11, 12, 21, 22, 31, 32 beispielhaft gezeigt sind. Die Zellen 11, 12, die Zellen 21, 22 und die Zellen 31, 32 sind ebenfalls jeweils in Reihe geschaltet. Zwischen den Zellmodulen 10, 20, 30 bzw. den in Reihe geschalteten Zellen 11, 12, 21, 22, 31, 32 erfolgt die Weitergabe der Leistung über einen Leistungspfad 2.
-
Um den Zustand der Zellen 11, 12, 21, 22, 31, 32 zu überwachen, weist jedes Zellmodul 10, 20, 30 eine Zellüberwachungseinheit 13, 23, 33 auf. Die Zellüberwachungseinheit 13 ermittelt den Zustand der Zellen 11, 12 und leitet den ermittelten Zustand an das in Reihe nachgeschaltete Zellmodul 20, bzw. dessen Zellüberwachungseinheit 23 weiter. Hierbei wird ein Referenzpotential Ref berücksichtigt.
-
In analoger Weise ermittelt die Zellüberwachungseinheit 23 ermittelt den Zustand der Zellen 21, 2 und leitet den ermittelten Zustand an das in Reihe nachgeschaltete Zellmodul 30, bzw. dessen Zellüberwachungseinheit 33 weiter. Zusätzlich leitet die Zellüberwachungseinheit 23 auch den Zustand der Zellen 11, 12 des Zellmoduls 10 weiter.
-
Die Zellüberwachungseinheit 33 ermittelt den Zustand der Zellen 31, 32 und leitet den ermittelten Zustand dieser Zellen sowie die durch die vorhergehenden Zellüberwachungseinheiten 13, 23 ermittelten Zustände an eine externe Überwachungseinheit 40 weiter. Die externe Überwachungseinheit 40 kann diese Information an weitere Vorrichtungen weiterleiten.
-
Die Übertragung zwischen den Zellüberwachungseinheiten 13, 23, 33 erfolgt dabei mittels Stromspiegeln. Durch diese kann eine direkte Übertragung über Stromsignale erfolgen, ohne dass eine galvanische Trennung zwischen den Zellmodulen 10, 20, 30 erforderlich ist, die zusätzliche Bauteile erfordern würde.
-
Ein Stromspiegel kann dabei durch eine Verschaltung von zwei Bipolartransistoren 44, 45 erfolgen, wie es beispielsweise in 2 gezeigt ist.
-
2 zeigt dabei einen Sendeteil 41 einer Zellüberwachungseinheit 13, 23, 33. Zunächst wird ein Logiksignal 42, das den Zustand einer Zelle 11, 12, 21, 22, 31, 22 darstellt, über eine Umwandlungseinheit 43 in ein Stromsignal umgewandelt. Die Umwandlungseinheit 43 kann beispielsweise durch einen Widerstand, wie in 2 gezeigt, realisiert werden.
-
Über den Widerstand 43 wird ein definierter Strom im ersten Transistor 44 angesteuert. Bei dem ersten Transistor 44 sind die Basis und der Collector kurzgeschlossen. Der zweite Transistor 45 ist mit der Basis und dem Emitter des ersten Transistors 44 verbunden, um so den Stromspiegel zu bilden. Der Collector des zweiten Transistors 45 bildet den Ausgang 46 des Sendeteils 41.
-
Dieser Ausgang 46 wird in dem nachfolgenden Zellmodul bzw. dessen Zellüberwachungseinheit durch einen Empfangsteil 47 empfangen, wie es in 3 gezeigt ist.
-
In einem Widerstand 48, der beispielsweise den doppelten Wert des Widerstands 43 hat, erzeugt das Stromsignal 46 ein Spannungssignal, welches einen ähnlichen Pegel wie das ursprüngliche Logiksignal 42 aufweist. Ein nachgeschalteter Komparator 49, beispielsweise ein Schmitt-Trigger konditioniert das Spannungssignal wieder in ein Logiksignal.
-
Erfolgt die Übertragung der Stromsignale von dem Zellmodul mit dem höchsten Potential zu dem Zellmodul mit dem niedrigsten Potential, können PNP-Stromspiegel verwendet werden. Erfolgt die Übertragung der Stromsignale von dem Zellmodul mit dem niedrigsten Potential zu dem Zellmodul mit dem höchsten Potential, können stattdessen NPN-Stromspiegel verwendet werden.
-
Durch die vorgeschlagene Hochvolt-Energiespeichereinrichtung kann eine einfache Übertragung der Zellzustände zwischen den Zellmodulen erfolgen, die störfest ist und keine zusätzlichen teuren Bauteile erfordert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Hochvolt-Energiespeichereinrichtung
- 2
- Leistungspfad
- 10
- Zellmodul
- 11
- Zelle
- 12
- Zelle
- 13
- Zellüberwachungseinheit
- 20
- Zellmodul
- 21
- Zelle
- 22
- Zelle
- 23
- Zellüberwachungseinheit
- 30
- Zellmodul
- 31
- Zelle
- 32
- Zelle
- 33
- Zellüberwachungseinheit
- 40
- externe Überwachungseinheit
- 41
- Sendeteil
- 42
- Logiksignal
- 43
- Widerstand
- 44
- erster Transistor
- 45
- zweiter Transistor
- 46
- Stromsignal
- 47
- Empfangsteil
- 48
- Widerstand
- 49
- Komparator
- Ref
- Referenz
