DE102020113498A1 - Method and device for monitoring a battery cell arrangement, battery cell arrangement and use in a vehicle, in particular an aircraft - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen einer Batteriezellen-Anordnung (1) auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen (2) von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betreiben der Batteriezellen-Anordnung (1), mit den Schritten:a) Versehen einer Vielzahl der Batteriezellen (2), vorzugsweise zumindest von einem Viertel oder einem Drittel oder der Hälfte der Batteriezellen (2), höchst vorzugsweise zumindest von drei Vierteln der Batteriezellen (2), insbesondere aller Batteriezellen (2), in der Batteriezellen-Anordnung (1) mit einem elektrischen Widerstandselement (4) mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstandswert;b) Verbinden der Widerstandselemente (4) in Form wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung (4a, 4b);c) im Betrieb der Batteriezellen-Anordnung (1), fortlaufendes Messen eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente (4) in der Reihenschaltung (4a, 4b) und Vergleichen des gemessenen Reihenwiderstands mit einem Vergleichswert;d) Ausgeben eines Überwachungssignals (MS) in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs.Auf diese Weise lässt sich der schaltungstechnische Aufwand bei unverändert guter Messabdeckung gegenüber vorbekannten Verfahren verringern.A method and a device are proposed for monitoring a battery cell arrangement (1) for temperature deviations of individual battery cells (2) from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement (1), with the following steps: ), preferably at least a quarter or a third or half of the battery cells (2), most preferably at least three quarters of the battery cells (2), in particular all battery cells (2), in the battery cell arrangement (1) with an electrical resistance element (4) with a temperature-dependent electrical resistance value; b) connecting the resistance elements (4) in the form of at least one electrical series circuit (4a, 4b); c) during operation of the battery cell arrangement (1), continuous measurement of a series resistance of the resistance elements (4) in the series circuit (4a, 4b) and comparing the measured series resistance with a comparison value; d) Output of a monitoring signal (MS) as a function of a result of the comparison. In this way, the circuit complexity can be reduced with unchanged good measurement coverage compared to previously known methods.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezellen-Anordnung auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betreiben der Batteriezellen-Anordnung gemäß Anspruch 1.The invention relates to a method for monitoring a battery cell arrangement for temperature deviations of individual battery cells from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement according to
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Überwachung einer Batteriezellen-Anordnung auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betrieb der Batteriezellen-Anordnung gemäß Anspruch 8.The invention further relates to a device for monitoring a battery cell arrangement for temperature deviations of individual battery cells from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement according to claim 8.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batteriezellen-Anordnung mit einer Vielzahl an Batteriezellen gemäß Anspruch 15 sowie eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 19.The invention further relates to a battery cell arrangement with a plurality of battery cells according to claim 15 and a use of the device according to the invention according to claim 19.
Für moderne Batteriezellen-Systeme bzw. Batterien oder Akkumulatoren, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien, kommen Batterie-Managementsysteme (BMS) zum Einsatz, um die Zellenspannungen und -temperaturen zu überwachen. Solche Batterie-Managementsysteme sind insbesondere in der Lage, eine Batterie abzuschalten bzw. die Verwendung einer Batterie zu unterbinden, wenn sich im Betrieb derselben Abweichungen ergeben, insbesondere wenn eine Betriebstemperatur einer Batterie bzw. einzelner Batteriezellen eine bei Normalbetrieb zu erwartende Temperatur („Normalbetriebstemperatur“) übersteigt.For modern battery cell systems or batteries or accumulators, in particular for lithium-ion batteries, battery management systems (BMS) are used to monitor cell voltages and temperatures. Such battery management systems are in particular able to switch off a battery or prevent the use of a battery if deviations occur during operation, in particular if the operating temperature of a battery or individual battery cells is a temperature to be expected during normal operation ("normal operating temperature") ) exceeds.
Zu diesem Zweck sind eine Anzahl von Temperatursensoren innerhalb der Batteriezellen-Anordnung vorgesehen und mit dem BMS verbunden. Die Temperaturüberwachung kann insbesondere unter Verwendung von Temperatur-Messelementen erfolgen, die als Thermistoren in Form von PTC- oder NTC-Widerständen ausgebildet sind. Bei PTC-Widerständen handelt es sich um elektrische Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten, die also bei steigender Temperatur mit einem starken Anstieg des elektrischen (Ohm'schen) Widerstands reagieren. Dagegen handelt es sich bei NTC-Widerständen um Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten, die also entsprechend mit einem starken Abfall des elektrischen Widerstands auf Temperaturerhöhungen reagieren.For this purpose, a number of temperature sensors are provided within the battery cell arrangement and connected to the BMS. The temperature monitoring can in particular take place using temperature measuring elements which are designed as thermistors in the form of PTC or NTC resistors. PTC resistors are electrical resistors with a positive temperature coefficient, which means that when the temperature rises, they react with a sharp increase in electrical (ohmic) resistance. On the other hand, NTC resistors are resistors with a negative temperature coefficient, which accordingly react to increases in temperature with a sharp drop in electrical resistance.
Für große Batterien, speziell für Batterien mit einer großen Anzahl kleiner, zylindrischer Batteriezellen, ist nach dem Stand der Technik nicht jede Batteriezelle mit einem Temperatursensor ausgestattet, da die Anzahl von Messkanälen, die am BMS erforderlich wäre, entsprechend sehr groß wäre, weil Hunderte oder gar Tausende von Sensoren zum Einsatz kommen könnten.For large batteries, especially for batteries with a large number of small, cylindrical battery cells, not every battery cell is equipped with a temperature sensor according to the state of the art, since the number of measuring channels that would be required on the BMS would be correspondingly very large, because hundreds or even thousands of sensors could be used.
Dies ist in der beigefügten
Jeder Temperatursensor (Temperatur-Messelement) erfordert in BMS
Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde nach dem Stand der Technik, wie er in
Die Ausgestaltung gemäß
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen, und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen von Batteriezellen-Anordnungen anzugeben, das bzw. die bei gegenüber dem Stand der Technik verringertem konstruktivem Aufwand mit einer erhöhten Betriebssicherheit einhergeht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batteriezellen-Anordnung und eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.The invention is based on the object of providing a remedy here and of specifying a method and a device for monitoring battery cell arrangements, which is associated with increased operational reliability with a reduced structural effort compared to the prior art. The invention is also based on the object of specifying an improved battery cell arrangement and a preferred use of the device according to the invention and the method according to the invention.
Die vorstehend genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezellen-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung zur Überwachung einer Batteriezellen-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch eine Batteriezellen-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie durch die in Anspruch 19 definierten Verwendungen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The above-mentioned objects are achieved according to the invention by a method for monitoring a battery cell arrangement with the features of
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überwachen einer Batteriezellen-Anordnung auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betreiben der Batteriezellen-Anordnung umfasst folgende Schritte:
- a) Versehen einer Vielzahl der Batteriezellen, vorzugsweise zumindest von einem Viertel oder einem Drittel oder der Hälfte der Batteriezellen, höchst vorzugsweise zumindest von drei Vierteln der Batteriezellen, insbesondere aller Batteriezellen, in der Batteriezellen-Anordnung mit einem elektrischen Widerstandselement mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstandswert;
- b) Verbinden der Widerstandselemente in Form wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung;
- c) im Betrieb der Batteriezellen-Anordnung, fortlaufendes Messen eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente in der Reihenschaltung und Vergleichen des gemessenen Reihenwiderstands mit einem Vergleichswert;
- d) Ausgeben eines Überwachungssignals in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs.
- a) Providing a plurality of the battery cells, preferably at least a quarter or a third or half of the battery cells, most preferably at least three quarters of the battery cells, in particular all battery cells, in the battery cell arrangement with an electrical resistance element with a temperature-dependent electrical resistance value;
- b) connecting the resistance elements in the form of at least one electrical series circuit;
- c) during operation of the battery cell arrangement, continuously measuring a series resistance of the resistance elements in the series circuit and comparing the measured series resistance with a comparison value;
- d) outputting a monitoring signal as a function of a result of the comparison.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung einer Batteriezellen-Anordnung auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betrieb der Batteriezellen-Anordnung weist auf: eine Mehrzahl von elektrischen Widerstandselementen, jeweils mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstandswert, welche Mehrzahl vorzugsweise mindestens einem Viertel, mindestens einem Drittel, mindestens einer Hälfte, mindestens drei Vierteln oder allen Batteriezellen aus einer Anzahl zu überwachender Batteriezellen entspricht, welche Widerstandselemente in Form wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung miteinander verbunden sind; und eine mit der Reihenschaltung über ein elektrisches Leiterpaar verbundene Mess- und Vergleichseinrichtung zum Messen eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente in der Reihenschaltung und zum Vergleichen des gemessenen Reihenwiderstands mit einem Vergleichswert, welche Mess- und Vergleichseinrichtung weiterhin ausgebildet ist zum Erzeugen und Ausgeben eines Überwachungssignals in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs.A device according to the invention for monitoring a battery cell arrangement for temperature deviations of individual battery cells from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement has: a plurality of electrical resistance elements, each with a temperature-dependent electrical resistance value, the plurality of preferably at least a quarter, at least a third, corresponds to at least one half, at least three quarters or all of the battery cells from a number of battery cells to be monitored, which resistance elements are connected to one another in the form of at least one electrical series circuit; and a measurement and comparison device connected to the series circuit via an electrical conductor pair for measuring a series resistance of the resistance elements in the series circuit and for comparing the measured series resistance with a comparison value, which measurement and comparison device is further designed to generate and output a monitoring signal as a function of a result of the comparison.
Eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung umfasst eine Vielzahl an Batteriezellen, vorzugsweise im Wesentlichen identisch ausgebildete Batteriezellen, sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung.A battery cell arrangement according to the invention comprises a multiplicity of battery cells, preferably essentially identical battery cells, and a device according to the invention.
Eine erfindungsgemäße Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder der erfindungsgemäßen Anordnung beinhaltet die Verwendung bei einem Fahrzeug, vorzugsweise einem Luftfahrzeug. Vorzugsweise kann es sich bei dem Luftfahrzeug um ein Multirotor-Fluggerät handeln, höchst vorzugsweise um ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät. Dieses Fluggerät kann verteilt angeordnete und bevorzugt elektrisch angetriebene Antriebseinheiten aufweisen, welche Antriebseinheiten aus wenigstens einer erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung mit elektrischer Energie versorgt werden. Vorzugsweise kann dazu wenigstens eine Batteriezellen-Anordnung pro Antriebseinheit vorgesehen sein.A use according to the invention of the device according to the invention or the arrangement according to the invention includes the use in a vehicle, preferably an aircraft. The aircraft can preferably be a multi-rotor aircraft, most preferably an aircraft that takes off and lands vertically. This aircraft can have distributed and preferably electrically driven drive units, which drive units are supplied with electrical energy from at least one battery cell arrangement according to the invention. For this purpose, at least one battery cell arrangement can preferably be provided per drive unit.
Indem erfindungsgemäß die zur Temperaturmessung eingesetzten Widerstandselemente, bei denen es sich wiederum insbesondere um PTC- oder NTC-Widerstandselemente oder um andere geeignete, temperaturabhängige Widerstandselemente handeln kann, in Form von wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung verbunden und schaltungstechnisch zusammengefasst sind, lässt sich trotz Überwachung jeder einzelnen Batteriezelle (im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß
Effektiv lässt sich so in Weiterbildung der Erfindung die Temperatur-Überwachungsfunktion des BMS in zwei Unterfunktionen aufteilen:
- 1) eine Temperaturmessung, die wie im Stand der Technik (vgl.
2 ) mit einer reduzierten Anzahl von Temperatursensoren (Widerstandselementen) durchgeführt wird, und - 2) das Erkennen einer erhöhten Temperatur, was mit einer zweiten Anzahl von Temperatursensoren (Widerstandselementen) erreicht wird, wobei jede Batteriezelle ein solches Widerstandselement aufweist (vgl.
1 ), während das BMS erfindungsgemäß aufgrund der verwendeten Reihenschaltung mit einer stark reduzierten Anzahl von Messkanälen auskommt.
- 1) a temperature measurement that, as in the prior art (cf.
2 ) is carried out with a reduced number of temperature sensors (resistance elements), and - 2) the detection of an increased temperature, which is achieved with a second number of temperature sensors (resistance elements), each battery cell having such a resistance element (cf.
1 ), while the BMS according to the invention gets by with a greatly reduced number of measurement channels due to the series connection used.
Die vorliegende Beschreibung beschäftigt sich im Wesentlichen mit dem zweitgenannten Aspekt (der zweiten Unterfunktion), weil der erstgenannte Aspekt aus dem Stand der Technik als solcher bekannt ist.The present description essentially deals with the second-mentioned aspect (the second sub-function), because the first-mentioned aspect is known as such from the prior art.
Im Betrieb der Batteriezellen-Anordnung erfolgt erfindungsgemäß eine fortlaufende Messung eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente in der Reihenschaltung, und der gemessene Reihenwiderstandswert wird mit einem Vergleichswert verglichen, sodass in Abhängigkeit von einem Ergebnis dieses Vergleichs ein Überwachungssignal ausgegeben werden kann. Dieses Überwachungssignal kann insbesondere anzeigen, ob der gemessene Reihenwiderstand über oder unter dem Vergleichswert liegt. Je nach Art der verwendeten elektrischen Widerstandselemente kann ein starker Anstieg des Reihenwiderstands (bei PTC-Elementen) bzw. ein starker Abfall des Reihenwiderstands (bei NTC-Elementen) eine Abweichung bereits einer einzelnen Batteriezelle von der Normalbetriebstemperatur anzeigen. Weil eine Mehrzahl von Widerstandselementen zu einer Reihenschaltung zusammengefasst sind, kann auf diese Weise eine vollständige messtechnische Abdeckung der Batteriezellen-Anordnung erfolgen, ohne den konstruktiven Aufwand insbesondere bei der Verdrahtung und/oder bei der Ausgestaltung des BMS zu vergrößern.During operation of the battery cell arrangement, according to the invention, a continuous measurement of a series resistance of the resistor elements in the series circuit takes place, and the measured series resistance value is compared with a comparison value, so that a monitoring signal can be output as a function of a result of this comparison. This monitoring signal can in particular indicate whether the measured series resistance is above or below the comparison value. Depending on the type of electrical resistance elements used, a sharp increase in the series resistance (with PTC elements) or a sharp decrease in the series resistance (with NTC elements) can indicate a deviation of a single battery cell from the normal operating temperature. Because a plurality of resistance elements are combined to form a series circuit, the battery cell arrangement can be completely metrologically covered without increasing the structural effort, particularly in the wiring and / or in the design of the BMS.
Im Zuge einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Überwachungssignal zum Ausgeben einer Warnungsmeldung (z.B. an einen Piloten) oder sogar zu einem direkten Abschalten der Batteriezellen-Anordnung genutzt wird, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert übersteigt. Auf diese Weise kann einer Zerstörung der Batteriezellen-Anordnung wirksam vorgebeugt werden. Die vorstehend wiedergegebene Weiterbildung bezieht sich speziell auf die Verwendung von PTC-Elementen als Widerstandselemente. Wenn NTC-Elemente verwendet werden, kann entsprechend vorgesehen sein, dass ein Abschalten der Batteriezellen-Anordnung erfolgt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert unterschreitet. In the course of a further development of the method according to the invention, it is provided that the monitoring signal is used to output a warning message (e.g. to a pilot) or even to switch off the battery cell arrangement directly if the measured series resistance exceeds the comparison value. In this way, destruction of the battery cell arrangement can be effectively prevented. The development presented above relates specifically to the use of PTC elements as resistance elements. If NTC elements are used, provision can accordingly be made for the battery cell arrangement to be switched off if the measured series resistance falls below the comparison value.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Batteriezellen in Schritt a) jeweils mit im Wesentlichen, also im Rahmen üblicher Fertigungstolerenzen identischen elektrischen Widerstandselementen bzw. mit Widerstandselementen mit im Wesentlichen identischem thermischen Widerstandskoeffizienten versehen werden. Dies erleichtert die Auswertung und verringert den konstruktiven Aufwand.In a particularly preferred development, it is provided that the battery cells in step a) are each provided with essentially identical electrical resistance elements, ie within the scope of customary manufacturing tolerances, or with resistance elements with essentially identical thermal resistance coefficients. This facilitates the evaluation and reduces the design effort.
Bei einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass vor Schritt c) ein maximaler und minimaler Reihenwiderstand der Widerstandselemente in der Reihenschaltung bei der Normalbetriebstemperatur bzw. innerhalb von Grenzen eines Normalbetriebstemperaturbereichs gemessen und zum Festlegen des Vergleichswerts verwendet wird. Auf diese Weise lassen sich anschließend im Betrieb schädliche Temperaturerhöhungen leicht erkennen. Unter „Normalbetriebstemperatur“ sei hier und im Folgenden eine Betriebstemperatur verstanden, die zwar gegenüber einer Ausgangs- oder Ruhetemperatur (geringfügig) erhöht sein kann, dies jedoch in einem Maße, das für die einzelnen Batteriezellen unschädlich ist. Beispielsweise kann die Normalbetriebstemperatur bzw. der Normalbetriebstemperaturbereich bei einer typischen Lithium-Ionen-Batteriezellen-Anordnung zwischen -20°C und 60°C liegen, wohingegen eine zu erkennende kritische Temperaturerhöhung bei etwa ab 80°C liegen würde.In yet another further development of the method according to the invention, a maximum and minimum series resistance of the resistor elements in the series circuit can be measured at the normal operating temperature or within the limits of a normal operating temperature range and used to establish the comparison value before step c). In this way, harmful temperature increases can then easily be detected during operation. Here and in the following, “normal operating temperature” is understood to mean an operating temperature that may be (slightly) higher than an initial or resting temperature, but to an extent that is harmless to the individual battery cells. For example, the normal operating temperature or the normal operating temperature range in a typical lithium-ion battery cell arrangement can be between -20 ° C and 60 ° C, whereas a critical temperature increase to be detected would be around 80 ° C and above.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
- i) ein erster Absolutwert, MA1, eines einzelnen Widerstandselements bei einer erhöhten Betriebstemperatur bestimmt wird, vorzugsweise vor dem Verbinden der Widerstandselemente; und
- ii) ein zweiter Absolutwert, MA2, als lokales Extremum, d.h. als Maximum (bei PTC-Elementen) oder Minimum (bei NTC-Elementen) des Widerstandswerts eines einzelnen Widerstandselements in dem Normalbetriebstemperaturbereich bestimmt wird, vorzugsweise vor dem Verbinden der Widerstandselemente; und
- iii) höchstens eine solche Anzahl, N oder Nmax, von Widerstandselementen
4 zu einer elektrischen Reihenschaltung4a ,4b verbunden werden, für welche Anzahl gilt:
- i) a first absolute value, MA1, of an individual resistance element is determined at an elevated operating temperature, preferably prior to connecting the resistance elements; and
- ii) a second absolute value, MA2, is determined as a local extreme, ie as a maximum (for PTC elements) or minimum (for NTC elements) of the resistance value of an individual resistance element in the normal operating temperature range, preferably before connecting the resistance elements; and
- iii) at most such a number, N or Nmax, of resistance elements
4th to an electrical series connection4a ,4b connected, for which number applies:
Auf diese Weise lässt sich rechnerisch einfach ermitteln, wie viele Widerstandselemente sinnvollerweise zu einer Reihenschaltung zusammengefasst werden können. Der genannte zweite Absolutwert, MA2, des Widerstandswerts kann eine Zunahme des Widerstandswerts und eine Abnahme des Widerstandswerts umfassen und demnach einen (lokalen) Maximalwert oder einen (lokalen) Minimalwert darstellen, je nach Art der verwendeten Widerstandselemente (insbesondere PTC oder NTC).In this way, it is easy to computationally determine how many resistance elements can usefully be combined to form a series circuit. Said second absolute value, MA2, of the resistance value can include an increase in the resistance value and a decrease in the resistance value and accordingly represent a (local) maximum value or a (local) minimum value, depending on the type of resistance elements used (in particular PTC or NTC).
Der Betrachtung wird bevorzugt eine Referenztemperatur für die Widerstandselemente zugrunde gelegt, beispielsweise eine Referenztemperatur von 25°C (ohne Beschränkung). Zunächst wird ermittelt, wie sich der Widerstandswert eines einzelnen Widerstandselements ändert, wenn dessen Temperatur von der Referenztemperatur bis auf die erhöhte Betriebstemperatur (Überhitzung, beispielsweise 80°C) erhöht wird. Entsprechend wird für jedes Widerstandselement ermittelt, wie sich der Widerstandswert ausgehend von der Referenztemperatur bei einem Vorliegen der Normalbetriebstemperatur ändert. Diese Normalbetriebstemperatur kann - wie bereits ausgeführt - ohne Beschränkung etwa zwischen -20°C und 60°C liegen.The consideration is preferably based on a reference temperature for the resistance elements, for example a reference temperature of 25 ° C. (without restriction). First of all, it is determined how the resistance value of an individual resistance element changes when its temperature is increased from the reference temperature to the increased operating temperature (overheating, for example 80 ° C.). Correspondingly, it is determined for each resistance element how the resistance value changes based on the reference temperature when the normal operating temperature is present. This normal operating temperature can - as already stated - be between -20 ° C and 60 ° C without restriction.
Vorteilhafterweise werden im Rahmen der Erfindung solche Widerstandselemente ausgewählt, die in einem Bereich zwischen der (höchsten) Normalbetriebstemperatur und der zu erkennenden erhöhten Betriebstemperatur eine besonders starke Änderung ihres Widerstandswerts erfahren, vorzugsweise um einen Faktor von etwa 100 (ohne Beschränkung). Je stärker diese Änderung ausfällt, desto mehr Widerstandselemente können in einer Reihenschaltung zusammengefasst werden, und desto stärker lässt sich der schaltungstechnische Aufwand verringern.Advantageously, those resistance elements are selected within the scope of the invention, which experience a particularly strong change in their resistance value in a range between the (highest) normal operating temperature and the increased operating temperature to be recognized, preferably by a factor of about 100 (without restriction). The greater this change, the more resistance elements can be combined in a series circuit, and the more the circuitry effort can be reduced.
Im Rahmen der Erfindung hat sich nämlich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn höchstens eine solche Anzahl, N oder Nmax, von Widerstandselementen zu einer elektrischen Reihenschaltung verbunden werden, für welche Anzahl gilt:
Bei einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl, n, von Reihenschaltungen erzeugt wird, sodass das Produkt n*N oder n*Nmax einer Gesamtanzahl, G, der Batteriezellen in der Batteriezellen-Anordnung entspricht. Vorzugsweise umfasst jede der Reihenschaltungen eine gleiche Anzahl von Widerstandselementen bzw. Batteriezellen. Die Zahl n wird in der Praxis viel kleiner ausfallen als die Zahl G, sodass eine vollständige Überwachung aller Batteriezellen mit verringertem konstruktiven Aufwand möglich ist.In yet another further development of the method according to the invention, it can be provided that a plurality, n, of series connections is generated so that the product n * N or n * N max corresponds to a total number, G, of the battery cells in the battery cell arrangement. Each of the series connections preferably comprises an equal number of resistance elements or battery cells. In practice, the number n will turn out to be much smaller than the number G, so that complete monitoring of all battery cells is possible with less structural effort.
Eine andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Reihenschaltung mit einem Batterie-Managementsystem verbunden wird, welches Batterie-Managementsystem die Messung des Reihenwiderstands und den Vergleich mit dem Vergleichswert durchführt und anschließend auch das Überwachungssignal erzeugt und ausgibt. Hierauf wurde weiter oben bereits hingewiesen. Das Überwachungssignal kann insbesondere zum Abschalten der Batteriezellen-Anordnung verwendet werden, wenn sich bei dem Vergleich herausstellt, dass zumindest eine der Batteriezellen eine überhöhte Temperatur aufweist.Another preferred development of the method according to the invention provides that the series circuit is connected to a battery management system, which battery management system carries out the measurement of the series resistance and the comparison with the comparison value and then also generates and outputs the monitoring signal. This has already been pointed out above. The monitoring signal can in particular be used to switch off the battery cell arrangement if the comparison shows that at least one of the battery cells has an excessive temperature.
Der wiederholt erwähnte verringerte konstruktive Aufwand schlägt sich hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin nieder, dass nicht für jede einzelne Batteriezelle ein elektrisches Leiterpaar erforderlich ist, weil nur jeweils die Reihenschaltungen mit der zugehörigen Mess- und Vergleichseinrichtung zu verbinden sind.The repeatedly mentioned reduced design effort is reflected in the device according to the invention in the fact that an electrical conductor pair is not required for each individual battery cell because only the series circuits need to be connected to the associated measuring and comparison device.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Überwachungssignal einen ersten Wert annimmt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert nicht übersteigt, und dass das Überwachungssignal einen zweiten, von dem ersten Wert verschiedenen Wert annimmt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert übersteigt. Auch diese Weiterbildung bezieht sich konkret auf den Fall einer Verwendung von PTC-Widerstandselementen, was bei Temperaturerhöhungen zu einem Anstieg des Widerstandswertes für jedes einzelne Widerstandselement führt. Wenn dagegen NTC-Elemente zum Einsatz kommen, wäre der Effekt gerade umgekehrt, sodass dann das Überwachungssignal den ersten Wert annimmt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert übersteigt, und umgekehrt.A further development of the device according to the invention provides that the monitoring signal has a first value assumes when the measured series resistance does not exceed the comparison value, and that the monitoring signal assumes a second value different from the first value when the measured series resistance exceeds the comparison value. This development also relates specifically to the case of using PTC resistance elements, which leads to an increase in the resistance value for each individual resistance element when the temperature increases. If, on the other hand, NTC elements are used, the effect would be exactly the opposite, so that the monitoring signal then assumes the first value when the measured series resistance exceeds the comparison value, and vice versa.
Um den schaltungstechnischen Aufwand möglichst gering zu halten, sieht auch eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die elektrischen Widerstandselemente im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.In order to keep the circuit complexity as low as possible, a further development of the device according to the invention also provides that the electrical resistance elements are designed essentially identically.
Bevorzugt wird bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Vergleichswert gemäß einem bei der Normalbetriebstemperatur gemessenen Reihenwiderstand der Widerstandselemente in der Reihenschaltung festgelegt. Hierauf wurde weiter oben schon hingewiesen.In a further development of the device according to the invention, the comparison value is preferably established according to a series resistance of the resistance elements in the series circuit measured at normal operating temperature. This has already been pointed out above.
Entsprechend der Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich auch in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein einfacher formelmäßiger Zusammenhang zur Bestimmung der Anzahl von Widerstandselementen in einer elektrischen Reihenschaltung. Für diese Anzahl N bzw. Nmax gilt:
Bei entsprechender Weiterbildung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mehrzahl, n, von Reihenschaltungen umfassen, sodass das Produkt n*N oder n*Nmax einer Gesamtanzahl, G, von Batteriezellen in der Batteriezellen-Anordnung entspricht, während vorzugsweise für jede Reihenschaltung ein elektrisches Leiterpaar zum Verbinden mit der Mess- und Vergleichseinrichtung vorgesehen ist.With a corresponding development, the device according to the invention can comprise a plurality, n, of series connections so that the product n * N or n * N max corresponds to a total number, G, of battery cells in the battery cell arrangement, while preferably an electrical conductor pair for each series connection Connect to the measuring and comparison device is provided.
Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung bei entsprechender Weiterbildung weiterhin ein Batterie-Managementsystem auf, welches Batterie-Managementsystem mit der Mess- und Vergleichseinrichtung wirkverbunden ist oder die Mess- und Vergleichseinrichtung umfasst. Das Batterie-Managementsystem ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem Überwachungssignal einen Weiterbetrieb der Batteriezellen-Anordnung zu erlauben, vorzugsweise bei dem ersten Wert des Überwachungssignals, oder zu unterbinden, vorzugsweise bei dem zweiten Wert des Überwachungssignals.With a corresponding development, the device according to the invention advantageously furthermore has a battery management system, which battery management system is operatively connected to the measuring and comparison device or comprises the measuring and comparison device. The battery management system is designed to allow continued operation of the battery cell arrangement as a function of the monitoring signal, preferably at the first value of the monitoring signal, or to prevent it, preferably at the second value of the monitoring signal.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung ist entsprechend vorgesehen, dass die Mehrzahl von elektrischen Widerstandselementen der Vielzahl an Batteriezellen entspricht und dass jeder Batteriezelle ein solches Widerstandselement zugeordnet ist. Folglich leidet die Batteriezellen-Anordnung nicht wie die Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik (
Damit die Temperaturüberwachung möglichst gut funktioniert, ist in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung vorgesehen, dass jedes Widerstandselement thermisch leitend mit einer jeweiligen Batteriezelle verbunden ist. Insbesondere kommt hier eine kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise durch Klemmen oder Kleben, in Betracht.In order for the temperature monitoring to work as well as possible, a further development of the battery cell arrangement according to the invention provides that each resistance element is connected to a respective battery cell in a thermally conductive manner. In particular, a force-fit or material connection, for example by clamping or gluing, comes into consideration here.
Vorteilhafterweise sind die Batteriezellen der Batteriezellen-Anordnung bei einer entsprechenden Weiterbildung derselben als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet. Derartige Batteriezellen haben sich in der Vergangenheit als besonders leistungsfähig erwiesen.In a corresponding development of the same, the battery cells of the battery cell arrangement are advantageously designed as lithium-ion cells. Such battery cells have proven to be particularly efficient in the past.
Mit allen ihren vorstehend beschriebenen Aspekten eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere zur Verwendung bei einem Fahrzeug, vorzugsweise einem Luftfahrzeug. Die Anmelderin stellt sogenannte Multirotor-Fluggeräte in Form von Multicoptern her, die über eine Mehrzahl von elektrisch betriebenen Antriebseinheiten verfügen. Vorteilhafterweise kann jeder dieser Antriebseinheiten mindestens eine Batteriezellen-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordnet sein.With all of its aspects described above, the present invention is particularly suitable for use in a vehicle, preferably an aircraft. The applicant produces so-called multirotor aircraft in the form of multicopters which have a plurality of electrically operated drive units. Advantageously, each of these drive units can be assigned at least one battery cell arrangement according to the present invention.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Ansätzen auch noch eine grundlegende Messung der Temperatur der Batteriezellen-Anordnung erfolgen kann, wie sie beispielhaft in
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
-
1 zeigt eine Batteriezellen-Anordnung nach dem Stand der Technik; -
2 zeigt eine weitere Batteriezellen-Anordnung nach dem Stand der Technik; -
3 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung; -
4 zeigt Widerstandswerte in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur im Rahmen der Erfindung; und -
5 zeigt die Verwendung von erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnungen bei einem Multirotor-Fluggerät.
-
1 shows a battery cell arrangement according to the prior art; -
2 shows a further battery cell arrangement according to the prior art; -
3 shows a battery cell arrangement according to the invention; -
4th shows resistance values as a function of the operating temperature within the scope of the invention; and -
5 shows the use of battery cell arrangements according to the invention in a multi-rotor aircraft.
Auf die vorbekannten Ausgestaltungen gemäß den
Das BMS
Wie der Fachmann erkennt, ist die Ausgestaltung der Reihenschaltungen
In
Dargestellt ist in
Die untere Kurve zeigt die Entwicklung des Widerstands für ein einzelnes Widerstandselement mit der Temperatur. Der Anstieg des Widerstands mit der Temperatur ist bis etwa 60°C (entsprechend einer maximalen Normalbetriebstemperatur) recht moderat, um dann sprunghaft zuzunehmen. Dies ist das typische Verhalten eines PTC-Widerstandselements, wie es bei Bezugszeichen
Die mittlere, gestrichelte Kurve zeigt das aufsummierte Verhalten von 25 derartigen Widerstandselementen, die in Reihe geschaltet sind und alle dieselbe (Betriebs-)Temperatur aufweisen. Die gestrichelte Kurve ergibt sich entsprechend einfach durch Multiplikation der unteren Kurve mit dem Faktor 25.The middle, dashed curve shows the cumulative behavior of 25 such resistance elements, which are connected in series and all have the same (operating) temperature. The dashed curve is obtained simply by multiplying the lower curve by a factor of 25.
Die oberste Kurve in
Wesentlich hierbei ist, dass die Zunahme des Widerstandswerts für ein einzelnes Widerstandselement zwischen einer maximal zulässigen Betriebstemperatur (hier 60°C) und einer zu erkennenden Überhitzungstemperatur (hier 80°C) ein größeres Maß aufweist, als die aufsummierte Widerstandszunahme aller anderen Widerstandselemente in der Reihenschaltung in dem zulässigen Temperaturbereich (hier bis 60°C). So lange dieses Kriterium erfüllt ist, kann eine übermäßige Temperaturzunahme an einem einzelnen Widerstandselement bei erfindungsgemäß reduziertem Schaltungsaufwand problemlos erkannt werden.What is essential here is that the increase in the resistance value for an individual resistance element between a maximum permissible operating temperature (here 60 ° C) and an overheating temperature that can be detected (here 80 ° C) is greater than the total increase in resistance of all other resistance elements in the series connection in the permissible temperature range (here up to 60 ° C). As long as this criterion is met, an excessive increase in temperature at an individual resistance element can be recognized without problems with reduced circuit complexity according to the invention.
Wie weiter oben auch formelmäßig dargestellt, lässt sich aus dem Verlauf der Kurven gemäß
Im Rahmen der einleitenden Beschreibung wurde bereits darauf hingewiesen, dass eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung, insbesondere gemäß
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Citations (2)
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DE10011233A1 (en) | 1999-03-12 | 2000-10-12 | Sanyo Electric Co | Battery unit has total number of temp. sensors is smaller than number of cells; all cells with adjacent sensors and all cells without adjacent sensors are connected together |
DE102013214448A1 (en) | 2013-07-24 | 2015-01-29 | Robert Bosch Gmbh | Method and device for detecting a temperature increase in a plurality of electrochemical storage cells |
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Patent Citations (2)
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