DE102020215243B4 - Device for monitoring battery cells in a battery string in the idle state - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Überwachung von Batteriezellen (BT1 - BTX) eines Batteriestranges (10) im Ruhezustand, umfassend Differenzspannungseinheiten (30) für jede Batteriezelle (BT1 - BTX), wobei jeder Differenzspannungseinheit (30) ein Bandpassfilter (35) nachgeordnet ist, wobei die Ausgänge von jeweils zwei Bandpassfiltern (35) mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (36) mit nachgeordneten Gleichrichtern (37) verbunden sind, wobei die Ausgänge der Gleichrichter (37) mit jeweils einem Eingang eines Komparators (38) verbunden sind, wobei die Ausgänge des Komparators (38) mit mindestens einer Logik-Einheit (40) zur Erzeugung eines Überwachungssignals verbunden sind, wobei die Vorrichtung (1) eine Anregungsschaltung (20) aufweist, die derart ausgebildet ist, für eine vorgegebene Zeit einen Entladestrom zu erzeugen.Device (1) for monitoring battery cells (BT1 - BTX) of a battery string (10) in the idle state, comprising differential voltage units (30) for each battery cell (BT1 - BTX), each differential voltage unit (30) being followed by a bandpass filter (35), wherein the outputs of two bandpass filters (35) each are connected to the inputs of a differential amplifier (36) with downstream rectifiers (37), the outputs of the rectifiers (37) each being connected to an input of a comparator (38), the outputs of the Comparator (38) are connected to at least one logic unit (40) for generating a monitoring signal, the device (1) having an excitation circuit (20) which is designed to generate a discharge current for a predetermined time.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Ruhezustand.The invention relates to a device for monitoring battery cells in a battery string in the idle state.

Bei einem unentdeckten Schaden einer Batteriezelle in einem Batteriestrang z.B. aufgrund eines Herstellungsfehlers, einer unzulässigen Erwärmung oder einer sonstigen Beschädigung kann es zu einer thermischen Propagation (thermal runaway) kommen. Aus Sicherheitsaspekten ist man bemüht, dieses Ereignis so früh wie möglich zu detektieren. Die bekannten Sensoriken haben dabei verschiedene Nachteile.In the event of undiscovered damage to a battery cell in a battery string, e.g. due to a manufacturing defect, impermissible heating or other damage, thermal propagation (thermal runaway) can occur. For safety reasons, efforts are made to detect this event as early as possible. The known sensor systems have various disadvantages.

Beispielsweise sind Gas- oder Drucksensoriken bekannt, mittels derer detektiert wird, ob eine Batteriezelle ausgast. Dies ist ein relativ kurzer Zeitpunkt vor einer möglichen thermischen Propagation, so dass die Reaktionszeit entsprechend verkürzt ist. Auch klassische Zellspannungsmessungen sind relativ träge. Direkte Messungen der Temperaturen über alle Batteriezellen sind schaltungstechnisch sehr aufwendig. Ein weiteres mögliches Verfahren ist die Impedanzspektroskopie, die Strom- und Spannungsmessungen durchführt und daraus frequenzabhängig die Impedanz mit Amplitude und Phase bestimmt. Derartige Messzyklen dauern einige Minuten und verbrauchen viel Energie.For example, gas or pressure sensors are known, by means of which it is detected whether a battery cell outgassing. This is a relatively short time before a possible thermal propagation, so that the reaction time is shortened accordingly. Classic cell voltage measurements are also relatively sluggish. Direct measurements of the temperatures across all battery cells are very complex in terms of circuitry. Another possible method is impedance spectroscopy, which carries out current and voltage measurements and determines the impedance with amplitude and phase as a function of frequency. Such measurement cycles last a few minutes and consume a lot of energy.

Aus der DE 196 54 045 A1 ist ein Batteriekapazitätsvorhersageverfahren zum Vorhersagen einer verbleibenden Kapazität einer Batterieeinheit bekannt, die eine Vielzahl von Batteriezellen enthält, die seriell verbunden sind, in einer Vorrichtung, bei der die Batterieeinheit verwendet wird. Dabei werden die Ausgangsspannungen von jeder der Batteriezellen verglichen, wobei eine Vorhersage der verbleibenden Kapazität auf der Basis wenigstens einer von einer minimalen Spannung und einer maximalen Spannung von den verglichenen Ausgangsspannungen der Batteriezellen erfolgt.From the DE 196 54 045 A1 there is known a battery capacity prediction method for predicting a remaining capacity of a battery pack including a plurality of battery cells connected in series in an apparatus using the battery pack. At this time, the output voltages of each of the battery cells are compared, and the remaining capacity is predicted based on at least one of a minimum voltage and a maximum voltage among the compared output voltages of the battery cells.

Aus der JP 2012 - 47 520 A ist ein ähnliches Verfahren bekannt.From the JP 2012 - 47 520A a similar method is known.

Aus der US 5 349 668 A ist ein batteriebetriebener Computer bekannt, der eine Batterie mit einer Vielzahl von seriell verbundenen Batteriezellenbänken umfasst, die während des Betriebes des Computers überwacht werden, um eine fast entladene Batteriebank und eine vollständig entladene Batteriebank zu erkennen. Der Computer enthält auch eine Vielzahl von Mikroprozessoren, einschließlich eines Host- oder Systemprozessors, eines Serviceprozessors und eines Leistungsteilungssystemprozessors. Wenn eine fast entladene Batteriebank erkannt wird, wird der Prozessor des Stromversorgungs-Subsystem unterbrochen und er sendet eine Nachricht an den Service-Prozessor, der wiederum den Host-Prozessor unterbricht. Ein Interrupt-Handler fährt dann das System herunter. Wenn eine vollständig entladene Batteriebank erkannt wird, wird die Batterie sofort abgeklemmt und das System abgeschaltet, um eine Polarität oder Zellvertauschung zu verhindern.From the U.S. 5,349,668 A discloses a battery powered computer comprising a battery having a plurality of serially connected battery cell banks which are monitored during operation of the computer to detect a nearly discharged battery bank and a fully discharged battery bank. The computer also contains a variety of microprocessors, including a host or system processor, a service processor, and a power sharing system processor. When a low battery bank is detected, the power subsystem processor is interrupted and it sends a message to the service processor, which in turn interrupts the host processor. An interrupt handler then shuts down the system. If a fully discharged battery bank is detected, the battery will be immediately disconnected and the system shut down to prevent polarity or cell reversal.

Aus der US 2006 / 0 279 255 A1 ist ein auf- und entladbares Stromversorgungssystem bekannt, wobei mehrere Batteriezellenabschnitte in Reihe miteinander verbunden sind, wobei mehrere Zellenzustands-Erfassungsabschnitte für die jeweiligen Batteriezellenabschnitte installiert und konfiguriert sind, einen Ladezustand in den jeweils entsprechenden Batteriezellenabschnitten zu detektieren. Ein Leistungssteuerungsabschnitt ist derart konfiguriert, um eine Stromversorgungssteuerung für die Batterie durchzuführen.A chargeable and dischargeable power supply system is known from US 2006/0 279 255 A1, wherein a plurality of battery cell sections are connected to one another in series, a plurality of cell state detection sections being installed for the respective battery cell sections and configured to detect a state of charge in the respective corresponding battery cell sections . A power control section is configured to perform power supply control for the battery.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine alternative Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Ruhezustand zu schaffen, die eine frühzeitige Warnung vor thermischer Propagation ermöglicht.The invention is therefore based on the technical problem of creating an alternative device for monitoring battery cells in a battery string in the idle state, which allows early warning of thermal propagation.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The technical problem is solved by a device with the features of claim 1. Further advantageous configurations of the invention result from the dependent claims.

Die Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Ruhezustand weist Differenzspannungseinheiten für jede Batteriezelle des Batteriestranges auf. Der Batteriestrang ist dabei eine Reihenschaltung von Batteriezellen. Der Batteriestrang kann dabei ein Batteriemodul oder eine komplette Batterie sein, beispielsweise eine Hochvoltbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges. Mittels der Differenzspannungseinheiten werden dabei differentielle Spannungsmessungen an den beiden Zellpolen einer Batteriezelle vorgenommen. Den Differenzspannungseinheiten ist jeweils ein Bandpassfilter nachgeordnet, um den Frequenzbereich auf ein besonders aussagekräftiges Frequenzband zu begrenzen. Das Frequenzband ist dabei abhängig vom Batteriezellen-Typ, wobei hierbei auf Ergebnisse von Impedanzspektroskopie-Messungen an den Batteriezellen-Typen zurückgegriffen werden kann. Die Ausgänge von jeweils zwei Bandpassfiltern sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden, um so Abweichungen zwischen zwei Ausgangssignalen an den Bandpassfiltern zu erfassen. Dabei können jeweils benachbarte Badpassfilter auf einen Differenzverstärker geführt sein, aber auch weiter voneinander beabstandete Bandpassfilter. Die Ausgänge der Differenzverstärker sind mit einem Gleichrichter, vorzugsweise einem Zwei-Weg-Gleichrichter verbunden. Am Ausgang der Gleichrichter liegen dann uni-polare Spannungssignale. Die Ausgänge der Gleichrichter sind dann mit Eingängen von Komparatoren verbunden, deren Ausgänge mit den Eingängen einer Logik-Einheit zur Erzeugung eines Überwachungssignale verbunden sind, wobei die Logik-Einheit im einfachsten Fall ein Oder-Gatter ist. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Anregungsschaltung auf, die derart ausgebildet ist, für eine vorgegebene Zeit einen Entladestrom zu erzeugen. Hierdurch wird der Batteriestrang temporär belastet, was sich in Spannungsänderungen an den Batteriezellen bemerkbar macht. Diese differentiellen Spannungsänderungen werden nun in einem bestimmten Frequenzband miteinander verglichen. Bei einer Abweichung eines Ausgangssignals am Bandpassfilter von den übrigen Ausgangssignalen spricht dies dafür, dass eine Batteriezelle beschädigt und/oder im Vergleich zu den anderen Batteriezellen überhitzt ist, was somit ohne direkte Temperaturmessung erfassbar ist. Ist dies der Fall, so erzeugt die Logik-Einheit ein Signal, um entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Beispielsweise kann eine komplexere Überwachungseinrichtung aktiviert werden, die einen höheren Ruhestrombedarf hat, dafür aber die Batteriezellen genau untersuchen kann. Alternativ oder ergänzend kann eine Warnmeldung generiert werden und/oder eine Kühlung der Batteriezellen gestartet werden. Ein Vorteil der Vorrichtung ist, dass diese ohne komplexere Mikroprozessoren einen ersten Hinweis auf einen möglichen Defekt einer Batteriezelle liefert, wobei der Ruhestrombedarf sehr gering ist, da viele Einheiten mit passiven Elementen gebildet werden können. Dabei kann vorgesehen sein, dass die aktiven Bauelemente (wie z.B. die Differenzverstärker) nur für die Messzeit mit der Versorgungsspannung verbunden sind, d.h. die Anregungsschaltung schaltet die Vorrichtung ein und aus.The device for monitoring battery cells in a battery string in the idle state has differential voltage units for each battery cell in the battery string. The battery string is a series connection of battery cells. The battery string can be a battery module or a complete battery, for example a high-voltage battery of an electric or hybrid vehicle. The differential voltage units are used to carry out differential voltage measurements at the two cell poles of a battery cell. A bandpass filter is arranged downstream of the differential voltage units in order to limit the frequency range to a particularly meaningful frequency band. The frequency band depends on the battery cell type, whereby the results of impedance spectroscopy measurements on the battery cell types can be used. The outputs of two bandpass filters each are connected to the inputs of a differential amplifier in order to detect deviations between two output signals at the bandpass filters. Adjacent bad-pass filters can be routed to a differential amplifier, but band-pass filters that are spaced further apart can also be used. The outputs of the differential amplifiers are connected to a rectifier, preferably a full-wave rectifier. At the The output of the rectifiers are then unipolar voltage signals. The outputs of the rectifiers are then connected to inputs of comparators whose outputs are connected to the inputs of a logic unit for generating a monitoring signal, the logic unit being an OR gate in the simplest case. Furthermore, the device has an excitation circuit that is designed to generate a discharge current for a predetermined time. As a result, the battery string is temporarily loaded, which is noticeable in voltage changes in the battery cells. These differential voltage changes are now compared with one another in a specific frequency band. If an output signal at the bandpass filter deviates from the other output signals, this indicates that a battery cell is damaged and/or overheated compared to the other battery cells, which can therefore be detected without direct temperature measurement. If this is the case, the logic unit generates a signal to initiate appropriate measures. For example, a more complex monitoring device can be activated, which has a higher quiescent current requirement but can examine the battery cells in detail. Alternatively or additionally, a warning message can be generated and/or cooling of the battery cells can be started. An advantage of the device is that it provides a first indication of a possible defect in a battery cell without more complex microprocessors, the quiescent current requirement being very low since many units can be formed with passive elements. Provision can be made for the active components (such as the differential amplifiers) to be connected to the supply voltage only for the measurement time, ie the excitation circuit switches the device on and off.

In einer Ausführungsform weist die Anregungsschaltung ein Relais oder einen Halbleiterschalter (z.B. MOSFET oder IGBT) sowie eine Steuerschaltung auf. Der Vorteil des Relais ist die galvanische Trennung, allerdings sind die erreichbaren Schaltzeiten im Vergleich zu Halbleiterschaltern gering, so dass zur Durchführung schneller Messungen Halbleiterschalter zu bevorzugen sind.In one embodiment, the excitation circuit comprises a relay or a semiconductor switch (e.g. MOSFET or IGBT) and a control circuit. The advantage of the relay is the galvanic isolation, but the switching times that can be achieved are short compared to semiconductor switches, so that semiconductor switches are preferable for carrying out fast measurements.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerschaltung als Timer ausgebildet, die dann jeweils nach einer vorgegebenen Zeit die Anregungsschaltung bzw. die Vorrichtung aktiviert und nach einer vorgegebenen Zeit wieder deaktiviert.In a further embodiment, the control circuit is designed as a timer, which then activates the excitation circuit or the device after a predetermined time and deactivates it again after a predetermined time.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Anregungsschaltung einen separaten Lastwiderstand auf oder der Halbleiterschalter mit seinem Durchgangswiderstand bildet die Last.In a further embodiment, the excitation circuit has a separate load resistance, or the semiconductor switch with its volume resistance forms the load.

In einer weiteren Ausführungsform weist eine Differenzspannungseinheit zwei Gleichspannungs-Filter auf, die jeweils einem Batteriepol zugeordnet sind, sowie einen Differenzverstärker auf. Die Gleichspannungs-Filter können auch als DC-Blocker bezeichnet werden und sind im einfachsten Fall als Kondensatoren ausgebildet. Durch das Abtrennen der Gleichspannungsanteile vereinfacht sich die nachfolgende Signalverarbeitung erheblich, da dann alle Signale gegen die gleiche Bezugsmasse gemessen werden können.In a further embodiment, a differential voltage unit has two DC voltage filters, each of which is assigned to a battery pole, and a differential amplifier. The DC voltage filters can also be referred to as DC blockers and, in the simplest case, are designed as capacitors. Separating the DC components simplifies the subsequent signal processing considerably, since all signals can then be measured against the same reference ground.

In einer weiteren Ausführungsform ist jeweils zwischen einem Gleichspannungs-Filter und einem Eingang des Differenzverstärkers ein Verstärker angeordnet. Der Verstärker dient dabei primär zur Verstärkung der Spannungssignale, filtert aber zusätzlich hochfrequente Anteile aufgrund seiner Trägheit heraus, was günstig für den nachfolgenden Differenzverstärker und Bandpassfilter ist.In a further embodiment, an amplifier is arranged between a DC voltage filter and an input of the differential amplifier. The amplifier is primarily used to amplify the voltage signals, but also filters out high-frequency components due to its inertia, which is beneficial for the downstream differential amplifier and bandpass filter.

In einer weiteren Ausführungsform ist die vorgegebene Zeit größer 100 ms und kleiner als 1 s, und ist vorzugsweise zwischen 150 ms und 250 ms. Hierdurch wird eine ausreichend lange Spannungsantwort erzeugt, wobei der Ruhestrombedarf sehr gering ist.In another embodiment, the predetermined time is greater than 100 ms and less than 1 s, and is preferably between 150 ms and 250 ms. This generates a sufficiently long voltage response, with the quiescent current requirement being very low.

In einer weiteren Ausführungsform ist die untere Grenzfrequenz des Bandpassfilters größer 50 Hz und die obere Grenzfrequenz kleiner 500 Hz, weiter vorzugsweise liegt der Bandpass bei 100 Hz untere Grenzfrequenz und 300 Hz obere Grenzfrequenz.In a further embodiment, the lower cut-off frequency of the bandpass filter is greater than 50 Hz and the upper cut-off frequency is less than 500 Hz; more preferably, the band-pass filter is at a lower cut-off frequency of 100 Hz and an upper cut-off frequency of 300 Hz.

In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens einer Batteriezelle ein Temperatursensor zugeordnet, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, aufgrund der Messergebnisse der Differenzspannungseinheiten und des Messwertes des Temperatursensors die Temperaturen der Batteriezellen ohne Temperatursensor zu schätzen.In a further embodiment, at least one battery cell is assigned a temperature sensor, with the device being designed in such a way that the temperatures of the battery cells are estimated without a temperature sensor on the basis of the measurement results of the differential voltage units and the measured value of the temperature sensor.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung Bestandteil eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.In a further embodiment, the device is part of a traction network of an electric or hybrid vehicle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Ruhezustand.The invention is explained in more detail below using a preferred exemplary embodiment. The only figure shows a schematic block diagram of a device for monitoring battery cells of a battery string in the idle state.

In der 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Überwachung eines Batteriestranges 10 mit mehreren Batteriezellen BT1 - BTX dargestellt. Dabei ist die schaltungstechnische Umsetzung der Vorrichtung 1 für die ersten vier Batteriezellen BT1 - BT4 dargestellt, wobei die Fortsetzung für die weiteren Batteriezellen BTX nur gestrichelt angedeutet ist. Die Vorrichtung 1 weist eine Anregungsschaltung 20 auf, die einen Timer 22 als Steuereinheit 21, einen Lastwiderstand 23 sowie ein Schaltelement 24 aufweist, das vorzugsweise als Halbleiterschalter 25 ausgebildet ist. Weiter weist die Vorrichtung 1 entsprechend der Anzahl an Batteriezellen BT1 - BTX Differenzspannungseinheiten 30 auf. Jede Differenzspannungseinheit 30 weist zwei Gleichspannungs-Filter 31 auf, die jeweils mit einem Batteriepol der zugeordneten Batteriezelle BT1 - BTX verbunden sind. Die Ausgänge der Gleichspannungs-Filter 31 sind jeweils mit einem Eingang eines Verstärkers 32 verbunden, wobei die beiden Ausgänge des Verstärkers 32 mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 34 verbunden sind. Weiter weist die Vorrichtung 1 Bandpassfilter 35 auf, wobei die Ausgänge der Differenzverstärker 34 jeweils mit einem Eingang eines Bandpassfilters 35 verbunden ist, der beispielsweise eine untere Grenzfrequenz von 100 Hz und eine obere Grenzfrequenz von 300 Hz aufweist. Die Ausgänge von jeweils zwei Bandpassfiltern sind mit den Eingängen eines weiteren Differenzverstärkers 36 verbunden. Dabei ist dargestellt, dass die Bandpassfilter 35 der ersten Batteriezelle BT1 und der dritten Batteriezelle BT3 auf einen gemeinsamen Differenzverstärker 36 geführt sind sowie die Bandpassfilter 35 der zweiten Batteriezelle BT2 und vierten Batteriezelle BT4 auf einen gemeinsamen Differenzverstärker 36. Andere Zuordnungen sind möglich, wie beispielsweise, dass die jeweils direkt benachbarten Bandpassfilter 35 paarweise zusammengefasst werden. Die Ausgänge der Differenzverstärker 36 sind mit den Eingängen von Gleichrichtern 37 verbunden, deren Ausgänge mit jeweils einem Eingang eines Komparators 38 verbunden sind. An dem jeweils anderen Eingang eines Komparators 38 ist eine Referenzspannungsquelle Vref angeschlossen. Die Ausgänge der Komparatoren 38 sind mit einer Logik-Einheit 40 verbunden, wobei die Logik-Einheit 40 beispielsweise ein Oder-Gatter ist. Der Ausgang der Logik-Einheit 40 stellt ein Überwachungssignal bereit, das ein Trigger- bzw. Wake-up-Signal einer komplexeren Messeinrichtung 50 für die Batteriezellen BT1 - BTX sein kann. Schließlich weist die Vorrichtung 1 noch mindestens einen Temperatursensor T auf, der der ersten Batteriezelle BT1 zugeordnet ist.In the 1 is a block diagram of a device 1 for monitoring a battery string 10 with multiple battery cells BT1 - BTX shown. The circuit implementation of the device 1 for the first four battery cells BT1 - BT4 is shown, with the continuation for the other battery cells BTX is indicated only by dashed lines. The device 1 has an excitation circuit 20 which has a timer 22 as a control unit 21, a load resistor 23 and a switching element 24 which is preferably in the form of a semiconductor switch 25. The device 1 also has differential voltage units 30 corresponding to the number of battery cells BT1-BTX. Each differential voltage unit 30 has two DC voltage filters 31, each of which is connected to a battery pole of the associated battery cell BT1-BTX. The outputs of the DC voltage filters 31 are each connected to an input of an amplifier 32 , the two outputs of the amplifier 32 being connected to the inputs of a differential amplifier 34 . Device 1 also has bandpass filters 35, with the outputs of differential amplifiers 34 being connected to an input of a bandpass filter 35, which has a lower limit frequency of 100 Hz and an upper limit frequency of 300 Hz, for example. The outputs of two bandpass filters each are connected to the inputs of a further differential amplifier 36 . It is shown that the bandpass filter 35 of the first battery cell BT1 and the third battery cell BT3 are routed to a common differential amplifier 36 and the bandpass filter 35 of the second battery cell BT2 and fourth battery cell BT4 to a common differential amplifier 36. Other assignments are possible, such as that the directly adjacent bandpass filters 35 are combined in pairs. The outputs of the differential amplifiers 36 are connected to the inputs of rectifiers 37 whose outputs are each connected to an input of a comparator 38 . A reference voltage source Vref is connected to the respective other input of a comparator 38 . The outputs of the comparators 38 are connected to a logic unit 40, the logic unit 40 being an OR gate, for example. The output of the logic unit 40 provides a monitoring signal, which can be a trigger or wake-up signal from a more complex measuring device 50 for the battery cells BT1-BTX. Finally, the device 1 also has at least one temperature sensor T, which is assigned to the first battery cell BT1.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung 1 soll nun kurz erläutert werden. Der Batteriestrang 10 ist im Ruhezustand, so dass kein Lade- oder Entladestrom fließt. Die Steuereinheit 21 der Anregungsschaltung 20 aktiviert dann zu einer vorgegebenen Zeit (z.B. alle 15 Minuten) die übrige Vorrichtung 1 und schaltet schließend für eine vorgegebene Zeit von beispielsweise 200 ms das Schaltelement 24, so dass ein Laststrom durch den Lastwiderstand 23 fließen kann, wobei anschließend das Schaltelement 24 wieder geöffnet wird. Dieser Laststrom verursacht Spannungsänderungen an den Batteriezellen BT1 - BTX. Diese differentiellen Spannungsänderungen an den Batteriepolen sind im Idealfall alle gleich groß, d.h. alle Batteriezellen werden gleich stark belastet. Durch die Gleichspannungs-Filter 31werden nun die Gleichspannungsanteile geblockt und nur die Wechselspannungsanteile zur weiteren Verarbeitung durchgelassen, wobei durch den Verstärker 32 bzw. den Differenzverstärker 34 sehr hochfrequente Anteile herausgefiltert werden. An den Ausgängen der Differenzverstärker 34 liegt dann die Wechselspannung der einzelnen Batteriezellen BT1 - BTX als Spannungsantwort auf den kurzzeitigen Laststrom der Anregungsschaltung 20 an. Durch den Bandpassfilter 35 wird dann das Frequenzband der Spannungsantwort auf einen aussagekräftigen Bereich beschränkt. Im Idealfall sind diese Signale am Ausgang der Bandpassfilter 35 ebenfalls für alle Batteriezellen BT1 - BTX gleich. Durch den nachfolgenden Differenzverstärker 36, der jeweils die Signale von zwei Bandpassfiltern 35 vergleicht, wird nun festgestellt, ob sich zwei Batteriezellen BT1 - BTX unterscheiden. Verhält sich die Spannungsantwort einer Batteriezelle BT1 - BTX anders als die der anderen Batteriezellen BT1 - BTX, so ist dies ein Anzeichen, dass die abweichende Batteriezelle BT1 - BTX einen Herstellungsfehler hat, mechanisch beschädigt und/oder überhitzt ist. Da nun nicht klar ist, welche der Batteriezellen BT1 - BTX defekt ist, kann das Ausgangssignal am Differenzverstärker positiv oder negativ sein. Durch die nachfolgende Gleichrichtung des Gleichrichters 37 wird dieses Problem gelöst. Anschaulich klappt der Gleichrichter 37 negative Spannungen in positive Spannungen um. Diese Spannungssignale von den Gleichrichtern 37 werden nun am Komparator 38 mit der Referenzspannungsquelle Vref verglichen. Ist nun eine Batteriezelle BT1 - BTX defekt, so liegt am zugewiesenen Gleichrichter 37 eine Spannung größer der Referenzspannung an und ein Spannungssignal wird am Ausgang des Komparators 38 erzeugt. Dies erzeugt wiederum ein Spannungssignal am Ausgang der Logik-Einheit 40. Dabei kann die Logik auch abgeändert werden, dass beispielsweise am Komparator 38 stets ein Spannungssignal am Ausgang anliegt und nur im Fall einer großen Spannung an einem Gleichrichter 37 die Spannung auf Null geht. In diesem Fall wäre die Logik-Einheit 40 ein Und-Gatter.The mode of operation of the device 1 will now be briefly explained. The battery string 10 is in the idle state, so that no charging or discharging current flows. The control unit 21 of the excitation circuit 20 then activates the rest of the device 1 at a predetermined time (e.g. every 15 minutes) and finally switches the switching element 24 for a predetermined time of 200 ms, for example, so that a load current can flow through the load resistor 23, with the switching element 24 is opened again. This load current causes voltage changes on the battery cells BT1 - BTX. Ideally, these differential voltage changes at the battery poles are all the same, i.e. all battery cells are loaded equally. The DC voltage components are now blocked by the DC voltage filter 31 and only the AC voltage components are allowed to pass through for further processing, very high-frequency components being filtered out by the amplifier 32 or the differential amplifier 34 . The AC voltage of the individual battery cells BT1 - BTX is then present at the outputs of the differential amplifier 34 as a voltage response to the brief load current of the excitation circuit 20 . The bandpass filter 35 then limits the frequency band of the voltage response to a meaningful range. In the ideal case, these signals at the output of the bandpass filter 35 are also the same for all battery cells BT1-BTX. The downstream differential amplifier 36, which in each case compares the signals from two bandpass filters 35, now determines whether two battery cells BT1-BTX differ. If the voltage response of a battery cell BT1 - BTX behaves differently than that of the other battery cells BT1 - BTX, this is an indication that the different battery cell BT1 - BTX has a manufacturing defect, is mechanically damaged and/or overheated. Since it is not clear which of the battery cells BT1 - BTX is defective, the output signal at the differential amplifier can be positive or negative. This problem is solved by the subsequent rectification of the rectifier 37 . Clearly, the rectifier 37 converts negative voltages into positive voltages. These voltage signals from the rectifiers 37 are now compared at the comparator 38 with the reference voltage source Vref. If a battery cell BT1 - BTX is now defective, a voltage greater than the reference voltage is present at the assigned rectifier 37 and a voltage signal is generated at the output of the comparator 38 . This in turn generates a voltage signal at the output of the logic unit 40. The logic can also be modified so that, for example, a voltage signal is always present at the output of the comparator 38 and only if there is a large voltage at a rectifier 37 does the voltage go to zero. In this case, the logic unit 40 would be an AND gate.

BezugszeichenlisteReference List

11
Vorrichtungcontraption
1010
Batteriestrangbattery string
2020
Anregungsschaltungexcitation circuit
2121
Steuereinheitcontrol unit
2222
Timertimer
2323
Lastwiderstandload resistance
2424
Schaltelementswitching element
2525
Halbleiterschaltersemiconductor switch
3030
Differenzspannungseinheitdifferential voltage unit
3131
Gleichspannungs-FilterDC filter
3232
Verstärkeramplifier
3434
Differenzverstärkerdifferential amplifier
3535
Bandpassfilterbandpass filter
3636
Differenzverstärkerdifferential amplifier
3737
Gleichrichterrectifier
3838
Komparatorcomparator
4040
Logik-Einheitlogic unit
5050
Messeinrichtungmeasuring device
TT
Temperatursensortemperature sensor
BT1 - BTXBT1 - BTX
Batteriezellenbattery cells
VrefVref
Referenzspannungsquellereference voltage source

Claims (10)

Vorrichtung (1) zur Überwachung von Batteriezellen (BT1 - BTX) eines Batteriestranges (10) im Ruhezustand, umfassend Differenzspannungseinheiten (30) für jede Batteriezelle (BT1 - BTX), wobei jeder Differenzspannungseinheit (30) ein Bandpassfilter (35) nachgeordnet ist, wobei die Ausgänge von jeweils zwei Bandpassfiltern (35) mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (36) mit nachgeordneten Gleichrichtern (37) verbunden sind, wobei die Ausgänge der Gleichrichter (37) mit jeweils einem Eingang eines Komparators (38) verbunden sind, wobei die Ausgänge des Komparators (38) mit mindestens einer Logik-Einheit (40) zur Erzeugung eines Überwachungssignals verbunden sind, wobei die Vorrichtung (1) eine Anregungsschaltung (20) aufweist, die derart ausgebildet ist, für eine vorgegebene Zeit einen Entladestrom zu erzeugen.Device (1) for monitoring battery cells (BT1 - BTX) of a battery string (10) in the idle state, comprising differential voltage units (30) for each battery cell (BT1 - BTX), each differential voltage unit (30) being followed by a bandpass filter (35), wherein the outputs of two bandpass filters (35) each are connected to the inputs of a differential amplifier (36) with downstream rectifiers (37), the outputs of the rectifiers (37) each being connected to an input of a comparator (38), the outputs of the Comparator (38) are connected to at least one logic unit (40) for generating a monitoring signal, the device (1) having an excitation circuit (20) which is designed to generate a discharge current for a predetermined time. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsschaltung (20) ein Relais oder einen Halbleiterschalter (25) sowie eine Steuereinheit (21) aufweist.device after claim 1 , characterized in that the excitation circuit (20) has a relay or a semiconductor switch (25) and a control unit (21). Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) als Timer (22) ausgebildet ist.device after claim 2 , characterized in that the control unit (21) is designed as a timer (22). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsschaltung (20) einen separaten Lastwiderstand (23) aufweist, oder der Halbleiterschalter (25) die Last bildet.Device according to one of claims 2 or 3 , characterized in that the excitation circuit (20) has a separate load resistor (23), or the semiconductor switch (25) forms the load. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenzspannungseinheit (30) zwei Gleichspannungs-Filter (31) aufweist, die jeweils einem Batteriezellenpol einer Batteriezelle (BT1 - BTX) zugeordnet sind, sowie einen Differenzverstärker (34).Device according to one of the preceding claims, characterized in that a differential voltage unit (30) has two DC voltage filters (31), each assigned to a battery cell pole of a battery cell (BT1 - BTX), and a differential amplifier (34). Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen einem Gleichspannungs-Filter (31) und einem Eingang des Differenzverstärkers (34) ein Verstärker (32) angeordnet ist.device after claim 5 , characterized in that an amplifier (32) is arranged in each case between a DC voltage filter (31) and an input of the differential amplifier (34). Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit größer 100 ms und kleiner als 1 s ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined time is greater than 100 ms and less than 1 s. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Grenzfrequenz des Bandpassfilters (35) größer 50 Hz und die obere Grenzfrequenz kleiner 500 Hz ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the lower limit frequency of the bandpass filter (35) is greater than 50 Hz and the upper limit frequency is less than 500 Hz. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer Batteriezelle (BT1 - BTX) ein Temperatursensor (T) zugeordnet ist, wobei die Vorrichtung (1) derart ausgebildet ist, aufgrund der Messergebnisse der Differenzspannungseinheiten (30) die Temperatur der Batteriezellen (BT1 - BTX) ohne Temperatursensor (T) zu schätzen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one battery cell (BT1 - BTX) is assigned a temperature sensor (T), the device (1) being designed in such a way that the temperature of the battery cells ( BT1 - BTX) without estimating temperature sensor (T). Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Bestandteil eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device (1) is part of a traction network of an electric or hybrid vehicle.
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