DE102020215244B4 - Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Lastbetrieb - Google Patents

Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Lastbetrieb Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Überwachung von Batteriezellen (BT1-BTX) eines Batteriestranges (10) im Lastzustand, umfassend Differenzspannungseinheiten (30) für jede Batteriezelle (BT1-BTX), wobei jeder Differenzspannungseinheit (30) ein Bandpassfilter (35) zugeordnet ist, wobei die Bandpassfilter (35) mit Gleichrichter-Schaltungen (36) mit einer nachgeordneten Glättungsschaltung (37) verbunden sind, wobei die Vorrichtung (1) derart ausgebildet ist, dass die Ausgangssignale der Glättungsschaltungen (37) einer Auswerteeinheit (40) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale auf Abweichungen gegenüber einem normierten Ausgangssignal verglichen werden, wobei mindestens einer Batteriezelle (BT1-BTX) ein Temperatursensor (45) zugeordnet ist, wobei die Vorrichtung (1) derart ausgebildet ist, aufgrund der Ausgangssignale die Temperaturen der Batteriezellen (BT1-BTX) ohne Temperatursensoren zu schätzen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Lastbetrieb.
  • 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.
  • 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, sodass 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.
  • Aus der DE 10 2018 216 518 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Batteriezustandes mindestens einer Batteriezelle bekannt, wobei ein Stromanregungssignal angelegt wird, ein Impedanzspektrum der Batteriezelle aufgenommen wird und eine Auswertegröße anhand des Impedanzspektrums ermittelt wird. Dabei besteht das Stromanregungssignal aus mindestens zwei periodischen Signalen mit voneinander verschiedenen Frequenzen. Dabei wird das Stromanregungssignal derart angelegt, dass es über mindestens eine Periode der kleinsten enthaltenen Frequenz mittelwertfrei ist, wobei ein erstes Antwortmesssignal der Batteriezelle ermittelt und ausgewertet wird. Weiter wird mindestens einer der Parameter Amplitude, Frequenz und relative Phasenlage wenigstens einer Komponente des Stromanregungssignals in Abhängigkeit von dem ersten Antwortmesssignal verändert, sodass ein Messfehler minimiert wird. Weiter wird ein weiteres Antwortmesssignal ermittelt und ausgewertet, wobei der ausgewertete Wert als Auswertgröße eingesetzt wird und dass die Bestimmung der Batteriezustandsgröße der Batteriezelle anhand eines Vergleichs mindestens einer Diagnosegröße mit mindestens einem Referenzwert und/oder mit mindestens einer weiteren Diagnosegröße erfolgt.
  • Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass hierfür ein spezielles Messfenster während des Betriebes des Batteriestranges benötigt wird, was die Verfügbarkeit reduziert.
  • Aus der WO 02/ 035 677 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Lastzustand bekannt.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Lastbetrieb zu schaffen, wobei die Verfügbarkeit nicht eingeschränkt wird.
  • 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.
  • Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Überwachung von Batteriezellen eines Batteriestranges im Lastzustand Differenzspannungseinheiten für jede Batteriezelle des Batteriestranges. 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 Hybridfahrzeugs, welche durch einen Batteriestrom durchflossen wird. Mittels der Differenzspannungseinheiten werden dabei differentielle Spannungsmessungen an den beiden Batteriepolen einer Batteriezelle vorgenommen. Den Differenzspannungseinheiten ist jeweils ein Bandpassfilter zugeordnet, um den Frequenzbereich auf ein besonders aussagekräftiges Frequenzband zu begrenzen. Das Frequenzband ist dabei abhängig vom Batteriezellen-Typ und den im System/Fahrzeug verfügbaren Anregungströmen, wobei hierbei z.B. auf Ergebnisse von Impedanzspektroskopie-Messungen an den Batteriezellen-Typen zurückgegriffen werden kann.
  • Die Bandpassfilter sind dann mit Gleichrichter-Schaltungen, vorzugsweise Zweiwege-Gleichrichtern, verbunden, an die sich eine Glättungsschaltung anschließt. Durch die Gleichrichter-Schaltungen wird ein unipolares Spannungssignal erzeugt, wobei die Glättungsschaltung kurzzeitige Spannungsänderungen herausfiltert. Weiter ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass die Ausgangssignale der Glättungsschaltungen einer Auswerteeinheit zugeführt werden und auf Abweichungen gegenüber einem normierten Ausgangssignal verglichen werden. Somit können die Batteriezellen kontinuierlich während des Lastbetriebes überwacht werden, ohne dass es zu Betriebseinschränkungen kommt. Die Auswertung ist sehr robust und wenig aufwendig, da im Gegensatz zur klassischen Impedanzspektroskopie keine Phasenbestimmungen erfolgen und keine separate Anregungsschaltung benötigt wird. Die Vorrichtung lässt sich sehr einfach in festverdrahteter Hardware realisieren, zumindest der Teil der Vorrichtung vor der Auswerteeinheit. Die Vorrichtung lässt sich aber auch durch Software realisieren.
  • Dabei 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 einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit als Mikroprozessor ausgebildet und sind zwischen den Glättungsschaltungen und dem Mikroprozessor Analog-Digital-Wandler angeordnet, um die analogen Spannungssignale für den Mikroprozessor aufzubereiten.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Glättungsschaltungen als Tiefpassfilter ausgebildet. Hierdurch vereinfacht sich auch die Analog-Digital-Wandlung, sodass die Anforderungen an den Analog-Digital-Wandler reduziert werden.
  • In einer Ausführungsform ist das normierte Ausgangssignal die bandpassgefilterte Spannungsantwort einer ausgewählten Batteriezelle bzw. eines Batteriepols einer ausgewählten Batteriezelle. Alternativ kann das normierte Ausgangssignal auch in der Auswerteeinheit als Mittelwert über alle Ausgangsspannungssignale der Batteriezellen gebildet werden (z.B. arithmetische Mittelwerte).
  • Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung einen Stromsensor aufweisen, der den Strom durch den Batteriestrang erfasst, wobei das normierte Ausgangssignal mittels des Stroms des Batteriestranges ermittelt wird. Dabei gilt anschaulich, dass bei größeren Stromlasten auch die Spannungsänderungen an den Batteriezellen in der Amplitude größer werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist eine Differenzspannungseinheit zwei Gleichspannungs-Filter, 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, vergleichbar zu einer kapazitiven galvanischen Trennung. Durch das Abtrennen der Gleichspannungsanteile vereinfacht sich die nachfolgende Signalverarbeitung erheblich, da dann alle Signale gegen die gleiche Bezugsmasse gemessen werden können.
  • 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 einer weiteren Ausführungsform ist die untere Grenzfrequenz des Bandpassfilters größer/gleich 50 Hz und die obere Grenzfrequenz kleiner/gleich 500 Hz, weiter vorzugsweise liegt der Bandpass bei 100 Hz untere Grenzfrequenz und 300 Hz obere Grenzfrequenz.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung Bestandteil eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.
  • 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 Lastzustand.
  • 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 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 der Bandpassfilter 35 sind mit Gleichrichter-Schaltungen 36 verbunden, an die sich Tiefpassfilter 38 als Glättungsschaltungen 37 anschließen. Die Ausgänge der Tiefpassfilter 38 sind mit Analog-Digital-Wandlern 39 verbunden, deren Ausgänge wiederum mit einer Auswerteeinheit 40 in Form eines Mikroprozessors 41 bzw. Steuergerät verbunden sind. Zusätzlich ist ein Schaltungszweig mit einem Bandpassfilter 35, einer Gleichrichter-Schaltung 36, einem Tiefpassfilter 38 und einem Analog-Digital-Wandler 39 für das Spannungssignal am oberen Batteriepol der ersten Batteriezelle BT1 vorhanden, wobei das Signal am Ausgang des Verstärkers 32 auf den Bandpass 35 geführt wird. Die Auswerteeinheit 40 ist beispielsweise mit einem Batterie-Management-Steuergerät 42 verbunden, das wiederum mit weiteren Steuergeräten 43 verbunden ist. Schließlich ist an dem Batteriestrang 10 eine dynamische Last 50 angeschlossen wie beispielsweise ein Wechselrichter eines Traktionsnetzes eines Elektrofahrzeugs. Dabei kann die Vorrichtung 1 weiter einen Stromsensor 44 aufweisen und mindestens einer Batteriezelle BT1-BTX ein Temperatursensor 45 zugeordnet sein.
  • Die Wirkungsweise der Vorrichtung 1 soll nun kurz erläutert werden. Der Batteriestrang 10 ist durch die dynamische Last 50 beaufschlagt, sodass ein entsprechender dynamischer Laststrom durch den Batteriestrang 10 bzw. die Batteriezellen BT1-BTX fließt. 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 31 werden nun die Gleichspannungsanteile geblockt und nur die Wechselspannungsanteile zur weiteren Verarbeitung durchgelassen, wobei durch den Verstärker 32 bzw. den Differenzverstärker sehr hochfrequente Anteile herausgefiltert werden. An den Ausgängen der Differenzverstärker 34 liegt dann die Wechselspannung der einzelnen Batteriezellen BT1-BTX als Spannungsantwort auf den Laststrom 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. Die Signale der Bandpassfilter 35 werden dann durch die Gleichrichter-Schaltungen 36 in unipolare Spannungssignale gewandelt und anschließend durch die Tiefpassfilter 38 geglättet. Diese Signale werden dann digitalisiert und in der Auswerteeinheit 40 verglichen. Im Idealfall verhalten sich alle Signale gleich. Ist hingegen eine Batteriezelle BT1-BTX defekt oder überhitzt, so weicht deren Spannungsantwort von den anderen Spannungsantworten ab. Aufgrund der Tatsache, dass im Realfall nie alle Batteriezellen BT1-BTX vollständig gleich sind, kommt es immer zu gewissen Abweichungen. Um nun besser abschätzen zu können, ob eine Abweichung im Toleranzbereich liegt oder auf einen Defekt zurückzuführen ist, wird ein normiertes Ausgangssignal verwendet, beispielsweise die Spannungsänderung an einem ausgewählten Batteriepol einer Batteriezelle oder die Spannungsänderung über einer ausgewählten Batteriezelle. Alternativ oder ergänzend wird ein Mittelwert in der Auswerteeinheit 40 gebildet. Weicht nun eine oder weichen mehrere Batteriezellen bzw. deren Spannungsantworten von der normierten Spannungsantwort ab, kann auf einen Defekt (z.B. mechanische Beschädigung oder Überhitzung) geschlossen werden und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden und/oder ein Warnsignal erzeugt werden. Beispielsweise kann der Laststrom reduziert werden und/oder eine Kühlleistung für die Batteriezellen erhöht werden.
  • Mittels der Vorrichtung 1 kann somit sehr frühzeitig eine Situation erfasst werden, die zu einer thermischen Propagation führen könnte, wobei die Vorrichtung zu keinerlei Einschränkung des Betriebes führt und keine separate Anregungsschaltung benötigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    10
    Batteriestrang
    30
    Differenzspannungseinheit
    31
    Gleichspannungs-Filter
    32
    Verstärker
    34
    Differenzverstärker
    35
    Bandpassfilter
    36
    Gleichrichter-Schaltung
    37
    Glättungsschaltung
    38
    Tiefpassfilter
    39
    Analog-Digital-Wandler
    40
    Auswerteeinheit
    41
    Mikroprozessor
    42
    Batterie-Management-Steuergerät
    43
    weiteres Steuergerät
    44
    Stromsensor
    45
    Temperatursensor
    50
    dynamische Last
    BT1-BTX
    Batteriezellen

Claims (9)

  1. Vorrichtung (1) zur Überwachung von Batteriezellen (BT1-BTX) eines Batteriestranges (10) im Lastzustand, umfassend Differenzspannungseinheiten (30) für jede Batteriezelle (BT1-BTX), wobei jeder Differenzspannungseinheit (30) ein Bandpassfilter (35) zugeordnet ist, wobei die Bandpassfilter (35) mit Gleichrichter-Schaltungen (36) mit einer nachgeordneten Glättungsschaltung (37) verbunden sind, wobei die Vorrichtung (1) derart ausgebildet ist, dass die Ausgangssignale der Glättungsschaltungen (37) einer Auswerteeinheit (40) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale auf Abweichungen gegenüber einem normierten Ausgangssignal verglichen werden, wobei mindestens einer Batteriezelle (BT1-BTX) ein Temperatursensor (45) zugeordnet ist, wobei die Vorrichtung (1) derart ausgebildet ist, aufgrund der Ausgangssignale die Temperaturen der Batteriezellen (BT1-BTX) ohne Temperatursensoren zu schätzen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) als Mikroprozessor (41) ausgebildet ist und zwischen den Glättungsschaltungen (37) und dem Mikroprozessor (41) Analog-Digital-Wandler (39) angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschaltungen (37) als Tiefpassfilter (38) ausgebildet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das normierte Ausgangssignal die bandpassgefilterte Spannungsantwort einer ausgewählten Batteriezelle ist oder ein Mittelwert über alle Ausgangssignale der Batteriezellen (BT1-BTX).
  5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Stromsensor (44) für den Batteriestrang (10) aufweist, wobei die Vorrichtung (1) derart ausgebildet ist, das normierte Ausgangssignal mittels des Stromes des Batteriestranges (10) zu ermitteln.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenzspannungseinheit (30) zwei Gleichspannungs-Filter (31) aufweist, die jeweils einen Batteriezellenpol einer Batteriezelle (BT1-BTX) zugeordnet sind, sowie einen Differenzverstärker (34).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen einem Gleichspannungs-Filter (31) und einem Eingang des Differenzverstärkers (34) ein Verstärker (32) angeordnet ist.
  8. 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.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Bestandteil eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges ist.
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