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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung einer Tiefenentladung von einer Energiespeicherzelle oder mehreren zu einem Batteriepack geschalteten Energiespeicherzellen, insbesondere von Akkumulatoren.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Batteriemanagementsystem, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, das durch eine solche Vorrichtung gebildet wird, sowie ein Kraftfahrzeug wie ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit einem solchen Batteriemanagementsystem.
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Beispielsweise werden Energiespeicherzellen in Form von Akkumulatorzellen bzw. Akkumulatoren häufig zu sogenannten Akkupacks zusammengefasst. Als Akkupack wird in der Regel ein zusammengeschaltetes Paket mehrerer Akkumulatorzellen bezeichnet, welches zur praktischen Verwendung durch eine Umhüllung oder ein Gehäuse zusammengehalten und oft auch vor äußeren Einflüssen geschützt wird. Akkupacks sind üblicherweise entnehmbar bzw. austauschbar gestaltet und verfügen über lösbare elektrische Kontakte, oft Steckverbinder. Die verwendeten Akkumulatorzellen eines Akkupacks sollten vorzugsweise eine möglichst identische Spannung, Kapazität und Belastbarkeit aufweisen. Innerhalb eines Akkupacks können die einzelnen Akkumulatorzellen oder bevorzugt auch Zellblöcke aus mehreren Akkumulatorzellen parallelgeschaltet und mehrere solcher Zellblöcke wiederum in Reihe geschaltet sein. Die Nennspannung des Akkupacks ergibt sich somit aus der Summe der Nennspannungen der in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen bzw. Zellblöcke. Die tatsächliche Spannung eines Akkupacks differiert je nach Ladezustand, wobei der höchste Wert durch die Ladeschlussspannung des eingesetzten Ladeverfahrens bestimmt wird und die niedrigste Spannung die vom Hersteller vorgegebene Entladeschlussspannung ist, bei der eine schädliche Tiefentladung einzelner Akkumulatorzellen möglichst zu verhindern ist.
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Insbesondere in Verbindung mit Akkupacks kommen auch die vorgenannten Batteriemanagementsysteme (Abk.: BMS) zum Einsatz, welche üblicherweise in Form von elektronischen Schaltungen eine Überwachung, Regelung sowie einen Schutz des Akkupacks bzw. einzelner Akkumulatorzellen zur Verfügung stellen. Dabei kann anhand der Batteriemanagementsysteme eine Ladezustandserkennung, ein Tiefentladeschutz, Überladeschutz, etc. realisiert werden. Besondere Bedeutung können Batteriemanagementsysteme bei der Reihenschaltung mehrerer Akkumulatorzellen zu einem Akkupack erlangen, da die nutzbare Kapazität eines Akkupacks bei einer Reihenschaltung von Akkumulatorzellen von der Akkumulatorzelle mit der niedrigsten Kapazität bestimmt bzw. beeinträchtigt wird. Herkömmlicherweise überwachen die Batteriemanagementsysteme daher sämtliche in Reihe geschaltete Akkumulatorzellen oder Zellblöcke einzeln und verwalten erhaltene Informationen über deren Zustand.
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Zum Beispiel im Falle von Lithium-Ionen-Akkumulatoren überwachen und vermeiden derartige Batteriemanagementsysteme eine Überladung und Tiefentladung der Akkumulatorzellen, um Ausfälle und weitergehende Schäden bis hin zur Brandgefahr des Akkupacks zu vermeiden.
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Insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen, wie Elektro- oder Hybridfahrzeugen, dienen solche Batteriemanagementsysteme zusätzlich als Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug und den in der Batterie und Batteriemanagement verbauten elektronischen Komponenten. Die Batteriemanagementsysteme steuern dabei Funktionen, die für die aktuellen Betriebszustände des Fahrzeugs nötig sind. Beispielsweise kann das Batteriemanagementsystem bei abgeschaltetem Fahrzeug in einen Schlafmodus versetzt werden. Das Batteriemanagementsystem wird dabei regelmäßig gemäß einer im Batteriemanagementsystem programmierten Software-Zykluszeit kurz gestartet. Während dieser „Wachzeit“ wird vom Batteriemanagementsystem beispielsweise eine Prüfung des Batteriesystems durchgeführt, um sämtliche Daten (Spannungen, Temperaturen usw.) auf mögliche Fehler zu untersuchen. Wird das Fahrzeug gestartet, so wird ein Befehl von einem Steuergerät des Fahrzeugs zum Batteriemanagementsystem gesendet, welches daraufhin den Zustand des Akkupacks kontrolliert und beispielsweise Schütze des Batteriesystems schließt, um den Motor mit Strom zu versorgen.
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Übliche Funktionen von Batteriemanagementsystemen sind insbesondere ein Akkumulatorzellenschutz, eine Ladekontrolle, ein Lastmanagement, eine Bestimmung des Ladezustandes des Akkupacks bzw. einzelner Akkumulatorzellen, eine Bestimmung einer Alterung, Restkapazität, eines Innenwiderstand etc. einzelner Akkumulatorzellen, eine Kommunikation mit dem Steuergerät des Fahrzeugs, eine Temperaturüberwachung und eine Anpassung der Ladeschlussspannung, etc.
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Einhergehend mit der Bestimmung des Ladezustandes des Akkupacks bzw. einzelner Akkumulatorzellen ist die Verhinderung der vorstehend erwähnten Tiefentladung einzelner Akkumulatorzellen des Akkupacks, worunter ein Zustand nach Stromentnahme bis zur nahezu vollständigen Erschöpfung der Kapazität bzw. bis unter eine bestimmte Spannung in der Regel verstanden wird. Insbesondere wird bei der Tiefentladung eine Akkumulatorzelle eines Akkupacks mit beliebiger Stromstärke soweit entladen, dass die Spannung unter die sogenannte Entladeschlussspannung absinkt, wodurch je nach Batterietyp unterschiedliche Schädigungen auftreten können. Die Tiefentladung eines Akkupacks bzw. einer Akkumulatorzelle beginnt mit dem Unterschreiten der Entladeschlussspannung, welche eine festgesetzte Spannung ist, bis zu welcher der Akkumulator entladen werden darf.
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Aus dem Stand der Technik sind somit Vorrichtungen zur Verhinderung der Tiefenentladung von Akkumulatorzellen in Akkupacks weiterläufig bekannt, allerdings bleibt bei Vorliegen einer Unterspannung einer Akkumulatorzelle und anschließender Unterbrechung einer Verbindung zu Verbrauchern des Fahrzeugs ( Unterbrechung des sog. „Power-Link“), um eine weitere Entladung zu verhindern, dennoch die Überwachung der Akkumulatorzellen durch das Batteriemanagementsystem aktiv, was zu einer weitere Entladung der jeweiligen Akkumulatorzelle bzw. Akkumulatorzellen führt. Die aktive Überwachung der Akkumulatorzelle nach Unterschreiten einer Unterspannung der Akkumulatorzelle kann bis zu einer Entladung der Akkumulatorzelle bis zu 0 Volt führen, was wiederum zu einem vollständigen Ausfall des Akkupacks sowie zu einer Schädigung der Akkumulatorzelle führen kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Vorrichtungen zur Verhinderung einer Tiefenentladung von Energiespeicherzellen, Verfahren zum Betreiben solcher Vorrichtungen, Batteriemanagementsysteme und Kraftfahrzeuge derart weiterzubilden, dass das Risiko einer vollständigen Entladung einer Akkumulatorzelle weiter verringert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verhinderung einer Tiefenentladung von einer Energiespeicherzelle oder mehreren zu einem Batteriepack geschalteten Energiespeicherzellen umfasst eine Überwachungseinrichtung, die eingerichtet ist, eine Spannung der einen Energiespeicherzelle oder jeweilige Spannungen der mehreren Energiespeicherzellen in einem Normalbetriebsmodus zu erfassen, wobei eine für den Normalbetriebsmodus der Überwachungseinrichtung erforderliche elektrische Energie von der einen oder den mehreren Energiespeicherzellen geliefert wird.
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Erfindungsgemäß ist die Überwachungseinrichtung eingerichtet, von dem Normalbetriebsmodus in einen Schlafbetriebsmodus, bei dem ein Bedarf an elektrischer Energie, die von der einen oder den mehreren Energiespeicherzellen geliefert wird, geringer als ein Bedarf an elektrischer Energie für den Normalbetriebsmodus der Überwachungseinrichtung ist, zu wechseln, wenn eine durch die Überwachungseinrichtung erfasste Spannung einen ersten Schwellenwert unterschreitet.
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In dem Schlafbetriebsmodus der Überwachungseinrichtung wird somit eine Entladung der Energiespeicherzellen auf ein Minimum verringert. Beispielsweise kann, um die Tiefentladung der Energiespeicherzellen zu verhindern, eine Kommunikationseinheit und/oder Steuerlogik der Überwachungseinrichtung deaktiviert/ausgeschaltet werden, falls eine Spannung einer Energiespeicherzelle erfasst wird, die unterhalb dem ersten Schwellenwert liegt, welcher ein kritischer Wert sein kann, der unter anderem auch von der Alterung der Energiespeicherzelle abhängt. Vorzugsweise wird im Schlafbetriebsmodus der
Überwachungseinrichtung die Überwachung der Energiespeicherzellen, d.h. die Spannungserfassung der Energiespeicherzellen, abgeschaltet sowie sämtliche Schaltkreise der Überwachungseinrichtung, deren Betrieb die Energiespeicherzelle unter ein bestimmtes Spannungsniveau entladen können. Dementsprechend kann eine weitere Entladung der Energiespeicherzelle nach Unterschreiten des ersten
Schwellenwerts verhindert bzw. zumindest weitestgehend verringert werden. Somit kann eine Schädigung der Energiespeicherzelle, insbesondere des Akkumulators, verhindert werden, so dass die Energiespeicherzelle bzw. der Akkumulator anschießend über eine zellabhängig definierte externe Wiederaufladung in seinen normalen Betriebsbereich gebracht werden kann. Insbesondere ist es bei dem erneuten Aufladen der Energiespeicherzelle bzw. des Batteriepacks erforderlich, das Batteriemanagementsystem - wie nachstehend noch beschrieben wird - per Diagnosebetrieb in die Lage zu versetzen, die Energiespeicherzellenüberwachung wieder zu aktivieren und das Trennelement, welches durch ein Schütz oder einen Halbleiter ausgebildet sein kann, wieder zu schließen. Wenn die Überwachungseinrichtung in den Schlafbetriebsmodus gewechselt ist, da der erste Schwellenwert unterschritten wurde, ist ein erneutes Rücksetzen der Überwachungseinrichtung in den Normalbetriebsmodus nur mittels externer Interaktion mit einer Steuereinrichtung möglich, um die Energiespeicherzellen erneut überwachen zu können.
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Mit anderen Worten erfolgt eine Erkennung einer bevorstehenden Tiefentladung über eine Auswertung der erfassten Energiespeicherzellenspannungen mittels einer Vergleichsschaltung oder die Auswertung erfolgt in einem Controller. Es wird gegen einen ersten Schwellwert verglichen. Ist der erste Schwellwert unterschritten, werden die Versorgungselemente in der Überwachungseinrichtung durch einen Schalter getrennt. Beispielswiese wird eine Kommunikationseinheit der Überwachungseinrichtung abgeschaltet. Hierfür können aus dem Stand der Technik bekannte Mechanismen verwendet werden, wie sie beispielsweise bei dem Übergang des Batteriemanagementsystems in einen Schlafmodus Anwendung finden. Das Batteriemanagementsystem speichert die Notabschaltung bzw. den Wechsel der Überwachungseinrichtung in den Schlafbetriebsmodus und schaltet das Sensorsystem bzw. die Überwachungseinrichtung erst wieder ein, nachdem ein spezifisch geschützter Service-Mechanismus gestartet wurde, um die Energiespeicherzellen wieder aufladen zu können. Dies ist nur mittels externer Interaktion möglich. Die Erfindung verwendet keinen Schalter zur Abtrennung der Messschaltung bzw. der Überwachungseinrichtung von den jeweiligen Energiespeicherzellen. Die Erfindung nutzt die Unterbindung der Kommunikation der Überwachungseinrichtung mit einer Steuereinrichtung des Batteriemanagementsystems, um sicher zu stellen, dass die Messschaltung bzw. Überwachungseinrichtung in einem Modus bzw. Schlafbetriebsmodus bleibt, in welchem minimaler Strom aus den Energiespeicherzellen entnommen wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vorteilhafterweise so ausgebildet werden, dass die Vorrichtung weiter eine Trenneinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, die eine oder mehreren Energiespeicherzellen von einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern elektrisch zu trennen, wenn eine durch die Überwachungseinrichtung erfasste Spannung einer oder mehrerer Energiespeicherzellen einen zweiten Schwellenwert unterschreitet, wobei die Überwachungseinrichtung eingerichtet ist, bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts im Normalbetriebsmodus zu verbleiben. Somit erfolgt bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwert vorzugsweise eine vollständigen Trennung der einen oder mehreren Energiespeicherzellen zu elektrischen Verbrauchern, um einen Unterspannungsschutz für die Energiespeicherzellen zu gewährleisten, wobei die Überwachungseinrichtung noch im Normalbetriebsmodus betrieben wird und weiterhin eine Überwachung bzw. Erfassung der jeweiligen Spannungen der Energiespeicherzellen vornehmen kann.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung derart weitergebildet werden, dass die Überwachungseinrichtung eingerichtet ist, von dem Normalbetriebsmodus in den Schlafbetriebsmodus zu wechseln, wenn die erfasste Spannung den ersten Schwellenwert, der kleiner als der zweite Schwellenwert ist, unterschreitet. Bei einem Spannungsniveau einer oder mehrerer Energiespeicherzellen zwischen dem ersten und zweiten Schwellenwert wird somit ein Unterspannungsschutz vorgenommen, bei dem die Energiespeicherzellen von elektrischen Verbrauchern getrennt werden, die Überwachungseinrichtung aber weiterhin zur Spannungserfassung im Normalbetriebsmodus betrieben wird. Erst bei Unterschreiten des ersten Schwellenwerts wird die Überwachungseinrichtung in den Schlafbetriebsmodus versetzt, um eine weitere Leistungsaufnahme durch die Überwachungseinrichtung zu vermeiden oder weitestgehend zu verringern.
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Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so umgesetzt werden, dass der erste Schwellenwert so festgelegt ist, dass er der Entladeschlussspannung einer Energiespeicherzelle oder eines Zellblocks entspricht. Ein Zellblock kann dabei aus mehreren parallel geschalteten Akkumulatorzellen bestehen.
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Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgeführt werden, dass die Vorrichtung weiter eine Steuereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, mit der Überwachungseinrichtung zu kommunizieren und die erfasste Spannung mit dem ersten Schwellenwert und/oder zweiten Schwellenwert zu vergleichen und basierend auf dem Vergleich die Überwachungseinrichtung in dem Normalbetriebsmodus zu halten oder in den Schlafbetriebsmodus zu versetzen.
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Überdies kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet werden, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, die Überwachungseinrichtung in den Schlafbetriebsmodus zu versetzen, indem eine Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung und der Überwachungseinrichtung seitens der Steuereinrichtung unterbunden wird und/oder indem eine Kommunikationseinheit oder eine Steuerlogik in der Überwachungseinrichtung abgeschaltet wird. Insbesondere werden die Kommunikationseinheit und/oder die Steuerlogik der Überwachungseinrichtung soweit möglich ausgeschaltet und/oder in einen Energiesparzustand versetzt. Weiterhin können auch eine Sub-Steuer- und Überwachungslogik der Überwachungseinrichtung soweit möglich abgeschaltet werden.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung derart weitergebildet werden, dass die Überwachungseinrichtung und/oder Steuereinrichtung eingerichtet ist/sind, ausschließlich durch externe Interaktion mit der Steuereinrichtung über eine Kommunikationsschnittstelle zur externen Kommunikation in den Normalbetriebsmodus zurückversetzt zu werden. Beispielsweise kann die externe Interaktion mit einem Diagnose- bzw. Servicegerät über eine Kommunikationsschnittstelle der Vorrichtung bzw. des Batteriemanagementsystems erfolgen, um die Steuereinrichtung in einen Service-Zustand bzw. Servicebetriebsmodus zu versetzen. In diesem Service-Zustand bzw. Servicebetriebsmodus kann die Überwachungseinrichtung dann über die Steuereinrichtung wieder in den Normalzustand bzw. Normalbetriebsmodus versetzt werden und das Trennelement wird wieder geschlossen. So kann die jeweilige Energiespeicherzelle während dieses Service-Zustands bzw. Servicebetriebsmodus zunächst wieder aufgeladen und damit wieder in ihren normalen Betriebsbereich gebracht werden.
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Das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem ist für ein Hybrid oder Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem in Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgebildet ist.
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Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Wirkungen und Vorteile auf gleich oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist vorzugsweise ein Kraftfahrzeug wie ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, und ist mit einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern, einem oder mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Energiespeicherzellen aufweisendem Batteriepack und dem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem vorgesehen.
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Auch in diesem Fall ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Wirkungen und Vorteile auf gleich oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben einer Vorrichtung zur Verhinderung einer Tiefenentladung von einer Energiespeicherzelle oder mehreren zu einem Batteriepack geschalteten Energiespeicherzellen vorgesehen, wobei die Vorrichtung eine Überwachungseinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, eine Spannung der einen Energiespeicherzelle oder jeweilige Spannungen der mehreren Energiespeicherzellen zu erfassen, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist: Betreiben der Überwachungseinrichtung in einem Normalbetriebsmodus derart, dass eine Spannung der einen Energiespeicherzelle oder jeweilige Spannungen der mehreren Energiespeicherzellen in dem Normalbetriebsmodus erfasst wird/werden, wobei eine für den Normalbetriebsmodus der Überwachungseinrichtung erforderliche elektrische Energie von der einen oder den mehreren Energiespeicherzellen geliefert wird.
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Erfindungsgemäß weist das Verfahren weiter den folgenden Schritt auf: Wechseln des Betriebsmodus der Überwachungseinrichtung, wenn eine durch die Überwachungseinrichtung erfasste Spannung einen ersten Schwellenwert unterschreitet, von dem Normalbetriebsmodus in einen Schlafbetriebsmodus, bei dem ein Bedarf an elektrischer Energie, die von der einen oder den mehreren Energiespeicherzellen geliefert wird, geringer als ein Bedarf an elektrischer Energie für den Normalbetriebsmodus der Überwachungseinrichtung ist. Auch in diesem Fall ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Wirkungen und Vorteile auf gleich oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu einer dem Stand der Technik angehörenden Vorrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Verhinderung einer Tiefenentladung - in diesem Fall - von mehreren zu einem Batteriepack 20 geschalteten Energiespeicherzellen 12.
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Im dargestellten Fall ist die Vorrichtung 10 als Batteriemanagementsystem für ein Hybridfahrzeug ausgestaltet, welches die Energiespeicherzellen 12 ausbildende Akkumulatorzellen bzw. Akkumulatoren aufweist, welche zu einem Akkupack als Batteriepack 20 als elektrische Energiequelle zusammengefasst sind. Dabei sind die Akkumulatoren in Form der Energiespeicherzellen 20 teils in Reihe geschaltet und teils parallelgeschaltet, wobei in 1 beispielhaft eine Reihenschaltung der Akkumulatoren in Form der Energiespeicherzellen 12 als Ersatzschaltbild dargestellt ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Akkupack um ein 48-Volt-Li-lonen-Akkupack, das eine erforderliche Leistung für den Betrieb beispielsweise eines 48-Volt-Hybridsystems des Hybridfahrzeugs liefern kann.
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Die Vorrichtung 10 bzw. das Batteriemanagementsystem weist unter anderem, d.h. neben aus dem Stand der Technik bekannten und hier nicht näher beschriebenen herkömmlichen Einrichtungen, eine in 1 schematisch dargestellte Überwachungseinrichtung 14, eine Trenneinrichtung 24 sowie eine Steuereinrichtung 18 in Form eines Controllers auf. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 10 bzw. das Batteriemanagementsystem eine Kommunikationsschnittstelle 26 zur externen Kommunikation, beispielsweise mit einem externen Diagnose- bzw. Servicegerät oder fahrzeugseitigen elektrischen Verbrauchern 16, auf.
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Die Überwachungseinrichtung 14 ist eingerichtet, jeweilige Spannungen der mehreren Energiespeicherzellen 12 in einem Normalbetriebsmodus zu erfassen. Eine für den Normalbetriebsmodus der Überwachungseinrichtung 14 erforderliche elektrische Energie wird dabei ausschließlich von den mehreren Energiespeicherzellen 12 geliefert. Weiterhin ist die Überwachungseinrichtung 14 eingerichtet, von dem Normalbetriebsmodus in einen Schlafbetriebsmodus zu wechseln, wenn eine durch die Überwachungseinrichtung 14 erfasste Spannung einer Energiespeicherzelle 12 der mehreren Energiespeicherzellen 12 einen ersten Schwellenwert unterschreitet.
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Dabei ist der Schlafbetriebsmodus ein Modus bzw. eine Betriebsweise der Überwachungseinrichtung 14, bei dem/der ein Bedarf an elektrischer Energie, die von den mehreren Energiespeicherzellen 12 geliefert wird, geringer als ein Bedarf an elektrischer Energie für den Normalbetriebsmodus der Überwachungseinrichtung 14 ist. Insbesondere ist der Schlafbetriebsmodus ein Modus bzw. eine Betriebsweise der Überwachungseinrichtung 14, bei der eine Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung 18 und der Überwachungseinrichtung 14 seitens der Steuereinrichtung 18 unterbunden wird, beispielsweise durch Abschalten einer Kommunikationseinheit 22 oder eine Steuerlogik in der Überwachungseinrichtung 14.
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Das Wechseln in den Schlafbetriebsmodus wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die Steuereinrichtung 18 vorgenommen, wobei die Überwachungseinrichtung 14 und die Steuereinrichtung 18 eingerichtet sind, ausschließlich durch externe Interaktion mit der Steuereinrichtung 18 über die Kommunikationsschnittstelle 26 mittels eines Diagnose- oder Servicegeräts in den Normalbetriebsmodus zurückversetzt zu werden kann.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Schwellenwert so festgelegt ist, dass er der Entladeschlussspannung einer Energiespeicherzelle 12 bzw. einer Akkumulatorzelle entspricht.
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Die Trenneinrichtung 24 ist zu dem Akkupack in Form des Batteriepacks 20 in Reihe geschaltet, und dient dazu, das Akkupack von elektrischen Verbrauchern des Hybridfahrzeugs elektrisch zu trennen. Insbesondere trennt die Trenneinrichtung 24 die elektrische Verbindung zwischen dem Batteriepack 20 und einem 48-Volt-Boardnetz des Hybridfahrzeugs, mittels dem elektrische Verbraucher 16 des Hybridfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden können.
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Die Trenneinrichtung 24 ist dabei eingerichtet, das Batteriepack 20 von den mehreren elektrischen Verbrauchern 16 elektrisch zu trennen, wenn eine durch die Überwachungseinrichtung 14 erfasste Spannung einer der mehreren Energiespeicherzellen 12 einen zweiten Schwellenwert unterschreitet, wobei die Überwachungseinrichtung 14 in diesem Fall, d.h. bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts, im Normalbetriebsmodus verbleibt und weiterhin ihren Betrieb durchführt, um eine Spannungserfassung der jeweiligen Energiespeicherzellen 12 vorzunehmen. Der zweite Schwellenwert liegt somit oberhalb des ersten Schwellenwert, d.h. der Entladeschlussspannung. Bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts wird somit ein Unterspannungsschutz durch Trennung der elektrischen Verbraucher 16 von dem Batteriepack 20 vorgenommen.
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Dementsprechend wird zwischen dem ersten und zweiten Schwellenwert ein Bereich gebildet, in dem die elektrischen Verbraucher 16 von dem Batteriepack 20 getrennt werden, aber die Überwachungseinheit 22 weiter im Normalbetriebsmodus betrieben wird. Sofern dieser Bereich unterschritten wird, wird die Überwachungseinheit 22 zusätzlich in den Schlafbetriebsmodus versetzt.
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Die Steuereinrichtung 18 ist dabei eingerichtet ist, mit der Überwachungseinrichtung 14 zu kommunizieren und die von der Überwachungseinrichtung 14 erfasste Spannung mit dem ersten Schwellenwert und zweiten Schwellenwert zu vergleichen und basierend auf dem Vergleich die Überwachungseinrichtung 14 entweder in den Normalbetriebsmodus oder den Schlafbetriebsmodus zu versetzen.
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Ein Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bzw. des Batteriemanagementsystems wird nachfolgend beispielhaft erläutert. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bzw. des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems im Vergleich zu einem Betrieb eines dem Stand der Technik angehörenden Batteriemanagementsystems.
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Insbesondere zeigt Abschnitt (A) von 2, was dem oberen Teil der schematischen Darstellungen entspricht, die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bzw. des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems, während Abschnitt (B) von 2, was dem unteren Teil der schematischen Darstellung entspricht, die Betriebsweise des dem Stand der Technik angehörenden Batteriemanagementsystems zeigt.
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Wie insbesondere dem Abschnitt (B) entnommen werden kann, wird die Spannung [V] beispielhaft einer Energiespeicherzelle über die Zeit von 0-32 Stunden überwacht. Dabei ist die Sensoraktivität bzw. die Aktivität der Überwachungseinrichtung mit „0“ und „1“ gekennzeichnet, wobei „0“ für einen Schlafzustand der Überwachungseinheit bzw. des gesamten dem Stand der Technik angehörenden Batteriemanagementsystems steht, bei dem die Überwachung inaktiv bzw. abgeschaltet ist, und „1“ für einen Normalbetriebszustand steht, bei dem die Überwachungseinheit bzw. das gesamte dem Stand der Technik angehörende Batteriemanagementsystem aktiv ist und dementsprechend die Spannung der Energiespeicherzellen gemessen werden.
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Wie weiterhin aus dem zeitlichen Verlauf von Abschnitt (B) der 2 ersichtlich ist, wechselt die Überwachungseinheit ihren Betrieb im Schlafzustand auf „0“ und im Normalbetriebszustand auf „1“, während die Spannung der Energiespeicherzelle im Bereich von bspw. 3,1-2,7 V liegt. Der Schlafzustand wird dabei beispielsweise dann eingenommen, wenn das Fahrzeug abgeschaltet wurde.
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Bei Erreichen einer Spannung der Energiespeicherzellen in Höhe von 2,5 V wird der sogenannte Unterspannungsschutz aktiv, bei dem das dem Stand der Technik angehörende Batteriemanagementsystem die Energiespeicherzelle von elektrischen Verbrauchern elektrisch trennt. Allerdings verbleibt der Zustand der Überwachungseinheit auf „1“, was dem Normalbetriebszustand entspricht, sodass aufgrund der fortdauernden Aktivität der Überwachungseinrichtung die Spannung der Energiespeicherzelle weiter abfällt, da diese die für die Aktivität der Überwachungseinrichtung erforderliche elektrische Energie der Überwachungseinrichtung liefert. Dementsprechend ist weiterhin Abschnitt (B) von 2 zu nehmen, dass die Spannung der Energiespeicherzelle unter 2,05 V absinkt und somit die Energiespeicherzelle eine irreparable Schädigung erfährt.
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Anhand des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bzw. des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems kann eine derartige irreparable Schädigung verhindert werden, wie aus Abschnitt (A) von 2 ersichtlich ist. Insbesondere ist Abschnitt (A) von 2 zu entnehmen, dass die Sensoraktivität bzw. die Aktivität der Überwachungseinrichtung 14 auch während des Unterspannungsschutzes aktiv bleibt, d. h. sobald die Spannung der Energiespeicherzelle 2,5 V erreicht. Allerdings wird die Überwachungseinrichtung 14 in den Schlafbetriebsmodus, d.h. Schlafbetriebszustand „0“, versetzt, sobald die Spannung der Energiespeicherzelle eine vorbestimmte Spannungsschwelle von bspw. 2,4 V erreicht, sodass die Spannung der Energiespeicherzelle 12 aufgrund angehaltener bzw. abgeschalteter Leistungsabgabe an die Überwachungseinrichtung 14 bei der vorbestimmten Spannungsschwelle von 2,4 V konstant verbleibt. Allerdings ist eine Spannungsmessung der Energiespeicherzelle 12 in diesem Zustand nicht mehr möglich.
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Wie weiterhin in Abschnitt (A) von 2 erkennbar ist, wird die Überwachungseinrichtung bei der vorbestimmten Spannungsschwelle von 2,4 V in den Schlafbetriebsmodus versetzt, indem eine Auslösung des Unterspannungsschutzes einmalig erfolgt, wodurch das Batteriepack 20 insgesamt nicht mehr betreibbar ist, das Batteriemanagement (BMS) aber sehr wohl noch im Betrieb ist. Um die Überwachungseinrichtung 22 wieder in deren aktiven Zustand zu versetzen ist ein Serviceeingriff über ein externes Diagnose- oder Servicegerät notwendig, welches mit der Steuereinrichtung 18 über die Kommunikationsschnittstelle 26 kommuniziert. In Abschnitt (A) von 2 ist weiterhin beispielhaft ein „externes Aufwachen“ angedeutet, was einer Inbetriebnahme des Batteriemanagementsystems durch das Fahrzeug bzw. fahrzeugseitige Komponenten über die Kommunikationsschnittstelle 26 durch die Steuereinrichtung 18 entspricht. Im Normalbetrieb wird dabei die Überwachungseinrichtung 14 ebenfalls in den Normalbetriebsmodus versetzt.
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Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bzw. des Batteriemanagementsystems gestaltet sich daher, wie sinngemäß in Abschnitt (A) von 2 dargestellt, wie folgt:
- Zunächst wird die Überwachungseinrichtung 14 in einem Normalbetriebsmodus derart betrieben, dass eine jeweilige Spannung jeder Energiespeicherzelle 12 des Batteriepacks 20 in dem Normalbetriebsmodus erfasst wird, wobei die für den Normalbetriebsmodus der Überwachungseinrichtung 14 erforderliche elektrische Energie von dem Batteriepack 20 geliefert wird.
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Wenn eine durch die Überwachungseinrichtung 14 erfasste Spannung einer Energiespeicherzelle 12 des Batteriepacks 20 den zweiten Schwellenwert unterschreitet, verbleibt die Überwachungseinrichtung 14 in dem Normalbetriebsmodus, aber es erfolgt eine elektrische Trennung des Batteriepacks 20 von elektrischen Verbrauchern 16. In diesem Zustand wird eine Spannungsüberwachung der einzelnen Energiespeicherzellen 12 weiterhin durch die Überwachungsvorrichtung 14 vorgenommen.
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Dann, wenn eine durch die Überwachungseinrichtung 14 erfasste Spannung einer Energiespeicherzelle 12 des Batteriepacks 20 auch den ersten Schwellenwert unterschreitet, wechselt die Überwachungseinrichtung 14 von dem Normalbetriebsmodus in einen Schlafbetriebsmodus, bei dem der Bedarf an elektrischer Energie, die von dem Batteriepack 20 geliefert wird, geringer als der Bedarf an elektrischer Energie für den Normalbetriebsmodus der Überwachungseinrichtung 14 ist. Somit wird ein Verbrauch elektrischer Energie durch die Überwachungseinrichtung 14 verringert und die Tiefenentladung der Energiespeicherzelle 12 kann vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung bzw. Batteriemanagementsystem
- 12
- Energiespeicherzelle
- 14
- Überwachungseinrichtung
- 16
- Verbraucher
- 18
- Steuereinrichtung
- 20
- Batteriepack
- 22
- Kommunikationseinheit/Steuerlogik
- 24
- Trenneinrichtung
- 26
- Kommunikatinsschnittstelle
