DE102022209819A1 - System for monitoring and controlling a battery, battery management system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System (100) zur Überwachung und Steuerung einer Batterie mit mehreren Batteriezellen. Das erfindungsgemäße System (100) umfasst dabei mehrere Zellüberwachungsschaltungen (10, 20, 30) zur Überwachung von Batteriezellen und eine Batteriesteuereinheit (40) zur Überwachung und Steuerung der Batterie. Zur Übertragung von Signalen sind die Zellüberwachungsschaltungen (10, 20, 30) und die Batteriesteuereinheit (40) dabei mittels Zwischenstücke (50) miteinander in Reihe gekoppelt. Dabei sind die Zwischenstücke (50) zum Koppeln der Zellüberwachungsschaltungen (10, 20, 30) und der Batteriesteuereinheit (40) jeweils mit einem vorbestimmten Bezugspotenzial (18, 28, 38) elektrisch verbunden.The invention relates to a system (100) for monitoring and controlling a battery with several battery cells. The system (100) according to the invention comprises several cell monitoring circuits (10, 20, 30) for monitoring battery cells and a battery control unit (40) for monitoring and controlling the battery. To transmit signals, the cell monitoring circuits (10, 20, 30) and the battery control unit (40) are coupled to one another in series using intermediate pieces (50). The intermediate pieces (50) for coupling the cell monitoring circuits (10, 20, 30) and the battery control unit (40) are each electrically connected to a predetermined reference potential (18, 28, 38).
Description
Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung und Steuerung einer Batterie mit mehreren Batteriezellen. Das erfindungsgemäße System umfasst dabei mehreren Zellüberwachungsschaltungen zur Überwachung der mehreren Batteriezellen und eine Batteriesteuereinheit zur Überwachung und Steuerung der Batterie. Zur Übertragung von Signalen sind die Zellüberwachungsschaltungen und die Batteriesteuereinheit dabei mittels Zwischenstücke miteinander in Reihe gekoppelt. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemanagementsystem und ein Batteriesystem.The invention relates to a system for monitoring and controlling a battery with several battery cells. The system according to the invention includes several cell monitoring circuits for monitoring the several battery cells and a battery control unit for monitoring and controlling the battery. To transmit signals, the cell monitoring circuits and the battery control unit are coupled to one another in series using intermediate pieces. The invention further relates to a battery management system and a battery system.
Stand der TechnikState of the art
Batteriesysteme gewinnen zunehmend an Bedeutung für sowohl stationäre als auch mobile Anwendungen. Als entsprechende Beispiele können u. a. Solarstrom-/Notstromsysteme oder Elektro-/Hybridfahrzeuge angeführt werden.Battery systems are becoming increasingly important for both stationary and mobile applications. Corresponding examples include: Solar power/emergency power systems or electric/hybrid vehicles are listed.
Ein Batteriesystem kann mehrere Batteriemodule umfassen, die jeweils mehrere elektrisch seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen aufweisen. Um die Batteriemodule beziehungsweise die Batteriezellen zu überwachen und zu steuern ist ein Batteriemanagementsystem vorgesehen. Das Batteriemanagementsystem weist dabei in der Regel eine Batteriesteuereinheit (Batterie Control Unit, BCU) und mehrere Zellüberwachungsschaltungen (Cell Supervision Circuit, CSC), die jeweils für ein Batteriemodul vorgesehen sind, auf. Die Batteriesteuereinheit des Batteriemanagementsystems befindet sich dabei in der Regel in einem Niederspannungsnetz (LV), während sich die Zellüberwachungsschaltungen in der Regel in einem Hochspannungsnetz (HV) befinden, da sie in direktem elektrischen Kontakt mit den Polen einer jeweiligen zu überwachenden Zelle stehen. Zur Überbrückung der Potentialunterschiede zwischen der Batteriesteuereinheit im Niederspannungsnetz und der Zellüberwachungsschaltung im Hochspannungsnetz erfolgt die Kommunikation zwischen beiden in der Regel über eine galvanische Trennung.A battery system can include several battery modules, each of which has several battery cells connected electrically in series and/or parallel. A battery management system is provided to monitor and control the battery modules or battery cells. The battery management system generally has a battery control unit (BCU) and several cell monitoring circuits (Cell Supervision Circuit, CSC), each of which is intended for a battery module. The battery control unit of the battery management system is usually located in a low-voltage network (LV), while the cell monitoring circuits are usually located in a high-voltage network (HV), since they are in direct electrical contact with the poles of a respective cell to be monitored. To bridge the potential differences between the battery control unit in the low-voltage network and the cell monitoring circuit in the high-voltage network, communication between the two usually takes place via galvanic isolation.
Die Zellüberwachungsschaltungen können auch über eine das sogenannte Daisy-Chain-Prinzip nutzende Kommunikationsverbindung mit der Batteriesteuereinheit verbunden sein. In der Regel ist hierbei auch eine galvanische Trennung zwischen den Zellüberwachungsschaltungen erforderlich.The cell monitoring circuits can also be connected to the battery control unit via a communication connection using the so-called daisy chain principle. As a rule, galvanic isolation between the cell monitoring circuits is also required.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein System zur Überwachung und Steuerung einer Batterie mit mehreren Batteriezellen vorgeschlagen. Das System kann auch ein Teil eines Batteriemanagementsystems sein. Die Batteriezellen sind dabei vorzugsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet und innerhalb der Batterie seriell und/oder parallel miteinander verschaltet.A system for monitoring and controlling a battery with multiple battery cells is proposed. The system can also be part of a battery management system. The battery cells are preferably designed as lithium-ion cells and are connected to one another in series and/or parallel within the battery.
Das System umfasst dabei mehreren Zellüberwachungsschaltungen, die jeweils zur Überwachung von Batteriezellen eingerichtet sind, und eine Batteriesteuereinheit, die zur Überwachung und Steuerung der Batterie eingerichtet ist. Vorzugsweise sind die Zellüberwachungsschaltungen baugleich ausgebildet. Die Zellüberwachungsschaltungen können dabei jeweils mit mehreren Sensoren, die zur Erfassung von Daten einzelner Batteriezellen, wie beispielsweise Spannung, Strom und Temperatur, dienen, elektrisch verbunden. Die Sensoren zur Erfassung der Daten einzelner Batteriezellen können auch als ein Teil des Systems ausgebildet sein.The system includes several cell monitoring circuits, each of which is set up to monitor battery cells, and a battery control unit, which is set up to monitor and control the battery. The cell monitoring circuits are preferably designed to be identical in construction. The cell monitoring circuits can each be electrically connected to several sensors that are used to record data from individual battery cells, such as voltage, current and temperature. The sensors for recording the data of individual battery cells can also be designed as part of the system.
Zur Übertragung von Signalen, wie beispielsweise Zellspannung, -strom und/oder -temperatur, sind die Zellüberwachungsschaltungen und die Batteriesteuereinheit dabei mittels Zwischenstücke miteinander in Reihe gekoppelt. Dabei ist eine sogenannte Daisy-Chain-Schaltung gebildet. Die Zwischenstücke sind dabei zur Übertragung der Signale eingerichtet und dienen zur Bildung einer Kommunikationsverbindung, wie beispielsweise ein Kommunikations-Bus, z. B. CAN-Bus.To transmit signals, such as cell voltage, current and/or temperature, the cell monitoring circuits and the battery control unit are coupled to one another in series using intermediate pieces. A so-called daisy chain circuit is formed. The intermediate pieces are set up to transmit the signals and are used to form a communication connection, such as a communication bus, e.g. B. CAN bus.
Erfindungsgemäß sind die Zwischenstücke zum Koppeln der Zellüberwachungsschaltungen und der Batteriesteuereinheit jeweils mit einem vorbestimmten Bezugspotenzial elektrisch verbunden.According to the invention, the intermediate pieces for coupling the cell monitoring circuits and the battery control unit are each electrically connected to a predetermined reference potential.
Beispielweise können die Signale über Transformatoren der jeweiligen Zellüberwachungsschaltungen übertragen werden. Dabei werden zur Übertragung der Signale die Transformatoren der in der Daisy-Chain-Schaltung benachbarten Zellüberwachungsschaltungen über ein Zwischenstück elektrisch miteinander verbunden. Das Zwischenstück kann beispielsweise mittels einer Mittelanzapfung einer Primär- oder Sekundärseite einer der mittels des Zwischenstücks verbundenen Transformatoren mit einem Bezugspotential elektrisch verbunden sein.For example, the signals can be transmitted via transformers of the respective cell monitoring circuits. To transmit the signals, the transformers of the cell monitoring circuits adjacent in the daisy chain circuit are electrically connected to one another via an intermediate piece. The intermediate piece can be electrically connected to a reference potential, for example by means of a center tap of a primary or secondary side of one of the transformers connected by means of the intermediate piece.
Vorzugsweise sind die Zellüberwachungsschaltungen und die Batteriesteuereinheit mittels der Zwischenstücke direkt elektrisch gekoppelt sind. Unter einer direkten elektrischen Verbindung wird im Rahmen der Erfindung eine elektrische Verbindung ohne galvanische Trennung verstanden. Im einfachsten Fall kann die Zwischenstücke jeweils nur Leitungen zur Übertragung der Signale umfassen.Preferably, the cell monitoring circuits and the battery control unit are directly electrically coupled by means of the intermediate pieces. In the context of the invention, a direct electrical connection is understood to mean an electrical connection without galvanic isolation. In the simplest case, the intermediate pieces can only comprise lines for transmitting the signals.
Die Bezugspotenziale, die jeweils mit einem Zwischenstück elektrisch verbunden sind, können voneinander abweichen. Alternativ können die Bezugspotenziale gleich sein.The reference potentials, which are each electrically connected to an intermediate piece, can differ from each other. Alternatively, the reference potentials can be the same.
Es wird auch ein Batteriemanagementsystem vorgeschlagen, das ein erfindungsgemäßes System zur Überwachung und Steuerung einer Batterie mit mehreren Batteriezellen umfasst.A battery management system is also proposed, which includes a system according to the invention for monitoring and controlling a battery with multiple battery cells.
Ferner wird ein Batteriesystem vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst dabei eine Batterie mit mehreren Batteriezellen. Das Batteriesystem umfasst ferner ein erfindungsgemäßes System zur Überwachung und Steuerung der Batterie mit mehreren Batteriezellen oder ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem.A battery system is also proposed. The battery system includes a battery with several battery cells. The battery system further comprises a system according to the invention for monitoring and controlling the battery with several battery cells or a battery management system according to the invention.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, das ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.The invention also relates to a vehicle that includes a battery system according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Bei dem erfindungsgemäßen System zur Überwachung und Steuerung einer Batterie kann die Isolierung eines Batteriesystems optimiert ausgelegt werden.In the system according to the invention for monitoring and controlling a battery, the insulation of a battery system can be designed to be optimized.
Mit der Anbindung der Zwischenstücke mit einem Bezugspotenzial liegt ein Bezug beziehungsweise ein definiertes Potenzial an der Daisy-Chain-Schaltung. Dadurch kann die Isolierung an den Zellüberwachungsschaltungen als rein funktionale Isolierung ausgelegt werden und die Basisisolierung, welche zur Trennung des Niederspannungsnetzes von dem Hochspannungsnetz dient, laut Norm an der Batteriesteuereinheit sichergestellt werden.By connecting the intermediate pieces with a reference potential, there is a reference or a defined potential on the daisy chain circuit. This means that the insulation on the cell monitoring circuits can be designed as purely functional insulation and the basic insulation, which serves to separate the low-voltage network from the high-voltage network, can be ensured on the battery control unit according to the standard.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Überwachung und Steuerung einer Batterie mit mehreren Batteriezellen.
-
1 a schematic representation of a system for monitoring and controlling a battery with multiple battery cells.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das erfindungsgemäße System 100 umfasst dabei ein erste Zellüberwachungsschaltung 10, eine zweite Zellüberwachungsschaltung 20, eine dritte Zellüberwachungsschaltung 30 und eine Batteriesteuereinheit 40. Das erfindungsgemäße System 100 kann selbstverständlich eine andere Anzahl an Zellüberwachungsschaltungen 10, 20, 30 und Batteriesteuereinheit 40 aufweisen.The
Die Zellüberwachungsschaltungen 10, 20, 30 können jeweils mit Sensoren (nicht dargestellt) zur Erfassung von Daten einzelner Batteriezellen verbunden. Die Sensoren können auch als Teil des erfindungsgemäßen Systems 100 ausgebildet sein.The
Zur Übertragung von Signalen, wie beispielsweise Zellspannung, -strom und/oder -temperatur, umfasst die Zellüberwachungsschaltungen 10, 20, 30 jeweils zwei Transformatoren. Die erste Zellüberwachungsschaltung 10 umfasst dabei einen ersten Transformator 12 und einen zweiten Transformator 14. Die zweite Zellüberwachungsschaltung 20 umfasst dabei einen ersten Transformator 22 und einen zweiten Transformator 24. Dabei umfasst die dritte Zellüberwachungsschaltung 30 einen ersten Transformator 32 und einen zweiten Transformator 34.To transmit signals such as cell voltage, current and/or temperature, the
Zum Empfang der Signale, die von den Zellüberwachungsschaltungen 10, 20, 30 übertragen werden, weist die Batteriesteuereinheit 40 einen Transformator 42 auf.To receive the signals transmitted by the
Der erste Transformator 12 der ersten Zellüberwachungsschaltung 10 umfasst dabei eine Primärseite 12a und eine Sekundärseite 12b. Der zweite Transformator 14 der ersten Zellüberwachungsschaltung 10 umfasst dabei eine Primärseite 14a und eine Sekundärseite 14b.The
Der erste Transformator 22 der zweiten Zellüberwachungsschaltung 20 umfasst dabei eine Primärseite 22a und eine Sekundärseite 22b. Der zweite Transformator 24 der zweiten Zellüberwachungsschaltung 20 umfasst dabei eine Primärseite 24a und eine Sekundärseite 24b.The
Der erste Transformator 32 der dritten Zellüberwachungsschaltung 30 umfasst dabei eine Primärseite 32a und eine Sekundärseite 32b. Der zweite Transformator 34 der dritten Zellüberwachungsschaltung 30 umfasst dabei eine Primärseite 34a und eine Sekundärseite 34b.The
Der Transformator 42 der Batteriesteuereinheit 40 umfasst dabei eine Primärseite 42a und eine Sekundärseite 42b.The
Die Zellüberwachungsschaltungen 10, 20, 30 und die Batteriesteuereinheit 40 sind vorliegende in
Aus
Die Sekundärseite 14b des zweiten Transformators 14 der ersten Zellüberwachungsschaltung 10 weist eine erste Mittelanzapfung 15 auf, welche über einen ersten Widerstand 16 mit einem ersten Bezugspotenzial 18 elektrisch verbunden.The
Die Sekundärseite 24b des zweiten Transformators 24 der zweiten Zellüberwachungsschaltung 20 weist eine zweite Mittelanzapfung 25 auf, welche über einen zweiten Widerstand 26 mit einem zweiten Bezugspotenzial 28 elektrisch verbunden.The
Die Sekundärseite 34b des zweiten Transformators 34 der dritten Zellüberwachungsschaltung 30 weist eine dritte Mittelanzapfung 35 auf, welche über einen dritten Widerstand 36 mit einem dritten Bezugspotenzial 38 elektrisch verbunden.The
Aus
Die Bezugspotenziale 18, 28, 38 können dabei voneinander abweichen. Beispielsweise kann das erste Bezugspotenzial 18 die Massepotenzial der ersten Zellüberwachungsschaltung 10, das zweite Bezugspotenzial 28 das Massepotenzial der zweiten Zellüberwachungsschaltung 20 und das dritte Bezugspotenzial 38 das Massepotenzial der dritten Zellüberwachungsschaltung 30 sein.The
Alternativ können die Primärseite 22a des ersten Transformators 22 der zweiten Zellüberwachungsschaltung 20, die Primärseite 32a des ersten Transformators 32 der dritten Zellüberwachungsschaltung 30 und die Primärseite 42a des Transformators 42 der Batteriesteuereinheit 40 jeweils eine Mittelanzapfung 15, 25, 35 aufweisen, die mit einem entsprechende Bezugspotenzial 18, 28, 38 elektrisch verbunden ist.Alternatively, the
Die Bezugspotenziale 18, 28, 38 können auch gleich sein. Beispielsweise können die Mittelanzapfungen 15, 25, 35 an einer gemeinsamen Masse elektrisch verbunden sein.The
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of professional action.
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