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Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Batteriemodul und insbesondere auf die Batteriemessparameter innerhalb des Batteriemoduls gerichtet.
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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr.
62/760.825 , eingereicht am 13. November 2018, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingeschlossen ist.
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EINFÜHRUNG
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Batteriemodul-Überwachungsplatinen stellen Spannungs- und Temperaturmessungen von Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls bereit. Diese Messungen können jedoch durch EMI verzerrt werden, die durch die Ströme erzeugt wird, die durch Sammelschienen fließen, die mit den Batteriezellen gekoppelt sind. Das Reduzieren der EMI in den Signalen der Batteriemodul-Überwachungsplatine, um genaue Spannungs- und Temperaturmessungen zu ermöglichen, ist entscheidend für den sicheren Betrieb des Batteriemoduls. Die EMI-Reduzierung der Batteriemodul-Überwachungsplatine in einem doppelt gestapelten Batteriemodul kann erreicht werden, indem die Verdrahtung, die die Batteriemodul-Überwachungsplatine mit den Sammelschienen verbindet, so geführt wird, dass die Messsignale eine Interferenz aufweisen, die phasengleich ist, und das berechnete Spannungsergebnis genau ist.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Batteriemodulsystem gerichtet. Das Batteriemodul schließt eine Oberseite, eine Unterseite, eine erste Seitenwand, die die Oberseite und die Unterseite an einem Ende verbindet, und eine gegenüberliegende Seitenwand ein, die die Oberseite und die Unterseite an einem gegenüberliegenden Ende verbindet. Das Batteriemodul schließt eine erste Vielzahl von Sammelschienen ein, die entlang der Oberseite von der ersten Seitenwand zu der gegenüberliegenden Seitenwand beabstandet sind. Mindestens eine erste Batteriezelle ist elektrisch zwischen jedes benachbarte Paar der ersten Vielzahl von Sammelschienen gekoppelt. Das Batteriemodul schließt eine zweite Vielzahl von Sammelschienen ein, die entlang der Unterseite von der ersten Seitenwand zu der gegenüberliegenden Seitenwand beabstandet sind. Mindestens eine zweite Batteriezelle ist elektrisch zwischen jedes benachbarte Paar der zweiten Vielzahl von Sammelschienen gekoppelt. Eine Sammelschiene der ersten und der zweiten Vielzahl von Sammelschienen befindet sich in der Nähe des gegenüberliegenden Endes, überspannt die Ober- und die Unterseite des Batteriemoduls und ist elektrisch mit mindestens einer Batteriezelle, die sich auf der Oberseite befindet, und mindestens einer Batteriezelle, die sich auf der Unterseite des Batteriemoduls befindet, gekoppelt. Das Batteriemodul schließt eine erste Gruppe von Sensordrähten ein, die sich entlang der Oberseite erstrecken. Jede aus der ersten Vielzahl von Sammelschienen ist mit einem jeweiligen Sensordraht der ersten Gruppe von Sensordrähten gekoppelt. Das Batteriemodul schließt eine zweite Gruppe von Sensordrähten ein, die sich entlang der Unterseite erstrecken. Jede aus der zweiten Vielzahl von Sammelschienen ist mit einem jeweiligen Sensordraht der zweiten Gruppe von Sensordrähten gekoppelt. Die eine Sammelschiene, die die Ober- und die Unterseite des Batteriemoduls überspannt, ist mit einem Sensordraht der ersten Gruppe auf der Oberseite und einem Sensordraht der zweiten Gruppe auf der Unterseite des Batteriemoduls gekoppelt.
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Das Batteriemodulsystem schließt in einigen Ausführungsformen einen ersten Kabelbaum, der die erste Gruppe von Sensordrähten bündelt, und einen zweiten Kabelbaum ein, der die zweite Gruppe von Sensordrähten bündelt. Das Batteriemodulsystem schließt in einigen Ausführungsformen eine erste Verarbeitungsschaltung ein, die mit der ersten Gruppe von Sensordrähten gekoppelt ist. Die erste Verarbeitungsschaltung kann dazu konfiguriert sein, jeweilige Spannungssignale von der ersten Gruppe von Sensordrähten zu empfangen.
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Das Batteriemodulsystem schließt in einigen Ausführungsformen eine zweite Verarbeitungsschaltung ein, die mit der zweiten Gruppe von Sensordrähten gekoppelt ist. Die zweite Verarbeitungsschaltung kann dazu konfiguriert sein, jeweilige Spannungssignale von der zweiten Gruppe von Sensordrähten zu empfangen. Die erste Verarbeitungsschaltung ist in einigen Ausführungsformen dazu konfiguriert, einen ersten Spannungsmesswert von einer ersten Sammelschiene zu empfangen, die der Oberseite des Batteriemoduls zugeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesswerts von einer zweiten Sammelschiene zu empfangen, die der Oberseite des Batteriemoduls zugeordnet ist und der ersten Sammelschiene benachbart ist, und eine erste Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Spannungsmesswert und dem zweiten Spannungsmesswert zu berechnen. Die erste Spannungsdifferenz und die zweite Spannungsdifferenz können einem Batteriemanagementsystem bereitgestellt werden. Die zweite Verarbeitungsschaltung ist in einigen Ausführungsformen dazu konfiguriert, einen dritten Spannungsmesswert von einer dritten Sammelschiene zu empfangen, die der Unterseite des Batteriemoduls zugeordnet ist, einen vierten Spannungsmesswert von einer vierten Sammelschiene zu empfangen, die der Unterseite des Batteriemoduls zugeordnet ist und der dritten Sammelschiene benachbart ist, und eine zweite Spannungsdifferenz zwischen dem dritten Spannungsmesswert und dem vierten Spannungsmesswert zu berechnen. In einigen Ausführungsformen umfassen die zweite Sammelschiene und die vierte Sammelschiene zusammen die eine Sammelschiene, die die Ober- und die Unterseite des Batteriemoduls überspannt.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Spannungsdifferenz eine Differenz zwischen einem ersten Rauschsignal, das eine erste Phase umfasst, und einem zweiten Rauschsignal, das eine zweite Phase umfasst. Die erste Phase kann im Wesentlichen phasengleich mit der zweiten Phase sein. In einigen Ausführungsformen wird die erste Verarbeitungsschaltung von der Oberseite des Batteriemoduls gespeist und die zweite Verarbeitungsschaltung wird von der Unterseite des Batteriemoduls gespeist. Die erste Verarbeitungsschaltung ist in einigen Ausführungsformen dazu konfiguriert, die Spannung über jedem benachbarten Paar von Sammelschienen auf der Oberseite des Moduls zu bestimmen. Die zweite Verarbeitungsschaltung ist in einigen Ausführungsformen dazu konfiguriert, die Spannung über jedem benachbarten Paar von Sammelschienen auf der Unterseite des Batteriemoduls zu bestimmen.
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Die erste Vielzahl von Sammelschienen kann mindestens fünf Sammelschienen einschließen und die zweite Vielzahl von Sammelschienen kann mindestens fünf Sammelschienen einschließen. In einigen Ausführungsformen ist das Batteriemodul elektrisch mit einer Last gekoppelt. In einigen Ausführungsformen fließt ein Strom durch die erste Vielzahl von Sammelschienen in einer ersten Raumrichtung weg von der ersten Seitenwand und durch die zweite Vielzahl von Sammelschienen in einer zweiten Raumrichtung zu der ersten Seitenwand. Die erste Gruppe von Sensordrähten erstreckt sich in einigen Ausführungsformen entlang der Oberseite von der ersten Seitenwand zu der gegenüberliegenden Seitenwand. Die zweite Gruppe von Sensordrähten erstreckt sich in einigen Ausführungsformen entlang der Unterseite von der ersten Seitenwand zu der gegenüberliegenden Seitenwand. Ein erstes elektromagnetisches Feld kann durch den Strom induziert werden, der durch die erste Vielzahl von Sammelschienen in der ersten Raumrichtung fließt. Ein zweites elektromagnetisches Feld kann durch den Strom induziert werden, der durch die zweite Vielzahl von Sammelschienen in der zweiten Raumrichtung fließt.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls gerichtet, das eine erste Sammelschiene, eine zweite Sammelschiene, eine dritte Sammelschiene, mindestens eine erste Batteriezelle, die elektrisch zwischen die erste und die zweite Sammelschiene gekoppelt ist, und mindestens eine zweite Batteriezelle einschließt, die elektrisch zwischen die zweite und die dritte Sammelschiene gekoppelt ist. Ein Spannungsmesswert der ersten Sammelschiene wird unter Verwendung eines ersten Sensordrahts gemessen, der mit der ersten Sammelschiene gekoppelt ist. Ein erster Spannungsmesswert der zweiten Sammelschiene wird unter Verwendung eines zweiten Sensordrahts gemessen, der mit der zweiten Sammelschiene in der Nähe der Stelle gekoppelt ist, an der eine der mindestens einen ersten Batteriezelle mit der zweiten Sammelschiene gekoppelt ist. Eine zweite Spannung der zweiten Sammelschiene wird unter Verwendung eines dritten Sensordrahts gemessen, der mit der zweiten Sammelschiene in der Nähe der Stelle gekoppelt ist, an der eine der mindestens einen zweiten Batteriezelle mit der zweiten Sammelschiene gekoppelt ist. Ein Spannungsmesswert der dritten Sammelschiene wird unter Verwendung eines vierten Sensordrahts gemessen, der mit der dritten Sammelschiene gekoppelt ist. Eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Sammelschiene und der zweiten Sammelschiene wird unter Verwendung der gemessenen Spannung der ersten Sammelschiene und der gemessenen ersten Spannung der zweiten Sammelschiene bestimmt. Eine Spannungsdifferenz zwischen der zweiten Sammelschiene und der dritten Sammelschiene wird unter Verwendung der gemessenen zweiten Spannung der zweiten Sammelschiene und der gemessenen Spannung der dritten Sammelschiene bestimmt.
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Es sollte beachtet werden, dass die vorstehend beschriebenen Systeme, Verfahren, Vorrichtungen und/oder Gesichtspunkte auf andere Systeme, Verfahren, Vorrichtungen und/oder Gesichtspunkte, die in dieser Offenbarung beschrieben sind, angewendet oder gemäß diesen verwendet werden können.
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Figurenliste
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Die vorstehenden und andere Aufgaben und Vorteile der Offenbarung werden unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile beziehen und in denen:
- 1 ein Diagramm der Spannung über einer Batteriezelle über die Zeit gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 2 ein veranschaulichendes Batteriemodul und Rauschsignale, die von Sensordrähten auf benachbarten Sammelschienen geführt werden, die Batteriezellen in dem Batteriemodul überspannen, gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 3 das veranschaulichende Batteriemodul von 2 mit einem zusätzlichen Sensordraht gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
- 4 eine veranschaulichende Anordnung einer Batteriemodul-Überwachungsplatine, die elektrisch mit einem Batteriemodul gekoppelt ist, gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der Offenbarung zeigt; und
- 5 ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zum Betreiben eines Batteriemoduls gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der Offenbarung darstellt.
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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Offenbarung ist auf ein doppelt gestapeltes Batteriemodul gerichtet, das eine Oberseite, eine Unterseite, eine erste Seitenwand, die die Oberseite und die Unterseite an einem Ende verbindet, und eine gegenüberliegende Seitenwand aufweist, die die Oberseite und die Unterseite an einem gegenüberliegenden Ende verbindet. Elektrische Sammelschienen sind miteinander verbunden, um den Strompfad über die Oberseite des Moduls, von der Ober- zur Unterseite des Moduls und zurück über die Unterseite des Moduls zu erweitern. Die Sammelschienen können entlang der Oberseite des Moduls von einer Seitenwand zu einer gegenüberliegenden Seitenwand und entlang der Unterseite so beabstandet sein, dass sie sich unterhalb der oberen Sammelschienen befinden. Sammelschienen bestehen aus elektrisch leitendem Material, wie Kupfer, Aluminium, einem beliebigen anderen geeigneten Metall, einer beliebigen geeigneten Legierung oder einem beliebigen Material, das eine gewünschte elektrische Leitfähigkeit aufweist, oder einer beliebigen Kombination davon.
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Sensordrähte (hierin auch als „Signaldrähte“ bezeichnet) werden verwendet, um Spannungsmessungen für jede der Batteriezellen innerhalb des Moduls zu erhalten. Sensordrähte, die durch Kabelbäume gesichert sind, werden von einer Verarbeitungsschaltung zu jeweiligen Messstellen in dem Batteriemodul geführt. Die Verarbeitungsschaltung ist dazu konfiguriert, die Sensordrahtsignale (hierin auch als „Messsignale“ bezeichnet) zu empfangen und Messungen (z. B. Spannungsmessungen) für jede der Batteriezellen zu bestimmen. Eine Spannungsmessung für eine Batteriezelle kann durch Bilden der Differenz zwischen den Spannungsmessungen eines benachbarten Paares von Sammelschienen erhalten werden, wobei mindestens eine Batteriezelle elektrisch zwischen dieses Paar von Sammelschienen gekoppelt ist.
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In einigen Ausführungsformen zeigt das Batteriemodul ein Verhalten ähnlich einer Induktionsspule, wodurch, wenn Strom durch es hindurchfließt, elektromagnetische Felder (EMF) erzeugt werden. Die elektromagnetischen Felder können sich mit Sensordrähten koppeln und Rauschen in diese einbringen. In diesem Beispiel können die EMF die sicherheitskritischen Messungen des Batteriemoduls verzerren.
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Bei einem doppelt gestapelten Batteriemodul kann die elektromagnetische Interferenz (EMI) durch zueinander phasenverschobene elektromagnetische Felder hervorgerufen werden. In einem solchen Modul kann der Strom durch Sammelschienen in einer Richtung auf der Oberseite des Batteriemoduls und in der entgegengesetzten Richtung auf der Unterseite des Moduls fließen. Eine Sammelschiene kann die Ober- und die Unterseite des Batteriemoduls überspannen, um den Strom am Ende der Oberseite des Moduls zu sammeln und den Strom an die Unterseite des Batteriemoduls bereitzustellen. Sensordrähte erstrecken sich von einer Seite des Batteriemoduls über die Ober- und die Unterseite des Batteriemoduls zu jeweiligen Messstellen auf der Ober- und der Unterseite. Die Messstellen befinden sich in der Regel auf den Sammelschienen. Da der Strom auf der Ober- und der Unterseite des Batteriemoduls in entgegengesetzter Richtung fließt, ist die elektromagnetische Interferenz auf der Ober- und Unterseite zueinander phasenverschoben.
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Spannungsmessungen können verzerrt werden, wenn eine Differenz zwischen Signalen von gegenüberliegenden Seiten des Batteriemoduls gebildet wird (z. B. Messen der Spannung der Sammelschiene, die die Ober- und die Unterseite auf einer Seite überspannt, und Verwenden dieses Signals, um die Spannungsmessung über einer Batteriezelle auf der gegenüberliegenden Seite, von der die Messung genommen wird, zu erhalten). Die EMF, die durch Stromfluss durch die Sammelschienen erzeugt werden, erzeugen eine EMI, die Sensordrähte beeinflusst, die mit der Oberseite des Batteriemoduls gekoppelt sind, so dass die Messsignale, die von den oberen Sensordrähten geführt werden, Rauschen aufweisen, das phasengleich zueinander ist. Ebenso weisen die von den unteren Sensordrähten geführten Messsignale ein Rauschen auf, das phasengleich zueinander ist. Eine Phasendifferenz im Rauschen zwischen den Messsignalen, die von den oberen und den unteren Sensordrähten geführt werden, ist jedoch nicht null (z. B. ist das Rauschen, das die Sensordrähte auf der Oberseite beeinflusst, phasenverschoben zu dem Rauschen, das die Sensordrähte auf der Unterseite beeinflusst). In einigen Ausführungsformen können die EMF auf der Oberseite eine Phase aufweisen, die 180 Grad phasenverschoben zu den EMF auf der Unterseite ist. Wenn eine Spannungsdifferenzmessung mit den EMF-induzierten Rauschsignalen vorgenommen wird, die 180 Grad phasenverschoben sind, kann sich die Größe der durch die EMF verursachten Interferenz verdoppeln.
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Um die durch die induzierten EMF verursachte Interferenz zu reduzieren, können die Sensordrähte so angeordnet sein, dass Spannungsmessungen nicht als Differenz zwischen den Signalen genommen werden, die von Sensordrähten geführt werden, die sich auf gegenüberliegenden Seiten des Batteriemoduls befinden. Die Spannungsmessung kann so vorgenommen werden, dass die Verarbeitungsschaltung die phasengleichen Rauschsignale von derselben Seite des Batteriemoduls subtrahiert, wodurch eine genaue Spannungsmessung berechnet wird, wobei die Auswirkungen von EMI reduziert werden. Die Reduzierung oder Aufhebung von EMI durch Subtrahieren ähnlicher Rauschsignale (z. B. phasengleiche Rauschsignale) kann mit der geeigneten Sensordrahtanordnung erreicht werden.
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Eine solche Anordnung soll einen zusätzlichen Sensordraht einschließen, so dass die Spannung der Sammelschiene, die die Ober- und die Unterseite des Batteriemoduls überspannt, zweimal gemessen wird - einmal von der Oberseite und einmal von der Unterseite. Beispielsweise kann ein Sensordraht, der mit der oberen Hälfte einer Sammelschiene gekoppelt ist, die die Oberseite und die Unterseite überspannt, ein Rauschsignal führen, das mit den anderen Rauschsignalen der oberen Sensordrähte phasengleich ist, und ein zusätzlicher Sensordraht, der mit der unteren Hälfte der Sammelschiene gekoppelt ist, kann ein Rauschsignal führen, das mit den anderen Rauschsignalen der unteren Sensordrähte phasengleich ist. Ferner können in diesem Beispiel die Rauschsignale, die auf die Sensordrähte auf der Oberseite des Batteriemoduls einwirken, sehr ähnlich sein. Infolgedessen umfassen die über den Batteriezellen auf der Oberseite des Moduls vorgenommenen Spannungsmessungen ein sehr geringes Rauschsignal, da eine Differenz zwischen zwei Signalen genommen wird, die sehr ähnliche phasengleiche Rauschsignale aufweisen, wodurch sich die Rauschsignale größtenteils aufheben. Das gleiche Ergebnis ergibt sich für die Spannungsmessungen an der Unterseite des Batteriemoduls.
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1 zeigt ein Spannungsüberschwingungsproblem, das während Spannungsmessungen eines doppelt gestapelten Batteriemoduls auftritt. Ein doppelt gestapeltes Modul kann insgesamt 12 Batteriezellen aufweisen, wobei sechs in Reihe auf der Oberseite des Moduls angeordnet sind und die anderen sechs ähnlich auf der Unterseite des Moduls angeordnet sind. Die Batteriezellen in diesem doppelt gestapelten Modul sind durch Sammelschienen verbunden, die ermöglichen, dass ein Strompfad von der ersten Zelle auf der oberen Hälfte des Batteriemoduls durch die zweite Zelle, die dritte Zelle und weiter zur zwölften Zelle auf der Unterseite des Moduls fließt. Insbesondere wird der Strom von der Last, die dem Batteriemodul zugeordnet ist, zuerst eine Sammelschiene kontaktieren, die der ersten Batteriezelle zugeordnet ist, in die erste Batteriezelle durch ihren negativen Anschluss eintreten, aus der ersten Batteriezelle durch ihren positiven Anschluss austreten und der Strom wird dann die Sammelschiene kontaktieren, die sich zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle befindet. Dieser Prozess kann sich für alle Batteriezellen und zugehörigen Sammelschienen wiederholen, bis der Strom zu der Last zurückfließt. In dem Pfad, den der Strom durchläuft, kann eine Sammelschiene vorhanden sein, die sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Moduls überspannt, das dem positiven Anschluss der sechsten Batteriezelle und dem negativen Anschluss der siebten Batteriezelle zugeordnet ist.
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1 zeigt ein Diagramm der Spannung über einer Batteriezelle über die Zeit gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Während eines thermischen Leistungstests des doppelt gestapelten Batteriemoduls mit der vorstehend genannten Struktur kann ein Batteriemanagementsystem einen relativ hohen Spannungsanstieg über der siebten Batteriezelle während eines Übergangs zwischen einem Entladezustand und einem Ladezustand melden. Tabelle 1 zeigt einen Spannungsanstieg von 720 mV, der über der siebten Zelle gemeldet wird, während der Spannungsanstieg während eines Übergangs von einer Entladung zu einer Ladung für andere Zellen als innerhalb von 102 mV gemeldet wird. Dieser Spannungsanstieg ist in
1 als Spannungsüberschwingung
101 dargestellt. Spannungsüberschwingung ist definiert als die Differenz zwischen der stationären Spannung und der gemessenen Spitzenspannung über einer Batteriezelle. Im gleichen Beispiel kann die Verarbeitungsschaltung eine Überschwingung von -700 mV während eines Übergangs von einer Ladung zu einer Entladung in Zusammenhang mit der siebten Zelle melden, wobei diese Überschwingung viel größer ist als die anderer Zellen.
Tabelle 1 Überschwingungsspannungsmessung über Batteriezellen
| Zelle | Überschwingungsspannung gemessen am Ende des Spannungsabgriffdrahtes (Millivolt) |
| #1 | 0 |
| #2 | 12 |
| #3 | 18 |
| #4 | 30 |
| #5 | 60 |
| #6 | 102 |
| #7 | 720 |
| #8 | 0 |
| #9 | 0 |
| #10 | 10 |
| #11 | 18 |
| #12 | 42 |
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Bei den meisten Sensordrahtplatzierungen kann der Führungsabstand von der Verarbeitungsschaltung zu der Sammelschiene Interferenz des durch den Draht geführten Messsignals verursachen. Wenn jedoch das Rauschen phasengleich mit den Rauschsignalen ist, die von Sensordrähten zu benachbarten Sammelschienen geführt werden, wird die Interferenz beim Berechnen der Spannung über der Batteriezelle eliminiert oder reduziert. 2 zeigt Rauschsignale 260-263, die von Sensordrähten auf benachbarten Sammelschienen geführt werden, die die Batteriezelle 205 bis zur Batteriezelle 208 im Batteriemodul 200 überspannen. Die Sensordrähte können als „Zellenabgriffe“ bezeichnet werden. Beispielsweise ist der Zellenabgriff 250 dem Sensordraht zugeordnet, der mit der Sammelschiene in Kontakt steht, die den positiven Anschluss der Batteriezelle 208 und den negativen Anschluss der Batteriezelle 209 verbindet, der Zellenabgriff 251 ist dem Sensordraht zugeordnet, der mit der Sammelschiene in Kontakt steht, die den positiven Anschluss der Batteriezelle 207 und den negativen Anschluss der Batteriezelle 208 verbindet, der Zellenabgriff 252 ist dem Sensordraht zugeordnet, der mit der Sammelschiene in Kontakt steht, die den positiven Anschluss der Batteriezelle 206 und den negativen Anschluss der Batteriezelle 207 verbindet, und der Zellenabgriff 253 ist dem Sensordraht zugeordnet, der mit der Sammelschiene in Kontakt steht, die den positiven Anschluss der Batteriezelle 205 und den negativen Anschluss der Batteriezelle 206 verbindet. In einigen Ausführungsformen werden Spannungsmessungen 221-232 über Batteriezellen 201-212 jeweils durch Subtrahieren von Spannungsmesswerten über Zellenabgriffen bestimmt. Die horizontalen Linien, die in 2 oberhalb und unterhalb des Batteriemoduls dargestellt sind, stellen die Sensordrähte dar, die sich über das Batteriemodul zu den verschiedenen Zellenabgriffen oder Sammelschienen erstrecken. Um beispielsweise die Spannungsmessung 226 der Batteriezelle 206 zu erhalten, würde das Signal am Zellenabgriff 253 von dem Signal am Zellenabgriff 252 subtrahiert. Rauschsignale 260-263 beeinflussen die Spannungsmesssignale, die jeweils von Zellenabgriffen 250-253 genommen werden. Während dieser Subtraktion können die Rauschsignale 260 und 261, die auf dem Zellenabgriff 250 bzw. dem Zellenabgriff 251 geführt werden, eliminiert oder größtenteils eliminiert werden, da die Rauschsignale phasengleich sind. Das Messen der Spannung an der Batteriezelle 207 (d. h. Spannungsmessung 227) unter Verwendung der Signale am Zellenabgriff 252 (gemessen an der Oberseite 240 des Batteriemoduls) und am Zellenabgriff 251 (gemessen an der Unterseite 241 des Batteriemoduls) kann jedoch zu einer doppelten Rauschinterferenz führen, da die Rauschsignale 262 und 261 phasenverschoben sind.
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Ein Ansatz zum Aufrechterhalten von phasengleichen Rauschsignalen, die von benachbarten Sammelschienen der Ober- bzw. der Unterseite geführt werden, besteht darin, Spannungsmesswerte zwischen der Ober- und der Unterseite des doppelt gestapelten Batteriemoduls zu trennen. Separate Spannungsmesswerte können durch Hinzufügen eines zweiten Sensordrahtes erhalten werden, der der Sammelschiene zugeordnet ist, die die Ober- und die Unterseite überspannt. Dieser zusätzliche Sensordraht befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Sensordrahtes, der der Sammelschiene zugeordnet ist, die sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Batteriemoduls überspannt. 3 zeigt den zusätzlichen Sensordrahtzellenabgriff 351, der zu der Anordnung von 2 hinzugefügt wurde. Die Spannungsmessung 327 wird von einem zusätzlichen Sensordraht genommen, der elektrisch mit der Sammelschiene gekoppelt ist, die die Batteriezellen 206 und 207 überspannt. Der Zellenabgriff 351 ist der Unterseite der Sammelschiene zugeordnet, die die Oberseite 240 und die Unterseite 241 des Batteriemoduls 300 überspannt, und der Zellenabgriff 252 ist der Oberseite der Sammelschiene zugeordnet, die die Oberseite 240 und die Unterseite 241 des Batteriemoduls 300 überspannt. Mit dem zusätzlichen Sensordraht kann die Spannungsmessung 327 über der Batteriezelle 207 unter Verwendung der Signale am Zellenabgriff 351 und am Zellenabgriff 251 möglicherweise nicht durch phasenverschobene EMI beeinflusst werden, die durch Vergleichen von Signalen auf gegenüberliegenden Seiten des Batteriemoduls 300 entstanden ist.
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Eine zusätzliche Quelle von EMI kann aus der Übersprechinterferenz von in einem Kabelbaum gebündelten Drähten stammen. Kabelbäume werden verwendet, um die Drahtführung innerhalb des kompakten Raums des Batteriemoduls zu organisieren. Das Zusammenführen dieser Sensordrähte, die mit einer einzigen Verarbeitungsschaltung verarbeitet werden sollen, bewirkt, dass die Rauschsignale der oberen Sensordrähte und der unteren Sensordrähte untereinander abfließen oder auslaufen, wodurch Rauschen verursacht wird, das sich nicht aufhebt. Dementsprechend wird das Rauschen weiter reduziert, indem die oberen und die unteren Sensordrähte separat verarbeitet werden.
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4 zeigt eine veranschaulichende Anordnung 400 einer Batteriemodul-Überwachungsplatine, die elektrisch mit dem Batteriemodul 420 gekoppelt ist. Die Anordnung 400 zeigt ein Beispiel für getrennte Verarbeitungsschaltungen 411 und 412 innerhalb der Batteriemodul-Überwachungsplatine 410, um Rauschen weiter zu reduzieren. Da die Sensordrähte der Oberseite nicht zusammen mit den Sensordrähten der Unterseite gebündelt werden, wenn sie zu einer Verarbeitungseinheit in der Batteriemodul-Überwachungsplatine gelangen, werden die Auswirkungen von Übersprech-EMI zwischen dem oberen und dem unteren Signal reduziert. In einigen Ausführungsformen sind Sensordrähte, die der Verarbeitungsschaltung 411 zugeordnet sind, durch Steckverbinder 430 elektrisch gekoppelt, und Sensordrähte, die der Verarbeitungsschaltung 412 zugeordnet sind, sind durch Steckverbinder 431 elektrisch gekoppelt. Die der Oberseite des Batteriemoduls 420 zugeordneten Sensordrähte haben eine Schnittstelle zu der Verarbeitungsschaltung 411, die der Oberseite des Batteriemoduls 420 zugeordnet ist. Die Verarbeitungsschaltung 411 ist dazu konfiguriert, Spannungsmesswerte von einem benachbarten Paar von Sammelschienen auf der Oberseite des Batteriemoduls 420 zu empfangen und die Spannungsdifferenz zu berechnen, um die Spannungsmessung der Batteriezelle zu bestimmen, die dem benachbarten Paar von Sammelschienen zugeordnet ist. In ähnlicher Weise ist die Verarbeitungsschaltung 412 dazu konfiguriert, Spannungsmesswerte von einem benachbarten Paar von Sammelschienen auf der Unterseite des Batteriemoduls 420 zu empfangen und die Spannungsdifferenz zu berechnen, um die Spannungsmessung der Batteriezelle auf der Unterseite des Batteriemoduls 420 zu bestimmen, die dem benachbarten Paar von Sammelschienen zugeordnet ist.
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Die Sensorsignale, die von der Verarbeitungsschaltung 411 empfangen werden, können ein Rauschen aufweisen, das im Wesentlichen phasengleich mit dem Rauschen ist, das anderen Sensordrähten zugeordnet ist, die in einem Kabelbaum von der Oberseite gebündelt sind. Ebenso kann die Verarbeitungsschaltung 412 ein Rauschen aufweisen, das im Wesentlichen phasengleich mit dem Rauschen ist, das anderen Drähten in dem Kabelbaum von der Unterseite des Batteriemoduls zugeordnet ist. Aufgrund der getrennten Verarbeitungsschaltungen dürfen sich der Kabelbaum für die Oberseite des Batteriemoduls und der Kabelbaum für die Unterseite des Batteriemoduls nicht treffen oder nahe beieinander liegen, wodurch der Vorteil einer geringeren Übersprechinterferenz erreicht wird als in einem Fall, in dem beide Seiten der Drähte in einem einzigen Kabelbaum zu einer einzigen Verarbeitungsschaltung in der Batteriemodul-Überwachungsplatine gebündelt sind. Die von der Verarbeitungsschaltung berechneten Spannungsdifferenzen können einem Batteriemanagementsystem bereitgestellt werden.
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Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) zur Batteriestapelüberwachung kann bis zu 6 Batteriezellen überwachen. In einigen Ausführungsformen empfängt eine ASIC-Schaltung zur Batteriestapelüberwachung die Sensordrahtsignale, die der Oberseite eines doppelt gestapelten Moduls mit bis zu sechs Batteriezellen zugeordnet sind, und eine andere ASIC-Schaltung zur Batteriestapelüberwachung kann verwendet werden, um die Signale zu empfangen, die der Unterseite zugeordnet sind. Wie hierin verwendet, schließen Drähte einzelne eigenständige Drähte und/oder separate Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ein. Wie hierin verwendet, schließt ein Kabelbaum ein Bündel von Drähten und/oder mehrere Leiterbahnen auf einer Schaltung, wie einer flexiblen gedruckten Leiterplatte oder „Flex-Leiterplatte“, ein.
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5 stellt ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses 500 zum Betreiben eines Batteriemoduls gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der Offenbarung dar. Die Schritte des Prozesses 500 können von einer Steuerschaltung durchgeführt werden, die mit einem Batteriemodul wie dem Batteriemodul 300 gekoppelt ist, das in 3 dargestellt ist. Die Steuerschaltung kann auf einer beliebigen geeigneten Verarbeitungsschaltung basieren. Wie hierin darauf Bezug genommen wird, ist unter Verarbeitungsschaltung eine Schaltung zu verstehen, die auf einem oder mehreren Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, digitalen Signalprozessoren, programmierbaren Logikvorrichtungen, feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs), anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) basiert und einen Mehrkernprozessor einschließen kann. In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungsschaltung über mehrere separate Prozessoren oder Verarbeitungseinheiten verteilt sein, zum Beispiel mehrere Verarbeitungseinheiten derselben Art oder mehrere verschiedene Prozessoren. In einigen Ausführungsformen führt die Steuerschaltung Anweisungen für eine im Speicher gespeicherte Anwendung aus. Beispielsweise kann eine Batteriemodul-Überwachungsplatinenanwendung Anweisungen an die Steuerschaltung bereitstellen, um Spannungsmessungen über einer Batteriezelle zu bestimmen.
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In Schritt 502 misst die Steuerschaltung unter Verwendung eines ersten Sensordrahts, der mit einer ersten Sammelschiene gekoppelt ist, einen Spannungsmesswert der ersten Sammelschiene. Beispielsweise kann der erste Sensordraht der Sensordraht sein, der dem Zellenabgriff 253 von 3 zugeordnet ist. In diesem Beispiel ist die erste Sammelschiene die Sammelschiene, die den positiven Anschluss der Batteriezelle 205 und den negativen Anschluss der Batteriezelle 206 verbindet. Somit kann der Spannungsmesswert die Spannung der Sammelschiene sein, die die Batteriezellen 205 und 206 überspannt.
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In Schritt 504 misst die Steuerschaltung unter Verwendung eines zweiten Sensordrahts, der mit einer zweiten Sammelschiene in der Nähe der Stelle gekoppelt ist, an der eine von mindestens einer ersten Batteriezelle mit der zweiten Sammelschiene gekoppelt ist, einen ersten Spannungsmesswert der zweiten Sammelschiene. Beispielsweise kann der zweite Sensordraht der Sensordraht sein, der dem Zellenabgriff 252 zugeordnet ist. In diesem Beispiel ist die zweite Sammelschiene die Sammelschiene, die den positiven Anschluss der Batteriezelle 306 und den negativen Anschluss der Batteriezelle 207 verbindet. Somit kann der Spannungsmesswert die Spannung der Sammelschiene sein, die die Batteriezellen 206 und 207 überspannt (d. h. die Ober- und die Unterseite des Batteriemoduls 300 überspannt). Der Sensordraht, der dem Zellenabgriff 252 zugeordnet ist, wird verwendet, um einen Spannungsmesswert dieser Sammelschiene zu messen, die sowohl die Oberseite als auch die Unterseite des Batteriemoduls 300 überspannt (z. B. ein Spannungsmesswert an der Oberseite des Batteriemoduls 300).
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In Schritt 506 misst die Steuerschaltung unter Verwendung eines dritten Sensordrahts, der mit der zweiten Sammelschiene in der Nähe der Stelle gekoppelt ist, an der eine von einer mindestens zweiten Batteriezelle mit der zweiten Sammelschiene gekoppelt ist, eine zweite Spannung der zweiten Sammelschiene. Beispielsweise kann der dritte Sensordraht der Sensordraht sein, der dem Zellenabgriff 351 zugeordnet ist. Somit kann der Spannungsmesswert der Spannungsmesswert der Sammelschiene sein, die die Batteriezellen 206 und 207 überspannt. Dieser Spannungsmesswert ist nicht notwendigerweise derselbe wie der in Schritt 504 erhaltene Spannungsmesswert, da, wie in 3 gezeigt, die Rauschsignale, die den Spannungsmesswerten an den Zellenabgriffen 252 und 351 zugeordnet sind, nicht phasengleich sind. Der Sensordraht, der dem Zellenabgriff 351 zugeordnet ist, wird verwendet, um einen Spannungsmesswert der Sammelschiene zu messen, die sowohl die Oberseite als auch die Unterseite des Batteriemoduls 300 überspannt.
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In Schritt 508 misst die Steuerschaltung unter Verwendung eines vierten Sensordrahts, der mit einer dritten Sammelschiene gekoppelt ist, einen Spannungsmesswert der dritten Sammelschiene. Beispielsweise kann der vierte Sensordraht ein Sensordraht sein, der dem Zellenabgriff 251 zugeordnet ist. In diesem Beispiel ist die dritte Sammelschiene die Sammelschiene, die den positiven Anschluss der Batteriezelle 207 und den negativen Anschluss der Batteriezelle 208 verbindet. Somit kann der Spannungsmesswert die Spannung der Sammelschiene sein, die Batteriezellen 207 und 208 überspannt.
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In Schritt 510 bestimmt die Steuerschaltung eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Sammelschiene und der zweiten Sammelschiene unter Verwendung der gemessenen Spannung der ersten Sammelschiene und der gemessenen ersten Spannung der zweiten Sammelschiene. Beispielsweise wird eine Spannungsdifferenz zwischen der gemessenen Spannung der ersten Sammelschiene von Schritt 502 und der gemessenen Spannung der zweiten Sammelschiene von Schritt 504 bestimmt. Diese Spannungsdifferenz ist in einigen Ausführungsformen die Spannung über der Batteriezelle 206 mit reduzierter elektromagnetischer Interferenz (EMI), da die zugehörigen Rauschsignale 262 und 263 phasengleich sind.
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In Schritt 512 bestimmt die Steuerschaltung eine Spannungsdifferenz zwischen der zweiten Sammelschiene und der dritten Sammelschiene unter Verwendung der gemessenen zweiten Spannung der zweiten Sammelschiene und der gemessenen Spannung der dritten Sammelschiene. Beispielsweise wird eine Spannungsdifferenz zwischen der gemessenen Spannung der zweiten Sammelschiene von Schritt 506 und der gemessenen Spannung der dritten Sammelschiene von Schritt 508 bestimmt. Diese Spannungsdifferenz ist in einigen Ausführungsformen die Spannung über der Batteriezelle 307 mit reduzierter elektromagnetischer Interferenz (EMI), da die zugehörigen Rauschsignale 261 und 361 phasengleich sind. Die Steuerschaltung verwendet in einigen Ausführungsformen die Spannungsdifferenz, um den Betrieb des Batteriemoduls zu überwachen. Auf diese Weise erkennt die Steuerschaltung Batteriefehler oder unsichere Bedingungen.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden zu Veranschaulichungszwecken und nicht einschränkend dargestellt, und die vorliegende Offenbarung ist nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt. Ferner sollte beachtet werden, dass die Merkmale und Einschränkungen, die in einer beliebigen Ausführungsform beschrieben sind, auf eine beliebige andere Ausführungsform hierin angewendet werden können, und Flussdiagramme oder Beispiele, die sich auf eine Ausführungsform beziehen, mit einer beliebigen anderen Ausführungsform auf geeignete Weise kombiniert werden, in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden oder parallel ausgeführt werden können. Beispielsweise kann Schritt 508 nach Schritt 510 ausgeführt werden, um die Spannungsdifferenz zwischen Sammelschienen in einer anderen Reihenfolge zu messen. In einigen Ausführungsformen können die Schritte 502-506 in beliebiger Reihenfolge (z. B. Schritt 504, dann Schritt 506 und dann Schritt 502) durchgeführt werden, um Spannungsmesswerte unter Verwendung der Sensordrähte in einer anderen Reihenfolge zu messen. Darüber hinaus können die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren in Echtzeit durchgeführt werden. Es sollte auch beachtet werden, dass die vorstehend beschriebenen Systeme und/oder Verfahren auf andere Systeme und/oder Verfahren angewendet oder gemäß diesen verwendet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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