DE19503917A1

DE19503917A1 - Elektronische Batterieüberwachungseinrichtung

Info

Publication number: DE19503917A1
Application number: DE19503917A
Authority: DE
Inventors: Thomas Edye; Paolo Reghenzi; Antonio De Santo
Original assignee: MC Micro Compact Car AG
Current assignee: Micro Compact Car Smart GmbH
Priority date: 1995-02-07
Filing date: 1995-02-07
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2015-02-08
Also published as: DE19503917C2; EP0726472A3; JP2805605B2; EP0726472A2; JPH08265903A; US5652498A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Überwachungs einrichtung für eine aus mehreren, physikalisch voneinander ge trennten Blöcken aufgebaute Batterie. Einen wichtigen Anwen dungsfall bilden Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge, die häufig in dieser Weise aufgebaut sind. Die Lebensdauer heutiger Traktionsbatterien ist dabei meist wesentlich geringer als die Lebensdauer des Fahrzeuges. Bei konventionellen elektronischen Überwachungseinrichtungen für Traktionsbatterien ist die Batte riedatenerfassung und Batteriedatenspeicherung üblicherweise so ausgeführt, daß sie bei einem Batteriewechsel bestehen bleiben. Die konventionellen elektronischen Überwachungseinrichtungen er fordern einen relativ hohen Verkabelungsaufwand zur Erfüllung der diversen Elektronikfunktionen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer elektronischen Überwachungseinrichtung für die genannte Art von Batterien zugrunde, mit der sich bei geringem Verkabe lungsaufwand in einfacher Weise eine zuverlässige Überwachung des Batteriezustands erreichen läßt.

Dieses Problem wird durch eine elektronische Batterieüberwa chungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Je dem Batterieblock ist ein eigener, von der Batterie gespeister Meßschaltkreisbaustein zugeordnet, welcher die erforderlichen Meßgrößen erfaßt, wie Spannung und Temperatur des betreffenden Batterieblocks. Die einzelnen Meßschaltkreisbausteine sind über einen einfachen seriellen Datenbus mit geringstem Verkabelungs aufwand untereinander verbunden. An den seriellen Datenbus ist außerdem eine zentrale Datenverarbeitungseinheit angeschlossen, die außerhalb der Batterie angeordnet ist. Diese Datenverarbei tungseinheit wertet die Batteriezustandsdaten aus und beinhaltet die aufwendigeren Elektronikfunktionen, z. B. einen Mikroprozes sor. Bei einem Batterieaustausch, wie er im Fall einer Fahrzeug traktionsbatterie von Zeit zu Zeit erforderlich ist, bleiben da her die aufwendigeren Elektronikfunktionen im Fahrzeug erhalten, während die einfachen Elektronikfunktionen in Form der Meß schaltkreisbausteine und des seriellen Datenbusses zur Meßdaten gewinnung und -übertragung in die Batterie integriert sind und dementsprechend mit dieser entsorgt werden. Ein Batterieaus tausch macht daher lediglich das Abkoppeln des seriellen Daten busses von der zentralen Datenverarbeitungseinheit sowie der Batteriepole von der ab führenden Batteriestromleitung und ent sprechend deren Wiederankoppeln erforderlich.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist ein zentraler Datenspeicher vorgesehen, der physikalisch an einen der Batte rieblöcke gebunden und an den seriellen Datenbus angeschlossen ist. Der bevorzugt nichtflüchtig ausgelegte Datenspeicher, der die batterierelevanten Daten speichert, wird folglich bei einem Batterieaustausch nicht wiederverwendet. Er kann bevorzugt so eingerichtet sein, daß er gegen unberechtigte Manipulationen ge schützt ist. Dies kann vor allem für eigenständige Batteriesy steme, wie für Leasingbatterien, zweckmäßig sein.

Die in einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 vorge sehene, kapazitive Kopplung der Meßschaltkreisbausteine unter einander ist sehr kostengünstig realisierbar, insbesondere im Vergleich zu einer alternativ möglichen Verbindung der Meß schaltkreisbausteine über Optokoppler.

Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 erlaubt eine größtmögliche Vereinfachung des seriellen Datenbusses, indem sämtliche Meßdaten aller Meßschaltkreisbausteine in Meßdatenpa keten übertragen werden. Jeder Meßschaltkreisbaustein entnimmt dem über den Datenbus laufenden jeweiligen Meßpaket die von ihm benötigten Informationen und fügt die selbstgewonnenen Meßdaten hinzu. Zweckmäßig sind Protokoll und Übermittlungsformat auf dem seriellen Datenbus so realisiert, daß die einzelnen Meßschalt kreisbausteine einen identischen Hardwareaufbau besitzen können.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Traktionsbatteriesy stems mit integrierten Komponenten einer elektronischen Überwachungseinrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bestimmten Batterie blocks des Systems von Fig. 1 mit zugehörigem elektroni schem Überwachungsteil und integriertem, zentralem Daten speicher und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines in ein Elektrofahr zeug eingebauten Batteriesystems nach den Fig. 1 und 2 mit zugehöriger Antriebselektronikeinheit.

In Fig. 1 ist schematisch eine Traktionsbatterie (B) für ein Elektrofahrzeug gezeigt, die aus einer Anzahl n (n<1) einzelner, physikalisch voneinander getrennter Batterieblöcke (B₁,. . .,B_n) besteht. Die Batterieblöcke (B₁ bis B_n) erzeugen typischerweise jeweils dieselbe Spannung zwischen 12V und 24V. Zur Batterie überwachung werden von jedem Batterieblock (B₁ bis B_n) die Bat teriespannung und die Batterietemperatur erfaßt. Hierzu ist für jeden Batterieblock (B₁ bis B_n) jeweils ein kleiner, durch die Batterie (B) gespeister elektronischer Meßschaltkreisbaustein M₁,. . .,M_n) vorgesehen, der die benötigten Messungen vornimmt. Die Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) sind über einen sehr einfachen seriellen Datenbus (1) miteinander verbunden. Die Kopplung zwischen den einzelnen Meßschaltkreisbausteinen (M₁ bis M_n) ist kapazitiv ausgeführt, was bei den erzeugten Spannungen der einzelnen Blöcke von zwischen etwa 12V bis 24V problemlos möglich ist. Die kapazitive Kopplung ist kostengünstiger als ei ne alternativ realisierbare Kopplung über Optokoppler. Zur Auf nahme der Meßdaten ist jeweils eine Meßfühlerleitung (2) zwi schen dem jeweiligen Meßschaltkreisbaustein (M₁ bis M_n) und der zugehörigen Meßstelle im Batterieblock (B₁ bis B_n) vorgesehen.

Die einzelnen Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) besitzen einen identischen Hardwareaufbau, wozu das Datenprotokoll und das Da tenübermittlungsformat auf dem seriellen Datenbus geeignet ge wählt sind, wie dies dem Fachmann bei serieller Datenübertragung geläufig ist. Sämtliche Dateninformationen gehen in Form von Meßpaketen durch alle Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n). Jeder Meßschaltkreisbaustein (M₁ bis M_n) entnimmt von jedem Meßpaket die Informationen, die er selbst benötigt, und fügt dem Meßpaket seine eigenen Meßwerte hinzu. Dies macht es möglich, zur Daten übertragung mit dem sehr einfach aufgebauten, seriellen Datenbus (1) auszukommen.

Werden die Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) in CMOS-Technolo gie ausgeführt, was wegen der geringen Leistungsaufnahme der Bausteine von Vorteil ist, muß beachtet werden, daß eine maxima le Betriebsspannung z. B. 15V nicht überschritten werden darf. Bei einer lokalen Speisung der Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) durch die Batterieblöcke (B₁ bis B_n) muß daher jeweils ein Spannungsregler vorgeschaltet werden, wenn die von den einge setzten Blöcken erzeugte Spannung die maximale Betriebsspannung der Bausteine übersteigt. In diesem Fall kann es vorteilhafter sein, daß die Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) ihren Be triebsstrom über die kapazitive Kopplung an den seriellen Daten bus (1) einer Trägerfrequenz entnehmen. Der Anschluß der Meß schaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) an die Batterieblöcke (B₁ bis B_n) dient dann nur der Messung der Batteriespannung.

In einem (B_j; 1jn) der Batterieblöcke ist ein zentraler, nicht flüchtiger Datenspeicher (3) integriert, wie dies in Fig. 2 dar gestellt ist. Der z. B. als RAM oder EEPROM-Baustein realisierte Datenspeicher (3) speichert die batterierelevanten Daten. Der Speicherbaustein (3) ist fest mit dem ausgewählten Batterieblock (B_j) vergossen und damit physikalisch an diesen Block (B_j) ge bunden. Die abgespeicherten Daten beinhalten unter anderem eine Information über die Anzahl von Lade- bzw. Entladezyklen, über Tiefentladungen, über Extremwerte usw . . Die solchermaßen fest an die Antriebsbatterie (B) gebundene Datenspeicherung ist zudem durch geeignete Maßnahmen vor unbefugter Manipulation geschützt. Dies ist vor allem für Leasingbatterien und Service-Dienstlei stungspakete von Batterieherstellern zweckmäßig, da auf diese Weise der Batterielieferant durch späteren Abruf der gespeicher ten Daten eine manipulationsgesicherte Information über den Be triebsverlauf der Batterie (B) während Ihrer Lebensdauer gewin nen kann. Über eine Verbindungsleitung (4) ist der zentrale Da tenspeicherbaustein (3) an den zu seinem Batterieblock (B_j). ge hörigen Meßschaltkreisbaustein (M_j) und über diesen an den seri ellen Datenbus (1) angekoppelt. Die abzuspeichernden Daten flie ßen auf diese Weise über den seriellen Datenbus (1).

Fig. 3 zeigt den Einsatz einer derartigen Traktionsbatterie (B) mit elektronischer Überwachung in einem Elektrofahrzeug, wobei die Batterie (B) an eine Antriebselektronikeinheit (5) des Elek trofahrzeugs angekoppelt ist. Die Traktionsbatterie (B) besteht hier beispielhaft aus 18 einzelnen Batterieblöcken (B₁ bis B₁₈), die, wie durch die dicken Stromleitungsverbindungen angedeutet, seriell hintereinandergeschaltet sind. Ein Starkstromkabel (6) verbindet die Antriebselektronikeinheit (5) mit dem Pluspol des ersten Batterieblocks (B₁) und dem Minuspol des letzten Batte rieblocks (B₁₈) zur Führung des Entlade- bzw. Ladestroms. Des weiteren ist die Antriebselektronikeinheit (5) über eine geeig nete Schnittstelle (5a) an den seriellen Datenbus (1) ange schlossen. Zur Batteriezustandsbestimmung wird außer den Span nungs- und Temperaturmessungen in den einzelnen Batterieblöcken (B₁ bis B₁₈) zusätzlich der kummulierte Batteriestrom genau er faßt, was von der Antriebselektronikeinheit (5) durchgeführt wird, zu der das Batteriestarkstromkabel (6) geführt ist. Gleichzeitig übernimmt die Antriebselektronikeinheit (5), die über einen geeigneten Mikroprozessor verfügt, die Auswertung der über den seriellen Datenbus (1) übertragenen Zustandsdaten der einzelnen Batterieblöcke (B₁ bis B₁₈). Der Rechenaufwand für diese Datenverarbeitung ist auf diese Weise vollständig in die Antriebselektronikeinheit (5) verlagert, so daß in der Trakti onsbatterie (B) keine Datenverarbeitungskapazität erforderlich ist. Die Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M₁₈) brauchen daher le diglich hinsichtlich Datenerfassung und Datenspeicherung ausge legt sein. Über den seriellen Datenbus (1) fließen die in der Antriebselektronik (5) auszuwertenden, von den einzelnen Meß schaltkreisbausteinen (M₁ bis M₁₈) gewonnenen Daten sowie die in dem zentralen Datenspeicher (3), der gemäß Fig. 2 in einen der Batterieblöcke (B₁ bis B₁₈) integriert ist, was in Fig. 3 der Einfachheit halber nicht nochmals explizit dargestellt ist, ab zuspeichernden Daten.

In der Batterie (B) befindet sich folglich nur ein Minimum an aufwendigen Elektronikfunktionen bei gleichzeitig minimalem Ver kabelungsaufwand. Die über die Datenerfassung und Datenspeiche rung hinausgehenden Elektronikfunktionen werden von der Antrieb selektronikeinheit (5) übernommen, z. B. eine gegebenenfalls für die Traktionsbatterie (B) erforderliche Lüftungs- und/oder Hei zungssteuerung.

Die Erfindung realisiert folglich eine in das Batteriesystem in tegrierte Datenerfassungs- und Datenspeicherungselektronik, die mit dem Batteriesystem ausgetauscht und entsorgt wird, während die Datenverarbeitungselektronik in einer batteriesystemexternen Einheit untergebracht wird. Diese Auslegung einer elektronischen Batterieüberwachungseinrichtung ist einfach und kostengünstig herstellbar und benötigt nur geringen Verkabelungsaufwand.

Claims

1. Elektronische Überwachungseinrichtung für eine aus mehreren physikalisch voneinander getrennten Blöcken (B₁,. . .,B_n) aufge baute Batterie (B), insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, gekennzeichnet durch

- jeweils einen eigenen Meßschaltkreisbaustein (M₁ bis M_n) für jeden Batterieblock (B₁ bis B_n),
- einen seriellen Datenbus (1), der die Meßschaltkreisbausteine miteinander verbindet, und
- eine zentrale Datenverarbeitungseinheit (5), die außerhalb der Batterie (B) angeordnet ist und an den seriellen Datenbus ange schlossen ist.

2. Elektronische Batterieüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch

- einen zentralen Datenspeicher (3), der physikalisch an einen (B_j) der Batterieblöcke gebunden und an den seriellen Datenbus (1) angeschlossen ist.

3. Elektronische Batterieüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) untereinander kapazitiv gekoppelt sind.

4. Elektronische Batterieüberwachungseinrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Meßdaten aller Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) in Meßdatenpaketen über den seriellen Datenbus (1) übertragen wer den.

5. Elektronische Batterieüberwachungseinrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß den Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) der von ihnen benötigte Betriebsstrom vermittels des seriellen Datenbusses (1) zugeführt wird.

6. Elektronische Batterieüberwachungseinrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltkreisbausteine (M₁ bis M_n) den von ihnen benötigte Betriebsstrom dem jeweils zugeordneten Batterieblock (B₁ bis B_n) entnehmen.