DE19545833A1 - Battery with multiple cell in-series e.g. for motor vehicle - Google Patents
Battery with multiple cell in-series e.g. for motor vehicleInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Batterie mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.The invention relates to a battery with the features of the preamble of claim 1.
Eine derartige Batterie ist aus der FR 2 589 008 B1 bekannt. Der Ladevorgang findet für alle Einzelzellen gleichzeitig und in Abhängigkeit des individuellen Lade zustands statt. Eine Möglichkeit, darüber hinaus den Ladevorgang individuell zu steuern, besteht nicht.Such a battery is known from FR 2 589 008 B1. The loading process takes place for all single cells simultaneously and depending on the individual drawer state instead. One way to further customize the charging process control does not exist.
Eine derartige Möglichkeit besteht bei einer mikrokontroller-gesteuerten Einrichtung zur Analyse des Ladezustands und zum Laden einer mehrzelligen Batterie, wie sie aus der DE 42 31 732 C2 bekannt ist. Dabei ist die Batterie mit einer Vielzahl von Doppelleitungen versehen, die jeweils zu einer oder mehreren Einzelzellen führen und über die die Differenz-Ladung der angeschlossenen Einzelzellen durchgeführt wird. Aufgrund der Vielzahl von Doppelleitungen ist eine derartige Batterie extrem störanfällig und für den Einsatz unter hoher mechanischer Belastung, wie bei spielsweise in einem Fahrzeug, weniger geeignet.Such a possibility exists with a microcontroller-controlled device to analyze the state of charge and to charge a multi-cell battery like the one below is known from DE 42 31 732 C2. The battery comes with a variety of Provide double lines, each leading to one or more single cells and via which the differential charging of the connected individual cells is carried out becomes. Such a battery is extreme due to the large number of double lines susceptible to faults and for use under high mechanical loads, as with for example in a vehicle, less suitable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Möglichkeit einer individuellen Einzelzellen-Ladung mit geringem schaltungstechnischen und Leitungsaufwand realisiert ist. The invention has for its object a battery of the aforementioned Art to create with the possibility of an individual single cell charge low circuitry and wiring effort is realized.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa tentanspruchs 1.The invention solves this problem by the characterizing features of Pa claim 1.
Die Einzelzellen-Module besitzen nun zusätzlich die Möglichkeit, individuelle Lade signale zu empfangen und umzusetzen. Die Abgabe der individuellen Ladesignale geschieht durch die Zentraleinheit über die Stromleitung, die als modulierter Feld bus ausgestaltet sein kann. Dadurch können aufwendige und störanfällige Lei tungsverbindungen (Doppelleitungen) von der Zentraleinheit zu den Einzelzellen- Modulen entfallen.The single cell modules now also have the option of individual drawers receive and implement signals. The delivery of the individual charging signals happens through the central unit via the power line, which acts as a modulated field bus can be designed. As a result, expensive and fault-prone lei can be produced line connections (double lines) from the central unit to the single cell There are no modules.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 9 und werden anhand der Zeichnung weiter erläutert. Es zeigtAdvantageous embodiments of the invention are the subject of the claims 2 to 9 and are further explained with reference to the drawing. It shows
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie, Fig. 1 shows the basic structure of a battery according to the invention,
Fig. 2 den elektrischen Aufbau von darin verwendeten Einzelzellen- Modulen, Fig. 2 shows the electrical construction of single cell modules used therein,
Fig. 3 eine konstruktive Ausführung des Moduls von Fig. 2, Fig. 3 is a constructional design of the module of Fig. 2,
Fig. 4 bis 6 Einzelheiten des Moduls von Fig. 3, FIGS. 4 to 6 show details of the module of Fig. 3,
Fig. 7 Einzelzellen mit Modulen auf einem Zellverbinder, Fig. 7 individual cells with modules on a cell connector,
Fig. 8 eine Funktionsdarstellung der Stromverteilung, Fig. 8 is a functional representation of the power distribution,
Fig. 9 die Ausführungsform des Moduls als Zellkappe und Fig. 9 shows the embodiment of the module as a cell cap and
Fig. 10 Ausführungsformen eines Leistungsschalters, der in den Modulen der Fig. 2 bis 9 Anwendung findet. Fig. 10 embodiments of a circuit breaker, which takes place in the modules of FIG. 2 to 9 application.
Die in Fig. 1 gezeigte Batterie besteht aus mehreren Einzelzellen E, die über eine Stromleitung 1 miteinander verbunden sind und denen jeweils ein Einzelzellen-Mo dul 2 zugeordnet ist. Die Module 2 sind über die Stromleitung 1 mit einer Zen traleinheit 3 verbunden und tauschen mit dieser Daten über den Zustand der jewei ligen Einzelzelle E aus. Ferner erhalten sie von der Zentraleinheit individuelle La designale aufgrund derer sie den Ladevorgang der jeweiligen Einzelzelle steuern. Dies wird weiter unten im Detail erläutert.The battery shown in Fig. 1 consists of several individual cells E, which are connected to one another via a power line 1 and each of which a single cell module 2 is assigned. The modules 2 are connected via the power line 1 to a central unit 3 and exchange data with them about the state of the respective individual cell E. Furthermore, they receive individual La designale from the central unit, on the basis of which they control the charging process of the respective individual cell. This is explained in detail below.
Die Module 2 sind in unmittelbarer Nähe der Einzelzellen, z. B. am Gehäuse, am Zellverbinder oder an der Zellkappe (wird erläutert) angeordnet und aus der jewei ligen Einzelzelle heraus mit elektrischer Energie versorgt.The modules 2 are in the immediate vicinity of the individual cells, e.g. B. on the housing, on the cell connector or on the cell cap (will be explained) and supplied with electrical energy from the respective individual cell.
Die von den Modulen 2 gelieferten Daten werden durch die Zentraleinheit 3 zy klisch abgefragt, die an beliebiger Stelle, z. B. in einem On-Board-Ladegerät der Batterie untergebracht sein kann. Die Zentraleinheit 3 sammelt die Daten aller Ein zelzellen und kann den Ladestrom jeder Einzelzelle innerhalb bestimmter Grenzen mittels der Module 2 beeinflussen. Die Zentraleinheit 3 wiederum kann off-line (z. B. für Diagnosezwecke) und/oder on-line mit weiteren Bordsystemen im Datenaus tausch stehen (nicht dargestellt).The data supplied by the modules 2 are cyclically queried by the central unit 3 , which at any point, for. B. can be accommodated in an on-board battery charger. The central unit 3 collects the data of all single cells and can influence the charging current of each individual cell within certain limits by means of the modules 2 . The central unit 3 in turn can be off-line (e.g. for diagnostic purposes) and / or on-line with other on-board systems in data exchange (not shown).
Das Einzelzellenmodul (Fig. 2) besteht als Kernstück aus einer Logikeinheit (4), die folgende Aufgaben erledigt:The core of the single cell module ( Fig. 2) consists of a logic unit ( 4 ) that does the following:
- - Datenaustausch zur Zentraleinheit- Data exchange with the central unit
- - Messung der Einzelzellenparameter (Zelltemperatur, Zellspannung, . . . )- Measurement of single cell parameters (cell temperature, cell voltage,...)
- - Steuerung des Leistungsteils- Control of the power section
Zur Messung der physikalischen Größen kommen bekannte Sensoren zum Ein satz. In der Grundversion sind folgende Meßgrößen vorgesehen:Known sensors are used to measure the physical quantities sentence. The following measured variables are provided in the basic version:
- - Einzelzellenspannung- Single cell voltage
- - Temperatur (eine oder mehrere), (5 bezeichnet einen Temperatursensor).- Temperature (one or more), ( 5 denotes a temperature sensor).
Weiter kann es vorteilhaft sein, je nach Batterietyp weitere Kenngrößen zu mes sen, beispielsweiseIt can also be advantageous to measure further parameters depending on the battery type sen, for example
- - Einzelzellendruck- Single cell printing
- - Elektrolytpegel- electrolyte level
- - Elektrolytdichte- electrolyte density
- - Elektrolytdurchfluß - Electrolyte flow
- - Isolationsfehler- insulation fault
- - Zellstrom- cell current
- - pH-Wert- PH value
- - Sauerstoff-/Wasserstoffkonzentration- oxygen / hydrogen concentration
Es dient zur Signaltrennung der Stromleitung, d. h. zur Ein- und Auskoppelung der Signale zwischen Zentraleinheit und Module. Es besteht im einfachsten Fall aus einem Kondensator 6.It is used for signal separation of the power line, ie for coupling and decoupling the signals between the central unit and the module. In the simplest case, it consists of a capacitor 6 .
Die Leistungseinheit 7 dient dazu, einen Teil des Gesamt-Ladestroms um die be treffende Einzelzelle herumzuleiten, der Bypass-Strom trägt somit nicht zur Ladung bei. Der Gesamtwirkungsgrad der Batterieladung verschlechtert sich dadurch nicht. Bei herkömmlicher Aufladung muß die zuerst volle Zelle diese Energie durch Gasungswärme abgeben. Die Zelle wird dabei stark überladen und geschädigt. Die Folge ist eine überproportionale Kapazitätsveränderung während des Betriebes.The power unit 7 serves to divert part of the total charging current around the individual cell concerned, the bypass current thus not contributing to the charging. The overall efficiency of the battery charge does not deteriorate as a result. With conventional charging, the cell, which is initially full, must release this energy by means of gassing heat. The cell is heavily overloaded and damaged. The result is a disproportionate change in capacity during operation.
Die Leistungseinheit wird vorzugsweise möglichst von den anderen Bauteilen ent koppelt. Damit ist sichergestellt, daß eine thermische Beeinflussung minimiert wird. Weiter kann damit vermieden werden, daß im Falle eines Totalausfalls der leistungsführenden Teile die anderen Systemkomponenten geschädigt werden. Die Logikeinheit meldet der Zentraleinheit den Ausfall des Leistungsgliedes (Halbleiterschalter, Relais, . . . ).The power unit is preferably ent as possible from the other components couples. This ensures that thermal influence is minimized. Furthermore, it can be avoided that in the event of a total failure the performance parts the other system components are damaged. The Logic unit reports the failure of the power element to the central unit (Semiconductor switches, relays,...).
Um im Schadensfall die Auswirkungen zu begrenzen ist optional eine Sicherung in der leistungsführenden Leitung vorzusehen. Im einfachsten Fall wird die herausge führte Polleitung so bemessen, daß diese im Kurzschlußfall sicher schnell durch brennt.In order to limit the effects in the event of damage, a backup in is optional to be provided to the performance management. In the simplest case, it is removed led the Polleitung so dimensioned that in the event of a short circuit, this will be carried out quickly burns.
Am einfachsten läßt sich dies durch Verwendung von Leiterbahnen auf gedruckten Schaltungen realisieren, die eine entsprechend bemessene Engstelle als Siche rungselement aufweisen 13, Fig. 3.The easiest way to achieve this is by using conductor tracks on printed circuits that have a correspondingly dimensioned constriction element as a hedging element 13 , FIG. 3rd
Die Spannungsversorgung 8, Fig. 2, des Einzelzellenmoduls erfolgt aus der Ein zelzelle heraus. The voltage supply 8 , FIG. 2, of the single cell module takes place from the single cell.
Aufgabe dieses Systemteils ist es, die Spannung auf das erforderliche Niveau an zuheben und zu stabilisieren. Weiter soll eine gewisse Energiemenge 9 gespei chert werden, um beim Ausfall einer Einzelzelle, d. h. beim Ausfall der Spannungs versorgung des Moduls, den Betrieb des Moduls so lange sicherzustellen, daß eine entsprechende Meldung an die Zentraleinheit abgegeben werden kann.The task of this part of the system is to raise and stabilize the tension to the required level. Furthermore, a certain amount of energy 9 is to be saved in order to ensure the operation of the module so long in the event of failure of a single cell, ie in the event of failure of the voltage supply to the module, that a corresponding message can be sent to the central unit.
Die bauliche Ausführung richtet sich insbesondere nach der Ausführung der Batte rie-Einzelzellen.The constructional design depends in particular on the design of the battery rie single cells.
Grundsätzlich sind 4 Ausführungen dargestellt, die in ihrer Funktionsweise iden tisch sind, deren Leistungsmerkmale jedoch geringfügig variieren. Beschrieben werden die Ausführungen alsBasically, 4 versions are shown, which work in the same way table, the performance characteristics of which vary slightly. Described are the versions as
- - eigenständige Funktionseinheit (Fig. 3)- Independent functional unit ( Fig. 3)
- - als Teil der Polverbinder (Fig. 6)- As part of the pole connector ( Fig. 6)
- - als Teil des Einzelzellengehäuses (Fig. 9)- As part of the single cell housing ( Fig. 9)
- - als Batteriekappe (Fig. 9)- as a battery cap ( Fig. 9)
Alle Bauteile sind auf einer Leiterplatte (Fig. 3) angeordnet, die Leiterplatte besitzt zwei Löcher 10, die den Abstand und Durchmesser der Einzelzellenanschlüsse besitzen.All components are arranged on a circuit board ( Fig. 3), the circuit board has two holes 10 , which have the distance and diameter of the individual cell connections.
Die Platinen werden auf die Anschlüsse jeder Einzelzelle montiert, d. h. es sind keine weiteren Befestigungspunkte notwendig.The boards are mounted on the connections of each individual cell, i. H. there are no further attachment points necessary.
Im Bereich der Befestigungslöcher 10 sind die Platinen durch Metalleinsätze z. B. Blindniete 11 verstärkt. Die Oberflächen dienen als Kontaktierung und zur Auf nahme der Schraubenkräfte. Unter dieser Anschraubfläche, die eine enge thermi sche Kopplung zu den Batteriepolen und damit zum Zellinneren hat, werden vor zugsweise die Temperatursensoren angeordnet 5.In the area of the mounting holes 10 , the boards are by metal inserts z. B. blind rivets 11 reinforced. The surfaces serve as contacting and to take up the screw forces. Under this screw-on surface, which has a close thermal coupling to the battery poles and thus to the cell interior, the temperature sensors are preferably arranged 5 .
Steuerungsteile 4 und Leistungsteil 7 werden vorzugsweise räumlich entkoppelt. Damit ist sichergestellt, daß bei thermischen Versagen der Endstufe der Steuerungsteil nicht beschädigt wird. Die Entkopplung kann dadurch verbessert werden, in dem die Leiterplatte zwischen den Steuerungs- und Leistungsteil teil weise ausgenommen ist 12.Control parts 4 and power part 7 are preferably spatially decoupled. This ensures that the control section is not damaged in the event of thermal failure of the output stage. The decoupling can be improved by partially excluding the circuit board between the control and power section 12 .
Um auch beim Ausfall des Schaltelements eine Schädigung der Einzelzelle auszu schließen, ist eine Sicherung vorzusehen. Dies wird vorzugsweise dadurch er reicht, indem ein Leiterbahnabschnitt 13 so dimensioniert wird, daß er bei Über schreiten der höchstzulässigen Stromdichte abbrennt.In order to rule out damage to the individual cell even if the switching element fails, a fuse must be provided. This is preferably sufficient because he dimensioned a conductor track section 13 so that it burns when exceeding the maximum permissible current density.
Der Aufbau erfolgt vorzugsweise als hochintegriertes Modul 17. Die Verbindung zum Masse-Anschluß wird vorzugsweise als großflächige Verbindung ausgeführt, 14 die wiederum großflächig auf dem Untergrund (Polverbinder) aufgebracht wird. Damit ist auch eine gute thermische Kopplung zum Untergrund gewährleistet. Be festigt man die Einzelzelleneinheit an einer Stelle der Einzelzelle, die thermisch repräsentativ ist, kann der Temperatursensor 5 auf dieser Kontaktierungsfläche angeordnet werden.It is preferably constructed as a highly integrated module 17 . The connection to the ground connection is preferably carried out as a large-area connection 14, which in turn is applied over a large area to the substrate (pole connector). This also ensures good thermal coupling to the substrate. If the individual cell unit is fastened at a point on the individual cell that is thermally representative, the temperature sensor 5 can be arranged on this contacting surface.
Die Massefläche 14 kann auch gleichzeitig zur Abführung der anfallenden Verlust wärme des Leistungsteils dienen. Die Temperaturerhöhung ist vom Modul im Leerlauf der Batterie durch Einschalten des Leistungstransistors bei frühzeitiger Temperaturmessung ermittelt und gespeichert worden.The ground surface 14 can also serve to dissipate the resulting heat loss of the power section. The temperature increase was determined and stored by the module when the battery was idling by switching on the power transistor at an early temperature measurement.
Charakteristische Temperaturen herrschen an vielen Batteriesystemen an den An schlußpolen, da diese eine funktionsbedingt gute Verbindung zu den Elektroden besitzen.Characteristic temperatures prevail on many battery systems on the An final poles, as this is a functionally good connection to the electrodes have.
Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, die Module 17 vorzugsweise auf den Ver bindungslaschen 22 der einzelnen Einzelzellen anzuordnen (Fig. 6).For this reason, it is proposed that the modules 17 preferably be arranged on the connecting tabs 22 of the individual cells ( FIG. 6).
Der Anbau erfolgt vorzugsweise an der zur benachbarten Einzelzelle gegenüber liegenden Seite. Damit ist eine weitgehende thermische Entkopplung zur Nachbar zelle sichergestellt.The cultivation is preferably carried out on the opposite of the neighboring single cell lying side. This means that there is extensive thermal decoupling from the neighbor cell ensured.
Die Verbindung zum Pluspol wird durch eine kurze Leitung 15 dargestellt, an deren Ende ein geeigneter Kabelschuh 16 vorgesehen wird, um den Plusanschluß mit unter den entsprechenden Einzelzellenanschluß klemmen zu können.The connection to the positive pole is represented by a short line 15 , at the end of which a suitable cable lug 16 is provided in order to be able to clamp the positive connection under the corresponding individual cell connection.
Damit ergibt sich eine kompakte Einheit bestehend aus Verbindungslasche, Ein zelzellenmodul sowie Anschlußleitung mit Kabelschuh.This results in a compact unit consisting of connecting strap, one cell module and connection cable with cable lug.
Diese Elemente können vorzugsweise symmetrisch ausgeführt werden, so daß pro Einzelzellentyp nur eine Ausführung von Elementen notwendig ist, die sich lediglich in der logischen Adresse unterscheiden.These elements can preferably be carried out symmetrically, so that per Single cell type only one execution of elements is necessary, which is only differ in the logical address.
Diese Anordnung läßt sich nicht nur kostengünstig herstellen sondern minimiert auch die Lagerhaltung und ermöglicht einen sehr einfachen Austausch im Scha densfall.This arrangement is not only inexpensive to manufacture but also minimized also warehousing and enables a very simple exchange in the warehouse fall.
Ausführungen wie beschrieben, lassen sich auch direkt auf der Außenseite des Einzelzellengehäuses befestigen.Designs as described can also be found directly on the outside of the Fasten the single cell housing.
Vorzugsweise kommt dabei ein Modul zum Einsatz. Das Modul kann dabei direkt in das Einzelzellengehäuse integriert werden. A module is preferably used. The module can be directly in the single cell housing can be integrated.
Zum Schutz vor Berührung der Batterie-/Einzelzellenpole sind vorzugsweise Zell kappen 26 vorgesehene (Fig. 9).To protect against contact with the battery / single cell poles, cell caps 26 are preferably provided ( FIG. 9).
Der Austausch einzelner Zellmodule gestaltet sich durch eine Integration der Zell module in der aufgesteckten Zellkappe einfach. Die elektrische und thermische Kontaktierung des Einzelzellenmoduls und die Befestigung der isolierten Zellkappe geschieht vorzugsweise über die Pole.The exchange of individual cell modules takes place through an integration of the cells modules in the attached cell cap simple. The electrical and thermal Contacting the single cell module and attaching the insulated cell cap happens preferably over the poles.
Dabei wird folgender Aufbau vorgesehen:
Die Verbindungsleitung 15 wird als Feder ausgeführt. Diese Feder ist in der Zell
kappe 26 befestigt.The following structure is provided:
The connecting line 15 is designed as a spring. This spring is attached to the cell cap 26 .
Die Feder drückt über eine in der Zellkappe beweglich gelagerte Druckscheibe 27 auf die Anschlußpole der Batterie und stellt so eine elektrisch leitende Verbindung her.The spring presses against the connecting poles of the battery via a thrust washer 27 movably mounted in the cell cap and thus establishes an electrically conductive connection.
Auf einer Seite wird zwischen der federnden Verbindungsleitung 15 und dem Druckstück 27 ein Einzelzellenmodul 1 eingefügt.A single cell module 1 is inserted on one side between the resilient connecting line 15 and the pressure piece 27 .
Damit ist das Zellmodul leicht auswechselbar und ohne weitere Verbindungsleitun gen sicher und geschützt in der Zellkappe untergebracht.This means that the cell module is easily replaceable and without any additional connecting cables safe and protected in the cell cap.
Der Zentraleinheit ist die Meß- und Steuerzentrale des Batterieüberwachungs systems.The central unit is the measuring and control center of the battery monitoring systems.
Die Zellmodule werden vorzugsweise in einem festen Zeitraster angesprochen und melden die Zelldaten zurück.The cell modules are preferably addressed and in a fixed time frame report the cell data back.
Die Zentraleinheit 3 verdichtet die Daten und legt eine Einzelzellenstatistik über der Batterielebensdauer an.The central unit 3 compresses the data and creates individual cell statistics over the battery life.
Diese Werte, verglichen mit einem ebenfalls abgespeicherten Zellkennfeld (fT,Q,I,V, . . . ), leiten die Steuersignale her, die an das jeweilige Einzelzellenmodul übertragen werden. Der Leistungsschalter des Moduls wird aktiviert und ermöglicht so eine individuelle Aufladung der Einzelzelle.These values, compared to a stored cell map (f T, Q, I, V, ...), Derive the control signals that are transmitted to the respective single cell module. The circuit breaker of the module is activated and thus enables the individual cell to be charged individually.
Die frühzeitige Erkennung von stark streuenden Zellparameter mittels der Batterie statistik erlaubt eine rechtzeitige Meldung über die Diagnoseschnittstelle beim Ser vice. Die Wartung und ein evtl. nötiger Zellaustausch werden so rechtzeitig erkannt ohne Ausfall der Batterie im Fahrzeug. Die Zentraleinheit gibt die Zellnummer der defekten Einzelzelle an der Diagnose aus.The early detection of strongly scattering cell parameters using the battery Statistics allows timely reporting via the diagnostic interface to the ser vice. The maintenance and any necessary cell replacement are recognized in good time without battery failure in the vehicle. The central unit gives the cell number of the defective single cell from the diagnosis.
Der Zentraleinheit überwacht die Ladung und die Entladung der Batterie. Die La dung und Entladung wird auf die schwächste Einzelzelle angepaßt, so daß die natürliche Toleranz der Zellen über der Lebensdauer erhalten bleibt. Bei der Entla dung wird abhängig vom Ladezustand und der Temperatur der Einzelzelle, bei Unter- oder Überschreiten einer in den Kennfeldern vorgegebenen Maximalgröße ein Signal zur Leistungsreduzierung an den Verbraucher gegeben. Die Bypass-Stromeinschaltung, die von der Zentraleinheit gesteuert wird, erfolgt vor zugsweise in zeitkonstanten Blöcken je Zelle. Die Bilanzierung der netto in die Zellen eingeladenen Ah wird dadurch ohne große analytischen Aufwand präzise. Die Batterieladezustandsanzeige, die von der ladungsmäßig kleinsten Zelle abzu leiten ist, gewinnt dadurch an Genauigkeit ("Tankanzeige").The central unit monitors the charge and discharge of the battery. The La Dung and discharge is adapted to the weakest single cell, so that the the cells' natural tolerance is preserved over their lifespan. When discharging is dependent on the state of charge and the temperature of the individual cell, at Falling below or exceeding a maximum size specified in the characteristic diagrams given a signal to the consumer to reduce the power. The Bypass current switch-on, which is controlled by the central unit, takes place before preferably in time-constant blocks per cell. Accounting for the net in the This makes cells charged Ah precise without great analytical effort. The battery charge level indicator, which depends on the smallest cell in terms of charge is gaining in accuracy ("fuel gauge").
Die Einzelzelleneinheit enthält vorzugsweise einen nichtflüchtigen Speicher (EEPROM), dem bei der Batteriekonfiguration die Zelladresse programmiert wird. Die Adresse entspricht vorzugsweise der Einzelzellennummer. Es können bei Be darf aber auch andere Daten wie Fertigungsdaten oder ähnliches abgelegt werden. Innerhalb einer Batterie muß die Adressierung der Einzelzelleneinheit eindeutig sein.The single cell unit preferably contains a non-volatile memory (EEPROM), for which the cell address is programmed during battery configuration. The address preferably corresponds to the single cell number. At Be however, other data such as manufacturing data or the like may also be stored. The addressing of the single cell unit must be unique within a battery be.
Im Datenverkehr hat die Zentraleinheit 3, (Fig. 1) die Master-Funktion, die Module 1 haben Slave-Funktion.In data traffic, the central unit 3 ( Fig. 1) has the master function, the modules 1 have a slave function.
Die Zentraleinheit spricht zyklisch jeweils einen Slave an, nimmt die Kommunika tion auf und empfängt die aktuellen Meßwerte oder Störungsmeldungen der Mo dule und sendet Steuerbefehle an die jeweiligen Module.The central unit cyclically addresses one slave at a time, takes the communication tion and receives the current measured values or fault messages of the month module and sends control commands to the respective modules.
Die Datenübertragung erfolgt mittels eines hochfrequenten modulierten Signals, das auf der Stromleitung 2 übertragen wird.The data transmission takes place by means of a high-frequency modulated signal, which is transmitted on the power line 2 .
Zentraleinheit und Module koppeln die hochfrequenten Informationen auf ge bräuchliche Art und Weise z. B. kapazitiv oder induktiv auf die Gleichspannungs schiene ein. Denkbar, und vor allem kostengünstiger, kann für die Übertragung der Signale von den einzelnen Modulen zur Zentraleinheit auch eine einzelne als Bus leitung fungierende Verbindung zur Zentraleinheit verwendet werden, die am Bat teriestecker über einen zusätzlichen Hilfspin geführt wird.The central unit and modules couple the high-frequency information to ge common way z. B. capacitive or inductive to the DC voltage rail a. Conceivable and, above all, less expensive, can be used to transfer the Signals from the individual modules to the central unit also a single as a bus cable acting connection to the central unit are used, the Bat serial connector is guided via an additional auxiliary pin.
Die Zentraleinheit 3 sammelt alle Daten aus den einzelnen Modulen 1, speichert diese und bereitet die Daten weiter auf wie z. B. Mittelwertbildung oder Verknüp fung von Daten zur Diagnose. In der Zentraleinheit werden alle physikalischen Meßgrößen statistisch ausgewertet und gespeichert.The central unit 3 collects all the data from the individual modules 1 , stores them and processes the data further, such as. B. averaging or linking data for diagnosis. All physical measured variables are statistically evaluated and stored in the central unit.
Die Zentraleinheit kennt dadurch die Zellparameter und lädt die Einzelzellen be darfsgerecht und individuell verschieden auf.The central unit thereby knows the cell parameters and loads the individual cells according to needs and individually.
Alle aufbereiteten Daten können online oder offline anderen Systemen z. B. Ver brauchern, Energiemanagementsystemen oder Batterieladegeräten (extern/intern) zur Verfügung gestellt werden. Die Datenübertragung kann dabei sowohl über eine serielle 17 als auch über eine parallele Schnittstelle 18 beliebiger Konfiguration oder moduliert über die Stromleitungen erfolgen.All processed data can be online or offline other systems such. B. Consumers, energy management systems or battery chargers (external / internal) are provided. The data transmission can take place either via a serial 17 or a parallel interface 18 of any configuration or modulated via the power lines.
Off-Line können z. B. Diagnosedaten an ein stationäres Diagnosegerät übertragen werden.Off-line can e.g. B. Transfer diagnostic data to a stationary diagnostic device will.
Geladen wird die Batterie durch ein Ladegerät. Normalerweise wird, durch die Rei henschaltung bedingt, jede Einzelzelle eines Stranges mit der gleichen Ladungs menge beaufschlagt. Parallelschaltung von Strängen oder durch Toleranzen unter schiedlicher Zellgrößen, ergeben unterschiedliche Ladezustände der Einzelzellen. Bekannte Systeme können mittels je einer zusätzlichen Leitung eine Einzelzelle oder einen Zellblock nachladen.The battery is charged by a charger. Usually, through the Rei circuit, every single cell of a string with the same charge quantity applied. Parallel connection of strings or by tolerances below different cell sizes result in different charge states of the individual cells. Known systems can use an additional line to create a single cell or reload a cell block.
Um den Aufwand zu minimieren, wird eine Lösung mittels eines Bypass-Stromes vorgeschlagen (Fig. 8).In order to minimize the effort, a solution using a bypass flow is proposed ( FIG. 8).
Der Gesamtstrom 19, der in die Batterie eingespeist wird und durch alle Einzelzel len eines Stranges fließt, kann über jeder Einzelzelle aufgeteilt werden. Dazu dient ein Bypass-Element 7, das Teil des Einzelzellenmoduls ist. The total current 19 , which is fed into the battery and flows through all the individual cells of a line, can be divided over each individual cell. A bypass element 7 , which is part of the single cell module, is used for this purpose.
Damit kann ein bestimmter Teil der Ladung 20 an jeder einzelnen Einzelzelle vor beigeleitet werden. Das bewirkt, daß Einzelzellen mit geringerem Ladungsbedarf weniger Ladung 21 bekommen, Einzelzellen mit hohem Bedarf jedoch die volle Ladung.A certain part of the charge 20 can thus be supplied to each individual individual cell. This means that single cells with a lower charge require less charge 21 , but single cells with a high charge receive the full charge.
Je nach Anforderung und Batterietyp können zwei unterschiedliche Systeme ein gesetzt werden, deren Funktion die gleiche ist, die sich jedoch im Aufbau und der Betriebsweise des Leistungsteils unterscheiden.Depending on requirements and battery type, two different systems can be used be set, the function of which is the same, but the structure and the Differentiate the operating mode of the power unit.
Im Bypass-Pfad sind ein Schalter 23, (Fig. 10) z. B. ein Transistor und ein Wider stand 24 angeordnet 9a. Der Schalter ist entweder geöffnet oder geschlossen. Im geschlossenen Zustand wird der Strom durch den Widerstand begrenzt. Eine Lei stungssteuerung ist mittels Takten des Schalters möglich.In the bypass path are a switch 23 , ( Fig. 10) z. B. a transistor and an opposing stand 24 was arranged 9a. The switch is either open or closed. When closed, the current is limited by the resistor. Power control is possible by clocking the switch.
Ist eine Einzelzelle weitgehend vollgeladen, kann ein Teil der Ladung an der Ein zelzelle vorbeigeführt werden, d. h. eine Einzelzelle wird im Vergleich mit anderen Einzelzellen weniger geladen, d. h. die Einzelzellen erreichen zum gleichen Zeit punkt den gewünschten Ladezustand. Alternative: An Einzelzellen mit geringerer Kapazität wird ebenso ein Teil des Ladestromes über den Bypass vorbeigeleitet. Dadurch erreichen diese das Ladeende nicht vor sondern auch idealerweise gleichzeitig mit den schwächeren Einzelzellen. Da die Erkennung des aktuellen Ladezustands mitunter schwierig ist, kann vorteilhaft ein selbstlernendes System zur Anwendung kommen.If a single cell is largely fully charged, part of the charge can be connected to the on cell cell are passed, d. H. a single cell is compared to others Single cells less charged, d. H. the single cells reach at the same time point the desired state of charge. Alternative: On single cells with less A part of the charging current is also bypassed through the bypass. This means that they do not reach the end of the load before, but ideally too simultaneously with the weaker single cells. Because the detection of the current State of charge is sometimes difficult, a self-learning system can be advantageous come into use.
Beim ersten Ladevorgang wird vom System festgestellt, welche Einzelzellen mehr oder weniger Ladung benötigen. Diese Information wird gespeichert. Beim darauf folgenden Ladevorgang werden die Einzelzellen, die weniger Ladung speichern können, schon frühzeitig mit weniger Strom beaufschlagt, d. h. die Bypass-Leitung wird früher geöffnet.During the first charging process, the system determines which individual cells are more or need less charge. This information is saved. On it following charging process are the single cells that store less charge can be supplied with less electricity at an early stage, d. H. the bypass line will open earlier.
Dieser "Lernvorgang" wird bei jeder Ladung wiederholt und aktualisiert, nach eini gen Durchläufen kann mit guter Genauigkeit ein gleichmäßiges Ladeende aller Einzelzellen erreicht werden. This "learning process" is repeated and updated with each charge, after a runs can be done with a good accuracy, even loading of all Single cells can be reached.
Beim Entladen der Batterie übernehmen die Module nur die Erfassung der Meßgrö ßen die im Zentraleinheitssteuergerät zur Bildung der Abbuchkriterien bei entladener Batterie benötigt werden.When the battery is discharged, the modules only take over the measurement ß those in the central processing unit control unit to form the debiting criteria when unloaded Battery are needed.
In dieser Ausführung ist im Bypass-Zweig lediglich ein aktives Bauteil 25 vorgese hen (Widerstand entfällt), mit dem der Strom geregelt werden kann.In this embodiment, only one active component 25 is provided in the bypass branch (there is no resistance) with which the current can be regulated.
Vorteil dieser Lösung ist, eine kostenpotimale Ausführung der zahlreichen Module. Im Versagensfall kann dieses Bauteil einen Kurzschluß der Zelle darstellen, der eine Sicherung in der Zuleitung zu diesem Bauteil zum Ansprechen bringt. Damit kann sichergestellt werden, daß sich die Einzelzelle nach Versagen, des Schalters nicht selbst entladen kann. Das Freiwerden der Zelle im Fehlerfall des Leistungs gliedes 25 durch "Freibrennen" geschieht dabei während des Ladens oder Entla dens. Der Stromimpuls wird dabei einer der Traktionszellen entnommen.The advantage of this solution is the cost-effective execution of the numerous modules. In the event of failure, this component can represent a short circuit in the cell, which triggers a fuse in the supply line to this component. This ensures that the single cell cannot discharge itself after the switch fails. The freeing of the cell in the event of a fault in the power member 25 by "burning free" occurs during charging or discharging. The current pulse is taken from one of the traction cells.
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