DE202017103777U1 - Fast monitoring and warning device for drive battery failures - Google Patents

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Abstract

Schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle, die zur Überwachung der einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack auf thermische Ausfalle dient und ggf. eine Warnung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Thermistoren, zwei Thermistor-Probenahmeleitungen, eine Gleichspannungsquelle und eine Datenerfassungskarte umfasst, wobei die Thermistoren direkt oder indirekt an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen angeordnet und hintereinander in Reihe geschaltet sind, um insgesamt eine Wheatstone-Brücke zu bilden, wobei ein erster Eckpunkt der Wheatstone-Brücke an der Gleichspannungsquelle angeschlossen, ein zweiter Eckpunkt über die erste Thermistor-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden, ein dritter Eckpunkt geerdet und ein vierter Eckpunkt über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden ist, wobei die Datenerfassungskarte nach dem Prinzip der Wheatstone-Brücke ein über die erste Thermistor-Probenahmeleitung übertragenes erstes Spannungssignal und ein über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung übertragenes zweites Spannungssignal erfasst, eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Spannungssignal und dem zweiten Spannungssignal ermittelt, die Potentialdifferenz mit einem Spannungsschwellenwert vergleicht und bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts durch die Potentialdifferenz ein Warnsignal ausgibt.Fast drive battery failure monitoring and warning device used to monitor the individual battery cells in series and in parallel in a drive battery pack for thermal failures and optionally issue a warning, characterized by having a plurality of thermistors, two thermistor sampling lines, a DC voltage source and a data acquisition card, wherein the thermistors are directly or indirectly connected to the individual battery cells connected in series and parallel and connected in series one behind the other to form a total of a Wheatstone bridge, wherein a first corner of the Wheatstone bridge at the DC voltage source a second vertex is connected to the data acquisition card via the first thermistor sampling line, a third vertex is grounded, and a fourth vertex is connected to the data acquisition card via the second thermistor sampling line, wherein the Data acquisition card according to the principle of the Wheatstone bridge detects a transmitted via the first thermistor sampling line first voltage signal and transmitted via the second thermistor sampling line second voltage signal detects a potential difference between the first voltage signal and the second voltage signal, comparing the potential difference with a voltage threshold and when the voltage threshold is exceeded by the potential difference outputs a warning signal.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere auf eine schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle.The present invention relates to the field of lithium-ion batteries, and more particularly to a fast monitor and warning device for drive battery failures.

Technischer HintergrundTechnical background

Die Lithium-Ionen-Batterien finden dank ihrer hohen spezifischen Energie und ihres langen Lebenszyklus weit verbreitete Anwendung bei tragbaren Verbraucherelektronikprodukten. In den letzten Jahren werden Lithium-Ionen-Batterien zunehmend im Bereich der Elektrokraftfahrzeuge eingesetzt, um die erhöhten Anforderungen an Energieeinsparung und Emissionsminderung zu erfüllen. Im Stand der Technik liegt zwar eine erhebliche Erhöhung der Zuverlässigkeit von einzelnen Lithium-Ionen-Batterien vor, deren. Ausfallwahrscheinlichkeit in der Größenordnung von 1 × 10–6 liegt. Für den Einsatz in einem Elektrokraftfahrzeug müssen die Lithium-Ionen-Batterien jedoch oft in Reihe und parallel zueinander geschaltet werden, um eine großzügige Modularisierung zu ermöglichen, d. h. um Batteriemodule zu erzeugen, wobei die so entstandenen Batteriemodule einander beeinflussen, was leicht zu Batterieausfällen und somit zu batteriebezogenen Unfällen führt. Hinzu kommen die in der Regel komplizierten Betriebsbedingungen eines Elektrokraftfahrzeuges und die niedrige Zuverlässigkeit des jetzigen Batteriemanagements im Bereich der Elektrokraftfahrzeuge, was insgesamt einen umfassenden Schutz vor verschiedenen Batterieausfällen ausschließt. Der Ausfall einer Lithium-Ionen-Batterie kann zu verheerenden Unfällen führen und stellt bisher eine Ursache für das häufige Unfallgeschehen bei Elektrokraftfahrzeugen dar, wodurch die Verwendung und Verbreitung – von Elektrokraftfahrzeugen stark verhindert werden.The lithium-ion batteries are widely used in portable consumer electronics products due to their high specific energy and long life cycle. In recent years, lithium-ion batteries are increasingly used in the field of electric vehicles to meet the increased demands for energy saving and emission reduction. In the prior art, although there is a significant increase in the reliability of individual lithium-ion batteries whose. Failure probability is of the order of 1 × 10 -6 . However, for use in an electric vehicle, the lithium-ion batteries often need to be connected in series and in parallel to allow for generous modularization, ie, to create battery modules, with the resulting battery modules interfering with each other, resulting in easy battery failure and thus leads to battery-related accidents. Added to this are the usually complicated operating conditions of an electric motor vehicle and the low reliability of the current battery management in the field of electric motor vehicles, which precludes overall comprehensive protection against various battery failures. The failure of a lithium-ion battery can lead to devastating accidents and so far is a cause of the frequent accident events in electric vehicles, which greatly prevents the use and spread - of electric vehicles.

Der Ausfall einer Lithium-Ionen-Batterie ist im Wesentlichen auf die Alterung oder auf das thermische Durchgehen der Batterie zurückzuführen. Unter einem alterungsbedingten Ausfall versteht man, dass die Batteriekapazität einer Batterie nach deren Inbetriebnahme kontinuierlich abnimmt und der Innenwiderstand zunimmt, was zur Reduzierung der Batterieleistung und damit zum Ausfall der Batterie führt. Ein alterungsbedingter Ausfall ist in der Regel voraussehbar, d. h. er lässt sich unter anderem durch die Ladung und Entladung der jeweiligen Batterie und die zurückgelegte Kilometerzahl des jeweiligen Fahrzeuges charakterisieren. Das thermische Durchgehen einer Batterie bezeichnet eine durch Verschmelzen des Separators beim Überschreiten eines kritischen Temperaturwerts hervorgerufene starke chemische Reaktion innerhalb der Batterie, die zur schnellen Wärmefreisetzung oder sogar zu Explosionen führen kann. Ein durch thermisches Durchgehen bedingter Ausfall kann schwere Unfälle verursachen und soll daher zur Prognose und Vorbeugung von Batterieausfällen besonders beachtet werden. Mit dem gegenwärtigen Stand der Technik lässt sich das thermische Durchgehen noch nicht völlig vermeiden, so dass entsprechende Schutzmaßnahmen gegen thermisches Durchgehen vor allem auf die Erhöhung der thermischen Stabilität einer Batteriezelle abzielen. Dazu ist zwischen den Batteriezellen ein flammhemmender und wärmeisolierender Werkstoff oder zwischen den Batteriemodulen ein Flammenhemmstoff angeordnet, um das thermische Durchgehen einer Batteriezelle oder ein thermisches Durchgehen des ganzen Antriebsbatteriepacks, hervorgerufen durch das thermische Durchgehen einiger Batteriezellen, zu verhindern. Neben diesem unentbehrlichen passiven Schutz ist allerdings für das Batteriemanagement üblicherweise zusätzlich eine rechtzeitige Prognose über das thermische Durchgehen von Batterien notwendig. In den bestehenden Batteriemanagement-Systemen ist meistens eine temperaturabhängige Prognose über das thermische Durchgehen von Batterien vorgesehen. In einem Antriebsbatteriepack-System sind normalerweise Tausende von Batteriezellen enthalten, für deren separate Temperaturüberwachung Tausende von Temperatursensoren nötig sind, was zu hohem Montageaufwand und hohen Kosten führen würde. Mit anderen Worten ist es mit dem bisherigen Stand der Technik kaum möglich, die Temperatur jeder Antriebsbatteriezelle zu überwachen. Das heißt, eine Überwachung aller Batteriezellen auf thermisches Durchgehen ist bisher unmöglich. Darüber hinaus kann kurz vor dem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle zwischen der Oberflächentemperatur und der Innentemperatur der Batteriezelle ein relativ großer Unterschied bestehen, was bei dem bekannten Messverfahren mittels Temperatursensoren mit einer geringen Empfindlichkeit zu einer stark verzögerten Ermittlung und Prognose und somit sehr leicht zu großen Sach- und Personenschäden führen kann.The failure of a lithium-ion battery is mainly due to the aging or thermal runaway of the battery. An age-related failure is understood to mean that the battery capacity of a battery continuously decreases after its start-up and the internal resistance increases, resulting in the reduction of battery power and thus the failure of the battery. An age-related loss is usually foreseeable, d. H. It can be characterized, among other things, by the charge and discharge of the respective battery and the mileage of the respective vehicle. Thermal runaway of a battery refers to a strong chemical reaction within the battery caused by fusion of the separator when a critical temperature value is exceeded, which can result in rapid heat release or even explosions. Failure due to thermal runaway can cause serious accidents and should therefore be given special attention for predicting and preventing battery failures. With the current state of the art, the thermal runaway can not be completely avoided, so that appropriate protective measures against thermal runaway are aimed primarily at increasing the thermal stability of a battery cell. For this purpose, a flame-retardant and heat-insulating material is arranged between the battery cells or between the battery modules, a flame retardant to prevent thermal runaway of a battery cell or thermal runaway of the whole drive battery pack, caused by the thermal run through some battery cells. In addition to this indispensable passive protection, however, a timely forecast of the thermal runaway of batteries is usually additionally necessary for the battery management. The existing battery management systems usually provide a temperature-dependent prognosis for the thermal run-through of batteries. A drive battery pack system typically includes thousands of battery cells that require separate temperature monitoring for thousands of temperature sensors, resulting in high assembly costs and high costs. In other words, it is hardly possible with the prior art to monitor the temperature of each drive battery cell. That is, monitoring all battery cells for thermal runaway is so far impossible. Moreover, just before the thermal run through of a battery cell between the surface temperature and the internal temperature of the battery cell, a relatively large difference exist, which in the known measuring method by means of temperature sensors with low sensitivity to a much delayed detection and forecasting and thus very easy to large property and personal injury.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ausgehend von dem bekannten Thermomanagement für Antriebsbatteriepack-Systeme gemäß dem Stand der Technik, bei dem eine Überwachung aller Batteriezellen auf thermisches Durchgehen unmöglich ist und die Vermessung mittels Temperatursensoren eine geringe Empfindlichkeit zeigt, was zu einer stark verzögerten Ermittlung und Prognose führt, ist es Aufgabe der Erfindung, eine schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle anzubieten, bei der an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen jeweils ein Thermistor angeordnet ist, welche Thermistoren hintereinander in Reihe geschaltet sind, um insgesamt eine Wheatstone-Brücke zu bilden, deren Messstellen-Potentialdifferenz unter Verwendung einer Datenerfassungskarte mit einem Spannungsschwellenwert verglichen und anhand des Vergleichsergebnisses entschieden wird, ob ein Warnsignal ausgegeben werden soll. Eine derartige Überwachungs- und Warnvorrichtung zeichnet sich durch einfachen Aufbau, geringe Kosten, hohe Empfindlichkeit und gute Anwendbarkeit aus und ermöglicht eine Echtzeit-Überwachung der Oberflächentemperatur der in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack, womit eine Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit des Thermomanagements für Antriebsbatteriepacks verbunden ist.Based on the known thermal management for drive battery pack systems according to the prior art, in which monitoring of all battery cells for thermal runaway is impossible and the measurement by means of temperature sensors shows a low sensitivity, which leads to a greatly delayed detection and prediction, it is the task of Invention to provide a fast monitoring and warning device for drive battery failures, in which a respective thermistor is arranged at the individual, in series and parallel battery cells, which thermistors are connected in series one behind the other to produce a Wheatstone Bridge is formed, the measuring point potential difference compared using a data acquisition card with a voltage threshold and decided on the basis of the comparison result, whether a warning signal is to be output. Such a monitoring and warning device is characterized by simple structure, low cost, high sensitivity and good applicability, and enables real-time monitoring of the surface temperature of the series-connected and parallel-connected battery cells in a drive battery pack, thus increasing the safety and reliability of the thermal management for drive battery packs.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle gelöst, die zur Überwachung der einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack auf thermische Ausfälle dient und ggf. eine Warnung abgibt. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Thermistoren, zwei Thermistor-Probenahmeleitungen, eine Gleichspannungsquelle und eine Datenerfassungskarte umfasst. Hierbei sind die Thermistoren direkt oder indirekt an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten` Batteriezellen angeordnet und hintereinander in Reihe geschaltet, um insgesamt eine Wheatstone-Brücke zu bilden, wobei ein erster Eckpunkt der Wheatstone-Brücke an der Gleichspannungsquelle angeschlossen, ein zweiter Eckpunkt über die erste Thermistor-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden, ein dritter Eckpunkt geerdet und ein vierter Eckpunkt über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden ist. Dabei erfasst die Datenerfassungskarte nach dem Prinzip der Wheatstone-Brücke ein über die erste Thermistor-Probenahmeleitung übertragenes erstes Spannungssignal und ein über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung übertragenes zweites Spannungssignal, ermittelt eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Spannungssignal und dem zweiten Spannungssignal, vergleicht die Potentialdifferenz mit einem Spannungsschwellenwert und gibt bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts durch die Potentialdifferenz ein Warnsignal aus.According to the invention the object is achieved by a fast monitoring and warning device for drive battery failures, which is used to monitor the individual, in series and parallel to each other battery cells in a drive battery pack for thermal failures and possibly emits a warning. This device is characterized by comprising a plurality of thermistors, two thermistor sampling lines, a DC voltage source and a data acquisition card. Here, the thermistors are arranged directly or indirectly to the individual, in series and parallel to each other 'battery cells and connected in series in order to form a total Wheatstone bridge, wherein a first corner of the Wheatstone bridge connected to the DC voltage source, a second Vertex connected to the data acquisition card via the first thermistor sampling line, a third vertex grounded, and a fourth vertex connected to the data acquisition board via the second thermistor sampling line. In this case, the data acquisition card acquires a first voltage signal transmitted via the first thermistor sampling line according to the Wheatstone bridge principle and a second voltage signal transmitted via the second thermistor sampling line, determines a potential difference between the first voltage signal and the second voltage signal, compares the potential difference with one Voltage threshold and outputs when the voltage threshold is exceeded by the potential difference from a warning signal.

In den vier Brückenzweigen der Wheatstone-Brücke ist jeweils eine gleiche Anzahl von hintereinander in Reihe geschalteten Thermistoren angeordnet.The four bridge branches of the Wheatstone bridge each have an equal number of series-connected thermistors.

Bei einer indirekten Anordnung der Thermistoren an den Batteriezellen umfasst die Überwachungs- und Warnvorrichtung ferner einen Wärmeleitstreifen, der an einem aus mehr als zwei Batteriezellen bestehenden Batteriemodul angeordnet ist und dafür sorgt, dass die Batteriezellen des Batteriemoduls die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei sich der Thermistor an dem Wärmeleitstreifen befindet.In an indirect arrangement of the thermistors on the battery cells, the monitoring and warning device further comprises a Wärmeleitstreifen, which is arranged on a battery cell consisting of more than two battery module and ensures that the battery cells of the battery module have the same operating temperature, wherein the thermistor to the Wärmeleitstreifen located.

Bei dem Wärmeleitstreifen handelt es sich um einen Kupferstreifen, in dessen Mitte der Thermistor angeordnet ist.The heat-conducting strip is a copper strip, in the middle of which the thermistor is arranged.

Der Spannungsschwellenwert beträgt –0,5 V bis +0,5 V.The voltage threshold is -0.5 V to +0.5 V.

Der Thermistor ist als Kaltleiter ausgebildet.The thermistor is designed as a PTC thermistor.

Es ist vorgesehen, dass die Gleichspannungsquelle einen Spannungswert von 5 V hat, und/oder dass die Überwachungs- und Warnvorrichtung zusätzlich einen Temperatursensor und eine Temperatur-Probenahmeleitung umfasst, wobei der Temperatursensor an einer der Batteriezellen angeordnet und über die Temperatur-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden ist, und/oder dass die Überwachungs- und Warnvorrichtung weiterhin eine Spannungs-Probenahmeleitung umfasst, die sich zwischen zwei benachbarten Batteriezellen befindet und mit der Datenerfassungskarte verbunden ist.It is provided that the DC voltage source has a voltage value of 5 V, and / or that the monitoring and warning device additionally comprises a temperature sensor and a temperature sampling line, wherein the temperature sensor is arranged on one of the battery cells and via the temperature-sampling line with the data acquisition card and / or that the monitoring and warning device further comprises a voltage sampling line located between two adjacent battery cells and connected to the data acquisition card.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner durch ein schnelles Überwachungs- und Warnverfahren für Antriebsbatterieausfälle gelöst, mit dem die einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack auf thermische Ausfälle überwacht werden und ggf. eine Warnung abgegeben wird. Dieses Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: direktes oder indirektes Anordnen von Thermistoren an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen und Herstellen einer Reihenschaltung der Thermistoren, um insgesamt eine Wheatstone-Brücke zu bilden, wobei ein erster Eckpunkt der Wheatstone-Brücke an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, ein zweiter Eckpunkt über eine erste Thermistor-Probenabmeleitung mit einer Datenerfassungskarte verbunden, ein dritter Eckpunkt geerdet und ein vierter Eckpunkt über eine zweite Thermistor-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden wird; anschließendes Erfassen eines über die erste Thermistor-Probenahmeleitung übertragenen ersten Spannungssignals und eines über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung übertragenen zweiten Spannungssignals mittels der Datenerfassungskarte nach dem Prinzip der Wheatstone-Brücke, Ermitteln einer Potentialdifferenz zwischen dem ersten Spannungssignal und dem zweiten Spannungssignal, Vergleichen der Potentialdifferenz mit einem Spannungsschwellenwert und Ausgeben eines Warnsignals bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts durch die Potentialdifferenz.According to the invention, the object is further achieved by a rapid monitoring and warning method for drive battery failures, with which the individual, in series and parallel to each other connected battery cells are monitored in a drive battery pack for thermal failures and possibly issued a warning. This method is characterized by the steps of: arranging thermistors directly or indirectly on the individual battery cells connected in series and in parallel, and making a series connection of the thermistors to form a Wheatstone bridge as a whole, with a first corner of the Wheatstone bridge connecting a DC voltage source, connecting a second vertex to a data acquisition card via a first thermistor sample drain, grounding a third vertex, and connecting a fourth vertex to the data acquisition card via a second thermistor sampling line; then detecting a first voltage signal transmitted via the first thermistor sampling line and a second voltage signal transmitted via the second thermistor sampling line by means of the data acquisition card according to the Wheatstone bridge principle, determining a potential difference between the first voltage signal and the second voltage signal, comparing the potential difference with a voltage threshold and outputting a warning signal when the voltage threshold is exceeded by the potential difference.

Es ist vorgesehen, dass in den vier Brückenzweigen der so entstandenen Wheatstone-Brücke jeweils eine gleiche Anzahl von hintereinander in Reihe geschalteten Thermistoren angeordnet wird, und/oder dass das indirekte Anordnen von Thermistoren an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen dadurch erfolgt, dass an einem aus mehr als zwei Batteriezellen bestehenden Batteriemodul ein Wärmeleitstreifen angeordnet wird, der dafür sorgt, dass die Batteriezellen des Batteriemoduls die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei der Thermistor an dem Wärmeleitstreifen angeordnet wird. It is envisaged that in each of the four bridge branches of the resulting Wheatstone bridge an equal number of series-connected thermistors is arranged, and / or that the indirect arrangement of thermistors on the individual, in series and parallel to each other connected battery cells thereby takes place in that a heat-conducting strip is arranged on a battery module consisting of more than two battery cells, which ensures that the battery cells of the battery module have the same operating temperature, the thermistor being arranged on the heat-conducting strip.

Es ist vorgesehen, dass an einer der Batteriezellen ein Temperatursensor angeordnet wird, der über eine Temperatur-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden wird, und/oder dass zwischen zwei benachbarten Batteriezellen eine Spannungs-Probenahmeleitung angeordnet wird, die mit der Datenerfassungskarte verbunden wird.It is provided that a temperature sensor is connected to one of the battery cells, which is connected via a temperature-Probenahmeleitung with the data acquisition card, and / or that between two adjacent battery cells, a voltage-sampling line is arranged, which is connected to the data acquisition card.

Die Erfindung bietet folgende Vorteile:
Bei der erfindungsgemäßen schnellen Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle, die zur Überwachung der einzelnen Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack auf thermische Ausfälle dient und ggf. eine Warnung abgibt, ist an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen jeweils ein Thermistor angeordnet, welche Thermistoren hintereinander in Reihe geschaltet sind, um insgesamt eine Wheatstone-Brücke zu bilden, deren Messstellen-Potentialdifferenz, und zwar die Potentialdifferenz zwischen dem zweiten Eckpunkt und dem vierten Eckpunkt der Wheatstone-Brücke, unter Verwendung einer Datenerfassungskarte mit einem Spannungsschwellenwert verglichen und anhand des Vergleichsergebnisses entschieden wird, ob ein Warnsignal ausgegeben werden soll. Eine derartige Überwachungs- und Warnvorrichtung zeichnet sich durch einfachen und raffinierten Aufbau, einfache Verdrahtung, geringe Kosten, hohe Empfindlichkeit aufgrund der Verwendung von Thermistoren und gute Anwendbarkeit aus, erlaubt die Erkennung einer Änderung der Oberflächentemperatur einer Batteriezelle an der Messstellen-Potentialdifferenz einer Wheatstone-Brücke und ermöglicht eine Vorwarnung vor thermischem Durchgehen, die alle Batteriezellen in dem Antriebsbatteriepack betrifft. Auf diese Weise wird das Problem des Stands der Technik, dass bei dem derzeit bekannten Thermomanagement nicht alle Batteriezellen in Bezug auf Temperatur überwacht werden können und daher eine rechtzeitige Vorwarnung vor thermischem Durchgehen unmöglich ist, behoben, und eine Echtzeit-Überwachung der Oberflächentemperatur der in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack mit entsprechender Ausfallprognose realisiert, wodurch die Erfassungsgenauigkeit und Vorwarngeschwindigkeit verbessert und somit die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Thermomanagements für Antriebsbatteriepacks erhöht werden.The invention offers the following advantages:
In the inventive rapid monitoring and warning device for drive battery failures, which is used to monitor the individual battery cells in a drive battery pack for thermal failures and possibly emits a warning, a respective thermistor is arranged at the individual, in series and parallel battery cells, which thermistors are sequentially connected in series to form an overall Wheatstone bridge, whose measurement point potential difference, namely the potential difference between the second vertex and the fourth vertex of the Wheatstone bridge, is compared to a voltage threshold using a data acquisition card and decided based on the comparison result is whether a warning signal is to be output. Such a monitoring and warning device is characterized by simple and sophisticated construction, simple wiring, low cost, high sensitivity due to the use of thermistors and good applicability, allows the detection of a change in the surface temperature of a battery cell at the measuring point potential difference of a Wheatstone bridge and allows thermal runaway prewarning that affects all battery cells in the drive battery pack. In this way, the problem of the prior art that in the presently known thermal management, not all battery cells can be monitored with respect to temperature and therefore timely warning of thermal runaway is eliminated, and real-time monitoring of the surface temperature of the in-line and battery cells connected in parallel to each other in a traction battery pack with corresponding failure prognosis, thereby improving the detection accuracy and prewarning speed and thus increasing the safety and reliability of thermal management for traction battery packs.

Die Thermistoren können unmittelbar an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen angeordnet sein, d. h. an der Oberfläche einer jeden Batteriezelle befindet sich ein Thermistor. Alternativ ist auch eine mittelbare Anordnung der Thermistoren an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen denkbar. Dazu wird auf einen Wärmeleitstreifen zurückgegriffen, der an einem aus mehr als zwei Batteriezellen bestehenden Batteriemodul angeordnet ist und dafür sorgt, dass die Batteriezellen des Batteriemoduls die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei sich der Thermistor an dem Wärmeleitstreifen befindet, um eine mittelbare Verbindung mit dem Batteriemodul bzw. den Batteriezellen im Batteriemodul herzustellen. Mit dem Wärmeleitstreifen lässt sich eine gute Wärmeübertragung erreichen, was nicht nur die Gleichheit der Batteriezellen des Batteriemoduls in ihrer Temperatur sicherstellt, sondern auch eine Vermessung der Temperatur mehrerer Batteriezellen eines Batteriemoduls mittels eines einzigen Thermistors ermöglicht. Damit ist eine weitere Reduzierung der Kosten und des Platzbedarfs verbunden. Wenn dann eine Batteriezelle des Batteriemoduls eine höhere Temperatur hat, lässt dies sich schnell an dem Thermistor erkennen, so dass eine Überwachung der Temperatur aller Batteriezellen des Batteriemoduls zustande kommt.The thermistors can be arranged directly on the individual, in series and parallel to each other connected battery cells, d. H. on the surface of each battery cell is a thermistor. Alternatively, an indirect arrangement of the thermistors at the individual, in series and parallel to each other connected battery cells is conceivable. For this purpose, use is made of a heat-conducting strip which is arranged on a battery module comprising more than two battery cells and ensures that the battery cells of the battery module have the same operating temperature, the thermistor being located on the heat-conducting strip in order to establish an indirect connection with the battery module or battery module to make the battery cells in the battery module. With the Wärmeleitstreifen a good heat transfer can be achieved, which not only ensures the equality of the battery cells of the battery module in their temperature, but also allows a measurement of the temperature of several battery cells of a battery module by means of a single thermistor. This is associated with a further reduction in costs and space requirements. If then a battery cell of the battery module has a higher temperature, this can be quickly detected on the thermistor, so that a monitoring of the temperature of all battery cells of the battery module comes about.

Die Erfindung betrifft ferner ein schnelles Überwachungs- und Warnverfahren für Antriebsbatterieausfälle, das der oben beschriebenen schnellen Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle entspricht und so angesehen werden kann, dass es auf Basis der erfindungsgemäßen schnellen Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle realisiert wird. Dieses Überwachungs- und Warnverfahren zeichnet sich durch gute Verwendbarkeit und hohe Praxistauglichkeit aus und ermöglicht eine hocheffektive, schnelle und genaue Überwachung und Warnung im Hinblick auf Antriebsbatterieausfälle, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Thermomanagements für Antriebsbatteriepacks erhöht und eine Echtzeit-Überwachung von Batteriezellen auf Ausfälle mit entsprechender Vorwarnung erreicht wird. Insgesamt eignet es sich für das Thermomanagement von Antriebsbatteriepacks bei umweltschonenden Elektrokraftfahrzeugen und kann zur Förderung der Anwendung solcher neuartiger Fahrzeuge beitragen.The invention further relates to a rapid traction battery failure monitoring and warning method which corresponds to the above-described rapid traction battery failure monitoring and warning device and which can be considered to be realized based on the rapid traction battery failure monitoring and warning device of the present invention. This monitoring and warning method is characterized by good usability and high practicality, and enables highly effective, fast and accurate monitoring and warning of drive battery failures, increasing the safety and reliability of thermal management for drive battery packs and real-time monitoring of battery cells for failures appropriate warning is achieved. Overall, it is suitable for the thermal management of traction battery packs in environmentally friendly electric vehicles and may help to promote the use of such novel vehicles.

Darstellung der AbbildungenPresentation of the pictures

Es zeigenShow it

1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen schnellen Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle, 1 the schematic structure of a fast monitoring and warning device according to the invention for drive battery failures,

2 in schematischer Darstellung einen bevorzugten Aufbau einer erfindungsgemäßen schnellen Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle, 2 a schematic representation of a preferred construction of a fast monitoring and warning device according to the invention for drive battery failures,

3 den schematischen Aufbau der miteinander zu einer Wheatstone-Brücke verbundenen Thermistoren in 2 und 3 the schematic structure of the interconnected to a Wheatstone bridge thermistors in 2 and

4 in schematischer Darstellung einen bevorzugten Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung von Thermistoren. 4 in a schematic representation of a preferred construction of an inventive arrangement of thermistors.

Konkrete AusführungsformenConcrete embodiments

Im Folgenden wird die Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen beschrieben.In the following the invention will be described with reference to the accompanying drawings.

Die Erfindung offenbart eine schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle, die zur Überwachung der einzelnen Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack auf thermische Ausfälle dient und ggf. eine Warnung abgibt. Sie umfasst, wie in 1 dargestellt, mehrere Thermistoren 3, zwei Thermistor-Probenahmeleitungen 701 und 702, eine Gleichspannungsquelle und eine Datenerfassungskarte 1. Hierbei sind die Thermistoren 3 direkt oder indirekt an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen 2 angeordnet und hintereinander in Reihe geschaltet, um insgesamt eine Wheatstone-Brücke zu bilden, wobei ein erster Eckpunkt der Wheatstone-Brücke an der Gleichspannungsquelle angeschlossen, ein zweiter Eckpunkt über die erste Thermistor-Probenahmeleitung 701 mit der Datenerfassungskarte 1 verbunden, ein dritter Eckpunkt geerdet und ein vierter Eckpunkt über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung 702 mit der Datenerfassungskarte 1 verbunden ist. Dabei erfasst die Datenerfassungskarte 1 nach dem Prinzip der Wheatstone-Brücke ein über die erste Thermistor-Probenahmeleitung 701 übertragenes erstes Spannungssignal und ein über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung 702 übertragenes zweites Spannungssignal, ermittelt eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Spannungssignal und dem zweiten Spannungssignal, vergleicht die Potentialdifferenz mit einem Spannungsschwellenwert und gibt bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts durch die Potentialdifferenz ein Warnsignal aus. Das heißt, erfindungsgemäß wird an der Potentialdifferenz zwischen Messstellen der Wheatstone-Brücke, und zwar zwischen dem zweiten Eckpunkt und dem vierten Eckpunkt der Wheatstone-Brücke, eine mögliche Änderung der Oberflächentemperatur einer Batteriezelle 2 erkannt und ggf. eine Vorwarninformation ausgegeben wird.The invention discloses a fast monitoring and warning device for drive battery failures, which is used to monitor the individual battery cells in a drive battery pack for thermal failures and possibly gives a warning. It includes, as in 1 shown, several thermistors 3 , two thermistor sampling lines 701 and 702 , a DC power source and a data acquisition card 1 , Here are the thermistors 3 directly or indirectly to the individual, in series and parallel to each other connected battery cells 2 arranged and serially connected in series to form a total Wheatstone bridge, wherein a first corner of the Wheatstone bridge connected to the DC voltage source, a second vertex on the first thermistor sampling line 701 with the data acquisition card 1 connected, a third vertex grounded and a fourth vertex on the second thermistor sampling line 702 with the data acquisition card 1 connected is. The data acquisition card captures 1 on the principle of the Wheatstone bridge via the first thermistor sampling line 701 transmitted first voltage signal and via the second thermistor sampling line 702 transmitted second voltage signal, detects a potential difference between the first voltage signal and the second voltage signal, compares the potential difference with a voltage threshold and outputs a warning signal when the voltage threshold is exceeded by the potential difference. That is, according to the invention, at the potential difference between measuring points of the Wheatstone bridge, between the second corner point and the fourth corner point of the Wheatstone bridge, a possible change in the surface temperature of a battery cell 2 detected and possibly a prewarning information is output.

In den vier Brückenzweigen der oben beschriebenen Wheatstone-Brücke kann jeweils eine gleiche oder ungleiche Anzahl von Thermistoren 3 angeordnet sein, unter der Voraussetzung, dass ein an die praktische Anwendung angepasster Spannungsschwellenwert vorgesehen ist, damit ein Vergleich möglich ist, eine sachgemäße Entscheidung getroffen und ggf. ein Warnsignal ausgegeben werden kann. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bei praktischer Anwendung eines Antriebsbatteriepacks, das in der Regel aus mehreren Batteriemodulen besteht, die in einem Batteriemodul in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen im Allgemeinen in einer geraden Anzahl vorhanden und meistens in vier Gruppen aufteilbar sind, um die vier Brückenzweige einer Wheatstone-Brücke jeweils mit der gleichen Anzahl an Thermistoren zu bilden. Insofern kann ein entsprechender Spannungsschwellenwert von –0,5 V bis +0,5 V vorgesehen sein.In each of the four bridge branches of the Wheatstone bridge described above, an equal or unequal number of thermistors may be used 3 be arranged, provided that a voltage threshold adapted to the practical application is provided so that a comparison is possible, made an appropriate decision and possibly a warning signal can be issued. It should be noted, however, that in practical application of a drive battery pack, which typically consists of several battery modules, in a battery module in series and parallel battery cells are generally present in an even number and usually divided into four groups to the four bridge branches of a Wheatstone bridge each with the same number of thermistors to form. In this respect, a corresponding voltage threshold of -0.5 V to +0.5 V can be provided.

2 und 3 zeigen in schematischer Darstellung einen bevorzugten Aufbau einer erfindungsgemäßen schnellen Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle, wobei 3 den schematischen Aufbau der miteinander zu einer Wheatstone-Brücke verbundenen Thermistoren 3 in 2 zeigt. Aus 2 und 3 geht hervor, dass 12 Batteriezellen 2 in Reihe geschaltet sind und so ein Batteriemodul eines Antriebsbatteriepacks bilden. An den 12 in Reihe geschalteten Batteriezellen 2, und zwar an der Oberfläche der Batteriezellen 2, ist jeweils unmittelbar ein Thermistor 3, nämlich R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11 bzw. R12, angeordnet, der als Kaltleiter, vorzugsweise PT100, ausgebildet sein kann, welcher bei 0°C einen Widerstandswert von 100 Ω und bei 100°C einen Widerstandswert von 138,5 Ω hat. Wie in 3 erkennbar ist, sind die Thermistoren 3 über eine Thermistor-Verbindungsleitung 8 hintereinander in Reihe geschaltet, um insgesamt eine Wheatstone-Brücke zu bilden, wobei ein erster Eckpunkt der Wheatstone-Brücke an einer Gleichspannungsquelle Vcc, deren Spannungswert bei Niederspannungssteuerung auf 5 V eingestellt werden kann, angeschlossen, ein zweiter Eckpunkt über eine erste Thermistor-Probenahmeleitung 701 mit einer Datenerfassungskarte 1 verbunden (in 2 und 3 nicht dargestellt), ein dritter Eckpunkt an Masse GND angeschlossen und ein vierter Eckpunkt über eine zweite Thermistor-Probenahmeleitung 702 mit der Datenerfassungskarte 1 verbunden ist (in 2 und 3 nicht dargestellt). Dabei erfasst die Datenerfassungskarte 1 nach dem Prinzip der Wheatstone-Brücke ein über die erste Thermistor-Probenahmeleitung 701 übertragenes erstes Spannungssignal und ein über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung 702 übertragenes zweites Spannungssignal, ermittelt eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Spannungssignal und dem zweiten Spannungssignal, vergleicht die Potentialdifferenz mit einem Spannungsschwellenwert und gibt bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts durch die Potentialdifferenz ein Warnsignal aus. In 3 ist in den vier Brückenzweigen dieser Wheatstone-Brücke jeweils die gleiche Anzahl (d. h. drei) an hintereinander in Reihe geschalteten Thermistoren angeordnet, so dass ein entsprechender Spannungsschwellenwert von –0,5 V bis +0,5 V vorgesehen sein kann. 2 and 3 show a schematic representation of a preferred construction of a rapid monitoring and warning device according to the invention for drive battery failures, wherein 3 the schematic structure of the interconnected to a Wheatstone bridge thermistors 3 in 2 shows. Out 2 and 3 shows that 12 battery cells 2 are connected in series and so form a battery module of a drive battery pack. On the 12 battery cells connected in series 2 , on the surface of the battery cells 2 , is each directly a thermistor 3 , namely R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 and R 12 , respectively, which are designed as PTC thermistors, preferably PT100 which has a resistance value of 100 Ω at 0 ° C and a resistance value of 138.5 Ω at 100 ° C. As in 3 is recognizable, are the thermistors 3 via a thermistor connection line 8th connected in series to form a total Wheatstone bridge, wherein a first corner of the Wheatstone bridge is connected to a DC voltage source V cc whose voltage value can be set to 5 V in low voltage control, a second vertex via a first thermistor sampling line 701 with a data acquisition card 1 connected (in 2 and 3 not shown), a third vertex connected to ground GND and a fourth vertex connected via a second thermistor sampling line 702 with the data acquisition card 1 is connected (in 2 and 3 not shown). The data acquisition card captures 1 on the principle of the Wheatstone bridge via the first thermistor sampling line 701 transmitted first voltage signal and via the second thermistor sampling line 702 transmitted second voltage signal, detects a potential difference between the first voltage signal and the second voltage signal, comparing the potential difference with a Voltage threshold and outputs when the voltage threshold is exceeded by the potential difference from a warning signal. In 3 In each of the four bridge arms of this Wheatstone bridge, the same number (ie three) of thermistors connected in series one behind the other is arranged, so that a corresponding voltage threshold of -0.5 V to +0.5 V can be provided.

Die Thermistoren 3 können unmittelbar an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen 2 angeordnet sein, d. h. an der Oberfläche einer jeden Batteriezelle 2 befindet sich ein Thermistor 3. Alternativ dazu ist auch eine mittelbare Anordnung der Thermistoren 3 an den Batteriezellen denkbar, wie sie in 4 gezeigt ist. Hierfür umfasst die Überwachungs- und Warnvorrichtung ferner einen Wärmeleitstreifen 9, der an einem aus mehr als zwei Batteriezellen 2 bestehenden Batteriemodul angeordnet ist und dafür sorgt, dass die Batteriezellen 2 des Batteriemoduls die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei sich der Thermistor 3 an dem Wärmeleitstreifen 9 befindet. Bei dem Wärmeleitstreifen 9 handelt es sich bevorzugterweise um einen Kupferstreifen, in dessen Mitte der Thermistor 3 angeordnet ist, um eine gute Wärmeübertragung zu erreichen. Auf diese Weise kann einerseits mit einem einzigen Thermistor 3 die Temperatur mehrerer parallel zueinander geschalteter Batteriezellen 2 gemessen werden. Andererseits lasst sich dadurch die Gleichheit mehrerer Batteriezellen 2 in ihrer Temperatur sicherstellen. Bei praktischer Anwendung kann beispielsweise ein Batteriemodul erwünscht sein, bei dem Batteriezellen geringer Kapazität, wie etwa Typ 18650, eingesetzt werden. Um ein derartiges Batteriemodul zu erzeugen, müssen mehrere Batteriezellen 2 zunächst parallel und dann in Reihe geschaltet werden, wobei an diesen mehreren parallel zueinander geschalteten Batteriezellen 2 ein einziger Thermistor 3 auf die oben beschriebene Weise angeordnet sein kann, was zur weiteren Reduzierung der Kosten und des Platzbedarfs beiträgt. Wenn dann eine der mehreren parallel zueinander geschalteten Batteriezellen 2 eine höhere Temperatur hat, lässt dies sich schnell an dem am Wärmeleitstreifen 9 befindlichen Thermistor 3 erkennen, so dass eine Überwachung der Temperatur aller Batteriezellen 2 des Batteriemoduls zustande kommt.The thermistors 3 can directly on the individual, in series and parallel to each other connected battery cells 2 be arranged, ie on the surface of each battery cell 2 there is a thermistor 3 , Alternatively, an indirect arrangement of the thermistors is also possible 3 conceivable on the battery cells as they are in 4 is shown. For this purpose, the monitoring and warning device further comprises a Wärmeleitstreifen 9 which is connected to one of more than two battery cells 2 existing battery module is arranged and ensures that the battery cells 2 the battery module have the same operating temperature, with the thermistor 3 on the Wärmeleitstreifen 9 located. In the thermal strip 9 it is preferably a copper strip in the middle of the thermistor 3 is arranged to achieve a good heat transfer. In this way, on the one hand with a single thermistor 3 the temperature of several parallel connected battery cells 2 be measured. On the other hand, this allows the equality of several battery cells 2 ensure in their temperature. For example, in practical application, a battery module may be desirable that utilizes low capacity battery cells, such as Type 18650. To produce such a battery module, several battery cells must 2 first parallel and then connected in series, with these at several parallel battery cells 2 a single thermistor 3 can be arranged in the manner described above, which contributes to the further reduction of costs and space requirements. If then one of the several parallel connected battery cells 2 has a higher temperature, this can be quickly s.der on the Wärmeleitstreifen 9 located thermistor 3 Detect, so that monitoring the temperature of all battery cells 2 of the battery module comes about.

Weiter bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle, wie aus 2 ersichtlich, zusätzlich einen Temperatursensor 5 und eine Temperatur-Probenahmeleitung 6, wobei der Temperatursensor 5 an einer beliebigen Batteriezelle 2 angeordnet und über die Temperatur-Probenahmeleitung 6 mit der Datenerfassungskarte 1 verbunden ist. Je nach Bedarf können mehrere Temperatursensoren 5 vorgesehen sein. So kann z. B. an der Oberfläche jeder Batteriezelle 2 ein Temperatursensor 5 angeordnet sein. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist lediglich ein einziger Temperatursensor vorhanden. Mit dem Temperatursensor lässt sich die Oberflächentemperatur der einzelnen Batteriezellen 2 im Batteriemodul unmittelbar überwachen, um die erfindungsgemäße Überwachungs- und Warnvorrichtung zu unterstützen. Des Weiteren umfasst die Überwachungs- und Warnvorrichtung eine Spannungs-Probenahmeleitung 4, die sich zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 2 befindet und mit der Datenerfassungskarte 1 verbunden ist. Je nach Bedarf können mehrere Spannungs-Probenahmeleitungen 4 vorgesehen sein. So kann beispielsweise zwischen je zwei Batteriezellen 2 eine Spannungs-Probenahmeleitung herausgeführt sein. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind lediglich zwei Spannungs-Probenahmeleitungen vorhanden, wobei das Batteriemodul gemäß 2 insgesamt 12 in Reihe geschaltete Batteriezellen 2 umfasst, so dass insgesamt 13 Spannungs-Probenahmeleitungen 4 herausgeführt sein können. Mit Hilfe der Spannungs-Probenahmeleitung lässt sich der Spannungswert zwischen je zwei Batteriezellen 2 des Batteriemoduls unmittelbar erfassen, um die erfindungsgemäße Überwachungs- und Warnvorrichtung zu unterstützen.More preferably, the inventive rapid monitoring and warning device for drive battery failure, as shown in 2 visible, additionally a temperature sensor 5 and a temperature sampling line 6 , wherein the temperature sensor 5 on any battery cell 2 arranged and over the temperature-sampling line 6 with the data acquisition card 1 connected is. Depending on requirements, several temperature sensors 5 be provided. So z. On the surface of each battery cell 2 a temperature sensor 5 be arranged. In the in 2 shown embodiment, only a single temperature sensor is present. The temperature sensor can be used to determine the surface temperature of the individual battery cells 2 Monitor directly in the battery module to support the monitoring and warning device according to the invention. Furthermore, the monitoring and warning device comprises a voltage sampling line 4 extending between two adjacent battery cells 2 located and with the data acquisition card 1 connected is. Depending on requirements, multiple voltage sampling lines 4 be provided. For example, between every two battery cells 2 be led out a voltage sampling line. In the in 2 shown embodiment, only two voltage sampling lines are present, wherein the battery module according to 2 a total of 12 battery cells connected in series 2 includes, so that a total of 13 voltage sampling lines 4 can be led out. Using the voltage sampling line, the voltage value between each two battery cells can be 2 of the battery module immediately to assist the monitoring and warning device according to the invention.

Nachstehend wird auf die Funktionsweise der erfindungsgemäßen schnellen Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle näher eingegangen.The operation of the rapid monitoring and warning device for drive battery failure according to the invention will be discussed in more detail below.

Wie 3 zu entnehmen ist, sind 12 Thermistoren 3, nämlich R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11 und R12, über die Thermistor-Verbindungsleitung 8 hintereinander in Reihe geschaltet, um eine Wheatstone-Brücke zu bilden, wobei ein erster Eckpunkt der Wheatstone-Brücke an der Gleichspannungsquelle Vcc angeschlossen, ein zweiter Eckpunkt über die erste Thermistor-Probenahmeleitung 701 mit der Datenerfassungskarte 1 verbunden, ein dritter Eckpunkt an Masse GND angeschlossen und ein vierter Eckpunkt über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung 702 mit der Datenerfassungskarte 1 verbunden ist. Die Verbindung nach Art einer Wheatstone-Brücke zeigt bei Vermessen von elektrischen Widerständen eine hohe Empfindlichkeit. Nach dem Prinzip des Schaltungsgleichgewichts erhält man (R1 + R2 + R3)/(R4 + R5 + R6) = (R10 + R11 + R12)/(R7 + R8 + R9) (1) mit R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 = R8 = R9 = R10 = R11 = R12, wobei der Thermistor bei 0°C einen Widerstandswert von 100 Ω und bei 100°C einen Widerstandswert von 138,5 Ω hat, so dass ein entsprechender Spannungsschwellenwert von –0,5 V bis +0,5 V vorgesehen sein kann.As 3 it can be seen are 12 thermistors 3 namely R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 , R 11 and R 12 via the thermistor connection line 8th serially connected in series to form a Wheatstone bridge, with a first vertex of the Wheatstone bridge connected to the DC voltage source V cc , a second vertex across the first thermistor sampling line 701 with the data acquisition card 1 a third vertex is connected to ground GND and a fourth vertex is connected via the second thermistor sampling line 702 with the data acquisition card 1 connected is. The Wheatstone bridge type of connection exhibits high sensitivity when measuring electrical resistances. According to the principle of the circuit equilibrium one obtains (R 1 + R 2 + R 3 ) / (R 4 + R 5 + R 6 ) = (R 10 + R 11 + R 12 ) / (R 7 + R 8 + R 9 ) (1) with R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R 5 = R 6 = R 7 = R 8 = R 9 = R 10 = R 11 = R 12 , wherein the thermistor at 0 ° C has a resistance of 100 Ω and at 100 ° C has a resistance of 138.5 Ω, so that a corresponding voltage threshold of -0.5 V to +0.5 V can be provided.

Aus der Formel (1) ergibt sich, dass im Normalbetrieb der einzelnen Batteriezellen 2 des Batteriemoduls die Batteriezellen 2 in ihrer Oberflächentemperatur wenig voneinander abweichen, was einem Gleichgewichtszustand der Schaltung entspricht, so dass zwischen Messstellen der Wheatstone-Brücke, und zwar zwischen dem zweiten Eckpunkt und dem vierten Eckpunkt der Wheatstone-Brücke, keine Potentialdifferenz besteht. Das heißt, die Potentialdifferenz zwischen dem ersten Spannungssignal und dem zweiten Spannungssignal beträgt Null und liegt also im Bereich des Spannungsschwellenwerts, was als „in Ordnung” erkannt wird, so dass kein Warnsignal ausgegeben wird. Wird hingegen eine Batteriezelle 2 des Batteriemoduls im Betrieb gestört, so zeigt sich eine Änderung der Oberflächentemperatur dieser Batteriezelle 2 und damit auch des Widerstands, normalerweise ein rascher und starker Anstieg sowohl der Temperatur als auch des Widerstands, was zu einem großen Temperaturunterschied zwischen den Batteriezellen 2 und einem Ungleichgewicht der Schaltung führt, so dass zwischen Messstellen der Wheatstone-Brücke, und zwar zwischen dem zweiten Eckpunkt und dem vierten Eckpunkt der Wheatstone-Brücke, eine Potentialdifferenz vorliegt. Das heißt, die Potentialdifferenz zwischen dem ersten Spannungssignal und dem zweiten Spannungssignal weist einen Wert ungleich Null auf, wobei, wenn dieser Wert außerhalb des Bereiches des Spannungsschwellenwerts liegt, dies als „nicht in Ordnung” erkannt wird, so dass ein Warnsignal ausgegeben wird. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass für den Fall, dass der Wert der Potentialdifferenz über den Bereich des Spannungsschwellenwerts hinausgeht, die Batteriezellen als „nicht in Ordnung” bzw. gefahrbringend erkannt werden und ein erststufiges Warnsignal an ein übergeordnetes Batteriemanagement-System ausgegeben wird, um den Lade- und Entladestrom für die Batteriezellen zu verringern, damit die Oberflächentemperatur der Batteriezellen 2 sinkt und die Messstellen-Potentialdifferenz der Wheatstone-Brücke in den Bereich des Spannungsschwellenwerts zurückkehrt, bis die Warnung verschwindet. Wenn der Wert der Potentialdifferenz für eine bestimmte Zeit außerhalb des Bereiches des Spannungsschwellenwerts liegt, wird ein zweitstufiges Warnsignal an das übergeordnete Batteriemanagement-System ausgegeben, um unter anderem eine einer zweitstufigen Warnung zugeordnete Störungssuche einzuleiten. Auf diese Weise werden eine schnelle und effektive Feststellung des anomalen Betriebs der Batteriezellen und dadurch eine Überwachung der Batteriezellen auf Ausfälle und somit eine Prognose über das thermische Durchgehen von Batterien realisiert. From the formula (1) it follows that during normal operation of the individual battery cells 2 of the battery module, the battery cells 2 in their surface temperature differ little from each other, which corresponds to a state of equilibrium of the circuit, so that between measuring points of the Wheatstone bridge, between the second corner and the fourth corner of the Wheatstone bridge, there is no potential difference. That is, the potential difference between the first voltage signal and the second voltage signal is zero and is therefore in the range of the voltage threshold, which is recognized as "OK", so that no warning signal is output. If, however, a battery cell 2 of the battery module disturbed during operation, so shows a change in the surface temperature of this battery cell 2 and thus also the resistance, usually a rapid and strong increase in both temperature and resistance, resulting in a large temperature difference between the battery cells 2 and an imbalance of the circuit, so that there is a potential difference between measuring points of the Wheatstone bridge, between the second corner and the fourth corner of the Wheatstone bridge. That is, the potential difference between the first voltage signal and the second voltage signal has a non-zero value, and when this value is out of the range of the voltage threshold, it is recognized as being "out of order" so that a warning signal is output. Preferably, it may be provided that in the event that the value of the potential difference exceeds the range of the voltage threshold value, the battery cells are recognized as "out of order" and a first-stage warning signal is output to a higher-level battery management system to the Charging and discharging current for the battery cells decrease, thus the surface temperature of the battery cells 2 decreases and the loop potential difference of the Wheatstone bridge returns to the range of the voltage threshold until the warning disappears. If the value of the potential difference is out of the range of the voltage threshold for a certain time, a second level warning signal is output to the higher level battery management system, inter alia, to initiate a fault search associated with a two level alarm. In this way, a quick and effective detection of the abnormal operation of the battery cells and thereby monitoring the battery cells for failures and thus a forecast on the thermal runaway of batteries are realized.

Die Erfindung betrifft ferner ein schnelles Überwachungs- und Warnverfahren für Antriebsbatterieausfälle, mit dem die einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack auf thermische Ausfälle überwacht werden und ggf. eine Warnung abgegeben wird und das folgende Schritte umfasst: direktes oder indirektes Anordnen von Thermistoren an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen und Herstellen einer Reihenschaltung der Thermistoren, um insgesamt eine Wheatstone-Brücke zu bilden, wobei ein erster Eckpunkt der Wheatstone-Brücke an eine Gleichspannungsquelle, deren Spannungswert bei Niederspannungssteuerung auf 5 V eingestellt werden kann, angeschlossen, ein zweiter Eckpunkt über eine erste Thermistor-Probenahmeleitung mit einer Datenerfassungskarte verbunden, ein dritter Eckpunkt geerdet und ein vierter Eckpunkt über eine zweite Thermistor-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden wird; anschließendes Erfassen eines über die erste Thermistor-Probenahmeleitung übertragenen ersten Spannungssignals und eines über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung übertragenen zweiten Spannungssignals mittels der Datenerfassungskarte nach dem Prinzip der Wheatstone-Brücke, Ermitteln einer Potentialdifferenz zwischen dem ersten Spannungssignal und dem zweiten Spannungssignal, Vergleichen der Potentialdifferenz mit einem Spannungsschwellenwert und Ausgeben eines Warnsignals bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts durch die Potentialdifferenz.The invention further relates to a rapid traction battery failure monitoring and warning method which monitors the individual battery cells in series and in parallel in a traction battery pack for thermal failures and optionally issues a warning comprising the following steps: direct or indirect disposition of thermistors on the individual battery cells connected in series and in parallel, and forming a series connection of the thermistors to form a Wheatstone bridge as a whole, wherein a first corner of the Wheatstone bridge to a DC voltage source whose voltage value at low voltage control to 5 V are set can, connected, a second vertex connected via a first thermistor sampling line to a data acquisition board, a third vertex grounded, and a fourth vertex connected to the data acquisition board via a second thermistor sampling line d; then detecting a first voltage signal transmitted via the first thermistor sampling line and a second voltage signal transmitted via the second thermistor sampling line by means of the data acquisition card according to the Wheatstone bridge principle, determining a potential difference between the first voltage signal and the second voltage signal, comparing the potential difference with a voltage threshold and outputting a warning signal when the voltage threshold is exceeded by the potential difference.

Bevorzugterweise erfolgt das indirekte Anordnen von Thermistoren an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen dadurch, dass an einem aus mehr als zwei Batteriezellen bestehenden Batteriemodul ein Wärmeleitstreifen angeordnet wird, der dafür sorgt, dass die Batteriezellen des Batteriemoduls die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei der Thermistor an dem Wärmeleitstreifen angeordnet wird. Bei diesem Wärmeleitstreifen handelt es sich vorzugsweise um einen Kupferstreifen, in dessen Mitte der Thermistor angeordnet wird. Als Thermistor kann ein Kaltleiter, vorzugsweise PT100, verwendet werden.Preferably, the indirect arrangement of thermistors is carried out on the individual, in series and parallel to each other battery cells characterized in that on a consisting of more than two battery cells battery module, a Wärmeleitstreifen is arranged, which ensures that the battery cells of the battery module have the same operating temperature the thermistor is arranged on the Wärmeleitstreifen. This heat-conducting strip is preferably a copper strip, in the middle of which the thermistor is arranged. As a thermistor, a PTC thermistor, preferably PT100, can be used.

Weiterhin wird in den vier Brückenzweigen der so entstandenen Wheatstone-Brücke jeweils eine gleiche Anzahl von hintereinander in Reihe geschalteten Thermistoren angeordnet, wobei dann ein entsprechender Spannungsschwellenwert von –0,5 V bis +0,5 V vorgesehen wird.Furthermore, in each of the four bridge branches of the resulting Wheatstone bridge an equal number of series-connected thermistors are arranged, in which case a corresponding voltage threshold of -0.5 V to +0.5 V is provided.

Besonders bevorzugt kann an einer beliebigen Batteriezelle ein Temperatursensor angeordnet werden, der über eine Temperatur-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden wird, um die Oberflächentemperatur einer beliebigen Batteriezelle in Echtzeit zu erfassen und zu überwachen.Particularly preferably, a temperature sensor can be arranged on any battery cell, which is connected to the data acquisition card via a temperature-sampling line in order to detect and monitor the surface temperature of any battery cell in real time.

Überdies kann zwischen zwei benachbarten Batteriezellen eine Spannungs-Probenahmeleitung angeordnet werden, die mit der Datenerfassungskarte verbunden wird, um den Spannungswert zwischen zwei benachbarten Batteriezellen, d. h. den Spannungswert eines Knotens in dem Batteriemodul, in Echtzeit zu erfassen und zu überwachen.Moreover, between a pair of adjacent battery cells, a voltage sampling line may be arranged to be connected to the data acquisition board to measure the voltage value between two adjacent battery cells, i. H. detect and monitor the voltage level of a node in the battery module in real time.

Es wird darauf hingewiesen, dass die vorangehend beschriebenen konkreten Ausführungsformen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung dienen und die Erfindung keineswegs einschränken. Den Fachleuten auf diesem Gebiet wird daher klar sein, dass trotz der obenstehenden näheren Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen und Ausführungsbeispiele weitere Abänderungen oder gleichwertige Substitutionen möglich sind. Insgesamt sind alle Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die nicht von den Grundideen der Erfindung abweichen, vom Schutzumfang der Erfindung umfasst.It should be noted that the above-described specific embodiments are merely for the better understanding of the invention and by no means limit the invention. It will thus be apparent to those skilled in the art that, in spite of the above detailed description of the invention, with reference to the accompanying drawings and exemplary embodiments, further modifications or equivalent substitutions are possible. Overall, all embodiments and developments that do not deviate from the basic ideas of the invention, from the scope of the invention includes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
DatenerfassungskarteData acquisition card
22
Batteriezellebattery cell
33
Thermistorthermistor
44
Spannungs-ProbenahmeleitungVoltage sampling line
55
Temperatursensortemperature sensor
66
Temperatur-ProbenahmeleitungTemperature sampling line
701701
Erste Thermistor-ProbenahmeleitungFirst thermistor sampling line
702702
Zweite Thermistor-ProbenahmeleitungSecond thermistor sampling line
88th
Thermistor-VerbindungsleitungThermistor connection line
99
WärmeleitstreifenWärmeleitstreifen

Claims (7)

Schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle, die zur Überwachung der einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack auf thermische Ausfalle dient und ggf. eine Warnung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Thermistoren, zwei Thermistor-Probenahmeleitungen, eine Gleichspannungsquelle und eine Datenerfassungskarte umfasst, wobei die Thermistoren direkt oder indirekt an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen angeordnet und hintereinander in Reihe geschaltet sind, um insgesamt eine Wheatstone-Brücke zu bilden, wobei ein erster Eckpunkt der Wheatstone-Brücke an der Gleichspannungsquelle angeschlossen, ein zweiter Eckpunkt über die erste Thermistor-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden, ein dritter Eckpunkt geerdet und ein vierter Eckpunkt über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden ist, wobei die Datenerfassungskarte nach dem Prinzip der Wheatstone-Brücke ein über die erste Thermistor-Probenahmeleitung übertragenes erstes Spannungssignal und ein über die zweite Thermistor-Probenahmeleitung übertragenes zweites Spannungssignal erfasst, eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Spannungssignal und dem zweiten Spannungssignal ermittelt, die Potentialdifferenz mit einem Spannungsschwellenwert vergleicht und bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts durch die Potentialdifferenz ein Warnsignal ausgibt.Fast drive battery failure monitoring and warning device used to monitor the individual battery cells in series and in parallel in a drive battery pack for thermal failures and possibly giving a warning, characterized by having a plurality of thermistors, two thermistor sampling lines, a DC voltage source and a data acquisition card, wherein the thermistors are directly or indirectly connected to the individual battery cells connected in series and parallel and connected in series one behind the other to form a total of a Wheatstone bridge, wherein a first corner of the Wheatstone bridge at the DC voltage source a second vertex is connected to the data acquisition card via the first thermistor sampling line, a third vertex is grounded, and a fourth vertex is connected to the data acquisition card via the second thermistor sampling line, wherein the Data acquisition card according to the principle of the Wheatstone bridge detects a transmitted via the first thermistor sampling line first voltage signal and transmitted via the second thermistor sampling line second voltage signal detects a potential difference between the first voltage signal and the second voltage signal, comparing the potential difference with a voltage threshold and when the voltage threshold is exceeded by the potential difference outputs a warning signal. Schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den vier Brückenzweigen der Wheatstone-Brücke jeweils eine gleiche Anzahl von hintereinander in Reihe geschalteten Thermistoren angeordnet ist.A drive battery failure monitoring and warning device according to claim 1, characterized in that in each of the four bridge branches of the Wheatstone bridge an equal number of thermistors connected in series are arranged. Schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer indirekten Anordnung der Thermistoren an den Batteriezellen die Überwachungs- und Warnvorrichtung ferner einen Wärmeleitstreifen umfasst, der an einem aus mehr als zwei Batteriezellen bestehenden Batteriemodul angeordnet ist und dafür sorgt, dass die Batteriezellen des Batteriemoduls die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei sich der Thermistor an dem Wärmeleitstreifen befindet.Drive battery failure rapid monitoring and warning device according to claim 1 or 2, characterized in that, in an indirect arrangement of the thermistors on the battery cells, the monitoring and warning device further comprises a Wärmeleitstreifen, which is arranged on a battery cell consisting of more than two battery module and therefor ensures that the battery cells of the battery module have the same operating temperature, wherein the thermistor is located on the Wärmeleitstreifen. Schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wärmeleitstreifen um einen Kupferstreifen handelt, in dessen Mitte der Thermistor angeordnet ist.A drive battery failure monitoring and warning device according to claim 3, characterized in that the heat conducting strip is a copper strip in the middle of which the thermistor is arranged. Schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschwellenwert –0,5 V bis +0,5 V beträgt.A drive battery failure monitoring and warning device according to claim 2, characterized in that the voltage threshold is -0.5V to +0.5V. Schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermistor als Kaltleiter ausgebildet ist.Fast monitoring and warning device for drive battery failure according to claim 3, characterized in that the thermistor is designed as a PTC thermistor. Schnelle Überwachungs- und Warnvorrichtung für Antriebsbatterieausfälle gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle einen Spannungswert von 5 V hat, und/oder dass die Überwachungs- und Warnvorrichtung zusätzlich einen Temperatursensor und eine Temperatur-Probenahmeleitung umfasst, wobei der Temperatursensor an einer der Batteriezellen angeordnet und über die Temperatur-Probenahmeleitung mit der Datenerfassungskarte verbunden ist, und/oder dass die Überwachungs- und Warnvorrichtung weiterhin eine Spannungs-Probenahmeleitung umfasst, die sich zwischen zwei benachbarten Batteriezellen befindet und mit der Datenerfassungskarte verbunden ist.A drive battery failure monitoring and warning device according to claim 3, characterized in that the DC voltage source has a voltage value of 5 V, and / or in that the monitoring and warning device additionally comprises a temperature sensor and a temperature sampling line, the temperature sensor on one of the battery cells is disposed and connected to the data acquisition card via the temperature sampling line, and / or that the monitoring and warning device further comprises a voltage sampling line located between two adjacent battery cells and connected to the data acquisition card.
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