DE29521212U1 - Device for measuring partial voltages - Google Patents
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Description
12. August 1996 Müller-Bare & Partner 12 August 1996 Müller-Bare & Partner
Anmelder: Mentzer Electronic GmbH
"Einrichtung zum Messen von Teilspannungen" Unser Zeichen: M 4305 - kg / dkApplicant: Mentzer Electronic GmbH
"Device for measuring partial stresses" Our reference: M 4305 - kg / dk
BeschreibungDescription
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Zellparametern einer mehrere in Reihe geschaltete Zeilen aufweisenden Gesamtbatterie.The present invention relates to a device for measuring cell parameters of an overall battery comprising several rows connected in series.
Bei der Anwendung von mehrzelligen Batterien weisen die Klemmenspannungen der einzelnen Zellen oder Gruppen von Zellen unvermeidlich unterschiedliche Klemmenspannungen auf (Nachfolgend wird durchgängig der Begriff "Zelle" für einzelne Zellen als auch Gruppen von Zellen verwendet. Der Begriff umfaßt somit jeweils alle meßtechnisch zu einer Einheit zusammengefaßte Einzelzellen).When using multi-cell batteries, the terminal voltages of the individual cells or groups of cells inevitably have different terminal voltages (hereinafter, the term "cell" is used throughout for both individual cells and groups of cells. The term therefore includes all individual cells that are combined to form a unit for measurement purposes).
Zur Vermeidung von Überladungen oder Tiefladungen einzelner Zellen ist wünschenswert, eine möglichst große Anzahl von Teilspannungen zu messen. Dies gilt auch für die einzelnen Zelltemperaturen. Weiterhin ist es bei Ausfall einer Batterie schwierig und zeitaufwendig, die defektein) Zelle(n) aufzufinden. Eine Klärung der Ausfallursache ist ebenfalls nicht ohne weiteres möglich.To avoid overcharging or deep charging of individual cells, it is desirable to measure as many partial voltages as possible. This also applies to the individual cell temperatures. Furthermore, if a battery fails, it is difficult and time-consuming to find the defective cell(s). Clarifying the cause of the failure is also not easy.
Zur Messung von Teilspannungen sind Meßvorrichtungen bekannt, die je eine Meßleitung zwischen jeder zu messenden Zeile und einer zentralen Meßstation besitzen. Der damit verbundene Verkabelungs- und Kontaktierungsaufwand an der Meßstation ist beträchtlich.Measuring devices are known for measuring partial voltages, which have a measuring line between each line to be measured and a central measuring station. The associated cabling and contacting effort at the measuring station is considerable.
Weiterhin ist aus EP 0 277 321 eine Schaltung zur laufenden Überprüfung der Qualität einer mehrzelligen Batterie bekannt. Nach diesem Stand der Technik wird jeder Zelle eine Meßschaltung zugeordnet, die über die gemeinsame Steuerleitung und/oder Meßleitung ausgelöst wird, wobei die Meßwerte nacheinander über die gemeinsame Meßleitung einer gemeinsamen Auswerteschaltung zugeführt werden. Der Nachteil bei dieser Anordnung besteht darin, daß jede Meßschaltung mit beiden Polen der zu messenden Zelle verbunden werden muß,Furthermore, a circuit for continuously checking the quality of a multi-cell battery is known from EP 0 277 321. According to this state of the art, each cell is assigned a measuring circuit that is triggered via the common control line and/or measuring line, with the measured values being fed one after the other via the common measuring line to a common evaluation circuit. The disadvantage of this arrangement is that each measuring circuit must be connected to both poles of the cell to be measured.
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daß die Meßschaltung Energie benötigt, welche aus der zu messenden Batterie entnommen wird, und daß jede Meßschaltung eine Einrichtung zur Signalcodierung und Koppelglieder zur Potentialtrennung besitzt.that the measuring circuit requires energy, which is taken from the battery to be measured, and that each measuring circuit has a device for signal coding and coupling elements for potential separation.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht demgemäß darin, eine baulich möglichst einfache Einrichtung zum Messen von Batteriezellparametern anzugeben.The problem underlying the invention is therefore to provide a device for measuring battery cell parameters that is as structurally simple as possible.
Dieses Problem wird durch eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen von Zellparametern einer mehrere in Reihe geschaltete Zellen aufweisenden Gesamtbatterie mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 12 gelöst.This problem is solved by a device and a method for measuring cell parameters of an overall battery having several cells connected in series with the features of claims 1 and 12 respectively.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird jeder Knotenpunkt zwischen den Zellen jeweils nur einmal kontakiert. Ferner laufen die batterienah anordnungsfähigen nichtlinearen Schaltungen zu einem Sternpunkt zusammen, so daß zum Abgreifen der elektrischen Meßgrößen lediglich eine Leitung ausgehend vom Sternpunkt aus notwendig ist.In the device according to the invention, each node between the cells is only contacted once. Furthermore, the non-linear circuits that can be arranged close to the battery converge to a star point, so that only one line from the star point is necessary to tap the electrical measurement variables.
Vorzugsweise ist die nichtlineare Schaltung eine passive Schaltung, so daß sich durch die Meßeinrichtung keine erhebliche Belastung der Batterie durch aktive Verbraucher ergibt.Preferably, the non-linear circuit is a passive circuit so that the measuring device does not result in a significant load on the battery due to active consumers.
Eine besonders einfache nichtlineare Schaltung zur Realisierung der erfindungsgemäßen Funktion ist eine Stromquelle, deren Stromstärke eine vorgegebene nichtiineare Abhängigkeit von ihrer Klemmenspannung besitzt. Die nichtlineare Strom-Spannungscharakteristik der Stromquelle ist vorzugsweise derart, daß die Stromquelle nur innerhalb eines vorgegebenen Klemmenspannungsbereiches Strom liefert. Derartige Stromquellen sind baulich besonders einfach zu realisieren. Ein bevorzugtes Beispiel ist die Realisierung der Stromquelle durch eine Reihenschaltung aus Diode und Widerstand.A particularly simple non-linear circuit for implementing the function according to the invention is a current source whose current intensity has a predetermined non-linear dependence on its terminal voltage. The non-linear current-voltage characteristic of the current source is preferably such that the current source only supplies current within a predetermined terminal voltage range. Such current sources are particularly simple to implement structurally. A preferred example is the implementation of the current source using a series circuit of a diode and a resistor.
Als Steuergröße wird vorzugsweise der Widerstandswert eines steuerbaren Widerstandes herangezogen, da ein steuerbarer Widerstand baulich besondersThe resistance value of a controllable resistor is preferably used as the control variable, since a controllable resistor is particularly
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Müller-Bore & PartnerMüller-Bore & Partner
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einfach und preisgünstig zu realisieren ist.is easy and inexpensive to implement.
Als die sich am Sternpunkt einstellenden elektrischen Größen werden vorzugs-■ weise das Potential des Sternpunktes sowie der durch den steuerbaren Widerstand fließende Strom erfaßt. Der durch den steuerbaren Widerstand fließende Strom entspricht dabei der Summe der Einzelströme aller nichtlinearen Schaltungen (Stromquellen).The electrical quantities that occur at the star point are preferably the potential of the star point and the current flowing through the controllable resistor. The current flowing through the controllable resistor corresponds to the sum of the individual currents of all non-linear circuits (current sources).
Vorzugsweise sind die Steuereinheit und die Meßeinheit zu einer kombinierten Meß- und Steuereinheit zusammengefaßt, welche nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch einen Rechner gesteuert wird.Preferably, the control unit and the measuring unit are combined to form a combined measuring and control unit, which according to a particularly preferred embodiment is controlled by a computer.
Mittels der bislang beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen können als Zeilparameter die jeweiligen Teilspannungen der einzelnen Zellen ermittelt werden, um so auf einfache Weise Überladungen, Tiefentladungen oder AusfälleUsing the preferred embodiments described so far, the respective partial voltages of the individual cells can be determined as cell parameters in order to easily detect overcharging, deep discharging or failures.
zu detektieren.to detect.
Alternativ oder akkumulativ kann erfindungsgemäß als zu erfassender Zellparameter die Zelltemperatur gemessen werden. Dies wird bevorzugt besonders einfach erreicht, wenn die nichtlineare Schaltung eine bekannte Temperaturabhängigkeit besitzt und mit der jeweiligen zu messenden Zelle thermisch gekoppelt ist. Zur akkumulativen Messung von Zellspannung und Zeiltemperatur wird bevorzugt eine Stromquelle mit nichtiinearer Strom-Spannungscharakteristik und Temperaturabhängigkeit eingesetzt.Alternatively or accumulatively, according to the invention, the cell temperature can be measured as the cell parameter to be recorded. This is preferably achieved particularly easily if the non-linear circuit has a known temperature dependence and is thermally coupled to the respective cell to be measured. For the accumulative measurement of cell voltage and cell temperature, a current source with non-linear current-voltage characteristics and temperature dependence is preferably used.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte einzige Figur beschrieben, die eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung zeigt.The invention is described below using an embodiment with reference to the attached single figure, which shows a schematic representation of an embodiment of the measuring device according to the invention.
Eine Batterie B besteht aus mehreren in Reihe geschalteten einzelnen Zellen 1. Zwischen jeden elektrischen Knotenpunkt 2 der in Reihe geschalteten Zeilen 1 und einem Sternpunkt 4 ist je eine Stromquelle 3 geschaltet, deren Strom-A battery B consists of several individual cells 1 connected in series. Between each electrical node 2 of the series-connected rows 1 and a star point 4, a current source 3 is connected, the current
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Müller-Bare & PartnerMüller-Bare & Partner
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Spannungscharakteristik ausgeprägt nichtlinear ist. Die Batterie B, die Stromquellen 3 und der Sternpunkt 4 biiden eine Batterieeinheit bzw. einen Batterietrog T,Voltage characteristics are distinctly non-linear. The battery B, the current sources 3 and the star point 4 form a battery unit or a battery tray T,
Eine Meßeinrichtung M, die von der Batterieeinheit T entfernt angeordnet sein kann, ist über eine Verbindungsleitung mit dem Sternpunkt 4 verbunden. Weiterhin ist die Meßeinrichtung M mit einem Endpol 0 der Batterie B verbunden. Alternativ könnte die Meßeinrichtung mit einem der beliebigen Knotenpunkte 2 verbunden sein.A measuring device M, which can be arranged away from the battery unit T, is connected to the star point 4 via a connecting line. Furthermore, the measuring device M is connected to an end pole 0 of the battery B. Alternatively, the measuring device could be connected to any of the nodes 2.
Die Meßeinheit M weist eine rechnergesteuerte Meß- und Steuereinheit 6, einen steuerbaren Widerstand 5 und eine in Reihe mit diesem geschaltete Strommeßeinrichtung 7 auf. Die Reihenschaltung aus steuerbarem Widerstand 5 und Strommeßeinrichtung 7 ist einerends mit der von dem Sternpunkt 4 kommenden Verbindungsleitung und andernends mit der von dem Endpol 0 der Batterie B kommenden Leitung verbunden.The measuring unit M has a computer-controlled measuring and control unit 6, a controllable resistor 5 and a current measuring device 7 connected in series with it. The series connection of controllable resistor 5 and current measuring device 7 is connected at one end to the connecting line coming from the star point 4 and at the other end to the line coming from the end pole 0 of the battery B.
Ferner ist die Meß- und Steuereinheit 6 direkt mit der von dem Sternpunkt 4 kommenden Verbindungsleitung sowie der von dem Endpol 0 kommenden Leitung verbunden, so daß die Spannung zwischen dem Sternpunkt 4 und dem Endpol 0 der Gesamtbatterie B von der rechnergesteuerten Meß- und Steuereinheit 6 gemessen werden kann {Sternpunktspannung).Furthermore, the measuring and control unit 6 is directly connected to the connecting line coming from the star point 4 and the line coming from the end pole 0, so that the voltage between the star point 4 and the end pole 0 of the total battery B can be measured by the computer-controlled measuring and control unit 6 (star point voltage).
Die Meß- und Steuereinheit 6 ist weiterhin an der Strommeßeinrichtung 7 angeschlossen, so daß der durch den steuerbaren Widerstand 5 fließende Strom von der Meß- und Steuereinheit 6 gemessen werden kann.The measuring and control unit 6 is also connected to the current measuring device 7 so that the current flowing through the controllable resistor 5 can be measured by the measuring and control unit 6.
Die Meß- und Steuereinheit 6 steuert den steuerbaren Widerstand 5 und verändert damit dessen Widerstandswert.The measuring and control unit 6 controls the controllable resistor 5 and thus changes its resistance value.
Mit dieser Einrichtung können die einzelnen Zellenspannungen dadurch gefunden werden, daß der steuerbare Widerstand 5 nacheinander auf eine Anzahl von Widerstandswerten eingestellt wird, die mindestens so groß ist wie die AnzahlWith this device, the individual cell voltages can be found by setting the controllable resistor 5 one after the other to a number of resistance values that is at least as large as the number
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der zu messenden Teilspannungen. Bei jedem durch einen Widerstandswert festgelegten Meßpunkt werden Wertepaare aus Sternpunktspannung und Strom durch den steuerbaren Widerstand 5 gemessen und in der rechnergesteuerten Meß- und Steuereinheit 6 gespeichert. Aus diesen Wertepaaren können bei Kenntnis der nichtlinearen Strom-Spannungscharkteristik der Stromquellen die einzelnen Teilspannungen der Zellen 1 z.B. durch iterative Lösung eines nichtlinearen Gleichungssystems in der rechnergesteuerten Meß- und Steuereinheit 6 berechnet werden.of the partial voltages to be measured. At each measuring point defined by a resistance value, value pairs of star point voltage and current through the controllable resistor 5 are measured and stored in the computer-controlled measuring and control unit 6. From these value pairs, if the non-linear current-voltage characteristics of the current sources are known, the individual partial voltages of the cells 1 can be calculated, e.g. by iteratively solving a non-linear system of equations in the computer-controlled measuring and control unit 6.
Zum Erreichen einer hohen Genauigkeit sollten die Meßpunkte so gewählt werden, daß die Sternpunktspannungen etwa gleichmäßig über den Bereich der Gesamtbatteriespannung verteilt sind. Außerdem sollte sich die Verteilung der Knotenpotentiale während eines Meßzyklus nicht wesentlich ändern. Daher sollte der Meßzyklus von möglichst kurzer Dauer sein und eventueli mehrfach wiederholt werden.To achieve a high level of accuracy, the measuring points should be chosen so that the star point voltages are distributed more or less evenly over the range of the total battery voltage. In addition, the distribution of the node potentials should not change significantly during a measuring cycle. The measuring cycle should therefore be as short as possible and possibly repeated several times.
Das Meßverfahren ist besonders einfach, wenn die nichtiineare Strom-Spannungscharakteristik der Stromquellen so gewählt ist, daß die Stromquellen nur in einem determinierten Klemmenspannungsbereich Strom liefern. Die Strom-Spannungscharakteristik einer Stromquelle i = f(v) sei somit:The measuring method is particularly simple if the non-linear current-voltage characteristic of the current sources is selected so that the current sources only supply current in a determined terminal voltage range. The current-voltage characteristic of a current source i = f(v) is thus:
i = 0 für &ngr; < vOi = 0 for ν < vO
i = g(v) * &ngr; für &ngr; > vOi = g(v) * ν for ν > vO
Die Funktion g{v) muß bekannt sein und sollte technisch einfach realisierbar sein.The function g{v) must be known and should be technically easy to implement.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Einschaltspannungen vO und die g(v)'s aller Stromquellen gleich sind. Besonders einfache Realisierungen für g(v) sind:It is also advantageous if the switch-on voltages vO and the g(v)'s of all current sources are the same. Particularly simple implementations for g(v) are:
g(v) = G = konstant (ohmscher Widerstand)g(v) = G = constant (ohmic resistance)
oder:or:
g(v) = G/v {Konstantstromquelle).g(v) = G/v {constant current source).
Eine besonders kostengünstige Realisierung für die erste Variante mit ohmschemA particularly cost-effective implementation for the first variant with ohmic
&Lgr; 2. August T 996 MülJer-Bore & Partner &Lgr; 2 August T 996 MülJer-Bore & Partner
Widerstand ergibt sich z.B., wenn zum Schalten der Stromquellen Dioden verwendet werden, wenn also jede Stromquelle aus der Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes besteht. Das nicht-ideale Schaltverhalten der Dioden kann in der rechnergesteuerten Meß- und Steuereinheit 6 mit geringem Aufwand numerisch korrigiert werden.Resistance arises, for example, when diodes are used to switch the current sources, i.e. when each current source consists of a series connection of a diode and a resistor. The non-ideal switching behavior of the diodes can be numerically corrected with little effort in the computer-controlled measuring and control unit 6.
Die Spannung &ngr; einer Stromquelle k ist gleich der Differenz des Knotenpotentials vk und des Sternpunktpotentials vs: &ngr; = vk - vs.The voltage v of a current source k is equal to the difference between the node potential vk and the star point potential vs: v = vk - vs.
Zur Messung der Spannung einer k-ten Zeüe werden bei dieser einfachen Ausführungsform nur vier Wertepaare benötigt, nämlich: zwei Strom-Spannungswertepaare, bei denen aiie Stromquellen 1 bis k eingeschaltet sind und zwei entsprechende Wertepaare, bei denen alle Stromquellen 1 bis k+ 1 eingeschaltet sind. Aus den Strom- und Spannungsdifferenzen können die Zellenspannung und der Leitwert der k-ten und der (k+1)-ten Stromquelle berechnet werden.To measure the voltage of a kth cell, only four pairs of values are required in this simple embodiment, namely: two current-voltage pairs in which all current sources 1 to k are switched on and two corresponding pairs of values in which all current sources 1 to k+ 1 are switched on. The cell voltage and the conductance of the kth and (k+1)th current sources can be calculated from the current and voltage differences.
Wendet man diese Messung nacheinander auf alle Zellen an, ist der rechentechnische Aufwand wesentlich geringer als bei der Lösung des nichtünearen Gleichungssystems, da nur jeweils vier Meßwertpaare zu verarbeiten sind. Außerdem ist die Zeit für die Messung einer ausgewählten Zellenspannung kleiner. Die Zeit für die Messung aller Zellenspannungen ist jedoch größer.If this measurement is applied to all cells one after the other, the computational effort is significantly lower than when solving the non-uniform system of equations, since only four pairs of measured values have to be processed. In addition, the time for measuring a selected cell voltage is shorter. The time for measuring all cell voltages, however, is longer.
Wählt man für g(v) eine Baugruppe {z.B. einen Thermistor) mit ausgeprägter Temperaturabhängigkeit i = g(v, t) und koppelt man jede dieser nunmehr temperaturabhängigen Stromquellen thermisch mit der entsprechenden zu messenden Zelle, so kann man mit der gleichen einfachen Einrichtung nicht nur sämtlich Zellenspannungen sondern auch alle Zeileintemperaturen t messen.If one chooses a component (e.g. a thermistor) with a pronounced temperature dependence i = g(v, t) for g(v) and thermally couples each of these now temperature-dependent current sources with the corresponding cell to be measured, one can use the same simple device to measure not only all cell voltages but also all cell temperatures t.
Claims (7)
dadurch gekennzeichnet,Device for measuring partial voltages or cell parameters of a total battery (B) comprising several cells (1) connected in series, wherein a non-linear circuit (3) is connected between each electrical connection point (2) or node point of the cells (1) and a common measuring point (4) or star point,
characterized,
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|---|---|---|---|
| DE29521212U DE29521212U1 (en) | 1995-05-22 | 1995-05-22 | Device for measuring partial voltages |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10100945A1 (en) * | 2001-01-10 | 2002-07-18 | Inst Mikroelektronik Und Mecha | Charging serial connected battery cells, involves at least partly shunting charging current for battery cell with highest voltage after defined cell voltage difference has been exceeded |
| CN114415055A (en) * | 2022-03-28 | 2022-04-29 | 阳光电源股份有限公司 | Energy storage system and SOC estimation method thereof |
-
1995
- 1995-05-22 DE DE29521212U patent/DE29521212U1/en not_active Expired - Lifetime
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| DE10100945B4 (en) * | 2001-01-10 | 2004-12-02 | Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH | Method and arrangement for charging series-connected battery cells |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
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Effective date: 20020301 |