WO2011038967A1 - Sensoreinrichtung für die erfassung der maximaltemperatur mehrerer batteriezellen und batteriesystemen - Google Patents

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WO2011038967A1
WO2011038967A1 PCT/EP2010/061597 EP2010061597W WO2011038967A1 WO 2011038967 A1 WO2011038967 A1 WO 2011038967A1 EP 2010061597 W EP2010061597 W EP 2010061597W WO 2011038967 A1 WO2011038967 A1 WO 2011038967A1
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Stefan Butzmann
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a sensor device for detecting the maximum temperature of a plurality of battery cells, as well as a battery system with a plurality of battery cells and a sensor device.
  • individual battery cells are connected in series and sometimes additionally in parallel.
  • FIG. 1 shows a known battery system 20, which comprises a plurality of battery cells 21 and a sensor device 22 for temperature monitoring of the battery cells 21.
  • the sensor device 22 has a plurality of temperature sensors 23 on, which are designed for example as NTC resistors (negative temperature coefficient thermister), wherein in each case a temperature sensor 23 is arranged on a battery cell 21 for detecting the temperature of the respective battery cell 21.
  • Each temperature sensor 23 is assigned a signal conditioning unit 24, which receives the signal recorded by a temperature sensor 23
  • Measuring signal converted into a measuring voltage The measurement signals processed by the signal conditioning units 24 are supplied to a microcontroller 25 for evaluation.
  • a disadvantage of such a known sensor device is that this is complicated and thus costly due to the generally high number of signal conditioning units.
  • the invention relates to a sensor device for detecting the maximum temperature of a plurality of battery cells, comprising an electrical circuit and a measuring device, wherein the circuit has at least one current source and a plurality of sensor elements for measuring a temperature, wherein at least one sensor element can be brought into contact with a respective battery cell, the sensor elements are connected in parallel, and the sensor elements are designed such that the voltage which drops across the sensor elements, has a negative temperature coefficient, and by means of the measuring device, the voltage which drops across the parallel-connected sensor elements, in a current impressed by the current source is measurable.
  • the temperature measurement of the battery cells takes place via the electrical parallel connection of a plurality of sensor elements with negative temperature coefficients and simultaneous power supply.
  • the sensor element that measures the highest temperature determines the voltage that drops across the group of parallel connected sensor elements. By measuring this voltage, the maximum temperature of the battery cells is thus detected. By detecting the maximum temperature, safe operation of the battery cells can be ensured.
  • Another object of the invention is a battery system with a plurality of battery cells and a sensor device according to the invention, wherein at least one sensor element, each with a battery cell in contact.
  • Fig. 1 shows a battery system according to the prior art
  • FIG. 2 shows an embodiment of a battery system according to the invention with a sensor device according to the invention.
  • FIG. 2 shows schematically an embodiment of a battery system 10 according to the invention.
  • the battery system 10 comprises a plurality of battery cells 1, which are interconnected.
  • the battery cells 1 are lithium-ion cells in this embodiment.
  • the battery system 10 comprises a sensor device 2, by means of which the maximum temperature of the battery cells 1 can be detected.
  • the sensor device 2 comprises an electrical circuit 3 and a measuring device 5.
  • the circuit 3 comprises a plurality of sensor elements 4 and a current source 6.
  • a sensor element 4 is in thermal contact with a battery cell 1 in order to measure the temperature of the respective battery cell 1 can.
  • the sensor elements 4 are connected in parallel.
  • the sensor elements are designed such that the voltage that drops across a sensor element has a negative temperature coefficient.
  • a sensor element 4 is formed by a pn diode, which has a temperature coefficient of approximately -2 mV / K in a temperature range from -40 ° C. to 85 ° C.
  • a sensor element 4, for example could also be formed by a diode-connected transistor.
  • the group of parallel-connected sensor elements 4 is fed via the current source 6 with a constant current l 0 .
  • the feeding of the current l 0 causes a voltage drop U ou t over the group of sensor elements 4. Due to the negative temperature characteristic of a sensor element 4, the hottest sensor element 4 determines the voltage drop U ou t over the group of sensor elements.
  • the measuring device 5 may comprise, for example, an A / D converter and a microcontroller, which make it possible to determine, for example by comparison with threshold values or reference curves, whether a maximum temperature has been exceeded.
  • the measuring device may have a comparator which compares the measured voltage U ou t, which drops across the group of sensor elements 4, with a reference voltage which, for example, characterizes a threshold value.
  • the sensor device 2 makes it possible to determine the maximum temperature within a group of battery cells 1 with little effort.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung für die Erfassung der Maximaltemperatur mehrere Batteriezellen, sowie ein Batteriesystem. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung (2) umfasst eine elektrische Schaltung (3) und eine Messvorrichtung (5), wobei die Schaltung (3) mindestens eine Stromquelle (6) und mehrere Sensorelemente (4) zum Messen einer Temperatur aufweist, wobei mindestens ein Sensorelement (4) mit jeweils einer Batteriezelle (1 ) in Kontakt bringbar ist, die Sensorelemente (4) parallel geschaltet sind, und die Sensorelemente (4) derart ausgebildet sind, dass die Spannung, die über einem Sensorelementen (4) abfällt, einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, und mittels der Messvorrichtung (5) die Spannung, die über den parallel geschalteten Sensorelementen (4) abfällt, bei einem mittels der Stromquelle (6) eingeprägten Strom messbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Sensoreinrichtung für die Erfassung der Maximaltemperatur mehrerer Batteriezellen und Batteriesystemen
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung für die Erfassung der Maximaltemperatur mehrerer Batteriezellen, sowie ein Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen und eine Sensoreinrichtung.
Stand der Technik
In Zukunft werden sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, beispielsweise in Hybrid- und Elektro- fahrzeugen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen, die hohe Anforderungen bzgl. der Zuverlässigkeit erfüllen müssen. Diese hohen Anforderungen begründen sich damit, dass ein Ausfall des Batteriesystems zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (z. B. führt bei einem Elektrof ahrzeug Ausfall einer Traktionsbatterie zu einem sog.„Liegenbleiber") oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann (bei Windkraftanlagen werden beispielsweise Batteriesysteme eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).
Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erzielen, werden einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet.
Um einen sicheren Betrieb des Batteriesystems zu gewährleisten, ist es notwendig, die Temperatur mehrerer oder sogar aller Fällen des Batteriesystems zu überwachen.
Die Fig. 1 zeigt ein bekanntes Batteriesystem 20, das mehrere Batteriezellen 21 und eine Sensoreinrichtung 22 für eine Temperaturüberwachung der Batteriezellen 21 umfasst. Die Sensoreinrichtung 22 weist mehrere Temperatursensoren 23 auf, die beispielsweise als NTC-Widerstände (negative temperature coefficient thermister) ausgeführt sind, wobei jeweils ein Temperatursensor 23 auf einer Batteriezelle 21 für die Erfassung der Temperatur der jeweiligen Batteriezelle 21 angeordnet ist. Jedem Temperatursensor 23 ist eine Signalkonditionierungsein- heit 24 zugeordnet, die das mit einem Temperatursensor 23 aufgenommene
Messsignal in eine Messspannung umwandelt. Die durch die Signalkonditionie- rungseinheiten 24 aufbereiteten Messsignale werden zur Auswertung einem Mik- rocontroller 25 zugeführt. Nachteilig an einer solchen bekannten Sensoreinrichtung ist, dass diese aufgrund der in der Regel hohen Anzahl von Signalkonditionierungseinheiten aufwändig und damit kostenungünstig ist.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine Sensoreinrichtung für die Erfassung der Maximaltemperatur mehrerer Batteriezellen, umfassend eine elektrische Schaltung und eine Messvorrichtung, wobei die Schaltung mindestens eine Stromquelle und mehrere Sensorelemente zum Messen einer Temperatur aufweist, wobei mindestens ein Sensorelement mit jeweils einer Batteriezelle in Kontakt bringbar ist, die Sensorelemente parallel geschaltet sind, und die Sensorelemente derart ausgebildet sind, dass die Spannung, die über den Sensorelementen abfällt, einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, und mittels der Messvorrichtung die Spannung, die über den parallel geschalteten Sensorelementen abfällt, bei einem mittels der Stromquelle eingeprägten Strom messbar ist.
Erfindungsgemäß erfolgt die Temperaturmessung der Batteriezellen über die elektrische Parallelschaltung mehrerer Sensorelemente mit negativen Temperaturkoeffizienten und gleichzeitiger Stromeinspeisung. Das Sensorelement, das die höchste Temperatur misst, bestimmt die Spannung, die über der Gruppe der parallel geschalteten Sensorelemente abfällt. Über eine Messung dieser Spannung wird somit die Maximaltemperatur der Batteriezellen erfasst. Durch die Erfassung der Maximaltemperature ist ein sicherer Betrieb der Batteriezellen gewährleistbar.
Als für die Temperaturüberwachung der Batteriezellen geeignete Sensorelemente können beispielsweise Dioden verwendet werden. Alternativ sind auch Transistoren einsetzbar, die diodengeschaltet sind. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen und einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, wobei mindestens ein Sensorelement mit jeweils einer Batteriezelle in Kontakt ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Ausführungsform, die durch eine Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 ein Batteriesystem gemäß Stand der Technik und
Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung.
Ausführungsform der Erfindung
Die Fig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 10.
Das Batteriesystem 10 umfasst mehrere Batteriezellen 1 , die untereinander verschaltet sind. Die Batteriezellen 1 sind in diesem Ausführungsbeispiel Lithium- Ionen-Zellen. Des Weiteren umfasst das Batteriesystem 10 eine Sensoreinrichtung 2, mittels der sich die Maximaltemperatur der Batteriezellen 1 erfassen lässt.
Die Sensoreinrichtung 2 umfasst eine elektrische Schaltung 3 und eine Messvorrichtung 5. Die Schaltung 3 umfasst mehrere Sensorelemente 4 und eine Stromquelle 6. Jeweils ein Sensorelement 4 ist mit einer Batteriezelle 1 in thermischen Kontakt, um die Temperatur der jeweiligen Batteriezelle 1 messen zu können. Die Sensorelemente 4 sind parallel geschaltet. Des Weiteren sind die Sensorelemente derart ausgebildet, dass die Spannung, die über einem Sensorelement abfällt, einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Sensorelement 4 durch eine pn-Diode gebildet, die in einem Temperaturbereich von -40°C bis 85°C etwa einen Temperaturkoeffizienten von in etwa -2 mV/K aufweist. Alternativ könnte eine Sensorelement 4, beispielsweise auch durch einen diodengeschalteten Transistor gebildet werden.
Die Gruppe der parallel geschalteten Sensorelemente 4 wird über die Stromquelle 6 mit einem konstanten Strom l0 gespeist. Die Einspeisung des Stromes l0 bewirkt einen Spannungsabfall Uout über der Gruppe der Sensorelemente 4. Aufgrund der negativen Temperaturcharakteristik eines Sensorelementes 4 bestimmt das heißeste Sensorelement 4 den Spannungsabfall Uout über der Gruppe der Sensorelemente 4.
Die Spannung, die über den parallel geschalteten Sensorelementen 4 abfällt, wird mittels der Messvorrichtung 5 gemessen. Zur Auswertung der gemessenen Spannung kann die Messvorrichtung 5 beispielsweise einen A/D-Wandler und einen Mikrocontroller umfassen, die es ermöglichen, beispielsweise durch einen Vergleich mit Schwellenwerten oder Referenzkurven, zu ermitteln, ob eine Maximaltemperatur überschritten wurde. Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass die Messvorrichtung einen Komparator aufweist, der die gemessene Spannung Uout, die über der Gruppe der Sensorelemente 4 abfällt, mit einer Referenzspannung, die beispielsweise einen Schwellenwert charakterisiert, vergleicht.
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 2 ermöglicht es, mit geringem Aufwand die Maximaltemperatur innerhalb einer Gruppe von Batteriezellen 1 zu bestimmen.

Claims

Ansprüche
1 . Sensoreinrichtung (2) für die Erfassung der Maximaltemperatur mehrerer Batteriezellen (1 ), umfassend eine elektrische Schaltung (3) und eine Messvorrichtung (5), wobei die Schaltung (3) mindestens eine Stromquelle (6) und mehrere Sensorelemente (4) zum Messen einer Temperatur aufweist, wobei mindestens ein Sensorelement (4) mit jeweils einer Batteriezelle (1 ) in Kontakt bringbar ist, die Sensorelemente (4) parallel geschaltet sind, und die Sensorelemente (4) derart ausgebildet sind, dass die Spannung, die über einem Sensorelementen (4) abfällt, einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, und mittels der Messvorrichtung (5) die Spannung, die über der Gruppe der parallel geschalteten Sensorelementen (4) abfällt, bei einem mittels der Stromquelle (6) eingeprägten Strom messbar ist.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 , wobei ein Sensorelement (4) ein Halbleiterbauelement, vorzugsweise eine Diode oder einen Transistor aufweist.
3. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (5) einen Komparator oder einen MikroController aufweist.
4. Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen (1 ) und einer Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Sensorelement mit jeweils einer Batteriezelle (1 ) in Kontakt ist.
5. Batteriesystem nach Anspruch 4, wobei die Batteriezellen (1 ) Lithium-Ionen- Zellen sind.
PCT/EP2010/061597 2009-10-01 2010-08-10 Sensoreinrichtung für die erfassung der maximaltemperatur mehrerer batteriezellen und batteriesystemen WO2011038967A1 (de)

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