WO2012123286A1 - Elektrische batterie und verfahren zur messung der zellspannungen in einer elektrischen batterie - Google Patents

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WO2012123286A1
WO2012123286A1 PCT/EP2012/053807 EP2012053807W WO2012123286A1 WO 2012123286 A1 WO2012123286 A1 WO 2012123286A1 EP 2012053807 W EP2012053807 W EP 2012053807W WO 2012123286 A1 WO2012123286 A1 WO 2012123286A1
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PCT/EP2012/053807
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Johannes Katzmann
Dietmar Vogt
Stefan Dünsbier
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Continental Automotive Gmbh
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention generally relates to the monitoring of operating parameters of an electric battery composed of a plurality of battery cells, such as a traction battery of an electric or hybrid vehicle.
  • the invention relates to an electric battery with a plurality of cells connected in series and a voltage measuring device for measuring the cell voltages, wherein for each cell, a first conduction path between a first cell terminal of this cell and a first measuring terminal of the voltage ⁇ meter runs, and wherein and a second conduction path between a second cell terminal of this cell and a second measuring terminal of the voltage measuring device runs (over these line paths, the cell voltage in question can be measured).
  • the invention relates to a method for measuring the cell voltages in such an electric battery using said voltage measuring device. Electric batteries and method of cell voltage measurement of the aforementioned type are known from the prior art. By means of the two line paths provided for each cell, all cell voltages can advantageously be measured "directly" in a simple manner, by a first cell potential (eg positive cell potential) via the first conduction path and a second cell path
  • Cell potential (eg, negative cell potential) are guided via the second conduction path to the associated measuring terminals of the voltage measuring device.
  • the line paths are resistive or intentionally provided with corresponding line resistances (in order to protect the relevant cell in the event of an input-side short-circuit of the relevant voltage measurement channel).
  • the values of such line resistances can also be taken into account in this measurement (together with the values of the "internal resistances" of the cells). It is furthermore known from the prior art to carry out cell balancing in an electric battery of the type mentioned above in order to eliminate any irregularities in the charge states of the individual cells from time to time.
  • one or more of the cells are selected for this purpose on the basis of a cell voltage monitoring and individually discharged somewhat.
  • the unloading passage used for this purpose can, for. B. can be provided as a resistive and activated switchable connection passage (discharge passage) between the first conduction path and the second conduction path.
  • Components may come to wrong results in the measurement of cell voltages. Apart from ensuring a proper measurement operation, it would therefore be desirable to at least detect possible error cases or the underlying (component) errors in as many conceivable error cases in practice.
  • this object is achieved in that between a first circuit node of the first line path and a second
  • Circuit node of the second line path a series circuit of a connection resistor and a controllable
  • auxiliary resistor is arranged to be able to perform a redundant measurement of the same cell voltage when the switching element ⁇ closed.
  • the two circuit nodes or the two conduction paths form a "tap on a voltage divider which includes the connection resistance and the auxiliary resistor or is formed from these two thrust ⁇ stands, so that the processing performed in this state (redundant)" second partial measurement "results as a result, a voltage corresponding to a fraction of the cell voltage in question, this fraction is predetermined by the electrical properties of the components ⁇ involved and thus known.
  • connection resistance and auxiliary resistance z. B. have the same value, so when the switching element re ⁇ dundant performed measurement delivers a voltage that is half as large as the voltage measured when the switching element is open (cell ⁇ voltage). If an evaluation of the results of these two Redundant partial measurements shows that the two measured voltages are not in the expected relationship to each other, so there is an error case, which may even be narrowed down even more advantageous by a more accurate evaluation. This can be in particular results from gegebe ⁇ appropriate, carried out further partial measurements used (as described further below).
  • the invention is particularly suitable for cell voltage measurement on an electric battery with integrated battery monitoring.
  • the voltage measuring device provided according to the invention forms part or functional part of the battery monitoring.
  • a battery monitoring, z. B. in the form of an electronic monitoring circuit can be integrated together with a cell stack in a battery case, also fulfill other monitoring tasks u ⁇ .
  • Such a monitoring task may consist, for example, in the measurement of one or more cell temperatures.
  • the battery monitoring can also fulfill control tasks, such as the control of a cooling or temperature control of the battery or of individual battery cells (based on a previous cell temperature measurement) or the control of a cell voltage equalization (eg based on a preceding cell voltage measurement).
  • an electric or hybrid vehicle for example comprising at least one "cell block” comprising at least 10, in particular we ⁇ itchs 20 battery cells.
  • the invention is not limited to any particular type of Bat ⁇ teriezellen. In one embodiment, it is z.
  • the voltage measuring device may advantageously comprise one or more AD (analog / digital) converters, by means of which the voltage prevailing between the first measuring connection and the second measuring connection is converted into a digital representation, so that advantageously a digital further processing, in particular for the purpose of a more accurate evaluation the results of cell voltage measurement is possible.
  • AD analog / digital
  • a first line resistance is arranged in the first line path between the first circuit node and the first measuring terminal and / or a second line resistance is arranged in the second line path between the second circuit node and the second measuring terminal.
  • At least the passages of the first conduction path and the second conduction path extending between the first circuit node and the first measurement connection or between the second circuit node and the second measurement connection are each provided with a line resistance.
  • These resistors can z. B. be sized with identical resistance.
  • the first measuring connection and the second measuring connection are connected to one another via a buffer capacitor.
  • the value of the auxiliary resistance is greater than 0.1 times the value of the connection resistance and / or the value of the auxiliary resistance.
  • Level is less than 10 times the value of the connection ⁇ resistance. It can thus advantageously be achieved that the voltages which result during the first partial measurement and the second partial measurement do not deviate too much from one another, and thus in particular no "measuring range changeover" is required at the voltage measuring device.
  • a diagnosis of the cell voltage measurement is preferably also carried out on the basis of a comparison of the results of the two partial measurements.
  • a detectable by the diagnostic error case is in particular ⁇ sondere present when the results of the two measurements do not "fit together".
  • the result of at least one further partial measurement can also be used.
  • the following is of particular importance:
  • the battery according to the invention comprises a series arrangement of a plurality (eg 10 or more) electrical cells, wherein for each cell a "first conduction path" and a “second conduction path” (and the further circuit components described above) are provided, in the case of It is also clear to the immediately adjacent cells in the cell series circuit that the "second conduction path" of a cell simultaneously represents the "first conduction path” of an adjacent cell (or vice versa) represents ⁇ .
  • the voltage measured in this case is the voltage which results between the first measuring terminal and the second measuring terminal of the "associated" two conducting paths, the "first partial measuring” and the “ second part measurement "are to be distinguished according to whether the" associated "switching element is open or closed.
  • An advantageous method for operating an electric battery within the scope of the invention provides that besides a measurement of the cell voltages by means of a method of the type described above, an equalization ("balancing") of the cell charging states (eg cell voltages) by targeted temporary closing the switching elements is performed on those cells which have a relatively high state of charge or a relatively high cell voltage.
  • an equalization of the cell charging states (eg cell voltages) by targeted temporary closing the switching elements is performed on those cells which have a relatively high state of charge or a relatively high cell voltage.
  • Fig. 1 is a block diagram of an electric battery with an integrated monitoring electronics
  • FIG. 2 is a block diagram of a detail of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a block diagram of a detail of FIG. 1.
  • Fig. 1 shows an electric battery 10, z. Legs
  • the cells 12 may be, for example, so-called flat cells which stack one or more cell stacks or cell blocks within a battery housing 16, wherein the monitoring electronics 14 structurally combined with the one or more cell stacks is also accommodated in this housing 16.
  • the monitoring electronics 14 comprises in the illustrated example, a central monitoring unit 18, symbolized by double arrows in Fig. 1 in communication with other devices of the monitoring electronics 14 and with an external control and / or monitoring device.
  • the external device can be, for example, a central control component of an electric drive system of the relevant vehicle.
  • the communication of the monitoring electronics 14 with such external units can, for. B. via a standardized bus system (eg., CAN bus).
  • the central monitoring unit 18 communicates in particular with a series of
  • FIG. 1 12-channel ADC ("analog-digital-converter") units, hereafter referred to as "converter".
  • one of these transducers is denoted by 20 and acts as a voltage ⁇ measuring device for direct measurement of the cell voltages of twelve cells 12, which are arranged adjacent to each other in the series connection of the cells 12.
  • the twelve cells 12 which are monitored by the transducer designated 20 for their cell voltages are outlined in FIG. 1 by a dashed line.
  • Fig. 1 between these twelve cells 12 and the Transducer 20 indicated electrical connection arrangement is the technical implementation of the cell voltage measurement and a so-called cell equalization ("balancing"). Both will be described in more detail below with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 illustrates the connection of said twelve cells 12 to the transducers 20 monitoring these cells 12. Of these cells 12, only the last six are shown in FIG. Their cell voltages are designated Vc7 to Vcl2.
  • each cell 12 there is provided a circuit arrangement which connects this cell 12 to terminals of the converter 20 and which repeats from cell to cell as illustrated.
  • a circuit arrangement which connects this cell 12 to terminals of the converter 20 and which repeats from cell to cell as illustrated.
  • Vcl2 the cell voltage
  • a "first conduction path” extends between a first (positive) cell terminal c1 and a first measuring terminal ml of the converter 20 and a “second conduction path” between a second (negative) cell terminal c2 and a second measuring terminal m2 of the converter 20.
  • the first conduction path extends from cl over a first one
  • the second conduction path extends from c2 via an auxiliary resistor Rh, a second circuit node L, and a second line resistor Rf2 to the port m2.
  • the measuring connections ml and m2 form the input of one of the twelve measuring channels of the (12-channel) converter 20.
  • a voltage VIN12 prevailing between the measuring connections ml, m2 is converted by the converter 20 into a digital signal (and as a measuring signal). result in digital form communicates to the central monitoring unit 18 of the monitoring electronics).
  • connection passage consisting of a connection resistor Rb and a transistor T goes to the circuit node L of the second one
  • the "first partial measurement" is carried out in a high-resistance state of the connection passage, i. H. when the transistor T is open.
  • its control terminal is connected to a corresponding output terminal of the converter 20.
  • the transistor T By the transistor T is brought into the conductive state by a corresponding drive signal, the associated cell 12 be discharged via the connection passage Rb, T between the nodes K and L.
  • Such a discharge of individual cells 12 is in the example shown in the context of a so-called
  • Cell balancing is performed in order to match the charge states of the individual cells 12 from time to time based on a previous cell voltage measurement.
  • Passive balancing The method used here to discharge relatively heavily charged cells 12 via a (resistive) discharge passage is commonly referred to as "passive balancing". This does not exclude that in the electric battery described here, alternatively or additionally, a so-called “active balancing” is performed in which individual cells are identified with relatively low charge and then actively charged to a more or less equal state of charge for all cells to effect.
  • the production of an electrical line connection between the nodes K and L, via the connection resistor Rb and the transistor T, but in addition to carrying out a further measurement operation for the cell voltage Vcl2 by means of the associated measuring channel or input ml, m2 is used.
  • the transistor T When the transistor T is closed, the voltage VIN12 measurable between the measuring terminals ml, m2 results as a voltage drop at the series connection of the resistor Rb and the transistor T, wherein the voltage drop component at the transistor T is in practice mostly negligible (or taken into account in the measurement evaluation) ).
  • This voltage drop is a certain fraction of the cell voltage Vcl2, so that the measurement of VIN12 at conducting transistor T is also a measurement of Vcl2.
  • This redundant measurement of a cell voltage Vc by measurement of the associated transducer input ml, m2 herr- Seeing voltage VIN is hereinafter also referred to as "indirect measurement” or "second partial measurement”.
  • the two line resistances Rfl and Rf2 have identical resistance values.
  • the resistance values of the resistors Rb and Rh are preferably of the same order of magnitude and may be e.g. B. also be provided with mutually identical resistance value.
  • a buffer capacitor Cf is still provided in the example shown, which connects the measuring connections ml and m2 with each other.
  • a measurement of the relevant cell voltage is carried out for each of the cells 12 in the manner described above, ie. H. Based on a comparison of the two partial measurements, the monitoring electronics 14 also carry out a diagnosis of the cell voltage measurement, so that error cases can advantageously be identified and, if necessary, specific types of errors identified or localized.
  • circuitry shown in FIG. 2 between the cells 12 and the illustrated transducer 20 (and the other transducers 20) enables the implementation of still further Single measurements or partial measurements to further increase the redundancy and the error diagnostic options.
  • VIN12 Vcl2 (first partial measurement)
  • VIN12 Vcl2 - Vcl2 x Rh / Rb (second partial measurement)
  • VIN11 Vcll + Vcl2 x Rh / Rb (further individual measurements)
  • the voltage VIN11 applied to the measuring terminals of the adjacent channel and thus measured is thus a linear combination of the cell voltages Vcll and Vcl2. From the voltage VIN11 measured in this way, the cell voltage Vcll can thus be determined by inserting the cell voltage Vcl2 known from the first and second partial measurements into the above relationship.
  • This determination of Vcll advantageously represents a third re ⁇ dundant measurement of the cell voltage Vcll (in addition to the first and second partial measurements of the cell voltage Vcll by means of the measuring channel associated with Vcll).
  • the above-described measuring procedure can be continued in a corresponding manner for multiply redundant determination of further cell voltages (eg VclO, Vc9,...), And is preferably carried out by means of a software algorithm, which can also include the calculation steps required for the result evaluation.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen (12) und einer Spannungsmesseinrichtung (20) zur Messung der Zellspannungen (Vc), wobei für jede Zelle (12) ein erster Leitungspfad zwischen einem ersten Zellanschluss (c1) und einem ersten Messanschluss (m1) der Spannungsmesseinrichtung (20) und ein zweiter Leitungspfad zwischen einem zweiten Zellanschluss (c2) und einem zweiten Messanschluss (m2) der Spannungsmesseinrichtung (20) verläuft, um die betreffende Zellspannung (Vc) messen zu können. Um die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Ergebnisse der Zellspannungsmessungen zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen einem ersten Schaltungsknoten (K) des ersten Leitungspfades und einem zweiten Schaltungsknoten (L) des zweiten Leitungspfades eine Reihenschaltung aus einem Verbindungswiderstand (Rb) und einem ansteuerbaren Schaltelement (T) verläuft, und dass im zweiten Leitungspfad zwischen dem zweiten Zellanschluss (c2) und dem zweiten Schaltungsknoten (L) ein Hilfswiderstand (Rh) angeordnet ist, um bei geschlossenem Schaltelement (T) eine redundante Messung derselben Zellspannung (Vc) durchführen zu können.

Description

Beschreibung
Elektrische Batterie und Verfahren zur Messung der Zellspannungen in einer elektrischen Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Überwachung von Betriebsparametern einer aus mehreren Batteriezellen zusammengesetzten elektrischen Batterie, wie beispielsweise einer Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine elektrische Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen und einer Spannungsmesseinrichtung zur Messung der Zellspannungen, wobei für jede Zelle ein erster Leitungspfad zwischen einem ersten Zellanschluss dieser Zelle und einem ersten Messanschluss der Spannungs¬ messeinrichtung verläuft, und wobei und ein zweiter Leitungspfad zwischen einem zweiten Zellanschluss dieser Zelle und einem zweiten Messanschluss der Spannungsmesseinrichtung verläuft (Über diese Leitungspfade kann die betreffende Zellspannung gemessen werden) . Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung der Zellspannungen in einer derartigen elektrischen Batterie unter Verwendung der genannten Spannungsmesseinrichtung . Elektrische Batterien und Verfahren zur Zellspannungsmessung der vorstehend genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Mittels der für jede Zelle vorgesehenen zwei Leitungspfaden lassen sich vorteilhaft in einfacher Weise sämtliche Zellspannungen "direkt" messen, indem ein erstes Zellpotential (z. B. positives Zellpotential) über den ersten Leitungspfad und ein zweites
Zellpotential (z. B. negatives Zellpotential) über den zweiten Leitungspfad zu den zugehörigen Messanschlüssen der Spannungsmesseinrichtung geführt werden. Unter der oftmals ohne weiteres erfüllbaren Voraussetzung eines praktisch vernach- lässigbaren Messstromes steht dieser direkten Spannungsmessung auch nicht entgegen, dass die Leitungspfade widerstandsbehaftet sind bzw. gewollt mit entsprechenden Leitungswiderständen versehen sind (um die betreffende Zelle in Falle eines ein- gangsseitigen Kurzschlusses des betreffenden Spannungsmesskanals zu schützen) . Im Übrigen können die Werte derartiger Leitungswiderstände bei dieser Messung auch (zusammen mit den Werten der "Innenwiderstände" der Zellen) mitberücksichtigt werden. Aus dem Stand der Technik ist es des weiteren bekannt, bei einer elektrischen Batterie der oben genannten Art eine Zellvergleichmäßigung ( "Balancing" ) durchzuführen, um etwaige Ungleich- mäßigkeiten hinsichtlich der Ladezustände der einzelnen Zellen von Zeit zu Zeit zu beseitigen. Gemäß des Konzeptes des so genannten "passiven Balancing" werden hierfür eine oder mehrere der Zellen (mit relativ hohem Ladezustand) auf Basis einer Zellspannungsüberwachung ausgewählt und individuell etwas entladen. Die hierfür verwendete Entladepassage kann z. B. als eine widerstandsbehaftete und angesteuert zuschaltbare Ver- bindungspassage (Entladungspassage) zwischen erstem Leitungspfad und zweitem Leitungspfad vorgesehen sein.
Bei Batterien und Messverfahren der hier interessierenden Art besteht ein prinzipielles Problem darin, dass es auf Grund eines nie ganz auszuschließenden Versagens einzelner elektrischer
Komponenten zu falschen Ergebnissen bei der Messung von Zellspannungen kommen kann. Abgesehen von einer Sicherstellung eines ordnungsgemäßen Messbetriebes wäre es daher wünschenswert, bei möglichst vielen in der Praxis denkbaren Fehlerfällen diese Fehlerfälle bzw. die zugrundeliegenden (Bauteil- ) Fehler zumindest zu erkennen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer elektrischen Batterie bzw. bei einem Messverfahren der vorstehend erläuterten Art die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Er¬ gebnisse von Zellspannungsmessungen zu erhöhen, und hierbei insbesondere etwaige Fehler, beispielsweise durch Bauteilver¬ sagen, besser erkennen zu können.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Batterie wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen einem ersten Schaltungsknoten des ersten Leitungspfades und einem zweiten
Schaltungsknoten des zweiten Leitungspfades eine Reihenschaltung aus einem Verbindungswiderstand und einem ansteuerbaren
Schaltelement verläuft, und dass im zweiten Leitungspfad zwischen dem zweiten Zellanschluss und dem zweiten Schaltungsknoten ein Hilfswiderstand angeordnet ist, um bei geschlossenem Schalt¬ element eine redundante Messung derselben Zellspannung durchführen zu können. Bei geschlossenem Schaltelement bilden die beiden Schaltungsknoten bzw. die beiden Leitungspfade einen "Abgriff an einem Spannungsteiler, der den Verbindungswiderstand und den Hilfswiderstand enthält bzw. aus diesen beiden Wider¬ ständen gebildet ist, so dass die in diesem Zustand durchgeführte ( redundante )" zweite Teilmessung" als Ergebnis eine Spannung ergibt, die einem Bruchteil der betreffenden Zellspannung entspricht, wobei dieser Bruchteil durch die elektrischen Ei¬ genschaften der beteiligten Komponenten vorgegeben und somit bekannt ist.
Hierzu ein einfaches Beispiel: Falls der erwähnte Spannungsteiler lediglich aus Verbindungswiderstand, Hilfswiderstand und dem dazwischen liegenden Schaltelement (mit z. B. vernachlässigbarem Durchgangswiderstand im geschlossenen Zustand) gebildet ist, und Verbindungswiderstand und Hilfswiderstand z . B. den gleichen Wert besitzen, so liefert die bei geschlossenem Schaltelement re¬ dundant durchgeführte Messung eine Spannung, die halb so groß wie die bei geöffnetem Schaltelement gemessene Spannung (Zell¬ spannung) ist. Wenn eine Auswertung der Ergebnisse dieser beiden redundanten Teilmessungen ergibt, dass die beiden gemessenen Spannungen nicht im zu erwartenden Verhältnis zueinander stehen, so liegt ein Fehlerfall vor, der unter Umständen sogar durch eine genauere Auswertung vorteilhaft noch näher eingegrenzt werden kann. Hierfür können insbesondere auch Ergebnisse von gegebe¬ nenfalls durchgeführten weiteren Teilmessungen herangezogen werden (wie weiter unten noch beschrieben) .
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Zellspannungsmessung an einer elektrischen Batterie mit darin integrierter Batterieüberwachung. In diesem Fall bildet die erfindungsgemäß vorgesehene Spannungsmesseinrichtung einen Teil bzw. funktionalen Teil der Batterieüberwachung. Daneben kann eine solche Batterieüberwachung, die z. B. in Form einer elektronischen Überwachungsschaltung zusammen mit einem Zellenstapel in einem Batteriegehäuse integriert sein kann, auch noch andere Über¬ wachungsaufgaben erfüllen. Eine solche Überwachungsaufgabe kann beispielsweise in der Messung einer oder mehrerer Zelltemperaturen bestehen. Auch kann die Batterieüberwachung Steuerungsaufgaben erfüllen, wie etwa die Ansteuerung einer Kühlung bzw. Temperierung der Batterie bzw. einzelner Batteriezellen (auf Basis einer vorangegangenen Zelltemperaturmessung) oder die Ansteuerung einer Zellspannungsvergleichmäßigung (z. B. auf Basis einer vorangegangenen Zellspannungsmessung) .
In einer Aus führungs form der Erfindung handelt es sich bei der elektrischen Batterie um die Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, beispielsweise enthaltend wenigstens einen "Zellenblock" umfassend wenigstens 10, insbesondere we¬ nigstens 20 Batteriezellen.
Die Erfindung ist nicht auf irgendeine spezielle Art von Bat¬ teriezellen eingeschränkt. In einer Aus führungs form handelt es sich z. B. um Lithium-basierte Zellen (z. B. Lithium-Ionen- Zellen) .
Die Spannungsmesseinrichtung kann vorteilhaft einen oder mehrere AD (Analog/Digital ) -Wandler umfassen, mittels welchen die zwischen dem ersten Messanschluss und dem zweiten Messanschluss herrschende Spannung in eine digitale Repräsentation gewandelt wird, so dass vorteilhaft eine digitale Weiterverarbeitung, insbesondere zum Zwecke einer genaueren Auswertung der Ergebnisse der Zellspannungsmessung, ermöglicht ist.
In einer Aus führungs form ist im ersten Leitungspfad zwischen dem ersten Schaltungsknoten und dem ersten Messanschluss ein erster Leitungswiderstand angeordnet und/oder im zweiten Leitungspfad zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem zweiten Messanschluss ein zweiter Leitungswiderstand angeordnet. Damit ist vorteilhaft ein Kurzschlussschutz realisiert, für den Fall, dass die Spannungsmesseinrichtung (z. B. AD-Wandlereinrichtung) einen Kurzschluss verursacht.
Bevorzugt sind zumindest die zwischen dem ersten Schaltungsknoten und dem ersten Messanschluss bzw. zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem zweiten Messanschluss verlaufenden Passagen des ersten Leitungspfades bzw. zweiten Leitungspfades jeweils mit einem Leitungswiderstand versehen. Diese Leitungswiderstände können z. B. mit identischem Widerstandswert bemessen sein.
In einer Aus führungs form sind der erste Messanschluss und der zweite Messanschluss über einen Pufferkondensator miteinander verbunden .
In einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass der Wert des Hilfswiderstandes größer als das 0,1-fache des Wertes des Verbindungswiderstandes ist und/oder der Wert des Hilfswider- Standes kleiner als das 10-fache des Wertes des Verbindungs¬ widerstandes ist. Damit kann vorteilhaft erreicht werden, dass die bei der ersten Teilmessung und zweiten Teilmessung sich ergebenden Spannungen nicht allzu sehr voneinander abweichen und somit insbesondere keine "Messbereichsumschaltung" an der Spannungsmesseinrichtung erforderlich ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der Zellspannungen in einer elektrischen Batterie der vorstehend be- schriebenen Art ist vorgesehen, dass eine Messung wenigstens einer der Zellspannungen sowohl bei geöffnetem Schaltelement als auch bei geschlossenem Schaltelement der betreffenden Reihenschaltung durchgeführt wird. Diese beiden Messungen wurden oben bereits als "erste Teilmessung" und "zweite Teilmessung" bezeichnet.
Bevorzugt wird bei diesem Messverfahren auch eine Diagnose der Zellspannungsmessung anhand eines Vergleiches der Ergebnisse der beiden Teilmessungen durchgeführt. Ein durch die Diagnose feststellbarer Fehlerfall liegt insbe¬ sondere dann vor, wenn die Ergebnisse der beiden Teilmessungen nicht "zueinander passen".
Bei der Diagnose kann neben dem Ergebnis der ersten Teilmessung und/oder dem Ergebnis der zweiten Teilmessung noch das Ergebnis wenigstens einer weiteren Teilmessung herangezogen werden. In dieser Hinsicht ist insbesondere folgendes von Bedeutung:
Die erfindungsgemäße Batterie enthält eine Reihenschaltung von mehreren (z. B. 10 oder mehr) elektrischen Zellen, wobei für jede Zelle ein "erster Leitungspfad" und ein "zweiter Leitungspfad" (und die oben beschriebenen weiteren Schaltungskomponenten) vorgesehen sind, wobei im Falle von unmittelbar benachbarten Zellen in der Zellenreihenschaltung auch klar ist, dass der "zweite Leitungspfad" einer Zelle gleichzeitig den "ersten Leitungspfad" einer benachbarten Zelle (oder umgekehrt) dar¬ stellt.
Bei der bisherigen Beschreibung der Messung einer bestimmten Zellspannung wurde stets davon ausgegangen, dass die hierbei gemessene Spannung diejenige Spannung ist, welche sich zwischen dem ersten Messanschluss und dem zweiten Messanschluss der "zugehörigen" beiden Leitungspfade ergibt, wobei die "erste Teilmessung" und die "zweite Teilmessung" danach zu unterscheiden sind, ob das "zugehörige" Schaltelement geöffnet oder geschlossen ist .
Wie es unten bei der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert wird, sind jedoch auch weitere
"Teilmessungen" möglich, bei welchen keine solche 1 : 1-Zuordnung zwischen der zu messenden ZellSpannung und dem hierfür verwendeten Paar von Leitungspfaden vorliegt, also z. B. zur Messung der Zellspannung einer bestimmten Zelle nicht (nur) eine Messung über das "zugehörige" Leitungspfadpaar sondern (zusätzlich) über das "benachbarte" Leitungspfadpaar erfolgt.
Nochmals anders ausgedrückt ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der elektrischen Batterie vorteilhaft die
Durchführung von noch weiteren "Teilmessungen" (neben den erwähnten ersten und zweiten Teilmessungen) im Rahmen einer erweiterten Zellspannungsmessstrategie, womit vorteilhaft die Redundanz und die Fehlererkennungsmöglichkeiten noch weiter erhöht sind.
Die mit der Erfindung ermöglichte Vergrößerung der Redundanz bei einer Zellspannungsmessung bzw. Zellspannungsüberwachung mit Hilfe der Durchführung der erwähnten Teilmessungen schließt keineswegs aus, dass noch weitere redundanzerhöhende Maßnahmen getroffen werden. Hierzu zählt z. B. die mehrmalige Durchführung einer Teilmessung, oder z. B. die mehrfache Durchführung einer Teilmessung mittels unterschiedlicher Eingänge (z. B. unterschiedlicher AD-Wandler ( eingänge ) eines "Mehrkanal-ADC" ) der Spannungsmesseinrichtung (z. B. nach geeigneter Umschaltung von einem Messeingang auf einen anderen Messeingang) .
Ein im Rahmen der Erfindung liegendes vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Batterie sieht vor, dass außer einer Messung der Zellspannungen mittels eines Verfahrens der oben beschriebenen Art ferner eine Vergleichmäßigung ( "Balancing" ) der Zellenladezustände (z. B. Zellenspannungen) durch gezieltes zeitweiliges Schließen der Schaltelemente an denjenigen Zellen durchgeführt wird, welche einen relativ hohen Ladezustand bzw. eine relativ hohe Zellspannung besitzen.
Sehr vorteilhaft kann ein solches, so genanntes "passives Balancing" bereits mit denjenigen Komponenten durchgeführt werden, die bei der erfindungsgemäßen elektrischen Batterie ohnehin vorhanden sind (Bei geschlossenem Schaltelement fließt über den zugehörigen Verbindungswiderstand und den zugehörigen Hilfswiderstand ein hierfür geeigneter Entladestrom) .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer elektrischen Batterie mit einer integrierten Überwachungselektronik, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Details aus Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine elektrische Batterie 10, z. B. eine
Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, mit mehreren in Reihe geschalteten elektrochemischen Batteriezellen 12 (hier: Lithium-Ionen-Zellen) und einer Überwachungselektronik 14. Bei den Zellen 12 kann es sich beispielsweise um so genannte Flachzellen handeln, die gestapelt einen oder mehrere Zellstapel bzw. Zellblöcke innerhalb eines Batteriegehäuses 16 bilden, wobei die Überwachungselektronik 14 baulich zusammengefasst mit dem oder den Zellenstapeln ebenfalls in diesem Gehäuse 16 unter- gebracht ist.
Die Überwachungselektronik 14 umfasst im dargestellten Beispiel eine zentrale Überwachungseinheit 18, die wie durch Doppelpfeile in Fig. 1 symbolisiert in Kommunikationsverbindung mit weiteren Einrichtungen der Überwachungselektronik 14 sowie mit einer externen Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung steht. Im vorliegenden Anwendungsfall kann es sich bei der externen Einrichtung beispielsweise um eine zentrale Steuerungskomponente eines Elektroantriebssystems des betreffenden Fahrzeuges han- dein. Insbesondere die Kommunikation der Überwachungselektronik 14 mit derartigen externen Einheiten kann z. B. über ein standardisiertes Bussystem (z. B. CAN-Bus) erfolgen.
Innerhalb der Überwachungselektronik 14 kommuniziert die zentrale Überwachungseinheit 18 insbesondere mit einer Reihe von
12-Kanal-ADC ( "analog-digital-converter" ) -Einheiten, nachfolgend auch kurz als "Wandler" bezeichnet. In Fig. 1 ist einer dieser Wandler mit 20 bezeichnet und fungiert als eine Spannungs¬ messeinrichtung zur direkten Messung der Zellspannungen von zwölf Zellen 12, die in der Reihenschaltung der Zellen 12 einander benachbart angeordnet sind. Die zwölf Zellen 12, die von dem mit 20 bezeichneten Wandler hinsichtlich ihrer Zellspannungen überwacht werden, sind in Fig. 1 von einer gestrichelten Linie umrandet. Die in Fig. 1 zwischen diesen zwölf Zellen 12 und dem Wandler 20 angedeutete elektrische Verbindungsanordnung dient der technischen Umsetzung der Zellspannungsmessung sowie einer so genannten Zell-Vergleichmäßigung ( "balancing" ) . Beides wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 2 detaillierter beschrieben.
Fig. 2 veranschaulicht die Anbindung der genannten zwölf Zellen 12 an den diese Zellen 12 überwachenden Wandler 20. Von diesen Zellen 12 sind in Fig. 2 nur die letzten sechs dargestellt. Deren Zellspannungen sind mit Vc7 bis Vcl2 bezeichnet.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist für jede Zelle 12 eine diese Zelle 12 mit Anschlüssen des Wandlers 20 verbindende Schaltungsanordnung vorgesehen, die sich wie dargestellt von Zelle zu Zelle wiederholt. Nachfolgend wird daher beispielhaft lediglich eine solche Schaltungsanordnung detaillierter beschrieben, nämlich die zu der Zelle 12 mit der Zellspannung Vcl2 gehörige Beschaltung.
Für diese Zelle 12 verläuft ein "erster Leitungspfad" zwischen einem ersten (positiven) Zellanschluss cl und einem ersten Messanschluss ml des Wandlers 20 und ein "zweiter Leitungspfad" zwischen einem zweiten (negativen) Zellanschluss c2 und einem zweiten Messanschluss m2 des Wandlers 20.
Der erste Leitungspfad verläuft von cl über einen ersten
Schaltungsknoten K und einen Leitungswiderstand Rfl zu dem
Anschluss ml. Der zweite Leitungspfad verläuft von c2 über einen Hilfswiderstand Rh, einen zweiten Schaltungsknoten L und einen zweiten Leitungswiderstand Rf2 zum Anschluss m2. Die Messanschlüsse ml und m2 bilden den Eingang eines der insgesamt zwölf Messkanäle des ( 12-Kanal- ) Wandlers 20. Eine zwischen den Messanschlüssen ml, m2 herrschende Spannung VIN12 wird von dem Wandler 20 in ein Digitalsignal umgesetzt (und als ein Mess- ergebnis in digitaler Form an die zentrale Überwachungseinheit 18 der Überwachungselektronik kommuniziert) .
Es ist klar, dass über die beiden Leitungspfade in einfacher Weise die betreffende Zellspannung Vcl2 gemessen werden kann, da die Zellspannung Vcl2 über diese Leitungspfade direkt an den be¬ treffenden Wandlereingang ml, m2 geführt werden kann, sodass die dort gemessene Spannung VIN12 der Zellspannung Vcl2 entspricht. Diese Art der Messung der Spannung VIN12 wird nachfolgend auch als "direkte Messung" oder "erste Teilmessung" bezeichnet.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 2 leicht nachvollziehbar, einzelne der "Leitungspfade", "Schaltungsknoten", "Messanschlüsse" gemeinsam für einander benachbarte der Zellen 12 bzw. Zellenspannungen Vc ausgebildet und genutzt werden. So ist z. B. der "zweite Lei¬ tungspfad" für die Zelle mit der Zellspannung Vcl2 gleichzeitig der "erste Leitungspfad" für die Zelle mit der Zellspannung Vcll. Der "zweite Schaltungsknoten" für die Zelle mit der Zellspannung Vcl2 ist gleichzeitig der "erste Schaltungsknoten" für die Zelle mit der Zellspannung Vcll usw.
Von dem Schaltungsknoten K des ersten Leitungspfades verläuft eine Verbindungspassage bestehend aus einem Verbindungswiderstand Rb und einem Transistor T zum Schaltungsknoten L des zweiten
Leitungspfades. Die "erste Teilmessung" wird in einem hochohmigen Zustand der Verbindungspassage durchgeführt, d. h. bei geöffnetem Transistor T. Zum Schalten des Transistors T ist dessen Steueranschluss mit einem entsprechenden Ausgangsanschluss des Wandlers 20 verbunden.
Indem der Transistor T durch ein entsprechendes Ansteuersignal in den leitenden Zustand gebracht wird, kann die zugehörige Zelle 12 über die Verbindungspassage Rb, T zwischen den Knoten K und L entladen werden.
Eine solche Entladung einzelner der Zellen 12 wird im dargestellten Beispiel im Rahmen einer so genannten
Zellvergleichmäßigung ( "balancing" ) durchgeführt, um auf Basis einer vorausgegangenen Zellspannungsmessung die Ladezustände der einzelnen Zellen 12 von Zeit zu Zeit aneinander anzupassen.
Die hier verwendete Methode, relativ stark aufgeladene Zellen 12 über eine (widerstandbehaftete) Entladepassage zu entladen, wird üblicherweise als "passives balancing" bezeichnet. Dies schließt nicht aus, dass bei der hier beschriebenen elektrischen Batterie alternativ oder zusätzlich ein so genanntes "aktives balancing" durchgeführt wird, bei welchem einzelne Zellen mit relativ geringer Ladung identifiziert und sodann aktiv aufgeladen werden, um für alle Zellen einen mehr oder weniger gleichen Ladezustand zu bewirken.
Im dargestellten Beispiel wird die Herstellung einer elektrischen Leitungsverbindung zwischen den Knoten K und L, über den Verbindungswiderstand Rb und den Transistor T, jedoch zusätzlich zur Durchführung eines weiteren Messvorganges für die Zellspannung Vcl2 mittels des zugehörigen Messkanales bzw. -einganges ml, m2 genutzt. Bei geschlossenem Transistor T ergibt sich die zwischen den Messanschlüssen ml, m2 messbare Spannung VIN12 als Spannungsabfall an der Reihenschaltung aus dem Widerstand Rb und dem Transistor T, wobei der Spannungsabfallanteil am Transistor T in der Praxis zumeist vernachlässigbar ist (bzw. bei der Messauswertung mitberücksichtigt wird) . Dieser Spannungsabfall ist ein bestimmter Bruchteil der Zellspannung Vcl2 , sodass die Messung von VIN12 bei leitendem Transistor T ebenfalls eine Messung von Vcl2 darstellt. Diese redundante Messung einer Zellspannung Vc durch Messung der am zugehörigen Wandlereingang ml, m2 herr- sehenden Spannung VIN wird nachfolgend auch als "indirekte Messung" oder "zweite Teilmessung" bezeichnet.
Vorteilhaft wird bei Durchführung sowohl der ersten als auch der zweiten Teilmessung (z. B. unmittelbar aufeinanderfolgend) nicht nur die Redundanz und somit Zuverlässigkeit bzw. Aussagekraft der Zellspannungsmessung erhöht, sondern auch eine Detektion etwaiger Fehler z. B. derjenigen Komponenten ermöglicht bzw. vereinfacht, welche maßgeblichen Einfluss auf den Wert der gemessenen Spannung (z. B. VIN12) besitzen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die beiden Leitungswiderstände Rfl und Rf2 identische Widerstandswerte. Die Widerstandswerte der Widerstände Rb und Rh liegen bevorzugt in der gleichen Größenordnung und können z. B. ebenfalls mit zueinander identischem Widerstandswert vorgesehen sein. Außerdem ist im dargestellten Beispiel noch ein Pufferkondensator Cf vorgesehen, welcher die Messanschlüsse ml und m2 miteinander verbindet. Bei der elektrischen Batterie 10 wird im Rahmen einer Zellspannungsüberwachung für jede der Zellen 12 jeweils eine Messung der betreffenden Zellspannung in der vorstehend beschriebenen Weise durchgeführt, d. h. sowohl bei geöffnetem zugehörigem Transistor T als auch bei geschlossenem zugehörigem Transistor T. Anhand eines Vergleiches der beiden Teilmessungen wird von der Überwachungselektronik 14 ferner eine Diagnose der Zellspannungsmessung durchgeführt, sodass vorteilhaft Fehlerfälle identifiziert und ggf. bestimmte Fehlerarten identifiziert bzw. lokalisiert werden können.
Interessanterweise ermöglicht die in Fig. 2 dargestellte Be- schaltung zwischen den Zellen 12 und dem dargestellten Wandler 20 (und den weiteren Wandlern 20) die Durchführung von noch weiteren Einzelmessvorgängen bzw. Teilmessungen, um damit die Redundanz sowie die Fehlerdiagnosemöglichkeiten noch weiter zu erhöhen.
Nachfolgend sei beispielhaft ein derartiges Messprozedere zur Ermittlung der Zellspannung Vcl2, Vcll, VclO, ... erläutert, welches hierfür zusätzlich zu den ersten und zweiten Teilmessungen dieser Zellspannungen Vcl2, Vcll, VclO,... noch weitere Messvorgänge nutzt. Bei dem Prozedere kann z . B . zunächst die Zellspannung Vcl2 mittels einer "ersten Teilmessung" und einer "zweiten Teilmessung" ermittelt werden. Hierbei gilt:
VIN12 = Vcl2 (erste Teilmessung)
VIN12 = Vcl2 - Vcl2 x Rh/Rb (zweite Teilmessung)
Aus jeder dieser Teilmessungen lässt sich somit Vcl2 ermitteln. Sodann (oder gleichzeitig mit der zweiten Teilmessung von Vcl2) wird eine Messung mit dem "Nachbarkanal" durchgeführt, welcher zu der Zelle 12 mit der Zellspannung Vcll gehört, wobei hierbei der Transistor T dieses Nachbarkanals ebenfalls geschlossen ist. Es gilt dann:
VIN11 = Vcll + Vcl2 x Rh/Rb (weitere Einzelmessung)
Die an den Messanschlüssen des Nachbarkanals anliegende und somit gemessene Spannung VIN11 ist somit eine Linearkombination der Zellspannungen Vcll und Vcl2. Aus der in dieser Weise gemessenen Spannung VIN11 lässt sich somit die Zellspannung Vcll ermitteln, indem die aus den ersten und zweiten Teilmessungen bekannte Zellspannung Vcl2 in die vorstehende Beziehung eingesetzt wird. Diese Ermittlung von Vcll stellt vorteilhaft eine dritte re¬ dundante Messung der Zellspannung Vcll dar (neben den ersten und zweiten Teilmessungen der Zellspannung Vcll mittels des zu Vcll zugehörigen Messkanals) .
Das vorstehend geschilderte Messprozedere kann in entsprechender Weise zur mehrfach redundanten Ermittlung weiterer Zellspannungen (z. B. VclO, Vc9, ...) fortgesetzt werden, und wird bevorzugt mittels eines Software-Algorithmus durchgeführt, welcher auch die zur Ergebnisauswertung erforderlichen Berechnungsschritte beinhalten kann.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen (12) und einer Spannungsmesseinrichtung (20) zur Messung der Zellspannungen (Vc) , wobei für jede Zelle (12) ein erster Leitungspfad zwischen einem ersten Zellanschluss (cl) dieser Zelle (12) und einem ersten Messanschluss (ml) der Spannungsmesseinrichtung (20) und ein zweiter Leitungspfad zwischen einem zweiten Zellanschluss (c2) dieser Zelle (12) und einem zweiten Messanschluss (m2) der Spannungsmess¬ einrichtung (20) verläuft, um die betreffende Zellspannung (Vc) messen zu können, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen einem ersten Schaltungsknoten (K) des ersten Leitungspfades und einem zweiten Schaltungsknoten (L) des zweiten Leitungspfades eine Reihenschaltung aus einem Verbindungswiderstand (Rb) und einem ansteuerbaren Schaltelement (T) verläuft, und dass im zweiten Leitungspfad zwischen dem zweiten Zellanschluss (c2) und dem zweiten Schaltungsknoten (L) ein Hilfswiderstand (Rh) angeordnet ist, um bei geschlossenem Schaltelement (T) eine redundante Messung derselben Zellspannung (Vc) durchführen zu können .
2. Elektrische Batterie nach Anspruch 1, wobei im ersten
Leitungspfad zwischen dem ersten Schaltungsknoten (K) und dem ersten Messanschluss (ml) ein erster Leitungswiderstand (Rfl) angeordnet ist und/oder wobei im zweiten Leitungspfad zwischen dem zweiten Schaltungsknoten (L) und dem zweiten Messanschluss (m2) ein zweiter Leitungswiderstand (Rf2) angeordnet ist.
3. Elektrische Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Messanschluss (ml) und der zweite Messan- schluss (m2) über einen Pufferkondensator (Cf) miteinander verbunden sind.
Elektrische Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wert des Hilfswiderstandes (Rh) größer als das 0,1-fache des Wertes des Verbindungswiderstandes (Rb) ist und/oder der Wert des Hilfswiderstandes (Rh) kleiner als das 10-fache des Wertes des Verbindungswiderstandes (Rb) ist.
Verfahren zur Messung der Zellspannungen in einer elektrischen Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche , unter Verwendung der Spannungsmesseinrichtung (20), wobei eine Messung wenigstens einer der Zellspannungen (Vc) sowohl bei geöffnetem Schaltelement (T) als auch bei geschlossenem Schaltelement (T) der betreffenden Reihenschaltung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei auch eine Diagnose der Zellspannungsmessung anhand eines Vergleiches der Ergebnisse der beiden Teilmessungen durchgeführt wird.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Messung der Zellspannungen (Vc) mittels eines Verfahrens nach Anspruch 5 oder 6, ferner umfassend eine Vergleichmäßigung der Zellenladezustände durch gezieltes zeitweiliges Schließen der Schaltelemente an denjenigen Zellen (12), welche einen relativ hohen Zellenladezustand besitzen.
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