WO2014090529A1 - Batteriemanagementsystem und batteriesystem - Google Patents

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WO2014090529A1
WO2014090529A1 PCT/EP2013/074251 EP2013074251W WO2014090529A1 WO 2014090529 A1 WO2014090529 A1 WO 2014090529A1 EP 2013074251 W EP2013074251 W EP 2013074251W WO 2014090529 A1 WO2014090529 A1 WO 2014090529A1
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battery
cell
switching element
control
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PCT/EP2013/074251
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Stefan Butzmann
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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Definitions

  • the invention relates to a control circuit, in particular a battery management system, for monitoring and regulating the operation of a rechargeable battery, in particular a lithium-ion battery, having a plurality of interconnected battery cells, which by at least one switching element electrically decoupled with at least one pole terminal the battery are connected, wherein the control circuit has at least one first cell monitoring device and at least one second cell monitoring device, which is each designed to detect operating parameters of at least one battery cell and forward it to a control device.
  • the invention relates to a battery system comprising a rechargeable battery having a plurality of interconnected battery cells, which are electrically decoupled by at least one switching element connected to at least one pole terminal of the battery, and a control circuit, in particular a battery management system for monitoring and regulating the operation of the battery ,
  • Prior art Control circuits for monitoring and regulating the operation of a rechargeable battery are known in the art, in particular under the name battery management system.
  • a battery operation is on the one hand a discharge of a battery, ie in particular the use of such a battery with a corresponding electrical Consumers, and on the other hand considered a charging of a battery.
  • CSCs Cell Supervision Circuits
  • BCU Battery Control Unit
  • currents measured by a current sensor can be transmitted to the Battery Control Unit as additional measured values.
  • the Battery Control Unit determines battery characteristics, such as the state of charge of individual battery cells, which is also known as state of charge (SOC), and the aging of individual battery cells, which is also referred to as State of Health (SOH).
  • SOC state of charge
  • SOH State of Health
  • the battery control unit is assigned the task of electrically isolating individual battery cells or a group of battery cells from the pole terminals of the battery via the actuation of contactors if detected measured values indicate a critical cell condition of these battery cells.
  • Such disconnection of battery cells is of great importance in order to prevent greater damage both from the battery and from a battery-powered electrical load or a charging device of the battery. This is particularly important because of damaged batteries, such as lithium-ion batteries, and hazards to the user of such batteries can run out, such as fire and explosion. Due to the safety relevance is therefore tried by diagnoses to achieve that for the safety state of a battery cell relevant operating parameters, in particular the cell voltages are reliably detected and transmitted reliably over the communication bus to the Battery Control Unit.
  • a control circuit for monitoring and regulating the operation of a rechargeable battery, in particular a lithium-ion battery, with a plurality of interconnected battery cells, which are electrically decoupled by at least one switching element connected to at least one pole terminal of the battery comprising at least a first cell monitoring device and at least one second cell monitoring device, each adapted to detect operating parameters at least one battery cell and forward to a control device, and wherein the at least one cell monitoring device is connected via a first interface to a first control device and the at least a second cell monitoring device is connected via a second interface with a second control device, wherein the first control device is formed is to determine by evaluating received operating parameters battery characteristics, and wherein the second control device is adapted to control that at least one switching element.
  • the battery cells may advantageously be individually decoupled individually or as a grouping of battery cells by the at least one switching element, wherein a grouping of battery cells may in particular also include all battery cells.
  • the at least one switching element via which the battery cells are connected individually or in groups, for example in groups of twelve battery cells, to the at least one pole terminal of the battery is preferably a contactor, particularly preferably an electrically actuatable contactor.
  • the at least one switching element opens or closes the electrical contact between the battery cells and the at least one pole terminal of the battery as a function of the control by the second control device.
  • the control circuit for monitoring and controlling the operation of a rechargeable battery is a battery management system.
  • the at least one first cell monitoring device and the at least one second cell monitoring device are each set up in such a way that these cell monitoring devices respectively detect the operating parameters of the same at least one battery cell.
  • a redundancy is advantageously generated during the detection of the operating parameters, whereby the reliability in the determination of critical cell states is advantageously increased.
  • the primary function of the first control device is to determine battery characteristics, and to forward these battery properties to other devices, in particular also a higher-level further control device, as information.
  • a higher-level control device may for example be a higher-level vehicle control unit, which, for example, in the control of Drive components is involved.
  • the battery characteristics determined by the first control device by evaluation of received operating parameters are, in particular, the state of charge of the battery (SOC), the state of aging of the battery (SOH) and / or the functional state of the battery (SOF, SOF: state of function).
  • the first control device is designed to determine a cell state, in particular a critical cell state, as a battery property.
  • the second control device has, as a primary function, the activation of the at least one switching element.
  • a separation from the determination of general battery characteristics and the safety-relevant driving of the at least one switching element, ie the opening and closing of the electrical contact between the battery cell and the pole connection, is thereby accomplished.
  • the first control device is designed to determine a cell state as a battery property and to transmit a switching element activation signal to the second control device as a function of the determined cell state.
  • the first control device is designed to determine a critical cell state as a battery property.
  • a critical cell state is present in particular when an unusually high or unusually low cell voltage is detected at a battery cell as an operating parameter.
  • Further operating parameters on the basis of which the first control device determines a critical cell state, are, in particular, measured values which exceed predefined maximum limit values or fall below minimum limit values. In addition to cell voltages, the operating parameters may also relate, for example, to the cell temperature or cell currents. If the first control device has determined a critical cell state, the first control device is advantageously designed to signal the second control device by sending a switching element activation signal this critical cell state. For this purpose, the first control device is advantageously connected via a signal line to the second control device.
  • the transmitted switching element drive signal causes the second one Control means upon receiving the switching element driving signal, the at least one switching element in response to the switching element drive signal to control.
  • a switching element drive signal either causes the second control device to control at least one switching element in such a way that the at least one switching element opens or closes, preferably in response to the switching element activation signal.
  • the first control device is designed for this purpose to generate two different switching element control signals, namely an opening signal and a closing signal.
  • the first control device generates a drive signal for driving the at least one switching element, the first control device does not directly actuate the at least one switching element but instead transmits the switching element activation signal to the second control device.
  • the second control device is configured, upon receipt of a switching element drive signal, to actuate the at least one switching element in response to the received switching element drive signal and thereby to open or close the electrical contact between the battery cells and the at least one pole terminal of the battery.
  • the second control device is also designed to determine a cell state, in particular a critical cell state, by evaluating received operating parameters.
  • a switching element activation signal sent from the first control device to the second control device is checked for plausibility.
  • the decision as to whether the at least one switching element is actually actuated at the request of the first control device, that is to say on the basis of the transmission of a switching element activation signal, is made by the second control device.
  • this decision is based on the evaluation of received operating parameters by the second control device. This decision, whether upon receipt of a Switch element driving signal that is controlled at least one switching element, is carried out insofar independently of an evaluation result of the first control device.
  • At least one comparator unit is connected to the second control device via a third interface, wherein the at least one comparator unit is designed to determine a critical limit value deviation by comparing detected operating parameters of a battery cell with at least one limit value, and this limit value deviation second control device by sending an alarm signal to signal.
  • the at least one comparator unit is advantageously designed to detect an exceeding of a maximum cell voltage limit value and / or a falling below a minimum cell voltage limit value.
  • the at least one comparator unit is generally designed to detect a cell voltage value deviating from an expected value and, depending on the deviation difference, to separate critical from uncritical cell voltages.
  • the respective comparator advantageously compensates detected cell voltage measured values with predetermined cell voltage values, in particular with predetermined maximum and minimum cell voltage values. If the comparator detects a deviation from an expected cell voltage value, in particular exceeding a maximum cell voltage value or undershooting a minimum cell voltage measurement value, the comparator sends an alarm signal as an operating parameter to the second control device.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the second control device is designed to control at least one switching element when this second control device receives a switching element activation signal from the first control device and this second control device has additionally determined a critical cell state and / or an alarm signal from who has received at least one comparator unit.
  • the alarm signal sent by the at least one comparator unit advantageously an Redundancy generated to the cell determined by the second controller cell state.
  • the second control device controls the at least one switching element when the second control device has received a switching element activation signal from the first control device and if the second control device is based on an evaluation of the at least one second cell monitoring device detected operating parameters has determined a critical cell state.
  • the second control device controls the at least one switching element when the second control device has received a switching element drive signal from the first control device and when the second control device has received an alarm signal provided by the at least one comparator unit.
  • the second control device controls the at least one switching element when the second control device has received a switching element activation signal from the first control device and when the second control device has determined a critical cell state based on an evaluation of operating parameters detected by the at least one second cell monitoring device the second control device has received an alarm signal from the at least one comparator unit.
  • the second control device is additionally designed to generate a switching element activation signal when the second control device has received an alarm signal from at least one comparator unit and has determined a critical cell state based on an evaluation of operating parameters detected by the at least one second cell monitoring device ,
  • the at least one first cell monitoring device and the at least one second cell monitoring device are each designed to detect cell voltages as operating parameters of the at least one battery cell.
  • the cell monitoring devices are advantageously so-called Cell Supervision Circuits. These Cell Supervision Circuits preferably each have an application-specific integrated circuit (ASIC, ASIC: Application-specific integrated circuit), which is designed to detect cell voltages as cell voltage readings.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the cell monitoring device or the Cell Supervision Circuit also has a microcontroller which can transmit detected operating parameters to the respective control device using the first or the second interface.
  • the at least one second cell monitoring device is designed to detect minimum cell voltages and / or maximum cell voltages as operating parameters of the at least one battery cell.
  • the amount of data to be transmitted via the second interface is advantageously reduced. Since a critical cell state is usually characterized by unusual cell voltages, a critical cell state can be determined by means of minimum and maximum cell voltage measurements.
  • the amount of data that is to be evaluated by the second control device is reduced.
  • a plurality of first cell monitoring devices and a plurality of second cell monitoring devices are provided, wherein the plurality of first cell monitoring devices in a daisy-chain topology is connected to the first control device via the first interface, and wherein the plurality of second cell monitoring devices in a daisy-chain topology is connected to the second control device via the second interface.
  • the first and the second cell monitoring devices are each arranged in a chain, the cell monitoring device located at the beginning of the chain being at an electrical potential and the cell monitoring devices respectively following in the chain towards the first control device or towards the second control device in each case in cascade fashion are at a lower electrical potential.
  • the cell voltages detected as operating parameters are transmitted in such a way that the cell voltage detected by a cell monitoring device is applied to each of the cell voltages lower level cell monitoring device is transmitted, and the respective lowest lying cell monitoring device all of the
  • the control circuit according to the invention further comprises a plurality of comparator units, wherein the plurality of comparator units is connected in a daisy-chain topology with the second control device via the third interface. The signal transmission takes place as described in connection with the cell monitoring devices.
  • a battery system which has a rechargeable battery with a plurality of battery cells connected to one another, which are connected by at least one switching element electrically decoupled with at least one pole terminal of the battery, and a control circuit according to the invention.
  • a method for controlling at least one switching element, via which battery cells of a battery are connected to at least one pole terminal of the battery which is characterized in that operating parameters of the battery cells detected by a plurality of first cell monitoring devices and be transmitted to a first control device and operating parameters of the same battery cells detected by a plurality of second cell monitoring devices and transmitted to a second control device, wherein the first control device evaluates the detected operating parameters and upon detection of a critical cell state, a switching element drive signal to a second Sends control means, and wherein the second control means evaluates the detected operating parameters and the second control means upon receipt of a Wegelementan tenuungsignals from the first control means and determining a critical cell state by evaluating detected operating parameters, the at least one switching element corresponding to the Wegelementan tenuungssignal drives.
  • a critical cell state is, in particular, such a state of the cell at the operating parameter, such as, for example, the cell voltage or the cell temperature or cell currents of a battery cell, which assume values which deviate by a predefined amount from an expected value with respect to the corresponding operating parameter.
  • a control circuit according to the invention is used to carry out the method.
  • cell voltages are detected as operating parameters of the cell monitoring devices and evaluated by the control devices.
  • the first cell monitoring devices and the second cell monitoring devices are each connected in a daisy-chain topology to the first or the second control device.
  • the second control device For a control of the at least one switching element by the second control device is advantageously provided that the second control device must have received a Heidelbergelementan tenuungssignal from the first control device and additionally carried out by the second control device evaluation of detected by the second cell monitoring devices operating parameters has a cell state as critical , It is provided that these two conditions for the control of the at least one switching element are advantageously met in the same working cycle of the second control device, ie substantially simultaneously.
  • a received switching element activation signal and / or a determined critical cell state is held or stored as a value over several work cycles, so that the at least one switching elements is also activated when the two conditions occur with a small time offset, so between receiving the switching element drive signal and determining a critical cell state few power strokes, such as six power strokes, lie.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a battery system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a further exemplary embodiment of a battery system according to the invention.
  • a plurality of battery cells 1 are connected together to form a rechargeable battery.
  • the battery cells 1 are electrically decoupled via the switching element 2 designed as a contactor from the pole terminal 3 of the battery and thus by an electrical load or by a charging device for charging the battery.
  • the switching element 2 designed as a contactor from the pole terminal 3 of the battery and thus by an electrical load or by a charging device for charging the battery.
  • individual battery cells or smaller groups of battery cells for example, a group of four battery cells, from the battery via corresponding switching elements are separable, preferably between the individual battery cells, a corresponding switching element is arranged and Bridging the battery cell is provided in each case a corresponding provided with a switching element parallel connection.
  • the battery system shown in Fig. 1 has a control circuit for monitoring and controlling the operation of the rechargeable battery.
  • First cell monitoring devices 4 and second cell monitoring devices 5 capture each of three grouped into a group 1 1 battery cells 1, the respective cell voltages of the battery cells 1 as operating parameters.
  • the cell monitoring devices 4 and 5 are designed as application-specific integrated circuits (ASICs) for detecting cell voltages and connected in a daisy-chain topology with the respective control device 12 and 13 respectively. In this case, the respective cell monitoring device of the cell monitoring devices 4 and 5 is each at a different voltage potential.
  • ASICs application-specific integrated circuits
  • Cell voltages detected by a cell monitoring device 4 or 5 are in each case transmitted to that cell monitoring device 4 or 5, which is at a lower voltage potential, wherein the detected cell voltages finally from the last cell monitoring device 4 or 5 in the daisy-chain (in Fig. 1, the cell monitoring device 4 or 5) connected directly to the respective control device 12 or 13 is transmitted to the control device 12 or 13.
  • the cell voltages or cell voltage measured values detected by the first control device 12 in this way as operating parameters are evaluated by the first control device 12. Based on the evaluation, the first controller 12 determines battery characteristics such as the state of charge (SOC) of the battery and the aging (SOH) of the battery. In addition, based on the evaluation of detected cell voltages, the first control device 12 determines critical cell states as a further battery property. If the first control device 12 has determined a critical cell state, the first control device 12 generates a switching element activation signal and transmits this via the communication bus 14 to the second control device 13.
  • SOC state of charge
  • SOH aging
  • the second control device 13 evaluates the cell voltage measurement values detected as operating parameters by the second cell monitoring devices 5 as to whether a critical cell state is present. For this purpose, the second control device 13 in particular checks whether detected cell voltage measurement values deviate significantly from a specified expected value. Receives the second control device 13 from the first control device 12 a Switching element drive signal, then controls the second control device 13, the switching element 2 only if the evaluation of the second control device has shown that detected cell voltages differ significantly from an expected value and thus a cell state is classified as critical.
  • the second controller 13 holds received switching element driving signals and advantageously detects critical cell conditions as an event for eight working cycles in a memory element (not explicitly shown in FIG. 1) and drives the switching element 2 when both events occur in a cycle of eight power strokes.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a battery system according to the invention.
  • This has a battery with a plurality of interconnected battery cells 1.
  • the battery cells 1 are connected as a whole by the switching elements designed as a contactor 2 electrically connected to the pole terminals 3 of the battery. By opening the contactors 2, the battery cells 1 are electrically decoupled from the pole terminals 3 of the battery.
  • Cell monitoring devices 4 and 5 each monitor the cell voltages of a group 1 1 of battery cells 1, as described in connection with FIG. 1.
  • the control circuit also has comparator units 6, which, like the second cell monitoring devices 5, are connected to the second control device 13 in a daisy-chain topology.
  • the comparator units 6 are designed such that only maximum and minimum cell voltage measured values are detected.
  • Maximum cell voltage measurements are those measured values that exceed a specified maximum cell voltage limit.
  • Minimum cell voltage measured values are those measured values which fall below a predetermined minimum cell voltage measured value.
  • the second control device 13 which is designed to control the switching elements 2, receives as operating parameters cell voltage measured values detected by the second cell monitoring devices 5, optionally an alarm signal generated by at least one of the comparator units 6 and possibly one of the first control device 12 based on an evaluation of Switching element driving signal generated by the first cell monitoring means 4 is generated.
  • the second control device 13 controls the switching elements 2 when the second control device 13 receives a switching element control signal from the first control device 12 via the communication bus 14 and has itself determined a critical cell state by evaluating the detected cell voltages and beyond an alarm signal from at least one of the comparator units 6 has received. That is, a triggering of the switching elements 2, ie an opening or closing of the switching elements 2, takes place only when both the first control device 12 and the second control device 13 and at least one of the comparator 6 have determined a critical cell state.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen (1), welche durch wenigstens ein Schaltelement (2) elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss (3) der Batterie verbunden sind, wobei die Regelschaltung wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) und wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) aufweist, die jeweils ausgebildet ist, Betriebsparameter wenigstens einer Batteriezelle (1) zu erfassen und an eine Steuereinrichtung weiterzuleiten, und wobei die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) über eine erste Schnittstelle (7) mit einer ersten Steuereinrichtung (12) verbunden ist und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) über eine zweite Schnittstelle (8) mit einer zweiten Steuereinrichtung (13) verbunden ist, wobei die erste Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter Batterieeigenschaften zu bestimmen, und wobei die zweite Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, das wenigstens eine Schaltelement (2) anzusteuern. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer erfindungsgemäßen Regelschaltung.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriemanagementsvstem und Batteriesvstem Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung, insbesondere ein Batteriemanagementsystem, zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, welche durch wenigstens ein Schaltelement elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, wobei die Regelschaltung wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung und wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung aufweist, die jeweils ausgebildet ist, Betriebsparameter wenigstens einer Batteriezelle zu erfassen und an eine Steuereinrichtung weiterzuleiten.
Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem umfassend eine nachladbare Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, welche durch wenigstens ein Schaltelement elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, und eine Regelschaltung, insbesondere eine Batteriemanagementsystem, zum Überwachen und Regeln des Betriebs der Batterie.
Stand der Technik Regelschaltungen zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie sind im Stand der Technik insbesondere unter der Bezeichnung Batteriemanagementsystem bekannt. Als Betrieb einer Batterie wird dabei einerseits ein Entladevorgang einer Batterie, d.h. insbesondere die Nutzung einer solchen Batterie mit einem entsprechenden elektrischen Verbraucher, und andererseits ein Ladevorgang einer Batterie angesehen. Bei bekannten Regelschaltungen werden hierbei die Zellspannungen der Batteriezellen von mehreren sogenannten Cell Supervision Circuits (CSCs) als Messwerte erfasst und über einen Kommunikations-Bus an eine zentrale Steuereinrichtung, die sogenannte Battery Control Unit (BCU), übertragen. Des Weiteren können von einem Stromsensor gemessene Ströme als weitere Messwerte an die Battery Control Unit übertragen werden. Durch Auswerten der Messwerte bestimmt die Battery Control Unit Batterieeigenschaften, wie unter anderem den Ladezustand einzelner Batteriezellen, welcher auch als State of Charge (SOC) bezeichnet wird, sowie die Alterung einzelner Batteriezellen, die auch als State of Health (SOH) bezeichnet wird.
Darüber hinaus ist bei derartigen Regelschaltungen der Battery Control Unit die Aufgabe zugewiesen, über die Ansteuerung von Schaltschützen einzelne Batteriezellen oder eine Gruppe von Batteriezellen von den Polanschlüssen der Batterie elektrisch zu trennen, wenn erfasste Messwerte auf einen kritischen Zellzustand dieser Batteriezellen hinweisen. Ein solches Abtrennen von Batteriezellen ist von großer Bedeutung, um größere Schäden sowohl von der Batterie als auch von einem von der Batterie gespeisten elektrischen Verbraucher beziehungsweise einer Ladeeinrichtung der Batterie fernzuhalten. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da von beschädigten Batterien, wie Lithium-Ionen-Batterien, auch Gefahren für den Nutzer solcher Batterien ausgehen können, wie beispielsweise Brand- und Explosionsgefahr. Aufgrund der Sicherheitsrelevanz wird daher durch Diagnosen versucht zu erreichen, dass für den Sicherheitszustand einer Batteriezelle relevante Betriebsparameter, wie insbesondere die Zellspannungen, zuverlässig erfasst und zuverlässig über den Kommunikations-Bus an die Battery Control Unit übertragen werden. Es besteht dabei ein fortwährender Bedarf, insbesondere die Übertragungssicherheit der Betriebsparameter weiter zu verbessern, um eine zuverlässige Erkennung von sicherheitskritischen Zuständen von Batteriezellen zu ermöglichen. Der Einsatz weiterer Diagnosesysteme beziehungsweise weiterer Diagnoseroutinen führt dabei zu dem Nachteil, dass die Komplexität solcher Regelschaltungen insbesondere zu Lasten der Performance solcher Regelschaltungen gesteigert wird. Die wegen der Sicherheitsrelevanz notwendige Redundanz bei der Übertragung sämtlicher von den Cell Supervision Circuits erfassten Betriebsparameter über den Kommunikations- Bus an die Battery Control Unit führt zu dem weiteren Nachteil, dass der Kommunikations-Bus stark ausgelastet ist. Zudem weisen derartige Regelschaltungen als weiteren Nachteil eine geringe Skalierbarkeit auf.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, zu verbessern, insbesondere hinsichtlich einer verbesserten Performance einer solchen Regelschaltung sowie hinsichtlich einer verbesserten Erkennung von sicherheitskritischen Zuständen der Batteriezellen und einem zuverlässigeren elektrischen Trennen der Batteriezellen von den Polanschlüssen der Batterie bei Vorliegen eines kritischen Zellzustandes. Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium- Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, welche durch wenigstens ein Schaltelement elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, vorgeschlagen, wobei die Regelschaltung wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung und wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung aufweist, die jeweils ausgebildet ist, Betriebsparameter wenigstens einer Batteriezelle zu erfassen und an eine Steuereinrichtung weiterzuleiten, und wobei die wenigstens eine Zellüberwachungseinrichtung über eine erste Schnittstelle mit einer ersten Steuereinrichtung verbunden ist und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung über eine zweite Schnittstelle mit einer zweiten Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die erste Steuereinrichtung ausgebildet ist, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter Batterieeigenschaften zu bestimmen, und wobei die zweite Steuereinrichtung ausgebildet ist, dass wenigstens eine Schaltelement anzusteuern. Die Batteriezellen können dabei vorteilhafterweise jeweils einzeln oder als Gruppierung von Batteriezellen durch das wenigstens eine Schaltelement elektrisch entkoppelbar sein, wobei eine Gruppierung von Batteriezellen insbesondere auch sämtliche Batteriezellen umfassen kann. Das wenigstens eine Schaltelement, über das die Batteriezellen jeweils einzeln oder in Gruppen, beispielsweise in Gruppen von zwölf Batteriezellen, mit dem wenigstens einen Polanschluss der Batterie verbunden sind, ist vorzugsweise ein Schaltschütz, besonders bevorzugt ein elektrisch ansteuerbarer Schaltschütz. Das wenigstens eine Schaltelement öffnet beziehungsweise schließt den elektrischen Kontakt zwischen den Batteriezellen und dem wenigstens einen Polanschluss der Batterie in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch die zweite Steuereinrichtung. Vorteilhafterweise ist die Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie ein Batteriemanagementsystem. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung jeweils derart eingerichtet sind, dass diese Zellüberwachungseinrichtungen jeweils die Betriebsparameter derselben wenigstens einen Batteriezelle erfassen. Hierdurch wird bei der Erfassung der Betriebsparameter vorteilhafterweise eine Redundanz erzeugt, wodurch die Zuverlässigkeit bei der Bestimmung kritischer Zellzustände vorteilhafterweise erhöht wird.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Primärfunktion der ersten Steuereinrichtung darin besteht, Batterieeigenschaften zu bestimmen, und diese Batterieeigenschaften weiteren Einrichtungen, insbesondere auch einer übergeordneten weiteren Steuereinrichtung, als Information weiterzuleiten. Bei Nutzung einer erfindungsgemäßen Regelschaltung im Zusammenhang mit einer in einem Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeug eingesetzten Fahrzeugbatterie, kann eine solche übergeordnete Steuereinrichtung beispielsweise ein übergeordnetes Fahrzeug-Steuergerät sein, welches beispielsweise bei der Steuerung der Antriebskomponenten beteiligt ist. Von der ersten Steuereinrichtung durch Auswertung von empfangenen Betriebsparametern bestimmte Batterieeigenschaften sind erfindungsgemäß insbesondere der Ladezustand der Batterie (SOC), der Alterungszustand der Batterie (SOH) und/oder der Funktionszustand der Batterie (SOF, SOF: State of Function). Zudem ist die erste Steuereinrichtung ausgebildet, einen Zellzustand, insbesondere einen kritischen Zellzustand, als Batterieeigenschaft zu bestimmen. Die zweite Steuereinrichtung weist dagegen als Primärfunktion das Ansteuern des wenigstens einen Schaltelementes auf. Vorteilhafterweise ist hierdurch eine Trennung von der Bestimmung von allgemeinen Batterieeigenschaften und dem sicherheitsrelevanten Ansteuern des wenigstens einen Schaltelementes, also dem Öffnen und Schließen des elektrischen Kontaktes zwischen Batteriezelle und Polanschluss, vollzogen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Steuereinrichtung ausgebildet, einen Zellzustand als Batterieeigenschaft zu bestimmen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Zellzustand ein Schaltelementansteuerungssignal an die zweite Steuereinrichtung zu übertragen. Insbesondere ist die erste Steuereinrichtung dabei ausgebildet, einen kritischen Zellzustand als Batterieeigenschaft zu bestimmen. Ein kritischer Zellzustand liegt dabei insbesondere dann vor, wenn eine ungewöhnlich hohe oder ungewöhnlich niedrige Zellspannung an einer Batteriezelle als Betriebsparameter erfasst wird. Weitere Betriebsparameter, anhand derer die erste Steuereinrichtung einen kritischen Zellzustand bestimmt, sind insbesondere Messwerte, die vorgegebene maximale Grenzwerte überschreiten oder minimale Grenzwerte unterschreiten. Die Betriebsparameter können dabei neben Zellspannungen beispielsweise auch die Zelltemperatur oder Zellströme betreffen. Hat die erste Steuereinrichtung einen kritischen Zellzustand bestimmt, ist die erste Steuereinrichtung vorteilhafterweise ausgebildet, der zweiten Steuereinrichtung durch Senden eines Schaltelementansteuerungssignals diesen kritischen Zellzustand zu signalisieren. Hierzu ist die erste Steuereinrichtung vorteilhafterweise über eine Signalleitung mit der zweiten Steuereinrichtung verbunden. Vorteilhafterweise veranlasst das gesendete Schaltelementansteuerungssignal die zweite Steuereinrichtung bei Empfang des Schaltelementansteuerungssignals das wenigstens eine Schaltelement in Abhängigkeit von dem Schaltelementansteuerungssignal anzusteuern. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Schaltelementansteuerungssignal entweder die zweite Steuereinrichtung dazu veranlasst, dass wenigsten eine Schaltelement derart anzusteuern, dass sich das wenigstens eine Schaltelement, vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Schaltelementansteuerungssignal, öffnet oder schließt. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die erste Steuereinrichtung hierzu ausgebildet ist, zwei unterschiedliche Schaltelementansteuerungssignale zu generieren, nämlich ein Öffnungssignal und ein Schließsignal. D.h. die erste Steuereinrichtung generiert zwar ein Ansteuerungssignal zur Ansteuerung des wenigstens einen Schaltelementes, die erste Steuereinrichtung steuert das wenigstens eine Schaltelement dabei aber nicht unmittelbar an, sondern überträgt das Schaltelementansteuerungssignal an die zweite Steuereinrichtung. Die zweite Steuereinrichtung ist dabei ausgebildet, bei Empfang eines Schaltelementansteuerungssignals, das wenigstens eine Schaltelement in Abhängigkeit von dem empfangenen Schaltelementansteuerungssignal anzusteuern und hierdurch den elektrischen Kontakt zwischen den Batteriezellen und dem wenigstens einen Polanschluss der Batterie zu öffnen bzw. zu schließen.
Gemäß einer ebenfalls besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, ist die zweite Steuereinrichtung zudem ausgebildet, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter einen Zellzustand, insbesondere einen kritischen Zellzustand, zu bestimmen. Durch die Bestimmung des kritischen Zellzustandes wird dabei erfindungsgemäß ein von der ersten Steuereinrichtung an die zweite Steuereinrichtung gesendetes Schaltelementansteuerungssignal auf Plausibilität überprüft. Die Entscheidung, ob das wenigstens eine Schaltelement tatsächlich auf Anforderung der ersten Steuereinrichtung, also aufgrund des Sendens eines Schaltelementansteuerungssignals, betätigt wird, trifft die zweite Steuereinrichtung. Diese Entscheidung basiert dabei erfindungsgemäß auf der Auswertung empfangener Betriebsparameter durch die zweite Steuereinrichtung. Diese Entscheidung, ob bei Empfang eines Schaltelementansteuerungssignals das wenigstens eine Schaltelement angesteuert wird, erfolgt insofern unabhängig von einem Auswerteergebnis der ersten Steuereinrichtung. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Komparatoreinheit über eine dritte Schnittstelle mit der zweiten Steuereinrichtung verbunden, wobei die wenigstens eine Komparatoreinheit ausgebildet ist, durch Vergleich von erfassten Betriebsparametern einer Batteriezelle mit wenigstens einem Grenzwert eine kritische Grenzwertabweichung zu bestimmen, und diese Grenzwertabweichung der zweiten Steuereinrichtung durch Senden eines Alarmsignals zu signalisieren. Die wenigstens eine Komparatoreinheit ist dabei vorteilhafterweise ausgebildet, ein Überschreiten eines maximalen Zellspannungsgrenzwertes und/oder ein Unterschreiten eines minimalen Zellspannungsgrenzwert zu erfassen. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Komparatoreinheit allgemein ausgebildet, einen von einem Erwartungswert abweichenden Zellspannungswert zu erfassen und in Abhängigkeit von der Abweichungsdifferenz kritische von unkritischen Zellspannungen zu separieren. Der jeweilige Komparator gleicht dazu vorteilhafterweise erfasste Zellspannungsmesswerte mit vorgegebenen Zellspannungswerten, insbesondere mit vorgegebenen maximalen und minimalen Zellspannungswerten, ab. Stellt der Komparator ein Abweichen von einem erwarteten Zellspannungswert, insbesondere ein Überschreiten eines maximalen Zellspannungswertes oder ein Unterschreiten eines minimalen Zellspannungsmesswertes, fest, so sendet der Komparator ein Alarmsignal als Betriebsparameter an die zweite Steuereinrichtung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Steuereinrichtung ausgebildet ist, dass wenigstens eine Schaltelement dann anzusteuern, wenn diese zweite Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung empfängt und diese zweite Steuereinrichtung zudem einen kritischen Zellzustand bestimmt hat und/oder ein Alarmsignal von der wenigstens einen Komparatoreinheit empfangen hat. Durch das von der wenigstens einen Komparatoreinheit gesendete Alarmsignal wird dabei vorteilhafterweise eine Redundanz zu dem von der zweiten Steuereinrichtung bestimmten Zellzustand erzeugt. Gemäß diesem vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind insbesondere folgende Ausgestaltungen vorgesehen: Die zweite Steuereinrichtung steuert das wenigstens eine Schaltelement an, wenn die zweite Steuereinrichtung von der ersten Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal empfangen hat und wenn die zweite Steuereinrichtung basierend auf einer Auswertung von von der wenigstens einen zweiten Zellüberwachungseinrichtung erfassten Betriebsparametern einen kritischen Zellzustand ermittelt hat. Oder: Die zweite Steuereinrichtung steuert das wenigstens eine Schaltelement dann an, wenn die zweite Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung empfangen hat und wenn die zweite Steuereinrichtung ein von der wenigstens einen Komparatoreinheit bereitgestelltes Alarmsignal empfangen hat. Oder: Die zweite Steuereinrichtung steuert das wenigstens eine Schaltelement dann an, wenn die zweite Steuereinrichtung von der ersten Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal empfangen hat und wenn die zweite Steuereinrichtung basierend auf einer Auswertung von von der wenigstens einen zweiten Zellüberwachungseinrichtung erfassten Betriebsparametern einen kritischen Zellzustand ermittelt hat und wenn die zweite Steuereinrichtung ein Alarmsignal von der wenigstens einen Komparatoreinheit empfangen hat. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Steuereinrichtung zudem ausgebildet, ein Schaltelementansteuerungssignal zu erzeugen, wenn die zweite Steuereinrichtung ein Alarmsignal von wenigstens einer Komparatoreinheit empfangen hat und basierend auf einer Auswertung von von der wenigstens einen zweiten Zellüberwachungseinrichtung erfassten Betriebsparametern einen kritischen Zellzustand ermittelt hat.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung jeweils ausgebildet, Zellspannungen als Betriebsparameter der wenigstens einen Batteriezelle zu erfassen. Die Zellüberwachungseinrichtungen sind vorteilhafterweise sogenannte Cell Supervision Circuits. Diese Cell Supervision Circuits weisen vorzugsweise jeweils eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, ASIC: application-specific integrated circuit) auf, welche ausgebildet ist, Zellspannungen als Zellspannungsmesswerte zu erfassen. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung weist die Zellüberwachungseinrichtung bzw. der Cell Supervision Circuit ferner einen Mikrocontroller auf, welcher erfasste Betriebsparameter unter Nutzung der ersten bzw. der zweiten Schnittstelle an die jeweilige Steuereinrichtung übertragen kann. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung ausgebildet, minimale Zellspannungen und/oder maximale Zellspannungen als Betriebsparameter der wenigstens einen Batteriezelle zu erfassen. Durch diese erfindungsgemäße Erfassung von nur minimalen und maximalen Zellspannungen ist vorteilhafterweise die über die zweite Schnittstelle zu übertragene Datenmenge reduziert. Da ein kritischer Zellzustand sich üblicherweise durch ungewöhnliche Zellspannungen auszeichnet, lässt sich mittels minimaler und maximaler Zellspannungsmesswerte ein kritischer Zellzustand bestimmen. Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausgestaltungsvariante die Datenmenge, die von der zweiten Steuereinrichtung auszuwerten ist, reduziert.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen und eine Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen vorgesehen, wobei die Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen in einer Daisy-Chain-Topologie mit der ersten Steuereinrichtung über die erste Schnittstelle verbunden ist, und wobei die Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen in einer Daisy-Chain- Topologie mit der zweiten Steuereinrichtung über die zweite Schnittstelle verbunden ist. Vorteilhafterweise sind die ersten und die zweiten Zellüberwachungseinrichtungen dabei jeweils in einer Kette angeordnet, wobei die jeweils am Anfang der Kette befindliche Zellüberwachungseinrichtung auf einem elektrischen Potential liegt und die jeweils in der Kette nachfolgenden Zellüberwachungseinrichtungen hin zu der ersten Steuereinrichtung beziehungsweise hin zu der zweiten Steuereinrichtung kaskadenartig jeweils auf einem niedrigeren elektrischen Potential liegen. Dabei erfolgt eine Übertragung der als Betriebsparameter erfassten Zellspannungen derart, dass die von einer Zellüberwachungseinrichtung erfasste Zellspannung jeweils an die potentialmäßig niedriger liegende Zellüberwachungseinrichtung übertragen wird, und die jeweilige auf dem niedrigsten Potential liegende Zellüberwachungseinrichtung sämtliche von den
Zellüberwachungseinrichtungen erfassten Zellspannungen an die jeweilige Steuereinrichtung überträgt (Daisy-Chain-Übertragung). Vorteilhafterweise ist es bei einer derartigen Übertragung entbehrlich, dass die von einer Zellüberwachungseinrichtung erfassten Zellspannungen jeweils über einen Mikrocontroller und einen isolierten Kommunikationsbus an die jeweilige Steuereinrichtung übertragen werden. Hierdurch ist der Hardware-Aufwand vorteilhafterweise reduzierbar. Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Regelschaltung ferner eine Mehrzahl von Komparatoreinheiten auf, wobei die Mehrzahl von Komparatoreinheiten in einer Daisy-Chain-Topologie mit der zweiten Steuereinrichtung über die dritte Schnittstelle verbunden ist. Die Signalübertragung erfolgt dabei wie im Zusammenhang mit den Zellüberwachungseinrichtungen beschrieben.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird ein Batteriesystem vorgeschlagen, welches eine nachladbare Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, welche durch wenigstens ein Schaltelement elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, und eine erfindungsgemäße Regelschaltung aufweist.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Ansteuerung von wenigstens einem Schaltelement, über welches Batteriezellen einer Batterie mit wenigstens einem Polanschluss der Batterie verbunden sind, vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass Betriebsparameter der Batteriezellen durch eine Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen erfasst und an eine erste Steuereinrichtung übertragen werden und Betriebsparameter derselben Batteriezellen durch eine Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen erfasst und an eine zweite Steuereinrichtung übertragen werden, wobei die erste Steuereinrichtung die erfassten Betriebsparameter auswertet und bei Ermittlung eines kritischen Zellzustandes ein Schaltelementansteuerungssignal an eine zweite Steuereinrichtung sendet, und wobei die zweite Steuereinrichtung die erfassten Betriebsparameter auswertet und die zweite Steuereinrichtung bei Empfang eines Schaltelementansteuerungssignals von der ersten Steuereinrichtung und Ermittlung eines kritischen Zellzustandes durch Auswerten erfasster Betriebsparameter das wenigstens eine Schaltelement entsprechend dem Schaltelementansteuerungssignal ansteuert. Das Ansteuern des wenigstens einen Schaltelementes bewirkt dabei ein Öffnen oder ein Schließen des wenigstens einen Schaltelementes. Ein kritischer Zellzustand ist insbesondere ein solcher Zustand der Zelle bei dem Betriebsparameter, wie beispielsweise die Zellspannung oder die Zelltemperatur oder Zellströme einer Batteriezelle, Werte annehmen, die um einen vordefinierten Betrag von einem Erwartungswert bezüglich des entsprechenden Betriebsparameters abweichen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Ausführung des Verfahrens eine erfindungsgemäße Regelschaltung genutzt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist ferner vorgesehen, dass Zellspannungen als Betriebsparameter von den Zellüberwachungseinrichtungen erfasst und durch die Steuereinrichtungen ausgewertet werden. Vorteilhafterweise sind die ersten Zellüberwachungseinrichtungen und die zweiten Zellüberwachungseinrichtungen jeweils in einer Daisy-Chain-Topologie mit der ersten beziehungsweise der zweiten Steuereinrichtung verbunden.
Für eine Ansteuerung des wenigstens einen Schaltelementes durch die zweite Steuereinrichtung ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die zweite Steuereinrichtung ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung empfangen haben muss und zusätzlich eine von der zweiten Steuereinrichtung durchgeführte Auswertung von von den zweiten Zellüberwachungseinrichtungen erfassten Betriebsparametern einen Zellzustand als kritischen bewertet hat. Dabei ist vorgesehen, dass diese beiden Bedingungen für die Ansteuerung des wenigstens einen Schaltelementes vorteilhafterweise in demselben Arbeitstakt der zweiten Steuereinrichtung erfüllt sind, also im Wesentlichen zeitgleich. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist darüber hinaus vorgesehen, dass ein empfangenes Schaltelementansteuerungssignal und/oder ein ermittelter kritischer Zellzustand als Wert über mehrere Arbeitstakte gehalten beziehungsweise gespeichert wird, sodass das wenigstens eine Schaltelemente auch dann angesteuert wird, wenn die beiden Bedingungen mit einem geringen zeitlichen Versatz eintreten, also zwischen Empfang des Schaltelementansteuerungssignals und Ermittlung eines kritischen Zellzustandes wenige Arbeitstakte, beispielsweise sechs Arbeitstakte, liegen.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem; und Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Batteriesystem sind mehrere Batteriezellen 1 zu einer nachladbaren Batterie zusammengeschaltet. Die Batteriezellen 1 sind dabei über das als Schaltschütz ausgebildete Schaltelement 2 von dem Polanschluss 3 der Batterie und somit von einem elektrischen Verbraucher oder von einer Aufladevorrichtung zum Laden der Batterie elektrisch entkoppelbar. Gemäß einer nicht dargestellten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass auch einzelne Batteriezellen bzw. kleinere Gruppen von Batteriezellen, beispielsweise eine Gruppe von vier Batteriezellen, von der Batterie über entsprechende Schaltelemente abtrennbar sind, wobei vorzugsweise zwischen den einzelnen Batteriezellen ein entsprechendes Schaltelement angeordnet ist und zur Überbrückung der Batteriezelle jeweils eine entsprechende mit einem Schaltelement versehene Parallelschaltung vorgesehen ist.
Das in Fig. 1 dargestellte Batteriesystem weist eine Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs der nachladbaren Batterie auf. Erste Zellüberwachungseinrichtungen 4 und zweite Zellüberwachungseinrichtungen 5 erfassen jeweils von drei zu einer Gruppe 1 1 zusammengefassten Batteriezellen 1 die jeweiligen Zellspannungen der Batteriezellen 1 als Betriebsparameter. Die Zellüberwachungseinrichtungen 4 bzw. 5 sind dabei als anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) zur Erfassung von Zellspannungen ausgebildet und in einer Daisy-Chain-Topologie mit der jeweiligen Steuereinrichtung 12 bzw. 13 verbunden. Dabei liegt die jeweilige Zellüberwachungseinrichtung der Zellüberwachungseinrichtungen 4 bzw. 5 jeweils auf einem unterschiedlichen Spannungspotential. Von einer Zellüberwachungseinrichtung 4 bzw. 5 erfasste Zellspannungen werden dabei jeweils an diejenige Zellüberwachungseinrichtung 4 bzw. 5 übertragen, die auf einem niedrigeren Spannungspotential liegt, wobei die erfassten Zellspannungen schließlich von der letzten Zellüberwachungseinrichtung 4 bzw. 5 in der Daisy-Chain (in Fig. 1 die unmittelbar mit der jeweiligen Steuereinrichtung 12 bzw. 13 verbundene Zellüberwachungseinrichtung 4 bzw. 5) an die Steuereinrichtung 12 bzw. 13 übertragen wird.
Die von der ersten Steuereinrichtung 12 auf diese Weise als Betriebsparameter erfassten Zellspannungen beziehungsweise Zellspannungsmesswerte werden von der ersten Steuereinrichtung 12 ausgewertet. Basierend auf der Auswertung bestimmt die erste Steuereinrichtung 12 Batterieeigenschaften, wie den Ladungszustand (SOC) der Batterie und die Alterung (SOH) der Batterie. Darüber hinaus ermittelt die erste Steuereinrichtung 12 basierend auf der Auswertung erfasster Zellspannungen kritische Zellzustände als weitere Batterieeigenschaft. Hat die erste Steuereinrichtung 12 einen kritischen Zellzustand ermittelt, generiert die erste Steuereinrichtung 12 ein Schaltelementansteuerungssignal und überträgt dieses über den Kommunikations-Bus 14 an die zweite Steuereinrichtung 13.
Die zweite Steuereinrichtung 13 wertet die als Betriebsparameter von den zweiten Zellüberwachungseinrichtungen 5 erfassten Zellspannungsmesswerte dahingehend aus, ob ein kritischer Zellzustand vorliegt. Hierzu prüft die zweite Steuereinrichtung 13 insbesondere, ob erfasste Zellspannungsmesswerte signifikant von einem festgelegten Erwartungswert abweichen. Empfängt die zweite Steuereinrichtung 13 von der ersten Steuereinrichtung 12 ein Schaltelementansteuerungssignal, dann steuert die zweite Steuereinrichtung 13 das Schaltelement 2 nur dann an, wenn die Auswertung der zweiten Steuereinrichtung ergeben hat, dass erfasste Zellspannungen signifikant von einem Erwartungswert abweichen und somit ein Zellzustand als kritisch eingestuft wird. Die zweite Steuereinrichtung 13 hält empfangene Schaltelementansteuerungssignale und ermittelte kritische Zellzustände als Ereignis vorteilhafterweise über acht Arbeitstakte in einem Speicherelement (in Fig. 1 nicht explizit dargestellt) und steuert das Schaltelement 2 dann an, wenn beide Ereignisse in einem Zyklus von acht Arbeitstakten auftreten. Empfängt die zweite Steuereinrichtung 13 ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung 12 und wird dabei von der zweiten Steuereinrichtung 13 selbst kein kritischer Zellzustand ermittelt, so steuert die zweite Steuereinrichtung 13 das Schaltelement 2 nicht an. In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem dargestellt. Dieses weist eine Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen 1 auf. Die Batteriezellen 1 sind dabei als Gesamtheit durch die als Schaltschütze ausgebildeten Schaltelemente 2 elektrisch mit den Polanschlüssen 3 der Batterie verbunden. Durch ein Öffnen der Schaltschütze 2 sind die Batteriezellen 1 von den Polanschlüssen 3 der Batterie elektrisch entkoppelbar. Zellüberwachungseinrichtungen 4 und 5 überwachen jeweils die Zellspannungen einer Gruppe 1 1 von Batteriezellen 1 , wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben. Die Regelschaltung weist darüber hinaus Komparatoreinheiten 6 auf, die, wie die zweiten Zellüberwachungseinrichtungen 5, mit der zweiten Steuereinrichtung 13 in einer Daisy-Chain-Topologie verbunden sind. Die Komparatoreinheiten 6 sind derart ausgebildet, dass ausschließlich maximale und minimale Zellspannungsmesswerte erfasst werden. Maximale Zellspannungsmesswerte sind dabei solche Messwerte, die einen festgelegten maximalen Zellspannungsgrenzwert überschreiten. Minimale Zellspannungsmesswerte sind dabei solche Messwerte, die einen vorgegebenen minimalen Zellspannungsmesswert unterschreiten. Bei Ermittlung eines solchen maximalen oder minimalen Zellspannungsmesswertes generiert die jeweilige Komparatoreinheit 6 ein Alarmsignal und überträgt dieses an die zweite Steuereinrichtung 13.
Die zweite Steuereinrichtung 13, die ausgebildet ist, die Schaltelemente 2 anzusteuern, empfängt als Betriebsparameter vorliegend also von den zweiten Zellüberwachungseinrichtungen 5 erfasste Zellspannungsmesswerte, gegebenenfalls ein von wenigstens einer der Komparatoreinheiten 6 generiertes Alarmsignal sowie gegebenenfalls ein von der ersten Steuereinrichtung 12 basierend auf einer Auswertung von von den ersten Zellüberwachungseinrichtungen 4 erfassten Zellspannungen generiertes Schaltelementansteuerungssignal. Die zweite Steuereinrichtung 13 steuert dabei die Schaltelemente 2 dann an, wenn die zweite Steuereinrichtung 13 ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung 12 über den Kommunikations-Bus 14 empfängt und dabei selbst einen kritischen Zellzustand durch Auswertung der erfassten Zellspannungen ermittelt hat und darüber hinaus ein Alarmsignal von wenigstens einer der Komparatoreinheiten 6 empfangen hat. Das heißt, eine Auslösung der Schaltelemente 2, also ein Öffnen oder Schließen der Schaltelemente 2, erfolgt nur dann, wenn sowohl die erste Steuereinrichtung 12 als auch die zweite Steuereinrichtung 13 und wenigstens eine der Komparatoreinheiten 6 einen kritischen Zellzustand ermittelt haben.
Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.

Claims

Regelschaltung zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen (1 ), welche durch wenigstens ein Schaltelement (2) elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss (3) der Batterie verbunden sind, wobei die Regelschaltung wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) und wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) aufweist, die jeweils ausgebildet ist, Betriebsparameter wenigstens einer Batteriezelle (1 ) zu erfassen und an eine Steuereinrichtung weiterzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) über eine erste Schnittstelle (7) mit einer ersten Steuereinrichtung (12) verbunden ist und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) über eine zweite Schnittstelle (8) mit einer zweiten Steuereinrichtung (13) verbunden ist, wobei die erste Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter Batterieeigenschaften zu bestimmen, und wobei die zweite Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, das wenigstens eine Schaltelement
(2) anzusteuern.
Regelschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, einen Zellzustand als Batterieeigenschaft zu bestimmen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Zellzustand ein Schaltelementansteuerungssignal an die zweite Steuereinrichtung (13) zu übertragen.
3. Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, durch Auswertung empfangener Betriebsparameter einen Zellzustand zu bestimmen.
4. Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Komparatoreinheit (6) über eine dritte Schnittstelle (9) mit der zweiten Steuereinrichtung (13) verbunden ist, wobei die wenigstens eine Komparatoreinheit (6) ausgebildet ist, durch Vergleich von erfassten Betriebsparametern einer Batteriezelle (1 ) mit wenigstens einem Grenzwert eine Grenzwertabweichung zu bestimmen, und diese Grenzwertabweichung der zweiten Steuereinrichtung (13) durch
Senden eines Alarmsignals zu signalisieren.
5. Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, das wenigstens eine Schaltelement (2) dann anzusteuern, wenn diese zweite Steuereinrichtung (13) ein Schaltelementansteuerungssignal von der ersten Steuereinrichtung (12) empfängt und diese zweite Steuereinrichtung (13) zudem einen kritischen Zellzustand bestimmt hat und/oder ein Alarmsignal von der wenigstens einen Komparatoreinheit (6) empfangen hat.
6. Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Zellüberwachungseinrichtung (4) und die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) jeweils ausgebildet sind, Zellspannungen als Betriebsparameter der wenigstens einen Batteriezelle (1 ) zu erfassen.
7. Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Zellüberwachungseinrichtung (5) ausgebildet ist, minimale
Zellspannungen und/oder maximale Zellspannungen als Betriebsparameter der wenigstens einen Batteriezelle (1 ) zu erfassen.
8. Regelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen (4) und eine Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen (5), wobei die Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen (4) in einer Daisy-Chain-Topologie mit der ersten Steuereinrichtung (12) über die erste Schnittstelle (7) verbunden ist und wobei die Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen (5) in einer Daisy-Chain-Topologie mit der zweiten Steuereinrichtung (13) über die zweite Schnittstelle (8) verbunden ist.
Batteriesystem umfassend eine nachladbare Batterie mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen (1 ), welche durch wenigstens ein Schaltelement (2) elektrisch entkoppelbar mit wenigstens einem Polanschluss (3) der Batterie verbunden sind, und eine Regelschaltung, insbesondere eine Batteriemanagementsystem, zum Überwachen und Regeln des Betriebs der Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung eine Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.
Verfahren zur Ansteuerung von wenigstens einem Schaltelement (2), über das Batteriezellen (1 ) einer Batterie mit wenigstens einem Polanschluss (3) der Batterie verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsparameter der Batteriezellen (1 ) durch eine Mehrzahl von ersten Zellüberwachungseinrichtungen (4) erfasst und an eine erste Steuereinrichtung (12) übertragen werden und Betriebsparameter derselben Batteriezellen (1 ) durch eine Mehrzahl von zweiten Zellüberwachungseinrichtungen (5) erfasst und an eine zweite Steuereinrichtung (13) übertragen werden, wobei die erste Steuereinrichtung (12) die erfassten Betriebsparameter auswertet und bei Ermittlung eines kritischen Zellzustandes ein
Schaltelementansteuerungssignal an eine zweite Steuereinrichtung (13) sendet, und wobei die zweite Steuereinrichtung (13) die erfassten Betriebsparameter auswertet und die zweite Steuereinrichtung (13) bei Empfang eines Schaltelementansteuerungssignals von der ersten Steuereinrichtung (12) und Ermittlung eines kritischen Zellzustandes durch Auswerten erfasster Betriebsparameter das wenigstens eine Schaltelement (2) entsprechend dem Schaltelementansteuerungssignal ansteuert.
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