WO2016131729A1 - Batteriezelle mit überwachungsvorrichtung und zugehöriges betriebsverfahren - Google Patents

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Berthold Hellenthal
Michael Hinterberger
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery cell for a battery, in particular of a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a battery with at least one such battery cell and a motor vehicle with such a battery. Moreover, the invention relates to a method for monitoring at least one battery cell.
  • lithium-ion batteries and lithium-ion battery systems Due to their high energy and power density, lithium-ion batteries and lithium-ion battery systems have become established in almost all areas of mobile energy storage, regardless of whether they are pedelecs, power tools, hybrid drives, electric vehicles or even rail applications. At the same time, lithium-ion battery systems are becoming increasingly important for stationary battery storage systems. Characteristic of many lithium-ion cells or their cell chemistry is a flat state of charge-voltage characteristic. However, in the peripheral areas below about 10 percent and over 90 percent state of charge (SoC) the voltage level of the battery cells changes very quickly. Over time, the battery cells may drift apart in their voltage state. This can be done by different effects, such as different self-discharge rates, inhomogeneous temperatures during operation or premature aging of some cells in a battery combination or by different batches (delivery from different batches).
  • SoC state of charge
  • the battery cell according to the invention comprises a monitoring device, which comprises a data processing unit for processing status data of the battery cell as a function of a trigger pulse and a trip unit.
  • the trip unit is coupled to the data processing unit and designed to generate the trigger pulse and provide the trigger pulse to the data processing unit.
  • the trip unit is designed to evaluate a measurement signal which correlates with an electrical energy of the battery cell to generate the trigger pulse in response to the measurement signal.
  • the data processing unit may in particular be a microcontroller or a microprocessor.
  • Condition data may be provided by corresponding sensors of the battery cell. For example, a voltage of the battery cell, a temperature, a pressure, an impedance of the battery cell or a position in the room or an acceleration of the Battery cell are stored.
  • the data processing unit receives additional data via an additional - preferably wireless - communication connection, which data are not determined directly within the battery cell.
  • the invention is based on the finding that a particularly favorable ratio of the amount of data to be stored and coverage of the relevant events can be achieved if a storage operation is carried out as a function of the electrical energy of the battery cell. For example, storage intervals can be extended if the battery cell is not supplied or removed with electrical energy. Likewise, it may be provided to provide a more detailed documentation of the state data in the area of a high state of charge, ie when the voltage of the battery cell approaches an end-of-charge voltage dependent on the type of battery cell or if the state of charge is low.
  • the trip unit is designed to generate the trigger pulse at a first time, in which the battery cell has a first electrical energy content, and to generate the trigger pulse at a second time, at which the battery cell has a second electrical energy content, wherein the first electrical energy content and the second electrical energy content differ by a predeterminable energy value.
  • EE unit of energy
  • the energy flow is summed into and out of the battery cell.
  • the state information of the battery cell such as voltage, temperature, pressure, impedances, position in space, acceleration and the like are stored.
  • This can, for example, with a smart battery cell (SmartCell) with integrated memory and integrated sensors by an integrated intelligent control in the form of a microcontroller or a state machine done.
  • the intelligent battery cell can communicate externally with an external device, it can request time information from the latter and save it with the data record. This may be possible in a vehicle, in particular during loading and driving. If a GPS position is also available from the external device, then this can also be stored with the data record. Based on the principle of energy unit-based storage of state data, a relevant energy life of the battery cell can be documented in an energy-efficient manner. In particular, the energy flow of the battery cell can be fully documented.
  • the amount of status data to be stored may also be provided to reduce the amount of status data to be stored by writing only in the event of a change, that is to say that a current value of a parameter is not stored when the current value is opposite the last stored value did not change.
  • a current value of a parameter is not stored when the current value is opposite the last stored value did not change.
  • all state data to be acquired have not changed since the last storage operation, they are not stored, but only the energy unit value is changed. This leads to a low data volume at the loading associated with the high energy units change rate, especially when charging.
  • the storage entry in this case consists only of the (changed) energy unit value.
  • the measurement signal is proportional to an electric current through the battery cell or proportional to an electrical power of the battery cell
  • the trip unit comprises means for generating an integration signal in response to the measurement signal and is designed to exceed or fall below a predetermined threshold to generate the trigger pulse by the integration signal and to reset the integration signal to a start value. It is particularly advantageous if the measurement signal represents the electric current through the battery cell, since the measurement signal can be obtained in this case particularly simple with already existing in the battery cell technical means. A connection with the electrical power of the battery cell results from the multiplication by the electrical voltage of the battery cell. When referring to the electric current through the battery cell, the predeterminable energy value is therefore to be considered as a charge value. pretieren.
  • this signal Upon integration of the measurement signal, this signal is converted into an integration signal which, depending on the type of measurement signal provided, represents an electrical charge or an electrical energy. It is particularly important that the measurement signal is offset-free, that is, the value assumes 0, even if its underlying physical size, ie an electrical power or an electric current, the value 0 assumes.
  • the integration signal By means of a check of the integration signal for exceeding or falling below the predefinable threshold value, it is therefore possible to determine the instant at which the specifiable amount of energy or amount of charge has been converted compared with a time of the last-generated trigger pulse. In this way, a series of triggering pulses can be generated which subdivide the transmitted energy or charge into respectively identical energy units or charge units.
  • any charging / discharging cycle of the battery cell with a predefinable resolution which depends on the energy unit or charge unit, is fully documented. Depending on the given resolution and the height of the measurement signal, this may result in a distance between two trigger pulses between fractions of seconds to hours or days. It can also be provided to specify an upper limit for a time interval between two successive trigger pulses, wherein upon reaching this upper limit processing of the status data and storage takes place without the predefinable threshold value being reached by the integration signal.
  • the trip unit as a means for generating the integration signal on a first capacitor which is electrically coupled to a first analog input of the data processing unit and to a first comparator unit, wherein the integration signal is provided by a first electrical voltage to the first capacitor and the comparator unit is adapted to be exceeded when a predeterminable first threshold value is exceeded by the first electrical voltage to the first capacitor to generate the trigger pulse.
  • the first capacitor is electrically coupled via a first resistor to a first bidirectional terminal of the data processing unit.
  • the term "resistance” means a resistance element, ie a passive component, and not a resistance value.
  • the first bidirectional terminal is configured to assume one of the following three states: low level having an electrically conductive connection to a reference potential of the data processing unit, high level having an electrically conductive connection to a supply potential of the data processing unit, wherein between the supply potential and the reference potential a supply voltage of the data processing unit is present, or failure of a conductive connection. In this way, the first capacitor can be reset by the data processing unit after exceeding or falling below the predetermined threshold again within a short time to the starting value.
  • the first bidirectional connection is reset to a high-impedance state so that the first capacitor is no longer loaded.
  • the data processing unit can be placed in an idle state in which its energy consumption is reduced to a minimum. In this way, the energy consumption can be kept particularly low by the monitoring device and thus a low self-discharge of the battery cell can be achieved.
  • the trip unit has a second capacitor, which is electrically coupled via a second resistor to a second bidirectional terminal of the data processing unit and is electrically coupled to a second analog input of the data processing unit and to a second comparator unit.
  • a reference signal by a second electrical voltage to the second capacitor available.
  • the comparator unit is designed to generate the triggering pulse when a predeterminable second threshold value is exceeded by the second electrical voltage.
  • the trip unit has a common current source with a predeterminable constant current, which is designed to impress in each case a compensation current to compensate for self-discharge currents of the first capacitor and the second capacitor. It can also be provided that the power source is configurable via the data processing unit.
  • the second capacitor preferably has the same capacitance as the first capacitor. Furthermore, it can be provided to control the division of the predefinable constant current to the first capacitor and the second capacitor in each case via a third resistor and a fourth resistor. In particular, it may be provided that the resistance of the third resistor and the resistance of the fourth resistor are equal, so that the constant current is divided equally between the first capacitor and the second capacitor. This arrangement makes it possible to compensate for a self-discharge current of the first capacitor.
  • the second capacitor serves as a reference capacitor to control that the constant current provided from the current source exactly covers the self-discharge current of the first capacitor.
  • the trip unit is designed to reset the second electrical voltage to a differential state when the predefined second threshold value is exceeded by the second electrical voltage and also to feed a compensation charge quantity to be introduced into the second capacitor into the first capacitor.
  • the constant current provided by the common current source does not exactly cover the self-discharge of the first capacitor and the second capacitor, namely, feeds too much or too little current
  • the missing or excess amount of charge can be determined from the second capacitor and these two in the same direction
  • Capacitors, that is, the first capacitor and the second capacitor are fed or removed, so that after this balancing process, the second capacitor is back to its reference state.
  • a permanently correct measurement of the energy units or charge units via the first capacitor is possible over a longer period of time.
  • the invention also includes a battery with at least one battery cell of the type according to the invention.
  • the battery according to the invention comprises a plurality of battery cells according to the invention, which can be connected in series and / or connected in parallel. It can also be provided that the measurement signal represents the electrical energy, which correlates with the entirety of miteinender interconnected battery cells.
  • the motor vehicle according to the invention comprises at least one battery according to the invention.
  • the motor vehicle can be designed, for example, as a passenger car, in particular as an electric vehicle or hybrid vehicle. Furthermore, the motor vehicle may also be an electrically operated motorcycle or an electrically operated bicycle. It is also possible to provide the battery in a stationary energy storage system.
  • the battery, which was provided in a motor vehicle is used as a so-called second-life battery, in which case the battery is supplied to a different type of use. Namely, in the case of second-life applications, in particular, the requirements for the performance of the battery cells may be lower than when using the battery cells for the battery of the motor vehicle. In this case, the state data present in the battery cell from the past operating time of the battery cell can advantageously be used for selection and checking.
  • the following steps are proposed: processing state data of the battery cell as a function of a triggering pulse, evaluating a measurement signal which correlates with electrical energy of the battery cell, generating the triggering pulse as a function of the measurement signal and providing the triggering pulse.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of a monitoring device of a battery cell in a simplified schematic
  • FIG. 2 is a schematic representation of a time characteristic of characteristic signals of the monitoring device according to FIG. 1 assuming ideal self-discharge compensation.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a time characteristic of characteristic signals of the monitoring device according to FIG. 1 assuming ideal self-discharge compensation.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a time characteristic of characteristic signals of the monitoring device according to FIG. 1, assuming non-ideal self-discharge compensation
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a time characteristic of characteristic signals of the monitoring device according to FIG. 1, assuming an uneven self-discharge compensation in the case of an opposite drifting apart of a measuring signal and a reference signal.
  • Fig. 1 shows schematically a monitoring device 10, as it can be used in a battery cell.
  • the monitoring device 10 includes a data processing unit 12, which is coupled to a trip unit 14. From sensors inside or outside the battery cell, state data 13 is provided to the data processing unit 12.
  • the trip unit 14 provides a trigger pulse 15 at an input P1 of the data processing unit 12 ready. This may be an input P1, which allows a so-called wake-up of the data processing unit 12.
  • a measurement signal which is preferably proportional to an electric current through the battery cell is fed as current signal 17 at a branching point ⁇ of the tripping unit 14.
  • Additional data may be requested by the data processing unit 12 from an external data source, such as a real-time clock signal 19 (RTC) or a location signal 21, such as a global positioning system (GPS) signal.
  • RTC real-time clock signal 19
  • GPS global positioning system
  • the trip unit 14 has a symmetrical arrangement of components.
  • Parallel to the first capacitor C1, a first parallel resistor Rp1 is indicated, which represents a self-discharge of the first capacitor C1.
  • a second parallel resistor Rp2 is indicated, which stands for a self-discharge of the second capacitor C2.
  • a constant current source 18 is provided, which supplies a constant current 11.
  • the constant current 11 is divided by a first diode D1 and a second diode D2, wherein the anodes of the two diodes D1 and D2 are coupled to the constant current source 18.
  • a terminal of the first capacitor C1 which is not connected to the reference potential 1 1 and which is referred to below as the upper terminal of the first capacitor C1 is coupled via a first resistor R1 to a first bidirectional terminal 1/01 of the data processing unit 12.
  • a connection of the second capacitor C2 not connected to the reference potential 1 1, which is referred to below as the upper terminal of the second capacitor C2 is coupled to a second bidirectional terminal I / O2 of the data processing unit 12 via a second resistor R2
  • the upper terminal of the first capacitor C1 is further connected to a first analog input ADC1 of the ten kausaku 12 and electrically coupled to an input of a first comparator unit 22.
  • the upper terminal of the second capacitor C2 is connected to a second analog input ADC2 of the data processing unit 12 and to an input of a second comparator unit 26.
  • the cathode of the first diode D1 is coupled to the upper terminal of the first capacitor C1 via a third resistor R3.
  • the cathode of the second diode D2 is coupled to the upper terminal of the second capacitor C2 via a fourth resistor R4.
  • the first comparator unit 22 provides a signal 23, which signals a falling below a predefinable lower threshold and a signal 25, which signals an exceeding of a predetermined upper threshold.
  • the second comparator unit 26 provides a signal 27, which signals a falling below a predefinable lower threshold and a signal 29, which signals an exceeding of a predetermined upper threshold.
  • the upper and lower threshold values can preferably be predetermined identically for both comparator units 22 and 26.
  • the signals 23, 25, 27, 29 are provided on a logical link unit 24 which performs an OR operation and generates the trigger pulse 15 therefrom.
  • Fig. 2 shows a compilation of five graphs, which are shown over a common time axis. Shown are the first voltage U1 at the first capacitor C1 (measuring capacitor), also referred to as measuring voltage, and the second voltage U2 at the second capacitor C2 (reference capacitor), also referred to as reference voltage.
  • the first voltage U1 and the second voltage U2 may assume a value in the range between 0 and the value of the supply voltage V, which represents an operating voltage of the circuit.
  • a binary operating state signal OP is shown, which identifies an operating state of the data processing unit 12. At a low level 0, the data processing unit 12 is in a sleep mode, which is characterized by a particularly low level of energy.
  • the data processing unit 12 is in an operating mode (operation mode).
  • a transfer from the sleep mode to the operating mode is effected by means of the trigger pulse 15 provided at the input P1.
  • Resetting from the operating mode to the sleep mode can be effected by the data processing unit 12 itself, in particular by executing a corresponding program code.
  • the state of the first bi-directional terminal 1/01, which is coupled to the first capacitor C1, and the second bidirectional terminal I / O2, which is coupled to the second capacitor C2, are each shown in a graph.
  • a low level 0 may be present, in which an electrically conductive connection to the reference potential 1 1 is produced, which leads to a discharge of the respective capacitor C1 or C2.
  • the high level 1 is physically represented by a voltage which is equal to the supply voltage V.
  • the second voltage U2 is constant V / 2.
  • the first voltage U1 is also V / 2.
  • the operating state signal OP has the low level 0 in this state.
  • Both bidirectional terminals 1/01 and I / O2 are in the high-resistance state Z.
  • a current is now supplied to the capacitor C1 by a positive current signal 17.
  • the first voltage U1 reaches an upper threshold, which has been set here to simplify the value of the supply voltage V.
  • the trigger pulse 15 is provided to the first input P1 of the data processing unit 12, whereby the operating state signal OP changes from the low level 0 to the high level 1.
  • the data processing unit 12 now starts the processing of the status data and returns the first capacitor C1 to its initial state, namely half the supply voltage V / 2, by setting the bidirectional terminal 1/01 to the low level 0.
  • the first bidirectional terminal 1/01 is again transferred to the high-resistance state Z, and the data processing unit 12 can return to the sleep mode again.
  • a current flow of the current signal 17 starts in the opposite direction.
  • the first voltage U1 at the first capacitor C1 reaches a lower threshold at time t4, which has been set to 0 for the sake of simplicity.
  • a trigger pulse 15 at the first input P1 starts the data processing unit 12 for processing the status data.
  • the first bidirectional terminal 1/01 is now switched to the high level 1, in which there is a connection to the supply voltage V.
  • the original state is here again, as in the interval t0, t1.
  • Fig. 3 shows the same compilation of graphs, wherein now also a superimposed Wegdriften the two capacitors C1 and C2 is shown.
  • a supply of an energy unit ⁇ starts again at the time t1 1.
  • a uniform voltage drift takes place in both capacitors C1 and C2, that is to say the measuring capacitor and the reference capacitor.
  • the first voltage across the first capacitor C1 reaches an upper threshold.
  • the logical linking unit 24 then generates the trigger pulse 15, which is provided at the first input P1 of the data processing unit 12.
  • the data processing unit 12 now determines via the second analog input ADC2 that the second capacitor C2, ie the reference capacitor, is no longer at half the supply voltage V / 2. As a result, no state data processing and storage takes place. In the time interval between t12 and t13 now finds a Discharge of the second capacitor C2 to the desired value instead, namely half the supply voltage V / 2. The first amount of charge taken for this purpose from the second capacitor C2 is denoted by Q0. The same amount of charge Q0 is then also taken out of the first capacitor C1 in an interval between H 3 and t14.
  • the associated states of the bidirectional terminals 1/01 and I / O2 are correspondingly in the respective interval low level 0, otherwise high-resistance state Z.
  • the phases in which the data processing unit 12 is active can be very short, for example 200 nanoseconds. It is noted at this point that the times are not drawn to scale.
  • a time interval t1 1 to t12 can extend over a very long period, in particular of hours, days or even weeks. This is for example the case when a battery cell is used with such a monitoring device in a motor vehicle, which is parked for a long time.
  • the two capacitors C1 and C2 have a different degree of self-discharge.
  • one of the two capacitors C1, C2 receives a higher compensation current than necessary and the other a lower compensation current than necessary.
  • the two voltages U1 and U2 drift apart from the setpoint half supply voltage V / 2 apart.
  • the first voltage U1 reaches an upper threshold value at the time t42, as a result of which a trigger pulse 15 is generated.
  • the data processing unit 12 recognizes on the basis of the deviating second voltage U2 on the second capacitor C2 that no storage should take place.
  • Such uneven self-discharge can result, for example, as a result of temperature influences or the like.
  • the unmatched compensation current distribution to the two capacitors C1 and C2 is now corrected to the effect that a fourth charge quantity Q3 taken from the second capacitor is now fed with opposite polarity into the first capacitor C1.
  • the embodiment is merely illustrative of the invention and is not limitative of it.
  • the circuit arrangement explained above can be modified as desired without departing from the idea of the invention.
  • how the monitoring of state information of energy stores, in particular battery cells, without time base, but based on energy units can be done in a very energy-efficient manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer Überwachungsvorrichtung (10) umfassend eine Datenverarbeitungseinheit (12) zur Verarbeitung von Zustandsdaten (13) der Batteriezelle in Abhängigkeit von einem Auslöseimpuls (15) und einer Auslöseeinheit (14), welche mit der Datenverarbeitungseinheit (12) gekoppelt ist, zur Erzeugung des Auslöseimpulses (15) und Bereitstellung des Auslöseimpulses (15) an die Datenverarbeitungseinheit (12). Die Auslöseeinheit (14) ist dazu ausgelegt ist, ein Messsignal (17) auszuwerten, welches mit einer elektrischen Energie der Batteriezelle korreliert, und den Auslöseimpuls (15) in Abhängigkeit von dem Messsignal (17) zu erzeugen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie mit einer derartigen Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen zumindest einer derartigen Batteriezelle.

Description

Batteriezelle mit Uberwach ungsvorrichtung
zugehöriges Betriebsverfahren
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Batterie, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie mit zumindest einer derartigen Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen zu- mindest einer Batteriezelle.
Lithium-Ionen-Batterien beziehungsweise Lithium-Ionen-Batteriesysteme haben sich aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte in nahezu allen Bereichen der mobilen Energiespeicher durchgesetzt, egal, ob es sich dabei um Pedelecs, Powertools, Hybridantriebe, Elektrofahrzeuge oder sogar um Bahnanwendungen handelt. Gleichzeitig gewinnen Lithium-Ionen- Batteriesysteme immer mehr auch an Bedeutung für stationäre Batteriespeichersysteme. Charakteristisch für viele Lithium-Ionen-Zellen beziehungsweise deren Zellchemie ist eine flache Ladezustands-Spannungs-Kennlinie. In den Randbereichen unter circa 10 Prozent und über 90 Prozent Ladezustand (state of Charge - SoC) ändert sich die Spannungslage der Batteriezellen jedoch sehr schnell. Über die Zeit driften die Batteriezellen in ihrer Spannungslage möglicherweise auseinander. Dies kann durch unterschiedliche Effekte, wie zum Beispiel verschiedene Selbstentladungsraten, inhomogene Temperaturen im Betrieb oder auch vorzeitige Alterung einiger Zellen in einem Batterieverbund oder auch durch unterschiedliche Chargen (Lieferung aus unterschiedlichen Fertigungslosen) geschehen.
Um das Risiko eines möglichen Ausfalls einer Batteriezelle schon vorab be- urteilen zu können, ist es nützlich, Zustandsdaten aus dem laufenden Betrieb jeder Batteriezelle zu erfassen und für eine spätere Auswertung zu dokumentieren. Dazu gehören insbesondere die Temperaturen der Zelle, die im Betrieb aufgetreten sind, sowie der Verlauf von Lade- beziehungsweise Entladeströmen und die jeweils zugehörigen Ladezustände. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Datensätze in gleichen Zeitabständen abzuspeichern. Im einfachsten Fall kann dies durch einen Taktgenerator angestoßen werden, welcher in zeitlich gleichbleibenden Intervallen jeweils eine Speicherung eines Datensatzes durch Erzeugen eines entsprechenden Trigger- Signals anstößt. Wenn außerdem eine Echtzeituhr (real time dock - RTC) zur Verfügung steht, kann der Datensatz außerdem mit einem Zeit- beziehungsweise Datumsstempel versehen werden. Bei einer Abspeicherung in kurzen Zeitabständen fallen sehr große Datenmengen an. Vergrößert man jedoch den zeitlichen Abstand zwischen zwei Speichervorgängen, so besteht die Gefahr, dass für die Beurteilung eines Batteriezellzustands wesentliche Ereignisse nicht erfasst werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batteriezelle, eine Batterie mit zumindest einer derartigen Batteriezelle, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie sowie ein Verfahren zum Überwachen zumindest einer Batteriezelle bereitzustellen, durch welche oder welches eine verbesserte Verarbeitung von Zustandsdaten der Batteriezelle ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Patent- anspruchs 1 , eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst eine Überwachungsvorrichtung, welche eine Datenverarbeitungseinheit zur Verarbeitung von Zustandsdaten der Batteriezelle in Abhängigkeit von einem Auslöseimpuls und eine Auslöseeinheit umfasst. Die Auslöseeinheit ist mit der Datenverarbeitungseinheit gekoppelt und zur Erzeugung des Auslöseimpulses und Bereitstellung des Auslöseimpulses an die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet. Dabei ist die Auslöseeinheit dazu ausgelegt, ein Messsignal auszuwerten, welches mit einer elektrischen Energie der Batteriezelle korreliert, um den Auslöseimpuls in Abhängigkeit von dem Messsignal zu erzeugen. Bei der Datenverarbei- tungseinheit kann es sich insbesondere um einen MikroController oder einen Mikroprozessor handeln. Zustandsdaten können von entsprechenden Sensoren der Batteriezelle bereitgestellt werden. So kann beispielsweise eine Spannung der Batteriezelle, eine Temperatur, ein Druck, eine Impedanz der Batteriezelle oder auch eine Lage im Raum oder eine Beschleunigung der Batteriezelle gespeichert werden. Bei Verfügbarkeit eines entsprechend geeigneten Messwertaufnehmers (Sensors) kann jeder beliebige Parameter der Batteriezelle oder der Umgebung erfasst werden. Hierbei kann auch vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungseinheit über eine zusätzliche - vor- zugsweise drahtlose - Kommunikationsverbindung weitere Daten erhält, welche nicht direkt innerhalb der Batteriezelle ermittelt werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein besonders günstiges Verhältnis von zu speichernder Datenmenge und Abdeckung der relevanten Ereignisse erzielt werden kann, wenn ein Speichervorgang in Abhängigkeit von der elektrischen Energie der Batteriezelle ausgeführt wird. So können beispielsweise Speicherintervalle verlängert werden, wenn der Batteriezelle keine elektrische Energie zugeführt oder entnommen wird. Ebenso kann vorgesehen sein, eine detailliertere Dokumentation der Zustandsdaten im Be- reich eines hohen Ladezustandes, also bei Annäherung der Spannung der Batteriezelle an eine von der Art der Batteriezelle abhängige Ladeschlussspannung oder eines niedrigen Ladezustandes bei einer möglicherweise auftretenden Tiefentladung bereitzustellen. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Auslöseeinheit dazu ausgelegt, den Auslöseimpuls zu einem ersten Zeitpunkt, bei welchem die Batteriezelle einen ersten elektrischen Energieinhalt aufweist, zu erzeugen und den Auslöseimpuls zu einem zweiten Zeitpunkt, bei welchem die Batteriezelle einen zweiten elektrischen Energieinhalt aufweist, zu erzeugen, wobei sich der ers- te elektrische Energieinhalt und der zweite elektrische Energieinhalt um einen vorgebbaren Energiewert unterscheiden. Dadurch wird die gesamte Spanne eines Energiehubs der Batteriezelle zwischen der Ladeschlussgrenze und der Entladeschlussgrenze in gleichmäßige, auf eine Energieeinheit (EE), beispielsweise eine Wattsekunde oder eine Kilowattstunde, bezogen. Dadurch ist eine lückenlose Dokumentation eines vollständigen Lade- /Entladezyklus möglich. Abhängig von der elektrischen Energie der Batteriezelle, welche einem Ladezustand der Batteriezelle entspricht, werden Zustandsinformationen über die Batteriezelle erfasst und aufgezeichnet. Durch eine geeignete Energiemessung wird der Energiefluss in die und aus der Batteriezelle summiert. Ist eine Energieeinheit in die Batteriezelle geflossen beziehungsweise aus der Batteriezelle geflossen, so werden die Zustandsinformationen der Batteriezelle, beispielsweise Spannung, Temperatur, Druck, Impedanzen, Lage im Raum, Beschleunigung und dergleichen gespeichert. Dies kann beispielsweise bei einer intelligenten Batteriezelle (SmartCell) mit integriertem Speicher und integrierten Sensoren durch eine integrierte intelligente Steuerung in Form eines MikroControllers oder eines Zustandsautomaten erfolgen. Kann die intelligente Batteriezelle nach außen mit einer externen Einrichtung kommunizieren, kann sie von dieser eine Zeitinformation anfordern und diese mit dem Datensatz abspeichern. Dies kann bei einem Fahrzeug insbesondere beim Laden und im Fahrbetrieb möglich sein. Ist von der externen Einrichtung auch eine GPS-Position verfügbar, so kann auch diese mit dem Datensatz abgespeichert werden. Basierend auf dem Prinzip der Energieeinheiten-basierten Speicherung von Zustandsdaten ist ein rele- vanter Energielebenslauf der Batteriezelle energieeffizient dokumentierbar. Insbesondere kann der Energielebenslauf der Batteriezelle dadurch vollständig dokumentiert werden.
Für eine effiziente Datenspeicherung kann auch vorgesehen sein, die Menge der zu speichernden Zustandsdaten dadurch zu verringern, dass ein Schreiben nur bei einer Änderung erfolgt, das heißt dass ein aktueller Wert eines Parameters nicht gespeichert wird, wenn sich der aktuelle Wert gegenüber dem zuletzt gespeicherten Wert nicht geändert hat. Insbesondere, wenn alle zu erfassenden Zustandsdaten sich seit dem letzten Speichervorgang nicht geändert haben, so werden diese nicht gespeichert, sondern nur der Energieeinheiten-Wert verändert. Dies führt insbesondere beim Laden zu einem geringen Datenaufkommen bei der mit dem Laden verbundenen hohen Energieeinheiten-Änderungsrate. Der Speichereintrag besteht in diesem Fall nur aus dem (geänderten) Energieeinheiten-Wert.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Messsignal proportional zu einem elektrischen Strom durch die Batteriezelle oder proportional zu einer elektrischen Leistung der Batteriezelle, wobei die Auslöseeinheit Mittel zur Erzeugung eines Integrationssignals in Abhängigkeit von dem Messsignal aufweist und dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten oder Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellwerts durch das Integrationssignal den Auslöseimpuls zu erzeugen und das Integrationssignal auf einen Startwert zurückzusetzen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Messsignal den elektrischen Strom durch die Batteriezelle repräsentiert, da sich das Messsignal in diesem Fall besonders einfach mit bereits in der Batteriezelle vorhandenen technischen Mitteln erhalten lässt. Ein Zusammenhang mit der elektrischen Leistung der Batteriezelle ergibt sich aus der Multiplikation mit der elektrischen Spannung der Batteriezelle. Bei Bezug auf den elektrischen Strom durch die Batteriezelle ist daher der vorgebbare Energiewert als Ladungswert zu inter- pretieren. Wie bereits eingangs dargestellt, ergibt sich bei Lithium-Ionen- Zellen im Bereich zwischen ca. 10 Prozent und 90 Prozent Ladezustand ein flacher Verlauf der Spannung der Zelle. Somit sind in diesem Bereich ein Energiewert und ein Ladungswert über einen näherungsweise konstanten Faktor, nämlich die Spannung der Batteriezelle, miteinender verknüpft. Somit ist die Erfindung mit beiden Varianten der Messwertbereitstellung uneingeschränkt verwendbar.
Bei einer Integration des Messsignals wird dieses in ein Integrationssignal überführt, welches je nach Art des bereitgestellten Messsignals eine elektrische Ladung oder eine elektrische Energie repräsentiert. Dabei ist es insbesondere wichtig, dass das Messsignal offsetfrei ist, das heißt den Wert 0 annimmt, wenn auch die ihm zugrundeliegende physikalische Größe, also eine elektrische Leistung oder ein elektrischer Strom, den Wert 0 annimmt. Mittels einer Prüfung des Integrationssignals auf ein Überschreiten oder Unterschreiten des vorgebbaren Schwellwerts kann somit der Zeitpunkt ermittelt werden, an welchem gegenüber einem Zeitpunkt des zuletzt erzeugten Auslöseimpulses die vorgebbare Energiemenge oder Ladungsmenge umgesetzt wurde. Auf diese Weise kann eine Folge von Auslöseimpulsen erzeugt wer- den, welche die übertragene Energie oder Ladung in jeweils gleiche Energieeinheiten beziehungsweise Ladungseinheiten unterteilt. Dadurch wird ein beliebiger Lade-/Entladezyklus der Batteriezelle mit einer vorgebbaren Auflösung, welche von der Energieeinheit beziehungsweise Ladungseinheit abhängt, vollständig dokumentiert. Abhängig von der vorgegebenen Auflösung und der Höhe des Messsignals kann sich hierbei ein Abstand zwischen zwei Auslöseimpulsen zwischen Bruchteilen von Sekunden bis zu Stunden oder Tagen ergeben. Dabei kann auch vorgesehen sein, eine Obergrenze für ein Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslöseimpulsen vorzugeben, wobei bei Erreichen dieser Obergrenze eine Verarbeitung der Zu- Standsdaten und Speicherung erfolgt, ohne dass der vorgebbare Schwellwert durch das Integrationssignal erreicht wurde.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Auslöseeinheit als Mittel zur Erzeugung des Integrationssignals einen ersten Kondensator auf, welcher mit einem ersten Analogeingang der Datenverarbeitungseinheit sowie mit einer ersten Komparatoreinheit elektrisch gekoppelt ist, wobei das Integrationssignal durch eine erste elektrische Spannung an dem ersten Kondensator bereitstellbar ist und die Komparatoreinheit dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten eines vorgebbaren ersten Schwellwerts durch die erste elektrische Spannung an dem ersten Kondensator den Auslöseimpuls zu erzeugen. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache und energiesparende Ausgestaltung der Erfindung. Die Bereitstellung des Messsignals erfolgt hierbei zweckmäßigerweise durch einen elektrischen Strom. Die zur Erzeugung des Auslöseimpulses vorgesehenen Komponenten verbrauchen wenig Energie und setzen die Datenverarbeitungseinheit mit jedem Auslöseimpuls jeweils nur kurzzeitig in Betrieb, nämlich so lange, wie diese für die Verarbeitung von den Zustandsdaten benötigt und um den Kondensator wieder auf den Startwert zurückzusetzen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Kondensator über einen ersten Widerstand mit einem ersten bidirektionalen Anschluss der Datenverarbeitungseinheit elektrisch gekoppelt. Vorliegend ist unter dem Begriff "Widerstand" ein Widerstandselement, also ein passives Bauelement, zu verstehen und nicht ein Widerstandswert. Der erste bidirektionale Anschluss ist dazu ausgelegt , einen der drei folgenden Zustände anzunehmen: Niedrig-Pegel mit einer elektrisch leitenden Verbindung zu einem Bezugspotential der Datenverarbeitungseinheit, Hoch-Pegel mit einer elektrisch leitenden Verbindung zu einem Versorgungspotential der Datenverarbeitungseinheit, wobei zwischen dem Versorgungspotential und dem Bezugspotential eine Versorgungsspannung der Datenverarbeitungseinheit anliegt, oder Nichtbestehen einer leitenden Verbindung. Hierdurch kann der erste Kondensator durch die Datenverarbeitungseinheit nach dem Überschreiten oder Unterschreiten des vorgebbaren Schwellwerts wieder innerhalb kurzer Zeit auf den Startwert zurückgesetzt werden. Nach dem Zurücksetzen auf den Startwert wird der erste bidirektionale Anschluss auf einen hochohmigen Zustand zurückgesetzt, sodass der erste Kondensator nicht mehr belastet wird. Bevorzugt kann danach die Datenverarbeitungseinheit in einen Ruhezustand versetzt werden, in dem ihr Energieverbrauch auf ein Minimum reduziert ist. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch durch die Überwachungsvorrichtung besonders gering gehalten und somit eine geringe Selbstentladung der Batteriezelle erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Auslöseeinheit einen zweiten Kondensator auf, welcher über einen zweiten Widerstand mit einem zweiten bidirektionalen Anschluss der Datenverarbeitungseinheit elektrisch gekoppelt ist und mit einem zweiten Analogeingang der Datenverarbeitungseinheit sowie mit einer zweiten Komparatoreinheit elektrisch gekoppelt ist. Dabei ist ein Referenzsignal durch eine zweite elektrische Spannung an dem zweiten Kondensator bereitstellbar. Die Komparatoreinheit ist dazu ausgelegt, bei Überschreiten eines vorgebbaren zweiten Schwellwerts durch die zweite elektrische Spannung den Auslöseimpuls zu erzeugen. Die Auslöseeinheit weist eine gemeinsame Stromquelle mit einem vorgebbaren Konstantstrom auf, welche dazu ausgelegt ist, zum Ausgleich von Selbstentladungsströmen des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators jeweils einen Ausgleichsstrom einzuprägen. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Stromquelle über die Datenverarbeitungseinheit konfigurierbar ist. Bevorzugt weist hierbei der zweite Kondensator die gleiche Kapazität wie der erste Kondensator auf. Weiterhin kann vorgesehen sein, die Aufteilung des vorgebbaren Konstantstroms auf den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator jeweils über einen dritten Widerstand und einen vierten Widerstand zu steuern. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Widerstandswert des dritten Widerstands und der Widerstandswert des vierten Widerstands gleich groß sind, sodass sich der Konstantstrom gleichmäßig auf den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator aufteilt. Diese Anordnung erlaubt es, einen Selbstentladungsstrom des ersten Kondensators zu kompensieren. Der zweite Kondensator dient hierbei als Referenzkondensator zur Kontrolle, dass der aus der Stromquelle bereitgestellte Konstantstrom genau den Selbstentladungsstrom des ersten Kondensators deckt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Auslöseeinheit dazu ausgelegt, bei Überschreiten des vorgebbaren zweiten Schwellwerts durch die zweite elekt- rische Spannung die zweite elektrische Spannung auf einen Differenzzustand zurückzusetzen und eine dafür in den zweiten Kondensator einzubringende Ausgleichsladungsmenge auch in den ersten Kondensator einzuspeisen. Für den Fall, dass der von der gemeinsamen Stromquelle bereitgestellte Konstantstrom nicht genau die Selbstentladung des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators deckt, nämlich zu viel oder zu wenig Strom einspeist, kann anhand des zweiten Kondensators die fehlende oder überschüssige Ladungsmenge ermittelt werden und diese gleichsinnig beiden Kondensatoren, das heißt dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator, zugeführt beziehungsweise entnommen werden, sodass nach die- sem Ausgleichsvorgang sich der zweite Kondensator wieder auf seinem Referenzzustand befindet. Hierdurch ist auch über einen längeren Zeitraum eine dauerhaft korrekte Messung der Energieeinheiten beziehungsweise Ladungseinheiten über den ersten Kondensator möglich. Zu der Erfindung gehört auch eine Batterie mit zumindest einer Batteriezelle der erfindungsgemäßen Art. Die erfindungsgemäße Batterie umfasst eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Batteriezellen, welche in Reihe geschaltet und/oder parallel geschaltet sein können. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass das Messsignal die elektrische Energie repräsentiert, welche mit der Gesamtheit der miteinender verschalteten Batteriezellen korreliert.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Batterie. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Personen kraft- wagen, insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Des Weiteren kann es sich bei dem Kraftfahrzeug auch um ein elektrisch betriebenes Motorrad oder um ein elektrisch betriebenes Fahrrad handeln. Es ist des Weiteren möglich, die Batterie in einem stationären Energiespeichersystem vorzusehen. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die Batterie, welche in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt war, als sogenannte Second-Life-Batterie weiterverwendet wird, wobei also die Batterie einer andersgearteten Nutzung zugeführt wird. Insbesondere bei Second-Life- Anwendungen können nämlich die Anforderungen etwa an die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen geringer sein als bei Verwendung der Batteriezellen für die Batterie des Kraftfahrzeugs. Hierbei können die in der Batteriezelle vorliegenden Zustandsdaten aus der zurückliegenden Betriebszeit der Batteriezelle vorteilhaft zur Selektion und Überprüfung eingesetzt werden.
Verfahrensseitig werden zum Überwachung zumindest einer Batteriezelle folgende Schritte vorgeschlagen: Verarbeiten von Zustandsdaten der Batteriezelle in Abhängigkeit von einem Auslöseimpuls, Auswerten eines Messsignals, welches mit einer elektrischen Energie der Batteriezelle korreliert, Erzeugen des Auslöseimpulses in Abhängigkeit von dem Messsignal und Bereitstellen des Auslöseimpulses.
Die für die erfindungsgemäße Batteriezelle beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Batte- e und für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Ebenso gelten die für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen für entsprechende Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungs- merkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals- kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Überwachungsvorrich- tung einer Batteriezelle in einer vereinfachten schematischen
Darstellung
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Zeitverlaufs von charakteristischen Signalen der Überwachungsvorrichtung gemäß Fig. 1 unter Annahme einer idealen Selbstentladungskompensation,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Zeitverlaufs von charakteristischen Signalen der Überwachungsvorrichtung gemäß Fig. 1 unter Annahme einer nichtidealen Selbstentladungskompensation, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Zeitverlaufs von charakteristischen Signalen der Überwachungsvorrichtung gemäß Fig. 1 unter Annahme einer ungleichmäßigen Selbstentladungskompensation bei einem gegenläufigen Auseinanderdriften eines Messsignals und eines Referenzsignals.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Überwachungsvorrichtung 10, wie sie in einer Batteriezelle zum Einsatz kommen kann. Die Überwachungsvorrichtung 10 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit 12, welche mit einer Auslöseeinheit 14 gekoppelt ist. Von Sensoren innerhalb oder außerhalb der Batteriezelle werden Zustandsdaten 13 an die Datenverarbeitungseinheit 12 bereitgestellt. Die Auslöseeinheit 14 stellt einen Auslöseimpuls 15 an einem Eingang P1 der Datenverarbeitungseinheit 12 bereit. Hierbei kann es sich um einen Eingang P1 handeln, welcher ein sogenanntes Aufwecken (Wake-up) der Datenverarbeitungseinheit 12 ermöglicht. Ein Messsignal, welches bevorzugt proportional zu einem elektrischen Strom durch die Batteriezelle ist, wird als Stromsignal 17 in einem Verzweigungspunkt Σ der Auslöseeinheit 14 einge- speist. Zusätzliche Daten können von der Datenverarbeitungseinheit 12 von einer externen Datenquelle abgefragt werden, beispielsweise ein Echtzeituhrsignal 19 (real time dock - RTC) oder ein Standortsignal 21 , etwa in Form eines GPS-Signals (global positioning System). Die Auslöseeinheit 14 weist eine symmetrische Anordnung von Komponenten auf. Ein erster Kondensator C1 , an dem eine erste Spannung U1 anliegt, dient als Messkondensator, ein zweiter Kondensator C2, an dem eine zweite Spannung U2 anliegt, dient als Referenzkondensator. Beide Kondensatoren C1 , C2 sind jeweils auf ein gemeinsames Bezugspotential 1 1 bezogen. Pa- rallel zu dem ersten Kondensator C1 ist ein erster Parallelwiderstand Rp1 angedeutet, welcher eine Selbstentladung des ersten Kondensators C1 repräsentiert. In gleicher Weise ist parallel zu dem zweiten Kondensator C2 ein zweiter Parallelwiderstand Rp2 angedeutet, welcher für eine Selbstentladung des zweiten Kondensators C2 steht. Zur Kompensation der Selbstentladung durch den ersten Parallelwiderstand Rp1 und den zweiten Parallelwiderstand Rp2 ist eine Konstantstromquelle 18 vorgesehen, welche einen Konstantstrom 11 liefert. Der Konstantstrom 11 teilt sich über eine erste Diode D1 und eine zweite Diode D2 auf, wobei die Anoden der beiden Dioden D1 und D2 mit der Konstantstromquelle 18 gekoppelt sind. Ein nicht mit dem Bezugspotential 1 1 verbundener Anschluss des ersten Kondensators C1 , welcher im Folgenden als oberer Anschluss des ersten Kondensators C1 bezeichnet wird, wird über einen ersten Widerstand R1 mit einem ersten bidirektionalen Anschluss 1/01 der Datenverarbeitungseinheit 12 gekoppelt. In gleicher Weise ist ein nicht mit dem Bezugspotential 1 1 verbundener An- schluss des zweiten Kondensators C2, welcher im Folgenden als oberer Anschluss des zweiten Kondensators C2 bezeichnet wird, über einen zweiten Widerstand R2 mit einem zweiten bidirektionalen Anschluss I/O2 der Datenverarbeitungseinheit 12 gekoppelt. Der obere Anschluss des ersten Kondensators C1 ist des Weiteren mit einem ersten Analogeingang ADC1 der Da- tenverarbeitungseinheit 12 sowie mit einem Eingang einer ersten Komparatoreinheit 22 elektrisch gekoppelt. Ebenso ist der obere Anschluss des zweiten Kondensators C2 mit einem zweiten Analogeingang ADC2 der Datenverarbeitungseinheit 12 sowie mit einem Eingang einer zweiten Komparatoreinheit 26 verbunden.
Die Kathode der ersten Diode D1 ist mit dem oberen Anschluss des ersten Kondensators C1 über einen dritten Widerstand R3 gekoppelt. In gleicher Weise ist die Kathode der zweiten Diode D2 über einen vierten Widerstand R4 mit dem oberen Anschluss des zweiten Kondensators C2 gekoppelt. Die erste Komparatoreinheit 22 stellt ein Signal 23 bereit, welches ein Unterschreiten eines vorgebbaren unteren Schwellwerts signalisiert sowie ein Signal 25, welches ein Überschreiten eines vorgebbaren oberen Schwellwerts signalisiert. In gleicher Weise stellt die zweite Komparatoreinheit 26 ein Sig- nal 27 bereit, welches ein Unterschreiten eines vorgebbaren unteren Schwellwerts signalisiert sowie ein Signal 29, welches ein Überschreiten eines vorgebbaren oberen Schwellwerts signalisiert. Bevorzugt können hierbei die oberen und die unteren Schwellwerte identisch für beide Komparatoreinheiten 22 und 26 vorgegeben sein. Weiterhin können ein obe- rer Schwellwert und ein unterer Schwellwert symmetrisch angeordnet zu einem Startzustand beziehungsweise Referenzzustand des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2 sein, welcher vorzugsweise einer halben Versorgungsspannung V/2 (= 1/2 * Versorgungsspannung V) entspricht. Die Signale 23, 25, 27, 29 sind an einer logischen Verknüpfungsein- heit 24 bereitgestellt, welche eine Oder-Verknüpfung ausführt und daraus den Auslöseimpuls 15 erzeugt.
Fig. 2 zeigt eine Zusammenstellung von fünf Graphen, welche über einer gemeinsamen Zeitachse dargestellt sind. Dargestellt sind die erste Span- nung U1 an dem ersten Kondensator C1 (Messkondensator), auch als Messspannung bezeichnet, sowie die zweite Spannung U2 an dem zweiten Kondensator C2 (Referenzkondensator), auch als Referenzspannung bezeichnet. Die erste Spannung U1 und die zweite Spannung U2 können einen Wert im Bereich zwischen 0 und dem Wert der Versorgungsspannung V, welche eine Betriebsspannung der Schaltung darstellt, annehmen. Weiterhin ist ein binäres Betriebszustandssignal OP dargestellt, welches einen Betriebszustand der der Datenverarbeitungseinheit 12 kennzeichnet. Bei einem Niedrig-Pegel 0 befindet sich die Datenverarbeitungseinheit 12 in einem Schlafmodus (Sleep Mode), welcher durch einen besonders geringen Ener- gieverbrauch der Datenverarbeitungseinheit 12 gekennzeichnet ist, bei einem Hoch-Pegel 1 befindet sich die Datenverarbeitungseinheit 12 in einem Betriebsmodus (Operation Mode). Eine Überführung von dem Schlafmodus in den Betriebsmodus erfolgt mittels des an dem Eingang P1 bereitgestellten Auslöseimpulses 15. Ein Zurücksetzen von dem Betriebsmodus in den Schlafmodus kann durch die Datenverarbeitungseinheit 12 selbst, insbesondere durch Ausführen eines entsprechenden Programmcodes erfolgen.
Des weiteren sind der Zustand des ersten bidirektionalen Anschlusses 1/01 , welcher mit dem ersten Kondensator C1 gekoppelt ist, und des zweiten bidirektionalen Anschluss I/O2, welcher mit dem zweiten Kondensator C2 gekoppelt ist, jeweils in einem Graphen dargestellt. Hierbei können drei Zustände vorliegen, nämlich ein hochohmiger Zustand Z, bei welchem der erste Kondensator C1 beziehungsweise der zweite Kondensator C2 unbeeinflusst bleibt, ein Hoch-Pegel 1 , bei welchem eine elektrisch leitende Verbindung zu einem Versorgungspotential hergestellt wird, wodurch eine Aufladung des jeweiligen Kondensators C1 beziehungsweise C2 erfolgt. Als weiterer Zustand kann ein Niedrig-Pegel 0 vorliegen, bei welchem eine elektrisch leitende Verbindung zu dem Bezugspotential 1 1 hergestellt wird, was zu einer Ent- ladung des jeweiligen Kondensators C1 beziehungsweise C2 führt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Hoch-Pegel 1 physikalisch durch eine Spannung repräsentiert wird, welche gleich der Versorgungsspannung V ist. Bei einem Startzustand zwischen einer Zeit tO und t1 beträgt die zweite Spannung U2 konstant V/2. In gleicher Weise beträgt hier die erste Spannung U1 ebenfalls V/2. Das Betriebszustandssignal OP weist in diesem Zustand den Niedrig-Pegel 0 auf. Beide bidirektionale Anschlüsse 1/01 und I/O2 befinden sich im hochohmigen Zustand Z. Zwischen dem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 findet nun eine Stromzufuhr in den Kondensator C1 durch ein positives Stromsignal 17 statt. Zum Zeitpunkt t2 erreicht die erste Spannung U1 einen oberen Schwellwert, welcher hier zur Vereinfachung auf den Wert der Versorgungsspannung V gelegt wurde. Zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 ist somit eine bestimmte Energiemenge beziehungs- weise Ladungsmenge geflossen, welche hier mit ΔΕΕ bezeichnet wird. Zum Zeitpunkt t2 wird somit der Auslöseimpuls 15 an den ersten Eingang P1 der Datenverarbeitungseinheit 12 bereitgestellt, wodurch das Betriebszustandssignal OP von dem Niedrig-Pegel 0 auf den Hoch-Pegel 1 wechselt. Die Datenverarbeitungseinheit 12 startet nun die Verarbeitung der Zustandsdaten und führt den ersten Kondensator C1 wieder auf seinen Ausgangszustand zurück, nämlich auf die halbe Versorgungsspannung V/2, indem der bidirektionale Anschluss 1/01 auf den Niedrig-Pegel 0 gelegt wird. Mit Erreichen der halben Versorgungsspannung V/2 durch die erste Spannung U1 wird der erste bidirektionale Anschluss 1/01 wieder in den hochohmigen Zustand Z überführt, und die Datenverarbeitungseinheit 12 kann wieder in den Schlafmodus zurückkehren.
Beispielhaft startet nun bei einem Zeitpunkt t3 ein Stromfluss des Stromsig- nals 17 in entgegengesetzter Richtung. Hierdurch wird zwischen dem Zeitpunkt t3 und einem Zeitpunkt t4 gerade wieder die zuvor eingespeicherte Energieeinheit ΔΕΕ beziehungsweise Ladungsmenge entnommen. Die erste Spannung U1 an dem ersten Kondensator C1 erreicht bei dem Zeitpunkt t4 eine untere Schwelle, welche hier zur Vereinfachung auf 0 gesetzt wurde. Wie bereits zuvor in dem Intervall zwischen t2 und t3 startet hier ein Auslöseimpuls 15 an dem ersten Eingang P1 die Datenverarbeitungseinheit 12 zur Verarbeitung der Zustandsdaten. Als einziger Unterschied zu dem Vorgang in dem Intervall t2, t3 ist der erste bidirektionale Anschluss 1/01 nunmehr auf den Hoch-Pegel 1 geschaltet, bei welchem eine Verbindung mit der Versor- gungsspannung V besteht. Nachdem die erste Spannung U1 an dem ersten Kondensator C1 den Wert der halben Versorgungsspannung V/2 erreicht hat, liegt hier wieder der ursprüngliche Zustand wie in dem Intervall tO, t1 vor.
Fig. 3 zeigt dieselbe Zusammenstellung von Graphen, wobei nunmehr auch ein überlagertes Wegdriften der beiden Kondensatoren C1 und C2 dargestellt ist. Ausgehend von einem Ausgangszustand, welcher zwischen einem Zeitpunkt t10 und einem Zeitpunkt t1 1 vorliegt, startet bei dem Zeitpunkt t1 1 wieder eine Zuführung einer Energieeinheit ΔΕΕ. Hierbei wird nun angenommen, dass in diesem Intervall eine gleichmäßige Spannungsdrift bei bei- den Kondensatoren C1 und C2, das heißt dem Messkondensator und dem Referenzkondensator, stattfindet. Zu dem Zeitpunkt t12 erreicht die erste Spannung an dem ersten Kondensator C1 einen oberen Schwellwert. Die logische Verknüpfungseinheit 24 erzeugt dann den Auslöseimpuls, 15, welcher an dem ersten Eingang P1 der Datenverarbeitungseinheit 12 bereitge- stellt wird. Die Datenverarbeitungseinheit 12 stellt nun über den zweiten Analogeingang ADC2 fest, dass sich der zweite Kondensator C2, also der Referenzkondensator, nicht mehr auf der halben Versorgungsspannung V/2 befindet. Infolgedessen findet keine Zustandsdatenverarbeitung und Abspeicherung statt. In dem Zeitintervall zwischen t12 und t13 findet nunmehr eine Entladung des zweiten Kondensators C2 auf den Sollwert statt, nämlich der halben Versorgungsspannung V/2. Die hierfür aus dem zweiten Kondensator C2 entnommen erste Ladungsmenge wird mit Q0 bezeichnet. Die gleiche Ladungsmenge Q0 wird anschließend auch in einem Intervall zwischen H 3 und t14 aus dem ersten Kondensator C1 entnommen. Die zugehörigen Zustände der bidirektionalen Anschlüsse 1/01 und I/O2 sind entsprechend in dem jeweiligen Intervall Niedrig-Pegel 0, ansonsten hochohmiger Zustand Z.
In gleicher Weise ist in einem weiteren Verlauf zwischen einem Zeitpunkt t20 und t21 ein Ausgangszustand mit jeweils der halben Versorgungsspannung V/2 als erste Spannung an dem ersten Kondensator und zweite Spannung an dem zweiten Kondensator gegeben. Hierbei erfolgt nun eine Stromentnahme in entgegengesetzter Richtung. Auch hier wird vorausgesetzt, dass sich in dem Intervall t21 und t22 zusätzlich eine Überlagerung eines Drift- Stroms ergibt, welcher zu einer fortschreitenden Entladung des ersten Kondensators C1 und des zweiten Kondensators C2 führt, welcher nicht von der Konstantstromquelle 18 gedeckt wird. Zum Zeitpunkt t22 erreicht die erste Spannung U1 an dem ersten Kondensator C1 den unteren Schwellwert, wodurch der Auslöseimpuls 15 erzeugt wird, welcher an dem Eingang P1 be- reitgestellt wird. Auch hier erfolgt keine Speicherung der Zustandsdaten, weil die zweite Spannung U2 an dem zweiten Kondensator C2 von dem Sollwert halbe Versorgungsspannung V/2 abweicht. Zunächst wird in dem Zeitintervall t22 bis t23 die zweite Spannung U2 an dem zweiten Kondensator auf den Sollwert halbe Versorgungsspannung V/2 zurückgeführt. Eine dabei er- mittelte zweite Ladungsmenge Q1 wird dementsprechend auch wieder dem ersten Kondensator C1 zugeführt. Der Zustand des ersten bidirektionalen Anschlusses 1/01 ist in diesem Fall zwischen dem Zeitpunkt t23 und t24 durch den Hoch-Pegel 1 gegeben, der Zustand des zweiten bidirektionalen Anschlusses I/02 ist zwischen dem Zeitpunkt t22 und t23 durch den Hoch- Pegel 1 gegeben. Ansonsten liegt bei beiden bidirektionalen Anschlüssen 1/01 und I/02 in diesem Abschnitt jeweils der hochohmige Zustand Z vor.
Zwischen einem Zeitpunkt t30 und t31 findet ein weiterer überlagerter Vorgang aus Stromentnahme und Drift statt, wobei im Unterschied zu den vor- hergehenden Fällen eine erste Schwellwertüberschreitung hier durch die zweite Spannung U2 des zweiten Kondensators 02, also des Referenzkondensators, stattfindet. Auch in diesem Fall findet zu dem Zeitpunkt t31 keine Datenspeicherung durch die Datenverarbeitungseinheit 12 statt, da die Spannung an dem zweiten Kondensator 02 hier nicht dem Sollwert halbe Versorgungsspannung V/2 entspricht. In dem Intervall t31 bis t32 wird die Spannung U2 an dem zweiten Kondensator C2 wieder auf den Sollwert halbe Versorgungsspannung V/2 zurückgeführt. Eine dabei entnommene dritte Ladungsmenge Q2 wird des Weiteren auch in dem Intervall t32 bis t33 aus dem ersten Kondensator C1 entnommen.
Insbesondere können die Phasen, in denen die Datenverarbeitungseinheit 12 aktiv ist, beispielsweise zwischen den Zeitpunkten t12 und t14 oder den Zeitpunkten t31 und t33 sehr kurz sein, beispielsweise 200 Nanosekunden. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Zeiten nicht maßstäblich aufgetragen sind. Insbesondere kann sich beispielsweise ein Zeitintervall t1 1 bis t12 über einen sehr langen Zeitraum, insbesondere von Stunden, Tagen oder gar Wochen, erstrecken. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Batteriezelle mit einer derartigen Überwachungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, welches über längere Zeit abgestellt ist.
Fig. 4 zeigt einen Fall der Langzeitdrift, bei welchem die beiden Kondensatoren C1 und C2 eine unterschiedlich hohe Selbstentladung aufweisen. Insbesondere erhält einer der beiden Kondensatoren C1 , C2 einen höheren Kom- pensationsstrom als notwendig und der andere einen niedrigeren Kompensationsstrom als notwendig. Infolgedessen driften die beiden Spannungen U1 und U2 abweichend von dem Sollwert halbe Versorgungsspannung V/2 auseinander. Dabei erreicht die erste Spannung U1 zum Zeitpunkt t42 einen oberen Schwellwert, infolgedessen wird ein Auslöseimpuls 15 erzeugt. Die Datenverarbeitungseinheit 12 erkennt anhand der abweichenden zweiten Spannung U2 an dem zweiten Kondensator C2, dass keine Speicherung erfolgen soll. Eine derart ungleichmäßige Selbstentladung kann sich beispielsweise infolge von Temperatureinflüssen oder ähnlichem ergeben. Die nicht angepasste Kompensationsstromverteilung an die beiden Kondensatoren C1 und C2 wird nun dahingehend korrigiert, dass eine aus dem zweiten Kondensator entnommene vierte Ladungsmenge Q3 nunmehr mit entgegengesetzter Polarität in den ersten Kondensator C1 eingespeist wird.
Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. Insbesondere kann die zuvor erläuterte schaltungstechnische Anordnung beliebig modifiziert sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. Somit wurde vorstehend gezeigt, wie das Monitoring von Zustandsinformationen von Energiespeichern, insbesondere Batteriezellen, ohne Zeitbasis, sondern basierend auf Energieeinheiten, auf sehr energiesparende Weise erfolgen kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Batteriezelle mit einer Überwachungsvorrichtung (10) umfassend:
- eine Datenverarbeitungseinheit (12) zur Verarbeitung von Zustands- daten (13) der Batteriezelle in Abhängigkeit von einem Auslöseimpuls (15),
- einer Auslöseeinheit (14), welche mit der Datenverarbeitungseinheit (12) gekoppelt ist, zur Erzeugung des Auslöseimpulses (15) und Bereitstellung des Auslöseimpulses (15) an die Datenverarbeitungseinheit (12), wobei
- die Auslöseeinheit (14) dazu ausgelegt ist, ein Messsignal (17) auszuwerten, welches mit einer elektrischen Energie der Batteriezelle korreliert, und den Auslöseimpuls (15) in Abhängigkeit von dem Messsignal (17) zu erzeugen.
Batteriezelle nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auslöseeinheit (14) dazu ausgelegt ist, den Auslöseimpuls (15) zu einem ersten Zeitpunkt, bei welchem die Batteriezelle einen ersten elektrischen Energieinhalt aufweist, zu erzeugen und den Auslöseimpuls (15) zu einem zweiten Zeitpunkt, bei welchem die Batteriezelle einen zweiten elektrischen Energieinhalt aufweist, zu erzeugen, wobei sich der erste elektrische Energieinhalt und der zweite elektrische Energieinhalt um einen vorgebbaren Energiewert unterscheiden.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Messsignal (15) proportional zu einem elektrischen Strom durch die Batteriezelle oder proportional zu einer elektrischen Leistung der Batteriezelle ist, wobei die Auslöseeinheit (14) Mittel zur Erzeugung eines Integrationssignals in Abhängigkeit von dem Messsignal (17) aufweist, und dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten oder Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellwerts durch das Integrationssignal den Auslöseimpuls (15) zu erzeugen und das Integrationssignal auf einen Startwert zurückzusetzen.
4. Batteriezelle nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auslöseeinheit (14) als Mittel zur Erzeugung des Integrationssignals einen ersten Kondensator (C1 ) aufweist, welcher mit einem ersten Analogeingang (ADC1 ) der Datenverarbeitungseinheit sowie mit einer ersten Komparatoreinheit (22) elektrisch gekoppelt ist, wobei das Integrationssignal durch eine erste elektrische Spannung (U1 ) an dem ersten Kon- densator (C1 ) bereitstellbar ist und die Komparatoreinheit (22) dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten eines vorgebbaren ersten Schwellwerts durch die erste elektrische Spannung (U1 ) an dem ersten Kondensator (C1 ) den Auslöseimpuls (15) zu erzeugen.
Batteriezelle nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kondensator (C1 ) über einen ersten Widerstand (R1 ) mit einem ersten bidirektionalen Anschluss (1/01 ) der Datenverarbeitungseinheit (12) elektrisch gekoppelt ist, wobei der erste bidirektionalen Anschluss ( I/01 ) dazu ausgelegt ist, einen der drei folgenden Zustände anzunehmen:
- Niedrig-Pegel (0) mit einer elektrisch leitenden Verbindung zu einem Bezugspotential (1 1 ) der Datenverarbeitungseinheit,
- Hoch-Pegel (1 ) mit einer elektrisch leitenden Verbindung zu einem Versorgungspotential der Datenverarbeitungseinheit, wobei zwischen dem Versorgungspotential und dem Bezugspotential eine Versorgungsspannung der Datenverarbeitungseinheit anliegt, oder
- Nichtbestehen einer leitenden Verbindung (Z). 6. Batteriezelle nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auslöseeinheit (14) einen zweiten Kondensator (C2) aufweist, welcher über einen zweiten Widerstand (R2) mit einem zweiten bidirektionalen Anschluss (I/O2) der Datenverarbeitungseinheit (12) elektrisch ge- koppelt ist und mit einem zweiten Analogeingang (ADC2) der Datenve- rarbeitungseinheit(12) sowie mit einer zweiten Komparatoreinheit (26) elektrisch gekoppelt ist, wobei ein Referenzsignal durch eine zweite elektrische Spannung (U2) an dem zweiten Kondensator (C2) bereitstellbar ist und die Komparatoreinheit dazu ausgelegt ist, bei Über- schreiten eines vorgebbaren zweiten Schwellwerts durch die zweite elektrische Spannung (U2) den Auslöseimpuls zu erzeugen, wobei die Auslöseeinheit eine gemeinsame Stromquelle (18) mit einem vorgebbaren Konstantstrom (11 ) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, zum Ausgleich von Selbstentladungsströmen des ersten Kondensators (C1 ) und des zweiten Kondensators (C2) in den ersten Kondensator (C1 ) und den zweiten Kondensator (C2) jeweils einen Ausgleichstrom einzuprägen. 7. Batteriezelle nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auslöseeinheit (14) dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten des vorgebbaren zweiten Schwellwerts durch die zweite elektrische Spannung (U2) die zweite elektrische Spannung (U2) auf einen Referenzzu- stand zurückzusetzen und eine dafür in den zweiten Kondensator (C2) einzubringende Ausgleichsladungsmenge (Q1 , Q2, Q3) auch in den ersten Kondensator (C1 ) einzuspeisen.
8. Batterie mit zumindest einer Batteriezelle nach einem der vorhergehen- den Ansprüche.
9. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 8.
10. Verfahren zum Überwachen zumindest einer Batteriezelle mit den Schrit- ten:
- Verarbeiten von Zustandsdaten (13) der Batteriezelle in Abhängigkeit von einem Auslöseimpuls (15),
- Auswerten eines Messsignals (17), welches mit einer elektrischen Energie der Batteriezelle korreliert,
- Erzeugen des Auslöseimpulses (15) in Abhängigkeit von dem Messsignal (17), und
- Bereitstellen des Auslöseimpulses (15).
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