WO2017063816A1 - Vorrichtung, anordnung und elektrisch antreibbares fortbewegungsmittel zur spannungsüberwachung einer vielzahl elektrochemischer zellen eines energiespeichers - Google Patents

Vorrichtung, anordnung und elektrisch antreibbares fortbewegungsmittel zur spannungsüberwachung einer vielzahl elektrochemischer zellen eines energiespeichers Download PDF

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WO2017063816A1
WO2017063816A1 PCT/EP2016/071921 EP2016071921W WO2017063816A1 WO 2017063816 A1 WO2017063816 A1 WO 2017063816A1 EP 2016071921 W EP2016071921 W EP 2016071921W WO 2017063816 A1 WO2017063816 A1 WO 2017063816A1
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connection
electrical
switches
voltage
evaluation unit
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PCT/EP2016/071921
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Inventor
Daniel Schweiker
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery

Definitions

  • the present invention relates to a means of locomotion, an arrangement and a device for voltage monitoring a plurality
  • Electrochemical energy stores are used for the mobile energy supply of various devices and facilities. In hybrid and
  • Electric vehicles are nowadays batteries with a high number of cells used in order to provide the economically and energetically favorable operation high voltage can.
  • the capacity of the cells increases with aging and is also subject to specimen scattering, the
  • Cells can only be protected against overloading or overdischarging by monitoring the individual voltage.
  • circuits with multiple multiplexers and analog-to-digital converters are usually used.
  • the voltages of a plurality of battery cells are successively supplied via a multiplexer to an analog-to-digital converter, which translates the analog value into a digital value. Subsequently, the so converted
  • a disadvantage of this method is the relatively high price of suitable integrated circuits. It is therefore an object of the present invention to provide an alternative method for detecting the
  • the above object is achieved by a device for voltage monitoring a plurality of electrochemical cells of a
  • the average voltage of a variable plurality of cells in an iterative process is the
  • Device has a plurality of electrical resistors connected in series.
  • the second terminal of a considered resistance with a first terminal of another
  • Resistor electrically connected and so on This electrical connection can in particular be galvanic and optionally permanent.
  • a plurality of electrical galvanically connected in series input gates, each having a first terminal and a second terminal is provided.
  • Entrance gates - as will be described in more detail below - each with a different connection of the Wdernot electrically connect.
  • an evaluation unit is provided which, for example, in the manner of a
  • Microcontroller can be executed.
  • the electrical switches are arranged with respect to the Wderstand such that each switch is arranged, a terminal of an input gate electrically connected to a terminal of a
  • Resistance to connect This can be done in particular galvanically.
  • a switch is provided at least for most of the electrical terminals of the cells, electrically connecting them to exactly one node in the leakage chain.
  • Such a switchable connection is not required for a single terminal of the input ports, which may correspond to an electrical ground, for example.
  • the evaluation unit is now set up to selectively close the switches and in each case an electrical measured variable (eg current and / or voltage) with respect to the
  • the number of electrically connected in series to these cells as a load.
  • one cell voltage value can now be determined after the other. For example, to begin with the determination of a cell voltage across the first cell (individually considered). Once the voltage across this cell has been determined, a further electrochemical cell can be connected and the current voltage can be switched on via the activated voltage divider
  • Total voltage of the two active cells can be determined. Due to the previously determined voltage of the first cell, the cell voltage of the second cell can be determined by a simple subtraction. Accordingly, it is possible to proceed with a third and each further cell in the strand connected in accordance with the invention until all cell voltages are known.
  • the evaluation unit can be set up to individually close the switches between the resistors and the input ports. In other words, only one electrical connection is above the first in each case
  • the evaluation unit can determine which cells are currently at the
  • the evaluation unit may have a first terminal, which is permanently connected to a first terminal of a first gate and a first terminal of the first resistor. This electrical connection can correspond to an electrical ground of the device according to the invention. In this way, a switch can be saved and the circuit logic is simplified.
  • the plurality of resistors may each have identical characteristics.
  • the Wderstandsbaumaschine are selected with an identical resistance nominal value.
  • the use of identical resistors can achieve a substantially identical expectation value for the electrical parameter measured by the evaluation unit.
  • the switches, by means of which the input ports and the electrical resistors can be electrically connected to one another optionally, can each be designed by means of two MOSFETs provided in common-source arrangement. This allows a reliable and energetically favorable
  • switches are e.g. can be configured by means of two each provided in common source arrangement MOSFETs, a
  • Series connection comprising an ohmic Wderstand and a diode can be used to allow a cost-effective because component-saving balancing.
  • the series connection between an electrical resistance and a resistor-facing terminal of a switch of an input port is connected and on the other hand connected between the two MOSFETs of another switch of the same input ports.
  • the diode is oriented in the forward direction facing the node arranged between the two MOSFETs. In other words, a current flow from the node between the resistor and the switch in the direction of the node between the two MOSFETs is allowed, but not in the opposite direction.
  • the evaluation unit can have, for example, an analog-to-digital converter which is set up to digitize the electrical measured quantity (eg voltage and / or current). This way, a digital
  • the arrangement therefore comprises a device according to the first aspect of the invention and two
  • Busbars (first and second busbar).
  • the first voltage source is set up, one
  • the first voltage source can be designed for this purpose as a controllable DC voltage source.
  • the potential offset is established between the second busbar and the first terminal of the first input port or a low-voltage terminal of the evaluation unit.
  • the second voltage source is configured to establish a selectable electrical voltage between the first bus bar and the second bus bar.
  • the second plurality of switches is configured in each case to electrically connect a first terminal of the input ports of the device to the first busbar and to electrically connect in each case a second terminal of the input ports to the second busbar.
  • any electrical voltages can be generated between the terminals of the input ports of the device according to the invention, so that the response of the device (in particular of the individual resistors and switches) can be determined and related to the respective input voltage of the input ports.
  • an external switch matrix with two
  • Voltage sources made the calibration of the circuit by iterative measuring the true transfer factors between the input ports and the input of the evaluation circuit are determined. The first
  • Voltage source serves to raise the potential to the respective channel to obtain realistic values at the input of the ADC.
  • Voltage source depicts the cell voltage which is to be measured. Therefore, a very high precision is required for the latter, which in turn is decisive for the remaining residual error. This calibration makes it possible to eliminate all initial tolerances of the faulty components.
  • a second arrangement which corresponds to an insertion of the device according to the invention in the vehicle.
  • the device comprises a plurality of electrochemical cells of an energy store, one each
  • Input gate of the device is electrically connected to an electrochemical cell of the energy storage.
  • this arrangement can also be used outside of vehicles (eg for the uninterruptible power supply of equipment, in particular medical devices).
  • an electrically powered vehicle which comprises a device according to the first aspect of the invention and an arrangement as described above. Especially the second one
  • Energy storage can supply a powertrain of
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of an inventively designed means of transport
  • Figure 2 is a schematic diagram of a in the prior art for
  • Figure 3 is a schematic diagram of a first embodiment of a device according to the invention.
  • Figure 4 is a detail view illustrating an embodiment of
  • FIG. 5 is a block diagram of an arrangement for calibrating a device according to the invention according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic diagram illustrating an alternative
  • Embodiment of a device according to the invention comprising a differential analog-to-digital converter (ADC).
  • ADC analog-to-digital converter
  • FIG. 1 shows a passenger car 10 designed according to the invention
  • Means of transport which via an electric drive machine 3 and this dining electrochemical energy storage device 2 with a variety Cells 1 has as a drive train.
  • a circuit according to FIG. 2 is frequently used in the prior art.
  • FIG. 2 shows a strand I of cells 1, which in groups is divided by an evaluation unit 4 comprising a multiplexer 6 and an analog-digital
  • Transducer 5 is monitored. Here are successively several
  • FIG. 3 shows an embodiment of a device 11 according to the invention, in which individual switches S1, S2, S3, S4, S5, S6 are provided which
  • the switches S1 to S6 are connected via a control line 13 to the evaluation unit 4, which is set up to close a respective switch S1 to S6 and to open the remaining switches S1 to S6.
  • the nominal voltages of the cells 1a to 1f are identical, which is why also for the
  • Resistors R1 to R6 identical nominal values are selected.
  • the analog-to-digital converter 5 is set up to always digitize the voltage drop across the resistor R1 and to supply a voltage (not shown).
  • Processor unit of the evaluation unit 4 supply. By closing the switch S1, the voltage of the cell 1a can be directly digitized and determined. In knowledge of this cell voltage, the switch S1 can now be opened and the switch S2 can be closed. By way of the ratio of the resistors R1, R2, the total cell voltage of the cells 1a, 1b can then be closed and the voltage of the cell 1a subtracted.
  • Number of cells is equal to the number of resistors. This will increase the potential of the taps to the number of underlying taps Distributed resistors. Thus, for example, the voltage drop across each resistor is the same as the average voltage of all cells up to this intermediate tap given identical heat resistance values.
  • the average voltage can be measured in each case with the analog-to-digital converter 5 above the lowest resistance R1.
  • Figure 4 shows a possible realization of the switches S1 and S2 by means of respective MOSFETs T1, T2; T3, T4, which respective parasitic diodes D1, D2; D3, D4 are connected in parallel.
  • the blocking direction of the diodes D1 to D4 faces away from the common source connection or the flow direction faces the common source connection.
  • T1, T2; T3, T4 which are connected in the opposite direction (English "common source"), an unwanted current flow from the cells 1 a, 1 b in the chain of Wderdesign R and vice versa prevented.
  • the driving of the MOSFETs T1, T2; T3, T4 can take place via a controlled current source, which can be arranged, for example, in the drive unit (reference numeral 4 in FIG. 3).
  • a controlled current source which can be arranged, for example, in the drive unit (reference numeral 4 in FIG. 3).
  • Hardware circuit are introduced. For this purpose, it is - as shown - connected at one end at the level of a first terminal to the resistor chain, at the other end to the source terminals of the MOSFETs T1, T2; the next lower terminal (also called “channel”) electrically connected.
  • the diodes D1, D2; D3, D4 also called “body diode”
  • D B balancing diode
  • the illustrated arrangement can be degraded in this way via turning on the MOSFETs T1, T3 and T4 charge in the cell 1 b.
  • Figure 5 shows an arrangement for calibrating a device 11, by means of which the evaluation unit 4, the actual characteristics of the in the
  • Device 11 contained Wderstands R can be made known.
  • Actuation of individual input ports of the device 11 with an exact calibration voltage which is composed of the voltages U 0 and U ca i i and a first busbar 7 and a second busbar. 8
  • the DC voltage source U 0 is used to the potential of the second
  • the second voltage source Ucai maps the respective cell voltage which is to be measured. Therefore, for the second voltage source U ca i a very high precision is required, since this is decisive for the remaining residual error.
  • We described in connection with Figure 3, can be assumed by successive building measurements of the cell voltages or calibration voltages, which are known as the evaluation unit 4, each resistance ratio of the
  • Resistors R determined over each resulting voltage divider become. By this calibration, it is possible to eliminate all initial tolerances of the faulty components or resistors R. After calibration, the components of the arrangement arranged outside the device 11 are removed and, if appropriate, used for a further calibration process (eg, a further device 11).
  • FIG. 6 shows a detail view of an evaluation unit 4, which can be combined with all embodiments of the present invention to optimize the measurement accuracy. Unlike the rest
  • a differential analog-to-digital converter 5 is now used in the evaluation unit 4 for detecting the cell voltages.
  • the negative input of the analog-to-digital converter 5 is doing with a
  • Reference voltage U mid boosted to any voltage, which can increase measurement accuracy by minimizing the measurement range using a programmable gain amplifier (PGA).
  • the reference voltage U mid is chosen so that the
  • Transfer function is shifted in the typical cell voltage ranges of the present memory technology.
  • the resistance R arranged between the resistance chain R1, R2 and the capacitor C is merely optional and can be dispensed with.
  • the voltage source VCC supplies the analog-to-digital converter with energy.
  • the additional components resistor R, diodes D5, D6 and capacitor C are for the invention optional, non-essential components that improve the function of the circuit.
  • the present invention enables a reduction or extensive compensation of the errors of the used Wderdesign.
  • a method and an arrangement for calibrating all initial tolerances are proposed.
  • the additionally required hardware for balancing is very clear and can be easily integrated.

Abstract

Es werden ein Fortbewegungsmittel, zwei Anordnungen und eine Vorrichtung zur Spannungsüberwachung einer Vielzahl elektrochemischer Zellen eines Energiespeichers vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst: - eine Vielzahl galvanisch in Reihe miteinander verbundener elektrischer Widerstände (R1-R6), eine Vielzahl elektrischer galvanisch in Reihe miteinander verbundener Eingangstore mit jeweils einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, - eine Vielzahl elektrischer Schalter (S1 -S6), und eine Auswerteeinheit (4), wobei die elektrischen Schalter (S1 -S6) derart angeordnet sind, dass jeder Schalter (S1-S6) eingerichtet ist, einen Anschluss eines Eingangstores elektrisch mit einem Anschluss eines Widerstandes zu verbinden, und die Auswerteeinheit (4) eingerichtet ist, - die Schalter (S1-S6) wahlweise zu schließen und dabei jeweils - eine elektrische Messgröße bezüglich der Anschlüsse eines ersten Widerstandes (R1) der Vielzahl von Widerständen (R1 -R6) zu ermitteln.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung, Anordnung und elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel zur Spannungsüberwachung einer Vielzahl elektrochemischer Zellen eines
Energiespeichers
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel, eine Anordnung sowie eine Vorrichtung zur Spannungsüberwachung einer Vielzahl
elektrochemischer Zellen eines Energiespeichers. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine kostengünstige Möglichkeit zur Spannungsermittlung einzelner Energiezellen. Elektrochemische Energiespeicher werden zur mobilen Energieversorgung unterschiedlichster Geräte und Einrichtungen verwendet. In Hybrid- und
Elektrofahrzeugen werden heutzutage Batterien mit einer hohen Anzahl von Zellen verwendet, um die zum wirtschaftlich und energetisch günstigen Betrieb hohen Spannung bereitstellen zu können. Da die Kapazität der Zellen mit der Alterung zunimmt und überdies einer Exemplarstreuung unterliegt, können die
Zellen nur durch Überwachung der Einzelspannung vor Über- oder Tiefentladen geschützt werden. Zur Überwachung der Zellspannungen werden in der Regel Schaltungen mit mehreren Multiplexern und Analog-Digital-Wandlern verwendet. Hierbei werden die Spannungen mehrere Batteriezellen über einen Multiplexer nacheinander einem Analog-Digital-Wandler zugeführt, der den Analogwert in einen Digitalwert übersetzt. Anschließend werden die so gewandelten
Zellspannungen über einen Datenbus an einen Mikrocontroller zur
Weiterverarbeitung geschickt. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in dem relativ hohen Preis geeigneter integrierter Schaltungen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Methode zur Erfassung der
Einzelspannung bereitzustellen, durch welche die Zellspannungserfassung kostengünstiger wird. Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Spannungsüberwachung einer Vielzahl elektrochemischer Zellen eines
Energiespeichers gelöst. Hierbei wird über die mittlere Spannung einer veränderlichen Vielzahl von Zellen in einem iterativen Prozess die
Einzelzellspannung jeder Zelle in einem Batteriepack bestimmt. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Vielzahl in Reihe miteinander verbundener elektrischer Widerstände auf. Hierbei ist der zweite Anschluss eines betrachteten Widerstandes mit einem ersten Anschluss eines weiteren
Widerstandes elektrisch verbunden und so weiter. Diese elektrische Verbindung kann insbesondere galvanisch und optional dauerhaft sein. Zudem ist eine Vielzahl elektrischer galvanisch in Reihe miteinander verbundener Eingangstore mit jeweils einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss vorgesehen.
Eine Vielzahl elektrischer Schalter ist vorgesehen, die Klemmen der
Eingangstore - wie weiter unten näher beschrieben wird - mit jeweils einem anderen Anschluss der der Wderstände elektrisch zu verbinden. Schließlich ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche beispielsweise nach Art eines
Mikrocontrollers ausgeführt sein kann. Die elektrischen Schalter sind bezüglich der Wderstände derart angeordnet, dass jeder Schalter eingerichtet ist, einen Anschluss eines Eingangstores elektrisch mit einem Anschluss eines
Widerstandes zu verbinden. Dies kann insbesondere galvanisch erfolgen. Wird nun an jedes Eingangstor eine einzelne elektrochemische Zelle angeschlossen, ist zumindest für die meisten elektrischen Klemmen der Zellen ein Schalter vorgesehen, der sie mit genau einem Knotenpunkt in der Wderstandskette elektrisch verbindet. Eine solche schaltbare Verbindung ist für eine einzelne Klemme der Eingangstore nicht erforderlich, welche beispielsweise mit einer elektrischen Masse korrespondieren kann. Die Auswerteeinheit ist nun eingerichtet, die Schalter wahlweise zu schließen und dabei jeweils eine elektrische Messgröße (z. B. Strom und/oder Spannung) bezüglich der
Anschlüsse eines ersten Wderstandes der Vielzahl von Wderständen zu ermitteln. Je nachdem, an welcher Position der Schalter geschlossen wird, ist eine größere Vielzahl oder eine kleinere Vielzahl elektrischer Zellen an der aktuellen Strangspannung beteiligt. Jedoch steht auch eine korrespondierende
Anzahl elektrisch in Reihe geschalteter Wderstände diesen Zellen als Last gegenüber. Diese bilden mit dem ersten Wderstand, über welchem die Auswerteeinheit die elektrischen Messgrößen ermittelt, einen Spannungsteiler. Über die Kenntnis der Widerstandswerte, welche aktuell vom Messstrom durchflössen werden, kann nun ein Zellspannungswert nach dem anderen ermittelt werden. Beispielsweise ist hierzu mit der Ermittlung einer Zellspannung über der ersten Zelle (einzeln betrachtet) zu beginnen. Ist die Spannung über dieser Zelle ermittelt, kann eine weitere elektrochemische Zelle hinzugeschaltet werden und über den nun aktivierten veränderten Spannungsteiler die
Gesamtspannung der beiden aktiven Zellen ermittelt werden. Aufgrund der zuvor ermittelten Spannung der ersten Zelle kann durch eine einfache Subtraktion die Zellspannung der zweiten Zelle ermittelt werden. Entsprechend kann mit einer dritten und jeder weiteren Zelle im erfindungsgemäß verschalteten Strang verfahren werden, bis sämtliche Zellspannungen bekannt sind.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Auswerteeinheit kann insbesondere eingerichtet sein, die Schalter zwischen den Widerständen und den Eingangstoren einzeln zu schließen. Mit anderen Worten ist jeweils nur eine elektrische Verbindung oberhalb des ersten
Widerstandes aktiv. Aufgrund der Kenntnis, welcher Schalter aktuell geschlossen ist, kann die Auswerteeinheit ermitteln, welche Zellen momentan an der
Spannungserzeugung beteiligt sind und welcher Gesamtwiderstand oberhalb des ersten Widerstandes aktiv ist.
Die Auswerteeinheit kann einen ersten Anschluss aufweisen, welcher dauerhaft mit einem ersten Anschluss eines ersten Tores und einem ersten Anschluss des ersten Widerstandes verbunden ist. Diese elektrische Verbindung kann mit einer elektrischen Masse der erfindungsgemäßen Vorrichtung korrespondieren. Auf diese Weise kann ein Schalter eingespart werden und die Schaltungslogik vereinfacht sich.
Die Vielzahl von Widerständen kann jeweils identische Kenngrößen aufweisen. Mit anderen Worten sind die Wderstandsbauteile mit einem jeweils identischen Widerstandsnennwert gewählt. Insbesondere für den Fall, dass auch sämtliche Zellspannungen identische Nennwerte aufweisen, kann durch die Verwendung identischer Widerstände ein im Wesentlichen identischer Erwartungswert für die von der Auswerteeinheit gemessene elektrische Kenngröße erzielt werden. Die Schalter, mittels welcher die Eingangstore und die elektrischen Widerstände miteinander wahlfrei elektrisch verbunden werden können, können jeweils mittels zweier in Common-Source-Anordnung vorgesehener MOSFETs ausgestaltet sein. Dies ermöglicht eine zuverlässige und energetisch günstige
Schaltungsrealisierung. Zudem ergibt sich eine optionale Ausgestaltung für den
Ladungsausgleich, welche unmittelbar nachfolgend beschrieben wird.
Für den Fall, dass die Schalter z.B. mittels jeweils zweier in Common-Source- Anordnung vorgesehener MOSFETs ausgestaltet sind, kann eine
Reihenschaltung umfassend einen ohmschen Wderstand und eine Diode verwendet werden, um ein kostengünstiges weil bauteilsparendes Balancing zu ermöglichen. Dazu wird die Reihenschaltung zwischen einem elektrischen Widerstand und einem dem Widerstand zugewandten Anschluss eines Schalters eines Eingangstores angeschlossen und andererseits zwischen den zwei MOSFETs eines anderen Schalters desselben Eingangstores angeschlossen.
Hierbei ist die Diode in Durchlassrichtung dem zwischen den zwei MOSFETs angeordneten Knotenpunkt zugewandt orientiert. Mit anderen Worten wird ein Stromfluss von dem Knotenpunkt zwischen dem Widerstand und dem Schalter in Richtung des Knotenpunktes zwischen den zwei MOSFETs zugelassen, in die entgegengesetzte Richtung jedoch nicht.
Die Auswerteeinheit kann beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, welcher eingerichtet ist, die elektrische Messgröße (z. B. Spannung und/oder Strom) zu digitalisieren. Auf diese Weise kann eine digitale
Übertragung und/oder Auswertung der Messgröße erfolgen. Zudem kann eine digitale Speicherung der Messgröße in einfacher Weise vorgenommen werden, sodass zu einem späteren Zeitpunkt aufgenommene Messgrößen mit diesen Speicherwerten verglichen werden können. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung vorgeschlagen, welche zur Kalibrierung der Vorrichtung gemäß dem
erstgenannten Erfindungsaspekt geeignet ist. Die Anordnung umfasst daher eine Vorrichtung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt und zwei
Stromschienen (erste und zweite Stromschiene). Zusätzlich sind eine erste Spannungsquelle und eine zweite Spannungsquelle sowie eine zweite Vielzahl
Schalter vorgesehen. Die erste Spannungsquelle ist eingerichtet, einen
Potentialversatz zwischen einer elektrischen Masse und der zweiten Spannungsquelle herzustellen. Die erste Spannungsquelle kann hierzu als steuerbare Gleichspannungsquelle ausgestaltet sein. Der Potentialversatz wird mit anderen Worten zwischen der zweiten Stromschiene und dem ersten Anschluss des ersten Eingangstores bzw. einem Niedervoltanschluss der Auswerteeinheit hergestellt. Die zweite Spannungsquelle ist eingerichtet, eine wählbare elektrische Spannung zwischen der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene herzustellen. Die zweite Vielzahl Schalter ist eingerichtet, jeweils einen ersten Anschluss der Eingangstore der Vorrichtung mit der ersten Stromschiene elektrisch zu verbinden und jeweils einen zweiten Anschluss der Eingangstore mit der zweiten Stromschiene elektrisch zu verbinden. Über die einstellbare erste und zweite Spannungsquelle können auf diese Weise beliebige elektrische Spannungen zwischen den Anschlüssen der Eingangstore der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden, sodass die Antwort der Vorrichtung (insbesondere der einzelnen Widerstände und Schalter) ermittelt und auf die jeweilige Eingangsspannung der Eingangstore bezogen werden kann. Mit anderen Worten wird über eine externe Schaltermatrix mit zwei
Spannungsquellen die Kalibrierung der Schaltung vorgenommen, indem durch iteratives Messen die wahren Übertragungsfaktoren zwischen den Eingangstoren und dem Eingang der Auswerteschaltung ermittelt werden. Die erste
Spannungsquelle dient dazu, das Potential auf den jeweiligen Kanal anzuheben, um realistische Werte am Eingang des ADCs zu erhalten. Die zweite
Spannungsquelle bildet die Zellspannung ab, welche gemessen werden soll. Daher ist für Letztere eine sehr hohe Präzision gefordert, welche wiederum maßgebend für den verbleibenden Restfehler ist. Durch diese Kalibrierung ist es möglich, sämtliche Initialtoleranzen der fehlerbehafteten Bauteile zu eliminieren.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine zweite Anordnung vorgeschlagen, welche einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Fahrzeug entspricht. Sie umfasst neben der Vorrichtung eine Vielzahl elektrochemischer Zellen eines Energiespeichers, wobei jeweils ein
Eingangstor der Vorrichtung elektrisch mit einer elektrochemischen Zelle des Energiespeichers verbunden ist. Selbstverständlich kann diese Anordnung auch außerhalb von Fahrzeugen (z. B. zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Gerätschaften, insbesondere medizinischen Geräten) verwendet werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Vorrichtung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt und eine Anordnung, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, umfasst. Insbesondere die zweite
Anordnung (aufweisend eine Vielzahl elektrochemischer Zellen eines
Energiespeichers) kann zur Versorgung eines Antriebsstrangs des
Fortbewegungsmittels vorgesehen sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Fortbewegungsmittels; Figur 2 ein Prinzipschaltbild einer im Stand der Technik zur
Zellspannungsermittlung verwendeten Architektur;
Figur 3 ein Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 4 eine Detailansicht veranschaulichend eine Ausgestaltung von
Schaltern mit einem Balancing-Widerstand zur Anwendung in einer Vorrichtung gemäß Figur 3; Figur 5 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Kalibrierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Figur 6 ein Prinzipschaltbild veranschaulichend eine alternative
Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassend einen differenziellen Analog-Digital-Wandler (ADC).
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt einen Pkw 10 als erfindungsgemäß ausgestaltetes
Fortbewegungsmittel, welches über eine elektrische Antriebsmaschine 3 und einen diese speisenden elektrochemischen Energiespeicher 2 mit einer Vielzahl Zellen 1 als Antriebsstrang verfügt. Zur Ermittlung der Spannung der Zellen 1 wird im Stand der Technik häufig eine Schaltung gemäß Figur 2 verwendet.
Figur 2 zeigt einen Strang I von Zellen 1 , welcher gruppenweise durch eine Auswerteeinheit 4 umfassend einen Multiplexer 6 und einen Analog-Digital-
Wandler 5 überwacht wird. Hierbei werden nacheinander mehrere
Batteriezellspannungen über den Multiplexer 6 dem Analog-Digital-Wandler 5 zugeführt, welcher den Analogwert der Zellspannung in einen Digitalwert übersetzt. Anschließend werden die so ermittelten Zellspannungen über einen Datenbus 12 von einem Mikrocontroller (nicht dargestellt) zur Weiterverarbeitung geschickt. Aufgrund der erforderlichen integrierten Schaltungen ist die dargestellte Architektur relativ kostenintensiv.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 , in welcher einzelne Schalter S1 , S2, S3, S4, S5, S6 vorgesehen sind, die
Anschlüsse der Zellen 1 a bis 1f elektrisch mit der Kette von Wderständen R1 bis R6 zu verbinden. Hierzu sind die Schalter S1 bis S6 über eine Steuerleitung 13 mit der Auswerteeinheit 4 verbunden, welche eingerichtet ist, jeweils einen Schalter S1 bis S6 zu schließen und die übrigen Schalter S1 bis S6 zu öffnen. Die Nennspannungen der Zellen 1a bis 1f sind identisch, weshalb auch für die
Widerstände R1 bis R6 identische Nennwerte gewählt sind. Der Analog-Digital- Wandler 5 ist eingerichtet, stets die über dem Wderstand R1 abfallende elektrische Spannung zu digitalisieren und einer (nicht dargestellten)
Prozessoreinheit der Auswerteeinheit 4 zuzuführen. Durch Schließen des Schalters S1 kann unmittelbar die Spannung der Zelle 1a digitalisiert und ermittelt werden. In Kenntnis dieser Zellspannung kann nun der Schalter S1 geöffnet und der Schalter S2 geschlossen werden. Über das Verhältnis der Widerstände R1 , R2 kann anschließend auf die Gesamtzellspannung der Zellen 1 a, 1 b geschlossen und die Spannung der Zelle 1a subtrahiert werden.
Anschließend wird auch der Schalter S2 wieder geöffnet und der Schalter S3 geschlossen. Da nun auch die über der Zelle 1 b anliegende elektrische
Spannung bekannt ist, kann das vorstehend beschriebene Verfahren wiederholt werden, bis sämtliche Spannungen der Zellen 1a bis 1f bekannt sind. Es kann also jeder Zwischenabgriff der Zellen über einen zugeordneten Schalter an den zugehörigen Zwischenabgriff in der Wderstandskette geschaltet werden. Die
Anzahl der Zellen ist gleich der Anzahl der Widerstände. Dadurch wird das Potential des Zwischenabgriffs auf die Anzahl der darunter liegenden Widerstände verteilt. Somit ist z.B. der Spannungsabfall über jedem Widerstand unter der Voraussetzung identischer Wderstandswerte gleich der mittleren Spannung aller Zellen bis zu diesem Zwischenabgriff. Die mittlere Spannung kann jeweils mit dem Analog-Digital-Wandler 5 über dem niedrigsten Wderstand R1 gemessen werden. Durch sequentielles Messen aller Zwischenabgriffe kann über folgende Rechnung auf die jeweilige Einzelzellspannung rückgeschlossen werden:
n ' R i=l
UCn ^ n . UM{Sn)- {n - l). UM{Sn_^
Uce = 6 - UM (S6)~ 5 - UM (S5 )
UC5 ^ 5 - UM{S5 )-4 - UM(S4)
Figur 4 zeigt eine mögliche Realisierung der Schalter S1 und S2 mittels jeweiliger MOSFETs T1 , T2; T3, T4, welchen jeweilige parasitäre Dioden D1 , D2; D3, D4 parallel geschaltet sind. Die Sperrrichtung der Dioden D1 bis D4 ist vom gemeinsamen Source-Anschluss abgewandt bzw. die Durchflussrichtung dem gemeinsamen Source-Anschluss zugewandt. Über die dargestellten p-Kanal- MOSFETs T1 , T2; T3, T4, welche entgegengesetzt geschaltet sind (englisch "Common-Source") wird ein ungewollter Stromfluss von den Zellen 1 a, 1 b in die Kette der Wderstände R und umgekehrt verhindert. Die Ansteuerung der MOSFETs T1 , T2; T3, T4 kann über eine gesteuerte Stromquelle erfolgen, welche beispielsweise in der Ansteuereinheit (Bezugszeichen 4 in Figur 3) angeordnet sein kann. Um hohe zusätzliche Kosten für Balancing-Vorgänge zu vermeiden, kann einfach ein Balancing-Widerstand RB in die bestehende
Hardware-Schaltung eingebracht werden. Dazu wird dieser - wie dargestellt - am einen Ende auf Höhe eines ersten Anschlusses an die Widerstandskette angeschlossen, am anderen Ende mit den Source-Anschlüssen des MOSFETs T1 , T2; des nächst niedrigeren Anschlusses (auch "Kanal") elektrisch verbunden. Um Leckströme über die Dioden D1 , D2; D3, D4 (auch "Body-Diode") in die Kette der Wderstände R zu verhindern, ist es vorteilhaft, eine Balancing-Diode DB in Reihe zum Balancing-Widerstand RB zu schalten. In der dargestellten Anordnung kann auf diese Weise über Einschalten der MOSFETs T1 , T3 und T4 Ladung in der Zelle 1 b abgebaut werden.
Figur 5 zeigt eine Anordnung zur Kalibrierung einer Vorrichtung 11 , mittels welcher der Auswerteeinheit 4 die tatsächlichen Kenngrößen der in der
Vorrichtung 11 enthaltenen Wderstände R bekannt gemacht werden können. Die jeweils in Reihe geschalteten Schalter S innerhalb der Vorrichtung 11
symbolisieren zwei MOSFETs (siehe Figur 4) und könnten als logische Schalter betrachtet auch durch einen jeweiligen einzelnen Schalter S ersetzt werden. Die bezüglich der Vorrichtung 11 externen Schalter 9 dienen der elektrischen
Beaufschlagung einzelner Eingangstore der Vorrichtung 11 mit einer exakten Kalibrierspannung, welche sich aus den Spannungen U0 und Ucai zusammensetzt und über eine erste Stromschiene 7 und eine zweite Stromschiene 8
ungleichnamigen Anschlüssen der Eingangstore bereitgestellt werden. Mittels der dargestellten Kalibrier-Anordnung ist es möglich, über ein iteratives Messen die wahren Übertragungsfaktoren kn in der Auswerteeinheit 4 zu hinterlegen. Die Bestimmung der Ü bertrag ungsfaktoren kn erfolgt über die nachfolgend
wiedergegebenen Gleichungen:
UADn- = "0
UADu = (ü + U ) *
Ü«J + -1 * ^ADn
Figure imgf000011_0001
Die Gleichspannungsquelle U0 dient dazu, das Potential der zweiten
Stromschiene 8 auf den jeweiligen Kanal anzuheben, um realistische Werte am Eingang des Analog-Digital-Wandlers 5 zu erhalten. Die zweite Spannungsquelle Ucai bildet die jeweilige Zellspannung ab, welche gemessen werden soll. Daher ist für die zweite Spannungsquelle Ucai eine sehr hohe Präzision erforderlich, da diese maßgebend für den verbleibenden Restfehler ist. We in Verbindung mit Figur 3 beschrieben, kann durch aufeinander aufbauende Messungen der Zellspannungen bzw. Kalibrierspannungen, welche als der Auswerteeinheit 4 bekannt vorausgesetzt werden dürfen, ein jedes Widerstandsverhältnis der
Widerstände R über den sich jeweils ergebenden Spannungsteiler ermittelt werden. Durch diese Kalibrierung ist es möglich, sämtliche Initialtoleranzen der fehlerbehafteten Bauteile bzw. Widerstände R zu eliminieren. Nach erfolgter Kalibrierung werden die außerhalb der Vorrichtung 1 1 angeordneten Bestandteile der Anordnung entfernt und ggf. für einen weiteren Kalibriervorgang (z. B. einer weiteren Vorrichtung 1 1) verwendet werden.
Figur 6 zeigt eine Detailansicht einer Auswerteeinheit 4, welche zur Optimierung der Messgenauigkeit mit sämtlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kombiniert werden kann. Im Unterschied zu den übrigen
Ausführungsbeispielen wird in der Auswerteeinheit 4 nun ein differenzieller Analog-Digital-Wandler 5 zur Erfassung der Zellspannungen verwendet. Der negative Eingang des Analog-Digital-Wandlers 5 wird dabei mit einer
Referenzspannung Umid auf eine beliebige Spannung angehoben, was unter Verwendung eines Verstärkers mit programmierbarer Verstärkung (PGA) zur Erhöhung der Messgenauigkeit durch Minimierung des Messbereichs führen kann. Die Referenzspannung Umid wird dabei so gewählt, dass die
Transferfunktion in den typischen Zellspannungsbereichen der vorliegenden Speichertechnologie verschoben wird. Der zwischen der Wderstandskette R1 , R2 und dem Kondensator C angeordnete Wderstand R ist lediglich optional und kann entfallen. Die Spannungsquelle VCC versorgt den Analog-Digital-Wandler mit Energie. Die zusätzlichen Bauteile Widerstand R, Dioden D5, D6 und Kondensator C sind für die Erfindung optionale, nicht essentiell erforderliche Komponenten, die die Funktion der Schaltung verbessern.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verringerung bzw. weitgehende Kompensation der Fehler der verwendeten Wderstände. Zudem werden ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Kalibrierung aller Initialtoleranzen vorgeschlagen. Die zum Balancing zusätzlich erforderliche Hardware ist äußerst übersichtlich und kann einfach integriert werden.

Claims

Vorrichtung zur Spannungsüberwachung einer Vielzahl elektrochemischer Zellen (1 , 1 a-1f) eines Energiespeichers (2) umfassend:
eine Vielzahl galvanisch in Reihe miteinander verbundener elektrischer Widerstände (R, R1-R6),
eine Vielzahl elektrischer galvanisch in Reihe miteinander verbundener Eingangstore mit jeweils einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss,
eine Vielzahl elektrischer Schalter (S, S1 -S6), eine Auswerteeinheit (4), wobei
die elektrischen Schalter (S, S1-S6) derart angeordnet sind, dass jeder Schalter (S, S1-S6) eingerichtet ist, einen Anschluss eines Eingangstores elektrisch mit einem Anschluss eines Wderstandes zu verbinden, und die Auswerteeinheit (4) eingerichtet ist,
- die Schalter (S, S1-S6) wahlweise zu schließen und dabei jeweils
- eine elektrische Messgröße bezüglich der Anschlüsse eines ersten Widerstandes (R1) der Vielzahl von Wderständen (R, R1 -R6) zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Auswerteeinheit (4) eingerichtet ist, die Schalter (S, S1-S6) einzeln zu schließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei
die Auswerteeinheit
(4) einen ersten Anschluss aufweist, welcher elektrisch, insbesondere dauerhaft, mit einem ersten Anschluss eines ersten Tores und einem ersten Anschluss des ersten Wderstandes (R1) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Wderständen (R, R1 -R6) jeweils identische Kenngrößen aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schalter (S, S1 -S6) jeweils mittels zweier in Common-Source- Anordnung vorgesehener MOSFETs (T1 , T2;T3, T4) ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei
eine Reihenschaltung umfassend einen Widerstand (RB) und eine Diode (DB) zwischen einem den galvanisch in Reihe miteinander verbundenen elektrischen Widerständen (R1 -R6) zugewandten Anschluss eines
Schalters (S, S1 -S6) eines Eingangstores und zwischen den zwei
MOSFETs (T1 , T2) eines anderen Schalters (S, S1 -S6) des Eingangstores vorgesehen ist, wobei die Diode (DB) in Durchlassrichtung zu dem zwischen den zwei MOSFETs (T1 , T2) angeordneten Anschluss orientiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Auswerteeinheit (4) einen Analog-Digitalwandler (5) aufweist, welcher eingerichtet ist, die elektrische Messgröße zu digitalisieren.
Anordnung umfassend
eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
eine erste Stromschiene (7),
eine zweite Stromschiene (8),
eine erste Spannungsquelle (U0),
eine zweite Vielzahl Schalter (9) und
eine zweite Spannungsquelle (Ucai), wobei
die erste Spannungsquelle (U0) eingerichtet ist, einen Potentialversatz zwischen einer elektrischen Masse und der zweiten Spannungsquelle (Ucai) herzustellen,
die zweite Spannungsquelle (Ucai) eingerichtet ist, eine einstellbare elektrische Spannung zwischen der ersten Stromschiene (7) und der zweiten Stromschiene (8) herzustellen, und
die zweite Vielzahl Schalter (9) eingerichtet ist,
- jeweils einen ersten Anschluss der Eingangstore mit der ersten
Stromschiene (7) und
- jeweils einen zweiten Anschluss der Eingangstore mit der zweiten Stromschiene (8) zu verbinden.
Anordnung umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7 und eine Vielzahl elektrochemischer Zellen (1 , 1 a-1f) eines Energiespeichers (2), wobei
jeweils eine elektrochemische Zelle (1 , 1 a-1f) beidseitig mit einem Eingangstor der Vorrichtung elektrisch verbunden ist.
Elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel (10) umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eine Anordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9.
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