WO2024079050A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur überwachung einer akkumulatorzelle - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zur überwachung einer akkumulatorzelle Download PDF

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WO2024079050A1
WO2024079050A1 PCT/EP2023/077901 EP2023077901W WO2024079050A1 WO 2024079050 A1 WO2024079050 A1 WO 2024079050A1 EP 2023077901 W EP2023077901 W EP 2023077901W WO 2024079050 A1 WO2024079050 A1 WO 2024079050A1
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voltage
cell
adc
voltage value
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PCT/EP2023/077901
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Christian Reichinger
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Vitesco Technologies Germany 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
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    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
    • G01R19/16538—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • G01R19/16542—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies for batteries
    • G—PHYSICS
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    • 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 invention relates to a method and a circuit arrangement for monitoring a battery cell.
  • the battery cell is arranged in a battery, in particular in a traction battery of an electric vehicle.
  • the invention further relates to a monitoring system, a battery system and a vehicle.
  • the measuring circuits for example the analog-digital converters for converting the recorded voltage sensor signals, must be partially redundant.
  • the voltage sensor signals are compared.
  • ripple interference When measuring cell voltage, unavoidable interference, so-called ripple interference, occurs.
  • a trigger threshold for signalling a fault in the battery monitoring circuit is preferably set in such a way that these permissible ripple disturbances are not interpreted as a fault in the battery monitoring circuit. Exceeding the trigger threshold leads in the worst case This will result in an emergency shutdown of the drive train or, at the very least, an incrementing of the traction battery life counter.
  • the remaining maximum ripple interference therefore determines the range of a battery, as the trigger threshold must be set accordingly high. With a high trigger threshold, for example, the battery charging process must be stopped earlier and the battery is not fully charged.
  • the object underlying the invention is to provide a method and a circuit arrangement for monitoring a battery cell, which contribute to increasing an achievable range of a vehicle with a certain battery capacity.
  • a method for monitoring a battery cell of a battery is first received by a circuit arrangement which has a main monitoring channel and a redundant monitoring channel.
  • the first measurement signal is fed to the main monitoring channel, which has a first analog-digital converter (ADC), and to the redundant monitoring channel, which has a second ADC.
  • the first ADC carries out an analog-digital conversion of the first measurement signal and provides a digital first output signal which is representative of a cell voltage of the battery cell.
  • the second ADC carries out an analog-digital conversion of a signal which comprises the first measurement signal and provides a digital second output signal.
  • a comparison signal is determined. If the first output signal falls below a predetermined first voltage value and exceeds a predetermined second voltage value, the comparison signal is compared with a predetermined first trigger threshold and, if the comparison signal is greater than the first trigger threshold, a first error signal is provided for an evaluation unit. If, on the other hand, the first output signal is equal to or greater than the predetermined first voltage value or equal to or less than the second predetermined voltage value, the comparison signal is compared with a second predetermined trigger threshold and, if the comparison signal is greater than the second trigger threshold, a second error signal is provided for the evaluation unit.
  • the first voltage value is greater than the second voltage value and the first trigger threshold has a greater amount than the second trigger threshold.
  • the range of the battery can be increased without changing the hardware.
  • each cell in the battery exceeds a lower voltage, which comprises a lowest permitted cell voltage, i.e. a lower critical cell voltage limit, plus a first voltage value, for example approx. 0.1 V, and each cell in the battery falls below an upper voltage, which comprises a maximum permitted cell voltage, i.e. an upper critical cell voltage limit, minus a second voltage value, for example approx. 0.1 V.
  • a lower voltage which comprises a lowest permitted cell voltage, i.e. a lower critical cell voltage limit
  • a first voltage value for example approx. 0.1 V
  • an upper voltage which comprises a maximum permitted cell voltage, i.e. an upper critical cell voltage limit, minus a second voltage value, for example approx. 0.1 V.
  • the trigger threshold is therefore chosen to be higher so that the high ripple disturbances do not lead to a false alarm.
  • critical operating ranges when the accumulator is operated close to the critical cell voltages, where only low charging currents (at the upper cell voltage limit) or low discharging currents (at the lower cell voltage limit) flow and thus only low ripple disturbances can occur, a reduced trigger threshold is selected.
  • the first predetermined voltage value corresponds to an upper critical cell voltage limit minus a safety margin voltage value and the second predetermined voltage value corresponds to a lower critical cell voltage limit plus a safety margin voltage value.
  • the second error signal is suppressed or ignored depending on a direction of the current flowing into the accumulator cell.
  • the signal is equal to the first measurement signal and the second output signal is representative of the cell voltage of the battery cell. This enables an easy comparison. However, common mode errors cannot be detected.
  • the first ADC of the main monitoring channel and the second ADC of the redundant monitoring channel use an identical reference voltage for a respective analog-digital conversion, which is provided by a reference voltage source used by both ADCs.
  • the signal comprises a difference signal that is representative of a difference between a supply voltage of the second ADC or the reference voltage and the first measurement signal provided.
  • the second output signal is representative of a level-shifted cell voltage signal.
  • determining the comparison signal depending on the first output signal and the second output signal comprises adding the first output signal and the second output signal and, if the level shift of the cell voltage signal occurs using the supply voltage, subtracting a target value of the supply voltage of the second ADC and, if the level shift of the cell voltage signal occurs using the reference voltage, subtracting the reference voltage.
  • the use of a common reference voltage enables a more cost-effective and space-saving manufacture of the circuit arrangement and a fault in the reference voltage can thus be detected.
  • the circuit arrangement therefore also detects common mode errors (common mode errors of the reference voltage) and does not require any further safety mechanism. No further safety mechanism is therefore required.
  • the above-mentioned object is achieved by a circuit arrangement for monitoring a battery cell of a battery.
  • the circuit arrangement has a main monitoring channel with a first analog-digital converter (ADC) and a redundant monitoring channel with a second ADC.
  • ADC analog-digital converter
  • the circuit arrangement is a comparison unit or the circuit arrangement includes the comparison unit.
  • the circuit arrangement is designed to receive a first measurement signal that is representative of a cell voltage of the accumulator cell.
  • the circuit arrangement is designed to make the first measurement signal available to the main monitoring channel and the redundant monitoring channel.
  • the first ADC is designed to perform an analog-digital conversion of the first measurement signal and to provide a first output signal that is representative of a cell voltage of the accumulator cell.
  • the second ADC is designed to perform an analog-digital conversion of a signal that includes the first measurement signal and to provide a second output signal.
  • the comparison unit is designed to determine a comparison signal depending on the first output signal of the main monitoring channel and the second output signal of the redundant monitoring channel.
  • the comparison unit is designed to compare the comparison signal with a predetermined first trigger threshold when the first output signal falls below a predetermined first voltage value and exceeds a predetermined second voltage value and to provide a first error signal for an evaluation unit when the comparison signal is greater than the first trigger threshold.
  • the comparison unit is further designed to compare the comparison signal with a second predetermined trigger threshold when the first output signal is equal to or greater than the predetermined first voltage value or equal to or less than the second predetermined voltage value and to provide a second error signal for the evaluation unit when the comparison signal is greater than the second trigger threshold.
  • the comparison unit is designed to suppress the output of the second error signal depending on a provided current measurement signal that is representative of a direction of the current flowing into the accumulator cell.
  • the signal is equal to the first measurement signal and the second output signal is representative of the cell voltage of the accumulator cell.
  • the first ADC of the main monitoring channel and the second ADC of the redundant monitoring channel are designed to use an identical reference voltage, which is provided by a reference voltage source, for a respective analog-digital conversion.
  • the signal comprises a difference signal that is representative of a difference between a supply voltage of the second ADC or the reference voltage and the first measurement signal provided.
  • the object is achieved according to a third aspect by a monitoring system for a battery cell.
  • the monitoring system has a circuit arrangement according to the first aspect and a control unit which is designed to send a digital cell voltage signal provided by the circuit arrangement, which is representative of a current cell voltage of the battery cell, to the comparison unit of the respective circuit arrangement when the digital cell voltage signal exceeds the predetermined falls below the first voltage value and exceeds the predetermined second voltage value, to specify the first trigger threshold and, if the digital cell voltage signal is equal to or greater than the predetermined first voltage value or if the digital cell voltage signal is equal to or less than the predetermined second voltage value, to specify the second trigger threshold.
  • an accumulator system which has an accumulator with at least one accumulator cell, a circuit arrangement according to the second aspect for all or at least some of the accumulator cells and a control unit which is designed, depending on a digital measurement signal provided by the respective circuit arrangement, which is representative of a current cell voltage of the respective accumulator cell, to specify the first trigger threshold to the comparison unit of the respective circuit arrangement when the digital cell voltage signal falls below the predetermined first voltage value and exceeds the predetermined second voltage value and, if the digital cell voltage signal is equal to or greater than the predetermined first voltage value or if the digital cell voltage signal is equal to or less than the predetermined second voltage value, to specify the second trigger threshold.
  • the object is achieved according to a fifth aspect by a vehicle having an accumulator system according to the fourth aspect.
  • first aspect and the second aspect may also be present in the other aspects and have corresponding effects.
  • Figure 1 is an exemplary block diagram of an embodiment of a circuit arrangement for monitoring a battery cell
  • Figure 2 is an exemplary block diagram of a further embodiment of a circuit arrangement for monitoring a battery cell.
  • Figure 1 shows an exemplary block diagram of an embodiment of a circuit arrangement 10 for monitoring a battery cell of a battery (battery cell and battery are not shown in Figure 1).
  • the battery preferably has a plurality of battery cells that are connected in parallel and/or in series.
  • the battery is designed, for example, as a traction battery for a vehicle.
  • the accumulator cell is connected to the circuit arrangement 10 and the circuit arrangement 10 receives on the input side from the accumulator cell directly or indirectly via a preprocessing unit a first cell potential signal Ucell_p and a second cell potential signal Ucell_c.
  • the circuit arrangement 10 has a main monitoring channel 20 with a first analog-digital converter, ADC, 24 and a redundant monitoring channel 30 with a second ADC 34.
  • the circuit arrangement 10 also has, for example, a comparison unit 40.
  • the comparison unit 40 can be part of the evaluation unit 50.
  • the circuit arrangement 10 is preferably designed as an integrated circuit in a semiconductor chip.
  • the semiconductor chip can have several such circuit arrangements 10, so that several battery cells can be monitored with the semiconductor chip.
  • the main monitoring channel 20 has, for example, an analog first filter 22 on the input side.
  • the first ADC 24 is connected downstream of the first filter 22.
  • the analog first filter 22 of the main monitoring channel 20 is connected directly or indirectly to the accumulator cell.
  • the analog first filter 22 is used to process the cell potential signals Ucell_p, Ucell_n received from the accumulator cell.
  • the first ADC 24 is followed by a digital low-pass filter 26.
  • a filtered digital cell voltage signal UC is output from the digital low-pass filter 26, which represents the cell voltage of the connected Accumulator cell is provided for an evaluation unit 50.
  • the evaluation unit 50 can be a control unit assigned to the circuit arrangement 10 or a higher-level computing unit.
  • the redundant monitoring channel 30 of the circuit arrangement 10 has, for example, an analog second filter 32 on the input side.
  • the second ADC 34 is connected downstream of the second filter 32.
  • the analog second filter 32 of the redundant monitoring channel 30 is, for example, directly or indirectly connected to the accumulator cell.
  • the analog second filter 32 is used to process the cell potential signals Ucell_p, Ucell_n received from the accumulator cell.
  • a first discrete hardware filter 28 and a second discrete hardware filter 38 are connected upstream of the circuit arrangement 10, the first discrete hardware filter 28 being connected upstream of the first filter 22 of the main monitoring path 20 and the second discrete hardware filter 38 being connected upstream of the second filter 32 of the redundant monitoring path.
  • the input of the first ADC 24 has a first input terminal for receiving a first measurement signal U in_p, which is representative of a potential at a positive pole of the battery cell, and a second input terminal for receiving a second measurement signal Uin_n, which is representative of a potential at a negative pole of the battery cell.
  • the first ADC 24 comprises, for example, a first level converter.
  • the first level converter is designed to form a first cell potential difference between the first measurement signal Uin_p and the second measurement signal Uin_n.
  • the first cell potential difference can also be referred to as cell voltage Ucell.
  • the first ADC 24 further comprises a converter unit which is designed to carry out the actual analog-digital conversion of the cell voltage Ucell and to provide a digital first output signal U_MAIN at the output of the converter unit.
  • the input of the second ADC 34 has a first input terminal for receiving a first measurement signal Uin_p, which is representative of a potential at a positive pole of the battery cell, and a second input terminal for receiving a second measurement signal Uin_n, which is representative of a potential at a negative pole of the battery cell.
  • the second ADC 34 comprises, for example, a first level converter.
  • the first level converter is designed to form a first cell potential difference between the first measurement signal Uin_p and the second measurement signal Uin_n.
  • the first cell potential difference can also be referred to as cell voltage llcell.
  • the first ADC 34 further comprises a converter unit which is designed to carry out the actual analog-digital conversion of the cell voltage llcell and to provide a digital second output signal U_AUX at the output of the converter unit.
  • the first ADC 24 and the second ADC 34 thus receive the first measurement signal, which is representative of the cell voltage of the battery cell.
  • the first ADC 24 and the second ADC 34 each perform an analog-digital conversion of the first measurement signal and provide the first output signal U_MAIN or the second output signal U_AUX at their output.
  • the two output signals U_MAIN, U_AUX are compared with each other. For example, a comparison signal is determined that represents a difference between the two output signals U_MAIN, U_AUX.
  • a further step it is checked whether the comparison signal meets a criterion so that an error can be assumed. This means that if, for example, the comparison signal, which represents the difference between the two output signals U_MAIN, U_AUX, exceeds a trigger threshold, an error is detected.
  • the comparison signal which represents the difference between the two output signals U_MAIN, U_AUX
  • a trigger threshold if, for example, the comparison signal, which represents the difference between the two output signals U_MAIN, U_AUX, exceeds a trigger threshold, an error is detected.
  • disturbances more precisely ripple disturbances, which are particularly dependent on the currents that flow, can distort the measurement signals, these are taken into account when choosing the trigger threshold.
  • the comparison signal is compared with a predetermined first trigger threshold TH1, wherein the first voltage value represents a critical upper cell voltage minus a distance value, which is, for example, equal to 0.1 V, and the second voltage value represents a critical lower cell voltage plus a further distance value, which is, for example, equal to 0.1 V. If the comparison signal is greater than the first trigger threshold TH1, a first error signal ERR1 is provided to an evaluation unit 50.
  • the comparison signal is compared with a second predetermined trigger threshold TH2 and, if the comparison signal is greater than the second trigger threshold TH2, a second error signal ERR2 is provided for the evaluation unit 50.
  • the first trigger threshold TH1 has a value of 25 mV and the second trigger threshold TH2 has a value of 12 mV. This results in a range gain of 26 mV for a specified battery size.
  • the second error signal ERR2 is suppressed when the accumulator is operated at or near the upper cell voltage limit, but is not being charged but rather discharged. Furthermore, the second error signal ERR2 is suppressed when the accumulator is operated at or near the lower cell voltage limit, but is not being discharged but rather charged.
  • the evaluation unit 50 sends information to the
  • Comparator unit 40 sends a signal which specifies a current direction. This allows the Comparison unit 40 can mask the errors immediately if the current direction is not critical. For example, the evaluation unit 50 can send an additional flag to the comparison unit 40.
  • Figure 2 shows an exemplary block diagram of a further embodiment of the circuit arrangement 10 for monitoring a battery cell of a battery.
  • the first ADC 24 and the second ADC 34 use the same reference voltage source.
  • the second ADC 34 in Figure 2 comprises a second level converter.
  • the second level converter is designed to form a second cell potential difference between the second measurement signal Uin_n and the first measurement signal Uin_p, wherein the second measurement signal Uin_n forms the minuend and the first measurement signal Uin_p forms the subtrahend.
  • the second level converter is further designed to provide a difference signal Udiff for the second ADC 34 by adding the supply voltage VCC of the second ADC 34 and the second cell potential difference.
  • the second level converter is designed to provide the difference signal Udiff for the second ADC 34 by adding a reference voltage VREF, which the two ADCs 24, 34 use for the analog-digital conversion, and the second cell potential difference.
  • the second ADC 34 comprises a converter unit which is designed to carry out the actual analog-digital conversion of the difference signal Udiff and to provide the second output signal U_AUX, which in this case is representative of a level-shifted cell voltage signal, at the output of the converter unit.
  • the converter units of the first ADC 24 and the second ADC 34 can be designed the same or different.
  • the second ADC 34 can have a lower resolution and/or a longer settling time, since it It is sufficient that the comparison is only carried out at certain time intervals. This enables cost-effective implementation and the required reliability can still be guaranteed.
  • the first ADC 24 and the second ADC 34 are designed to perform the analog-digital conversion of the cell voltage Uceii or the difference signal Udiff depending on a reference voltage VREF, which is the same for both ADCs 24, 34.
  • the comparison unit 40 of the circuit arrangement 10 is designed to determine a comparison value according to a predetermined comparison function depending on the digital first cell voltage signal U_MAIN and the digital level-shifted second output signal U_AUX.
  • the comparison function includes in particular the sum of the digital first output signal U_MAIN and the digital level-shifted second output signal U_AUX minus a setpoint value VCC_setpoint of the supply voltage of the second ADC 34.
  • the digital comparison mechanism thus delivers the comparison values
  • the comparison function includes in particular the sum of the first output signal U_MAIN and the second output signal U_AUX minus the reference voltage VREF.
  • the first ADC 24 and the second ADC 34 use the same reference voltage VREF. In the event that the reference voltage VREF deviates by 10% upwards due to an error, the first ADC 24 determines a cell voltage of
  • U.AUX 1 ,1 * VCC_ist - 1 ,1 * Uceii, Eq. (3a) where Uceii is the measured cell voltage of the battery cell and VCC_ist is the actual value of the supply voltage.
  • the second ADC 34 determines the level-shifted cell voltage
  • the comparison value is:
  • the respective comparison value is then compared with the first trigger threshold TH1 or the second trigger threshold TH2 as described in connection with Figure 1.
  • the trigger thresholds TH1, TH2 are specified, for example, by the evaluation unit 50.
  • the evaluation unit 50 is designed to specify the first trigger threshold TH1 or the second trigger threshold TH2 of the comparison unit 40 depending on a digital cell voltage signal UC provided by the circuit arrangement 10, which is representative of a current cell voltage of the battery cell.
  • the first trigger threshold TH1 is specified.
  • the second trigger threshold TH2 is specified. If the digital cell voltage signal UC is equal to or less than the specified second voltage value, the second trigger threshold TH2 is also specified.

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Abstract

Die Schaltungsanordnung (10) zur Überwachung einer Akkumulatorzelle ist ausgebildet, ein erstes Messsignal zu empfangen, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der Akkumulatorzelle. Das erste Messsignal wird einem Hauptüberwachungskanal (20) der Schaltungsanordnung (10), der einen ersten Analog-Digital-Wandler, ADC, (24) aufweist, und einem redundanten Überwachungskanal (30) der Schaltungsanordnung (10), der einen zweiten ADC (34) aufweist, zugeführt. Abhängig von dem ersten Ausgangssignal (U_MAIN) des Hauptüberwachungskanals (20) und dem zweiten Ausgangssignal (U_AUX) des redundanten Überwachungskanals (30) wird ein Vergleichssignal ermittelt. Wenn das erste Ausgangssignal (U_MAIN) einen vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und einen vorgegebenen zweiten Spannungswert überschreitet, wird das Vergleichssignal mit einer vorgegebenen ersten Auslöseschwelle (TH1) verglichen. Wenn dagegen das erste Ausgangssignal (U_MAIN) gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert oder gleich oder kleiner ist als der zweite vorgegebene Spannungswert, wird das Vergleichssignal mit einer zweiten vorgegebenen Auslöseschwelle (TH2) verglichen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Akkumulatorzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Akkumulatorzelle. Die Akkumulatorzelle ist in einem Akkumulator, insbesondere in einem Traktionsakkumulator eines Elektrofahrzeugs, angeordnet. Ferner betrifft die Erfindung ein Überwachungssystem, ein Akkumulatorsystem und ein Fahrzeug.
Im Zuge der Elektrifizierung des Antriebsstranges werden immer höherer Genauigkeitsanforderungen an die Batterieüberwachung gestellt, um die Reichweite und die Betriebssicherheit von Elektrofahrzeugen, wie zum Beispiel von Hybridfahrzeugen (HEV), Plug-in-Hybridfahrzeugen (PHEV) und vollelektrischen Fahrzeugen (BEV), zu verbessern. Ein wichtiger Punkt dabei ist die Messgenauigkeit für die Zellspannungsüberwachung. Bei einem hohen Automotive Safety Integrity Level (ASIL) der Klasse C oder D wird gefordert, dass auch im Falle von unerkannten Fehlem die Zellspannung mit hoher Genauigkeit als Messwert zur Verfügung steht. Bei einer höheren Messgenauigkeit der Zellspannung kann die Traktionsbatterie näher bis hin zu den Zellspannungsgrenzen ohne Risiko betrieben werden, wodurch die erzielbare Reichweite bei gleicher Batteriekapazität erhöht wird. In den letzten Jahren hat sich die Leistungsfähigkeit der zur Durchführung der Batterieüberwachung genutzten Halbleiterbausteine bereits entscheidend verbessert. Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen müssen jedoch die Messschaltungen, beispielsweise die Analog-Digital-Wandler zur Umsetzung der erfassten Spannungssensorsignale, teilweise redundant ausgeführt werden. Die Spannungssensorsignale werden verglichen. Bei der Messung der Zellspannung treten unvermeidbare Störeinflüsse, sogenannte Rippeistörungen, auf.
Eine Auslöseschwelle für die Signalisierung eines Fehlers der Batterieüberwachungsschaltung wird vorzugsweise so festgelegt, dass diese zulässigen Rippeistörungen nicht als Fehler in der Batterieüberwachungsschaltung interpretiert werden. Ein Überschreiten der Auslöseschwelle leitet im schlimmsten Fall einen Not-Aus des Antriebsstranges ein, mindestens aber ein Hochzählen des Lebensdauerzählers der Traktionsbatterie.
Bedingt durch reale Toleranzen in Bauteilen der Filterstrukturen, die den beiden ADCs vorgeschaltet sind, ist es nicht möglich, die Rippelstörung vollständig herauszufiltern bzw. zu unterdrücken. Damit bestimmen die verbleibenden maximalen Rippeistörungen die Reichweite einer Batterie, da die Auslöseschwelle entsprechend hoch angesetzt werden muss. Mit einer großen Auslöseschwelle muss z.B. der Batterieladevorgang früher abgeregelt werden, die Batterie wird nicht vollständig geladen.
Die Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Akkumulatorzelle bereitzustellen, die einen Beitrag dazu leisten, eine erzielbare Reichweite eines Fahrzeugs mit einer bestimmten Batteriekapazität zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäße einem ersten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung einer Akkumulatorzelle eines Akkumulators. Hierbei wird zunächst ein erstes Messsignal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der Akkumulatorzelle, von einer Schaltungsanordnung, die einen Hauptüberwachungskanal und einen redundanten Überwachungskanal aufweist, empfangen. Das erste Messsignal wird dem Hauptüberwachungskanal, der einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADC) aufweist, und dem redundanten Überwachungskanal, der einen zweiten ADC aufweist, zugeführt. Der erste ADC führt eine Analog-Digital-Wandlung des ersten Messsignals durch und stellt ein digitales erstes Ausgangssignal bereit, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der Akkumulatorzelle. Der zweite ADC führt eine Analog-Digital-Wandlung eines Signal, das das erste Messsignal umfasst, durch und stellt ein digitales zweites Ausgangssignal bereit. Abhängig von dem ersten Ausgangssignal des Hauptüberwachungskanals und dem zweiten Ausgangssignal des redundanten Überwachungskanals wird ein Vergleichssignal ermittelt. Wenn das erste Ausgangssignal einen vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und einen vorgegebenen zweiten Spannungswert überschreitet, wird das Vergleichssignal mit einer vorgegebenen ersten Auslöseschwelle verglichen und, wenn das Vergleichssignal größer ist als die erste Auslöseschwelle, wird ein erstes Fehlersignal für eine Auswerteeinheit bereitgestellt. Wenn dagegen das erste Ausgangssignal gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert oder gleich oder kleiner ist als der zweite vorgegebene Spannungswert, wird das Vergleichssignal mit einer zweiten vorgegebenen Auslöseschwelle verglichen und, wenn das Vergleichssignal größer ist als die zweite Auslöseschwelle, wird ein zweites Fehlersignal für die Auswerteeinheit bereitgestellt. Hierbei ist der erste Spannungswert größer ist als der zweite Spannungswert und die erste Auslöseschwelle weist einen größeren Betrag auf als die zweite Auslöseschwelle.
Indem zwei unterschiedliche Auslöseschwelle realisiert werden, kann die Reichweite des Akkumulators bei unveränderter Hardware erhöht werden.
Hierbei wird die Erkenntnis genutzt, dass, je nach Arbeitsbereich des Akkumulators, die fließenden Ströme und damit die Rippeistörungen unterschiedlich sind. In einem normalen Arbeitsbereich des Akkumulators überschreitet jede Zelle des Akkumulators eine untere Spannung, die eine geringste erlaubte Zellspannung, d. h. eine untere kritische Zellspannungsgrenze, plus einen ersten Spannungswert, zum Beispiel ca. 0,1 V, umfasst, und unterschreitet jede Zelle des Akkumulators eine obere Spannung, die eine maximal erlaubte Zellspannung, d. h. eine obere kritische Zellspannungsgrenze, minus einen zweiten Spannungswert, zum Beispiel ca. 0,1 V, umfasst. In dem normalen Arbeitsbereich des Akkumulators fließen hohe Ströme und damit treten größere Rippeistörungen auf. In dem normalen Arbeitsbereich des Akkumulators wird daher die Auslöseschwelle größer gewählt, damit die hohen Rippeistörungen nicht zu einem Fehlalarm führen. In kritischen Arbeitsbereichen, wenn der Akkumulator in der Nähe der kritischen Zellspannungen betrieben wird, wo nur niedrige Ladeströme (bei der oberen Zellspannungsgrenze) bzw. niedrige Entladeströme (bei der unteren Zellspannungsgrenze) fließen und damit auch nur geringe Rippeistörungen auftreten können, wird eine abgesenkten Auslöseschwelle gewählt.
In zumindest einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt entspricht der erste vorgegebene Spannungswert einem oberen kritischen Zellspannungsgrenzwert abzüglich eines Sicherheitsabstandsspannungswertes und der zweite vorgegebene Spannungswert entspricht einem unteren kritischen Zellspannungsgrenzwert plus eines Sicherheitsabstandsspannungswertes.
In zumindest einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird abhängig von einer Richtung des Stromes, der in die Akkumulatorzelle fließt, das zweite Fehlersignal unterdrückt oder ignoriert.
Wenn der Akkumulator an der oder in der Nähe der oberen Zellspannungsgrenze betrieben wird, aber nicht geladen sondern entladen wird, können sehr große Ströme und damit auch große Rippeistörungen auftreten. Da aber an der oberen Zellspannungsgrenze Entladeströme die Zellen nicht überladen können, können Überschreitungen des zweiten Auslöseschwelle bei entsprechender Stromrichtung ignoriert werden.
Wenn der Akkumulator an oder in der Nähe der unteren Zellspannungsgrenze betrieben wird, aber nicht entladen sondern geladen wird, können ebenfalls sehr große Ströme und damit auch große Rippeistörungen auftreten. Da aber an der unteren Zellspannungsgrenze Ladeströme die Zellen nicht tiefentladen können, können Überschreitungen des Schwellwerts bei entsprechender Stromrichtung ignoriert werden.
In zumindest einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist das Signal gleich dem ersten Messsignal und das zweite Ausgangssignal ist repräsentativ für die Zellspannung der Akkumulatorzelle. Dies ermöglicht einen einfachen Vergleich. Gleichtaktfehler können jedoch nicht erkannt werden.
In zumindest einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt nutzen der erste ADC des Hauptüberwachungskanals und der zweite ADC des redundanten Überwachungskanals für eine jeweilige Analog-Digital-Wandlung eine gleiche Referenzspannung, die von einer von beiden ADCs genutzten Referenzspannungsquelle bereitgestellt wird. Das Signal umfasst ein Differenzsignal, das repräsentativ ist für eine Differenz zwischen einer Versorgungsspannung des zweiten ADCs oder der Referenzspannung und dem bereitgestellten ersten Messsignal. Das zweite Ausgangsignal ist repräsentativ für ein pegelverschobenes Zellspannungssignal. Hierbei umfasst das Ermitteln des Vergleichssignals abhängig von dem ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignal das Addieren des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangsignals, und, wenn die Pegelverschiebung des Zellspannungssignals mittels der Versorgungsspannung erfolgt, subtrahieren eines Sollwertes der Versorgungsspannung des zweiten ADCs und, wenn die Pegelverschiebung des Zellspannungssignals mittels der Referenzspannung erfolgt, subtrahieren der Referenzspannung.
Die Nutzung einer gemeinsamen Referenzspannung ermöglicht eine kostengünstigere und platzsparende Herstellung der Schaltungsanordnung und ein Fehler der Referenzspannung kann somit erkannt werden. Die Schaltungsanordnung erkennt somit auch Gleichtaktfehler (Common Mode Fehler der Referenzspannung) und benötigt keinen weiteren Sicherheitsmechanismus. Es ist somit kein weiterer Sicherheitsmechanismus erforderlich.
Gemäße einem zweiten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Akkumulatorzelle eines Akkumulators. Die Schaltungsanordnung weist einen Hauptüberwachungskanal mit einem ersten Analog-Digital-Wandler (ADC) und einen redundanten Überwachungskanal mit einem zweiten ADC auf. Der Schaltungsanordnung ist eine Vergleichseinheit zugeordnet oder die Schaltungsanordnung umfasst die Vergleichseinheit.
Die Schaltungsanordnung ist ausgebildet, ein erstes Messsignal zu empfangen, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der Akkumulatorzelle. Die Schaltungsanordnung ist ausgebildet, das erste Messsignal dem Hauptüberwachungskanal und dem redundanten Überwachungskanal zur Verfügung zu stellen. Der erste ADC ist ausgebildet eine Analog-Digital-Wandlung des ersten Messsignals durchzuführen und ein erstes Ausgangssignal bereitzustellen, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der Akkumulatorzelle. Der zweite ADC ist ausgebildet, eine Analog-Digital-Wandlung eines Signals, das das erste Messsignal umfasst, durchzuführen und ein zweites Ausgangssignal bereitzustellen.
Die Vergleichseinheit ist ausgebildet, ein Vergleichssignal zu ermitteln abhängig von dem ersten Ausgangssignal des Hauptüberwachungskanal und dem zweiten Ausgangssignal des redundanten Überwachungskanals. Die Vergleichseinheit ist ausgebildet, wenn das erste Ausgangssignal einen vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und einen vorgegebenen zweiten Spannungswert überschreitet, das Vergleichssignal mit einer vorgegebenen ersten Auslöseschwelle zu vergleichen und, wenn das Vergleichssignal größer ist als die erste Auslöseschwelle, ein erstes Fehlersignal für eine Auswerteeinheit bereitzustellen. Die Vergleichseinheit ist ferner ausgebildet, wenn das erste Ausgangssignal gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert oder gleich oder kleiner ist als der zweite vorgegebene Spannungswert, das Vergleichssignal mit einer zweiten vorgegebenen Auslöseschwelle zu vergleichen und, wenn das Vergleichssignal größer ist als die zweite Auslöseschwelle, ein zweites Fehlersignal für die Auswerteeinheit bereitzustellen.
Hierbei ist der erste Spannungswert größer als der zweite Spannungswert und die erste Auslöseschwelle weist einen größeren Betrag auf als die zweite Auslöseschwelle. In zumindest einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist die Vergleichseinheit ausgebildet, abhängig von einem bereitgestellten Strommesssignal, das repräsentativ ist für eine Richtung des Stromes, der in die Akkumulatorzelle fließt, die Ausgabe des zweiten Fehlersignals zu unterdrücken.
In zumindest einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist das Signal gleich dem ersten Messsignal und das zweite Ausgangssignal ist repräsentativ für die Zellspannung der Akkumulatorzelle.
In zumindest einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt sind der erste ADC des Hauptüberwachungskanals und der zweite ADC des redundanten Überwachungskanals ausgebildet, für eine jeweilige Analog-Digital-Wandlung eine gleiche Referenzspannung, die von einer Referenzspannungsquelle bereitgestellt wird, zu nutzen. Das Signal umfasst ein Differenzsignal, das repräsentativ ist für eine Differenz zwischen einer Versorgungsspannung des zweiten ADCs oder der Referenzspannung und dem bereitgestellten ersten Messsignal. Das zweite Ausgangsignal ist repräsentativ für eine pegelverschobenes Zellspannungssignal. Das Ermitteln des Vergleichssignal abhängig von dem ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignals umfasst hierbei:
-- addieren des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangsignals und
-- wenn die Pegelverschiebung des Zellspannungssignals mittels der Versorgungsspannung erfolgt, subtrahieren eines Sollwertes der Versorgungsspannung des zweiten ADCs, und
-- wenn die Pegelverschiebung des Zellspannungssignals mittels der Referenzspannung erfolgt, subtrahieren der Referenzspannung.
Die Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt gelöst durch ein Überwachungssystem für eine Akkumulatorzelle. Das Überwachungssystem weist eine Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt und eine Steuereinheit auf, die ausgebildet ist, abhängig von einem von der Schaltungsanordnung bereitgestellten digitalen Zellspannungssignal, das repräsentativ ist für eine aktuelle Zellspannung der Akkumulatorzelle, der Vergleichseinheit der jeweiligen Schaltungsanordnung, wenn das digitale Zellspannungssignal den vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und den vorgegebenen zweiten Spannungswert überschreitet, die erste Auslöseschelle vorzugeben und, wenn das digitale Zellspannungssignal gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert oder wenn das digitale Zellspannungssignal gleich oder kleiner ist als der vorgegebene zweite Spannungswert, die zweite Auslöseschwelle vorzugeben.
Die Aufgabe wird gemäß einem vierten Aspekt gelöst durch ein Akkumulatorsystem, das einen Akkumulator mit zumindest einer Akkumulatorzelle, für alle oder zumindest einen Teil der Akkumulatorzellen jeweils eine Schaltungsanordnung gemäß dem zweiten Aspekt und eine Steuereinheit aufweist, die ausgebildet ist, abhängig von einem von der jeweiligen Schaltungsanordnung bereitgestellten digitalen Messsignal, das repräsentativ ist für eine aktuelle Zellspannung der jeweiligen Akkumulatorzelle, der Vergleichseinheit der jeweiligen Schaltungsanordnung, wenn das digitale Zellspannungssignal den vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und den vorgegebenen zweiten Spannungswert überschreitet, die erste Auslöseschelle vorzugeben und, wenn das digitale Zellspannungssignal gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert oder wenn das digitale Zellspannungssignal gleich oder kleiner ist als der vorgegebene zweite Spannungswert, die zweite Auslöseschwelle vorzugeben.
Die Aufgabe wird gemäß einem fünften Aspekt gelöst durch ein Fahrzeug aufweisend ein Akkumulatorsystem gemäß dem vierten Aspekt.
Optionale Ausgestaltungen des ersten Aspekts und des zweiten Aspekts können auch entsprechend bei den weiteren Aspekten vorhanden sein und entsprechende Wirkungen aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren werden für Elemente mit im Wesentlichen gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet, diese Elemente müssen jedoch nicht in allen Einzelheiten identisch sein. Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt.
Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Zum Beispiel können Variationen oder Modifikationen, die im Hinblick auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderweitig angegeben.
Es zeigen:
Figur 1 ein beispielhaftes Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Akkumulatorzelle und
Figur 2 ein beispielhaftes Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Akkumulatorzelle.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element "verbunden" oder "gekoppelt" bezeichnet wird, das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als "direkt" mit einem anderen Element "verbunden" oder "gekoppelt" bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. "zwischen" versus "direkt zwischen", "benachbart" versus "direkt benachbart" etc.).
Die Funktionen der Schaltungsanordnung 10 zur Überwachung einer Akkumulatorzelle werden im Folgenden im Zusammenhang mit Figur 1 , erläutert, welche eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltung ist, bei der viele der Grundkomponenten um der Klarheit willen weggelassen wurden. Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 10 zur Überwachung einer Akkumulatorzelle eines Akkumulators (Akkumulatorzelle und Akkumulator sind nicht gezeigt in Figur 1 ). Der Akkumulator weist vorzugsweise eine Vielzahl von Akkumulatorzellen auf, die parallel und/oder in Serie geschalten sind. Der Akkumulator ist beispielsweise als Traktionsakkumulator für ein Fahrzeug ausgebildet.
Die Akkumulatorzelle ist mit der Schaltungsanordnung 10 verbunden und die Schaltungsanordnung 10 empfängt eingangsseitig von der Akkumulatorzelle direkt oder indirekt über eine Vorverarbeitungseinheit ein erstes Zellpotentialsignal Ucell_p und ein zweites Zellpotentialsignal Ucell_c.
Die Schaltungsanordnung 10 weist einen Hauptüberwachungskanal 20 mit einem ersten Analog-Digital-Wandler, ADC, 24 sowie einen redundanten Überwachungskanal 30 mit einem zweiten ADC 34 auf. Ferner weist die Schaltungsanordnung 10 zum Beispiel eine Vergleichseinheit 40 auf. Alternativ kann die Vergleichseinheit 40 Teil der Auswerteeinheit 50 sein.
Die Schaltungsanordnung 10 ist vorzugsweise als integrierter Schaltkreis in einem Halbleiterchip ausgebildet. Insbesondere kann der Halbleiterchip mehrere solcher Schaltungsanordnungen 10 aufweisen, so dass mehrere Akkumulatorzellen mit dem Halbleiterchip überwacht werden können.
Der Hauptüberwachungskanal 20 weist eingangsseitig beispielsweise ein analoges erstes Filter 22 auf. Der erste ADC 24 ist dem ersten Filter 22 nachgeschaltet. Beispielsweise ist das analoge erste Filter 22 des Hauptüberwachungskanals 20 direkt oder indirekt mit der Akkumulatorzelle verbunden. Das analoge erste Filter 22 dient der Signalaufbereitung der von der Akkumulatorzelle empfangenen Zellpotentialsingale Ucell_p, Ucell_n.
Dem ersten ADC 24 ist beispielsweise ein digitales Tiefpassfilter 26 nachgeschaltet.
Beispielswiese wird am Ausgang des digitalen Tiefpassfilters 26 ein gefiltertes digitales Zellspannungssignal UC, dass die Zellspannung der angeschlossenen Akkumulatorzelle repräsentiert, für eine Auswerteeinheit 50 breitgestellt. Bei der Auswerteeinheit 50 kann es sich um eine der Schaltungsanordnung 10 zugeordnete Steuereinheit oder eine übergeordnete Recheneinheit handeln.
Der redundante Überwachungskanal 30 der Schaltungsanordnung 10 weist eingangsseitig beispielsweise ein analoges zweites Filter 32 auf. Der zweite ADC 34 ist dem zweiten Filter 32 nachgeschaltet. Das analoge zweite Filter 32 des redundanten Überwachungskanal 30 ist beispielsweise direkt oder indirekt mit der Akkumulatorzelle verbunden. Das analoge zweite Filter 32 dient der Signalaufbereitung der von der Akkumulatorzelle empfangenen Zellpotentialsingale Ucell_p, Ucell_n.
In einer optionalen Ausgestaltung sind der Schaltungsanordnung 10 ein erstes diskretes Hardware-Filter 28 und ein zweites diskretes Hardware-Filter 38 vorgeschalten, wobei das erste diskretes Hardware-Filter 28 dem ersten Filter 22 des Hauptüberwachungspfads 20 und das zweite diskrete Hardware-Filter 38 dem zweiten Filter 32 des redundanten Überwachungspfads vorgeschaltet ist.
Der Eingang des ersten ADCs 24 weist einen ersten Eingangsanschluss zum Empfang eines ersten Messsignals U in_p, das repräsentativ ist für ein Potential an einem Pluspol der Akkumulatorzelle, und einen zweiten Eingangsanschluss auf zum Empfang eines zweiten Messsignals Uin_n, das repräsentativ ist für ein Potential an einem Minuspol der Akkumulatorzelle.
Der erste ADC 24 umfasst beispielsweise einen ersten Pegelumsetzer. Der erste Pegelumsetzer ist ausgebildet, eine erste Zellpotentialdifferenz zwischen dem ersten Messsignal Uin_p und dem zweiten Messsignal Uin_n zu bilden. Die erste Zellpotentialdifferenz kann auch als Zellspannung Ucell bezeichnet werden.
Der erste ADC 24 weist ferner eine Wandlereinheit auf, die ausgebildet ist, die eigentliche Analog-Digital-Wandlung der Zellspannung Ucell durchzuführen und am Ausgang der Wandlereinheit ein digitales erstes Ausgangssignal U_MAIN, bereitzustellen. Der Eingang des zweiten ADCs 34 weist einen ersten Eingangsanschluss zum Empfang eines ersten Messsignals Uin_p, das repräsentativ ist für ein Potential an einem Pluspol der Akkumulatorzelle, und einen zweiten Eingangsanschluss auf zum Empfang eines zweiten Messsignals Uin_n, das repräsentativ ist für ein Potential an einem Minuspol der Akkumulatorzelle.
Der zweite ADC 34 umfasst beispielsweise einen ersten Pegelumsetzer. Der erste Pegelumsetzer ist ausgebildet, eine erste Zellpotentialdifferenz zwischen dem ersten Messsignal Uin_p und dem zweiten Messsignal Uin_n zu bilden. Die erste Zellpotentialdifferenz kann auch als Zellspannung llcell bezeichnet werden.
Der erste ADC 34 weist ferner eine Wandlereinheit auf, die ausgebildet ist, die eigentliche Analog-Digital-Wandlung der Zellspannung llcell durchzuführen und am Ausgang der Wandlereinheit ein digitales zweites Ausgangssignal U_AUX, bereitzustellen.
Somit empfängt der erste ADC 24 und der zweite ADC 34 das erste Messsignal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der Akkumulatorzelle. Der erste ADC 24 und der der zweite ADC 34 führen jeweils eine Analog-Digital-Wandlung des ersten Messsignals durch und stellen das erste Ausgangssignal U_MAIN beziehungsweise das zweite Ausgangssignal U_AUX an ihrem Ausgang bereit. Zur Überprüfung, ob der erste ADC 24 richtig funktioniert, werden die beiden Ausganssignale U_MAIN, U_AUX miteinander verglichen. Zum Beispiel wird ein Vergleichssignal ermittelt, dass eine Differenz der beiden Ausgangssignale U_MAIN, U_AUX repräsentiert.
In einem weiteren Schritt wird geprüft, ob das Vergleichssignal ein Kriterium erfüllt, so dass von einem Fehler ausgegangen werden kann. D. h. wenn zum Beispiel das Vergleichssignal, das die Differenz der beiden Ausgangssignale U_MAIN, U_AUX repräsentier, eine Auslöseschwelle überschreiten, wird ein Fehlerdetektiert. Da jedoch Störungen, genauer gesagt Rippeistörungen, die insbesondere abhängig sind von den Strömen, die fließen, die Messsignale verfälschen können, werden diese bei der Wahl der Auslöseschwelle berücksichtigt.
Daher wird, wenn das erste Ausgangssignal U_MAIN einen vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und einen vorgegebenen zweiten Spannungswert überschreitet, das Vergleichssignal mit einer vorgegebenen ersten Auslöseschwelle TH1 verglichen, wobei der erste Spannungswert eine kritische obere Zellspannung minus einem Abstandswert, der beispielsweise gleich 0,1 V ist, repräsentiert und der zweite Spannungswert eine kritische untere Zellspannung plus einem weiteren Abstandswert, der beispielsweise gleich 0,1 V ist, repräsentiert. Wenn das Vergleichssignal größer ist als die erste Auslöseschwelle TH1 , wird ein erstes Fehlersignal ERR1 für eine Auswerteeinheit 50 bereitgestellt.
Wenn dagegen das erste Ausgangssignal U_MAIN gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert oder gleich oder kleiner ist als der zweite vorgegebene Spannungswert, wird das Vergleichssignal mit einer zweiten vorgegebenen Auslöseschwelle TH2 verglichen und, wenn das Vergleichssignal größer ist als die zweite Auslöseschwelle TH2, wird ein zweites Fehlersignal ERR2 für die Auswerteeinheit 50 bereitgestellt.
Die erste Auslöseschwelle TH1 weist beispielsweise einen Betrag von 25 mV und die zweite Auslöseschwelle TH2 einen Betrag von 12 mV auf. Damit ergibt sich ein Reichweitengewinn von 26 mV für eine festgelegte Batteriegröße.
Vorzugsweise wird das zweite Fehlersignal ERR2 unterdrückt, wenn der Akkumulator an der oder in der Nähe der oberen Zellspannungsgrenze betrieben wird, aber nicht geladen sondern entladen wird. Ferner wird das zweite Fehlersignal ERR2 unterdrückt, wenn der Akkumulator an oder in der Nähe der unteren Zellspannungsgrenze betrieben wird, aber nicht entladen sondern geladen wird.
Alternativ ist möglich, dass die Auswerteeinheit 50 eine Information an die
Vergleichseinheit 40 sendet, die eine Stromrichtung vorgibt. So die kann die Vergleichseinheit 40 gleich schon die Fehler maskieren, wenn die Stromrichtung unkritisch ist. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit 50 ein zusätzliches Flag an die Vergleichseinheit 40 senden.
Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung 10 zur Überwachung einer Akkumulatorzelle eines Akkumulators.
Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung 10 nutzen der erste ADC 24 und der zweite ADC 34 die gleiche Referenzspannungsquelle.
Ferner umfasst der zweite ADC 34 in Figur 2 einen zweiten Pegelumsetzer. Der zweite Pegelumsetzer ist ausgebildet, eine zweite Zellpotentialdifferenz zwischen dem zweiten Messsignal Uin_n und dem ersten Messsignal Uin_p zu bilden, wobei das zweite Messsignal Uin_n den Minuend und das erste Messsignal Uin_p den Subtrahend bilden. Der zweite Pegelumsetzer ist ferner ausgebildet, durch Addition der Versorgungsspannung VCC des zweiten ADCs 34 und der zweiten Zellpotentialdifferenz ein Differenzsignal Udiff für den zweiten ADC 34 bereitzustellen.
Alternativ ist der zweite Pegelumsetzer ausgebildet, durch Addition einer Referenzspannung VREF, die die beiden ADCs 24, 34 für die Analog-Digital-Wandlung nutzen, und der zweiten Zellpotentialdifferenz das Differenzsignal Udiff für den zweiten ADC 34 bereitzustellen.
Der zweite ADC 34 umfasst eine Wandlereinheit, die ausgebildet ist, die eigentliche Analog-Digital-Wandlung des Differenzsignals Udiff durchzuführen und am Ausgang der Wandlereinheit das zweite Ausgangssignal U_AUX, das in diesem Fall repräsentativ ist für eine pegelverschobene Zellspannungssignal, bereitzustellen.
Die Wandlereinheiten des ersten ADCs 24 und des zweiten ADCs 34 können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Insbesondere kann der zweite ADC 34 eine geringere Auflösung und/oder eine längere Einschwingzeit aufweisen, da es ausreichend ist, dass der Vergleich nur in bestimmten Zeitabständen erfolgt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Implementierung und die geforderte Zuverlässigkeit kann trotzdem gewährleistet werden.
Der erste ADC 24 und der zweite ADC 34 sind ausgebildet, die Analog-Digital-Wandlung der Zellspannung Uceii beziehungsweise des Differenzsignals Udiff abhängig von einer Referenzspannung VREF durchzuführen, die für beide ADCs 24, 34 gleich ist.
Die Vergleichseinheit 40 der Schaltungsanordnung 10 ist ausgebildet, jeweils einen Vergleichswert gemäß einer vorgegebenen Vergleichsfunktion abhängig von dem digitalen ersten Zellspannungssignal U_MAIN und dem digitalen pegelverschobenen zweiten Ausgangssignal U_AUX zu ermitteln.
Die Vergleichsfunktion umfasst, wenn für die Pegelverschiebung für den zweiten ADC 34 die Versorgungsspannung VCC genutzt wird, insbesondere die Summe des digitalen ersten Ausgangssignals U_MAIN und des digitalen pegelverschobenen zweiten Ausgangssignal U_AUX minus einem Sollwert VCC_soll der Versorgungsspannung des zweiten ADCs 34.
Der digitale Vergleichsmechanismus liefert somit als Ergebnis jeweils die Vergleichswerte
U.delta = U_MAIN + U_AUX - VCC Gl. (1 a)
Wenn für die Pegelverschiebung für den zweiten ADC 34 die Referenzspannung VREF genutzt wird, umfasst die Vergleichsfunktion insbesondere die Summe des ersten Ausgangssignals U_MAIN und des zweiten Ausgangssignal U_AUX minus der Referenzspannung VREF.
Der digitale Vergleichsmechanismus liefert in diesem Fall als Ergebnis jeweils die Vergleichswerte U.delta = U.MAIN + U_AUX - VREF Gl. (1 b)
Der erste ADC 24 und zweite ADC 34 nutzen die gleiche Referenzspannung VREF. Für den Fall, dass die Referenzspannung VREF durch einen Fehler um 10 % nach oben abweicht, ermittelt der erste ADC 24 für die Akkumulatorzelle eine Zellspannung von
U.MAIN = 1 ,1 * Uceii Gl. (2) und der zweite ADC 34 ermittelt bei Nutzung der Versorgungsspannung VCC zur Pegelverschiebung eine pegelverschobene Zellspannung von
U.AUX = 1 ,1 *VCC_ist - 1 ,1 * Uceii, Gl. (3a) wobei Uceii die gemessene Zellspannung der Akkumulatorzelle und VCC_ist der Istwert bzw. tatsächliche Wert der Versorgungsspannung ist.
Bei Nutzung der Referenzspannung VREF zur Pegelverschiebung ermittelt der zweite ADC 34 die pegelverschobene Zellspannung
U.AUX = 1 ,1 *VREF - 1 ,1 * Uceii. Gl. (3b).
Im Falle der Nutzung der Versorgungsspannung VCC zur Pegelverschiebung beim zweiten ADC 34 und unter der Annahme, dass der Sollwert VCC_soll und der Istwert VCC_ist der Versorgungsspannung gleich sind mit
VCC.soll = VCC.ist = VCC, Gl. (4), stellt die Vergleichseinheit 40 einen Vergleichswert von
U.delta = U.MAIN + U_AUX - VCC = 0,1*VCC Gl. (5a) fest. Bei einer Versorgungsspannung von zum Beispiel VCC =5V entspricht dies 0,5 V.
Bei Nutzung der Referenzspannung VREF zur Pegelverschiebung des zweiten ADCs 34 ergibt sich für den Vergleichswert:
U.delta = U.MAIN + U_AUX - VREF = 0,1 *VREF Gl. (5b).
Der jeweilige Vergleichswert wird dann wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben mit der erste Auslöseschwelle TH1 beziehungsweise der zweiten Auslöseschwelle TH2 verglichen.
Die Vorgabe der Auslöseschwellen TH1 , TH2 erfolgt beispielsweise durch die Auswerteeinheit 50. Die Auswerteeinheit 50 ist ausgebildet, abhängig von einem von der Schaltungsanordnung 10 bereitgestellten digitalen Zellspannungssignal UC, das repräsentativ ist für eine aktuelle Zellspannung der Akkumulatorzelle, der Vergleichseinheit 40, die erste Auslöseschwelle TH1 oder die zweite Auslöseschwelle TH2 vorzugeben. Insbesondere wird, wenn das digitale Zellspannungssignal UC den vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und den zweiten Spannungswert überschreitet, wird die erste Auslöseschwelle TH1 vorgegeben. Wenn das digitale Zellspannungssignal UC gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert, wird die zweite Auslöseschwelle TH2 vorgegeben. Wenn das digitale Zellspannungssignal UC gleich oder kleiner ist als der vorgegebene zweite Spannungswert wird ebenfalls die zweite Auslöseschwelle TH2 vorgegeben.
Bezugszeichenliste
10 Schaltungsanordnung
20 Hauptüberwachungskanal
22 analoges erstes Filter
24 erster ADC
26 digitales Filter
30 redundanter Überwachungskanal
32 analoges zweites Filter
34 zweiter ADC
40 Vergleichseinheit
50 Auswerteeinheit
ERR1 erster Fehlersignal
ERR2 zweiter Fehlersignal
TH1 erste Auslöseschwelle
TH2 zweite Auslöseschwelle
U_MAIN erstes Ausgangssignal
U_AUX zweites Ausgangssignal
UC digitales Zellspannungssignal

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Überwachung einer Akkumulatorzelle eines Akkumulators, bei dem
- ein erstes Messsignal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der Akkumulatorzelle, von einer Schaltungsanordnung (10), die einen Hauptüberwachungskanal (20) und einen redundanten Überwachungskanal (30) aufweist, empfangen wird,
- das erste Messsignal einem Hauptüberwachungskanal (20), der einen ersten Analog-Digital-Wandler (24), ADC, aufweist, und einem redundanten Überwachungskanal (30), der einen zweiten ADC (34) aufweist, zugeführt wird,
- der erste ADC (24) eine Analog-Digital-Wandlung des ersten Messsignals durchführt und ein erstes Ausgangssignal (U_MAIN) bereitstellt, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der Akkumulatorzelle,
- der zweite ADC (34) eine Analog-Digital-Wandlung eines Signal, das das erste Messsignal umfasst, durchführt und ein zweites Ausgangssignal (U_AUX) bereitstellt,
- ein Vergleichssignal ermittelt wird abhängig von dem ersten Ausgangssignal (U_MAIN) des Hauptüberwachungskanals (20) und dem zweiten Ausgangssignal (U_AUX) des redundanten Überwachungskanals (30),
- wenn das erste Ausgangssignal (U_MAIN) einen vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und einen vorgegebenen zweiten Spannungswert überschreitet, das Vergleichssignal mit einer vorgegebenen erste Auslöseschwelle (TH1 ) verglichen wird und, wenn das Vergleichssignal größer ist als die erste Auslöseschwelle (TH1 ), ein erstes Fehlersignal (ERR1 ) für eine Auswerteeinheit (50) bereitgestellt wird, und,
- wenn das erste Ausgangssignal (U_MAIN) gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert oder gleich oder kleiner ist als der zweite vorgegebene Spannungswert, das Vergleichssignal mit einer zweiten vorgegebenen Auslöseschwelle (TH2) verglichen wird und, wenn das Vergleichssignal größer ist als die zweite Auslöseschwelle (TH2), ein zweites Fehlersignal (ERR2) für die Auswerteeinheit (50) bereitgestellt wird, wobei der erste Spannungswert größer ist als der zweite Spannungswert und die erste Auslöseschwelle (TH1 ) einen größeren Betrag aufweist als die zweite Auslöseschwelle (TH2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der erste vorgegebene Spannungswert einem kritischen oberen Zellspannungswert abzüglich eines Sicherheitsabstandsspannungswertes entspricht und der zweite vorgegebene Spannungswert einem kritischen unteren Zellspannungswert plus eines Sicherheitsabstandsspannungswertes entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem abhängig von einer Richtung des Stromes, der in die Akkumulatorzelle fließt, das zweite Fehlersignal (ERR2) unterdrückt oder ignoriert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Signal gleich dem ersten Messsignal ist und das zweite Ausgangssignal (U_AUX) repräsentativ ist für die Zellspannung der Akkumulatorzelle.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
- der erste ADC (24) des Hauptüberwachungskanals (20) und der zweite ADC (34) des redundanten Überwachungskanals (30) für eine jeweilige
Analog-Digital-Wandlung eine gleiche Referenzspannung, die von einer von beiden ADCs (24, 34) genutzten Referenzspannungsquelle bereitgestellt wird, nutzen,
- das Signal ein Differenzsignal umfasst, das repräsentativ ist für eine Differenz zwischen einer Versorgungsspannung des zweiten ADCs (34) oder der Referenzspannung und dem bereitgestellten ersten Messsignal und das zweite Ausgangsignal (U_AUX) repräsentativ ist für ein pegelverschobenes Zellspannungssignal, und
- das Ermitteln des Vergleichssignals abhängig von dem ersten Ausgangssignal (U_MAIN) und dem zweiten Ausgangssignal (U_AUX) umfasst
-- addieren des ersten Ausgangssignal (U_MAIN)s und des zweiten Ausgangsignals und -- wenn die Pegelverschiebung des Zellspannungssignals mittels der Versorgungsspannung erfolgt, subtrahieren eines Sollwertes der Versorgungsspannung des zweiten ADCs (34), und
-- wenn die Pegelverschiebung des Zellspannungssignals mittels der Referenzspannung erfolgt, subtrahieren der Referenzspannung.
6. Schaltungsanordnung (10) zur Überwachung einer Akkumulatorzelle eines Akkumulators, wobei
- die Schaltungsanordnung (10) einen Hauptüberwachungskanal (20) mit einem ersten Analog-Digital-Wandler, ADC, (24) und einen redundanten Überwachungskanal (30) mit einem zweiten ADC (34) aufweist und der Schaltungsanordnung (10) eine Vergleichseinheit (40) zugeordnet ist oder die Schaltungsanordnung (10) die Vergleichseinheit (40) aufweist,
- die Schaltungsanordnung (10) ausgebildet ist, ein erstes Messsignal zu empfangen, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der Akkumulatorzelle, und dem Hauptüberwachungskanal (20) und dem redundanten Überwachungskanal (30) zur Verfügung zu stellen,
- der erste ADC (24) ausgebildet ist, eine Analog-Digital-Wandlung des ersten Messsignals durchzuführen und ein erstes Ausgangssignal (U_MAIN) bereitzustellen, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der Akkumulatorzelle,
- der zweite ADC ausgebildet ist, eine Analog-Digital-Wandlung eines Signal, das das erste Messsignal umfasst, durchzuführen und ein zweites Ausgangssignal (U_AUX) bereitzustellen,
- die Vergleichseinheit (40) ausgebildet ist, ein Vergleichssignal zu ermitteln abhängig von dem ersten Ausgangssignal (U_MAIN) des Hauptüberwachungskanals (20) und dem zweiten Ausgangssignal (U_AUX) des redundanten Überwachungskanals (30),
- die Vergleichseinheit (40) ausgebildet ist,
-- wenn das erste Ausgangssignal (U_MAIN) einen vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und einen vorgegebenen zweiten Spannungswert überschreitet, das Vergleichssignal mit einer vorgegebenen erste Auslöseschwelle (TH1 ) zu vergleichen und, wenn das Vergleichssignal größer ist als die erste Auslöseschwelle (TH1 ), ein erstes Fehlersignal (ERR1 ) für eine Auswerteeinheit (50) bereitzustellen, und,
-- wenn das erste Ausgangssignal (U_MAIN) gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert oder gleich oder kleiner ist als der zweite vorgegebene Spannungswert, das Vergleichssignal mit einer zweiten vorgegebenen Auslöseschwelle (TH2) zu vergleichen und, wenn das Vergleichssignal größer ist als die zweite Auslöseschwelle (TH2), ein zweites Fehlersignal (ERR2) für die Auswerteeinheit (50) bereitzustellen, wobei der erste Spannungswert größer ist als der zweite Spannungswert und die erste Auslöseschwelle (TH1 ) einen größeren Betrag aufweist als die zweite Auslöseschwelle (TH2).
7. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 6, bei dem die Vergleichseinheit (40) ausgebildet ist, abhängig von einem bereitgestellten Strommesssignal, das repräsentativ ist für eine Richtung des Stromes, der in die Akkumulatorzelle fließt, die Ausgabe des zweiten Fehlersignals (ERR2) zu unterdrücken.
8. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Signal gleich dem ersten Messsignal ist und das zweite Ausgangssignal (U_AUX) repräsentativ ist für die Zellspannung der Akkumulatorzelle.
9. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei
- der erste ADC (24) des Hauptüberwachungskanals (20) und der zweite ADC (34) des redundanten Überwachungskanals (30) ausgebildet sind, für eine jeweilige Analog-Digital-Wandlung eine gleiche Referenzspannung, die von einer Referenzspannungsquelle bereitgestellt wird, zu nutzen,
- das Signal ein Differenzsignal umfasst, das repräsentativ ist für eine Differenz zwischen einer Versorgungsspannung des zweiten ADCs (34) oder einer Referenzspannung und dem bereitgestellten ersten Messsignal, und
- das Ermitteln des Vergleichssignals abhängig von dem ersten Ausgangssignal (U_MAIN) und dem zweiten Ausgangssignal (U_AUX) umfasst
-- addieren des ersten Ausgangssignals (U_MAIN) und des zweiten Ausgangsignals (U_AUX) und -- wenn die Pegelverschiebung des Zellspannungssignals mittels der Versorgungsspannung erfolgt, subtrahieren eines Sollwertes der Versorgungsspannung des zweiten ADCs (34), und
-- wenn die Pegelverschiebung des Zellspannungssignals mittels der Referenzspannung erfolgt, subtrahieren der Referenzspannung.
10. Überwachungssystem für eine Akkumulatorzelle, wobei das Überwachungssystem eine Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 und eine Steuereinheit aufweist, die ausgebildet ist, abhängig von einem von der Schaltungsanordnung (10) bereitgestellten digitalen Messsignal, das repräsentativ ist für eine aktuelle Zellspannung der Akkumulatorzelle, der Vergleichseinheit (40),
-- wenn das digitale Zellspannungssignal (UC) den vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und den zweiten Spannungswert überschreitet, die erste Auslöseschwelle (TH1 ) vorzugeben, und
-- wenn das digitale Zellspannungssignal (UC) gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert, die zweite Auslöseschwelle (TH2) vorzugeben und,
-- wenn das digitale Zellspannungssignal (UC) gleich oder kleiner ist als der vorgegebene zweite Spannungswert, die zweite Auslöseschwelle (TH2) vorzugeben.
11. Akkumulatorsystem aufweisend:
- einen Akkumulator mit zumindest einer Akkumulatorzelle,
- für alle oder zumindest einen Teil der Akkumulatorzellen jeweils eine Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 9 und
- eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, abhängig von einem von der jeweiligen Schaltungsanordnung (10) bereitgestellten digitalen Zellspannungssignal (UC), das repräsentativ ist für eine aktuelle Zellspannung der jeweiligen Akkumulatorzelle, der Vergleichseinheit (40) der jeweiligen Schaltungsanordnung (10), -- wenn das digitale Zellspannungssignal (UC) den vorgegebenen ersten Spannungswert unterschreitet und den zweiten Spannungswert überschreitet, die erste Auslöseschwelle (TH1 ) vorzugeben und,
-- wenn das digitale Zellspannungssignal (UC) gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Spannungswert, die zweite Auslöseschwelle (TH2) vorzugeben, und
-- wenn das digitale Zellspannungssignal (UC) gleich oder kleiner ist als der vorgegebene zweite Spannungswert, die zweite Auslöseschwelle (TH2) vorzugeben.
12. Fahrzeug aufweisend ein Akkumulatorsystem gemäß Anspruch 11.
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