DE102012211086A1 - Safety electronics unit for battery module of lithium ion battery system of e.g. electric car, has comparator producing alarm signal depending on comparison of voltage threshold value with battery module voltage lying close at module - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitselektronik für ein Batteriemodul, eine Batteriezellenüberwachungseinheit zur Überwachung mehrerer Batteriezellen, die das Batteriemodul bilden, und ein Batteriesystem mit der Sicherheitselektronik. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem.The present invention relates to a safety electronics for a battery module, a battery cell monitoring unit for monitoring a plurality of battery cells, which form the battery module, and a battery system with the safety electronics. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with the battery system.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, z. B. bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeuge, und bei Laptops und Mobiltelefonen Lithium-Ionen-Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications, eg. B. in wind turbines, in vehicles, such. As in hybrid and electric vehicles, and in laptops and mobile phones lithium-ion battery systems will be used, are placed on the very high demands in terms of reliability, safety, performance and service life.
Der prinzipielle funktionale Aufbau eines Batteriesystems gemäß des Standes der Technik ist in der
Eine Batterietrenneinheit
Die Funktion einer herkömmlichen Batteriezellenüberwachungseinheit
Die Messung der Batteriezellenspannung, einerseits durch die Batteriezellenüberwachungseinheit
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Sicherheitselektronik für ein Batteriemodul zur Verfügung gestellt. Die Sicherheitselektronik umfasst einen Komparator und einen Alarmsignalausgang für ein Alarmsignal. Die Sicherheitselektronik weist ferner einen Spannungsschwellwerteingang für einen Spannungsschwellwert auf, wobei der Komparator in Abhängigkeit eines Vergleichs des Spannungsschwellwerts mit einer am Batteriemodul anliegenden Batteriemodulspannung das Alarmsignal erzeugt.According to the invention, a safety electronics for a battery module is provided. The safety electronics includes a comparator and an alarm signal output for an alarm signal. The safety electronics further includes a voltage threshold input for a voltage threshold, the comparator generating the alarm signal in response to a comparison of the voltage threshold with a battery module voltage applied to the battery module.
Außerdem wird eine Batteriezellenüberwachungseinheit zur Überwachung mehrerer Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Die mehreren Batteriezellen bilden ein Batteriemodul. Die Batteriezellenüberwachungseinheit überwacht Batteriezellenspannungen der Batteriezellen. Die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik ist mit dem Batteriemodul verbunden und stellt der Batteriezellenüberwachungseinheit das Alarmsignal über einen Alarmsignalbus bereit.In addition, a battery cell monitoring unit is provided for monitoring a plurality of battery cells. The multiple battery cells form a battery module. The battery cell monitoring unit monitors battery cell voltages of the battery cells. The safety electronics according to the invention is connected to the battery module and provides the battery cell monitoring unit with the alarm signal via an alarm signal bus.
Ferner wird ein Batteriesystem bereitgestellt. Das Batteriesystem umfasst mehrere Batteriezellen, die wenigstens ein Batteriemodul einer Batterie bilden. Die Batteriezellen weisen jeweils eine Batteriezellensicherung auf. Außerdem umfasst das Batteriesystem die erfindungsgemäße Batteriezellenüberwachungseinheit zur Überwachung des wenigstens einen Batteriemoduls der Batterie sowie die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik für das wenigstens eine Batteriemodul der Batterie. Ferner umfasst das Batteriesystem eine Batterietrenneinheit zum Trennen der Batterie von einem Verbraucher, eine Batteriemanagementeinheit und einen Alarmsignalbus, der den Alarmsignalausgang der Sicherheitselektronik mit der Batteriemanagementeinheit verbindet. Die Batteriemanagementeinheit steuert die Batterietrenneinheit in Abhängigkeit des Alarmsignals.Furthermore, a battery system is provided. The battery system includes a plurality of battery cells that form at least one battery module of a battery. The battery cells each have a battery cell fuse. In addition, the battery system comprises the inventive Battery cell monitoring unit for monitoring the at least one battery module of the battery and the security electronics according to the invention for the at least one battery module of the battery. Furthermore, the battery system comprises a battery disconnection unit for disconnecting the battery from a consumer, a battery management unit and an alarm signal bus, which connects the alarm signal output of the safety electronics with the battery management unit. The battery management unit controls the battery disconnection unit in response to the alarm signal.
Außerdem wird ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.In addition, a motor vehicle is provided with the battery system according to the invention, wherein the battery system is connected to a drive system of the motor vehicle.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik ermöglicht, auf vorteilhafte Weise einen sicheren Betrieb eines Batteriemoduls zu gewährleisten. Die Sicherheitselektronik überwacht dabei nicht wie etwa bekannte Begleitelekroniken auf der Ebene von Batteriezellen, sondern auf der Ebene von Batteriemodulen, die jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Wird ein Batteriesystem, das mehrere Batteriemodule aufweist, mit den erfindungsgemäßen Sicherheitselektroniken ausgestattet, so sind weniger Sicherheitselektroniken erforderlich und somit ein Ausstatten des Batteriesystems preisgünstig.The safety electronics according to the invention makes it possible to advantageously ensure safe operation of a battery module. In this case, the safety electronics do not monitor at the level of battery cells, as does the case with known accompanying electronics, but at the level of battery modules, which each comprise a plurality of battery cells. If a battery system which has a plurality of battery modules is equipped with the security electronics according to the invention, then fewer security electronics are required and thus equipping the battery system is inexpensive.
Zwar sind auch Batteriezellenüberwachungseinheiten bekannt, die eine einzelne Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen, die ein Batteriemodul bilden, überwachen. Die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik bildet jedoch insbesondere ein redundantes, unabhängiges bzw. zusätzliches Mess- bzw. Überwachungsmittel zu den bekannten Batteriezellenüberwachungseinheiten, das eine hohe Sicherheitseinstufung für mit der Sicherheitselektronik ausgestatte Batteriesysteme ermöglicht. Die Sicherheitselektronik kann auf vorteilhafte Weise eine Einstufung eines solchen Batteriesystems z. B. in ASIL (Automotive Savety Integrity Level) C oder D ermöglichen.Although battery cell monitoring units are also known, which monitor a single battery cell or a plurality of battery cells, which form a battery module. However, the safety electronics according to the invention in particular form a redundant, independent or additional measuring or monitoring means to the known battery cell monitoring units, which enables a high safety rating for equipped with the safety electronics battery systems. The safety electronics can advantageously a classification of such a battery system z. B. in ASIL (Automotive Savety Integrity Level) C or D.
Wird eine Batterie, die Batteriemodule mit Batteriezellen aufweist, kurzgeschlossen, etwa weil ein an der Batterie angeschlossener Verbraucher defekt ist oder weil die Batterie, ein Batteriemodul oder eine Batteriezelle selbst beschädigt ist, so lösen im Allgemeinen Batteriezellensicherungen aus, die in den Batteriezellen aus Sicherheitsgründen integriert sind. Dabei können an Batteriezellenüberwachungseinheiten, die mit den Batteriezellen verbunden sind, hohe negative Spannungen auftreten. Löst die Batteriezellensicherung einer bestimmten Batteriezelle aus, so kann an dieser Batteriezellensicherung und somit an einer Batteriezellenüberwachungseinheit die gesamte Spannung der übrigen Batteriezellen mit negativem Vorzeichen anliegen. Die Batteriezellenüberwachungseinheit kann durch hohe negative Spannungen Schaden nehmen, z. B. sich entzünden und abbrennen.When a battery having battery cells with battery cells is shorted, for example because a consumer connected to the battery is defective or because the battery, a battery module or a battery cell itself is damaged, generally battery cell fuses will be triggered to integrate in the battery cells for safety reasons are. In this case, high negative voltages can occur at battery cell monitoring units, which are connected to the battery cells. If the battery cell fuse triggers a particular battery cell, then the entire voltage of the remaining battery cells can be present with a negative sign at this battery cell fuse and thus at a battery cell monitoring unit. The battery cell monitoring unit may be damaged by high negative voltages, eg. B. ignite and burn off.
Durch das Auslösen einer Batteriezellensicherung verringert sich sofort die Batteriemodulspannung eines betroffenen Batteriemoduls. Der Komparator erzeugt bevorzugt das Alarmsignal, wenn der Vergleich ergibt, dass die Batteriemodulspannung kleiner als der Spannungsschwellwert ist. Der Komparator detektiert so den verbraucherseitigen Kurzschluss. Triggering a battery cell fuse immediately reduces the battery module voltage of an affected battery module. The comparator preferably generates the alarm signal when the comparison reveals that the battery module voltage is less than the voltage threshold. The comparator thus detects the consumer-side short circuit.
Löst beispielsweise eine Batteriezellensicherung einer Batteriezelle aus, wobei die Batteriezellenspannung eben dieser Batteriezellen in einem zulässigen Bereich von typischerweise etwa 2,8 V bis etwa 4,2 V bleibt, so erkennt die Sicherheitselektronik, dass im Wesentlichen kein kritischer Zustand vorliegt und erzeugt in diesem Fall insbesondere kein Alarmsignal.For example, if a battery cell fuse of a battery cell triggers, with the battery cell voltage of these battery cells remaining within a permissible range of typically approximately 2.8 V to approximately 4.2 V, then the safety electronics recognizes that essentially no critical condition exists and generates in this case in particular, no alarm signal.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Komparator einen Eingangswiderstand von mehreren Kiloohm oder Megaohm auf. Batteriezellenüberwachungseinheiten sind meist mit niederohmigen Eingängen ausgestattet, beispielsweise um eine hohe Messgenauigkeit für die Batteriezellenspannungen zu erreichen. Häufig nehmen Bauelemente mit niederohmigen Eingängen bei anliegenden hohen Spannungen Schaden, da ein nahezu ebenso hoher Strom fließt. Der Komparator der Sicherheitselektronik ist dagegen insbesondere durch hochohmige Eingänge, d. h. Eingangswiderstände im Bereich von mehreren Kiloohm oder Megaohm, robust gegen anliegende hohe Spannungen.According to a preferred embodiment, the comparator has an input resistance of several kilohms or megohms. Battery cell monitoring units are usually equipped with low-impedance inputs, for example in order to achieve a high accuracy of measurement for the battery cell voltages. Frequently, components with low-impedance inputs are damaged when high voltages are applied, since an almost equally high current flows. By contrast, the comparator of the safety electronics is characterized in particular by high-impedance inputs, i. H. Input resistances in the range of several kilohms or megohms, robust against applied high voltages.
Die erfindungsgemäße Batteriezellenüberwachungseinheit hat den Vorteil, dass sie mittels des von der Sicherheitselektronik bereitgestellten Alarmsignals Sicherheitsmaßnahmen für das Batteriemodul treffen kann. Bevorzugt umfasst die Batteriezellenüberwachungseinheit einen Kurzschlusspfad. Die Batteriezellenüberwachungseinheit kann bei Empfang des Alarmsignals das Batteriemodul mit dem Kurzschlusspfad kurzschließen. Dadurch kann eine unkontrolliert hohe insbesondere negative Spannung an der Batteriezellenüberwachungseinheit verhindert werden.The battery cell monitoring unit according to the invention has the advantage that it can make safety measures for the battery module by means of the alarm signal provided by the safety electronics. Preferably, the battery cell monitoring unit includes a short circuit path. The battery cell monitoring unit may short-circuit the battery module with the short-circuit path upon receipt of the alarm signal. As a result, an uncontrollably high, in particular negative, voltage can be prevented at the battery cell monitoring unit.
Im Allgemeinen umfasst eine Batteriezellenüberwachungseinheit einen Analog-Digital-Wandler, eine Steuereinheit und eine Kommunikationseinheit. Der Analog-Digital-Wandler weist normalerweise mehrere Eingänge auf, an denen Batteriezellenspannungen anliegen. Zur Einhaltung des bekannten Abtasttheorems ist den Analog-Digital-Wandler-Eingängen jeweils ein Tiefpassfilter vorgeschaltet. Um ein weitgehend unverfälschtes Messen der Batteriezellenspannungen zu ermöglichen, sind die Analog-Digital-Wandler-Eingänge niederohmig. Liegt jedoch in einem Fehlerfall, z. B. bei einem verbraucherseitigen Kurzschluss und einer ausgelösten Batteriezellensicherung, eine hohe negative Spannung an den Analog-Digital-Wandler-Eingängen, so kann der Analog-Digital-Wandler Schaden nehmen. Die erfindungsgemäße Sicherheitselektronik kann dazu beitragen einen solchen Schaden zu verhindern, indem sie beispielsweise frühzeitig das Alarmsignal erzeugt. Die hochohmigen Eingänge des Komparators können dabei ein Funktionieren der Sicherheitselektronik auch bei bereits anliegender hoher Spannung noch sicherstellen.In general, a battery cell monitoring unit includes an analog-to-digital converter, a control unit, and a communication unit. The analog-to-digital converter typically has multiple inputs at which battery cell voltages are applied. To comply with the known sampling theorem, a low-pass filter is connected upstream of the analog-digital converter inputs. Around allow a largely unadulterated measuring the battery cell voltages, the analog-to-digital converter inputs are low impedance. Is in an error case, z. As in a consumer-side short circuit and a triggered battery cell fuse, a high negative voltage to the analog-to-digital converter inputs, so the analog-to-digital converter can be damaged. The safety electronics according to the invention can help prevent such damage by, for example, generating the alarm signal early on. The high-impedance inputs of the comparator can still ensure the functioning of the safety electronics even when the high voltage is already present.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem kann ebenfalls das Alarmsignal empfangen und beispielsweise dazu nutzen, das gesamte Batteriesystem von einem kurzgeschlossenen Verbraucher mittels der Batterietrenneinheit zu trennen, und dadurch einen sicheren Batteriesystemzustand herzustellen. Ein Funktionieren des Komparators, des Alarmsignals und des Steuerns der Batterietrenneinheit ist im Wesentlichen ohne Software möglich, die etwa ausfallen oder fehlerhaft sein könnte. Die Batterietrenneinheit funktioniert insbesondere auch dann noch, wenn beispielsweise die Überwachungseinheit durch anliegende hohe Spannungen bereits ausgefallen bzw. beschädigt ist. In weiterer Ausgestaltung steuert das Alarmsignal die Batterietrenneinheit direkt an, wodurch ein schnelleres Trennen und eine höhere Ausfallsicherheit des Batteriesystems erreicht werden können.The battery system of the present invention may also receive the alarm signal and use it, for example, to disconnect the entire battery system from a shorted consumer via the battery disconnect unit, thereby establishing a safe battery system condition. Functioning of the comparator, the alarm signal, and the control of the battery disconnect unit is essentially possible without software that may be down or malfunctioning. In particular, the battery disconnection unit still functions even if, for example, the monitoring unit has already failed or is damaged due to high voltages applied thereto. In a further embodiment, the alarm signal directly controls the battery disconnection unit, whereby a faster disconnection and a higher reliability of the battery system can be achieved.
Der Spannungsschwellwert ist bevorzugt ein vorbestimmter bzw. vorab festgelegter Wert. Die Batteriemanagementeinheit kann den Spannungsschwellwert jedoch auch in Abhängigkeit der Anzahl der Batteriezellen des Batteriemoduls, einer Batteriezellenleerlaufspannung, eines Batteriezelleninnenwiderstands und eines Batteriestroms ermitteln. Außerdem kann das Batteriesystem der erfindungsgemäßen Sicherheitselektronik den Spannungsschwellwert am Spannungsschwellwerteingang zur Verfügung stellen.The voltage threshold is preferably a predetermined value. However, the battery management unit can also determine the voltage threshold value depending on the number of battery cells of the battery module, a battery cell idle voltage, a battery cell internal resistance and a battery current. In addition, the battery system of the safety electronics according to the invention can provide the voltage threshold at the voltage threshold input.
Wenn sich die Batteriezellenleerlaufspannung, der Batteriezelleninnenwiderstand oder der Batteriestrom ändert, so kann die Batteriemanagementeinheit den Spannungsschwellwert neu bzw. dynamisch ermitteln und wiederum der Sicherheitselektronik am Spannungsschwellwerteingang zur Verfügung stellen.If the battery cell idle voltage, the battery cell internal resistance or the battery current changes, the battery management unit can dynamically determine the voltage threshold and in turn provide it to the safety electronics at the voltage threshold input.
Es ist bevorzugt, dass der Alarmbus eine separate Hardwareleitung bildet. Dadurch kann eine Redundanz hergestellt werden, die die Betriebs- bzw. Ausfallsicherheit des Batteriesystems erhöht.It is preferred that the alarm bus forms a separate hardware line. As a result, a redundancy can be produced, which increases the operational reliability and reliability of the battery system.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Batteriesystem eine Begleitelektronik, die einen Komparator aufweist. Die Begleitelektronik ist an jede Batteriezelle angeschlossen und prüft mittels des Komparators, ob eine Batteriezellenspannung der Batteriezelle einen oberen Spannungsgrenzwert überschreitet oder einen unteren Spannungsgrenzwert unterschreitet. In Abhängigkeit dieser Prüfungen erzeugt die Begleitelektronik ein weiteres Alarmsignal. Vorzugsweise ergänzt die Sicherheitselektronik die Begleitelektronik und die Batteriezellenüberwachungseinheit, um die Betriebssicherheit des Batteriesystems zu erhöhen.In a further preferred refinement, the battery system comprises accompanying electronics, which has a comparator. The accompanying electronics is connected to each battery cell and checks by means of the comparator, whether a battery cell voltage of the battery cell exceeds an upper voltage limit or falls below a lower voltage limit. Depending on these tests, the monitoring electronics generates another alarm signal. The safety electronics preferably supplement the accompanying electronics and the battery cell monitoring unit in order to increase the operational safety of the battery system.
Das Batteriesystem ist bevorzugt ein Lithium-Ionen-Batteriesystem.The battery system is preferably a lithium-ion battery system.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der
Das Batteriemodul
Die Batteriemodulspannung Umodul ändert sich je nach Ladezustand und Belastung des Batteriemoduls über die Zeit.The battery module voltage U module changes depending on the state of charge and load of the battery module over time.
Mehrere Batteriemodule
Um Ladungsunterschiede zwischen den einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezellen
Je Batteriemodul
In der
Die Lithium-Ionen-Batteriezellen
Die Batteriezellenüberwachungseinheit
Durch den Kurzschluss
Die Batteriemanagementeinheit des Batteriesystems ermittelt den Spannungsschwellwert laufend in Abhängigkeit der Anzahl n der Lithium-Ionen-Batteriezellen
Sowohl die Leerlaufspannung UOCV als auch der Innenwiderstand und insbesondere der Batteriestrom verändern sich mit der Zeit, so dass der Spannungsschwellwert Uschwell im Allgemeinen zeitabhängig ist. Die Gleichung (4) nimmt jedoch an, dass die Werte über alle Lithium-Ionen-Batteriezellen
Der Komparator
Das Alarmsignal kann auch direkt die Batterietrenneinheit
Ferner kann für den Vergleich in Ungleichung (3) zusätzlich ein Spannungsabstand vorgesehen sein, so dass der Komparator
Die Sicherheitselektronik kann zusätzlich in einem bestehenden Batteriesystem mit Begleitelektronik Anwendung finden und insbesondere die Betriebssicherheit von mit dem Batteriesystem ausgestatteten Kraftfahrzeugen erhöhen.The safety electronics can additionally be used in an existing battery system with accompanying electronics and, in particular, increase the operational reliability of motor vehicles equipped with the battery system.
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