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DE19545833B4 - Battery with several single cells connected in series - Google Patents

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DE19545833B4
DE19545833B4 DE19545833A DE19545833A DE19545833B4 DE 19545833 B4 DE19545833 B4 DE 19545833B4 DE 19545833 A DE19545833 A DE 19545833A DE 19545833 A DE19545833 A DE 19545833A DE 19545833 B4 DE19545833 B4 DE 19545833B4
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DE
Germany
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battery
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DE19545833A
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Gregor Fischer
Siegfried Friedmann
Falk Gerbig
Georg GÖTZ
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Batterie mit mehreren hintereinander geschalteten Einzelzellen, die über eine gemeinsame Stromleitung zum Laden der Zellen miteinander verbunden sind, mit Einzelzellen-Modulen, die jeweils den Zustand der Einzelzellen überwachen und zur Aufnahme und Umsetzung eines individuellen Ladesignals geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitung zur Übertragung von Zustandsprotokollen der Einzelzellen an die Zentraleinheit und der individuellen Ladesignale von der Zentraleinheit zu den Einzelzellen einsetzbar ist und die Einzelzellen-Module aus der jeweiligen Einzelzelle heraus mit elektrischer Energie versorgt sind.battery with several single cells connected in series common power line for charging the cells are connected to each other, with single-cell modules, each monitoring the state of the individual cells and suitable for receiving and implementing an individual charging signal are, characterized in that the power line for transmission from status logs of the individual cells to the central unit and the individual charging signals from the central unit to the individual cells can be used and the single-cell modules from the respective single cell are supplied with electrical energy.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Batterie mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.The The invention relates to a battery having the features of the preamble of claim 1.

Eine derartige Batterie ist aus der FR 2 589 008 B1 bekannt. Der Ladevorgang findet für alle Einzelzellen gleichzeitig und in Abhängigkeit des individuellen Ladezustands statt. Eine Möglichkeit, darüber hinaus den Ladevorgang individuell zu steuern, besteht nicht.Such a battery is out of the FR 2 589 008 B1 known. The charging process takes place for all individual cells simultaneously and depending on the individual state of charge. There is also no way to individually control the charging process.

Eine derartige Möglichkeit besteht bei einer mikrokontroller-gesteuerten Einrichtung zur Analyse des Ladezustands und zum Laden einer mehrzelligen Batterie, wie sie aus der DE 42 31 732 C2 bekannt ist. Dabei ist die Batterie mit einer Vielzahl von Doppelleitungen versehen, die jeweils zu einer oder mehreren Einzelzellen führen und über die die Differenz-Ladung der angeschlossenen Einzelzellen durchgeführt wird. Aufgrund der Vielzahl von Doppelleitungen ist eine derartige Batterie extrem störanfällig und für den Einsatz unter hoher mechanischer Belastung, wie beispielsweise in einem Fahrzeug, weniger geeignet.Such a possibility exists in a microcontroller-controlled means for analyzing the state of charge and for charging a multi-cell battery, as known from the DE 42 31 732 C2 is known. In this case, the battery is provided with a plurality of double lines, each leading to one or more individual cells and over which the differential charge of the connected individual cells is performed. Due to the large number of double lines, such a battery is extremely susceptible to interference and less suitable for use under high mechanical load, such as in a vehicle.

In diesem Zusammenhang ist es aus der DE 42 25 746 A1 bekannt, bei einer Batterie mit mehreren Einzelzellen die Einzelzellen individuell per Direktanschluss an ein Ladegerät aufzuladen. Die Information über den Ladezustand wird ebenfalls direkt mittels des parallel angeschlossenen und mit elektrischer Energie versorgten Einzelzellen-Moduls gewonnen.In this context, it is from the DE 42 25 746 A1 it is known to charge the individual cells individually by direct connection to a charger in a battery with several individual cells. The information about the state of charge is also obtained directly by means of the parallel-connected and supplied with electrical energy single-cell module.

Ferner ist aus der DE 33 12 600 A1 eine Einzelzellenbatterie bekannt, bei der eine Nachladung entsprechend der entnommenen Kapazität vorgenommen werden kann. Eine Anregung, bei einer Batterie aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen ohne zusätzliche äußere Beschaltung die Möglichkeit einer individuellen Ladung und Überprüfung jeder Einzelzelle zu schaffen, ergibt sich daraus nicht.Furthermore, from the DE 33 12 600 A1 a single-cell battery is known in which a recharge can be made according to the withdrawn capacity. An excitation, with a battery of several series-connected single cells without additional external wiring to provide the possibility of an individual charge and verification of each individual cell, does not arise from this.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Möglichkeit einer individuellen Einzelzellen-Ladung mit geringem schaltungstechnischen und Leitungsaufwand realisiert ist.Of the Invention is based on the object, a battery of the above to create the type mentioned, in which the possibility of an individual Single-cell charge with low circuit and wiring costs is realized.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.The Invention solves This object is achieved by the features of patent claim 1.

Die Einzelzellen-Module besitzen nun zusätzlich die Möglichkeit, individuelle Ladesignale zu empfangen und umzusetzen. Die Abgabe der individuellen Ladesignale geschieht durch die Zentraleinheit über die Stromleitung, die als modulierter Feldbus ausgestaltet sein kann. Dadurch können aufwendige und störanfällige Leitungsverbindungen (Doppelleitungen) von der Zentraleinheit zu den Einzelzellen- Modulen entfallen. Weitere Leitungsverbindungen werden dadurch eingespart, dass die Einzelzellen-Module aus der jeweiligen Einzelzelle heraus mit elektrischer Energie versorgt sind.The Single-cell modules now also have the option of to receive and implement individual charging signals. The levy the individual charging signals is done by the central unit via the Power line that can be configured as a modulated fieldbus. Thereby can complex and fault-prone wiring connections (Double lines) from the central unit to the single-cell modules omitted. Additional line connections are saved, that the single cell modules supplied with electrical energy from the individual cell are.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 11 und werden anhand der Zeichnung weiter erläutert.advantageous Embodiments of the invention are the subject of claims 2 to 11 and will be explained with reference to the drawing.

1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterie, 1 the basic structure of a battery according to the invention,

2 den elektrischen Aufbau von darin verwendeten Einzelzellen-Modulen, 2 the electrical construction of single-cell modules used therein,

3 eine konstruktive Ausführung des Moduls von 2, 3 a constructive version of the module of 2 .

4 bis 6 Einzelheiten des Moduls von 3, 4 to 6 Details of the module of 3 .

7 Einzelzellen mit Modulen auf einem Zellverbinder, 7 Single cells with modules on a cell connector,

8 eine Funktionsdarstellung der Stromverteilung, 8th a functional representation of the current distribution,

9 die Ausführungsform des Moduls als Zellkappe und 9 the embodiment of the module as a cell cap and

10 Ausführungsformen eines Leistungsschalters, der in den Modulen der 2 bis 9 Anwendung findet. 10 Embodiments of a circuit breaker used in the modules of 2 to 9 Application finds.

Die in 1 gezeigte Batterie besteht aus mehreren Einzelzellen E, die über eine Stromleitung 1 miteinander verbunden sind und denen jeweils ein Einzelzellen-Modul 2 zugeordnet ist. Die Module 2 sind über die Stromleitung 1 mit einer Zen traleinheit 3 verbunden und tauschen mit dieser Daten über den Zustand der jeweiligen Einzelzelle E aus. Ferner erhalten Sie von der Zentraleinheit individuelle Ladesignale aufgrund derer sie den Ladevorgang der jeweiligen Einzelzelle steuern. Dies wird weiter unten im Detail erläutert.In the 1 Battery shown consists of several single cells E, which are connected via a power line 1 connected to each other and each of which a single cell module 2 assigned. The modules 2 are over the power line 1 with a central unit 3 connected and exchange with this data on the state of each individual cell E. Furthermore, you will receive individual charging signals from the central unit on the basis of which they control the charging process of the respective single cell. This will be explained in detail below.

Die Module 2 sind in unmittelbarer Nähe der Einzelzellen, z.B. am Gehäuse, am Zellverbinder oder an der Zellkappe (wird erläutert) angeordnet und aus der jeweiligen Einzelzelle heraus mit elektrischer Energie versorgt.The modules 2 are arranged in the immediate vicinity of the individual cells, for example on the housing, on the cell connector or on the cell cap (explained) and supplied with electrical energy from the respective individual cell.

Die von den Modulen 2 gelieferten Daten werden durch die Zentraleinheit 3 zyklisch abgefragt, die an beliebiger Stelle, z.B. in einem On-Board-Ladegerät der Batterie untergebracht sein kann. Die Zentraleinheit 3 sammelt die Daten aller Einzelzellen und kann den Ladestrom jeder Einzelzelle innerhalb bestimmter Grenzen mittels der Module 2 beeinflussen. Die Zentraleinheit 3 wiederum kann off-line (z.B. für Diagnosezwecke) und/oder on-line mit weiteren Bordsystemen im Datenaustausch stehen (nicht dargestellt).The of the modules 2 supplied data be through the central unit 3 interrogated cyclically, which can be accommodated at any point, for example in an on-board battery charger. The central unit 3 collects the data of all single cells and can control the charging current of each single cell within certain limits by means of the modules 2 influence. The central unit 3 in turn, may be off-line (eg for diagnostic purposes) and / or on-line with other on-board systems in the data exchange (not shown).

Das Einzelzellenmodul (2) besteht als Kernstück aus einer Logikeinheit (4), die folgende Aufgaben erledigt:

  • • Datenaustausch zur Zentraleinheit
  • • Messung der Einzelzellenparameter (Zelltemperatur, Zellspannung, ...)
  • • Steuerung des Leistungsteils
The single-cell module ( 2 ) consists of a logical unit ( 4 ), which performs the following tasks:
  • • Data exchange to the central unit
  • • Measurement of single cell parameters (cell temperature, cell voltage, ...)
  • • Control of the power unit

Zur Messung der physikalischen Größen kommen bekannte Sensoren zum Einsatz. In der Grundversion sind folgende Meßgrößen vorgesehen:

  • • Einzelzellenspannung
  • • Temperatur (eine oder mehrere), (5 bezeichnet einen Temperatursensor).
For measuring the physical quantities known sensors are used. In the basic version the following parameters are planned:
  • • single-cell voltage
  • Temperature (one or more), 5 denotes a temperature sensor).

Weiter kann es vorteilhaft sein, je nach Batterietyp weitere Kenngrößen zu messen, beispielsweise

  • • Einzelzellendruck
  • • Elektrolytpegel
  • • Elektrolytdichte
  • • Elektrolytdurchfluß
  • • Isolationsfehler
  • • Zellstrom
  • • pH-Wert
  • • Sauerstoff-/Wasserstoffkonzentration
Further, it may be advantageous to measure other parameters depending on the type of battery, for example
  • • single cell pressure
  • • electrolyte level
  • • electrolyte density
  • • electrolyte flow
  • • Insulation error
  • • cell current
  • • PH value
  • • oxygen / hydrogen concentration

Es dient zur Signaltrennung der Stromleitung, d.h. zur Ein- und Auskoppelung der Signale zwischen Zentraleinheit und Module. Es besteht im einfachsten Fall aus einem Kondensator 6.It is used for signal separation of the power line, ie for coupling and decoupling the signals between the central unit and modules. It consists in the simplest case of a capacitor 6 ,

Die Leistungseinheit 7 dient dazu, einen Teil des Gesamt-Ladestroms um die betreffende Einzelzelle herumzuleiten, der Bypass-Strom trägt somit nicht zur Ladung bei. Der Gesamtwirkungsgrad der Batterieladung verschlechtert sich dadurch nicht. Bei herkömmlicher Aufladung muß die zuerst volle Zelle diese Energie durch Gasungswärme abgeben. Die Zelle wird dabei stark überladen und geschädigt. Die Folge ist eine überproportionale Kapazitätsveränderung während des Betriebes.The power unit 7 serves to divert a portion of the total charging current around the individual cell concerned, the bypass current thus does not contribute to the charge. The overall efficiency of the battery charge does not deteriorate. With conventional charging, the first full cell must deliver this energy by gassing heat. The cell is heavily overloaded and damaged. The result is a disproportionate capacity change during operation.

Die Leistungseinheit wird vorzugsweise möglichst von den anderen Bauteilen entkoppelt. Damit ist sichergestellt, daß eine thermische Beeinflussung minimiert wird. Weiter kann damit vermieden werden, daß im Falle eines Totalausfalls der leistungsführenden Teile die anderen Systemkomponenten geschädigt werden. Die Logikeinheit meldet der Zentraleinheit den Ausfall des Leistungsgliedes (Halbleiterschalter, Relais, ...).The Power unit is preferably as possible from the other components decoupled. This ensures that a thermal influence is minimized. Next, it can be avoided that in the case a total failure of the performing parts the other system components damaged become. The logic unit reports the failure of the central unit Power element (semiconductor switch, relay, ...).

Um im Schadensfall die Auswirkungen zu begrenzen ist optional eine Sicherung in der leistungsführenden Leitung vorzusehen. Im einfachsten Fall wird die herausgeführte Polleitung so bemessen, daß diese im Kurzschlußfall sicher schnell durchbrennt.Around in the event of damage, the impact is optional Fuse in the performer Provide line. In the simplest case, the lead-out pole is so measured that this in case of short circuit sure burns fast.

Am einfachsten läßt sich dies durch Verwendung von Leiterbahnen auf gedruckten Schaltungen realisieren, die eine entsprechend bemessene Engstelle als Sicherungselement aufweisen 13, 3.The easiest way to realize this by using printed conductors on printed circuits, which have a correspondingly dimensioned bottleneck as a security element 13 . 3 ,

Die Spannungsversorgung 8, 2, des Einzelzellenmoduls erfolgt aus der Einzelzelle heraus.The power supply 8th . 2 , The single cell module takes place from the single cell.

Aufgabe dieses Systemteils ist es, die Spannung auf das erforderliche Niveau anzuheben und zu stabilisieren. Weiter soll eine gewisse Energiemenge 9 gespeichert werden, um beim Ausfall einer Einzelzelle, d.h. beim Ausfall der Spannungsversorgung des Moduls, den Betrieb des Moduls so lange sicherzustellen, daß eine entsprechende Meldung an die Zentraleinheit abgegeben werden kann.The task of this system part is to raise and stabilize the tension to the required level. Next is a certain amount of energy 9 be stored to ensure the operation of the module in case of failure of a single cell, ie in case of failure of the power supply of the module so long that a corresponding message can be delivered to the central unit.

Ausführungsformenembodiments

Die bauliche Ausführung richtet sich insbesondere nach der Ausführung der Batterie-Einzelzellen.The structural design depends in particular on the execution of the battery individual cells.

Grundsätzlich sind 4 Ausführungen dargestellt, die in ihrer Funktionsweise identisch sind, deren Leistungsmerkmale jedoch geringfügig variieren. Beschrieben werden die Ausführungen als

  • • eigenständige Funktionseinheit (3)
  • • als Teil der Polverbinder (6)
  • • als Teil des Einzelzellengehäuses (9)
  • • als Batteriekappe (9)
Basically, 4 versions are shown, which are identical in their operation, but their performance varies slightly. Described are the versions as
  • • independent functional unit ( 3 )
  • As part of the pole connector ( 6 )
  • As part of the single cell housing ( 9 )
  • • as a battery cap ( 9 )

1. Einzelzellenmodul als eigenständige Funktionseinheit1. single cell module as independent functional unit

Alle Bauteile sind auf einer Leiterplatte (3) angeordnet, die Leiterplatte besitzt zwei Löcher 10, die den Abstand und Durchmesser der Einzelzellenanschlüsse besitzen.All components are on a printed circuit board ( 3 ), the circuit board has two holes 10 that have the spacing and diameter of the single cell terminals.

Die Platinen werden auf die Anschlüsse jeder Einzelzelle montiert, d.h. es sind keine weiteren Befestigungspunkte notwendig.The Circuit boards are on the connectors each individual cell is mounted, i. there are no other attachment points necessary.

Ausführungexecution

Anschlüsseconnections

Im Bereich der Befestigungslöcher 10 sind die Platinen durch Metalleinsätze z.B. Blindniete 11 verstärkt. Die Oberflächen dienen als Kontaktierung und zur Auf nahme der Schraubenkräfte. Unter dieser Anschraubfläche, die eine enge thermische Kopplung zu den Batteriepolen und damit zum Zellinneren hat, werden vorzugsweise die Temperatursensoren angeordnet 5.In the area of mounting holes 10 are the boards by metal inserts such as blind rivets 11 strengthened. The surfaces serve as a contact and to measure the screw forces. Under this Anschraubfläche, which has a close thermal coupling to the battery terminals and thus to the cell interior, preferably the temperature sensors are arranged 5 ,

Anordnung der Bauelementearrangement of the components

Steuerungsteile 4 und Leistungsteil 7 werden vorzugsweise räumlich entkoppelt. Damit ist sichergestellt, daß bei thermischen Versagen der Endstufe der Steuerungsteil nicht beschädigt wird. Die Entkopplung kann dadurch verbessert werden, in dem die Leiterplatte zwischen den Steuerungs- und Leistungsteil teilweise ausgenommen ist 12.control parts 4 and power section 7 are preferably spatially decoupled. This ensures that in case of thermal failure of the power amplifier, the control part is not damaged. The decoupling can be improved, in which the circuit board between the control and power part is partially excluded 12 ,

Sicherungfuse

Um auch beim Ausfall des Schaltelements eine Schädigung der Einzelzelle auszuschließen, ist eine Sicherung vorzusehen. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, indem ein Leiterbahnabschnitt 13 so dimensioniert wird, daß er bei Überschreiten der höchstzulässigen Stromdichte abbrennt.In order to exclude damage to the single cell even in the event of failure of the switching element, a fuse must be provided. This is preferably accomplished by providing a trace portion 13 is dimensioned so that it burns off when the maximum current density is exceeded.

2. Einzelzellenmodul als Teil der Polverbinder2. single cell module as part of the pole connector

Der Aufbau erfolgt vorzugsweise als hochintegriertes Modul 17. Die Verbindung zum Masse-Anschluß wird vorzugsweise als großflächige Verbindung ausgeführt, 14 die wiederum großflächig auf dem Untergrund (Polverbinder) aufgebracht wird. Damit ist auch eine gute thermische Kopplung zum Untergrund gewährleistet. Befestigt man die Einzelzelleneinheit an einer Stelle der Einzelzelle, die thermisch repräsentativ ist, kann der Temperatursensor 5 auf dieser Kontaktierungsfläche angeordnet werden.The structure is preferably carried out as a highly integrated module 17 , The connection to the ground terminal is preferably carried out as a large-area connection, 14 which in turn is applied over a large area of the substrate (pole connector). This ensures a good thermal coupling to the ground. Attaching the single cell unit at a location of the single cell that is thermally representative, the temperature sensor can 5 be arranged on this contact surface.

Die Massefläche 14 kann auch gleichzeitig zur Abführung der anfallenden Verlustwärme des Leistungsteils dienen. Die Temperaturerhöhung ist vom Modul im Leerlauf der Batterie durch Einschalten des Leistungstransistors bei frühzeitiger Temperaturmessung ermittelt und gespeichert worden.The ground plane 14 can also serve at the same time to dissipate the resulting heat loss of the power section. The temperature increase has been determined and stored by the module during idle operation of the battery by switching on the power transistor with early temperature measurement.

Charakteristische Temperaturen herrschen an vielen Batteriesystemen an den Anschlußpolen, da diese eine funktionsbedingt gute Verbindung zu den Elektroden besitzen.characteristic Temperatures prevail on many battery systems at the connection poles, since these have a functionally good connection to the electrodes.

Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, die Module 17 vorzugsweise auf den Verbindungslaschen 22 der einzelnen Einzelzellen anzuordnen (6).For this reason, it is proposed the modules 17 preferably on the connecting straps 22 to arrange the individual single cells ( 6 ).

Der Anbau erfolgt vorzugsweise an der zur benachbarten Einzelzelle gegenüberliegenden Seite. Damit ist eine weitgehende thermische Entkopplung zur Nachbarzelle sichergestellt.Of the Cultivation is preferably at the opposite of the adjacent single cell Page. This is a far-reaching thermal decoupling to the neighboring cell ensured.

Die Verbindung zum Pluspol wird durch eine kurze Leitung 15 dargestellt, an deren Ende ein geeigneter Kabelschuh 16 vorgesehen wird, um den Plusanschluß mit unter den entsprechenden Einzelzellenanschluß klemmen zu können.The connection to the positive pole is made by a short line 15 represented, at the end of a suitable cable lug 16 is provided in order to clamp the positive terminal with below the corresponding single cell terminal can.

Damit ergibt sich eine kompakte Einheit bestehend aus Verbindungslasche, Einzelzellenmodul sowie Anschlußleitung mit Kabelschuh. In order to results in a compact unit consisting of connecting strap, Single cell module and connection cable with cable lug.

Diese Elemente können vorzugsweise symmetrisch ausgeführt werden, so daß pro Einzelzellentyp nur eine Ausführung von Elementen notwendig ist, die sich lediglich in der logischen Adresse unterscheiden.These Elements can preferably symmetrical so that pro Single cell type only one version is necessary of elements that are only in the logical Distinguish address.

Diese Anordnung läßt sich nicht nur kostengünstig herstellen sondern minimiert auch die Lagerhaltung und ermöglicht einen sehr einfachen Austausch im Schadensfall.These Arrangement can be not only inexpensive but also minimizes the storage and allows a very easy replacement in case of damage.

3. Einzelzellenmodul als Teil des Einzelzellengehäuses3. single cell module as part of the single cell housing

Ausführungen wie beschrieben, lassen sich auch direkt auf der Außenseite des Einzelzellengehäuses befestigen.versions as described, can also be directly on the outside of the single cell housing Fasten.

Vorzugsweise kommt dabei ein Modul zum Einsatz. Das Modul kann dabei direkt in das Einzelzellengehäuse integriert werden.Preferably a module is used. The module can be directly in the single cell housing to get integrated.

4. Einzelzellenmodul als Teil einer Einzelzellenkappe4. single cell module as part of a single cell cap

Zum Schutz vor Berührung der Batterie-/Einzelzellenpole sind vorzugsweise Zellkappen 26 vorgesehen (9). To protect against contact of the battery / single cell poles are preferably cell caps 26 intended ( 9 ).

Der Austausch einzelner Zellmodule gestaltet sich durch eine Integration der Zellmodule in der aufgesteckten Zellkappe einfach. Die elektrische und thermische Kontaktierung des Einzelzellenmoduls und die Befestigung der isolierten Zellkappe geschieht vorzugsweise über die Pole.Of the Replacement of individual cell modules is achieved through integration the cell modules in the plugged cell cap easy. The electric and thermal contacting of the single cell module and attachment the isolated cell cap is preferably across the poles.

Dabei wird folgender Aufbau vorgesehen:
Die Verbindungsleitung 15 wird als Feder ausgeführt. Diese Feder ist in der Zellkappe 26 befestigt.
The following structure is provided:
The connection line 15 is executed as a spring. This spring is in the cell cap 26 attached.

Die Feder drückt über eine in der Zellkappe beweglich gelagerte Druckscheibe 27 auf die Anschlußpole der Batterie und stellt so eine elektrisch leitende Verbindung her.The spring presses over a pressure disc movably mounted in the cell cap 27 on the terminal poles of the battery and thus establishes an electrically conductive connection.

Auf einer Seite wird zwischen der federnden Verbindungsleitung 15 und dem Druckstück 27 ein Einzelzellenmodul 1 eingefügt.On one side is between the resilient connecting line 15 and the pressure piece 27 a single cell module 1 inserted.

Damit ist das Zellmodul leicht auswechselbar und ohne weitere Verbindungsleitungen sicher und geschützt in der Zellkappe untergebracht.In order to The cell module is easily interchangeable and without further connecting lines safe and protected housed in the cell cap.

Der Zentraleinheit ist die Meß- und Steuerzentrale des Batterieüberwachungssystems.Of the Central unit is the measuring and control center of the battery monitoring system.

Die Zellmodule werden vorzugsweise in einem festen Zeitraster angesprochen und melden die Zelldaten zurück.The Cell modules are preferably addressed in a fixed time grid and return the cell data.

Die Zentraleinheit 3 verdichtet die Daten und legt eine Einzelzellenstatistik über der Batterielebensdauer an.The central unit 3 compresses the data and applies single cell statistics over battery life.

Diese Werte, verglichen mit einem ebenfalls abgespeicherten Zellkennfeld (FT, Q, I, V, ...), leiten die Steuersignale her, die an das jeweilige Einzelzellenmodul übertragen werden. Der Leistungsschalter des Moduls wird aktiviert und ermöglicht so eine individuelle Aufladung der Einzelzelle.These values, compared with a likewise stored cell map (F T, Q, I, V,... ), Derive the control signals which are transmitted to the respective single-cell module. The circuit breaker of the module is activated, allowing individual charging of the single cell.

Die frühzeitige Erkennung von stark streuenden Zellparameter mittels der Batteriestatistik erlaubt eine rechtzeitige Meldung über die Diagnoseschnittstelle beim Ser vice. Die Wartung und ein evtl. nötiger Zellaustausch werden so rechtzeitig erkannt ohne Ausfall der Batterie im Fahrzeug. Die Zentraleinheit gibt die Zellnummer der defekten Einzelzelle an der Diagnose aus.The early Detection of strongly scattering cell parameters using the battery statistics allows a timely message via the diagnostic interface at the service. The maintenance and a possibly necessary cell replacement will be Detected in time without battery failure in the vehicle. The Central unit indicates the cell number of the defective single cell at the diagnosis out.

Der Zentraleinheit überwacht die Ladung und die Entladung der Batterie. Die Ladung und Entladung wird auf die schwächste Einzelzelle angepaßt, so daß die natürliche Toleranz der Zellen über der Lebensdauer erhalten bleibt. Bei der Entladung wird abhängig vom Ladezustand und der Temperatur der Einzelzelle, bei Unter- oder Überschreiten einer in den Kennfeldern vorgegebenen Maximalgröße ein Signal zur Leistungsreduzierung an den Verbraucher gegeben. Die Bypass-Stromeinschaltung, die von der Zentraleinheit gesteuert wird, erfolgt vor zugsweise in zeitkonstanten Blöcken je Zelle. Die Bilanzierung der netto in die Zellen eingeladenen Ah wird dadurch ohne große analytischen Aufwand präzise. Die Batterieladezustandsanzeige, die von der ladungsmäßig kleinsten Zelle abzuleiten ist, gewinnt dadurch an Genauigkeit („Tankanzeige").Of the Central unit monitored the charge and the discharge of the battery. The charge and discharge becomes the weakest Individual cell adapted, So that the natural Tolerance of the cells over the Life is preserved. When discharging depends on State of charge and the temperature of the single cell, when undershooting or exceeding a predetermined maximum size in the maps a signal for power reduction given to the consumer. The bypass power on, by the Central unit is controlled, preferably before in time constants blocks per cell. The balance of the net invited to the cells Ah will be without big analytical effort precise. The battery charge indicator, the smallest in terms of charge Derive cell is thereby gaining accuracy ("fuel gauge").

Die Einzelzelleneinheit enthält vorzugsweise einen nichtflüchtigen Speicher (EEPROM), dem bei der Batteriekonfiguration die Zelladresse programmiert wird. Die Adresse entspricht vorzugsweise der Einzelzellennummer. Es können bei Bedarf aber auch andere Daten wie Fertigungsdaten oder ähnliches abgelegt werden. Innerhalb einer Batterie muß die Adressierung der Einzelzelleneinheit eindeutig sein.The Single cell unit contains preferably a non-volatile Memory (EEPROM), which in the battery configuration the cell address is programmed. The address preferably corresponds to the single cell number. It can If required, but also other data such as manufacturing data or the like be filed. Inside a battery must be the addressing of the single cell unit to be clearly.

Im Datenverkehr hat die Zentraleinheit 3, (1) die Master-Funktion, die Module 1 haben Slave-Funktion.In the data traffic has the central unit 3 , ( 1 ) the master function, the modules 1 have slave function.

Die Zentraleinheit spricht zyklisch jeweils einen Slave an, nimmt die Kommunikation auf und empfängt die aktuellen Meßwerte oder Störungsmeldungen der Module und sendet Steuerbefehle an die jeweiligen Module.The Central unit responds cyclically to one slave each, takes the Communication on and receives the current measured values or fault messages the modules and sends control commands to the respective modules.

Die Datenübertragung erfolgt mittels eines hochfrequenten modulierten Signals, das auf der Stromleitung 2 übertragen wird.The data transmission takes place by means of a high-frequency modulated signal, which is on the power line 2 is transmitted.

Zentraleinheit und Module koppeln die hochfrequenten Informationen auf gebräuchliche Art und Weise z.B. kapazitiv oder induktiv auf die Gleichspannungs schiene ein. Denkbar, und vor allem kostengünstiger, kann für die Übertragung der Signale von den einzelnen Modulen zur Zentraleinheit auch eine einzelne als Busleitung fungierende Verbindung zur Zentraleinheit verwendet werden, die am Batteriestecker über einen zusätzlichen Hilfspin geführt wird.central processing unit and modules couple the high-frequency information to common ones Fashion e.g. Capacitive or inductive to the DC rail one. Conceivable, and above all, more cost-effective, can be used for transmission the signals from the individual modules to the central unit also one single connection acting as bus line to the central unit used on the battery connector via an additional Auxiliary pin is guided.

Die Zentraleinheit 3 sammelt alle Daten aus den einzelnen Modulen 1, speichert diese und bereitet die Daten weiter auf wie z.B. Mittelwertbildung oder Verknüpfung von Daten zur Diagnose. In der Zentraleinheit werden alle physikalischen Meßgrößen statistisch ausgewertet und gespeichert.The central unit 3 collects all data from the individual modules 1 , stores them and further processes the data such as averaging or linking data to the diagnosis. In the central unit, all physical measured variables are statistically evaluated and stored.

Die Zentraleinheit kennt dadurch die Zellparameter und lädt die Einzelzellen bedarfsgerecht und individuell verschieden auf.The Central unit knows thereby the cell parameters and loads the single cells as required and individually different.

Alle aufbereiteten Daten können online oder offline anderen Systemen z.B. Verbrauchern, Energiemanagementsystemen oder Batterieladegeräten (extern/intern) zur Verfügung gestellt werden. Die Datenübertragung kann dabei sowohl über eine serielle 17 als auch über eine parallele Schnittstelle 18 beliebiger Konfiguration oder moduliert über die Stromleitungen erfolgen.All processed data can be made available online or offline to other systems, eg consumers, energy management systems or battery chargers (external / internal). The data transmission can be both via a serial 17 as well as via a parallel interface 18 any configuration or modulated over the power lines done.

Off-Line können z.B. Diagnosedaten an ein stationäres Diagnosegerät übertragen werden.Offline can e.g. Transfer diagnostic data to a stationary diagnostic device become.

Geladen wird die Batterie durch ein Ladegerät. Normalerweise wird, durch die Reihenschaltung bedingt, jede Einzelzelle eines Stranges mit der gleichen Ladungsmenge beaufschlagt. Parallelschaltung von Strängen oder durch Toleranzen unterschiedlicher Zellgrößen, ergeben unterschiedliche Ladezustände der Einzelzellen. Bekannte Systeme können mittels je einer zusätzlichen Leitung eine Einzelzelle oder einen Zellblock nachladen.loaded the battery is powered by a charger. Normally, through the series circuit requires, each single cell of a strand with the same amount of charge applied. Parallel connection of strands or due to tolerances of different cell sizes, different results Power Levels of the single cells. Known systems can each by means of an additional Recharge a single cell or a cell block.

Um den Aufwand zu minimieren, wird eine Lösung mittels eines Bypass-Stromes vorgeschlagen (8).In order to minimize the effort, a solution by means of a bypass current is proposed ( 8th ).

Der Gesamtstrom 19, der in die Batterie eingespeist wird und durch alle Einzelzellen eines Stranges fließt, kann über jeder Einzelzelle aufgeteilt werden. Dazu dient ein Bypass-Element 7, das Teil des Einzelzellenmoduls ist.The total current 19 , which is fed into the battery and flows through all the single cells of a strand, can be divided over each individual cell. This is done by a bypass element 7 which is part of the single cell module.

Damit kann ein bestimmter Teil der Ladung 20 an jeder einzelne Einzelzelle vorbeigeleitet werden. Das bewirkt, daß Einzelzellen mit geringerem Ladungsbedarf weniger Ladung 21 bekommen, Einzelzellen mit hohem Bedarf jedoch die volle Ladung.This allows a certain part of the charge 20 be guided past each individual cell. This causes single cells with less charge need less charge 21 single cells with high demand but the full charge.

Je nach Anforderung und Batterietyp können zwei unterschiedliche Systeme eingesetzt werden, deren Funktion die gleiche ist, die sich jedoch im Aufbau und der Betriebsweise des Leistungsteils unterscheiden.ever according to requirement and battery type can be two different Systems are used whose function is the same however, differ in the structure and operation of the power unit.

Im Bypass-Pfad sind ein Schalter 23, (10) z.B. ein Transistor und ein Widerstand 24 angeordnet 9a. Der Schalter ist entweder geöffnet oder geschlossen. Im geschlossenen Zustand wird der Strom durch den Widerstand begrenzt. Eine Leistungssteuerung ist mittels Takten des Schalters möglich.In the bypass path are a switch 23 , ( 10 ) eg a transistor and a resistor 24 disposed 9a , The switch is either open or closed. When closed, the current is limited by the resistor. A power control is possible by means of clocking the switch.

Ist eine Einzelzelle weitgehend vollgeladen, kann ein Teil der Ladung an der Einzelzelle vorbeigeführt werden, d.h. eine Einzelzelle wird im Vergleich mit anderen Einzelzellen weniger geladen, d.h. die Einzelzellen erreichen zum gleichen Zeitpunkt den gewünschten Ladezustand. Alternative: An Einzelzellen mit geringerer Kapazität wird ebenso ein Teil des Ladestromes über den Bypass vorbeigeleitet. Dadurch erreichen diese das Ladeende nicht vor sondern auch idealerweise gleichzeitig mit den schwächeren Einzelzellen. Da die Erkennung des aktuellen Ladezustands mitunter schwierig ist, kann vorteilhaft ein selbstlernendes System zur Anwendung kommen.is a single cell largely fully charged, may be part of the charge passed the single cell are, i. a single cell is compared with other single cells less charged, i. the single cells reach at the same time the wished State of charge. Alternative: Single cells with lower capacity will also a part of the charging current over bypassed the bypass. As a result, they reach the end of loading not before but also ideally simultaneously with the weaker single cells. Since detecting the current state of charge is sometimes difficult, Advantageously, a self-learning system can be used.

Beim ersten Ladevorgang wird vom System festgestellt, welche Einzelzellen mehr oder weniger Ladung benötigen. Diese Information wird gespeichert. Beim darauf folgenden Ladevorgang werden die Einzelzellen, die weniger Ladung speichern können, schon frühzeitig mit weniger Strom beaufschlagt, d.h. die Bypass-Leitung wird früher geöffnet.At the The first charging process is determined by the system, which single cells need more or less charge. This information is saved. During the subsequent charging process The single cells, which can store less charge, already early with less power, i. the bypass line opens earlier.

Dieser "Lernvorgang" wird bei jeder Ladung wiederholt und aktualisiert, nach einigen Durchläufen kann mit guter Genauigkeit ein gleichmäßiges Ladeende aller Einzelzellen erreicht werden.This "learning process" is repeated with each load and updated, after a few passes can with good accuracy a uniform loading end all individual cells can be achieved.

Beim Entladen der Batterie übernehmen die Module nur die Erfassung der Meßgrößen die im Zentraleinheitsteuergerät zur Bildung der Abbuchkriterien bei entladener Batterie benötigt werden.At the Discharge the battery the modules only the detection of the measured variables in the central unit control unit for education the Abbuchkriterien be required with discharged battery.

Bypass-Element mit aktiver StromregelungBypass element with active current control

In dieser Ausführung ist im Bypass-Zweig lediglich ein aktives Bauteil 25 vorgesehen (Widerstand entfällt), mit dem der Strom geregelt werden kann.In this embodiment, only one active component is in the bypass branch 25 provided (resistor is omitted), with which the current can be regulated.

Vorteil dieser Lösung ist, eine kostenpotimale Ausführung der zahlreichen Module. Im Versagensfall kann dieses Bauteil einen Kurzschluß der Zelle darstellen, der eine Sicherung in der Zuleitung zu diesem Bauteil zum Ansprechen bringt. Damit kann sichergestellt werden, daß sich die Einzelzelle nach Versagen des Schalters nicht selbst entladen kann. Das Freiwerden der Zelle im Fehlerfall des Leistungsgliedes 25 durch „Freibrennen" geschieht dabei während des Ladens oder Entladens. Der Stromimpuls wird dabei einer der Traktionszellen entnommen.The advantage of this solution is a cost-effective design of the numerous modules. In case of failure, this component may represent a short circuit of the cell, which brings a fuse in the lead to this component to respond. This can ensure that the single cell can not discharge itself after failure of the switch. The release of the cell in case of failure of the power element 25 By "burning free" happens during charging or discharging, the current pulse is taken from one of the traction cells.

Claims (11)

Batterie mit mehreren hintereinander geschalteten Einzelzellen, die über eine gemeinsame Stromleitung zum Laden der Zellen miteinander verbunden sind, mit Einzelzellen-Modulen, die jeweils den Zustand der Einzelzellen überwachen und zur Aufnahme und Umsetzung eines individuellen Ladesignals geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitung zur Übertragung von Zustandsprotokollen der Einzelzellen an die Zentraleinheit und der individuellen Ladesignale von der Zentraleinheit zu den Einzelzellen einsetzbar ist und die Einzelzellen-Module aus der jeweiligen Einzelzelle heraus mit elektrischer Energie versorgt sind.Battery having a plurality of individual cells connected in series, which are connected to one another via a common power line for charging the cells, with single-cell modules, each of which monitor the state of the individual cells and are suitable for receiving and implementing an individual charging signal, characterized in that the power line to Transmission of status logs of the individual cells to the central unit and the individual charging signals from the central unit to the individual cells can be used and the individual cell modules are supplied from the respective single cell out with electrical energy. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Module eine Bypassleitung aufweisen, die durch eine Steuereinheit der Module steuerbar ist und die individuelle Ladung durch Teilstromumleitung steuert.Battery according to claim 1, characterized that the modules have a bypass line through a control unit the module is controllable and the individual charge by partial flow diversion controls. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung ein Sicherungselement angeordnet ist.Battery according to Claim 2, characterized in that a securing element is arranged in the bypass line. Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement eine Schmelzsicherung ist.Battery according to Claim 3, characterized that the fuse element is a fuse. Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Module eine Leistungseinheit aufweisen, die durch die jeweilige Steuereinheit gesteuert ist.Battery according to one of Claims 2 to 4, characterized that the modules have a power unit, which by the respective Control unit is controlled. Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit, die Leistungseinheit, die Bypassleitung und ggf. das Sicherungselement eine Baueinheit bilden.Battery according to one of claims 2 to 5, characterized in that the control unit, the Power unit, the bypass line and possibly the fuse element form a structural unit. Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit auf einer gemeinsamen Platine sitzt.Battery according to Claim 6, characterized that the assembly sits on a common board. Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine zwischen den Polen der Einzelzellen angeordnet ist.Battery according to Claim 7, characterized that the board is placed between the poles of the single cells is. Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit in der Zellenpolkappe untergebracht ist.Battery according to Claim 6, characterized that the unit is housed in the Zellenpolkappe. Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit im Zellgehäuse, vorzugsweise in einer Kammer hermetisch dicht über dem Elektrolyt zwischen den Zellpolen angeordnet ist.Battery according to Claim 6, characterized that the unit in the cell housing, preferably in a chamber hermetically sealed above the electrolyte between the cell poles is arranged. Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit auf die Zellverbinder geschraubt ist und die Bypassleitung am jeweils anderen Zellpol befestigt ist.Battery according to Claim 6, characterized that the unit is screwed onto the cell connectors and the bypass line attached to the other cell pole.
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