DE19545833B4 - Battery with several single cells connected in series - Google Patents
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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.
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
Eine
derartige Möglichkeit
besteht bei einer mikrokontroller-gesteuerten Einrichtung zur Analyse des
Ladezustands und zum Laden einer mehrzelligen Batterie, wie sie
aus der
In
diesem Zusammenhang ist es aus der
Ferner
ist aus der
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.
Die
in
Die
Module
Die
von den Modulen
Das
Einzelzellenmodul (
- • Datenaustausch zur Zentraleinheit
- • Messung der Einzelzellenparameter (Zelltemperatur, Zellspannung, ...)
- • Steuerung des Leistungsteils
- • 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).
- • 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
- • 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
Die
Leistungseinheit
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
Die
Spannungsversorgung
Aufgabe
dieses Systemteils ist es, die Spannung auf das erforderliche Niveau
anzuheben und zu stabilisieren. Weiter soll eine gewisse Energiemenge
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 )
- • 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 (
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
Anordnung der Bauelementearrangement of the components
Steuerungsteile
Sicherungfuse
Um
auch beim Ausfall des Schaltelements eine Schädigung der Einzelzelle auszuschließen, ist eine
Sicherung vorzusehen. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, indem
ein Leiterbahnabschnitt
2. Einzelzellenmodul als Teil der Polverbinder2. single cell module as part of the pole connector
Der
Aufbau erfolgt vorzugsweise als hochintegriertes Modul
Die
Massefläche
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
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
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
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
The connection line
Die
Feder drückt über eine
in der Zellkappe beweglich gelagerte Druckscheibe
Auf
einer Seite wird zwischen der federnden Verbindungsleitung
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
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
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
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
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
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 (
Der
Gesamtstrom
Damit
kann ein bestimmter Teil der Ladung
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
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
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
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