Vorrichtung und Verfahren zur Messung einer extremalen Temperatur

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur

Messung einer extremalen Temperatur unter einer Vielzahl von Temperaturen, und insbesondere eine Vorrichtung zur Messung der maximalen Temperatur unter den Temperaturen der Batteriezellen einer Batterie, sowie ein

Batteriemanagementsystem mit einer solchen Vorrichtung, eine Batterie mit einer solchen Vorrichtung oder einem solchen Batteriemanagementsystem und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.

Stand der Technik

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann. So werden beispielsweise bei Wndkraftanlagen Batterien eingesetzt, um bei starkem Wnd die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen.

Typischerweise wird heute bei Lithium-Ionen-Batterien die Spannung jeder Zelle einzeln überwacht. Dies geschieht durch Clusterung der einzelnen Zellen zu Modulen und Einsatz einer Überwachungseinheit in Form einer integrierten Schaltung, welche die Zellspannungen misst und über einen

Kommunikations-Bus an eine zentrale Steuereinheit sendet, welche daraus den Zustand (Ladezustand, Alterung, ...) der einzelnen Zellen berechnet. Zugleich werden in der Regel Temperatursensoren an mehreren Zellen innerhalb eines Batteriestrangs angebracht, um die Temperatur der Zellen zu überwachen.

Hierbei ist von besonderer Bedeutung, dass keine der Zellen eine bestimmte Maximaltemperatur überschreitet.

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Typischerweise werden als Temperatursensoren Heißleiter, das heißt Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstände) verwendet. Dabei gibt der Temperaturkoeffizient die relative Änderung des elektrischen Widerstands mit der Temperatur an, das heißt bei negativem

l o Temperaturkoeffizienten sinkt der Wderstand mit steigender Temperatur.

Figur 1 zeigt ein Schaltbild für eine Vorrichtung zur Messung der Temperaturen von Batteriezellen 1 1-1 , 11-n einer Batterie 10 nach dem Stand der Technik. Die Temperaturen der in Reihe geschalteten Batteriezellen 1 1-1 , 11-n werden jeweils mit Hilfe von Spannungsteilern 12-1 , 12-n gemessen, die jeweils aus einem festen Widerstand 13-1 , 13-n und einem Wderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten 14-1 , 14-n bestehen, wobei der Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten 14-1 , 14-n jeweils an der Batteriezelle 1 1-1 , 11-n angebracht ist, so dass er im Wesentlichen dieselbe Temperatur

20 aufweist wie diese. Analog-Digital-Wandler 15-1 , 15-n messen jeweils die

Teilungsverhältnisse, in denen die Spannungsteiler 12-1 , 12-n die angelegten Spannungen 16-1 , 16-n teilen, und geben entsprechende digitale Signale 17-1 , 17-n aus, aus denen jeweils auf die Temperaturen der Wderstände mit negativem Temperaturkoeffizienten 14-1 , 14-n, und damit die der Batteriezellen 1 1-1 , 11-n, zurückgeschlossen werden kann.

Zur Bestimmung der maximalen Temperatur unter den Temperaturen der Batteriezellen 1 1-1 , 11-n ist also bei dieser Vorrichtung nach dem Stand der Technik eine Analog-Digital-Wandlung der temperaturabhängigen Signale mit 3 o anschließendem digitalen Vergleich der Temperaturwerte zur Ermittlung der maximalen Temperatur erforderlich.

Offenbarung der Erfindung

35 Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Messung der extremalen Temperatur unter den Temperaturen einer Vielzahl von Temperatursensoren zur Verfügung gestellt, wobei ein erster Temperatursensor dazu ausgelegt ist, einen Strom zu führen, der seiner Temperatur entspricht, und der (k+1)-te Temperatursensor jeweils dazu ausgelegt ist, den größeren eines Stromes, der seiner Temperatur entspricht, und des Stromes, den der k-te Temperatursensor führt, zu führen.

Hier und im Folgenden durchläuft die ganze Zahl k jeweils sämtliche Werte von 1 bis zu einem maximalen Wert, wobei der maximale Wert bei Aussagen, in denen der Ausdruck k+1 vorkommt, um eins geringer ist als die Anzahl der

Temperatursensoren, und wobei der maximale Wert bei Aussagen, in denen nur die Zahl k und nicht der Ausdruck k+1 vorkommt, gleich der Anzahl der

Temperatursensoren ist.

Die extremale Temperatur kann entweder die maximale Temperatur oder die minimale Temperatur sein. Die Relation zwischen Strömen und Temperaturen ist für alle Temperatursensoren dieselbe.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die extremale Temperatur die maximale Temperatur, und die Temperatursensoren sind jeweils Wderstände mit negativem Temperaturkoeffizienten. Vorzugsweise ist die

Temperaturabhängigkeit R(T) des elektrischen Wderstands der

Temperatursensoren für alle Temperatursensoren jeweils dieselbe. In diesem Fall kann durch die Wahl einer Referenzspannung U _Ref für alle

Temperatursensoren gemäß der Gleichung I = U _Ref / R (T) dieselbe Relation zwischen Temperatur und Strom hergestellt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, mittels verschiedener Temperaturabhängigkeiten des elektrischen

Widerstands und verschiedener Referenzspannungen für alle

Temperatursensoren dieselbe Relation zwischen Temperatur und Strom herzustellen. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner eine Vielzahl von ersten

Verstärkerschaltungen, wobei jede der ersten Verstärkerschaltungen einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang aufweist und derart ausgelegt ist, dass sich ein Strom von dem zweiten Eingang zu dem Ausgang derart einstellt, dass das elektrische Potential des ersten Eingangs mindestens gleich dem elektrischen Potential des zweiten Eingangs ist. Die Anzahl der ersten Verstärkerschaltungen ist dabei vorzugsweise gleich der Anzahl der Temperatursensoren.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner eine Vielzahl von zweiten

Verstärkerschaltungen, wobei jede der zweiten Verstärkerschaltungen einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang aufweist und derart ausgelegt ist, dass sich ein Strom von dem Ausgang zu dem zweiten Eingang derart einstellt, dass das elektrische Potential des zweiten Eingangs mindestens gleich dem elektrischen Potential des ersten Eingangs ist. Die Anzahl der zweiten Verstärkerschaltungen ist dabei vorzugsweise um eins geringer als die Anzahl der Temperatursensoren. Sind lediglich zwei Temperatursensoren vorgesehen, so umfasst die Vorrichtung statt einer Vielzahl von zweiten

Verstärkerschaltungen vorzugsweise nur eine zweite Verstärkerschaltung.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jede der Verstärkerschaltungen einen Operationsverstärker und einen Transistor, wobei jeweils der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers den ersten Eingang der Verstärkerschaltung bildet, der invertierende Eingang des Operationsverstärkers den zweiten Eingang der Verstärkerschaltung bildet, ein erster Anschluss des Transistors mit dem zweiten Eingang der Verstärkerschaltung verbunden ist, ein zweiter Anschluss des Transistors den Ausgang der Verstärkerschaltung bildet und der Steueranschluss des Transistors mit dem Ausgang des

Operationsverstärkers verbunden ist.

Die Vorrichtung kann eine Vielzahl von Referenzspannungsquellen umfassen, wobei vorzugsweise alle Referenzspannungsquellen jeweils dieselbe

Referenzspannung bereitstellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Eingang der k-ten ersten Verstärkerschaltung jeweils mit einem ersten Anschluss der k-ten Referenzspannungsquelle verbunden, der zweite Eingang der k-ten ersten Verstärkerschaltung jeweils mit einem ersten Anschluss des k-ten

Temperatursensors verbunden, ein zweiter Anschluss des ersten

Temperatursensors mit einem zweiten Anschluss der ersten

Referenzspannungsquelle verbunden, ein zweiter Anschluss des (k+1)-ten Temperatursensors jeweils mit dem Ausgang der k-ten ersten Verstärkerschaltung und dem zweiten Eingang der k-ten zweiten

Verstärkerschaltung verbunden und der zweite Anschluss der (k+1)-ten

Referenzspannungsquelle jeweils mit dem ersten Eingang der k-ten zweiten Verstärkerschaltung verbunden.

Bevorzugt ist, dass die Temperatursensoren jeweils an den Batteriezellen eines Batteriestrangs einer Batterie angebracht sind. Dabei ist unter einem

Batteriestrang eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen zu verstehen. Vorzugsweise ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der erste Anschluss der k-ten Referenzspannungsquelle und der erste Eingang der k-ten ersten Verstärkerschaltung jeweils mit dem Minuspol der k-ten Batteriezelle verbunden, und der Pluspol der (k+1)-ten Batteriezelle ist jeweils mit dem Ausgang der k-ten zweiten Verstärkerschaltung verbunden.

Die Erfindung stellt ferner ein Batteriemanagementsystem mit einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung, eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrisches Kraftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Batterie bereit.

Ferner stellt die Erfindung ein Verfahren zur Messung der extremalen

Temperatur unter einer Vielzahl von Temperaturen bereit, wobei ein erster Strom hervorgerufen wird, der einer ersten Temperatur entspricht, und weitere Ströme hervorgerufen werden, wobei jeweils der (k+1)-te Strom der größere des k-ten Stromes und eines Stromes, der der (k+1)-ten Temperatur entspricht, ist.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen

nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild für eine Vorrichtung zur Messung der Temperat

Batteriezellen einer Batterie nach dem Stand der Technik, und Figur 2 ein Schaltbild für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der maximalen Temperatur unter den Temperaturen der Batteriezellen einer Batterie.

Die in Figur 2 gezeigte Batterie 20 umfasst einen Batteriestrang aus

Batteriezellen 21-1 , 21-2, die in Reihe geschaltet sind. An den Batteriezellen

21- 1 , 21-2, deren Temperatur erfasst werden soll, sind als

Temperatursensoren jeweils Heißleiter 22-1 , 22-2, ... angebracht, die jeweils von Referenzspannungsquellen 23-1 , 23-2, ... mit Strom versorgt werden. Die Heißleiter 22-1 , 22-2, ... weisen jeweils dieselbe Temperaturabhängigkeit R(T) des elektrischen Widerstandes auf. Die Referenzspannungsquellen 23-1 , 23-2, ... stellen jeweils dieselbe Referenzspannung U _Ref bereit. Dabei ist jeweils ein erster Anschluss der Referenzspannungsquellen 23-1 , 23-2, ... mit dem Minuspol der entsprechenden Batteriezelle 21-1 , 21-2, ... verbunden. Ein erster Anschluss der Heißleiter 22-1 , 22-2, ... wird jeweils über eine Verstärkerschaltung 24-1 , 24-2, ... dynamisch auf dem elektrischen Potential des Minuspols der zugehörigen Batteriezelle 21-1 , 21-2, ... gehalten.

Die Verstärkerschaltungen 24-1 , 24-2, ... bestehen jeweils aus einem

Operationsverstärker 25-1 , 25-2, ... und einem pnp-Transistor 26-1 , 26-2, die in Gegenkopplung so verschaltet sind, dass sich der Strom vom Emitter zum Kollektor des pnp-Transistors 26-1 , 26-2, ... jeweils so einstellt, dass das elektrische Potential des nicht invertierenden Eingangs des

Operationsverstärkers 25-1 , 25-2, ... jeweils mindestens gleich dem elektrischen Potential des invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 25-1 , 25-2, ... ist. Da die pnp-Transistoren 26-1 , 26-2, ... beim Betrieb der Schaltung nicht sperren, werden die beiden Eingänge der Operationsverstärker 25-1 , 25-2, ... jeweils auf demselben elektrischen Potential gehalten.

Der nicht invertierende Eingang der Operationsverstärker 25-1 , 25-2, ... ist jeweils mit dem Minuspol der entsprechenden Batteriezelle 21-1 , 21-2, ... sowie mit dem ersten Anschluss der entsprechenden Referenzspannungsquelle 23-1 , 23-2, ... verbunden. Der invertierende Eingang der Operationsverstärker 25-1 , 25-2, ... ist jeweils mit dem ersten Anschluss des entsprechenden Heißleiters

22- 1 , 22-2, ... verbunden. Ein zweiter Anschluss der ersten Referenzspannungsquelle 23-1 ist mit einem zweiten Anschluss des ersten Heißleiters 22-1 verbunden. Dementsprechend fließt durch den Heißleiter 22-1 ein Strom = U _Ref / Ri , wobei den

temperaturabhängigen elektrischen Widerstand des Heißleiters 22-1 bezeichnet. Da ein zweiter Anschluss der übrigen Heißleiter 22-2, ... jeweils mit dem

Ausgang der vorangehenden ersten Verstärkerschaltung 24-1 , 24-2, ...

verbunden ist, wird dieser Strom durch den pnp-Transistor 26-1 an den nächsten Heißleiter 22-2 weitergeleitet. Entscheidend ist nun, dass der zweite Anschluss der übrigen Heißleiter 22-2, ... außerdem jeweils mit dem zweiten Eingang einer weiteren Verstärkerschaltung 27-1 , ... verbunden ist. Diese weiteren Verstärkerschaltungen 27-1 , ... bestehen jeweils aus einem Operationsverstärker 28-1 , ... und einem npn-Transistor 29-1 , die in Gegenkopplung so verschaltet sind, dass sich der Strom vom Kollektor zum Emitter des npn-Transistors 29-1 , ... jeweils so einstellt, dass das elektrische

Potential des invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 28-1 , ... jeweils mindestens gleich dem elektrischen Potential des nicht invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 28-1 , ... ist. Abhängig von den Temperaturen und somit den elektrischen Widerständen der beiden Heißleiter 22-1 und 22-2 sind nun zwei Fälle zu unterscheiden. Ist die Temperatur der Batteriezelle 21 -1 , und damit die des Heißleiters 22-1 , höher als die Temperatur der Batteriezelle 21 -2, und damit die des Heißleiters 22-2, so ist der elektrische Wderstand des Heißleiters 22-1 , kleiner als der elektrische Widerstand des Heißleiters 22-2, R ₂ . In diesem Fall fließt der Strom über den

Heißleiter 22-2 und den pnp-Transistor 26-2 weiter nach unten. Die Spannung über dem Heißleiter 22-2 ist in diesem Fall größer als die Referenzspannung U _Re f. Daher sperrt der npn-Transistor 29-1 und speist keinen zusätzlichen Strom in den Heißleiter 22-2 ein, so dass der Strom l ₂ , der durch den Heißleiter 22-2 fließt, in diesem Fall gleich dem Strom ist, der durch den Heißleiter 22-1 fließt.

Ist dagegen die Temperatur der Batteriezelle 21 -1 , und damit die des Heißleiters 22-1 , niedriger als die Temperatur der Batteriezelle 21 -2, und damit die des Heißleiters 22-2, so ist der elektrische Widerstand des Heißleiters 22-1 , R^ größer als der elektrische Wderstand des Heißleiters 22-2, R ₂ . In diesem Fall würde der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 28-1 auf niedrigerem elektrischen Potential liegen als der nicht invertierende Eingang des

Operationsverstärkers 28-1 , wenn durch den Heißleiter 22-2 lediglich der Strom fließen würde. Daher wird in diesem Fall über den nicht gesperrten

npn-Transistor 29-1 so viel Strom zusätzlich in den Heißleiter 22-2 gespeist, dass wiederum die Referenzspannung U _Re f an dem Heißleiter 22-2 abfällt und die beiden Eingänge des Operationsverstärkers 28-1 auf demselben elektrischen Potential liegen. Der Strom l ₂ durch den Heißleiter 22-2 und den pnp-Transistor 26-2 beträgt in diesem Fall l ₂ = U _Re f / Ra _¬ insgesamt gilt also l ₂ = max ( , U _Re f / R ₂ ), das heißt, der Strom l ₂ entspricht der höheren der beiden Temperaturen der beiden Heißleiter 22-1 und 22-2, und damit der beiden Batteriezellen 21-1 und 21-2.

Eine entsprechende Betrachtung zeigt, dass der Strom durch jeden weiteren Heißleiter (nicht gezeigt) jeweils entweder gleich dem Strom durch den vorangehenden Heißleiter ist oder der Temperatur des besagten weiteren Heißleiters entspricht. Daraus ergibt sich durch vollständige Induktion, dass der Strom durch jeden der Heißleiter 22-1 , 22-2, ... jeweils der maximalen

Temperatur unter den Temperaturen des besagten Heißleiters und aller vorangehenden Heißleiter entspricht. Insbesondere folgt, dass der Strom durch den letzten Heißleiter in der Kette der maximalen Temperatur unter den

Temperaturen sämtlicher Heißleiter entspricht, und damit der gesuchten maximalen Temperatur unter den Temperaturen sämtlicher Batteriezellen.

Das Prinzip der Erfindung ist oben für den in der Praxis besonders relevanten Fall der Bestimmung der maximalen Temperatur unter einer Vielzahl von Temperaturen dargestellt worden. Es versteht sich, dass sich dieses Prinzip ebenso auf den Fall der Bestimmung der minimalen Temperatur unter einer Vielzahl von Temperaturen anwenden lässt, indem statt der Heißleiter Kaltleiter, das heißt Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten

(PTC-Widerstände) verwendet werden. In diesem Fall entspricht der Strom durch jeden der Kaltleiter jeweils der minimalen Temperatur unter den Temperaturen des besagten Kaltleiters und aller vorangehenden Kaltleiter, und der Strom durch den letzten Kaltleiter in der Kette entspricht der minimalen Temperatur unter den Temperaturen sämtlicher Kaltleiter. Ebenso ist für den Fachmann ersichtlich, dass sich statt der an einem Ende des Batteriestrangs beginnenden Kaskade unter entsprechender Umkehrung der Polaritäten der Operationsverstärker und Transistoren ebenso eine an dem anderen Ende des Batteriestrangs beginnende Kaskade aufbauen lässt, die nach demselben Prinzip eine minimale oder maximale Temperatur unter einer Vielzahl von Temperaturen ermittelt.

Die oben beschriebene Vorrichtung kann als Teil eines

Batteriemanagementsystems eingesetzt werden, das die maximale Temperatur der Batteriezellen einer Batterie überwacht und die Batteriezellen gegen

Überhitzung schützt. Ein solches Batteriemanagementsystem kann als Teil einer Batterie, insbesondere einer in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Batterie, verwendet werden.