DE102022002080B3 - Battery for a vehicle electrical system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batterie (6, 7), umfassend einen Zellenstapel (10) aus mehreren in Reihe geschalteten galvanischen Einzelzellen, der über einen Ladeschutzschalter (13) und einen Entladeschutzschalter (14) mit dem Bordnetz (21, 24) verbindbar ist, einen ersten Microcontroller (15) und einen zweiten Microcontroller (17), die voneinander unabhängig zur Überwachung von Daten einschließlich Strömen, Spannungen und Temperaturen des Zellenstapels (10) konfiguriert sind, wobei beide Microcontroller (15, 17) jeweils einen Aktivierungsausgang (CCB) für das Öffnen des Ladeschutzschalters (13) aufweisen, wobei beide Microcontroller (15, 17) jeweils einen Aktivierungsausgang (DCB) für das Öffnen des Entladeschutzschalters (14) aufweisen, wobei der zweite Microcontroller (17) unterschiedlich zum ersten Microcontroller (15) ausgebildet ist, wobei die Aktivierungsausgänge (CCB) für das Öffnen des Ladeschutzschalters (13) über ein ODER-Glied (18) logisch miteinander verknüpft und mit dem Ladeschutzschalter (13) verbunden sind, wobei die Aktivierungsausgänge (DCB) für das Öffnen des Entladeschutzschalters (14) über ein weiteres ODER-Glied (19) logisch miteinander verknüpft und zusätzlich über ein Verzögerungsglied (20) mit dem Entladeschutzschalter (14) verbunden sind, so dass dieser nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung öffnet, wenn zumindest einer der beiden Microcontroller (15, 17) anhand der von ihm ermittelten Daten entscheidet, dass der Entladeschutzschalter (14) zu öffnen ist, wobei das Verzögerungsglied (20) über ein weiteres ODER-Glied (22) mit dem Entladeschutzschalter (14) verbunden ist, wobei die Aktivierungsausgänge (DCB) der beiden Microcontroller (15, 17) für das Öffnen des Entladeschutzschalters (14) ferner über ein UND-Glied (23) miteinander logisch verknüpft sind, dessen Ausgang ebenfalls auf das weitere ODER-Glied (22) gelegt ist, so dass der Entladeschutzschalter (14) entweder sofort öffnet, wenn beide Microcontroller (15, 17) anhand der von ihnen ermittelten Daten übereinstimmend entscheiden, dass der Entladeschutzschalter (14) zu öffnen ist, oder nach der vorgegebenen Zeitverzögerung öffnet, wenn nur einer der beiden Microcontroller (15, 17) anhand der von ihm ermittelten Daten entscheidet, dass der Entladeschutzschalter (14) zu öffnen ist.The invention relates to a battery (6, 7), comprising a cell stack (10) made up of several galvanic individual cells connected in series, which can be connected to the vehicle electrical system (21, 24) via a charging protection switch (13) and a discharging protection switch (14). first microcontroller (15) and a second microcontroller (17) independently configured to monitor data including currents, voltages and temperatures of the cell stack (10), both microcontrollers (15, 17) each having an enable output (CCB) for the Opening the charging protection switch (13), both microcontrollers (15, 17) each having an activation output (DCB) for opening the discharging protection switch (14), the second microcontroller (17) being designed differently from the first microcontroller (15), wherein the activation outputs (CCB) for opening the charging protection switch (13) are logically linked to one another via an OR element (18) and connected to the charging protection switch (13), the activation outputs (DCB) for opening the discharging protection switch (14) being connected via a another OR element (19) are logically linked with one another and additionally connected to the discharge protection switch (14) via a delay element (20), so that this opens after a specified time delay if at least one of the two microcontrollers (15, 17) based on the from The data determined by it decides that the discharge protection switch (14) is to be opened, with the delay element (20) being connected to the discharge protection switch (14) via a further OR element (22), with the activation outputs (DCB) of the two microcontrollers (15 , 17) for opening the discharge protection switch (14) are also logically linked to one another via an AND element (23), the output of which is also applied to the further OR element (22), so that the discharge protection switch (14) either opens immediately , if both microcontrollers (15, 17) decide based on the data they have determined that the discharge protection switch (14) is to be opened, or opens after the specified time delay if only one of the two microcontrollers (15, 17) based on the determined data decides that the discharge protection switch (14) is to be opened.
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Bordnetz eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a battery for a vehicle electrical system according to the preamble of claim 1.
Hochautomatisierte Fahrfunktionen (beispielsweise Steer-by-Wire ohne mechanische Rückfallebene) fordern ein Bordnetz mit einer Leistungsbereitstellung mit ASIL D.Highly automated driving functions (e.g. steer-by-wire without a mechanical fallback level) require an on-board network with ASIL D power supply.
Dies ist eine sogenannte ASIL Anforderung auf Verfügbarkeit, die beispielsweise mit zwei redundanten Komponenten erreicht werden kann. Bei einer Dekomposition werden zwei möglichst unterschiedliche Umsetzungen der Leistungsbereitstellungsfunktion benötigt, denen beiden ASIL B(D) oder ASIL C(D) zugewiesen wird. Hierfür werden beispielsweise zwei unterschiedliche Komponenten verwendet. Es wird gefordert, dass die Batterie eines Bordnetzes für hochautomatisierte Fahrfunktionen sich selbst mit ASIL B vor gefährlichen Betriebszuständen sichert; gleichzeitig soll jedoch das Bordnetz mit ASIL B/C (D) sicher mit Leistung versorgt werden. Dies stellt einen Konflikt zweier gegenläufiger Sicherheitsziele dar.This is a so-called ASIL requirement for availability, which can be achieved with two redundant components, for example. In a decomposition, two implementations of the service provision function that are as different as possible are required, both of which are assigned ASIL B(D) or ASIL C(D). Two different components are used for this, for example. It is required that the battery of an on-board network for highly automated driving functions protects itself against dangerous operating states with ASIL B; at the same time, however, the vehicle electrical system should be reliably supplied with power with ASIL B/C (D). This represents a conflict between two conflicting security goals.
- - einem ersten Bordnetzteil und einem zweiten Bordnetzteil, wobei der zweite Bordnetzteil ein Hauptnetz und ein Redundanz-Netz aufweist,
- - mit zumindest einem ersten sicherheitsrelevanten Verbraucher im Hauptnetz,
- - mindestens einem zum ersten sicherheitsrelevanten Verbraucher redundanten zweiten sicherheitsrelevanten Verbraucher im Redundanz-Netz,
- - einem ersten Trennelement zum Trennen des Hauptnetzes von dem Redundanz-Netz,
- - einer Energieversorgung für die Verbraucher, die einen Gleichspannungswandler umfasst, der mit dem ersten Bordnetzteil und dem zweiten Bordnetzteil verbunden und im Redundanz-Netz angeordnet ist, so dass über den ersten Gleichspannungswandler eine Versorgung des Redundanz-Netzes mit elektrischer Energie sichergestellt ist, wenn dieses durch das erste Trennelement vom Hauptnetz getrennt ist, wobei
- - im Hauptnetz nicht-sicherheitsrelevante Verbraucher angeordnet sind und das Hauptnetz ein erstes Unternetz und ein zweites Unternetz aufweist und zumindest ein Teil der nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher im ersten Unternetz angeordnet ist, wobei die beiden Unternetze durch ein zweites Trennelement voneinander trennbar sind und
- - der zweite Bordnetzteil eine Bordnetzbatterie aufweist, die in dem ersten Unternetz angeordnet ist.
- - a first on-board power supply and a second on-board power supply, the second on-board power supply having a main network and a redundancy network,
- - with at least one first safety-relevant consumer in the main network,
- - at least one second safety-relevant consumer redundant to the first safety-relevant consumer in the redundancy network,
- - a first separating element for separating the main network from the redundancy network,
- - An energy supply for the consumers, which includes a DC-DC converter, which is connected to the first on-board power supply and the second on-board power supply and is arranged in the redundancy network, so that the first DC-DC converter ensures that the redundancy network is supplied with electrical energy when it is separated from the main network by the first isolating element, wherein
- - non-safety-relevant loads are arranged in the main network and the main network has a first sub-network and a second sub-network and at least some of the non-safety-relevant loads are arranged in the first sub-network, with the two sub-networks being separable from one another by a second separating element and
- - The second on-board power supply has an on-board power supply battery, which is arranged in the first sub-network.
US 2019 / 0 031 042 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems zum Bereitstellen elektrischer Energie für ein Fahrzeug. Es werden Sensorsignale erzeugt, die physikalische Größen einzelner Zellen und/oder einzelner Module mindestens einer Batterie des Batteriesystems repräsentieren. Die Sensorsignale werden an eine erste und eine zweite Systemsteuerung übertragen. Sowohl die erste als auch die zweite Systemsteuerung werten die Sensorsignale aus und steuern das Batteriesystem in Abhängigkeit von entsprechenden Auswertungsergebnissen. Die erste Systemsteuerung wird in Kombination mit einer ersten Überwachungseinrichtung betrieben und die zweite Systemsteuerung wird in Kombination mit einer zweiten Überwachungseinrichtung betrieben. Die erste Überwachungsvorrichtung überwacht einen Betrieb des zweiten Systemcontrollers und die zweite Überwachungsvorrichtung überwacht einen Betrieb des ersten Systemcontrollers. Abhängig von Überwachungsergebnissen der ersten Überwachungseinrichtung und der zweiten Überwachungseinrichtung wird das Batteriesystem gesteuert.US 2019/0 031 042 A1 describes a method for operating a battery system for providing electrical energy for a vehicle. Sensor signals are generated that represent the physical variables of individual cells and/or individual modules of at least one battery in the battery system. The sensor signals are transmitted to a first and a second system controller. Both the first and the second system control evaluate the sensor signals and control the battery system depending on the corresponding evaluation results. The first system controller operates in combination with a first monitor and the second system controller operates in combination with a second monitor. The first monitor monitors an operation of the second system controller, and the second monitor monitors an operation of the first system controller. The battery system is controlled depending on the monitoring results of the first monitoring device and the second monitoring device.
US 2014 / 0 108 896 A1 beschreibt eine Fehlererfassungsvorrichtung eines Dual-Controller-Systems. Die erste Steuerung empfängt Erfassungsdaten von einem Sensor, um erste Daten zu berechnen und zu erzeugen, und gibt endgültige Daten aus, wenn kein Fehler erfasst wird, indem die ersten Daten mit zweiten Daten verglichen werden, die von einer zweiten Steuerung übertragen werden. Der CAN-Transceiver empfängt die endgültigen Daten von der ersten Steuerung und sendet die endgültigen Daten über einen CAN-Bus. Die zweite Steuerung empfängt die Erfassungsdaten von dem Sensor, um zweite Daten zu berechnen und zu erzeugen, und sendet an die erste Steuerung ein Unterbrechungssignal, das eine Ausgabe der endgültigen Daten verhindert, wenn ein Fehler durch Vergleichen der zweiten Daten mit den zurückgemeldeten endgültigen Daten vom CAN-Transceiver erkannt wird. Dementsprechend wird die Ausgangsübertragung zum Fahrzeug gesteuert und die Stabilität und Zuverlässigkeit der Ausgangsdaten erhöht.US 2014/0 108 896 A1 describes an error detection device of a dual controller system. The first controller receives detection data from a sensor to calculate and generate first data and outputs final data when no fault is detected by comparing the first data with second data transmitted from a second controller. The CAN transceiver receives the final data from the first controller and sends the final data over a CAN bus. The second controller receives the detection data from the sensor to calculate and generate second data, and sends the first controller an interrupt signal that prevents output of the final data when an error is detected by comparing the second data with the final data reported back from the CAN transceiver. Accordingly, the output transmission to the vehicle is controlled, and the stability and reliability of the output data is increased.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Batterie für ein Bordnetz eines Fahrzeugs anzugeben.The invention is based on the object of specifying a new type of battery for a vehicle electrical system.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie für ein Bordnetz eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 1.The object is achieved according to the invention by a battery for a vehicle electrical system according to claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Batterie für ein Bordnetz eines Fahrzeugs umfasst einen Zellenstapel aus mehreren in Reihe geschalteten galvanischen Einzelzellen, wobei der Zellenstapel über einen Ladeschutzschalter und einen Entladeschutzschalter mit dem Bordnetz verbindbar ist, ferner einen ersten Microcontroller und einen zweiten Microcontroller, wobei beide Microcontroller voneinander unabhängig zur Überwachung und/oder Validierung von Daten einschließlich Strömen, Spannungen und Temperaturen des Zellenstapels konfiguriert sind, wobei beide Microcontroller ferner dazu konfiguriert sind, ihre Daten gegenseitig zu validieren, wobei beide Microcontroller jeweils einen Aktivierungsausgang für das Öffnen des Ladeschutzschalters aufweisen, wobei beide Microcontroller ferner jeweils einen Aktivierungsausgang für das Öffnen des Entladeschutzschalters aufweisen. Erfindungsgemäß ist der zweite Microcontroller unterschiedlich zum ersten Microcontroller ausgebildet, wobei die Aktivierungsausgänge für das Öffnen des Ladeschutzschalters über ein ODER-Glied logisch miteinander verknüpft und mit dem Ladeschutzschalter verbunden sind, wobei die Aktivierungsausgänge für das Öffnen des Entladeschutzschalters über ein weiteres ODER-Glied logisch miteinander verknüpft und zusätzlich über ein Verzögerungsglied mit dem Entladeschutzschalter verbunden sind, so dass dieser nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung öffnet, wenn zumindest einer der beiden Microcontroller anhand der von ihm ermittelten Daten entscheidet, dass der Entladeschutzschalter zu öffnen ist.A battery according to the invention for an on-board network of a vehicle comprises a cell stack made up of several galvanic individual cells connected in series, the cell stack being able to be connected to the on-board network via a charging protection switch and a discharging protection switch, and also a first microcontroller and a second microcontroller, the two microcontrollers being used independently of one another for monitoring and/or validating data including currents, voltages and temperatures of the cell stack are configured, with both microcontrollers also being configured to mutually validate their data, with both microcontrollers each having an activation output for opening the charge protection switch, with both microcontrollers also each having an activation output for opening the discharge protection switch. According to the invention, the second microcontroller is designed differently from the first microcontroller, with the activation outputs for opening the charging protection switch being logically linked to one another via an OR element and connected to the charging protection switch, the activation outputs for opening the discharging protection switch being logically linked to one another via a further OR element and also being connected to the discharging protection switch via a delay element, so that it opens after a predetermined time delay if at least one of the two microcontrollers decides on the basis of the data it has determined that the discharging protection switch is to be opened .
In einer Ausführungsform ist der Zellenstapel über eine Reihenschaltung aus einer Sicherung, dem Ladeschutzschalter und dem Entladeschutzschalter mit dem Bordnetz verbindbar.In one embodiment, the cell stack can be connected to the vehicle electrical system via a series connection made up of a fuse, the charging protection switch and the discharging protection switch.
In einer Ausführungsform sind der Ladeschutzschalter und der Entladeschutzschalter jeweils als Feldeffekttransistoren ausgebildet, die antiseriell geschaltet sind, so dass ihre Bodydioden in entgegengesetzten Richtungen leitend sind.In one embodiment, the charging protection switch and the discharging protection switch are each designed as field effect transistors that are connected in anti-series fashion, so that their body diodes are conductive in opposite directions.
In einer Ausführungsform Batterie ist ferner ein Batterieüberwachungschip vorgesehen, der zur Überwachung von Zellspannungen von Einzelzellen des Zellenstapels, einer Temperatur der Zellen, und eines Stroms durch den Zellenstapel konfiguriert ist, wobei der erste Microcontroller zur Validierung der vom Batterieüberwachungschip bereitgestellten Daten konfiguriert ist.In one battery embodiment, a battery monitoring chip is also provided, which is configured to monitor cell voltages of individual cells of the cell stack, a temperature of the cells, and a current through the cell stack, the first microcontroller being configured to validate the data provided by the battery monitoring chip.
In einer Ausführungsform weist der zweite Microcontroller eine integrierte Batterieüberwachungsfunktionalität auf.In one embodiment, the second microcontroller has an integrated battery monitoring functionality.
In einer Ausführungsform ist der zweite Microcontroller zur Überwachung einer Spannung aller Zellen des Zellenstapels in Reihenschaltung, einer Spannung an einem Batterieplus-Anschluss, eines Stroms durch den Zellenstapel und einer Temperatur der Zellen konfiguriert.In one embodiment, the second microcontroller is configured to monitor a voltage of all cells of the cell stack in series, a voltage at a battery positive terminal, a current through the cell stack, and a temperature of the cells.
In einer Ausführungsform entsprechen der erste Microcontroller und optional der Batterieüberwachungschip ASIL C(D), und der zweite Microcontroller entspricht ASIL B(D).In one embodiment, the first microcontroller and optionally the battery monitor chip are ASIL C(D) compliant and the second microcontroller is ASIL B(D) compliant.
In einer Ausführungsform beträgt die vorgegebene Zeitverzögerung zwei Minuten.In one embodiment, the predetermined time delay is two minutes.
In einer Ausführungsform weist der erste Microcontroller eine Kommunikationsschnittstelle auf, die als ein CAN-Transceiver ausgebildet ist, über die vom ersten Microcontroller ein Fehler signalisierbar ist, wobei der zweite Microcontroller einen Warnausgang aufweist, der dazu konfiguriert ist, bei Aktivierung die Kommunikationsschnittstelle des ersten Microcontrollers abzuschalten oder in einen reinen Empfangsbetrieb zu schalten.In one embodiment, the first microcontroller has a communication interface, which is designed as a CAN transceiver, via which an error can be signaled by the first microcontroller, with the second microcontroller having a warning output which is configured to switch off the communication interface of the first microcontroller when activated or to switch to a pure receive mode.
Erfindungsgemäß ist das Verzögerungsglied über ein weiteres ODER-Glied mit dem Entladeschutzschalter verbunden, wobei die Aktivierungsausgänge der beiden Microcontroller für das Öffnen des Entladeschutzschalters ferner über ein UND-Glied miteinander logisch verknüpft sind, dessen Ausgang ebenfalls auf das weitere ODER-Glied gelegt ist, so dass der Entladeschutzschalter entweder sofort öffnet, wenn beide Microcontroller anhand der von ihnen ermittelten Daten übereinstimmend entscheiden, dass der Entladeschutzschalter zu öffnen ist, oder nach der vorgegebenen Zeitverzögerung öffnet, wenn nur einer der beiden Microcontroller anhand der von ihm ermittelten Daten entscheidet, dass der Entladeschutzschalter zu öffnen ist.According to the invention, the delay element is connected to the discharge protection switch via a further OR element, with the activation outputs of the two microcontrollers for opening the discharge protection switch also being logically linked to one another via an AND element, the output of which is also applied to the further OR element, so that the discharge protection switch either opens immediately if both microcontrollers decide based on the data they have determined that the discharge protection switch is to be opened, or opens after the specified time delay if only one of the two microcontrollers based on the data determined by it decides that the discharge protection switch is to be opened.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Batteriemanagementsystem für 12V Li-lonen-Bordnetzbatterien bereit. Hierbei werden zwei Batterien zur Redundanz eingesetzt, da jedoch beide Batterien auf der gleichen Hardware und Software aufsetzen, kann in herkömmlichen Lösungen ein systematischer Fehler nicht ausgeschlossen werden, so dass sich keine Redundanz ergeben würde. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, einen zweiten internen Microcontroller der Batterie zu nutzen, um einen separaten Teil des Batteriemanagementsystems darzustellen. Damit wird das Batteriemanagementsystem in zwei Teile unterteilt, die sich gegenseitig überwachen können und unterschiedliche Aspekte abdecken können. Sollte es hier dann zu einem Fehler oder Unterschied der beiden Teilsysteme kommen, kann eine Warnung ausgegeben und über ein Verzögerungsglied die Batterie noch eine Zeitlang, beispielsweise 2 Minuten, zum sicheren Abstellen des Fahrzeugs angeschlossen bleiben und erst danach der Ladeschutzschalter und der Entladeschutzschalter geöffnet werden.The present invention provides a battery management system for 12V Li-ion on-board batteries. In this case, two batteries are used for redundancy, but since both batteries are based on the same hardware and software, a systematic error cannot be ruled out in conventional solutions, so that no redundancy would result. According to the invention, it is therefore provided to use a second internal microcontroller of the battery in order to represent a separate part of the battery management system. This divides the battery management system into two parts that can monitor each other and cover different aspects. If there is an error or a difference between the two subsystems, a warning can be issued and the battery can remain connected via a delay element for a while, for example 2 minutes, to ensure that the vehicle is safely switched off and only then can the charging protection switch and the discharging protection switch be opened.
Anstatt einer Redundanz auf Systemebene zweier unabhängiger 12V Li-Ion Bordnetzbatterien verfolgt der erfindungsgemäße Ansatz das Ziel, die Redundanz auf Komponentenebene darzustellen.Instead of redundancy at the system level of two independent 12V Li-Ion vehicle electrical system batteries, the approach according to the invention pursues the goal of representing redundancy at the component level.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Hochvoltnetzes eines Fahrzeugs und zweier damit verbundener Niederspannungs-Bordnetze, -
2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Niederspannungs-Batterie, und -
3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Niederspannungs-Batterie.
-
1 a schematic view of a high-voltage network of a vehicle and two associated low-voltage vehicle electrical systems, -
2 a schematic view of an embodiment of a low-voltage battery, and -
3 a schematic view of another embodiment of a low-voltage battery.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Beide Niederspannungs-Bordnetze 21, 24 umfassen jeweils eine Niederspannungs-Batterie 6, 7, insbesondere eine Li-lonen Batterie, die jeweils mindestens einen Trennschalter zum Eigenschutz aufweist. Der Gleichspannungswandler 8, 9 hat keine Sicherheitsziele hinsichtlich Verfügbarkeit, jedoch hat die Niederspannungs-Batterie 6, 7 Sicherheitsziele hinsichtlich Verfügbarkeit. Daher werden vom Fahrzeug Sicherheitsanforderungen an die Verfügbarkeit der Niederspannungs-Batterie 6, 7 gestellt. Dadurch entstehen Anforderungen an die Unabhängigkeit der beiden Niederspannungs-Batterien 6, 7. Abhängige Fehler, bei denen in beiden Niederspannungs-Batterien 6, 7 der gleiche Fehler auftritt, müssen verhindert werden, um einen gleichzeitigen Ausfall beider Niederspannungs-Batterien 6, 7 sicher ausschließen zu können. Dies widerspricht der Verwendung des gleichen Typs für beide Niederspannungs-Batterien 6, 7 und erfordert normalerweise eine völlig unabhängige Komponente. Durch die Realisierung zweier unabhängiger Entscheidungswege innerhalb jeder Niederspannungs-Batterie 6, 7 wird dieser Unabhängigkeit Rechnung getragen, ohne zwei völlig unterschiedliche, unabhängige Niederspannungs-Batterie 6, 7 einsetzen und entwickeln zu müssen. Daher lässt sich die gleiche, oder eine ähnliche Niederspannungs-Batterie 6, 7 sowohl auf Primär-, als auch auf Sekundärseite (Hauptnetz und Redundanznetz) einsetzen.Both low-voltage
Ein sicherer Zustand (safe state) einer Niederspannungs-Batterie 6, 7 eines Niederspannungs-Bordnetzes 21 im Sinne der vorliegenden Erfindung soll folgende Merkmale umfassen:
- - ein Ladeschutzschalter der Niederspannungs-
Batterie 6, 7 wird geöffnet, - - die Niederspannungs-
Batterie 6, 7 deklariert bei einem erkannten Fehler in der Redundanz ihr Lebensdauerende (EoL - end of life), - - es wird eine sogenannte Rotbewarnung an den Fahrer des Fahrzeugs ausgegeben. Dies bedeutet eine Aufforderung zum sofortigen sicheren Anhalten und eine Funktionsabschaltung mit einem Übergang in den batterielosen Betrieb;
- - mit einer vorgegebenen Verzögerung von beispielsweise zwei Minuten wird ein Entladeschutzschalter der Niederspannungs-
Batterie 6, 7 geöffnet, um innerhalb der Verzögerungszeit ein sicheres Anhalten sicherzustellen.
- - a charging protection switch of the low-
voltage battery 6, 7 is opened, - - the low-
voltage battery 6, 7 declares its end of life (EoL - end of life) when a fault is detected in the redundancy, - - A so-called red warning is issued to the driver of the vehicle. This means an immediate safe stop request and a functional shutdown with a transition to battery-free operation;
- - With a predetermined delay of two minutes, for example, a discharge protection switch of the low-
voltage battery 6, 7 is opened to ensure safe stopping within the delay time.
Die vorliegende Erfindung realisiert eine systemseitige Unabhängigkeit und/oder Redundanz hinsichtlich systematischer Fehler innerhalb einer Komponente, insbesondere einer Niederspannungs-Batterie 6, 7, so dass diese, in aus Gründen der Verfügbarkeit redundant zweikanalig ausgeführten Niederspannungs-Bordnetzen 21, 24 unverändert in beiden Kanälen eingesetzt werden kann.The present invention implements a system-side independence and/or redundancy with regard to systematic faults within a component, in particular a low-
Bei den betrachteten Niederspannungs-Bordnetzen 21, 24 trägt der Gleichspannungswandler 8, 9 nicht zur Verfügbarkeit bei; diese muss rein durch die Niederspannungs-Batterie 6, 7 (beispielsweise LiBB - 12V Lithium-Ionen-Bordnetzbatterie) sichergestellt werden (Systemeigenschaft).In the case of the low-voltage vehicle
Beispielsweise kann im Fahrzeugbau die Anforderung zur Reduktion der Varianz im Fahrzeug durch Verwendung einheitlicher Hardware und Software bestehen, was einer Unabhängigkeit diametral entgegensteht.For example, in vehicle construction there may be a requirement to reduce variance in the vehicle by using uniform hardware and software, which is diametrically opposed to independence.
Der Ladeschutzschalter 13 und der Entladeschutzschalter 14 können beide als Feldeffekttransistoren ausgebildet sein, die antiseriell geschaltet sind, so dass ihre Bodydioden in entgegengesetzten Richtungen leitend sind.The charging
Die Niederspannungs-Batterie 6 umfasst ferner einen ersten Microcontroller 15 (beispielsweise Aurix) und einen Batterieüberwachungschip 16 (Analog Frontend), der beispielsweise zur Überwachung von Zellspannungen U_cell von Einzelzellen des Zellenstapels 10, einer Temperatur T_bat der Zellen, und eines Stroms I_bat2 durch den Zellenstapel 10 konfiguriert ist. Der erste Microcontroller 15 validiert die vom Batterieüberwachungschip 16 bereitgestellten Daten.The low-voltage battery 6 also includes a first microcontroller 15 (for example Aurix) and a battery monitoring chip 16 (analog front end), which is configured, for example, to monitor cell voltages U_cell of individual cells in the
Ferner ist ein zweiter Microcontroller 17 vorgesehen, der anders ausgebildet ist als der erste Microcontroller 15. Während der Batterieüberwachungschip 16 als vom ersten Microcontroller 15 separate Einheit ausgebildet ist, weist der zweite Microcontroller 17 eine integrierte Batterieüberwachungsfunktionalität auf, umfassend die Überwachung einer Spannung U_pack aller Zellen des Zellenstapels 10 in Reihenschaltung, einer Spannung U_T30 an Klemme 30 KL30, des Stroms I_bat durch den Zellenstapel 10 und der Temperatur T_bat2 der Zellen. Dabei werden der Strom I_bat und der Strom I_bat2 durch jeweils eigene, redundante Sensoren ermittelt, beispielsweise am Shunt 11. Ebenso werden die Temperaturen T_bat und T_bat2 durch jeweils eigene, redundante Sensoren ermittelt.Furthermore, a
Der erste Microcontroller 15 und der Batterieüberwachungschip 16 entsprechen beispielsweise ASIL C(D).The
Der zweite Microcontroller 17 entspricht beispielsweise ASIL B(D).The
Der erste Microcontroller 15 und der zweite Microcontroller 17 sind ferner dazu konfiguriert, ihre Daten gegenseitig zu validieren.The
Der erste Microcontroller 15 und der zweite Microcontroller 17 weisen jeweils einen Aktivierungsausgang CCB für das Öffnen des Ladeschutzschalters 13 auf, die über ein ODER-Glied 18 logisch verknüpft und mit dem Ladeschutzschalter 13 verbunden sind, so dass dieser öffnet, wenn zumindest einer der beiden Microcontroller 15, 17 anhand der von ihm ermittelten Daten entscheidet, dass der Ladeschutzschalter 13 zu öffnen ist.The
Der erste Microcontroller 15 und der zweite Microcontroller 17 weisen jeweils einen Aktivierungsausgang DCB für das Öffnen des Entladeschutzschalters 14 auf, die über ein weiteres ODER-Glied 19 logisch verknüpft und zusätzlich über ein Verzögerungsglied 20 mit dem Entladeschutzschalter 14 verbunden sind, so dass dieser nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung von beispielsweise zwei Minuten öffnet, wenn zumindest einer der beiden Microcontroller 15, 17 anhand der von ihm ermittelten Daten entscheidet, dass der Entladeschutzschalter 14 zu öffnen ist.The
Der hinsichtlich Verfügbarkeit kritische Pfad ist der Entladeschutzschalter 14, da nur dieser die Spannungsversorgung in Richtung Niederspannungs-Bordnetz 21 unterbinden kann. Der Ladeschutzschalter 13 ist dahingehend als unkritisch zu bewerten.The path that is critical in terms of availability is the
Zur Maximierung der Verfügbarkeit wird der neben dem als Hauptkanal ausgebildeten ersten Microcontroller 15 vorhandener zweiter Microcontroller 17 ertüchtigt, alle Sicherheitsziele hinsichtlich Eigenschutz zu erreichen.In order to maximize availability, the
Dieser zweite Microcontroller 17 ist dafür auf allen Ebenen (Eingangssignale, Ausgangssignale, Hardware, Software, Entwicklungsprozesse, Spannungsversorgung usw.) vollständig unabhängig zum ersten Microcontroller 15 ausgebildet und mit ASIL B(D) entwickelt.For this purpose, this
Dadurch werden beide Microcontroller 15, 17 unabhängig voneinander in die Lage versetzt, die Eigenschutzziele der Niederspannungs-Batterie 6 zu überwachen und bei der Verletzung dieser Schwellen den Ladeschutzschalter 13 und/oder den Entladeschutzschalter 14 anzusteuern.This enables both
Durch die Logikbeschaltung der Aktivierungsausgänge CCB, DCB der beiden Microcontroller 15, 17 mittels der ODER-Glieder 18, 19 und des Verzögerungsglieds 20 wird ein (möglicherweise fehlerhafter) einkanaliger Durchgriff auf den Entladeschutzschalter 14 unterbunden und durch eine Zeitverzögerung ersetzt.The logic circuitry of the activation outputs CCB, DCB of the two
Da beide Microcontroller 15, 17 sich kontinuierlich gegenseitig sowohl hinsichtlich Ihrer Eingangs- und Ausgangswerte überwachen, ermöglicht dies jedem der beiden Microcontroller 15, 17 die Erkennung einer Fehlentscheidung des jeweils anderen Microcontrollers 15, 17.Since both
Sowohl eine fälschlicherweise ausgelöste Trennanforderung als auch eine fälschlicherweise nicht ausgelöste Trennanforderung für den Ladeschutzschalter 13 und/oder den Entladeschutzschalter 14 können erkannt werden. Beides führt zur Auslösung eines Prozesses zur Erreichung eines sicheren Zustandes, ohne die Verfügbarkeit der Energieversorgung unerwartet zu unterbrechen.Both an erroneously triggered disconnect request and an incorrect one Untriggered disconnect request for the charging
Hinsichtlich Bewarnung spielt der zweite Microcontroller 17 eine Sonderrolle, da dieser zur Reduktion der Systemkomplexität keine dedizierte Kommunikationsschnittstelle aufweist. Der erste Microcontroller 15 weist hingegen eine Kommunikationsschnittstelle CAN_FD auf, die als ein CAN-Transceiver ausgebildet ist, über die der erste Microcontroller 15 einen Fehler signalisieren kann (Rotbewarnung).With regard to the warning, the
Eine Fehlersignalisierung oder Rotbewarnung seitens des zweiten Microcontrollers 17 wird mittels eines Warnausgangs Alert am zweiten Microcontroller 17 durch eine Abschaltung oder das Versetzen in einen reinen Empfangsbetrieb („listen only mode“) der Kommunikationsschnittstelle CAN_FD des ersten Microcontrollers 15 erreicht. Dies unterbindet sicher die Kommunikation in Richtung des Fahrzeugs, was seitens des Fahrzeugs sicher erkannt wird und automatisch eine Rotbewarnung auslöst.An error signal or red warning on the part of the
Der sichere Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass:
- -
der Ladeschutzschalter 13 geöffnet und so ein wesentlicher Umfang der Sicherheitsziele des Komponenteneigenschutzes errreicht wird, ohne das Sicherheitsziel der Verfügbarkeit negativ zu beeinflussen, - - eine Rotbewarnung und optional Funktionseinschränkungen des Fahrzeugs ausgelöst werden, um einen sicheren Zustand herbeizuführen,
- - aufgrund der Erkennung eines kritischen Zustands das Lebensdauerende der Komponente, insbesondere der
Niederspannungsbatterie 6, 7 nichtflüchtig gespeichert wird, - - nach einer vorgegebenen Verzögerung von beispielsweise ein oder mehreren, insbesondere zwei, Minuten der Entladeschutzschalter 14 geöffnet wird.
- - the
charging protection switch 13 is opened and thus a significant extent of the safety goals of the component's own protection is achieved without negatively affecting the safety goal of availability, - - a red warning and optional functional restrictions of the vehicle are triggered to bring about a safe state,
- - Due to the detection of a critical state, the end of the service life of the component, in particular the low-
voltage battery 6, 7, is stored in non-volatile memory, - - After a predetermined delay of, for example, one or more, in particular two minutes, the
discharge protection switch 14 is opened.
Der erste Microcontroller 15 und der zweite Microcontroller 17 weisen jeweils einen Aktivierungsausgang CCB für das Öffnen des Ladeschutzschalters 13 auf, die über ein ODER-Glied 18 logisch verknüpft und mit dem Ladeschutzschalter 13 verbunden sind, so dass dieser öffnet, wenn zumindest einer der beiden Microcontroller 15, 17 anhand der von ihm ermittelten Daten entscheidet, dass der Ladeschutzschalter 13 zu öffnen ist.The
Der erste Microcontroller 15 und der zweite Microcontroller 17 weisen jeweils einen Aktivierungsausgang DCB für das Öffnen des Entladeschutzschalters 14 auf, die über ein weiteres ODER-Glied 19 logisch verknüpft und zusätzlich über ein Verzögerungsglied 20 und ein weiteres ODER-Glied 22 mit dem Entladeschutzschalter 14 verbunden sind. Ferner sind die Aktivierungsausgänge DCB des ersten Microcontrollers 15 und des zweiten Microcontrollers 17 für das Öffnen des Entladeschutzschalters 14 über ein UND-Glied 23 miteinander verbunden, dessen Ausgang ebenfalls auf das weitere ODER-Glied 22 gelegt ist, so dass der Entladeschutzschalter 14 entweder sofort öffnet, wenn beide Microcontroller 15, 17 anhand der von ihnen ermittelten Daten übereinstimmend entscheiden, dass der Entladeschutzschalter 14 zu öffnen, oder nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung von beispielsweise zwei Minuten öffnet, wenn nur einer der beiden Microcontroller 15, 17 anhand der von ihm ermittelten Daten entscheidet, dass der Entladeschutzschalter 14 zu öffnen ist.The
Ein sicherer Zustand der Niederspannungs-Batterie 6, 7 kann beispielsweise zum Schutz gegen zu hohen Strom erforderlich sein.A safe state of the low-
Die Niederspannungs-Batterie 6, 7 soll daher Maßnahmen gegen unzulässigen Betrieb infolge zu hohen Stroms, die zu gefährlichen Situationen für Personen (beispielsweise plötzliches Ausgasen) führen können, implementieren. Hierfür werden Ladeströme und Entladeströme durch Öffnen des Ladeschutzschalters 13 und des Entladeschutzschalters 14 unterbrochen. Nach der Fehlerdetektion und dem Abschalten beträgt der durch den Zellenstapel 10 fließende Strom 0.The low-
Der Fehler kann durch beide Microcontroller 15, 17 mittels redundanter Messungen unabhängig voneinander erkannt werden. Falls der Fehler zum Auslösen der Sicherung 12 (beispielsweise einer Schmelzsicherung) führt, kann durch den ersten Microcontroller 15 das Lebensdauerende (EoL - end of life) der Niederspannungs-Batterie 6 signalisiert werden. Im Normalfall erfolgt eine reversible Trennung des Ladeschutzschalters 13 und des Entladeschutzschalters 14 2-kanalig.The error can be detected independently of one another by both
Eine Diskrepanz (Mismatch) zwischen den Messungen der beiden Microcontroller 15, 17 kann von beiden Microcontrollern 15, 17 erkannt und der sichere Zustand angenommen werden.A discrepancy (mismatch) between the measurements of the two
Ein sicherer Zustand der Niederspannungs-Batterie 6, 7 kann ferner beispielsweise zum Schutz gegen zu hohe Spannung erforderlich sein.A safe state of the low-
Die Niederspannungs-Batterie 6, 7 soll daher Maßnahmen gegen unzulässigen Betrieb infolge zu hoher Spannung, die zu gefährlichen Situationen für Personen (beispielsweise plötzliches Ausgasen) führen können, implementieren. Hierfür werden Ladeströme durch Öffnen des Ladeschutzschalters 13 unterbrochen. Nach der Fehlerdetektion und dem Abschalten beträgt der in den Zellenstapel 10 fließende Strom 0.The low-
Der Fehler kann nur durch den ersten Microcontroller 15 auf Basis der Zellspannung U_cell der Einzelzellen erkannt werden.The error can only be detected by the
Ein Fehler oder eine Diskrepanz (Mismatch) in der Summe der Zellspannungen U_cell, die der Spannung U_pack entsprechen sollte, kann durch den zweiten Microcontroller 17 erkannt und der sichere Zustand angenommen werden.An error or a discrepancy (mismatch) in the sum of the cell voltages U_cell, which should correspond to the voltage U_pack, can be detected by the
Ein sicherer Zustand der Niederspannungs-Batterie 6, 7 kann ferner beispielsweise zum Schutz gegen zu hohe Temperatur erforderlich sein.A safe state of the low-
Die Niederspannungs-Batterie 6, 7 soll daher Maßnahmen gegen unzulässigen Betrieb infolge zu hoher Temperatur, die zu gefährlichen Situationen für Personen (beispielsweise plötzliches Ausgasen) führen können, implementieren. Hierfür werden Ladeströme und Entladeströme unterbrochen. Nach der Fehlerdetektion und dem Abschalten beträgt der durch den Zellenstapel 10 fließende Strom 0.The low-
Der Ladeschutzschalter 13 kann durch beide Microcontroller 15, 17 geöffnet werden. Für das Unterbrechen des Stromflusses in der Entladerichtung im Kurzschlussfall kann durch eine Schmelzsicherung eine Einzelfehlertoleranz erreicht werden.The charging
Eine Diskrepanz (Mismatch) zwischen den Messungen der beiden Microcontroller 15, 17 kann von beiden Microcontrollern 15, 17 erkannt und der sichere Zustand angenommen werden.A discrepancy (mismatch) between the measurements of the two
Ein sicherer Zustand der Niederspannungs-Batterie 6, 7 kann ferner beispielsweise zum Schutz gegen das Laden einer tiefentladenen Zelle erforderlich sein.A safe state of the low-
Die Niederspannungs-Batterie 6, 7 soll daher Maßnahmen gegen unzulässigen Betrieb infolge des Ladens nach einer Tiefentladung, die zu gefährlichen Situationen für Personen (beispielsweise plötzliches Ausgasen) führen können, implementieren. Hierfür werden Ladeströme unterbrochen. Nach der Fehlerdetektion und dem Abschalten beträgt der in den Zellenstapel 10 fließende Strom 0.The low-
Der Ladeschutzschalter 13 kann durch beide Microcontroller 15, 17 einkanalig geöffnet werden.The charging
Die Erfordernisse für einen sicheren Zustand sind von beiden Microcontrollern 15, 17 erkennbar (zweikanalig-unabhängig). Jede Diskrepanz (Mismatch) zwischen den Messungen der beiden Microcontroller 15, 17 führt zum sicheren Zustand.The requirements for a safe state can be recognized by both
Ferner soll die Niederspannungs-Batterie 6, 7 eine erforderliche Entladung in das Niederspannungs-Bordnetz 21 sicherstellen, sofern eine solche Entladung nicht die Sicherheitserfordernisse der Niederspannungs-Batterie 6, 7 verletzt. Dies betrifft insbesondere einen Fahrbetrieb des Fahrzeugs.Furthermore, the low-
Die Niederspannungs-Batterie 6, 7 darf ihren Entladepfad nur dann unterbrechen, wenn anderenfalls ihre eigenen ASIL B-Sicherheitserfordernisse verletzt werden würden. Ansonsten soll der Entladepfad der Niederspannungs-Batterie 6, 7 sicher verbunden bleiben.The low-
Beispielsweise soll im Falle eines Überspannungs- oder Überstromfehlers während des Ladens der Niederspannungs-Batterie 6, 7 der Entladepfad verbunden bleiben, so dass die Niederspannungs-Batterie 6, 7 das Niederspannungs-Bordnetz 21 weiter versorgen kann.For example, in the event of an overvoltage or overcurrent error while charging the low-
Dies wird durch die Verknüpfung der Signale der beiden Aktivierungsausgänge DCB der beiden Microcontroller 15, 17 mittels des UND-Glieds 23 einerseits und durch das Verzögerungsglied andererseits sichergestellt, wodurch einkanalige Fehler in Entladerichtung unterbunden werden. Ein Einzelfehler kann somit nicht zu einer sofortigen vollständigen Unterbrechung führen, sondern lediglich zu einem sicheren Zustand.This is ensured by linking the signals of the two activation outputs DCB of the two
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Hochvoltnetzhigh-voltage network
- 22
- Hochvoltbatteriehigh-voltage battery
- 33
- Trennschaltercircuit breaker
- 44
- Verbraucherconsumer
- 55
- Verbraucherconsumer
- 66
- Niederspannungs-Batterie, Batterielow-voltage battery, battery
- 77
- Niederspannungs-Batterie, Batterielow-voltage battery, battery
- 88th
- GleichspannungswandlerDC converter
- 99
- GleichspannungswandlerDC converter
- 1010
- Zellenstapelcell stack
- 1111
- Shuntshunt
- 1212
- Sicherungfuse
- 1313
- Ladeschutzschaltercharge protection switch
- 1414
- Entladeschutzschalterdischarge protection switch
- 1515
- erster Microcontrollerfirst microcontroller
- 1616
- Batterieüberwachungschipbattery monitoring chip
- 1717
- zweiter Microcontrollersecond microcontroller
- 1818
- ODER-GliedOR gate
- 1919
- weiteres ODER-Gliedanother OR element
- 2020
- Verzögerungsglieddelay element
- 2121
- Niederspannungs-Bordnetz, BordnetzLow-voltage vehicle electrical system, vehicle electrical system
- 2222
- weitere ODER-Gliedfurther OR element
- 2323
- UND-GliedAND gate
- 2424
- Niederspannungs-Bordnetz, BordnetzLow-voltage vehicle electrical system, vehicle electrical system
- AlertAlert
- Warnausgangwarning exit
- CAN_FDCAN_FD
- Kommunikationsschnittstellecommunication interface
- CCBCCB
- Aktivierungsausgangactivation output
- DCBDCB
- Aktivierungsausgangactivation output
- I_bat, I_bat2I_bat, I_bat2
- StromElectricity
- KL30KL30
- Klemme 30, Batterieplus-AnschlussTerminal 30, battery positive connection
- KL31KL31
- Klemme 31, MasseTerminal 31, ground
- T_bat, T_bat2T_bat, T_bat2
- Temperaturtemperature
- U_cellU_cell
- Zellspannungcell voltage
- U_packU_pack
- SpannungTension
- U_T30U_T30
- SpannungTension
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