AT510940A1

AT510940A1 - Datenbussystem mit galvanischer trennung der teilnehmer

Info

Publication number: AT510940A1
Application number: AT252011A
Authority: AT
Original assignee: Moove Gmbh E
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2012-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Datenbussystem mit galvanischer Trennung der Teilnehmer, bei dem zumindest ein Teil der Teilnehmer (TN1, TN2, TN3, TN4)über kapazitive Koppelglieder mit dem Datenbus verbunden ist und bei dem die kapazitiven Koppelglieder jeweils zumindest einen Kondensator (Cl, C2, C3, C4) und eine Schaltung (R21, R22, R31,R32, R41, R42)zur Aufladung des Kondensators auf eine vorgegebene Gleichspannung umfassen.

Description

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Beschreibung

Datenbussystem mit galvanischer Trennung der Teilnehmer 5 Die Erfindung betrifft ein Datenbussystem mit galvanischer Trennung der Teilnehmer.

Ein Datenbus dient der Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern über einen gemeinsamen Übertragungsweg, bei dem 10 Teilnehmer nicht an der Datenübertragung zwischen anderen Teilnehmern beteiligt sind.

Bussysteme finden Anwendung insbesondere innerhalb von Computern und zur Verbindung von Computern mit Peripheriegeräten, 15 aber auch zur Steuerung von Maschinen und Anlagen.

In manchen Fällen ist eine galvanische Trennung der Teilnehmer erforderlich, beispielsweise dann, wenn diese unterschiedliche Spannungspotentiale aufweisen. 20

In diesem Fall ist aus dem Stand der Technik wie beispielsweise der EP 0050417 der Einsatz von Optokopplern bekannt.

Optokoppler haben einen relativ hohen Stromverbrauch und eine 25 vergleichsweise geringe Lebensdauer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Bussysteme mit galvanischer Trennung der Teilnehmer weiterzuentwickeln. 30

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Datenbussystem mit galvanischer Trennung der Teilnehmer gelöst, bei dem zumindest ein Teil der Teilnehmer über kapazitive Koppelglieder mit dem Datenbus verbunden ist und bei dem die kapazitiven 35 Koppelglieder jeweils zumindest einen Kondensator und eine

Schaltung zur Aufladung des Kondensators auf eine vorgegebene Gleichspannung umfassen. 5 2

Die erfindungsgemäße Lösung bietet eine einfache und robuste Lösung für eine galvanische Trennung der Teilnehmer vom Bus, die sich überdies durch geringen Stromverbrauch auszeichnet.

Die Signalübertragung kann in vorteilhafter Weise entweder asymmetrisch mit einer einzelnen Signalleitung erfolgen, in gleicher Weise kann die erfindungsgemäße Lösung aber auch für symmetrische Signalübertragung mit zwei Signalleitungen vor-10 gesehen werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die Signalübertragung auf Basis einer gleichanteilsfreien Kodierung wie dem sogenannten Manchester Code erfolgt. 15

In günstiger Weise kann zusätzlich zu der gleichanteilsfreien Übertragung mit einem gleichanteilsbehafteten Code eine Übertragung von Zusatzdaten erfolgen. Dabei kann es sich beispielsweise um ein RESET-Signal für die Teilnehmer, oder aber 20 sicherheitsrelevante Informationen handeln.

Das erfindungsgemäße Bussystem eignet sich besonders für den Einsatz in einem Batteriemanagementsystem wobei als Teilnehmer Ansteuerschaltungen für einzelne Zellen oder Zellblöcke 25 einer Batterie vorgesehen sind. Dabei ist der geringe Energieverbrauch des erfindungsgemäßen Bussystems von besonderem Vorteil.

Aus dem Stand der Technik sind Batteriemanagementsysteme be-30 kannt, bei denen mehrere Teilnehmer mittels Stromschleife verbunden werden. Integrierte Schaltkreise, die dieses Verfahren verwenden sind z.B. der Typ BQ76PL536 von Texas Instruments . 35 Bei dieser Art der Anbindung wird das Signal durch alle Teilnehmer geführt und von einem Microcontroller als „Master" ausgewertet. 5 3

Bei dieser Verbindungsart ist es nicht möglich, zwischen den Teilnehmern Daten auszutauschen ohne über den so genannten Master zu gehen.

Ein weiterer Nachteil ist der Totalausfall des Systems wenn nur eine einzige Verbindungsleitung defekt ist. Dann können die Daten nicht mehr „im Kreis" gesendet werden, weil ja alle Teilnehmer in Serie am Bus hängen. Es sind daher von keiner 10 einzigen Zelle mehr Daten verfügbar.

Dies ist besonders problematisch beim Einsatz in einem Fahrzeug, bei dem eine derartigen Störung zum Stillstand des Fahrzeuges führt, obwohl „nur" das Überwachungssystem ein ei-15 nen Verbindungsfehler aufweist und der Akkumulator noch genügend Leistung für eine Weiterfahrt aufweist. Dies gilt in gleicher Weise für Lade- oder Umladevorgänge.

Mit dem erfindungsgemäßen Datenbussystem kann hingegen auch 20 bei Ausfall eines Teilnehmers der Datenverkehr mit den anderen Teilnehmern ungestört aufrecht erhalten werden.

Darüber hinaus ist es möglich, bei Ausfall eines Teilnehmers durch die Messung der Gesamtspannung und der Beobachtung der 25 benachbarten Teilnehmer sicherheitsrelevante Parameter für die ausgefallene Zelle zu rekonstruieren und den weiteren Betrieb in allen Betriebszuständen (Laden, Entladen, Umladen) sicherzustellen. 30 Da jeder Teilnehmer sowohl Senden als auch Empfangen kann, erfolgt der Datenaustausch auch unabhängig von einem Mastersystem, wodurch eine weitere Erhöhung der Ausfallsicherheit erzielt wird.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert. 35 4

Es zeigen beispielhaft:

Fig.l die Struktur eines Batteriemanagementsystems mit einem erfindungsgemäßen asymmetrischen Bussystem und 5 Fig.2 ein Batteriemanagementsystem mit symmetrischer Signalübertragung des Bussystems.

Die Darstellung nach Fig. 1 umfasst ein Batteriemanagementsystem, bei dem an einen Datenbus BUS, der in diesem Fall aus 10 einer einzelnen Signalleitung besteht, vier Teilnehmer TN1, TN2, TN3, TN4 angeschlossen sind.

Bei den Teilnehmern TN1, TN2, TN3, TN4 handelt es sich um Ansteuerschaltungen für einzelne Zellen oder Zellblöcke eines 15 Batteriemanagementsystems wie es beispielsweise aus der WO2010/088944 bekannt ist. Bei einer üblichen Serienschaltung der Zellen der Batterie liegen die zugehörigen Ansteuerschaltungen auf unterschiedlichen Spannungsniveaus GND1, GND2, GND3, GND4 sodass das zugehörige Bussystem eine galvanische 20 Trennung der Teilnehmer aufweisen muss.

Erfindungsgemäß werden nun die Teilnehmer TN2, TN3, TN4 mit von einem Bezugspegel abweichenden Spannungsniveaus über kapazitive Koppelglieder mit dem Datenbus verbunden. Geschlos-25 sen wird der Signalkreis dadurch, dass die Teilnehmer selbst in Serie geschaltet sind und so beispielsweise das Spannungsniveau GND3 des dritten Teilnehmers TN 3 mit der Versorgungsspannung VDD2 des zweiten Teilnehmers TN2 verbunden ist. 30 Die kapazitiven Koppelglieder umfassen bei asymmetrischer Signalübertragung jeweils einen Kondensator C2, C3, C4 und eine aus zwei Widerständen R21, R22, R31,R32, R41, R42 bestehenden, einen Spannungsteiler bildenden Schaltung zur Aufladung des Kondensators C2, C3, C4 auf das jeweils erforderli-35 che Spannungsniveau. • * · · • · · · • · · ·

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Die Dimensionierung der Koppelglieder beruht auf den Vorgaben bezüglich der Übertragungsgeschwindigkeit der Daten. Je höher diese Geschwindigkeit, desto kleiner kann der Kondensator gewählt werden. 5

Weiterhin umfasst jeder Teilnehmer TNl, TN2, TN3, TN4 eine Empfangslogik ELI, EL2, EL3, EL 4 und eine Sendeschaltung Sl, S2, S3, S4. 10 Für die Datenübertragung wird der sogenannte Manchester-Code genutzt. Dieser stellt eine Form der digitalen Phasenmodulation dar, welche auch als Phase Shift Keying bezeichnet wird.

Dabei tragen die Flanken des Signals, bezogen auf das Takt-15 Signal, die Information.

Eine wesentliche Eigenschaft dieses Leitungscodes ist die Gleichanteilsfreiheit des resultierenden Signals. Daher eignet sich der Code besonders für die Datenübertragung bei gal-20 vanischer Trennung.

Zusätzlich zu der gleichanteilsfreien Übertragung nach dem Manchester-Code kann mit einem gleichanteilsbehafteten Code eine Übertragung von Zusatzdaten erfolgen. Dabei kann es sich 25 beispielsweise um ein RESET-Signal für die Teilnehmer, oder aber sicherheitsrelevante Informationen handeln.

Dabei wird die durch diese Übertragung bewirkte Spannungsverschiebung von den Teilnehmern erkannt und ausgewertet. 30

Figur 2 zeigt ein Batteriemanagementsystem, bei dem die Signalleitungen und die Koppelglieder für eine symmetrische Signalübertragung doppelt ausgeführt sind. Mit symmetrischer Signalübertragung können Signale auch über längere Übertra-35 gungstrecken oder bei kritischen Umgebungsbedingungen störungstolerant übertragen werden. • · * · • · · · • · ·

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Die Beeinflussung des Nutzsignals durch Einkopplungen auf dem Übertragungsweg ist bei symmetrischer Signalübertragung auf beiden Signalleitungen nahezu gleichartig, so dass sich bei Differenzbildung der beiden Leitungs-Potenziale die Störung 5 nahezu aufhebt. Dazu müssen die Leitungen gleiche Quellimpedanz, Leitungsimpedanz und Lastimpedanz aufweisen.

Neben dem eigentlichen Signal wird auch ein identisches Referenzsignal entgegengesetzter Polarität übertragen. Die beiden 10 Signalleiter werden miteinander verdrillt, sodass sich alle induktiven und kapazitiven Störungen identisch aufprägen. Mittels Differenzbildung beider Signale kann im Empfänger dann das Störsignal exakt eliminiert werden. 15

BezugsZeichenliste BUS BUS_A, BUS_B C2, C3, C4 TNl, TN2, TN3, TN4 R21, R22, R31,R32, R41, R42 ELI, EL2, EL3, EL 4 Sl, Ξ2, S3, S4 GND1, GND2, GND3, GND4 VDDl, VDD2, VDD3, VDD4

Datenbus 20

Signalleitungen des Datenbusses

Kondensatoren Teilnehmer Widerstände Empfangslogiken Sendeschaltungen Spannungsniveaus Versorgungsspannungen 25

Claims

10-P-019 AT • · • · ······ · · • * · ··· · · • · · · · m ··· 7 Patentansprüche 1. DatenbusSystem mit galvanischer Trennung der Teilnehmer, 5 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Teilnehmer (TN2, TN3, TN4)über kapazitive Koppelglieder mit dem Datenbus (BUS) verbunden ist und dass die kapazitiven Koppelglieder jeweils zumindest einen Kondensator (C2, C3, C4) und eine Schaltung (R21, R22, R31,R32, 10 R41, R42) zur Aufladung des Kondensators auf eine vorge gebene Gleichspannung umfassen.

2. Datenbussystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus (BUS) eine einzelne Signalleitung um- 15 fasst und die Signalübertragung asymmetrisch erfolgt.

3. DatenbusSystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus (BUS) zwei Signalleitungen (BUS_A, BUS_B) umfasst und die Signalübertragung symmetrisch er- 20 folgt.

4. Datenbussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragung auf Basis einer gleichanteilsfreien Kodierung erfolgt. 25

5. Datenbussystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die gleichanteilsfreie Kodierung der sogenannte Manchester Code vorgesehen ist.

6. DatenbusSystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, dass zusätzlich zu der gleichanteilsfreien Übertragung mit einem gleichanteilsbehafteten Code eine Übertragung von Zusatzdaten erfolgt.

7. Datenbussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, dass es für den Einsatz in einem Batteriemanagementsystem vorgesehen ist und dass als

8 Teilnehmer (TN1, TN2, TN3, TN4) Ansteuerschaltungen für einzelne Zellen oder Zellblöcke einer Batterie vorgesehen sind. 5