DE102006005334A1 - Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers - Google Patents

Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers Download PDF

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Abstract

Erfindungsgemäß wird also zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, eine Datenkommunikation zwischen einer Zentral-Logik und einer Zellengruppen-Logik über die diese verbindende Rail-Leitung durchgeführt, wobei Spannungspegel zwischen einem An- oder über einem Maximal-Spannungspegel, bis zu dem die Zellgruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem Idle-Pegel liegenden Daten-Pegel bestehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, der aus einer Serienschaltung der Einzelzellen des Energiespeichers besteht, wobei eine Einzelzelle aus einer Zelle oder parallel geschalteten Zellen bestehen kann. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Zellenverbund eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Zellgruppen-Logik zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 sowie eine Zentral-Logik zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers über eine Zellgruppen-Logik, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13.
  • Im Automobilbereich kommen immer mehr aus Einzelzellen aufgebaute Energiespeicher, vorzugsweise aus Doppelschichtkondensatoren aufgebaute Energiespeicher zum Einsatz. Diese Doppelschichtkondensatoren bieten bei der Bereitstellung und Speicherung von Energie den Vorteil, dass sie kurzfristig hohe Leistung zur Verfügung stellen können. Um auf die in einem Kraftfahrzeug notwendige Versorgungsspannung zu kommen, müssen die einzelnen Doppelschichtkondensatoren in Reihe geschaltet werden. Die in Reihe geschalteten Zellen bilden somit einen Zellenverbund. Zum Laden, zur Symmetrierung der Zellspannung, zur Erkennung von Unter- und Überspannung einzelner Zellen, zur Ladungserhaltung der Zellen im Standbetrieb, zum Auf- und Entladen bzw. Umladen zwischen den einzelnen Zellen sowie zur Diagnose/zum Monitoring der einzelnen Zellen werden einzelne Zellen oder Zellgruppen mit jeweiligen Zellgruppen-Logiken verbunden, die einer mit diesen verbundenen Rail-Leitung Energie entnehmen oder zuführen kann, um die einzelnen Zellen bzw. Zellgruppen zu laden oder zu entladen. Im Folgenden wird beschrieben, dass jede Zellgruppen-Logik mit einer Zellgruppe verbunden ist, um deren Spannung zu überwachen und/oder zu steuern oder zu regeln. Von dem Begriff Zellgruppe sind hier auch Einzelzellen umfasst, so dass damit auch der Fall beschrieben ist, dass an jede Einzelzelle eines Zellenverbunds eines Energiespeichers eine Zellgruppen-Logik angeschossen ist, um deren Spannung zu überwachen und/oder zu steuern oder zu regeln.
  • Damit die Zellspannungen der einzelnen Zellen bzw. Zellgruppen beim zyklischen Laden oder Entladen nicht auseinanderlaufen, ist es bekannt, die Zellgruppen-Logiken mittels einer übergeordneten Regelungseinrichtung, nämlich einer Zentral-Logik, zu überwachen und so anzusteuern, dass ein gleichmäßiges Laden und/oder Entladen erreicht wird, wodurch eine lange Lebensdauer der einzelnen Zellen und somit des gesamten Zellenverbunds erreicht werden kann. Die Zellgruppen-Logiken sind üblicherweise über eine Datenleitung mit der Zentral-Logik verbunden, damit eine Datenkommunikation zur Gewährleistung der beschriebenen Funktion erfolgen kann.
  • Diese Datenleitung führt jedoch zu einem erhöhten Verdrahtungsaufwand und demzufolge auch zu einer erhöhten Fehleranfälligkeit. Zur Reduzierung des Verdrahtungsaufwands und der Fehleranfälligkeit sind gerade im Kraftfahrzeugbereich verschiedenste Verfahren bekannt, über bestehende Versorgungsleitungen auch Daten zu übertragen. Im allgemeinen werden hierzu zwischen elektronischen Geräten zu übertragende Daten auf die Versorgungsspannungsleitungen aufmoduliert. Eine solche Vorgehensweise ist jedoch durch den sich ergebenden Spannungshub gerade im Bereich der Überwachung der Spannung einzelner Zellen an einem Zellenverbund ungeeignet, da hierdurch Messergebnisse bzw. auf den Versorgungsleitungen eingeprägte Referenzspannungspegel, die zum Laden bzw. Entladen der Zellgruppen oder Einzelzellen dienen, verfälscht werden.
  • Die DE 197 33 866 A1 beschreibt ein demgegenüber verbessertes Verfahren und System zur Übertragung von Daten in einem Kraftfahrzeug, bei dem eine Satellitenstation von einer Zentralstation über eine gemeinsam für die Datenübertragung und Leistungsversorgung verwendeten Datenübertragungsleitung mit Leistung versorgt wird. Hier führt die Datenübertragung nicht zu einer Nachregelung eines Stromgenerators, so dass die durchschnittliche Spannung auf der Datenübertragungsleitung (Ruhespannung) nicht verändert wird. Da die zu übertragenden Datensignale jedoch auch hier einfach der Ruhespannung der Datenübertragungsleitung in Form von Stromimpulsen überlagert werden, welche selbst bei kleiner Größe aufgrund des hohen (Ausgangs-)Widerstands des Stromgenerators zu starken, und damit empfängerseitig leicht detektierbaren Spannungsimpulsen führen, die auf der Empfangsseite durch einen Komparator oder einen Fensterkomperator einfach zuverlässig demoduliert werden können, besteht auch hier nicht die Möglichkeit, über die zur Datenübertragung und Leistungsversorgung verwendete Datenübertragungsleitung eine Leistungsversorgung durchzuführen, die gleichzeitig einen Referenzspannungspegel definiert.
  • Somit kann mittels der bestehenden Verfahren und Vorrichtungen zur Datenübertragung auf Versorgungsleitungen keine zuverlässige Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz durchgeführt werden, wobei für jede Zellengruppe die Spannung ermittelt wird und die Zellengruppe in Abhängigkeit von der ermittelten Spannung geladen und/oder entladen wird, bei der jede Zellengruppe mit einer Zellengruppen-Logik verbunden ist und über jede Zellengruppen die Zellengruppen-Spannung ermittelt und in der Zellengruppen-Logik mit einer an einer Gleichspannungsleitung in Bezug auf Masse anliegenden Soll-Spannung verglichen wird und die Zellengruppe in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der ermittelten Zellengruppen-Spannung und der Soll-Spannung über die Gleichspannungsleitung geladen und/oder entladen wird, da die Soll-Spannung aufgrund der Datenübertragung verfälscht werden würde.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellengruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, anzugeben, bei dem eine Datenkommunikation über die Versorgungsleitung der Zellgruppen-Logiken (Rail-Leitung) erfolgen kann. Weiter ist es die Aufgabe der Erfindung, eine hierfür geeignete Zellgruppen-Logik sowie eine hierfür geeignete Zentral-Logik anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1, eine Zellgruppen-Logik nach Patentanspruch 9 und eine Zentral-Logik nach Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe über eine Versorgungsleitung, über die die Zellgruppe geladen oder entladen wird, mit einer Zellgruppen-Logik verbunden ist, die die Spannung der Zellgruppe überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellgruppen-Logik zum Laden oder Entladen der Zellgruppe einer Rail-Leitung Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik und einer anderen Zellgruppen-Logik und/oder einer Zentral-Logik über die Rail-Leitung erfolgt, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Datenkommunikation mit Spannungspegeln zwischen einem an oder über einem Maximal-Spannungspegel, bis zu dem die Zellgruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem Idle-Pegel liegenden Daten-Pegel durchgeführt wird.
  • Die erfindungsgemäße Zellgruppen-Logik zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe über eine Versorgungsleitung, über die die Zellgruppe geladen oder entladen wird, mit der Zellengruppen-Logik verbunden ist, die die Spannung der Zellengruppe überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellengruppen-Logik zum Laden oder Entladen der Zellgruppe einer Rail-Leitung Energie entnimmt oder zuführt, und eine Kommunikation der Zellgruppen-Logik und einer anderen Zellengruppen-Logik und/oder einer Zentral-Logik über die Rail-Leitung erfolgt, zeichnet sich durch eine Spannungsvergleichereinheit aus, die über die Rail-Leitung eine Datenkommunikation durchführt, wenn auf der Rail-Leitung Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal-Spannungspegel, bis zu dem die Zellengruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem Idle-Pegel liegenden Daten-Pegel anliegen.
  • Die erfindungsgemäße Zentral-Logik zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers über eine Zellengruppen-Logik, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe über eine Versorgungsleitung, über die Zellgruppe geladen oder entladen wird, mit der Zellengruppen-Logik verbunden ist, die die Spannung der Zellgruppe überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellengruppen-Logik zum Laden oder Entladen der Zellgruppe einer Rail-Leitung Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik und einer anderen Zellgruppen-Logik und/oder der Zentral-Logik über die Rail-Leitung erfolgt, zeichnet sich durch eine Spannungswandlereinheit aus, die über die Rail-Leitung eine Datenkommunikation durchführt, indem auf die Rail-Leitung Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal-Spannungspegel, bis zu dem die Zellengruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem Idle-Pegel liegenden Daten-Pegel eingeprägt werden.
  • Bei der genannten Zellgruppe handelt es sich entweder um eine einzelne Zelle oder um einen Verbund aus mehreren Einzelzellen, wobei die Anzahl der Zellen in der Zellgruppe in jedem Fall kleiner als der gesamte Zellenverbund ist. Aus Kosten- und Aufwandsgründen ist es sinnvoll, mehrere Zellen in einer Zellgruppe zusammenzufassen und die Daten statt für jede einzelne Zelle für eine Zellgruppe zu ermitteln. Bei den Zellen handelt es sich vorteilhafterweise um Doppelschichtkondensatoren. Das Verfahren, die Zellgruppen-Logik und die Zentral-Logik sind jedoch auch für jede andere Art von aus Einzelzellen aufgebauten Energiespeichern geeignet. Bei der Zellgruppen-Logik handelt es sich vorteilhafterweise um eine Einheit, die neben der Spannungsvergleichereinheit noch eine Steuereinheit aufweist, um die Zelle bzw. Zellgruppe zu laden und/oder zu entladen. Die an der Zelle bzw. Zellgruppe anliegende Spannung kann direkt in der Zellgruppen-Logik oder in der Zentral-Logik ermittelt werden. Die Spannungssteuerung bzw. -regelung der Zellen dient vorteilhafterweise sowohl der Ladungserhaltung als auch der Symmetrierung der Spannung der einzelnen Zellen. In der zuvor beschriebenen Ausführung der Zellgruppen-Logik und der Zentral-Logik kann die Zentral-Logik bei der Datenkommunikation Befehle an die Zellgruppen-Logik übertragen, da die Zentral-Logik bestimmte Spannungspegel auf die Rail-Leitung einprägen kann und die Zellgruppen-Logik die Spannungspegel der Rail-Leitung detektieren kann. Ist eine bidirektionale Datenkommunikation gewünscht, so können natürlich in der Zellgruppen-Logik auch eine Spannungswandlereinheit zum Einprägen von bestimmten Spannungspegeln und in der Zentral-Logik auch eine Spannungsvergleichereinheit zum Erfassen von Spannungspegeln vorgesehen werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Zellgruppen-Logik und die erfindungsgemäße Zentral-Logik bieten somit gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, dass die Rail-Leitung sowohl zur Versorgung der Zellgruppen-Logik mit einer Referenzspannung, über die die Zellgruppen-Logik auch gespeist werden kann, wie auch für eine Datenkommunikation zwischen der Zentral-Logik und der Zellgruppen-Logik verwendet werden kann, ohne die Referenzspannung zu stören. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die Datenkommunikation mit Spannungspegeln erfolgt, die über einem Maximalspannungspegel liegen, bis zu dem die Zellengruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, d.h., bis zu dem die Rail-Leitung zum "Übertragen" der Referenzspannung dient. Bei Überschreiten des Maximalspannungspegels tauscht die Zellgruppen-Logik mit der Rail-Leitung keine Energie mehr zum Laden oder Entladen der an diese angeschlossenen Zellgruppe aus und die auf der Rail-Leitung anliegende Spannung dient nicht mehr als Referenzspannung zum Laden oder Entladen der Zellengruppen oder Einzelzellen, d.h., die Versorgungsleitung, über die die Zellgruppe mit der Zellgruppen-Logik verbunden ist, wird auf jeden Fall von der Rail-Leitung getrennt. Hierdurch wird das Laden bzw. Entladen der Zellgruppe mit einer unverfälschten Referenzspannung durchgeführt und bei der Datenkommunikation wird das Laden bzw. Entladen der Zellgruppe unterbrochen, um ein fehlerhaftes Laden bzw. Entladen auszuschließen.
  • Vorteilhafterweise wird die Zellgruppen-Logik aktiv geschaltet, wenn auf der Rail-Leitung eine Rail-Spannung anliegt, die oberhalb eines unter dem Maximalspannungspegel liegenden Enable-Spannungspegels liegt. Die Zellgruppen-Logik ist demzufolge vorteilhafterweise so ausgebildet, dass die Spannungsvergleichereinheit die Zellgruppen-Logik aktiv schaltet, wenn auf der Rail-Leitung eine Rail-Spannung anliegt, die oberhalb eines unterhalb des Maximal-Spannungspegels liegenden Enable-Spannungspegels liegt. Die Zentral-Logik weist demzufolge vorteilhafterweise eine Steuerungseinheit auf, die die Spannungswandlereinheit ansteuert, eine Rail-Spannung einzuprägen, die oberhalb eines unterhalb des Maximal-Spannungspegels liegenden Enable-Spannungspegels liegt, um die Zellgruppen-Logik aktiv zu schalten. In dieser vorteilhaften Ausführungsform werden die Zellgruppen-Logiken im Falle eines Fehlers "Kurzschluss nach Masse" zwangsweise passiv geschaltet, d.h., disabled. Auf diese Weise wird einer Zerstörung bzw. Schädigung der einzelnen Zellgruppen vorgebeugt.
  • Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß die Versorgungsleitung der Zellgruppe so mit der Rail-Leitung verbunden, dass zwischen diesen eine Leistung übertragen wird, die an oder oberhalb eines ersten Leistungspegels liegt, wenn die Rail-Spannung oberhalb des Enable-Spannungspegels oder eines oberhalb des Enable-Spannungspegels liegenden Low-Spannungspegels und unterhalb eines höheren High-Spannungspegels oder des noch höheren Maximal-Spannungspegels liegt.
  • Weiter vorteilhafterweise wird die Versorgungsleitung der Zellgruppe erfindungsgemäß so mit der Rail-Leitung verbunden, dass zwischen diesen eine Leistung übertragen wird, die an oder oberhalb eines zweiten über dem ersten Leistungspegel liegenden Leistungspegels liegt, wenn eine Zellgruppen-Spannung oberhalb des Enable-Spannungspegels und unterhalb des Low-Spannungspegels oder oberhalb des High-Spannungspegels und unterhalb des Maximal-Spannungspegels liegt.
  • Nach der Erfindung werden vorteilhafterweise die Versorgungsleitungen verschiedener Zellgruppen so mit der Rail-Leitung verbunden, dass zwischen den verschiedenen Zellgruppen Leistung übertragen wird und/oder Leistung aus der Rail-Leitung entnommen oder an diese abgegeben wird.
  • Für diese Leistungsübertragung zwischen den Zellgruppen oder wenigstens einer Zellgruppe und der Rail-Leitung weist die erfindungsgemäße Zellgruppen-Logik vorteilhafterweise eine Schaltereinheit auf, die von der Spannungsvergleichereinheit angesteuert wird und die Versorgungsleitung der Zellgruppe so mit der Rail-Leitung verbinden kann, dass eine bestimmte Leistung übertragen wird, wobei die Spannungsvergleichereinheit die Entnahme oder Zufuhr von Energie von oder auf die Rail-Leitung anhand bestimmter auf der Rail-Leitung bestehender Spannungspegel und einer Zellgruppen-Spannung bestimmt. Bei der erfindungsgemäße Zentral-Logik steuert die Spannungssteuereinheit die Spannungswandlereinheit hierfür vorteilhafterweise an, eine Rail-Spannung einzuprägen, die oberhalb des Enable-Spannungspegels liegt, um die Zellgruppen-Logik anzusteuern, die Versorgungsleitungen verschiedener Zellgruppen so mit der Rail-Leitung zu verbinden, dass zwischen den verschiedenen Zellgruppen Leistung übertragen wird und/oder Leistung aus der Rail-Leitung entnommen oder an diese abgegeben wird.
  • Durch diese Funktionen kann sowohl eine Symmetrierung der Zellspannungen als auch das Erkennen von Unter- und Überspannungen einzelner Zellen erfolgen. Auch kann eine Ladungserhaltung der Zellen im Standbetrieb, ein Auf- und Entladen bzw. Umladen zwischen den einzelnen Zellen und eine Diagnose/ein Monitoring der einzelnen Zellen erfolgen.
  • In dem Fall einer unidirektionalen Datenkommunikation zwischen der Zentral-Logik und der Zellgruppen-Logik(en) kann durch die Zentral-Logik z.B. eine Anweisung an eine bestimmte Zellgruppen-Logik erfolgen, die Versorgungsleitung der angeschlossenen Zellgruppe mit der Rail-Leitung zu verbinden, während gleichzeitig die anderen Zellgruppen-Logiken angewiesen werden, die Versorgungsleitungen der jeweiligen Zellgruppen von der Rail-Leitung zu trennen. In diesem Fall kann sowohl ein gezieltes Laden als auch ein gezieltes Entladen der mit der Rail-Leitung verbundenen Zellgruppe über die Rail-Leitung erfolgen. Da die Zentral-Logik die Entnahme von Energie von der Rail-Leitung bzw. die Zufuhr von Energie auf die Rail-Leitung bestimmen kann, kann sie in diesem Fall auch eine gezielte Diagnose einer einzelnen Zellgruppe in Bezug auf ihre Spannung, ihren Widerstand und ihre Kapazität vornehmen. Im Fall einer bidirektionalen Kommunikation zwischen Zentral-Logik und Zellgruppen-Logik(en) kann eine solche Diagnose auch durch die Zellgruppen-Logik(en) erfolgen, wobei die Informationsübertragung über den bidirektionalen Kommunikationsmechanismus erfolgen kann.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Datenkommunikation vorteilhafterweise Adresse, Befehl, Daten, Sicherheit und/oder Antwort. Die Daten und/oder die Antwort umfassen weiter vorteilhafterweise den Innenwiderstand, die Kapazität, die Temperatur und/oder die Spannung einer Zellgruppe. Die Datenkommunikation erfolgt erfindungsgemäß vorteilhafterweise über eine Binär-Kodierung, einer Amplituden-Kodierung, einer Pulslängen-Kodierung und/oder einer Amplituden-Pulslängen-Kodierung.
  • Vorteilhafterweise steuert die erfindungsgemäße Steuerungseinheit die Spannungswandlereinheit an, die Datenkommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik und der Zentral-Logik über die Rail-Leitung durchzuführen.
    •
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
  • 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kodierung der Informationen,
  • 3 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktion des Enabelns,
  • 4 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktion der Symmetrierung der Zellspannungen,
  • 5 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktion des Erkennens von Unter- und Überspannung,
  • 6 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsfunktion,
  • 7 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Datenkodierung bei der erfindungsgemäßen Kommunikationsfunktion, und
  • 8 eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Datenkodierung bei der erfindungsgemäße Kommunikationsfunktion.
  • In der 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der physikalischtechnischen Ausführung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Vorrichtung ist beispielsweise in einem hier nicht dargestellten Fahrzeug implementiert. In der 1 sind in einem Zellenverbund Z mehrere Zellen C1, C2, ..., Cn in Reihe geschaltet. Der Zellenverbund Z ist an das Energie-Bordnetz E des Fahrzeugs angeschlossen und dient zur Energiebereitstellung, vor allem bei Hybrid-Fahrzeugen. Bei den Zellen C1 bis Cn handelt es sich vorteilhafterweise um Doppelschichtkondensatoren. Jede Zelle C1 bis Cn des Zellenverbunds Z ist mit einer jeweiligen Zellgruppen-Logik ZGL1, ZGL2, ..., ZGLn verbunden.
  • In der 1 ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass jede Zelle C1 bis Cn eine Zellgruppe bildet, die mit einer eigenen Zellgruppen-Logik verbunden ist. Die Zellgruppen-Logiken ZGL1, ZGL2, ..., ZGLn sind mit einer Rail-Leitung R verbunden, die einen Leiter 1 für Energie/Daten und einen Masseleiter 2 aufweist. Die Rail-Leitung R ist mit einer übergeordneten Zentral-Logik ZL verbunden, die auch mit der Batteriespannung Ubatt, der Fahrzeugmasse und einem Datenbus des Fahrzeugs verbunden ist.
  • Die 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kodierung der Informationen in zwei Varianten, wobei die erste Variante den in 1 dargestellten Fall betrifft, dass jede Einzelzelle C1, C2, ..., Cn mit einer eigenen Zellgruppen-Logik ZGL1, ZGL2, ..., ZGLn verbunden ist und die zweite Variante den Fall betrifft, dass jede Zellgruppen-Logik mit einer Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen verbunden ist, also eine Zellgruppe nicht lediglich aus einer Einzelzelle, sondern aus mehreren Einzelzellen besteht. Der Unterschied der beiden Varianten liegt darin, dass in der ersten Variante eine Zellspannung zwischen dem Enable-Pegel und dem Maximal-Pegel liegt, während in der zweiten Variante eine Zellgruppen-Spannung zwischen diesen Pegeln liegt. Für beide Varianten wird ein über dem Massepegel liegender Enable-Pegel, ein über dem Enable-Pegel liegender Low-Pegel, ein über dem Low-Pegel liegender High-Pegel, ein über dem High-Pegel liegender Maximal-Pegel, ein über dem Maximal-Pegel liegender Idle-Pegel und ein über dem Idle-Pegel liegender Daten-Pegel definiert. Bei einem Spannungs-Pegel auf der Rail-Leitung zwischen dem Massepegel und dem Enable-Pegel sind die Zellgruppen-Logiken disabled, d.h., ausgeschaltet. Oberhalb des Enable-Pegels werden sie enabled, d.h., aktiv geschaltet. Zwischen dem Enable-Pegel und dem Maximal-Pegel wird in der Variante 1 die Zellspannung und in der Variante 2 die Zellgruppenspannung mittels einer auf der Rail-Leitung eingeprägten Referenzspannung gesteuert bzw. geregelt. Zwischen dem Maximal-Pegel und dem Idle-Pegel werden die Zellgruppen-Logiken in beiden Varianten neutral geschaltet und oberhalb des Idle-Pegels findet eine Datenübertragung statt. Low-Pegel und High-Pegel dienen zum Erkennen von Unter- und Überspannungen einzelner Zellen bzw. Zellgruppen.
  • In der 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktivschaltung der Zellgruppen-Logiken gezeigt. Eine Zellgruppen-Logik ZGLx wird aktiv geschaltet, wenn die auf dem Energie-/Datenleiter 1 eingeprägte Spannung Uin größer oder gleich dem Enable-Pegel Uenable ist. Ist dies nicht der Fall, so wird die Zellgruppen-Logik ZGLx passiv geschaltet, d.h., disabled. Um diese Funktion auszuführen, umfasst die Zellgruppen-Logik ZGLx eine Spannungsvergleichereinheit 3, die die auf dem Energie-/Datenleiter 1 anliegende Spannung Uin mit dem Enable- Pegel Uenable vergleicht. In dem Fall, dass die auf dem Energie-/Datenleiter 1 eingeprägte Spannung Uin größer oder gleich dem Enable-Pegel Uenable ist, wird eine Logik-Baugruppe 4 aktiviert, d.h., enabled.
  • Die 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktion der Symmetrierung der Zellspannungen. Zusätzlich zu der in der 3 gezeigten und im Zusammenhang mit dieser beschriebenen Funktion überwacht die Spannungsvergleichereinheit 3, ob die auf dem Energie-/Datenleiter 1 eingeprägte Spannung Uin größer gleich dem Enable-Pegel Uenable und kleiner gleich dem Maximal-Pegel Umax oder alternativ größer gleich dem Low-Pegel Ulow und kleiner gleich dem High-Pegel Uhigh ist. Ist dies der Fall, so wird eine von der Logik-Baugruppe 4 freigegebene Schaltereinheit 5, hier in Form eines DC/DC-Wandlers, angewiesen, eine niedrige Leistung Plow an die Zellgruppen-Logik ZGLx angeschlossene Zelle Cx abzugeben, wobei eine Zellenspannung Uzelle als die auf dem Energie-/Datenleiter 1 eingeprägte Eingangsspannung minus dem Enable-Pegel Uenable ist. Die Symmetrierung der Zellspannung erfolgt in dem Falle, dass sich die Schnittstellenspannung Uin in einem Spannungsbereich oberhalb des Enable-Pegels bzw. des Low-Pegels Ulow und unterhalb des Maximal-Pegels bzw. des High-Pegels Uhigh bewegt. Die um den Enable-Pegel verminderte Rail-Spannung ist zugleich auch die Zellenspannung, alternativ die Zellgruppen-Spannung. Für den Fall, dass die Zellenspannung größer als die um den Enable-Pegel verminderte Rail-Spannung ist, wird Energie mit Hilfe des DC/DC-Wandlers 5 von der Zelle Cx in die Rail R transferiert. Ist die Zellenspannung Uzelle kleiner als die um den Enable-Pegel verminderte Rail-Spannung Uin, so wird die Energie aus der Rail R in die Zelle Cx transferiert.
  • Die 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktionen des Erkennens von Unter- und Überspannung. Zusätzlich zu der in der 4 gezeigten und in Bezug auf diesen beschriebenen Funktion der Zellgruppen-Logik ZGLx wird überprüft, ob die Zellen-Spannung Uzelle größer gleich dem Enable-Pegel Uenable und kleiner gleich dem Low-Pegel Ulow oder größer gleich dem High-Pegel Uhigh und kleiner gleich dem Maximal-Pegel Umax ist. Ist dies der Fall, so wird die Schaltereinheit 5 angewiesen, der Zelle Cx eine hohe Leistung Phigh zuzuführen bzw. zu entnehmen. Dies dient dazu, Unter- oder Überspannungen schnell abzubauen.
  • Für das Erkennen von Unter- oder Überspannung in der Zelle/Zellgruppe wird also neben der Diagnose-/Monitorfunktion ein nicht konstanter Leistungsverlauf der Transferleistung des DC/DC-Wandlers 5 über der Zellspannung Uzelle implementiert. Für den Fall, dass die Rail-Spannung Uin sich zwischen Enable-Pegel Uenable und Low-Pegel Ulow bzw. zwischen High-Pegel Uhigh und Maximal-Pegel Umax befindet, wird entweder die normale oder bevorzugt die höhere Transferleistung angefordert. Alternativ kann anstelle des DC/DC-Wandlers 5 als Schaltereinheit eine Schaltung implementiert werden, welche lediglich den Strom auf der Rail-Leitung R einprägt, ohne eine Symmetrierungsfunktion bzw. nur eine Teilfunktion (z.B. einseitige/unidirektionale Symmetrierung) zu beinhalten.
  • Die 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsfunktion. Zusätzlich zu der in 5 gezeigten und im Zusammenhang mit dieser beschriebenen Funktion umfasst die Zellgruppen-Logik ZGLx einen Dateninterpreter 6, der mit der auf der Rail-Leitung R eingeprägten Rail-Spannung Uin versorgt wird, wenn von der Spannungsvergleichereinheit 3 festgestellt wird, dass die Rail-Spannung Uin größer gleich dem Idle-Pegel Uidle ist. In diesem Fall werden Daten übertragen, die mittels des Daten-Interpreters 6 ausgewertet werden, wodurch dieser die Schaltereinheit 5, d.h., hier den DC/DC-Wandler, ansteuern kann.
  • Die 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Prinzips der Datenkodierung der erfindungsgemäßen Kommunikationsfunktion. Zur Datenübertragung werden hier von der Zentral-Logik ZL 4 Datenblöcke A, B, D und S an die Zellgruppen-Logik(en) ZGL geschickt, worauf von dieser/diesen ein Datenblock R als Antwort erfolgt. Die von der Zentral-Logik ZL gesandten Datenblöcke umfassen einen Datenblock für die Adresse A, einen Datenblock für einen Befehl B, einen Datenblock für Daten D und einen Datenblock für eine Sicherheitsfunktion S.
  • Die 8 zeigt bevorzugte Ausführungsbeispiele der Datenkodierung der erfindungsgemäßen Kommunikationsfunktion. In einem aus den im Zusammenhang mit 7 beschriebenen fünf Datenblöcken beschriebenen Datenframe wird mit Hilfe des erlaubten Spannungshubs eine Datenkommunikation aufgebaut, die, wie oben beschrieben, Adresse, Befehl, Daten, Sicherheit und Antwort umfasst. In dem gezeigten Beispiel weist die Adresse eine Länge von 8 Zeitschlitzen, der Befehl eine Länge von 3 Zeitschlitzen, die Daten eine Länge von 8 Zeitschlitzen, die Sicherheit eine Länge von 4 Zeitschlitzen und die innerhalb des Datenrahmens gegebene Antwort eine Länge von 8 Zeitschlitzen auf. Die Antwort kann binär, amplitudenmoduliert, pulsweitenmoduliert oder amplituden- und pulsweitenmoduliert erfolgen. Wird eine binäre Empfängerantwort implementiert, kann auf ein bekanntes Datenprotokoll zurückgegriffen werden, während in den anderen Varianten optimierte Sonderlösungen implementiert sind.
  • Mit Hilfe des Kommunikationsmechanismus kann sowohl eine Ladungserhaltung der Zellen im Standbetrieb als auch ein Auf- und Entladen bzw. Umladen zwischen den einzelnen Zellen sowie eine Diagnose sowie ein Monitoring der einzelnen Zellen erfolgen.
  • In dem Fall, dass die Ladungserhaltung der Zellen im Standbetrieb nicht durch einfaches Anlegen der Zielspannung der Zellen an die Rail-Leitung R erfolgt, wobei der Mechanismus der Symmetrierung aktiv ist, wie er in 4 gezeigt und im Zusammenhang mit dieser beschrieben wurde, kann eine feste oder variable Spannungsschwelle mit einem eigenen Funktionsteil verwendet werden. Die Aktivierung erfolgt hier über den Kommunikationsmechanismus mittels eines separaten Datenbefehls.
  • Auch das Auf- und Entladen bzw. Umladen zwischen einzelnen Zellen kann über den in der 4 gezeigten und im Zusammenhang mit dieser beschriebenen Funktion der Symmetrierung erfolgen. Alternativ ist auch hier eine Aktivierung durch den Kommunikationsmechanismus über einen separaten Datenbefehl möglich.
  • Die Überwachung der einzelnen Zellen/Gruppen für die Diagnose/das Monitoring der einzelnen Zellen beinhaltet vorzugsweise den Innenwiderstand, die Zellkapazität, die Temperatur und die Spannung. Der Temperatursensor kann entweder separat oder auf der Logik integriert sein. Spannung und Temperatur können direkt gemessen werden, während Innenwiderstand und Zellkapazität vorverarbeitet werden müssen. Die Informationsübertragung an die Zentral-Logik erfolgt vorzugsweise über den Kommunikationsmachanismus. Die erfindungsgemäße Energiespeicherschnittstelle ermöglicht eine Skalierbarkeit der Funktionen/Logik, eine kostengünstige Anbindung verschiedener Sensorik, eine standardisierte, intelligente Energiespeicherzelle, eine Minimierung der externen Verbindungstechnik, eine günstige Anordnung aus EMV-Sicht und eine verbesserte Recycling-Fähigkeit.
  • Erfindungsgemäß wird also zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, eine Datenkommunikation zwischen einer Zentral-Logik und einer Zellgruppen-Logik über die diese verbindende Rail-Leitung durchgeführt, wobei Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal-Spannungspegel, bis zu dem die Zellgruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem Idle-Pegel liegenden Daten-Pegel bestehen.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung (UZelle) wenigstens einer Zellgruppe (C) in einem Zellenverbund (Z) eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe (C) über eine Versorgungsleitung (V), über die die Zellgruppe (C) geladen oder entladen wird, mit einer Zellgruppen-Logik (ZGL) verbunden ist, die die Spannung (UZelle) der Zellgruppe überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellgruppen-Logik (ZGL) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) einer Rail-Leitung (R) Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik (ZGL) und einer anderen Zellgruppen-Logik (ZGL) und/oder einer Zentral-Logik (ZL) über die Rail-Leitung (R) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenkommunikation mit Spannungspegeln zwischen einem an oder über einem Maximal-Spannungspegel (Umax), bis zu dem die Zellgruppen-Logik (ZGL) mit der Rail-Leitung (R) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel (Uidle) und einem über dem Idle-Pegel (Uidle) liegenden Daten-Pegel durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellgruppen-Logik (ZGL) aktiv geschaltet wird, wenn auf der Rail-Leitung (R) eine Rail-Spannung (Uin) anliegt, die oberhalb eines unter dem Maximal-Spannungspegel (Umax) liegenden Enable-Spannungspegels (Uenable) liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (V) der Zellgruppe (C) so mit der Rail-Leitung (R) verbunden wird, dass eine Leistung übertragen wird, die an oder oberhalb eines ersten Leistungspegels (Plow) liegt, wenn die Rail- Spannung (Uin) oberhalb des Enable-Spannungspegels (Uenable) oder eines oberhalb des Enable-Spannungspegels liegenden Low-Spannungspegels (Ulow) und unterhalb eines höheren High-Spannungspegels (Uhigh) oder des noch höheren Maximal-Spannungspegels (Umax) liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (V) der Zellgruppe (C) so mit der Rail-Leitung (R) verbunden wird, dass eine Leistung übertragen wird, die an oder oberhalb eines zweiten über dem ersten Leistungspegel liegenden Leistungspegels (Phigh) liegt, wenn eine Zellgruppen-Spannung (Uzelle) oberhalb des Enable-Spannungspegels (Uenable) und unterhalb des Low-Spannungspegels (Ulow) oder oberhalb des High-Spannungspegels (Uhigh) und unterhalb des Maximal-Spannungspegels (Umax) liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitungen (V) verschiedener Zellgruppen (C) so mit der Rail-Leitung (R) verbunden werden, dass zwischen den verschiedenen Zellgruppen (C) Leistung übertragen wird und/oder Leistung aus der Rail-Leitung (R) entnommen oder an diese abgegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikation Adresse (A), Befehl (B), Daten (D), Sicherheit (S) und/oder Antwort (R) umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten (D) und/oder die Antwort (R) den Innenwiderstand, die Kapazität, die Temperatur und/oder die Spannung (UZelle) einer Zellgruppe (C) umfassen.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikation über eine Binär-Kodierung, eine Amplituden-Kodierung, eine Pulslängen-Kodierung und/oder eine Amplituden-Pulslängen-Kodierung erfolgt.
  9. Zellgruppen-Logik (ZGL) zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung (UZelle) wenigstens einer Zellgruppe (C) in einem Zellenverbund (Z) eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe (C) über eine Versorgungsleitung (V), über die die Zellgruppe (C) geladen oder entladen wird, mit der Zellgruppen-Logik (ZGL) verbunden ist, die die Spannung (UZelle) der Zellgruppe (C) überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellgruppen-Logik (ZGL) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) einer Rail-Leitung (R) Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik (ZGL) und einer anderen Zellgruppen-Logik (ZGL) und/oder einer Zentral-Logik (ZL) über die Rail-Leitung (R) erfolgt, gekennzeichnet durch eine Spannungsvergleichereinheit (3), die über die Rail-Leitung (R) eine Datenkommunikation durchführt, wenn auf der Rail-Leitung (R) Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal-Spannungspegel (Umax), bis zu dem die Zellgruppen-Logik (ZGL) mit der Rail-Leitung (R) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel (Uidle) und einem über dem Idle-Pegel (Uidle) liegenden Daten-Pegel anliegen.
  10. Zellgruppen-Logik (ZGL) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvergleichereinheit (3) die Zellgruppen-Logik (ZGL) aktiv schaltet, wenn auf der Rail-Leitung (R) eine Rail-Spannung (Uin) anliegt, die oberhalb eines unterhalb des Maximal- Spannungspegels (Umax) liegenden Enable-Spannungspegels (Uenable) liegt.
  11. Zellgruppen-Logik (ZGL) nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Schaltereinheit (5), die von der Spannungsvergleichereinheit (3) angesteuert wird und die Versorgungsleitung (V) der Zellgruppe (C) so mit der Rail-Leitung (R) verbinden kann, dass eine bestimmte Leistung übertragen wird, wobei die Spannungsvergleichereinheit (3) die Entnahme oder Zufuhr von Energie von oder auf die Rail-Leitung (R) anhand bestimmter auf der Rail-Leitung (R) bestehender Spannungspegel und anhand einer Zellgruppen-Spannung (UZelle) bestimmt.
  12. Zellgruppen-Logik (ZGL) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikation über eine Binär-Kodierung, eine Amplituden-Kodierung, eine Pulslängen-Kodierung und/oder eine Amplituden-Pulslängen-Kodierung erfolgt.
  13. Zentral-Logik (ZL) zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung (UZelle) wenigstens einer Zellgruppe (C) in einem Zellenverbund (Z) eines Energiespeichers über eine Zellgruppen-Logik (ZGL), insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe (C) über eine Versorgungsleitung (V), über die die Zellgruppe (C) geladen oder entladen wird, mit der Zellgruppen-Logik (ZGL) verbunden ist, die die Spannung der Zellgruppe (C) überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellgruppen-Logik (ZGL) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) einer Rail-Leitung (R) Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik (ZGL) und einer anderen Zellgruppen-Logik (ZGL) und/oder der Zentral-Logik (ZL) über die Rail-Leitung (R) erfolgt, gekennzeichnet durch eine Spannungswandlerereinheit, die über die Rail-Leitung (R) eine Datenkommunikation durchführt, indem auf die Rail-Leitung (R) Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal-Spannungspegel (Umax), bis zu dem die Zellgruppen-Logik (ZGL) mit der Rail-Leitung (R) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel (Uidle) und einem über dem Idle-Pegel (Uidle) liegenden Daten-Pegel eingeprägt werden.
  14. Zentral-Logik (ZL) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinheit, die die Spannungswandlereinheit ansteuert eine Rail-Spannung (Uin) einzuprägen, die oberhalb eines unterhalb des Maximal-Spannungspegels (Umax) liegenden Enable-Spannungspegels (Uenable) liegt, um die Zellgruppen-Logik (ZGL) aktiv zu schalten.
  15. Zentral-Logik (ZL) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit die Spannungswandlereinheit ansteuert eine Rail-Spannung (Uin) einzuprägen, die oberhalb des Enable-Spannungspegels (Uenable) liegt, um die Zellgruppen-Logik (ZGL) anzusteuern, die Versorgungsleitungen (V) verschiedener Zellgruppen (C) so mit der Rail-Leitung (R) zu verbinden, dass zwischen den verschiedenen Zellgruppen (C) Leistung übertragen wird und/oder Leistung aus der Rail-Leitung (R) entnommen oder an diese abgegeben wird.
  16. Zentrale Logikeinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit die Spannungswandlereinheit ansteuert die Datenkommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik (ZGL) und der Zentral-Logik (ZL) über die Rail-Leitung (R) durchzuführen.
  17. Zentrale Logikeinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikation über eine Binär- Kodierung, eine Amplituden-Kodierung, eine Pulslängen-Kodierung und/oder eine Amplituden-Pulslängen-Kodierung erfolgt.
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