DE102010039891A1 - Battery system with DC / DC converter in the high-voltage network for supplying a microcontroller - Google Patents

Battery system with DC / DC converter in the high-voltage network for supplying a microcontroller Download PDF

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Abstract

Es wird ein Batteriesystem mit einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz eingeführt. Das Hochvoltnetz umfasst eine Hochvoltbatterie mit einer Vielzahl von seriengeschalteten Batteriezellen (10-1, ..., 10-n) und einen ersten Mikrocontroller (20), das Niedervoltnetz einen zweiten Mikrocontroller (15). Der erste Mikrocontroller (20) und der zweite Mikrocontroller (15) sind durch einen Datenbus verbunden, welcher ausgebildet ist, Daten über einen zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrocontroller (20, 15) angeordneten ersten Isolator (14) zu übertragen. Die Hochvoltbatterie weist wenigstens eine mit dem ersten Mikrocontroller (20) verbundene oder verbindbare Zellüberwachungseinheit (11-1, ..., 11-n) auf, welche ausgebildet ist, Zellspannungen der Batteriezellen (10-1, ..., 10-n) zu messen und die gemessenen Zellspannungen an den ersten Mikrocontroller (20) zu übermitteln. Gemäß der Erfindung ist ein mit der Hochvoltbatterie verbundener DC/DC-Umsetzer (21) vorgesehen, welcher ausgebildet ist, aus einer von der Hochvoltbatterie ausgegebenen Spannung eine Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller (20) zu erzeugen und an den ersten Mikrocontroller (20) auszugeben.A battery system with a high-voltage network and a low-voltage network is introduced. The high-voltage network comprises a high-voltage battery with a plurality of series-connected battery cells (10-1, ..., 10-n) and a first microcontroller (20), the low-voltage network a second microcontroller (15). The first microcontroller (20) and the second microcontroller (15) are connected by a data bus, which is designed to transmit data via a first isolator (14) arranged between the first and the second microcontroller (20, 15). The high-voltage battery has at least one cell monitoring unit (11-1, ..., 11-n) which is connected or connectable to the first microcontroller (20) and which is designed to detect cell voltages of the battery cells (10-1, ..., 10-n) ) and to transmit the measured cell voltages to the first microcontroller (20). According to the invention, a DC / DC converter (21) connected to the high-voltage battery is provided, which is designed to generate an operating voltage for the first microcontroller (20) from a voltage output by the high-voltage battery and to output it to the first microcontroller (20) .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einem DC/DC-Umsetzer in einem Hochvoltnetz zur Versorgung eines Mikrocontrollers und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.The present invention relates to a battery system with a DC / DC converter in a high-voltage network for supplying a microcontroller and a motor vehicle with such a battery system.

Stand der TechnikState of the art

Es besteht ein wachsender Bedarf an Batteriesystemen, welche in stationären Anwendungen wie Windkraftanlagen und Notstromsystemen oder aber in Fahrzeugen zum Einsatz kommen sollen. Alle diese Anwendungen stellen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit. Der Grund hierfür ist, dass ein vollständiger Ausfall der Spannungsversorgung durch das Batteriesystem zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann. So werden bei Windkraftanlagen Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Rotorblätter zu verstellen und die Anlage so vor übermäßigen mechanischen Belastungen zu schützen, die die Windkraftanlage beschädigen oder sogar zerstören können. Im Falle des Ausfalls der Batterie eines Elektroautos würde dieses fahruntüchtig. Ein Notstromsystem wiederum soll gerade den unterbrechungsfreien Betrieb z. B. eines Krankenhauses sicherstellen und daher selbst möglichst nicht ausfallen können.There is a growing demand for battery systems which are to be used in stationary applications such as wind turbines and emergency power systems or in vehicles. All of these applications place high demands on reliability and reliability. The reason for this is that a complete failure of the power supply by the battery system can lead to a failure of the entire system. In wind turbines, batteries are used to adjust the rotor blades in strong winds and thus to protect the system from excessive mechanical loads that can damage or even destroy the wind turbine. In the case of failure of the battery of an electric car, this would not drive. An emergency power system in turn is just the uninterruptible operation z. B. a hospital and therefore even fail as possible.

Um die für die jeweilige Anwendung geforderte Leistung und Energie zur Verfügung stellen zu können, werden einzelne Batteriezellen in einem Batteriemodul in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet, wobei eine hohe Gesamtspannung entsteht, welche eine Gefahrenquelle darstellt und abgesichert werden muss. So werden gewöhnlich zwei Hauptschütze vorgesehen, welche den positiven und den negativen Pol des Batteriemoduls auf ein entsprechendes Steuersignal hin abtrennen und das Batteriemodul so nach außen hin spannungsfrei schalten.In order to be able to provide the power and energy required for the respective application, individual battery cells in a battery module are connected in series and partly in parallel, resulting in a high total voltage, which represents a source of danger and must be protected. Thus, two main contactors are usually provided, which disconnect the positive and the negative pole of the battery module to a corresponding control signal and turn the battery module to the outside voltage-free.

Zur Überwachung der Batteriezellen wird eine so genannte Steuereinheit oder Battery Control Unit (BCU) eingesetzt, welche als zentrale Komponente einen Mikrocontroller aufweist. Die BCU wird in einem Niedervoltnetz betrieben und muss somit von dem Hochvoltnetz mit dem Batteriemodul isoliert werden. Gleichzeitig muss der Mikrocontroller der BCU aber aktuelle Messdaten von den Batteriezellen (bzw. im Batteriemodul angeordneten Zellüberwachungseinheiten, welche die diversen Batterieparameter messen) empfangen, um beispielsweise deren Ladungszustand oder Alterungszustand oder die Gesamtspannung des Batteriemoduls zu bestimmen, so dass eine Kommunikation zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz trotz des Isolationserfordernisses möglich sein muss. Da die Zellüberwachungseinheiten potentialmäßig an das Hochvoltnetz angebunden sind, der Mikrocontroller der BCU aber an das Niedervoltnetz, können die Zellüberwachungseinheiten über einen Isolationsbaustein oder Isolator an den Mikrocontroller angebunden werden.To monitor the battery cells, a so-called control unit or Battery Control Unit (BCU) is used, which has a microcontroller as the central component. The BCU is operated in a low-voltage network and must therefore be isolated from the high-voltage network with the battery module. At the same time, however, the microcontroller of the BCU must receive current measurement data from the battery cells (or cell monitor units arranged in the battery module, which measure the various battery parameters) in order to determine, for example, their state of charge or aging state or the total voltage of the battery module, so that communication between the high-voltage network and the low-voltage network despite the isolation requirement must be possible. Since the cell monitoring units are connected in terms of potential to the high-voltage network, but the microcontroller of the BCU to the low-voltage network, the cell monitoring units can be connected to the microcontroller via an isolation module or insulator.

Weil die Kommunikation über den Isolator schwierig ist, wird hochvoltseitig oft ein zusätzlicher Mikrocontroller vorgesehen, welcher überwiegend autark die Zellüberwachungseinheiten steuert und über den Isolator mit dem Mikrocontroller der BCU kommuniziert. Hierbei ist nur ein geringer Datenaustausch notwendig, der zudem nicht zeitkritisch ist. Zur Versorgung des zusätzlichen Mikrocontrollers wurde vorgeschlagen, elektrische Leistung aus dem Niedervoltnetz zur Verfügung zu stellen, wobei jedoch wiederum verhältnismäßig aufwendige Isolationsmaßnahmen zu treffen sind.Because the communication through the isolator is difficult, the high-voltage side often provides an additional microcontroller, which predominantly autonomously controls the cell monitoring units and communicates with the microcontroller of the BCU via the isolator. In this case, only a small data exchange is necessary, which is also not time-critical. To supply the additional microcontroller has been proposed to provide electrical power from the low-voltage network available, but again relatively expensive isolation measures are to be taken.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ein erster Aspekt der Erfindung führt daher ein Batteriesystem mit einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz ein. Das Hochvoltnetz umfasst eine Hochvoltbatterie mit einer Vielzahl von seriengeschalteten Batteriezellen und einen ersten Mikrocontroller, das Niedervoltnetz einen zweiten Mikrocontroller. Der erste Mikrocontroller und der zweite Mikrocontroller sind durch einen Datenbus verbunden, welcher ausgebildet ist, Daten über einen zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrocontroller angeordneten ersten Isolator zu übertragen. Die Hochvoltbatterie weist wenigstens eine mit dem ersten Mikrocontroller verbundene oder verbindbare Zellüberwachungseinheit auf, welche ausgebildet ist, Zellspannungen der Batteriezellen zu messen und die gemessenen Zellspannungen an den ersten Mikrocontroller zu übermitteln. Gemäß der Erfindung ist ein mit der Hochvoltbatterie verbundener DC/DC-Umsetzer vorgesehen, welcher ausgebildet ist, aus einer von der Hochvoltbatterie ausgegebenen Spannung eine Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller zu erzeugen und an den ersten Mikrocontroller auszugeben.A first aspect of the invention therefore introduces a battery system with a high-voltage network and a low-voltage network. The high-voltage network includes a high-voltage battery with a large number of series-connected battery cells and a first microcontroller, the low-voltage network a second microcontroller. The first microcontroller and the second microcontroller are connected by a data bus, which is designed to transmit data via a first isolator arranged between the first and the second microcontroller. The high-voltage battery has at least one cell monitoring unit connected or connectable to the first microcontroller, which is designed to measure cell voltages of the battery cells and to transmit the measured cell voltages to the first microcontroller. According to the invention, a DC / DC converter connected to the high-voltage battery is provided, which is designed to generate an operating voltage for the first microcontroller from a voltage output by the high-voltage battery and to output it to the first microcontroller.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass der erste Mikrocontroller nicht aus einer im Niedervoltnetz eventuell vorgesehenen Niedervoltbatterie, sondern aus der für den Antrieb vorgesehenen Hochvoltbatterie, welche eine wesentlich höhere Kapazität besitzt, versorgt wird. Dies verhindert, dass ein Nachlauf des ersten Mikrocontrollers bei Stillstand des Kraftfahrzeuges, beispielsweise im Rahmen eines Cell-Balancings der Batteriezellen der Hochvoltbatterie, das ohne die Belastung der Hochvoltbatterie durch eine hohe Last wie einen elektrischen Antriebsmotor durchgeführt werden soll, die Niedervoltbatterie unter ungünstigen Umständen entladen kann. Unter Cell-Balancing versteht man das Angleichen der Ladungszustände der einzelnen Batteriezellen einer Batterie.The invention has the advantage that the first microcontroller is not supplied from a low-voltage battery possibly provided in the low-voltage network, but from the high-voltage battery provided for the drive, which has a much higher capacity. This prevents a caster of the first microcontroller at standstill of the motor vehicle, for example in the context of a cell balancing of the battery cells of the high-voltage battery, which is to be performed without the burden of the high-voltage battery by a high load such as an electric drive motor, unload the low-voltage battery under unfavorable conditions can. Cell balancing is understood to mean the matching of the charge states of the individual battery cells of a battery.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass preiswerte DC/DC-Umsetzer-Konfigurationen verwendet werden können, da der DC/DC-Umsetzer zusammen mit dem ersten Mikrocontroller im Hochvoltnetz angeordnet ist, so dass keine aufwendige Isolation zum Schutz des Niedervoltnetzes betrieben werden muss. Ein Isolator ist daher nur für den Datenbus notwendig, der ersten und zweiten Mikrocontroller miteinander verbindet.Another advantage of the invention is that inexpensive DC / DC converter configurations can be used, since the DC / DC converter is arranged together with the first microcontroller in the high-voltage network, so that no complex isolation to protect the low-voltage network must be operated. An isolator is therefore necessary only for the data bus connecting first and second microcontrollers.

Bevorzugt ist daher der DC/DC-Umsetzer ein nicht isolierender DC/DC-Umsetzer, beispielsweise ein Tiefsetzsteller) oder enthält einen nicht isolierenden DC/DC-Umsetzer.Preferably, therefore, the DC / DC converter is a non-insulating DC / DC converter, for example, a step-down converter) or contains a non-insulating DC / DC converter.

Alternativ kann der DC/DC-Umsetzer aber auch ein Flyback-Konverter, ein Half-Bridge-Konverter oder ein Full-Bridge-Konverter sein oder einen Flyback-Konverter, einen Half-Bridge-Konverter oder einen Full-Bridge-Konverter enthalten.Alternatively, the DC / DC converter may also be a flyback converter, a half-bridge converter or a full-bridge converter or include a flyback converter, a half-bridge converter or a full-bridge converter.

Der DC/DC-Umsetzer ist bevorzugt kaskadiert aufgebaut und enthält ein erstes DC/DC-Umsetzer-Modul und ein zweites DC/DC-Umsetzer-Modul. Das erste DC/DC-Umsetzer-Modul ist dann ausgebildet, aus der von der Hochvoltbatterie ausgegebenen Spannung eine Zwischenspannung, welche niedriger als die von der Hochvoltbatterie ausgegebene Spannung und höher als die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller ist, zu erzeugen und an das zweite DC/DC-Umsetzermodul auszugeben. Das zweite DC/DC-Umsetzer-Modul ist ausgebildet, aus der Zwischenspannung die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller zu erzeugen und an den ersten Mikrocontroller auszugeben. Die Kaskadierung zweier (oder mehr) DC/DC-Umsetzer-Module oder -Stufen hat den Vorteil, dass die gewöhnlich sehr hohe von der Hochvoltbatterie ausgegebene Spannung einfacher und insbesondere mit einem besseren Wirkungsgrad in die sehr viel niedrigere Betriebsspannung des ersten Mikrocontrollers umgesetzt werden kann.The DC / DC converter is preferably constructed in a cascaded manner and contains a first DC / DC converter module and a second DC / DC converter module. The first DC / DC converter module is then configured to generate an intermediate voltage, which is lower than the voltage output by the high-voltage battery and higher than the operating voltage for the first microcontroller, from the voltage output by the high-voltage battery and to the second DC / DC converter module output. The second DC / DC converter module is designed to generate from the intermediate voltage, the operating voltage for the first microcontroller and output to the first microcontroller. The cascading of two (or more) DC / DC converter modules or stages has the advantage that the usually very high voltage output by the high-voltage battery can be implemented more easily and in particular with better efficiency into the much lower operating voltage of the first microcontroller ,

Das Batteriesystem kann einen zwischen den DC/DC-Umsetzer und den ersten Mikrocontroller geschalteten Linearregler aufweisen, welcher ausgebildet ist, die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller zu stabilisieren. Dem ersten Mikrocontroller kann auf diese Weise eine möglichst störungsfreie Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt werden, was insbesondere in dem stark durch elektromagnetische Störungen, verursacht durch den Betrieb eines Wechselrichters, beeinträchtigten Umfeld eines solchen Batteriesystems wichtig sein kann.The battery system may include a linear regulator connected between the DC / DC converter and the first microcontroller, which is designed to stabilize the operating voltage for the first microcontroller. The first microcontroller can be provided in this way as trouble-free supply voltage available, which can be particularly important in the strongly affected by electromagnetic interference caused by the operation of an inverter, environment of such a battery system.

Die Hochvoltbatterie kann n zwischen einen Pluspol und einen Minuspol der Hochvoltbatterie geschaltete Batteriezellen enthalten. Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang des DC/DC-Umsetzers m der n seriengeschalteten Batteriezellen geschaltet, wobei m und n positive ganze Zahlen sind und m kleiner als n ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung steht zwar nicht die gesamte Kapazität der Hochvoltbatterie für die Versorgung des ersten Mikrocontrollers zur Verfügung, allerdings ist auch ein Teil der Kapazität der Hochvoltbatterie bei weitem ausreichend für die Versorgung des ersten Mikrocontrollers. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante ist daher, dass der DC/DC-Umsetzer eine geringere Eingangsspannung erhält, als wenn er eingangsseitig zwischen den Pluspol und den Minuspol der Hochvoltbatterie geschaltet wäre. Dadurch kann der DC/DC-Umsetzer für eine geringere Spannungsverträglichkeit ausgelegt und der Wirkungsgrad der DC/DC-Umsetzung verbessert werden.The high-voltage battery can contain n battery cells connected between a positive pole and a negative pole of the high-voltage battery. In an advantageous embodiment of the invention are connected between a first input and a second input of the DC / DC converter m of the n series-connected battery cells, where m and n are positive integers and m is smaller than n. Although not the entire capacity of the high-voltage battery for the supply of the first microcontroller is available in this embodiment of the invention, but also a part of the capacity of the high-voltage battery is far enough for the supply of the first microcontroller. The advantage of this embodiment is therefore that the DC / DC converter receives a lower input voltage than if it were connected on the input side between the positive pole and the negative pole of the high-voltage battery. As a result, the DC / DC converter can be designed for lower voltage compatibility and the efficiency of the DC / DC conversion can be improved.

Das Batteriesystem kann einen zweiten Isolator aufweisen, der zwischen dem zweiten Mikrocontroller und dem DC/DC-Umsetzer angeordnet ist. Der zweite Mikrocontroller ist dabei ausgebildet, ein Steuersignal zu erzeugen und über den zweiten Isolator an den DC/DC-Umsetzer auszugeben. Der DC/DC-Umsetzer wiederum ist ausgebildet, auf den Empfang des Steuersignals hin den Betrieb aufzunehmen und die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller zu erzeugen. In einem üblichen Batteriesystem wird der erste Mikrocontroller vom zweiten Mikrocontroller in einem Master/Slave-Verhältnis gesteuert. Dies kann im Rahmen der Erfindung durch das Steuersignal, beispielsweise ein Enable-Signal, geschehen, durch den der zweite Mikrocontroller den ersten Mikrocontroller aufwecken beziehungsweise in Betrieb versetzen kann. Der erste Mikrocontroller kann dann eine vorbestimmte oder durch den zweiten Mikrocontroller vorgegebene Routine ausführen und sich anschließend wieder in einen Standby-Zustand begeben beziehungsweise abschalten.The battery system may include a second isolator disposed between the second microcontroller and the DC / DC converter. The second microcontroller is designed to generate a control signal and output via the second isolator to the DC / DC converter. In turn, the DC / DC converter is designed to start the operation upon receipt of the control signal and to generate the operating voltage for the first microcontroller. In a conventional battery system, the first microcontroller is controlled by the second microcontroller in a master / slave ratio. This can be done within the scope of the invention by the control signal, for example an enable signal, by means of which the second microcontroller can wake up or put the first microcontroller into operation. The first microcontroller can then execute a predetermined or predetermined by the second microcontroller routine and then go back to a standby state or switch off.

Der erste Mikrocontroller kann ausgebildet sein, nach einem Abschalten des zweiten Mikrocontrollers eine Nachlaufroutine auszuführen. Eine solche Nachlaufroutine kann beispielsweise ein Cell-Balancing sein, das nach dem Abstellen eines mit dem Batteriesystem ausgestatteten Kraftfahrzeuges vorgenommen werden soll.The first microcontroller may be configured to execute a follow-up routine after switching off the second microcontroller. Such a follow-up routine can be, for example, a cell balancing, which is to be carried out after switching off a motor vehicle equipped with the battery system.

Die Batteriezellen der Hochvoltbatterie sind bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen die Vorteile einer hohen Zellspannung und eines hohen Energiegehaltes innerhalb eines gegebenen Volumens.The battery cells of the high-voltage battery are preferably lithium-ion battery cells. Lithium-ion battery cells have the advantages of high cell voltage and high energy content within a given volume.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einem Batteriesystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt. Dabei ist die Hochvoltbatterie des Batteriesystems mit dem elektrischen Antriebsmotor verbunden oder verbindbar.A second aspect of the invention relates to a motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a battery system according to the first aspect of the invention. In this case, the high-voltage battery of the battery system is connected or connectable to the electric drive motor.

Zeichnungen drawings

Kurzbeschreibung der AbbildungBrief description of the picture

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to figures of an embodiment. Show it:

1 ein vorbekanntes Batteriesystem, und 1 a previously known battery system, and

2 ein Batteriesystem gemäß dem Stand der Technik. 2 a battery system according to the prior art.

Ausführliche Beschreibung der AbbildungDetailed description of the picture

1 zeigt ein vorbekanntes Batteriesystem, bei dem eine Hochvoltbatterie eine Vielzahl von seriengeschalteten Batteriezellen 10-1 bis 10-n umfasst. Zusätzlich können weitere Batteriezellen vorgesehen sein, die zu den Batteriezellen 10-1 bis 10-n parallel geschaltet sein können. Im Hochvoltnetz des Beispiels von 1 ist außerdem eine Mehrzahl von Zellüberwachungseinheiten 11-1 bis 11-n vorgesehen, welche mit einer jeweils zugeordneten Batteriezelle 10-1 bis 10-n verbunden sind. Alternativ kann jede Zellüberwachungseinheit 11-1 bis 11-n auch mit einer Gruppe von Batteriezellen 10-1 bis 10-n verbunden oder auch nur eine einzige Zellüberwachungseinheit vorgesehen sein. In solchen Ausführungsformen wird dann eine Schalteinheit vorgesehen, mit der sich die Zellüberwachungseinheit mit einer ausgewählten Batteriezelle der Batteriezellen oder der Gruppe von Batteriezellen verbinden lässt. 1 shows a prior art battery system in which a high-voltage battery, a plurality of series-connected battery cells 10-1 to 10-n includes. In addition, further battery cells may be provided which are connected to the battery cells 10-1 to 10-n can be connected in parallel. In the high-voltage network of the example of 1 is also a plurality of cell monitoring units 11-1 to 11-n provided, which with a respective associated battery cell 10-1 to 10-n are connected. Alternatively, any cell monitoring unit 11-1 to 11-n even with a group of battery cells 10-1 to 10-n connected or even a single cell monitoring unit may be provided. In such embodiments, a switching unit is then provided, with which the cell monitoring unit can be connected to a selected battery cell of the battery cells or the group of battery cells.

Die Zellüberwachungseinheiten 11-1 bis 11-n sind ausgebildet, Batteriespannungen der Batteriezellen 10-1 bis 10-n zu bestimmen. Außerdem können die Zellüberwachungseinheiten 11-1 bis 11-n ausgebildet sein, weitere Batterieparameter wie z. B. die Zelltemperatur zu bestimmen. Die Zellüberwachungseinheiten 11-1 bis 11-n kommunizieren über einen Bus mit einem ersten Mikrocontroller 20 (wegen seiner verhältnismäßig einfachen und rechenschwachen Ausführung auch „Nanocontroller” genannt), welcher im Niedervoltnetz des Batteriesystems angeordnet ist (eine vertikale gestrichelte Trennlinie in 1 bezeichnet die Grenze zwischen Niedervolt- und Hochvoltnetz). Der erste Mikrocontroller 20 veranlasst und steuert Messungen durch die Zellüberwachungseinheiten 11-1 bis 11-n und empfängt von diesen die Messergebnisse. Um dem Erfordernis einer hinreichenden Absicherung des Niedervoltnetzes gegenüber der hohen Spannung im Hochvoltnetz zu genügen, kommuniziert der erste Mikrocontroller 20 mit einem zweiten Mikrocontroller 15 über einen Isolator 14. Vorzugsweise wird die Kommunikation dabei über einen CAN-Bus abgewickelt, welcher den Einsatz eines besonders preisgünstigen Isolators 14 erlaubt. Im abgebildeten Beispiel besitzt der erste Mikrocontroller 20 einen Steuerausgang zu einem von zwei Hauptschützen 16-1 und 16-2, welche vorgesehen sind, um die Hochvoltbatterie im Schadensfall oder während Wartungsmaßnahmen nach außen spannungsfrei zu schalten. In einer einfacheren Ausführung kann auch nur ein Hauptschütz 16-1 vorgesehen sein. Sind jedoch zwei Hauptschütze vorgesehen, ist der andere Hauptschütz 16-2 bevorzugt an den zweiten Mikrocontroller 15 angebunden. Dabei obliegt jeder der beiden Verarbeitungseinheiten 20, 15 die Steuerung jeweils eines der Hauptschütze 16-1, 16-2.The cell monitoring units 11-1 to 11-n are formed, battery voltages of the battery cells 10-1 to 10-n to determine. In addition, the cell monitoring units 11-1 to 11-n be formed, further battery parameters such. B. to determine the cell temperature. The cell monitoring units 11-1 to 11-n communicate via a bus with a first microcontroller 20 (Also called "nanocontroller" because of its relatively simple and rake-weak design), which is arranged in the low-voltage network of the battery system (a vertical dashed dividing line in 1 denotes the border between low-voltage and high-voltage network). The first microcontroller 20 initiates and controls measurements by the cell monitoring units 11-1 to 11-n and receives the measurement results from them. In order to meet the requirement of adequate protection of the low-voltage network against the high voltage in the high-voltage network, the first microcontroller communicates 20 with a second microcontroller 15 over an insulator 14 , Preferably, the communication is handled via a CAN bus, which requires the use of a particularly inexpensive isolator 14 allowed. In the example shown has the first microcontroller 20 a control output to one of two main contactors 16-1 and 16-2 , which are provided to switch the high-voltage battery in the event of damage or during maintenance to the outside voltage. In a simpler version, only one main contactor can be used 16-1 be provided. However, if two main contactors are provided, the other is the main contactor 16-2 preferably to the second microcontroller 15 tethered. It is up to each of the two processing units 20 . 15 the controller each one of the main contactors 16-1 . 16-2 ,

Der erste Mikrocontroller 20 kann mit einem beispielsweise als Shunt-Widerstand mit nachgeschalteter Auswertungselektronik ausgeführten ersten Stromsensor 18 verbunden sein und so mittels des Stromsensors den Strom durch die Hochvoltbatterie bzw. die Batteriezellen 10-1 bis 10-n synchron zur Messung der Batteriespannungen der Batteriezellen 10-1 bis 10-n bestimmen. Zusätzlich dazu kann ein als Hall-Sensor ausgeführter zweiter Stromsensor 19 vorgesehen sein, welcher mit dem zweiten Mikrocontroller 15 verbunden ist und von diesem gesteuert wird, was die redundante Bestimmung des Batteriestroms erlaubt und beispielsweise eine höhere Sicherheit zum Schutz gegen Kurzschlüsse des Batteriemoduls bietet. Der zweite Mikrocontroller 15 kann über einen CAN-Bus 17 oder einen ähnlichen Kommunikationsbus mit weiteren Komponenten verbunden sein. Je nach Ausführungsform können der erste Mikrocontroller 20 und der zweite Mikrocontroller 15 die Hauptschütze 16-1, 16-2 über so genannte Power Driver ansteuern, welche genügend Leistung für die Ansteuerung der beispielsweise als Relais ausgeführten Hauptschütze 16-1, 16-2 zur Verfügung stellen. Das Batteriesystem kann auch über so genannte Watchdogs für den zweiten Mikrocontroller 15 und/oder den ersten Mikrocontroller 20 verfügen, welche in bekannter Weise deren korrekte Funktionsweise sicherstellen.The first microcontroller 20 can with a running example as a shunt resistor with downstream evaluation electronics first current sensor 18 be connected and so by means of the current sensor, the current through the high-voltage battery or battery cells 10-1 to 10-n synchronous to the measurement of the battery voltages of the battery cells 10-1 to 10-n determine. In addition, a second current sensor designed as a Hall sensor can be used 19 be provided, which with the second microcontroller 15 is connected and controlled by this, which allows the redundant determination of the battery current and, for example, provides a higher level of security to protect against short circuits of the battery module. The second microcontroller 15 can via a CAN bus 17 or a similar communication bus to be connected to other components. Depending on the embodiment, the first microcontroller 20 and the second microcontroller 15 the main shooter 16-1 . 16-2 via so-called Power Driver control, which sufficient power for the control of running example as a relay main contactors 16-1 . 16-2 provide. The battery system can also have so-called watchdogs for the second microcontroller 15 and / or the first microcontroller 20 have, which ensure their correct functioning in a known manner.

Wesentlicher Nachteil des Batteriesystems von 1 ist, dass der erste Mikrocontroller 20 durch das Niedervoltnetz versorgt wird, was im ungünstigsten Fall während eines Nachlaufs des ersten Mikrocontrollers 20 zu einer Entladung einer hierfür vorgesehenen Niedervoltbatterie führen kann. Ein für die Bereitstellung einer geeigneten Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller 20 vorgesehener DC/DC-Umsetzer (nicht dargestellt) ist als isolierender DC/DC-Umsetzer ausgeführt, um neben dem Isolator 14 als Schutz gegen die hohen Spannungen im Hochvoltnetz wirken zu können. Hierbei werden jedoch hohe Anforderungen an die Isolation des DC/DC-Umsetzers gestellt. Wird ein Flyback-Konverter, welcher prinzipiell diese Anforderungen erfüllen kann, als DC/DC-Umsetzer verwendet, kann er durch elektromagnetische Abstrahlung andere Komponenten im Niedervoltnetz beeinträchtigen.Significant disadvantage of the battery system of 1 is that the first microcontroller 20 is supplied by the low-voltage network, which in the worst case during a wake of the first microcontroller 20 can lead to a discharge of a designated low-voltage battery. One for providing a suitable operating voltage for the first microcontroller 20 provided DC / DC converter (not shown) is designed as an insulating DC / DC converter to next to the insulator 14 To be able to act as protection against the high voltages in the high-voltage network. Here, however, high demands are placed on the isolation of the DC / DC converter. If a flyback converter, which can fulfill these requirements in principle, is used as a DC / DC converter, it can affect other components in the low-voltage network due to electromagnetic radiation.

2 zeigt ein Batteriesystem gemäß der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen gleiche Elemente, so dass im Folgenden nur abweichende Komponenten beschrieben werden und ansonsten das zu 1 Gesagte gilt. 2 shows a battery system according to the invention. Same reference numerals as in 1 denote the same elements, so that in the following only deviating components are described and otherwise that too 1 The above applies.

Die Erfindung sieht einen DC/DC-Umsetzer 21 vor, welcher mit der die Batteriezellen 10-1 bis 10-n umfassenden Hochvoltbatterie verbunden ist und aus einer von der Hochvoltbatterie erzeugten Spannung die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller 20 erzeugt. Da DC/DC-Umsetzer 21 und erster Mikrocontroller 20 vollständig im Hochvoltnetz angeordnet sind, kann eine aufwendige Isolation des DC/DC-Umsetzers 21 entfallen. Der DC/DC-Umsetzer 21 kann auch mit einer anderen der Batteriezellen 10-1 bis 10-n verbunden sein, so dass eingangsseitig nicht die volle Spannung der Hochvoltbatterie, sondern eine geringere am DC/DC-Umsetzer 21 anliegt.The invention provides a DC / DC converter 21 before, which with the battery cells 10-1 to 10-n comprehensive high-voltage battery is connected and from a voltage generated by the high-voltage battery, the operating voltage for the first microcontroller 20 generated. Because DC / DC converter 21 and first microcontroller 20 completely arranged in the high-voltage network, can be a complex isolation of the DC / DC converter 21 omitted. The DC / DC converter 21 can also work with another of the battery cells 10-1 to 10-n be connected, so that the input side not the full voltage of the high-voltage battery, but a lower on the DC / DC converter 21 is applied.

Der DC/DC-Umsetzer 21 kann zwei- oder mehrstufig aufgebaut sein, das heißt es können mehrere DC/DC-Umsetzer-Stufen kaskadiert sein, um die Umsetzung der verhältnismäßig hohen durch die Hochvoltbatterie erzeugten Spannung in die Betriebsspannung des ersten Mikrocontrollers 20 einfacher und mit besserem Wirkungsgrad vornehmen zu können.The DC / DC converter 21 can be constructed in two or more stages, that is, several DC / DC converter stages may be cascaded to the implementation of the relatively high voltage generated by the high-voltage battery in the operating voltage of the first microcontroller 20 to make it easier and with better efficiency.

Bei allen Ausführungen der Erfindung kann zwischen den DC/DC-Umsetzer 21 und den ersten Mikrocontroller 20 zusätzlich ein Linearregler geschaltet werden, um die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller 20 zu stabilisieren.In all embodiments of the invention may be between the DC / DC converter 21 and the first microcontroller 20 In addition, a linear regulator can be switched to supply the operating voltage for the first microcontroller 20 to stabilize.

Der DC/DC-Umsetzer 21 kann in einer bevorzugten Ausführungsform über einen Enable-Eingang verfügen und die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller 20 nur dann erzeugen, wenn an dem Enable-Eingang ein Enable-Signal anliegt. Hierzu kann neben dem ersten Isolator 14, über den die Kommunikation zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrocontroller 20, 15 abgewickelt wird, ein zweiter Isolator 22 vorgesehen sein, um die Signalleitung für das Enable-Signal entsprechend zu sichern. Das Enable-Signal wird bevorzugt vom zweiten Mikrocontroller 15 erzeugt, so dass der zweite Mikrocontroller 15 den ersten Mikrocontroller 20 bei Bedarf durch Ausgeben des Enable-Signals in Betrieb nehmen kann. Alternativ kann das Enable-Signal oder ein zweites Enable-Signal zusätzlich auch direkt an den ersten Mikrocontroller 20 ausgegeben werden.The DC / DC converter 21 In a preferred embodiment, it may have an enable input and the operating voltage for the first microcontroller 20 only generate if an enable signal is present at the enable input. For this purpose, in addition to the first insulator 14 , about which the communication between the first and the second microcontroller 20 . 15 is wound, a second insulator 22 be provided to secure the signal line for the enable signal accordingly. The enable signal is preferably from the second microcontroller 15 generated, leaving the second microcontroller 15 the first microcontroller 20 if necessary by issuing the enable signal in operation. Alternatively, the enable signal or a second enable signal can also be sent directly to the first microcontroller 20 be issued.

Claims (10)

Ein Batteriesystem mit einem eine Hochvoltbatterie mit einer Vielzahl von seriengeschalteten Batteriezellen (10-1, ..., 10-n) und einen ersten Mikrocontroller (20) umfassenden Hochvoltnetz und einem einen zweiten Mikrocontroller (15) umfassenden Niedervoltnetz, wobei der erste Mikrocontroller (20) und der zweite Mikrocontroller (15) durch einen Datenbus verbunden sind, welcher ausgebildet ist, Daten über einen zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrocontroller (20, 15) angeordneten ersten Isolator (14) zu übertragen, und wobei die Hochvoltbatterie wenigstens eine mit dem ersten Mikrocontroller (20) verbundene oder verbindbare Zellüberwachungseinheit (11-1, ..., 11-n) aufweist, welche ausgebildet ist, Zellspannungen der Batteriezellen (10-1, ..., 10-n) zu messen und die gemessenen Zellspannungen an den ersten Mikrocontroller (20) zu übermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Hochvoltbatterie verbundener DC/DC-Umsetzer (21) vorgesehen ist, welcher ausgebildet ist, aus einer von der Hochvoltbatterie ausgegebenen Spannung eine Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller (20) zu erzeugen und an den ersten Mikrocontroller (20) auszugeben.A battery system having a high-voltage battery with a plurality of series-connected battery cells ( 10-1 , ..., 10-n ) and a first microcontroller ( 20 ) high-voltage network and a second microcontroller ( 15 ) low-voltage network, the first microcontroller ( 20 ) and the second microcontroller ( 15 ) are connected by a data bus, which is formed, data via one between the first and the second microcontroller ( 20 . 15 ) arranged first insulator ( 14 ), and wherein the high-voltage battery at least one with the first microcontroller ( 20 ) connected or connectable cell monitoring unit ( 11-1 , ..., 11-n ), which is formed, cell voltages of the battery cells ( 10-1 , ..., 10-n ) and measure the measured cell voltages to the first microcontroller ( 20 ), characterized in that a DC / DC converter connected to the high-voltage battery ( 21 ) is provided, which is formed from an output voltage from the high-voltage battery an operating voltage for the first microcontroller ( 20 ) and to the first microcontroller ( 20 ). Das Batteriesystem gemäß Anspruch 1, bei dem der DC/DC-Umsetzer (21) ein nicht isolierender DC/DC-Umsetzer ist oder einen nicht isolierenden DC/DC-Umsetzer enthält.The battery system according to claim 1, wherein the DC / DC converter ( 21 ) is a non-insulating DC / DC converter or contains a non-insulating DC / DC converter. Das Batteriesystem gemäß Anspruch 2, bei dem der DC/DC-Umsetzer (21) ein Tiefsetzsteller ist oder einen Tiefsetzsteller enthält.The battery system according to claim 2, wherein the DC / DC converter ( 21 ) is a buck converter or contains a buck converter. Das Batteriesystem gemäß Anspruch 1, bei dem der DC/DC-Umsetzer (21) ein Flyback-Konverter, ein Half-Bridge-Konverter oder ein Full-Bridge-Konverter ist oder einen Flyback-Konverter, einen Half-Bridge-Konverter oder einen Full-Bridge-Konverter enthält.The battery system according to claim 1, wherein the DC / DC converter ( 21 ) is a flyback converter, a half-bridge converter or a full-bridge converter or contains a flyback converter, a half-bridge converter or a full-bridge converter. Das Batteriesystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der DC/DC-Umsetzer (21) ein erstes DC/DC-Umsetzer-Modul und ein zweites DC/DC-Umsetzer-Modul enthält, wobei das erste DC/DC-Umsetzer-Modul ausgebildet ist, aus der von der Hochvoltbatterie ausgegebenen Spannung eine Zwischenspannung, welche niedriger als die von der Hochvoltbatterie ausgegebene Spannung und höher als die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller (20) ist, zu erzeugen und an das zweite DC/DC-Umsetzermodul auszugeben, und wobei das zweite DC/DC-Umsetzer-Modul ausgebildet ist, aus der Zwischenspannung die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller (20) zu erzeugen und an den ersten Mikrocontroller auszugeben.The battery system according to one of the preceding claims, wherein the DC / DC converter ( 21 ) includes a first DC / DC converter module and a second DC / DC converter module, wherein the first DC / DC converter module is formed, from the voltage output from the high-voltage battery, an intermediate voltage which is lower than that of the high-voltage battery output voltage and higher than the operating voltage for the first microcontroller ( 20 ) is to be generated and output to the second DC / DC converter module, and wherein the second DC / DC converter module is formed from the intermediate voltage, the operating voltage for the first microcontroller ( 20 ) and output to the first microcontroller. Das Batteriesystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Linearregler, welcher zwischen den DC/DC-Umsetzer (21) und den ersten Mikrocontroller (20) geschaltet und ausgebildet ist, die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller (20) zu stabilisieren.The battery system according to one of the preceding claims, comprising a linear regulator which is connected between the DC / DC converter ( 21 ) and the first microcontroller ( 20 ) and configured, the operating voltage for the first microcontroller ( 20 ) to stabilize. Das Batteriesystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hochvoltbatterie n zwischen einen Pluspol und einen Minuspol der Hochvoltbatterie geschaltete Batteriezellen (10-1, ..., 10-n) enthält und bei dem zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang des DC/DC-Umsetzers (21) m der n seriengeschalteten Batteriezellen (10-1, ..., 10-n) geschaltet sind, wobei m und n positive ganze Zahlen sind und m kleiner als n ist.The battery system according to one of the preceding claims, wherein the high-voltage battery n between a positive pole and a negative terminal of the high-voltage battery switched battery cells ( 10-1 , ..., 10-n ) and in which between a first input and a second input of the DC / DC converter ( 21 ) m n series-connected battery cells ( 10-1 , ..., 10-n ), where m and n are positive integers and m is less than n. Das Batteriesystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zweiten Isolator (22), welcher zwischen dem zweiten Mikrocontroller (15) und dem DC/DC-Umsetzer (21) angeordnet ist, wobei der zweite Mikrocontroller (15) ausgebildet ist, ein Steuersignal zu erzeugen und über den zweiten Isolator (22) an den DC/DC-Umsetzer (21) auszugeben, und wobei der DC/DC-Umsetzer (21) ausgebildet ist, auf den Empfang des Steuersignals hin den Betrieb aufzunehmen und die Betriebsspannung für den ersten Mikrocontroller (20) zu erzeugen.The battery system according to one of the preceding claims, comprising a second isolator ( 22 ), which between the second microcontroller ( 15 ) and the DC / DC converter ( 21 ), wherein the second microcontroller ( 15 ) is adapted to generate a control signal and via the second isolator ( 22 ) to the DC / DC converter ( 21 ), and wherein the DC / DC converter ( 21 ) is adapted to receive the operation upon receipt of the control signal and the operating voltage for the first microcontroller ( 20 ) to create. Das Batteriesystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Mikrocontroller (20) ausgebildet ist, nach einem Abschalten des zweiten Mikrocontrollers (15) eine Nachlaufroutine auszuführen.The battery system according to one of the preceding claims, wherein the first microcontroller ( 20 ) is formed after a shutdown of the second microcontroller ( 15 ) to execute a follow-up routine. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einem Batteriesystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochvoltbatterie des Batteriesystems mit dem elektrischen Antriebsmotor verbunden oder verbindbar ist.A motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a battery system according to one of the preceding claims, wherein the high-voltage battery of the battery system is connected or connectable to the electric drive motor.
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