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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Datenbussystem und einem elektrischen Hochvoltspeicher, welcher in das Datenbussystem des Fahrzeugs integriert ist und welcher eine Speichermanagementeinheit und zumindest ein Zellmodul aufweist.
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In modernen Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden überwiegend Hochvoltspeicher in Lithium-Ionen-Technologie eingesetzt. Ein solcher Energiespeicher ist aus Zellmodulen aufgebaut, die wiederum von elektrochemischen Zellen gebildet werden.
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Zu Überwachung und betriebsstrategischen Steuerung des Hochvoltspeichers kommt ein elektronisches Batteriemanagementsystem zum Einsatz, das im Wesentlichen einem Fahrzeugsteuergerät mit einzelnen Zellmodulen zugehörigen und diese kontaktierenden Überwachungseinheiten ähnelt.
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In einer Topologie auf Basis eines elektrischen Buses sind das Batteriemanagementsystem und die Überwachungseinheiten in das Fahrzeug integriert. Dies geht beispielsweise aus der Schrift
US 7, 004, 273 B1 hervor.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem Datenbussystem und einem elektrischen Hochvoltspeicher, welcher in das Datenbussystem des Fahrzeugs integriert ist und welcher eine Speichermanagementeinheit und zumindest ein Zellmodul aufweist, zu beschreiben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit einem Datenbussystem und einem elektrischen Hochvoltspeicher gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist die Speichermanagementeinheit an das Datenbussystem des Fahrzeugs angeschlossen ist, dem zumindest einen Zellmodul ist eine elektronische Zellüberwachungseinheit zugeordnet, und ein optisches Datenbussystem verbindet die Speichermanagementeinheit und die elektronische Zellüberwachungseinheit miteinander.
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Dies bietet den besonderen Vorteil, dass das Datenbussystem des Fahrzeugs, sowie die Speichermanagementeinheit – bei mehreren Zellmodulen – von den Zellüberwachungseinheiten und den Zellmodulen galvanisch getrennt und somit elektrisch entkoppelt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn der elektrische Hochvoltspeicher eine Schützschalteinheit umfasst, das optische Datenbussystem die Schützschalteinheit, die Speichermanagementeinheit und die zumindest eine Zellüberwachungseinheit miteinander verbindet.
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Auf diese Weise können die Speichermanagementeinheit, die Schützschalteinheit und – bei mehreren Zellmodulen – die Zellüberwachungseinheiten in einer Ringtopologie des optischen Busses miteinander verbunden werden.
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Zusätzlich kann die zumindest eine Zellüberwachungseinheit einen optischen Transceiver und zumindest einen Front-End-Chip umfassen und der Front-End-Chip kann an das zu der Zellüberwachungseinheit zugehörige Zellmodul elektrisch kontaktiert sein.
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Ein Front-End-Chip bildet eine elektrische Kontaktstelle zu einem Zellmodul, übermittelt Messsignale an den optischen Transceiver und setzt Befehle zur Balancierung des Zellmoduls um.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das optische Datenbussystem zeitsynchron ist. Ein zeitsynchroner optischer Bus ermöglicht eine erleichterte Kalibrierung des gesamten Systems aus Speichermanagementeinheit, Schützschalteinheit und Zellüberwachungseinheiten.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Bei Batteriemanagementsystemen nach dem Stand der Technik wird die Kommunikation innerhalb eines Hochvoltspeichers zwischen den CSCs (Cell Supervisory Controller/-Circuit) untereinander bzw. zwischen CSC, Schützschalteinheit und SME (Speichermanagementeinheit) per elektrischem Bus dargestellt, beispielsweise per CAN- oder LIN-Bus. Der Bus selbst wird ggf. als Niedervolt-Bus ausgeführt, um hinsichtlich Montage und Wartung eine einfachere Handhabung für eine Elektrofachkraft zu gewährleisten bzw. Kosten und Platzbedarf für die Ausführung als Hochvoltbus (Kabel, Stecker, Kennzeichnung, etc.) funktionserhaltend zu senken. Die Ausführung als Niedervolt-Bus bedingt eine galvanische Trennung des Hochvolt-Teils der CSC, die eine Anbindung von Frontend-Chips an Zellen eines Zellmoduls aufweist, von einem Niedervolt-Teil als Kommunikations-Bus.
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Bei der Fertigung der Zellmodule werden ein Zellkontaktiersystem (ZKS) je Zellmodul und eine CSC je Zellmodul als separate und eigenständige Bauteile gehandhabt und verbunden. Die Kalibrierung der CSCs erfolgt typischerweise vor der Montage am Zellmodul.
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Es wird vorgeschlagen, einen optischen, zeitsynchronen automotivetauglichen Bus zur Darstellung der Kommunikation innerhalb des Batteriemanagementsystems zu nutzen.
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Dieser hat gegenüber einem elektrischen Bus den Vorteil, dass der elektrische Bus aufgrund seines Funktionsprinzips im Gegensatz zum optischen Bus empfindlich gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung ist. Durch die Verwendung eines optischen anstatt eines elektrischen Bus wird die Beeinflussung der Kommunikation durch EMV-relevante Einstrahlung auf den Bus bzw. auf Kabel ausgeschlossen.
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Eine fehlerfreie Kommunikation innerhalb des Batteriemanagementsystems ist für die Funktionssicherheit und Verfügbarkeit unmittelbar relevant. Dadurch bestehen bei einem Bus durch eine Beeinträchtigung bzw. Gefährdung der Kommunikation entsprechend unmittelbare Sicherheits- und Verfügbarkeitsrisiken, die – neben anderen kostenintensiven Maßnahmen, welche hier im Detail thematisiert werden- im Wesentlichen nur durch eine Abschaltungsmaßnahme des kompletten Systems sicher beherrschbar ist. Die Eintrittswahrscheinlichkeit einer derartigen Beeinträchtigung ist aufgrund der höheren Störsicherheit eines optischen Bussystems im Vergleich zu einem elektrischen Bussystem bei einem optischen Bussystem geringer.
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Die Ausführung einer bei einem elektrischen Bus notwendigen und bei einem optischen Bus entfallenden galvanischen Trennung ist kostenintensiv in Bezug auf deren physikalische Ausführung und wenig robust in Bezug auf vorgeschriebene Hochvoltprüfungen und Systemabnahmen.
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Weiterhin ist bei einem elektrischen Bus im Vergleich zum optischen Bus nachteilig, dass CAN- bzw. LIN-Kommunikationen prinzipbedingt durch Treiberelektronik mit galvanischer Trennung umgesetzt werden müssen sowie von Mikroprozessoren verarbeitet und kontrolliert werden müssen und die Treiberelektronik eine höhere Komplexität bei niedrigerem Integrationsgrad im Vergleich zum optischen Bus mit galvanischer Trennung aufweist.
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Dieser optische Bus hat außerdem den Vorteil, dass er zeitsynchron arbeitet, während der elektrische Bus nach Stand der Technik (z. B. CAN) asynchron ist. Die Asychronität hat zur Folge, dass zwischen einzelnen Messsignalen wie etwa der Gesamtspannung eines Zellmoduls und einzelner einzelnen Zellspannungen kein ausreichend genauer zeitlicher Zusammenhang herstellbar ist. Dies würde bei hohen Spannungs- bzw. Stromgradienten zu nicht tolerablen Fehlern in Systemfunktionen führen, welche mit diesen Messgrößen betriebsstrategisch in Zusammenhang stehen. Diese Problematik stellt sich beim optischen Bus nicht. Prinzipiell sind zeitsynchrone, elektrische Busse (z. B. Flexray) nur mit sehr hohem Kostenaufwand realisierbar.
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Durch einen zeitsynchronen optischen Bus, der als MOST-Bus ausgeführt sein kann, ist ein zeitlich synchronisierter Zusammenhang aller im System befindlichen Sensoren und deren Messwerte darstellbar. Dies bietet u. a. folgende Vorteile/Möglichkeiten:
- – Steigerung der Systemperformance
- – Plausibilitätsprüfung unterschiedlicher Messwerte
- – Kalibrierung von Sensoren über Lebendauer, um eine Signaldrift (zeitabh. Offset) zu kontrollieren
- – Entfall von Hardwaresensorik durch funktionale Substitution beim optischen Bus
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Außerdem ist der Datentransfer über den zeitsynchronen, optischen Bus durch eine hinreichende „End-to-End protection“ funktionssicher aufbereitet und es ist die zur Verfügung stehende Bandbreite beim optischen Bus im Gegensatz zum elektrischen Bus voll nutzbar.
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Aus Gründen der Funktionssicherheit ist bei der Umsetzung mit einem elektrischen Bus ferner eine separate Notabschaltvorrichtung („Hardware-Reißleine“) notwendig sowie zur Aufbereitung von Messdaten und zur Absicherung von Funktionssicherheitsanforderungen ein softwareprogrammierbares Mikroprozessorsystem, um beispielsweise Batteriespannungs- und Temperaturwerte auszulesen und via CAN an die SME zu übermitteln. Beim optischen Bus ist die Funktionssicherheit durch die Verbindung der Komponenten mit Lichtwellenleitern inhärent, da durch die Umsetzung eines elektrischen auf ein optisches Kommunikationssignal eine galvanische Trennung implizit dargestellt ist. Zusätzliche Aufwände für die galvanische Trennung entfallen folglich ersatzlos.
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Der optische Bus ist selbst als „Notfall-Reißleine“ nutzbar („Licht aus“). Bei CAN ist ein entsprechendes „Signal aus“ gleichbedeutend mit Busruhe, was somit nicht als elektrische „Notfall-Reißleine“ nutzbar ist. Eine „Notfall-Reißleine“ ist bei einem CAN- oder LIN-Bus implizit nicht darstellbar und muss durch eine separate Leitung umgesetzt werden. Daher kann bei der Verwendung eines optischen Busses das System durch den Entfall bestimmter Hardware entsprechend vereinfacht werden. Diese durch Hardware implementierte Ausführung einer Notaus-Funktion besitzt eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit als softwareprogrammierte Mikroprozessoren und ist daher aus Aspekten der Funktionssicherheit von Vorteil.
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Ein optischer Bus bietet ferner den Vorteil, dass CSC im ZKS mit anschließender Kalibrierung der Messkette im Gesamtsystem vor der Montage auf das Zellmodul integrierbar sind. Durch die Integration von CSC und ZKS kann eine Abnahme und ggf. notwendige Kalibrierung der Gesamteinheit durchgeführt werden. Hierdurch können beispielsweise Verschiebungen der Messwerte aufgrund unterschiedlicher Leitungslängen und Übergangswiderständen vom CSC zu den einzelnen Zellen korrigiert werden, bevor die Gesamteinheit am Zellmodul befestigt wird. Zudem verringert sich der Aufwand an Logistik und Montagevorgängen bei der Fertigung der Zellmodule.
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Bei der Fertigung der Zellmodule mit elektrischem CAN werden CSC und ZKS aus Packagegründen nacheinander am Modul befestigt, so dass eine Kalibrierung des Gesamtsystems (Spannungsabgriff, Leitung, CSC, etc.) aus dem Grund nicht möglich ist, dass nach der Montage des Zellmoduls keine Referenzspannung, sondern „nur“ die unreferenzierten Zellspannungen zur Verfügung stehen.
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In der Erfindung wird ein Transceiver verwendet, der neben der Umsetzung von elektrischen auf optische Signale (und umgekehrt) durch eine integrierte Logik auch Datenprotokolle interpretiert, analysiert und generiert. Diese Logik ersetzt bei einem elektrischen Bus notwendige Bus-Treiber und Mikro-Prozessoren.
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Durch den in den Transceiver integrierten A/D-Wandler und zur spezifischen Nutzung enthaltene Pins, lassen sich Funktionen realisieren, die die funktionale Sicherheit der Messstelle für eine Einstufung gemäß ASIL-C gewährleisten können (redundante und unabhängige Pfade).
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Die Auslegung des Transceivers ermöglicht einen flexiblen Anschluss von Bausteinen aller Art mit zum Beispiel folgenden internen Schnittstellen SPI, I2C, ASY, SENT und PSI5.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
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1 Datenbusintegration einer Hochvoltbatterie nach dem Stand der Technik
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2 Datenbusintegration einer Hochvoltbatterie mit optischem Bus
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Gleiche Bezugszeichen stehen für gleiche Bauteile. 1 zeigt einen Hochvoltspeicher (2) in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug (1) nach dem Stand der Technik. Der Hochvoltspeicher besteht im Wesentlichen aus mehreren Zellmodulen (4), wobei in 1 lediglich zwei Zellmodule exemplarisch dargestellt sind. Die Zellmodul können seriell oder parallel verschaltet sein. Ein Zellmodul ist aus mehreren elektrochemischen Zellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen (5), aufgebaut, die meist in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschaltung der Zellen bedingt eine Gesamtspeicherspannung im Hochvoltbereich von mehreren 100 Volt.
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Jedem Zellmodul ist eine elektronische Überwachungseinheit (cell supervisory circuit, CSC, 6) zugeordnet. Für einen bestimmungsgemäßen Betrieb eines Hochvoltbatteriesystems ist es notwendig, eine Betriebsstrategie der Zellmodule in bestimmten Bereichen hinsichtlich Temperatur, Spannung und Strom zu führen. Deshalb werden die Zellen über ein Zellkontaktiersystem (ZKS) mit der CSC verbunden, um kritische Parameter des Zellmoduls zu überwachen.
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Eine CSC kann aus mehreren integrierten Halbleiterbauelementen aufgebaut sein beispielsweise aus einem Mikrocontroller (µC, 8), Front-End-Chips (FE, 9) und CAN-Transceiver.
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Die CSC sind Bestandteil eines elektrischen Batteriemanagementsystems (EBM, 3). Das zentrale Bauteil der EBM bildet eine Speichermanagementeinheit (SME, 7). Die SME fungiert im Wesentlichen als Steuergerät des Hochvoltspeichers. Dies bedeutet, dass Steuer- und Regelalgorithmen auf der SME ausführbar sind.
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Die SME steuert beispielsweise die Kühlungsvorrichtung des Hochvoltspeichers und eine Schützschalteinheit (SE, 10) zum Trennen und Aufschalten des Hochvoltspeichers auf ein elektrisches Hochvoltbordnetz.
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Steuer- und Regelgrößen werden zwischen der SME, der SE mit einer Datenkommunikationseinrichtung (11) übermittelt. Meist kommt ein elektrisches Datenbussystem zum Einsatz, z.B. CAN-Bus oder LIN-Bus. Dieses Bussystem wird als Batteriebus bezeichnet.
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Über die SME ist das EBM in ein Datenbussystem (12) des Fahrzeugs eingebunden, das ebenfalls als CAN-Bus und/oder LIN-Bus ausgeführt ist. Dieses Datenbussystem des Fahrzeugs wird als Fahrzeugbus bezeichnet.
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Ein Fahrzeug mit einem Hochvoltspeicher verfügt üblicherweise über zwei physische Bordnetze, einem Niedervoltbordnetz, das die im Fahrzeugbereich verbreitete Nennspannung von 14 Volt aufweist, und dem Hochvoltbordnetz. Der Fahrzeugbus wird üblicherweise als Niedervolt-Bus ausgeführt.
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Aufgrund der Anbindung der FE an die Zellmodule ist eine galvanische Trennung (13) innerhalb jeder CSC notwendig, um den Batteriebus auf dem Spannungslevel des Fahrzeugbus ausführen zu können. Dies ermöglicht dann beispielsweise eine erleichterte Wartung des Fahrzeugbus und des Batteriebus mit geringeren Anforderungen an Schutzvorkehrungen und Fachkunde der ausführenden Person im Vergleich zu Arbeiten am Hochvoltsystem.
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Die galvanische Trennung innerhalb einer CSC ist zwischen dem µC und einem Bus-Transceiver (Bus-Treiber, 14) ausgeführt.
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Die Datenbusintegration der Hochvoltbatterie mit einem elektrischen Bus nach dem Stand der Technik in 1 ist aufgrund des Funktionsprinzips empfindlich gegenüber elektromagnetischer Strahlung. Eine fehlerfreie Kommunikation innerhalb des EBM ist für die Funktionssicherheit und Verfügbarkeit des Hochvoltspeichers unmittelbar relevant. Dadurch bestehen durch eine Beeinträchtigung bzw. Gefährdung der Kommunikation entsprechend unmittelbare Sicherheits- und Verfügbarkeitsrisiken, sofern nicht geeignete, u.U. kostenaufwendige Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann eine hardwareimplementierte Notaus-Vorrichtung des Datenbussystems notwendig sein.
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Die Ausführung der galvanischen Trennung erfordert einen hohen konstruktiven und prozessualen Aufwand bei der Umsetzung und Herstellung des CSC-Designs.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Batteriebus nach 2 als zeitsynchroner, optischer Bus (16) in Ringtopologie ausgeführt.
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Durch die Verwendung eines optischen an Stelle eines elektrischen Bus ist eine elektromagnetische Verträglichkeit des Batteriebus sichergestellt. Insbesondere ist eine elektronische Überwachungseinheit (CSC‘, 6‘) durch den optischen Bus bereits vollständig galvanisch getrennt herstellbar. Dies ermöglicht ein robuster, kostengünstigeres und platzsparenderes Design der CSC‘ im Vergleich zur CSC nach dem Stand der Technik.
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Einen besonderen Vorteil bildet die Zeitsynchronität des optischen Batteriebus. Als ein solcher Bus ist etwa ein MOST (media oriented systems transport)-Bus einsetzbar. Dadurch ist ein zeitlich synchronisierter Zusammenhang aller elektronischen Einheiten des elektrischen Batteriemanagementsystems (EBM‘, 3‘) ermöglicht. Dadurch sind erleichtert Plausibilitätsprüfungen innerhalb des EBM umsetzbar. Ferner sind Messparameter des Hochvoltspeichers (2‘) bzw. von einzelnen Zellmodulen (4) des Hochvoltspeichers vereinfacht kalibierbar. Beispielsweise kann die Gesamtspannung des Hochvoltspeichers anhand einer durch die zeitsynchron erfassbaren Einzelzellspannungen ermittelbaren Gesamtspannung des Hochvoltspeichers plausibilisiert werden. Dies ermöglicht eine redundante Auslegung der Systemsicherheit der Hochvoltbatterie.
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Mit dem optischen Bus ist das EBM‘ im Notfall leicht vollständig deaktivierbar. Während bei einem elektrischen Bussystem des EBM mit einer ‚Not aus‘-Botschaft, lediglich der Datentransfer an sich unterbrechbar ist. Eine galvanische Verbindung zwischen einzelnen CSC bleibt jedoch bestehen. Bei dem EBM‘ besteht eine Verbindung zwischen den CSC‘ lediglich in einer elektrisch irrelevanten Kopplung über einen Lichtwellenleiter. Dadurch wird die Betreibssicherheit des Systems beträchtlich erhöht, z.B. für Wartungsarbeiten an dem Hochvoltspeicher oder in einem Crashfall, um beispielsweise Anforderungen nach dem dem Fachmann bekannten Sicherheitsstandard ASIL-C erfüllen zu können.
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Die bidirektionale Umsetzung von optischen Signalen auf elektrische Signale wird durch einen optischen MOST-Transceiver (15) gewährleistet.
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Der optische Transceiver kann etwa für die businternen Schnittstellen SPI, I2C, ASY, SENT oder PSI5 ausgelegt sein.
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Die Verwendung von optischen Transceivern stellt außerdem sicher, dass der Datentransfer über den zeitsynchronen optischen Bus einen ausreichenden End-to-End-Schutz bietet. Durch den End-to-End-Schutz (end-to-end protection) wird ein z. B. auf der CSC erstelltes Datenpaket derart abgesichert – z. B. durch Alive-Counter mit zyklischer Redundanzprüfung (cyclic redundancy check) -, dass das Datenpaket beim Empfänger (z. B. auf der SME) ankommend korrekt auslesbar ist. Dies bedeutet, dass mit durch den End-to-End-Schutz ein erstelltes Datenpaket auf dem Sendeweg unverfälschbar oder zeitlich unverzögerbar (also zeitsynchron) ist.
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Die Nutzung des optischen Bus bietet ferner Vorteil bei der Integration der CSC in das ZKS. Über den zeitsynchronen optischen Bus sind die an das ZKS ankontaktierten CSC‘ im Gesamtverbund mit dem ZKS kalibrierbar und in Betrieb nehmbar anstatt jede CSC und das betreffende Zellmodul einzeln zu kalibrieren und in Betrieb zu nehmen. Der Vorteil besteht also darin, dass die gesamte elektrische Kette von einer Zelle über deren Kontaktierung und die Verkabelung bis zum Front-End-Chip kalibrierbar ist.
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Nach 2 ist auch die Speichermanagementeinheit (SME‘, 7‘) um eine optische Transceivereinheit zu ergänzen, um die Anbindung des Batteriebus (16) an den Bus (12) des Fahrzeugs (1‘) zu ermöglichen.
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Alternativ ist der Fahrzeugbus, an den der Hochvoltspeicher über das EBM‘ angebunden wird, als optischer Bus ausgeführt. Dann kann die optische Transceivereinheit der SME‘ entfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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