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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein entsprechendes Überwachungsgerät zum Überwachen einer Trenneinrichtung, wie beispielsweise eines Servicesteckers oder einer Servicesteckbuchse, eines eine Batterie mit mehreren Batteriezellen umfassenden Batteriesystems. Auch betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer Batterie, einer Trenneinrichtung und einem Überwachungsgerät. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Überwachungsgerät.
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Stand der Technik
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In der 1 ist das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems 10 dargestellt. Das Batteriesystem 10 umfasst eine Batterie 20, die mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 21 aufweist. Dadurch, dass die mehreren Batteriezellen 21 in Reihe geschaltet sind, kann das Batteriesystem 10 eine Summenspannung der Batteriezellen 21 zur Verfügung stellen. Das Batteriesystem 10 umfasst ferner mehrere Zellüberwachungsvorrichtungen („Cell Supervision Circuits“). Eine solche Zellüberwachungsvorrichtung 30 (CSC) ist jeweils mit den Anschlüssen (nicht gekennzeichnet) einer oder mehrerer Batteriezellen 21 elektrisch verbunden und ist dazu ausgebildet, die jeweiligen individuellen Spannungen aller mit ihr verbundenen Batteriezellen 21 zu erfassen. Ferner ist eine Zellüberwachungsvorrichtung 30 dazu ausgebildet, die Temperatur der mit ihr verbundenen Batteriezellen 21 zu messen. Für die in der 1 dargestellte Zellüberwachungsvorrichtungen 30 sind auch andere Hardwarelösungen denkbar. Ein Batteriesystem 10 kann ferner auch Schaltungen zum Ladungsausgleich der Batteriezellen 21 (Zell-Balancing) umfassen, die in der Regel parallel zu den Batteriezellen 21 geschaltet und oft als Bestandteil der Zellüberwachungsvorrichtungen 30 ausgeführt sind. Zur Vereinfachung der Darstellung aus der 1 sind die Schaltungen zum Ladungsausgleich der Batteriezellen 21 nicht gesondert dargestellt.
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Zwischen den seriell geschalteten Batteriezellen 21 und einem positiven Batterieterminal 22 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 40 geschaltet. Die Lade- und Trenneinrichtung 40 umfasst ein Relais 41, das parallel zu einer aus einem weiteren Relais 42 und einem Ladewiderstand 43 bestehenden Reihenschaltung geschaltet ist. Ferner ist zusätzlich zwischen den seriell geschalteten Batteriezellen 21 und dem negativen Batterieterminal 23 eine aus einem Relais ausgebildete Trenneinrichtung 50 geschaltet. Die Trenn- und Ladeeinrichtungen 40, 50 sind jeweils dazu ausgebildet, die Batteriezellen 21 von den Batterieterminals 22, 23 abzutrennen, um dadurch die Batterieterminals 22, 23 spannungsfrei zu schalten.
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Das Batteriesystem 10 umfasst ferner ein zentrales Batteriesteuergerät (Batterie Control Unit) 60, das zur Steuerung des Batteriesystems 10 beziehungsweise der Batterie 20 ausgebildet ist. Das Batteriesteuergerät (BCU) 60 ist über ein internes Bus-System 70 mit den Zellüberwachungsvorrichtungen 30 verbunden und dazu ausgebildet, mittels von Stromsensoren 80, 90 den Strom in dem Strompfad des Batteriesystems 10 zu erfassen. Weiterhin ist das Batteriesteuergerät 60 dazu ausgebildet, die in den Lade- und Trenneinrichtungen 40, 50 vorhandenen Relais 41, 42, 50 jeweils über entsprechende Steuerleitungen 100, 110 anzusteuern. Auch ist das Batteriesteuergerät 60 über elektrischen Leitungen 120, 130 mit den Batterieterminals 22, 23 verbunden. Das Batteriesteuergerät 60 ist ferner über ein Can-Bus-System 140 mit einer Fahrzeugschnittstelle verbindbar.
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Wie aus der 1 erkennbar, ist im Strompfad des Batteriesystems 10 eine Trenneinrichtung 150 vorhanden, die insbesondere als ein Servicestecker (Englisch: „Service Disconnect“) beziehungsweise als eine Servicesteckbuchse ausgebildet sein kann. Dazu werden die Pins 151, 152 der Servicesteckbuchse durch einen Servicestecker 153 verbunden. Dabei ist die Trenneinrichtung 150 typischerweise so ausgeführt, dass die Batteriezellen 21 durch diese Trenneinrichtung 150 in zwei getrennte Blöcke geteilt werden können. Die Trenneinrichtung 150 ist in der Regel außen am Batteriesystem 10 angebracht und ermöglicht insbesondere Wartung und Service-Dienste, durch Abziehen des Servicesteckers 153 die Batterieterminals, d.h. die Anschlüsse 22, 23 des Batteriesystems 10 definiert strom- und spannungslos zu schalten, um gefahrlos an dem Fahrzeug, in dem das Batteriesystem 10 eingebaut ist, arbeiten zu können,. Aus diesem Grund ist die Trenneinrichtung 150 derart in dem Batteriesystem 10 integriert, dass die Kontakte beziehungsweise die Anschlüsse 151, 152 (Pins) der Trenneinrichtung 150 von außen an dem Batteriesystem 10 zugänglich sind.
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Jedoch wird dadurch, dass die Anschlüsse 151, 152 (Pins) der Trenneinrichtung 150 von außen an dem Batteriesystem 10 zugänglich sind, auch eine Möglichkeit für Missbrauch gegeben. So besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass bei abgezogenem Servicestecker 153 Dritte mittels der Anschlüsse 151, 152 der Trenneinrichtung 150 zusätzliche Batteriezellen oder Batterien von außen anschließen.
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In der 2 ist das gleiche Batteriesystem 10 wie in der 1 dargestellt, wobei, im Unterschied zu 1, zwischen den Anschlüssen 151, 152 der Trenneinrichtung 150 zusätzliche Batteriezellen oder Batterien 160 geschaltet sind. Dadurch kann die Gesamtspannung des Batteriesystems 10 und damit die Leistungsfähigkeit erhöht werden (sogenanntes „Tuning“). Allerdings unterliegen diese extern angeschlossenen Batterien oder Batteriezellen 160 nicht der mittels der Zellüberwachungsvorrichtungen 30 durchgeführten Spannungs- und Temperaturüberwachung. Deswegen ist eine Berechnung der für die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit des Batteriesystems 10 relevanten Parameter, wie der Ladezustand („State of Charge“), der Alterungszustand („State of Health“) oder der Funktionszustand („State of Function“), nicht mehr oder nur noch fehlerhaft möglich. Auch ist der vorhin angesprochene Ladungsausgleich der Batteriezellen 21, d.h. das Zell-Balancing für das gesamte Batteriesystem 10 nicht mehr möglich, da die internen Berechnungen durch das Vorhandensein der zusätzlich angeschlossenen Batteriezellen oder Batterien 160 verfälscht werden. Folglich sinken die Lebensdauer und die Speicherkapazität aller Batteriezellen 21 des Batteriesystems 10. Im Extremfall kann es durch die hier gezeigte missbräuchliche Verwendung der Trenneinrichtung 150 sogar zu sicherheitskritischen Situationen kommen.
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Nachteilig an den herkömmlichen Batteriesystemen ist, dass Manipulationen an den Anschlüssen 151, 152, wie beispielsweise die weiter oben genannte, nur schwer oder sehr schwer erkannt und somit auch kaum vermieden werden können. So wird ein Missbrauch der Trenneinrichtung 150 in dem in 1 und 2 gezeigten herkömmlichen Batteriesystem 10 oft nicht erkannt, obwohl die Gesamtspannung des Batteriesystems bzw. des Batteriepacks 10 überwacht wird. Denn je nach vorliegendem Ladezustand der Batterie 20, die beispielsweise als Folge des Absinkens der Klemmspannung der Batteriezellen 21 bei sinkendem Ladezustand (SOC) entsteht, kann die gemessene Gesamtspannung des Batteriesystems 10 immer noch innerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs liegen. Mit anderen Worten, wenn die Gesamtspannung des Batteriesystems immer noch innerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs liegt, kann das Anschließen einer externer Batterie 160 an den Anschlüssen (Klemmen) 151, 152 der Trenneinrichtung (Service-Disconnect) 150 nicht erkannt werden.
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Ferner ist aus dem Dokument
DE 102 21 086 A1 eine Steuervorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die bei der Herstellung auf einen Leiterplattennutzen angebracht wird. Der Leiterplattennutzen umfasst eine Schnittstelle und mehrere mit der Schnittstelle verbundene, innerhalb des Leiterplattennutzens verlaufenden Datenleiterbahnen. Über die Schnittstelle und die Datenleiterbahnen werden Daten an die Steuereinheit eingegeben. Bei der Herstellung wird dabei eine Leiterplatte aus dem Leiterplattennutzen derartig ausgetrennt, dass die Steuereinheit auf der ausgetrennten Leiterplatte verbleibt, die Schnittstelle auf einem Nutzenrest verbleibt, und Schnittflächen der Datenleiterbahnen in einem Rand der Leiterplatte verbleiben. Dadurch wird ein mechanischer Zugriff zu den Datenleiterbahnen und damit auch ein unerlaubter Zugriff auf die in der Steuereinheit eingegebenen Daten erheblich erschwert.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zum Überwachen der Trenneinrichtung eines Batteriesystems, das eine Batterie mit mehreren Batteriezellen aufweist, bereitgestellt. Erfindungsgemäß wird eine an den Anschlüssen der Trenneinrichtung anliegende negative oder positive Spannung mittels eines mit der Trenneinrichtung verbundenen Überwachungsgerätes erfasst und zur Feststellung des Funktionszustandes der Trenneinrichtung ausgewertet. Ferner werden beim Vorliegen eines Betrages der erfassten Spannung, der einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, Maßnahmen zum Schutz des Batteriesystems vor Manipulationen an seiner Trenneinrichtung eingeleitet.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Überwachungsgerät zum Überwachen der Trenneinrichtung eines Batteriesystems mit einer Batterie mit mehreren Batteriezellen bereitgestellt. Erfindungsgemäß ist das Überwachungsgerät mit den Anschlüssen der Trenneinrichtung des Batteriesystems elektrisch verbindbar ausgebildet. Das Überwachungsgerät ist ferner dazu ausgebildet, die an den Anschlüssen der Trenneinrichtung anliegende negative oder positive Spannung zu erfassen und zur Feststellung des Funktionszustandes der Trenneinrichtung auszuwerten. Ferner ist das Überwachungsgerät dazu ausgebildet, beim Vorliegen eines Betrages der erfassten Spannung, der einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, Maßnahmen zum Schutz des Batteriesystems vor Manipulationen an seiner Trenneinrichtung einzuleiten.
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Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können als Maßnahme zum Schutz des Batteriesystems Informationen, die sich auf die vorliegende Schwellenwertüberschreitung beziehen, zur weiteren Auswertung in einen von dem Überwachungsgerät umfassten oder mit dem Überwachungsgerät verbundenen Fehlerspeicher eingetragen werden. Ferner kann als Maßnahme zum Schutz des Batteriesystems vor Manipulationen an seiner Trenneinrichtung die Batterie abgeschaltet werden. Auch können als Maßnahme zum Schutz des Batteriesystems Informationen bezüglich der vorliegenden Schwellenwertüberschreitung zur weiteren Auswertung an ein von dem Überwachungsgerät umfasstes oder mit dem Überwachungsgerät verbundenes Steuergerät kommuniziert werden.
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Bei einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die an den Anschlüssen der Trenneinrichtung anliegende negative oder positive Spannung kontinuierlich oder periodisch erfasst.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Überwachungsgerätes ist eine Überwachung der Anschlüsse beziehungsweise der Trenneinrichtung (Service-Disconnect) möglich, wodurch derartige Manipulationen erkannt und verhindert werden können, die eine Zuschaltung von zusätzlichen Batteriezellen oder Batterien zwischen den Anschlüssen der Betriebseinrichtung eines Batteriesystems umfassen oder die eine unerwünschte Leistungssteigerung des Batteriesystems („Tuning“) zur Folge hätten. Solche Manipulationen wären aber auch mit Einbußen bezüglich der Sicherheit und der Lebensdauer eines davon betroffenen Batteriesystems verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren und das Überwachungsgerät ermöglichen ein Erkennen der vorhin genannten Manipulationen an den Anschlüssen der Trenneinrichtung. Wenn solche Manipulationen erkannt werden, werden erfindungsgemäß Maßnahmen zum Schutz des Batteriesystems vor der Wirkung der genannten Manipulationen eingeleitet.
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Einfach ausgedrückt, es wird erfindungsgemäß die Spannung an den Anschlüssen der Trenneinrichtung des Batteriesystems mittels eines Überwachungsgeräts überwacht. Dies kann kontinuierlich oder periodisch geschehen. Mittels eines Überwachungsgerätes wird erfindungsgemäß eine externe positive oder negative Spannung an den Anschlüssen beziehungsweise Klemmen der Trenneinrichtung des Batteriesystems erfasst. Wenn der Betrag der erfassten Spannung über einer bestimmten, von dem jeweiligen System abhängigen Schwelle liegt, können entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden. Diese eingeleiteten Maßnahmen umfassen beispielsweise das Eintragen eines Fehlerbeitrages in einem Fehlerspeicher und/oder das Abschalten der Batterie und/oder die Kommunikation einer vorliegenden Schwellenwertüberschreitung des Betrages der an den Anschlüssen der Trenneinrichtung anliegenden Spannung an ein Fahrzeugsteuergerät eines Fahrzeuges, in dem das Batteriesystem eingebaut ist.
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Ferner kann als ein Zusatzeffekt der Überwachung der Anschlüsse der Trenneinrichtung des Batteriesystems ein korrektes Schließen der Kontakte der Trenneinrichtung des Batteriesystems festgestellt werden, da die beiden Anschlüsse der Trenneinrichtung im geschlossenen Zustand kurzgeschlossen sein müssen.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie, einer Trenneinrichtung und einem erfindungsgemäßen Überwachungsgerät zum Überwachen der Trenneinrichtung.
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Erfindungsgemäß kann die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie sein.
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Insbesondere umfasst das Überwachungsgerät zum Überwachen der Trenneinrichtung mindestens eine in dem Batteriesystem vorhandene Zellüberwachungsvorrichtung zum Überwachen des Funktionszustandes mindestens einer Batteriezelle der Batterie.
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Vorzugsweise umfasst das Überwachungsgerät zum Überwachen der Trenneinrichtung ein in dem Batteriesystem vorhandenes zentrales Batteriesteuergerät zum Steuern des Batteriesystems.
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Einfach ausgedrückt, das erfindungsgemäße Überwachungsgerät zum Überwachen der Trenneinrichtung des Batteriesystems kann als dezidiertes Gerät ausgebildet sein. Auch kann die Realisierung des erfindungsgemäßen Überwachungsgerätes zum Überwachen der Trenneinrichtung des Batteriesystems unter der Verwendung einer Zellüberwachungsvorrichtung (CSC) und/oder unter der Verwendung des zentralen Batteriesteuergeräts (BCU) geschehen. In den letzten beiden Fällen ist die Batterie Trenneinrichtung mit entsprechenden zusätzlichen Anschlüssen (Pins) der betroffenen Zellüberwachungsvorrichtung (CSC) oder des zentralen Batteriesteuergeräts (BCU) elektrisch verbunden.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt.
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Insbesondere umfasst das erfindungsgemäße Fahrzeug ein Fahrzeugsteuergerät zum Steuern des Fahrzeuges, wobei das Überwachungsgerät zum Überwachen der Trenneinrichtung Informationen die eine Schwellenwertüberschreitung des Betrags der an den Anschlüssen der Trenneinrichtung des Batteriesystems anliegende Spannung betreffen, über ein entsprechendes Datenübertragungssystem an das Fahrzeugsteuergerät kommunizieren kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer Trenneinrichtung (Service-Disconnect),
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2 das Prinzipschaltbild des aus dem Stand der Technik bekannten und in der 1 dargestellten Batteriesystems, bei dem an den Anschlüssen der Trenneinrichtung eine externe Batterie angeschlossen ist, und
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3 ein Prinzipschaltbild eines eine Trenneinrichtung umfassenden Batteriesystems nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei an den Anschlüssen der Trenneinrichtung eine externe Batterie angeschlossen ist und die Trenneinrichtung mittels einer mit ihr elektrisch verbundenen Zellüberwachungsvorrichtung (CSC) überwacht wird.
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Ausführungsform der Erfindung
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3 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das in der 3 dargestellte Batteriesystem 10 ist ähnlich wie das in der 2 dargestellte Batteriesystem aufgebaut, mit dem Unterschied, dass die Trenneinrichtung 150 mit einer von dem Batteriesystem 10 umfassten Zellüberwachungsvorrichtung (CSC) 230 elektrisch verbunden ist. Bei dem in der 3 dargestellten Batteriesystem 10 ist zwischen den Anschlüssen 151, 152 der Trenneinrichtung 150 eine externe Batterie 160 angeschlossen. Dabei ist die Zellüberwachungsvorrichtung 230 mit beiden Anschlüssen 151, 152 der Trenneinrichtung (Service-Disconnect) 150 jeweils elektrisch verbunden und dazu ausgebildet, die an den Anschlüssen 150 anliegende Spannung kontinuierlich oder periodisch zu erfassen und zur Feststellung des Funktionszustandes der Trenneinrichtung 150 auszuwerten.
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Ferner ist die Zellüberwachungsvorrichtung 230 dazu ausgebildet, in einem Fall, wenn der Betrag der an den Anschlüssen 151, 152 der Betriebseinrichtung 150 anliegenden Spannung einen von dem Batteriesystem 10 abhängigen Schwellenwert überschreitet, Maßnahmen zum Schutz des Batteriesystems 10 vor Manipulationen an seiner Trenneinrichtung 150 einzuleiten.
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Insbesondere ist die mit der Trenneinrichtung 150 verbundene Zellüberwachungsvorrichtung 230 dazu ausgebildet, Informationen bezüglich einer festgestellten Schwellenwertüberschreitung des Betrages der an den Anschlüssen 151, 152 der Trenneinrichtung 150 anliegenden Spannung über das interne Bus-System 70 an das zentrale Batteriesteuergerät 60 zu übermitteln. Das Batteriesteuergerät 60 kann einen Fehlerspeicher (nicht dargestellt) umfassen, in dem die von der Zellüberwachungsvorrichtung 230 kommunizierten Informationen bezüglich der festgestellten Schwellenwertüberschreitung des Betrages der an den Anschlüssen 151, 152 der Trenneinrichtung 150 anliegenden Spannung als Fehlerbeitrag eingetragen werden und von dem zentralen Batteriesteuergerät 60 bei der Berechnung der für das Batteriesystem relevanten Parameter berücksichtigt werden.
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Ferner kann das zentrale Batteriesteuergerät 60 aufgrund der von der Zellüberwachungsvorrichtung 230 übermittelten Informationen bezüglich der festgestellten Schwellenwertüberschreitung des Betrags der an den Anschlüssen 151, 152 der Trenneinrichtung 150 anliegenden Spannung die Batterie 20 abschalten.
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Weiterhin können die von der Zellüberwachungsvorrichtung 230 kommunizierten beziehungsweise übermittelten Informationen bezüglich der festgestellten Schwellenwertüberschreitung des Betrages der an den Anschlüssen 151, 152 der Trenneinrichtung 150 anliegenden Spannung mittels des zentralen Batteriesteuergeräts 60 über das Can-Bus-System 140, mittels dessen das zentrale Batteriesteuergerät 60 mit einer Fahrzeugschnittstelle verbindbar ist, an ein Fahrzeugsteuergerät (nicht dargestellt) zur weiteren Auswertung kommuniziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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