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Stand der Technik
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US 2010/0161260 A1 bezieht sich auf ein Batteriemanagementsystem, welches ein Batteriepack überwacht, das eine Vielzahl von Batteriezellen umfasst. Eine Batteriezelle ist dabei jeweils mit einem Messsensor versehen. Ein Messsensor ist jeweils dazu eingerichtet, Informationen über eine Batteriezelle, beispielsweise deren Spannung oder deren Temperatur zu erfassen. Das Batteriemanagementsystem umfasst ferner eine zentrale Steuereinheit, die über einen Kommunikationsbus mit den Messsensoren verbunden ist. Des Weiteren offenbart
US 2010/0161260 A1 eine Ausführungsvariante, bei der zwischen einer zentralen Steuereinheit und den Messsensoren, jeweils Steuereinheiten zwischengeschaltet sind. Darüber hinaus zeigt
US 2010/0161260 A1 ein Verfahren zur synchronen Datenerhebung innerhalb eines Batteriemanagementsystems. Hierbei wird in einem ersten Schritt von der zentralen Steuereinheit ein Datenerhebungsbefehl an die Messsensoren und somit synchron eine Datenerhebung ausgelöst. Nach Ablauf einer Datenerhebungsdauer werden die von den Messsensoren jeweils erstellten Daten über den Kommunikationsbus an die zentrale Steuereinheit vermittelt. Nach Ablauf einer Messung durch einen Messsensor fallen diese in einen Bereitschaftszustand, bis ein weiterer Datenerhebungsbefehl von der zentralen Steuereinheit gesandt wird. Darüber hinaus offenbart
US 2010/0161260 A1 , dass eine Datenerhebungsperiode in der Größenordnung von einigen Millisekunden liegt, so dass ein derartiges Batteriemanagementsystem in Fahrzeugen, insbesondere in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden kann.
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US 2011/0050237 A1 offenbart ein Batterieüberwachungssystem, welches für den Einsatz in Hybridfahrzeugen, insbesondere mit Nickelwasserstoff- oder Lithium-Batterien geeignet ist. Das Batterieüberwachungssystem ist dazu ausgebildet, eine synchronisierte Messung von Zuständen von Batteriezellen in einer Fahrzeugbatterie durchzuführen. Das Batterieüberwachungssystem umfasst eine zentrale Steuereinheit, die mit einer Vielzahl von Batteriezellen verbunden ist. Die zentrale Steuereinheit sendet im Betrieb einen gemeinsamen Befehl zur Spannungsmessung an eine Vielzahl von Spannungsmessgeräte, die über einen Datenkanal miteinander verbunden sind. Ferner ist die Steuereinheit mit einem Speicher versehen, in dem Latenzzeiten für jede einzelne Spannungsmessvorrichtung gespeichert sind. Erreicht ein gemeinsamer Befehl zur Spannungsmessung eine Spannungsmessvorrichtung, verstreicht zunächst die jeweilige Latenzzeit, bevor ein Messvorgang eingeleitet wird. Dadurch wird eine Synchronisation der einzelnen Spannungsmessungen erzielt.
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Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge ist die Entwicklung von Batteriepacks mit einem zugehörigen Batteriemanagementsystem vonnöten. Das Batteriemanagementsystem umfasst im Wesentlichen Steuergeräte, die mit einer Software zur Überwachung von Batteriefunktionalitäten versehen sind. Typische Batteriemanagementsysteme gewährleisten eine sichere und zuverlässige Funktion der Batteriezellen und der Batteriepacks. Sie überwachen und steuern Ströme, Spannungen, Temperaturen, Isolationswiderstände und andere Größen für die Batteriezellen, bzw. den ganzen Batteriepack. Mit Hilfe dieser Größen lassen sich Managementfunktionen realisieren, die Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit des Batteriesystems steigern.
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Zur Umsetzung der Managementfunktionen des Batteriemanagementsystems ist eine Vielzahl von Sensoren und Steuergeräten nötig. Das Batteriemanagementsystem umfasst in der Regel mindestens ein Hauptsteuergerät (Batterie Control Unit ≙ BCU), welches die oben genannten Managementfunktionen durchführt. Des Weiteren umfasst das Batteriemanagementsystem den Batteriezellen jeweils zugeordnetes CSC’s (Cell Supervising Circuit). Sensorsteuergeräte wie CSC’s dienen dem Messen von Zellspannungen bzw. Zelltemperaturen. Die Sensorsteuergeräte (Cell Supervising Circuit ≙ CSC) sind mit mindestens einem Sensor verbunden, bei dem es sich beispielsweise um einen Stromsensor oder einen Temperatursensor und dergleichen handelt. Im Hauptsteuergerät des Batteriemanagementsystems laufen die im Rahmen der Managementfunktion gesammelten Daten zusammen. Die zusätzlichen Steuergeräte und Sensoren beliefern das Hauptsteuergerät des Batteriemanagementsystems mit den nötigen Daten, wie zum Beispiel den Messungen von Spannungen, Temperaturen und/oder Strömen, um die Managementfunktionen zu realisieren. Sensorsteuergeräte führen Messungen der Batteriezellspannungen und Temperaturen in direkter Nähe zu den Batteriezellen durch und kommunizieren die Messdaten zum Hauptsteuergerät des Batteriemanagementsystems. Zusätzlich vorgesehene Sensoren führen ebenfalls Messungen, beispielsweise von Strömen durch und liefern diese Daten ebenfalls an das Hauptsteuergerät. Als Kommunikationsbus, über den die Daten übertragen werden, bietet sich dabei ein fahrzeuginterner CAN-Bus an.
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Zur Realisierung der Funktionen eines Batteriemanagementsystems sind eine Vielzahl von Anforderungen zu erfüllen. Alle Messwerte müssen zyklisch erfasst und an das Hauptsteuergerät übertragen werden. Eine Zykluszeit beträgt beispielsweise 20 ms. Die Messwerte, die zyklisch erfasst werden, umfassen beispielsweise die Zellspannung pro Batteriezelle, eine pro Batteriemodul definierbare Anzahl von Temperaturen (zum Beispiel zwei Temperaturen pro Batteriemodul), ferner Ströme, die von externen Sensoren gemessen werden, sowie Gesamtpackspannungen, welche an externen Sensoren gemessen werden. Bei den durchzuführenden Messungen wird zwischen synchronen Messungen und asynchronen Messungen unterschieden: Synchrone Messungen laufen in einem festlegbaren Zeitraster, zum Beispiel alle 20 ms ab. Die Messdaten sind gleichzeitig auf allen Steuergeräten zu messen, mit einer festgelegten, maximal zulässigen Abweichung in Bezug zueinander. Die zeitliche festgelegte maximale Abweichung kann beispielsweise 100 µs betragen. Bei asynchron vorzunehmenden Messungen sind zusätzlich, abweichend vom definierten Zeitraster, hochfrequente Messungen auf Teilen der Sensorik durchzuführen. Ergebnisse können gegebenenfalls an das Hauptsteuergerät des Batteriemanagementsystems übertragen werden.
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Es ist erforderlich, dass die Messdaten in einem Messzyklus konsistent zueinander sind, d.h. es darf keine Vermischung aktueller Daten aus der aktuellen Messung mit Daten aus einer vorherigen Messung erfolgen. Es gibt des Weiteren Messdaten, die mehrmals pro synchronen Messzyklus erfasst werden müssen. Diese Daten werden innerhalb eines Messzyklus‘ mehrfach asynchron erfasst und übermittelt. Das Kommunikationsprotokoll ist frei konfigurierbar zu halten, damit es wiederverwendbar in anderen Projekten mit unterschiedlichen Steuergeräte-Architekturen kompatibel ist, die sich beispielsweise in der Anzahl der eingebauten Batteriezellen, Module und Sensoren voneinander unterscheiden. Als weiteres Erfordernis ist zu nennen, dass die Kommunikation von Service und Diagnoseanfragen vom Hauptsteuergerät des Batteriemanagementsystems zu den Sensorsteuergeräten und dann externe Sensoren zu ermöglichen ist. Bei einer derartigen Kommunikation handelt es sich beispielsweise um eine Aufforderung zum Cell-Balancing, die vom Hauptsteuergerät des Batteriemanagementsystems an die Sensorsteuergeräte übertragen wird und von letzteren durchzuführen ist. Die Kommunikation von Service- und Diagnose-Requests kann des Weiteren Anforderungen zum Schalten von Schützen, Diagnose-Requests, beispielsweise den Sprung in ein Flashprogramming-Session sowie das Auslesen von Fehlermeldungen umfassen. Die Kommunikation, insbesondere die Kommunikation von Diagnose-/Service-Anfragen unterliegt nicht den strengen Anforderungen bezüglich einer einzuhaltenden Synchronisierung.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Datenübertragung innerhalb eines Batteriemanagementsystems vorgeschlagen, bei dem in kurzen zeitlichen Abständen zyklisch ein Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll mit höchster Priorität auf einen Datenbus geschickt wird, der sich zwischen dem Hauptsteuergerät und Sensorsteuergeräten erstreckt, wobei das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll mit der höchsten Prioritätsstufe versehen ist und somit von keiner anderen auf den Datenbus zu übertragenden Botschaft verdrängt wird, wodurch das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll für die Synchronität durchzuführender Messvorgänge und die Synchronität hinsichtlich der Anforderung von Messwerten sorgt. In einer vorteilhaften Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens können mit dem Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll auch Diagnose- und Serviceanfragen auf dem Datenbus verschickt werden. Insbesondere umfasst das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll Adressinformationen für die jeweils zu adressierenden Steuergeräte, so dass abhängig von den Adressinformationen auf dem Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll dieses eine Untermenge aller in einem Batteriepack verbauten Sensorsteuergeräte anspricht. Bei einer Anfrage nicht-adressierte Steuergeräte ignorieren das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll, wohingegen die mit dem Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll jeweils adressierten Sensorsteuergeräte jeweils auf die im Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll angeforderten Maßnahmen reagieren, dergestalt, dass entweder ein Messvorgang durchgeführt wird, oder ein Verschicken gemessener Werte oder eine Durchführung einer Diagnoseanfrage erfolgt oder ein Ignorieren des Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll stattfindet, wenn das entsprechende Sensorsteuergerät mit dem Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll eben nicht adressiert wurde.
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Aufgrund des Umstandes, dass das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll, bedingt durch die Charakteristik des CAN-Busses, von allen damit verbundenen Teilnehmern gleichzeitig empfangen werden kann, ist sichergestellt, dass die einzelnen Steuergeräte bezüglich der jeweiligen Messzeitpunkte zur Datenaufnahme synchronisiert sind.
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Bei dem Messauslöse- und Messdatenanfrage-Protokoll handelt es sich um ein solches, mit dem ein Auslösen (Triggern) mehrerer Messdaten-Gruppen, im Folgenden auch als Messgruppe bezeichnet, ermöglicht ist. Alle Daten einer jeweiligen Messgruppe werden immer zusammen von mindestens einem der adressierten Sensoren gemessen und kommuniziert. Das Messauslöse- und Messdatenanfrage-Protokoll bestimmt, welche jeweiligen Messgruppen synchron gemessen werden müssen. Die einzelnen Messgruppen lassen sich projektweise individuell definieren; eine mögliche Messgruppe ist beispielsweise durch die Batteriezellenspannungen gegeben, die auf den Sensorsteuergeräten (CSC’s) gemessen werden, eine zweite Messgruppe, beispielsweise durch die Ströme und Gesamtbatteriepackspannungen, die vom Hauptsteuergerät und externen, zusätzlichen Sensoren des Batteriemanagementsystems gemessen werden sowie eine dritte Messgruppe, die durch die Temperaturen gegeben ist, die von den Sensorsteuergeräten (CSC’s) gemessen werden.
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Im vorliegenden Zusammenhang hat sich das Prinzip der Messgruppen als vorteilhaft erwiesen, da nicht alle Daten mit der gleichen Abtastrate gemessen werden müssen; so werden beispielsweise die Temperaturwerte aufgrund ihrer Trägheit seltener benötigt als die Batteriezellenspannungswerte.
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Die Auslegung des Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokolls umfasst mehrere Felder, die mit einzelnen Bit-Masken belegt sind. So ist beispielsweise in einem Adressierungsfeld eine Bit-Maske hinterlegt, wobei jedes Bit ein bestimmtes Sensorsteuergerät repräsentiert. Ist dieses Bit gesetzt, wird das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll in dem entsprechenden Steuergerät, welches adressiert ist, verarbeitet. Des Weiteren umfasst das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll eine Trigger-Gruppe, in welchem Bit-Einträge für einzelne Messgruppen, beispielsweise die oben stehenden drei Messgruppen, hinterlegt werden können. So lässt sich ein dementsprechendes Trigger-Bitt setzen, wenn eine Messung erfolgen soll und einen Zähler, welcher die ausgewählte Messgruppe repräsentiert und identifiziert, um Messungen einzelnen bestimmten Sensorsteuergeräten und durchgeführten Messzyklen zuordnen zu können.
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Darüber hinaus umfasst das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll ein Feld Datenanfrage, welches ebenfalls mit einer Bit-Maske belegt werden kann, wobei ein Trigger-Bit dann gesetzt werden soll, wenn Messdaten eines Sensors, beispielsweise aus der Messgruppe 1 geliefert werden sollen und ein zu dieser Datenanfrage gehöriger Zähler zur genauen Identifikation der Messdaten gesetzt ist. Innerhalb der Datenanfrage können alle drei Messgruppen analog zur Trigger-Gruppe angefragt werden.
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Darüber hinaus umfasst das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll einen Datensatz-Trigger, welcher ebenfalls mit einer Bit-Maske versehen werden kann. Ist dieses Datensatz-Trigger-Bit gesetzt, werden die vorstehend mit den Trigger-Gruppen angeforderten, d.h. durchzuführenden Messungen synchron durchgeführt.
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Das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll umfasst darüber hinaus eine Feld Diagnoseanfrage, in welchen Bit-Masken gesetzt werden, die einen Identifikator für Diagnosedienste codieren und einen Dienstparameter, der als zusätzlicher Parameter für angeforderte Diagnosefunktionen dienen kann.
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Jedes durch das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll adressierte Sensorsteuergerät antwortet beispielsweise bei einer Messanfrage, für den Fall, dass die entsprechende Bit-Maske im Feld-Trigger-Gruppe für eine der drei Messgruppen gesetzt ist, so dass das adressierte Sensorsteuergerät die Messung der angeforderten Messgruppe durchführt.
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Für den Fall einer Datenanfrage, d.h. die Bit-Maske im Datenanfragefeld ist gesetzt, liefert das jeweils adressierte Sensorsteuergerät die Messdaten aus der letzten Messung an das Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystems. Ein Abgleich des Datenanfragezählers „Zähler-Messgruppe X“ aus dem Datenanfragefeld des Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokolles mit den Zähler „Messgruppe X-Zähler“ aus dem Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll, mit dem die Messung ausgelöst wurde, wird durchgeführt, so dass sichergestellt ist, dass die Daten konsistent und synchron zueinander sind.
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Ist die Bit-Maske für eine Diagnoseanfrage gesetzt, d.h. ist diese Bit-Maske angegeben, so erfolgt abhängig vom Diagnose-Identifier und dem Dienstparameter eine Durchführung der angefragten Diagnose und das Ergebnis der Diagnose wird an das Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystems zurückgeschickt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Datenübertragung im Rahmen eines Batteriemanagementsystems bietet den Vorteil, dass das vorgeschlagene Datenübertragungsverfahren auf einem für Automobilanwendungen tauglichen Kommunikationssystem, insbesondere einem CAN-Bus oder einem Standard-CAN-Bus ablaufen kann. Eine Synchronisierung der durchzuführenden Messungen, insbesondere hinsichtlich der Batteriezellenströme und Batteriezellenspannungen sowie von Batteriemodul- oder Batteriepackspannungen erfolgt innerhalb eines definierten Zeitintervalls, das beispielsweise 100 µs betragen kann. Dabei bietet das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Datenübertragung eines Batteriemanagementsystems eine flexible Konfiguration, da die Abtastraten der einzelnen Messwerte nahezu beliebig gewählt werden können. Die maximale Frequenz ist definiert durch die jeweils verwendete Bandbreite des jeweils zur Verfügung stehenden Standard-CAN-Busses oder CAN-Busses. Hinsichtlich der Implementierung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens liegt eine freie Konfigurierbarkeit vor, so dass beliebige Projektkonfigurationen bezogen auf die Anzahl zusätzlicher Sensoren der Batteriezellen der Batteriemodule und dergleichen gewährleistet ist. Die Konsistenz der Messdaten wird durch die jeweils den Messungen und Rücklieferungen von Messdaten zugeordneten Zähler sichergestellt, da eintreffende Messdaten auf ihre Zusammengehörigkeit überprüft werden. Ein irrtümliches Vermischen von Daten verschiedener Messzyklen wird auf Seiten des Hauptsteuergerätes (BCU) des Batteriemanagementsystems detektiert.
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Neben den streng synchron in bestimmten Abtastzyklen durchzuführenden Messungen, lassen sich zusätzlich asynchron hochfrequente Messungen durchführen, da beliebige Sensoren unabhängig von festen Zeitrastern zusätzlich asynchrone Messungen durchführen können. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist eine dynamische Änderung der Messfrequenzen möglich; die Messfrequenz wird dynamisch während der Laufzeit verändert und in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Batterie jeweils erhöht oder verringert. Zusätzlich können jeder prioritär behandelte Serviceanfrage, beispielsweise für Diagnosedienste am erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll ohne Störung der übrigen Kommunikation in den Kommunikationsablauf eingebettet werden.
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Wird insbesondere eine zentrale Projektkonfiguration verwendet und die Topologie des Batteriepacks in Bezug zu den implementierten Sensorsteuergeräten definiert, lassen sich sämtliche Schritte der Testerstellung automatisieren. Elektrofahrzeuge und deren Batteriepacks unterscheiden sich stark, so dass unterschiedliche Projektkonfigurationen zum Einsatz kommen. So wird für jeden Fahrzeugtyp eine eigene Batterie entwickelt, die sich hinsichtlich der Anzahl der eingesetzten Batteriezellen, der Sensoren etc. unterscheidet. Während der Entwicklung der Software für die unterschiedlichen Batteriepacks wird die Konfiguration, d.h. die Anzahl und die Verteilung der Zellen, die Temperatursensoren, die Anordnung der Stromsensoren und dergleichen mehr in einer zentralen Batteriepackkonfiguration definiert. Aus dieser Definition wird dann die Software generiert und aus der Konfiguration wiederum entsteht die genaue Auslegung des Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokolls.
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Darüber hinaus ist eine effiziente Kapselung der Kommunikationsmodule in allen Sensorsteuergeräten gegeben. In allen Sensorsteuergeräten kann das Kommunikationsmodul gekapselt werden, so dass die Software in den Sensorsteuergeräten immer nur auf Signale, so zum Beispiel Batteriezellenspannungen, Temperaturen, Ströme und dergleichen mehr zugreift, wobei die Zuteilung der Signale auf die einzelnen Botschaften auf dem Standard-CAN-Bus oder dem CAN-Bus mittels eines einzelnen zentralen Konfigurationsfile erledigt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 den schematischen Aufbau eines Batteriemanagementsystems mit einem Hauptsteuergerät BCU und mehreren über einen CAN-Bus miteinander verbundener Sensorsteuergeräten (CSC’s),
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2 den Aufbau eines Auslöse- und Messdatenanfrageprotokolls,
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3 eine schematische Darstellung eines möglichen Kommunikationsablaufes zwischen dem Hauptsteuergerät, mehreren Sensoren auf dem CAN-Bus und
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4 zeigt den Eingang einer Messanfrage, die Vorbereitung und Nachbereitung der Messung, den Eingang einer Datenanfrage und ein sich anschließendes Versenden der Daten auf dem Datenbus.
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Ausführungsvarianten
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1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau eines Batteriemanagementsystems mit einem Hauptsteuergerät (BCU) und mehreren über einen Datenbus, beispielsweise einem CAN-Bus, miteinander verbundenen Sensorsteuergeräten (CSC’s).
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Wie 1 entnommen werden kann, umfasst ein dort dargestelltes Batteriemanagementsystem 10 einen Datenbus 12. Dieser Datenbus 12 wird insbesondere bei Automobilanwendungen als CAN-Bus ausgeführt. Das Batteriemanagementsystem 10 gemäß der schematischen Darstellung in 1, umfasst ein Hauptsteuergerät 14 (BCU) sowie eine Anzahl von Sensorsteuergeräten 16 (CSC), die in beliebiger Anzahl von 1 bis n vorhanden sein können. An jedes der 1 bis n vorgesehenen Sensorsteuergeräte 16 sind eine Anzahl von Batteriezellen 18, ebenfalls in einer Anzahl von 1 bis n, angeschlossen. Dazu dienen Batteriezellenanschlüsse 20, mit denen die Sensorsteuergeräte 16 in ihrer Anzahl 1 bis n mit den jeweiligen Batteriezellen 18 in ihrer Anzahl 1 bis n verbunden sind. Eine Anzahl miteinander verbundener jeweils angeschlossener Batteriezellen 18 aufweisender Sensorsteuergeräte 16 bildet einen Batteriepack 19.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass die einzelnen Sensorsteuergeräte 16 in ihrer Anzahl 1 bis n jeweils einen Prozessor 22 umfassen. An den die einzelnen Sensorsteuergeräte 16 mit dem Hauptsteuergerät 14 verbindenden Datenbus 12 sind externe zusätzliche Sensoren 24, 26, 28 angeschlossen. Bei dem in 1 in schematischer Weise dargestellten Batteriemanagementsystem 10 stellt das Hauptsteuergerät 14 das zentrale Steuergerät dar, welches die Managementfunktionen für das Batteriepack 19 implementiert. Die zusätzlichen Steuergeräte 16 in ihrer Anzahl 1 bis n sowie die externen, zusätzlichen Sensoren 24, 26, 28 beliefern das Hauptsteuergerät 14 mit den erforderlichen Daten, d.h. dienen der Messungen von Spannungen, von Temperaturen und von Strömen, um die Batteriemanagementfunktionen zu realisieren. Die Sensorsteuergeräte 16 in ihrer Anzahl 1 bis n führen die Messungen der Batteriezellenspannungen und der Temperaturen in direkter Nähe zu den Batteriezellen 18 durch und kommunizieren die Messdaten zum Hauptsteuergerät 14. Die zusätzlichen Sensoren 24, 26, 28, die ebenfalls mit dem Datenbus 12 des Batteriemanagementsystems 10 verbunden sind, führen ebenfalls Messungen, beispielsweise von Strömen durch und liefern die erhaltenen Messdaten ebenfalls an das Hauptsteuergerät 14.
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Der Darstellung gemäß 2 ist der Aufbau eines Auslöse- und Messdatenanfrageprotokolls zu entnehmen, das auch als „Control Frame“ bezeichnet wird.
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Das in 2 hinsichtlich seines Aufbaus wiedergegebene Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 wird in kurzen zeitlichen Abständen zyklisch, so zum Beispiel alle 5 ms mit höchster Priorität auf dem Datenbus 12 vom Hauptsteuergerät 14 entweder zu allen Sensorsteuergeräten 16 (CSC), die in ihrer Anzahl von 1 bis n vorgesehen sind und mit dem Datenbus 12 in Verbindung stehen, verschickt, oder das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 („Control Frame“) wird an einzelne ausgewählte Sensorsteuergeräte 16 (CSC’s) verschickt. Aufgrund der Wahl der höchsten Priorität wird diese Botschaft von keiner anderen auf dem Datenbus 12 verschickten Botschaft verdrängt. Das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 („Control Frame“) sorgt für die Synchronität der Durchführung der Messungen und die Anforderung von Messwerten. Zusätzlich werden Diagnoseanfragen 82 und Serviceanfragen mit dem Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 verschickt. Das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 enthält Adressinformationen 52 für ein jedes der Steuergeräte 16. Nicht-adressierte Sensorsteuergeräte 16 ignorieren das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50. Die im Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 adressierten einzelnen Sensorsteuergeräte 16 antworten entsprechend auf die im Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 geforderten Maßnahmen:
So kann mit dem in 2 dargestellten Auslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 die Durchführung einer Messung angefordert werden. Ferner kann das Verschicken zuvor gemessener Werte angefordert werden, oder eine Durchführung einer Diagnoseanfrage angefordert werden. Wird das entsprechende Sensorsteuergerät 16 hingegen nicht adressiert, ignoriert dieses das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50, welches auf den Datenbus 12 verschickt wird. Da das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 aufgrund der Charakteristik des Datenbusses 12, der bei automotiven Anwendungen in der Regel als CAN ausgebildet ist, von allen Teilnehmern gleichzeitig empfangen wird, können die einzelnen Sensorsteuergeräte 16 (CSC’s) bezüglich ihrer Messzeitpunkte synchronisiert werden.
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Das in 2 in schematischer Weise dargestellte Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 ermöglicht das Triggern, d.h. das Auslösen mehrerer Messdaten-Gruppen, die nachfolgend in synonymer Weise als Messgruppen bezeichnet werden. Alle Daten einer einzelnen Messdaten-Gruppen bzw. Messgruppen werden immer zusammen von mindestens einem der adressierten externen, zusätzlichen Sensoren 24, 26, 28 gemessen und kommuniziert. Das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 bestimmt, welche der Messdaten-Gruppen oder Messgruppen synchron gemessen werden müssen. Die einzelnen Messgruppen, die nachfolgend noch einzeln charakterisiert werden, können auch individuell definiert werden.
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Nachfolgend sei der in 2 dargestellte Aufbau des Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokolls 50 anhand von drei Messgruppen näher beschrieben:
Eine Messgruppe 1 ist beispielsweise durch die einzelnen Zellspannungen der Batteriezellen 18 gegeben, die von den Sensorsteuergeräten 16 gemessen werden. Eine weitere Messgruppe 2 ist beispielsweise durch die Ströme und Gesamtbatteriepackspannungen gegeben, die vom Hauptsteuergerät 14 (BCU) oder von externen Sensoren 24, 26, 28 gemessen werden. Eine weitere Messgruppe 3 ist beispielsweise durch die Temperaturen gegeben, die von den einzelnen Sensorsteuergeräten 16 erfasst werden.
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Ein in 2 schematisch dargestellte Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 verwendet das Prinzip der Messgruppen. Dies hat seine Ursache darin, dass nicht alle Daten mit der gleichen Abtastrate gemessen werden müssen. Beispielsweise sind Temperaturwerte aufgrund ihrer Trägheit seltener benötigt als die Zellspannungen von einzelnen Batteriezellen 18 der Batteriepacks 19. Die auf den Sensorsteuergeräten 16 (CSC’s) gemessenen Zellspannungen müssen synchron zu den gemessenen Strömen und Gesamtpackspannungen gemäß der Messgruppe 2 erfasst werden. Dies bedeutet, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise die Messgruppen 1 und 2 synchron zueinander gemessen werden, damit die einzelnen gemessenen Daten der Messgruppe 1, d.h. die Zellspannungen synchron zu den Strömen bzw. Gesamtpackspannungen vorliegen.
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Nachfolgend sei näher auf das Layout des Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokolls 50 gemäß der Darstellung in 2 eingegangen. Das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 umfasst ein Adressierungsfeld 52, in dem eine Bit-Maske 54 hinterlegt ist. Eine jede Bit-Maske 54 repräsentiert eines der Sensorsteuergeräte 16. Wird die entsprechende Bit-Maske 54 gesetzt, wird das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 im adressierten Sensorsteuergerät 16 verarbeitet, nicht-adressierte Sensorsteuergeräte 16 ignorieren das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50.
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Das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 umfasst des Weiteren eine Trigger-Gruppe 55. In der Trigger-Gruppe 55 werden jeweils Trigger gesetzt, wenn eine Messung einer bestimmten Messgruppe 1, 2 oder 3 erfolgen soll. Ein erstes Triggerbit 56 initiiert eine Messung für die Messgruppe 1, d.h. für Zellspannungen. Dem Triggerbit 56 ist ein Zähler 58 zugeordnet, um eine durchgeführte Messung des Sensorsteuergerätes 16 zuordnen zu können. Die Trigger-Gruppe 55 umfasst darüber hinaus ein zweites Triggerbit 60, welches eine Durchführung einer Messung für die Messgruppe 2, d.h. für Ströme und Gesamtpackspannungen initiiert. Auch dem zweiten Triggerbit 60 für die Messgruppe 2 ist ein Zähler 62 zugeordnet. Analoges gilt für das dritte Triggerbit 64 für die Messgruppe 3, dem ebenfalls ein Zähler 66 zugeordnet ist, um die einzelnen Messdaten der Gruppen 1, 2 und 3 den jeweils durchgeführten Messzeitpunkten zuordnen zu können.
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Anstelle der in der Trigger-Gruppe 55 genannten drei Triggerbits 56, 60, 64 für die Messgruppen 1, 2 und 3, können je nach Layout des Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokolls 50 auch mehr Triggerbits gesetzt werden, entsprechend der Anzahl zuvor definierter Messgruppen 1 bis n.
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Das in 2 dargestellte Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 umfasst darüber hinaus auch eine Datenanfrage 67. Werden entsprechende Datenanfragebits 68, 72, 76 gesetzt, werden Messdaten vom Sensorsteuergerät 16 aus den jeweiligen Messgruppen 1, 2 oder 3 geliefert, d.h. auf den Datenbus 12 gelegt und zum Hauptsteuergerät 14 (BCU) verschickt.
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Analog zur Trigger-Gruppe 55 umfasst auch die Datenanfrage 67 den Datenanfragebits 68, 72, 76 jeweils zugeordnete Zähler 70, 74 und 78, so dass die jeweils auf den Datenbus 12 an das Hauptsteuergerät 14 (BCU) übertragenen Messdaten genau identifiziert werden können.
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Mit Bezugszeichen 80 ist ein Datensatztriggerbit bezeichnet, welches durch entsprechende Setzung mit den Trigger-Gruppen 55 bzw. Datenanfragen 67 angeforderten Messungen (Trigger für Messgruppen 1 bis n) synchronisiert. Ein Messdatenindiktator 81 gibt an, welche Messdaten alle zu der folgenden synchronen Messung gehören sollen.
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Darüber hinaus umfasst das in 2 dargestellte Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 eine Diagnoseanfrage 82, welche einen Identifikator 84 und einen Dienstparameter 86 umfassen kann. Über den Identifikator 84 werden die Diagnosedienste identifiziert, während der Dienstparameter 86 einen zusätzlichen Parameter für die angeforderte Diagnose darstellt.
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Jedes durch das Adressierungsfeld 52 mit einer entsprechenden Bit-Maske 54 adressierte Sensorsteuergerät 16 antwortet auf das Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 („Control Frame“) folgendermaßen:
Bei einer Messanfrage, d.h. bei gesetzten Triggerbits 56, 60, 64 führt das jeweils adressierte Steuergerät 16 eine Messung der Größen der angeforderten Messgruppen 1, 2 oder 3 durch. Dies bedeutet, dass im vorliegenden Fall entsprechend der oben stehend gegebenen Definition Zellspannungen, Ströme und Gesamtpackspannungen oder auch Temperaturen gemessen werden.
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Bei einer Datenanfrage 67 mit gesetzten Anfragebits 68, 72, 76 führt das jeweils adressierte Steuergerät 16 die Messdaten aus der letzten Messung zurück, d.h. die während der letzten Messung erhaltenen Messdaten werden auf den Datenbus 12 gelegt. Ein Abgleich der Datenanfragezähler, d.h. 70, 74, 78 mit dem Zähler 58, 62, 66 aus der Trigger-Gruppe 55 wird durchgeführt, so dass sichergestellt ist, dass die erhaltenen, d.h. im Rahmen vorhergehender Messung erhaltenen Messwerte konsistent und synchron in Bezug aufeinander sind.
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Bei gesetzter Diagnoseanfrage 82 folgt abhängig vom Diagnose-Identifikator 84 und dem Dienstparameter 86 die Durchführung der jeweils angefragten Diagnose. Das Ergebnis der Diagnoseanfrage 82 wird auf dem Datenbus 12 an das Hauptsteuergerät (BCU) 14 zurückgesandt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines möglichen Kommunikationsablaufes zwischen dem Hauptsteuergerät (BCU), mehreren Sensorsteuergeräten 16 auf dem Datenbus 12.
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Das in 2 hinsichtlich seiner Auslegung beschriebene Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50 wird zyklisch, so zum Beispiel alle 5 ms, auf dem Datenbus 12 verschickt, auch wenn keine Anfragen hinsichtlich einer Durchführung einer Messung, einer Abfrage von Daten und einer Diagnoseanfrage anliegen. Anhand des in 3 dargestellten Kommunikationsablaufes sei der Ablauf dargestellt.
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Das Hauptsteuergerät 14 (BCU) verschickt zyklisch das Messauslöse- und Messdatenabfrageprotokoll 50 an alle externe, zusätzliche Sensoren 24, 26, 28, wie in 3 dargestellt. In einem ersten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 90 gemäß der Darstellung in 3 wird eine Messanfrage für die Messgruppen 1 und 2 versandt, wobei alle externe, zusätzliche Sensoren 24, 26, 28 adressiert werden. Dies bedeutet, dass ein jeder der externen zusätzlichen Sensoren 24, 26, 28 angesprochen ist und in den entsprechenden Trigger-Gruppen 55 das erste Triggerbit 56 für die Messgruppe 1 und das zweite Triggerbit 60 für die Messgruppe 2 gesetzt sind. Im nächsten zyklisch versandten, d.h. im zweiten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 92 erfolgt keine Anfrage.
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Im durch das Hauptsteuergerät 14 (BCU) versandten dritten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 94 werden wiederum alle Sensoren 24, 26, 28 adressiert, im Felddatenanfrage 67 werden die Messdaten der zuvor durchgeführten mit dem ersten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 90 initiierten Messungen angefragt, wobei die Zähler 58 und 62 für die Messgruppen 1 und 2 auf 1 stehen.
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Im dritten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 94, das an alle Sensoren 24, 26, 28 versandt wird, sind das erste Datenanfragebit 68 für Messgruppe 1 und das zweite Datenanfragebit 72 für Messgruppe 2 gesetzt. Da alle externe, zusätzliche Sensoren 24, 26, 28 adressiert sind, liefern diese die Messdaten für die Messgruppen 1 und 2 nacheinander auf den Datenbus 12 zurück.
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Das inzwischen versandte vierte Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 96 wurde ohne Anforderung einer Maßnahme versandt. Im fünften Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 98, welches durch das Hauptsteuergerät 14 (BCU) auf dem Datenbus 12 verschickt wird, wird eine Messung der Parameter in Messgruppe 3 angefordert, wobei lediglich der externe zusätzliche Sensor 24 adressiert ist. Die beiden weiteren externen, zusätzlichen Sensoren 26, 28 sind nicht adressiert, ignorieren demzufolge das fünfte Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 98.
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Im sechsten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 100, welches durch das Hauptsteuergerät 14 (BCU) auf den Datenbus 12 gelegt wird, wird der erste externe, zusätzliche Sensor 24 adressiert und eine Datenanfrage 67 der zuvor für die Messgruppe 3 initiierten Messung mit dem Zähler 78 angefragte Messdaten von Messgruppe 3 versandt, woraufhin der erste externe, zusätzliche Sensor 24 mit dem Zähler 78 mit Zählerstand 2 die erhaltenen Messungen auf den Datenbus 12 legt. Mit dem siebten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 102 wiederum werden alle Sensoren 24, 26, 28 gemeinsam adressiert, in der Trigger-Gruppe 55 sind das erste Triggerbit 56 und das zweite Triggerbit 60 gesetzt, der Zähler 58 für die Messgruppe 1 und der Zähler 62 für die Messgruppe 2 haben jeweils den Wert 3. Demzufolge werden mit allen externen, zusätzlichen Sensoren 24, 26, 28 Messungen für Messgruppen 1 und 2, d.h. für die Zellenspannungen, die Ströme und die Gesamtpackspannungen durchgeführt.
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Mit dem achten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 104, welches durch das Hauptsteuergerät 14 (BCU) auf den Datenbus 12 gelegt wird, werden wiederum alle externe, zusätzlichen Sensoren 24, 26, 28 adressiert und eine Datenanfrage 67 initiiert, wobei die Messdaten für die vorhergehende Messung aller externer, zusätzlicher Sensoren 24, 26, 28, die mit dem vorhergehenden, d.h. dem siebten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 102 initiiert wurde, angefragt werden. Die Zähler 70 bzw. 74 für die angefragten Messdaten von Messgruppe 1 und für die angefragten Messdaten von Messgruppe 2 haben jeweils den Wert 3 und werden auf dem Datenbus 12 zurückverschickt. Im neunten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 106 erfolgt keine Anfrage.
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Im zehnten Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 108, welches durch das Hauptsteuergerät 14 (BCU) auf den Datenbus 12 gelegt wird, erfolgt eine Diagnoseanfrage 82, welche jedoch nur an den ersten externen, zusätzlichen Sensor 24 und den n-ten Sensor 28 gerichtet ist. Die Diagnoseantwort wird nach Durchführung der Diagnose ebenfalls auf den Datenbus 12 übertragen.
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Aus dem Beispiel gemäß der Darstellung in 3 ist ersichtlich, dass das Hauptsteuergerät 14 (BCU) zyklisch ein Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokoll 50, 90 bis 108 auf den Datenbus 12 legt. Dabei kann eine Messanfrage initiiert werden, hinsichtlich welcher der Messgruppen 1, 2 oder 3 eine Messung durchzuführen ist. Des Weiteren erfolgt eine Datenanfrage 67 dahingehend, welche Messdaten zurück über den Datenbus 12 an das Hauptsteuergerät 14 (BCU) kommuniziert werden sollen. Des Weiteren kann über die Messauslöse- und Messdatenanfrageprotokolle 50, 90 bis 108 eine Diagnoseanfrage 82 dahingehend erfolgen, welches der Steuergeräte 16 eine Diagnose durchführt. Gegebenenfalls können zusätzliche Diagnoseparameter mitgeteilt werden. Die Konsistenz der Daten, d.h. der Messdaten wird über den Abgleich der Zähler 58, 62, 66 hinsichtlich der durchgeführten Messungen mit den Zählern 70, 74, 78 für die angefragten Messdaten erreicht. Dies bedeutet, dass sichergestellt ist, dass nur die Daten synchron durchgeführter Messungen zusammenpassen. Die Synchronität der einzelnen Messvorgänge wird dadurch unterstützt, dass die Messanfrage des Hauptsteuergerätes 14 (BCU) von allen Sensorsteuergeräten 16 gleichzeitig empfangen wird.
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Anhand von 4 wird der Eingang einer Messanfrage, eine Vorbereitung und eine Nachbereitung der Messung, der Eingang einer Datenanfrage und ein sich anschließendes Senden der Daten auf dem Datenbus dargestellt.
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Bei der durchzuführenden Synchronisation ist dem Umstand Rechnung zu tragen, dass verschiedene externe, zusätzliche Sensoren 24, 26, 28 unterschiedliche Verzögerungszeiten bei der Durchführung von Messungen, so zum Beispiel bei der Vorbereitung der Sensoren zur Messung aufweisen können. Dies kann in der Natur des Messprinzipes der einzelnen Sensoren 24, 26, 28 liegen oder auch durch die Anzahl der an den Datenbus 12 angeschlossenen Sensoren bedingt sein.
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Damit die Messungen jeweils synchron durchgeführt werden, werden Verzögerungszeiten für einen jeden der externen, zusätzlich Sensoren 24, 26 und 28 berücksichtigt. Mithilfe dieser Verzögerungszeiten wird erreicht, dass nach gleichzeitigem Empfang einer Messanfrage die Messungen auch synchron zueinander erfolgen.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass eine Messanfrage 114 an den ersten Sensor 24 und den zweiten Sensor 26 ergeht. Die Messanfrage 114 geht gleichzeitig bei beiden Sensoren 24, 26 bzw. deren Sensorsteuergeräten 16 ein. Ein jedes der Sensorsteuergeräte 16 verlängert eine Vorbereitungszeit 116, 118 um eine jeweils sensorabhängige Verzögerung 110 für den ersten Sensor 24 sowie eine sensorabhängige Verzögerung 112 für den zweiten Sensor 26. Nach Ablauf der sensorabhängigen Verzögerungszeiten 110, 112 führen die Steuergeräte 16 daraufhin die Vorbereitung der Messung durch, vergleiche die Vorbereitungszeiten 116, 118 für den ersten Sensor 24 und für den zweiten Sensor 26. Nach Ablauf der beiden sensorindividuellen Vorbereitungszeiten 116, 118 erfolgt zum Messzeitpunkt 120 die Durchführung der Messung. Unterschiedlich lange sensorabhängige Verzögerungen 110, 112 werden durch die unterschiedlichen Dauern der Messvorbereitung 116, 118 ausgeglichen, so dass sichergestellt ist, dass die Messung auf allen Sensoren 24, 26, gesteuert durch die Sensorsteuergeräte 16 gleichzeitig stattfindet.
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Nach Durchführung der Messung zum Messzeitpunkt 120 werden die Messdaten aufbereitet, beispielsweise vom externen Sensor eingelesen. Im Beispiel gemäß 4 sind die Aufbereitungszeiten 122, 124 für den ersten Sensor 24 und für den zweiten Sensor 26 verschieden voneinander.
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Sobald eine Datenanfrage 126 eingeht, werden die Messdaten mit hier voneinander abweichenden Sendezeiten 128, 130 an das Hauptsteuergerät 14 (BCU) über den Datenbus 12 (CAN-Bus) versandt. Die im Beispiel gemäß 4 dargestellten sensorabhängigen Verzögerungszeiten 110, 112, werden beim Systementwurf festgelegt. Für die Definition sind die Kenntnisse über das Verhalten aller einzelnen, innerhalb beispielsweise eines Batteriemanagementsystems 10 verbauten Sensoren unbedingt erforderlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0161260 A1 [0001, 0001, 0001, 0001]
- US 2011/0050237 A1 [0002]
