DE102014200340A1 - Method for data transmission of measured data in a battery having a plurality of battery cells - Google Patents
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Abstract
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Datenübertragung von Messdaten in einer Batterie (1), die mehrere Batteriezellen, zumindest einen Zellsensor (4), ein Sensorsteuergerät (10) und ein zentrales Steuergerät (18) aufweist, umfasst die folgenden Schritte: Anfragen von Messdaten von Batteriezellen durch das zentrale Steuergerät (18), Erfassen der angefragten Messdaten von Batteriezellen durch den Zellsensor (4), Ermitteln einer Signatur, die zu einer Authentifizierung der Messdaten geeignet ist, durch den Zellsensor (4), Übermitteln der Messdaten und der Signatur von dem Zellsensor (4) an das Sensorsteuergerät (10) in einer ersten Nachricht über einen ersten Kommunikationskanal (6), Weiterleiten der Messdaten und der Signatur von dem Sensorsteuergerät (10) an das zentrale Steuergerät (18) in einer zweiten Nachricht über einen zweiten Kommunikationskanal (16) und Validieren der Messdaten anhand der von dem Zellsensor (4) ermittelten Signatur durch das zentrale Steuergerät (18). Es werden außerdem eine Datenstruktur und ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem angegeben, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie eine Batterie (1) und ein Kraftfahrzeug, dessen Antriebssystem mit einer derartigen Batterie (1) verbunden ist.An inventive method for data transmission of measurement data in a battery (1) having a plurality of battery cells, at least one cell sensor (4), a sensor control unit (10) and a central control unit (18) comprises the following steps: requests of measurement data from battery cells the central control unit (18), detecting the requested measurement data of battery cells by the cell sensor (4), determining a signature which is suitable for authenticating the measurement data, by the cell sensor (4), transmitting the measurement data and the signature from the cell sensor ( 4) to the sensor control unit (10) in a first message via a first communication channel (6), forwarding the measurement data and the signature from the sensor control unit (10) to the central control unit (18) in a second message via a second communication channel (16) and validating the measured data on the basis of the signature determined by the cell sensor (4) by the central control unit (18) , A data structure and a computer program and a battery management system, which are set up to carry out the method, and a battery (1) and a motor vehicle whose drive system is connected to such a battery (1) are also disclosed.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung von Messdaten in einer Batterie, die mehrere Batteriezellen, zumindest einen Zellsensor, ein Sensorsteuergerät und ein zentrales Steuergerät aufweist.The invention relates to a method for data transmission of measured data in a battery, which has a plurality of battery cells, at least one cell sensor, a sensor control device and a central control unit.
In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen (EV, Electric Vehicle) wird als Energiequelle ein Akkumulator eingesetzt. Hierbei werden oft auf Lithiumchemie basierte Akkuzellen eingesetzt, da diese die größte bisher verfügbare Energiedichte bei geringstem Gewicht aufweisen, insbesondere im Vergleich zu Nickel- oder Bleiakkumulatoren. Die Lithiumakkumulatoren sind sehr empfindlich bezüglich Überladung und Tiefentladung. Bei einer Überladung über einen gewissen Spannungswert pro Zelle, typischerweise über einen Wert von 4,25 V, wird die Zelle instabil und ein sich selbst verstärkender Prozess der Erwärmung kann initiiert werden, ein sogenanntes thermisches Durchgehen (thermal runaway). Auch eine Entladung unter eine gewisse Schwelle fördert ungünstige chemische Prozesse in der Zelle, die zu einer irreversiblen Degradierung der Zelle führen. In electrically driven vehicles (EV, Electric Vehicle), an accumulator is used as the energy source. In this case, battery cells based on lithium chemistry are often used, since they have the largest available energy density at the lowest weight, in particular in comparison with nickel or lead accumulators. The lithium batteries are very sensitive to over-charging and over-discharging. Overcharging above a certain voltage per cell, typically above a value of 4.25V, makes the cell unstable and a self-reinforcing process of heating can be initiated, a so-called thermal runaway. Even a discharge below a certain threshold promotes unfavorable chemical processes in the cell, which lead to irreversible degradation of the cell.
In den meisten EV-Fahrzeugen ist ein Batteriemanagementsystem (BMS) vorgesehen, welches mit Hilfe eines zentralen Steuergeräts (BCU, Battery Control Unit) an jedem einzelnen Akkumulatormodul über eine sogenannte Zelldiagnoseeinheit (CSC, Cell Supervision Circuit) die Spannungen und Temperaturen der Batteriezellen überwachen und geeignete Gegenmaßnahmen ergreifen kann, falls bestimmte Parameterbereiche nicht eingehalten werden. Beispielsweise kann eine Überladung und eine Tiefentladung durch eine Öffnung der Lade- bzw. Hauptlastschütze unterbunden werden.In most EV vehicles, a battery management system (BMS) is provided, which monitor the voltages and temperatures of the battery cells by means of a central control unit (BCU, Battery Control Unit) on each individual battery module via a so-called cell diagnosis unit (CSC, Cell Supervision Circuit) appropriate countermeasures can take if certain parameter ranges are not met. For example, an overcharge and a deep discharge can be prevented by an opening of the load or Hauptlastschütze.
Aus der
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Datenübertragung von Messdaten in einer Batterie, die mehrere Batteriezellen, zumindest einen Zellsensor, ein Sensorsteuergerät und ein zentrales Steuergerät aufweist, umfasst die folgenden Schritte:
- a) Anfragen von Messdaten von Batteriezellen durch das zentrale Steuergerät,
- b) Erfassen der angefragten Messdaten von Batteriezellen durch den Zellsensor,
- c) Ermitteln einer Signatur, die zu einer Authentifizierung der Messdaten geeignet ist, durch den Zellsensor,
- d) Übermitteln der Messdaten und der Signatur von dem Zellsensor an das Sensorsteuergerät in einer ersten Nachricht über einen ersten Kommunikationskanal,
- e) Weiterleiten der Messdaten und der Signatur von dem Sensorsteuergerät an das zentrale Steuergerät in einer zweiten Nachricht über einen zweiten Kommunikationskanal und
- f) Validieren der Messdaten anhand der von dem Zellsensor ermittelten Signatur durch das zentrale Steuergerät.
- a) inquiries of measurement data of battery cells by the central control unit,
- b) detecting the requested measurement data of battery cells by the cell sensor,
- c) determining a signature which is suitable for authentication of the measurement data by the cell sensor,
- d) transmitting the measurement data and the signature from the cell sensor to the sensor control device in a first message via a first communication channel,
- e) forwarding the measurement data and the signature from the sensor control unit to the central control unit in a second message via a second communication channel and
- f) validating the measurement data based on the cell sensor detected signature by the central control unit.
Die Signatur wird von dem Zellsensor ermittelt und ohne Veränderung über das Sensorsteuergerät an das zentrale Steuergerät durchgereicht. Dies hat den Vorteil, dass als Sensorsteuergerät ein Bauteil eingesetzt werden kann, welches keine sicherheitsrelevante Klassifizierungsanforderung für das elektronische System der Batterie aufweisen muss. Bevorzugt genügt die Signatur des Zellsensors der sicherheitsrelevanten Anforderung der Stufe C der
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens sind durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.Advantageous developments and improvements of the method specified in the independent claim are possible by the measures listed in the dependent claims.
Messdaten, welche durch den Zellsensor erfasst und überwacht werden, sind beispielsweise die Zelltemperaturen und/oder Zellspannungen. Ebenso können Messdaten hieraus abgeleitete Größen umfassen, beispielsweise zeitlich aufsummierte oder integrierte Größen, miteinander multiplizierte oder anderweitig aggregierte Größen. Measurement data which are detected and monitored by the cell sensor are, for example, the cell temperatures and / or cell voltages. Likewise, measurement data may include variables derived therefrom, for example summed or integrated quantities, quantities multiplied together or otherwise aggregated.
Das Verfahren kann insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien und bei Nickel-Metallhydrid-Batterien Anwendung finden. Vorzugsweise findet es Anwendung an mehreren und insbesondere an allen Modulen einer oder mehrerer Batterien, die im Wesentlichen gleichartig betrieben werden. The method can be found in particular in lithium-ion batteries and nickel-metal hydride batteries application. It is preferably used on several and in particular on all modules of one or more batteries, which are operated in a substantially similar manner.
Die Signatur wird bevorzugt durch eine Prüfsumme gebildet, beispielsweise als eine XOR-Funktion über alle Messwerte. Alternativ kann die Prüfsumme auch durch eine zyklische Redundanzprüfung (CRC, cyclic redundancy check) gebildet sein. Die Signatur kann alternativ auch durch eine Einwegfunktion ermittelt werden, beispielsweise durch sogenannte Hash-Funktionen, insbesondere SHA-1, SHA-2 oder SHA-3, welche dazu geeignet sind, die Integrität der Daten zu bestätigen. The signature is preferably formed by a checksum, for example as an XOR function over all measured values. Alternatively, the checksum can also be formed by a cyclic redundancy check (CRC). Alternatively, the signature can also be determined by a one-way function, for example by so-called hash functions, in particular SHA-1, SHA-2 or SHA-3, which are suitable for confirming the integrity of the data.
Die Anfrage im Schritt a) durch das zentrale Steuergerät betrifft bevorzugt mehrere Messdaten gleichzeitig. Dies vereinfacht das Kommunikationsprotokoll des zentralen Steuergeräts und der Zellsensoren und führt dazu, dass die Auslastung des Kommunikationskanals reduziert wird. Beispielsweise erfolgt die Anfrage gleichzeitig nach Zelltemperaturen und/oder Zellspannungen. The request in step a) by the central control unit preferably relates to several measurement data simultaneously. This simplifies the communications protocol of the central controller and the cell sensors and results in a reduced utilization of the communication channel. For example, the request is made simultaneously for cell temperatures and / or cell voltages.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird im Schritt a) ein Indikatorbit übermittelt, wobei das Indikatorbit angibt, ob bestimmte Messdaten übermittelt werden sollen oder nicht, beispielsweise ob die Messantwort zusätzlich zu Spannungswerten auch Temperaturwerte enthalten soll oder nicht. Soll die Messung Temperaturwerte enthalten, wird das Indikatorbit auf True gesetzt, andernfalls wird das Indikatorbit auf False gesetzt. Ebenso ist es denkbar, dass die Messantwort in Abhängigkeit der Zellspannung indiziert wird, so dass Messungen, welche zusätzlich zu Temperaturwerten auch Spannungswerte enthalten sollen mit einem auf True gesetzten Indikatorbit verknüpft sind und Messungen ohne Spannungswerte mit einem auf False gesetzten Indikatorbit verknüpft sind. Die Länge der Nachrichten variiert gemäß dieser Ausführungsform je nach Wert des Indikatorbits.According to a preferred embodiment, an indicator bit is transmitted in step a), wherein the indicator bit indicates whether or not certain measurement data are to be transmitted, for example whether or not the measurement response should include temperature values in addition to voltage values. If the measurement contains temperature values, the indicator bit is set to True, otherwise the indicator bit is set to False. It is likewise conceivable for the measurement response to be indexed as a function of the cell voltage, so that measurements which, in addition to temperature values, should also contain voltage values are linked to an indicator bit set to true and measurements without voltage values are linked to an indicator bit set to false. The length of the messages varies according to this embodiment, depending on the value of the indicator bit.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Kommunikationskanal und der zweite Kommunikationskanal verschieden voneinander. Der erste Kommunikationskanal kann beispielsweise ein synchroner serieller Daten-Bus sein, beispielsweise ein SPI-Bus (SPI, Serial Peripheral Interface), über welchen das Sensorsteuergerät und die Zellsensoren miteinander kommunizieren. Dies hat den Vorteil, dass für die Sensoren keine sicherheitsrelevant kritischen Bausteine eingesetzt werden müssen, wie z. B. IC-Bausteine. Der zweite Kommunikationskanal ist bevorzugt ein sogenannter CAN-Bus (CAN, Controller Area Network), das heißt ein asynchroner serieller Bus. Der CAN-Bus ist stabiler, aber dadurch auch komplizierter als der SPI-Bus, und erfordert insbesondere einen größeren Absicherungsaufwand als der SPI-Bus.According to a preferred embodiment, the first communication channel and the second communication channel are different from each other. The first communication channel may, for example, be a synchronous serial data bus, for example an SPI bus (SPI, Serial Peripheral Interface), via which the sensor control device and the cell sensors communicate with one another. This has the advantage that no safety-critical components must be used for the sensors, such. B. IC devices. The second communication channel is preferably a so-called CAN bus (CAN, Controller Area Network), that is an asynchronous serial bus. The CAN bus is more stable, but more complicated than the SPI bus, and in particular requires more protection than the SPI bus.
Erfindungsgemäß wird außerdem eine Datenstruktur vorgeschlagen mit Messdaten von Batteriezellen und einer Signatur, die zu einer Authentifizierung der Messdaten geeignet ist. Die Datenstruktur wurde bei der Durchführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren erstellt. Die Datenstruktur wird dabei von dem zentralen Steuergerät ausgelesen. According to the invention, a data structure is also proposed with measurement data from battery cells and a signature which is suitable for authenticating the measurement data. The data structure was created by performing one of the methods described above. The data structure is read out by the central control unit.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Batteriemanagementsystem (BMS) bereitgestellt, welches zur Durchführung eines der beschriebenen Verfahren eingerichtet ist, mit
einem Zellsensor zum Erfassen von Messdaten von Batteriezellen, welcher eingerichtet ist, eine Signatur zu ermitteln, die zu einer Authentifizierung der Messdaten geeignet ist,
einem Sensorsteuergerät, welches eingerichtet ist, Messdaten vom Zellsensor zu empfangen und an das zentrale Steuergerät weiterzuleiten,
einem zentralen Steuergerät, welches eine Einheit zur Authentifizierung der Messdaten anhand der Signatur aufweist,
Einheiten zum Übermitteln der Messdaten und der Signatur von dem Zellsensor an das Sensorsteuergerät über einen ersten Kommunikationskanal und
Einheiten zum Übermitteln der Messdaten und der Signatur von dem Sensorsteuergerät an das zentrale Steuergerät über einen zweiten Kommunikationskanal.According to the invention, a battery management system (BMS) is also provided, which is set up to carry out one of the described methods
a cell sensor for acquiring measured data from battery cells, which is set up to determine a signature which is suitable for authenticating the measured data,
a sensor control device, which is set up to receive measurement data from the cell sensor and forward it to the central control unit,
a central control unit, which has a unit for authenticating the measured data on the basis of the signature,
Units for transmitting the measurement data and the signature from the cell sensor to the sensor control unit via a first communication channel and
Units for transmitting the measured data and the signature from the sensor control unit to the central control unit via a second communication channel.
Erfindungsgemäß wird außerdem eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionenbatterie oder eine Nickel-Metallhydridbatterie, zur Verfügung gestellt, die mehrere Batteriezellen und ein Batteriemanagementsystem umfasst, und die mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs verbindbar ist, wobei das Batteriemanagementsystem wie zuvor beschrieben ausgebildet ist und/oder eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. The invention also provides a battery, in particular a lithium-ion battery or a nickel-metal hydride battery, which comprises a plurality of battery cells and a battery management system, and which is connectable to a drive system of a motor vehicle, wherein the Battery management system is designed as described above and / or is set up to carry out the inventive method.
Die Begriffe "Batterie" und "Batterieeinheit" werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatoreinheit verwendet. Die Batterie umfasst bevorzugt eine oder mehrere Batterieeinheiten, die eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, einen Modulstrang oder ein Batteriepack umfassen können. Die Batteriezellen sind dabei vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet. Mehrere Module können sogenannte Batteriedirektkonverter (BDC, Battery Direct Converter) bilden, und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, Battery Direct Inverter).The terms "battery" and "battery unit" are used in the present description adapted to the usual language for accumulator or Akkumulatoreinheit. The battery preferably includes one or more battery packs that may include a battery cell, a battery module, a module string, or a battery pack. The battery cells are preferably spatially combined and interconnected circuitry, for example, connected in series or parallel to modules. Several modules can form so-called Battery Direct Converters (BDCs), and several battery direct converters form a Battery Direct Inverter (BDI).
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Bevorzugt wird das Verfahren bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen angewendet, bei welchen eine Zusammenschaltung einer Vielzahl von Batteriezellen zur Bereitstellung der nötigen Antriebsspannung erfolgt.According to the invention, a motor vehicle is also provided with such a battery, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle. Preferably, the method is used in electrically powered vehicles or partially electrically powered vehicles, in which an interconnection of a plurality of battery cells to provide the necessary drive voltage.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Batterie
Die Zellsensoren
Die Batterie
Messanfragen nach Spannungs- und Temperaturmessungen werden, beispielsweise mit Hilfe eines TP-Protokolls (TP, Transport Protocol) und ergänzendem UDS-Protokoll (UDS, Unified Diagnostic Service), von dem zentralen Steuergerät
- 1. Alive Spannung oder Brick Spannung: GPAI (General Purpose Analogue Input),
- 2. Zellspannungen: Zelle1, Zelle2, ..., Zelle6,
- 3. Zelltemperaturen: Temperatur1, Temperatur2,
- 4. Eine
durch den Zellsensor 4 berechnete Signatur: CRC.
- 1. Alive voltage or Brick voltage: GPAI (General Purpose Analogue Input),
- 2. cell voltages: cell1, cell2, ..., cell6,
- 3. cell temperatures: temperature1, temperature2,
- 4. One through the
cell sensor 4 calculated signature: CRC.
Die erste Nachricht wird nun durch das Sensorsteuergerät
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst jede Messanfrage zusätzlich ein Indikatorbit, um die erwartete Messantwort zu indizieren, beispielsweise ob eine Antwort mit oder ohne Temperatur erwartet wird. Ein Zellsensor
Die erste Nachricht wird wiederum durch das Sensorsteuergerät
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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