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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Fahrzeuge mit einem Elektroantrieb und insbesondere auf das Überwachen einer Ausgangsspannung von einem Batteriesatz durch eine Mikrosteuereinheit, die digital von den Hochvoltbatterieschaltungen getrennt ist.
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Die Gleichspannungsquelle (z.B. eine Batterie) und weitere Elemente von Elektroantrieben für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge erfordern ein Überwachen, um sowohl den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit auf ein Höchstmaß zu bringen, als auch eventuelle Betriebsstörungen zu erkennen. Herkömmliche Batteriearten wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akkus) verwenden eine große Anzahl von Zellen, die in dem Batteriesatz zusammen gestapelt sind. Neben dem Überwachen des gesamten Spannungsausgangs eines Batteriesatzes, wird typischerweise jede Zelle einzeln überwacht, um ihre Spannungserzeugung und weitere Parameter zu ermitteln. Die Temperatur jeder Zelle wird auch überwacht, um sie gegen eine Überhitzung zu schützen.
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Aufgrund der verwendeten Hochvoltpegel, des Bereichs der mittleren Spannungen, mit denen entsprechende Zellen in dem Stapel funktionieren, und des erforderlichen hohen Maßes an Genauigkeit ist ein zuverlässiges Überwachen der verschiedenen Batteriebedingungen eine große Herausforderung. Zahlreiche Einheiten mit integrierten Schaltkreisen (Integrated Circuit devices, IC-Einheiten) zur Batterieüberwachung wurden für eine Verwendung in dem Fahrzeugumfeld kommerziell entwickelt. Zu Beispielen von im Handel erhältlichen IC-Einheiten zur Batterieüberwachung gehören die Einheit AD7280A erhältlich bei Analog Devices, Inc. in Norwood, Massachusetts, die Einheiten LTC6804 von Linear Technology Corporation in Milpitas, Kalifornien, und der ISL94212 Multi-Cell Li-Ion Battery Manager erhältlich bei Intersil Corporation in Milpitas, Kalifornien. Zusätzlich zu einer Vielzahl von Eingängen zum direkten Überwachen entsprechender Batteriezellen umfassen die bekannten IC-Einheiten mehrere analoge Eingänge zum Messen der Ausgänge von Temperaturfühlerschaltungen, die als Temperatursensoren für die jeweiligen Batteriezellen verwendet werden.
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Jeder im Handel erhältliche IC zur Batterieüberwachung ist mit der spezifischen Anzahl von Messkanälen für das Überwachen entsprechender Batteriezellen gekennzeichnet. Die oben erwähnte AD7280A weist 6 Kanäle auf und die LTC6804 und der ISL94212 weisen jeweils 12 Kanäle auf. Zum Erreichen der gewünschten Ausgangsspannungspegel stapelt ein Li-Ion-Akku für ein Elektrofahrzeug oftmals bis zu ungefähr 96 Zellen. Zum Überwachen von einzelnen Zellen werden die ICs zur Batterieüberwachung gleichmäßig zwischen dem positiven und dem negativen Ausgangsbus des Batteriesatzes angebracht. Da kein einzelner Überwachungs-IC mit beiden Bussen verbunden ist, werden zusätzliche Komponenten verwendet, um die gesamte Ausgangsspannung des Batteriesatzes zu messen. Außerdem werden zusätzliche Komponenten verwendet, um die gesamte Ausgangsspannung des Batteriesatzes zu messen, anstatt die einzelnen Zellenspannungen (oder die Spannungen von einzelnen Gruppen von Zellen) zu summieren, die aufgrund der Abtastzeiten und aus Gründen des zeitlichen Ablaufs beim Laden in die Steuereinheit durch den IC gemessen werden (z.B. die große Anzahl von seriellen Nachrichten, die erforderlich wären).
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Die gemessenen Parameter der Batteriezellen, des Batteriesatzes und der zugehörigen Einheiten werden alle von einer Hauptmikrosteuereinheit oder einem Hauptmikroprozessor verwendet, um die Verwaltung und den Datenaustausch mit der Batterie auszuführen. Die Hauptmikrosteuereinheit befindet sich typischerweise in einem diskreten Batteriesteuermodul oder -kasten, das oder der eine Schnittstelle zu anderen Fahrzeugkomponenten wie zum Beispiel einer Steuereinheit für ein Fahrzeugsystem oder für einen Antriebsstrang oder einen Fahrzeugschnittstellenmodul aufweist. Folglich verwendet die Hauptmikrosteuereinheit eine Fahrgestellerdung als Spannungsbezugspunkt. Die Fahrgestellerdung ist von dem Bezugspunkt des Hauptbatteriesatzes getrennt, der an dem negativen Batteriebus bereitgestellt wird.
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Die ICs zur Batterieüberwachung, die an dem Batteriesatz eingesetzt werden, müssen die Batteriezellen überwachen, während sie auf den negativen Bus bezogen werden. Daher müssen die ICs zur Batterieüberwachung und alle weiteren Überwachungseinheiten, die in dem Hochvoltbereich angeschlossen sind, Daten mit der Hauptmikrosteuereinheit durch bereichsüberschreitende Elemente austauschen, die eine digitale Trennung zwischen dem Hochvoltbereich der Batterie und dem Erdungsbereich des Fahrgestells der Hauptmikrosteuereinheit (d.h. einem Niedervoltbereich) bereitstellen. Damit die Hauptmikrosteuereinheit sowohl die Überwachungselemente steuern als auch die sich ergebenden gemessenen Daten empfangen kann, werden typischerweise relativ teure Komponenten wie zum Beispiel PhotoMOS-Transistoren und ein zugeordneter integrierter Schaltkreis mit einem hochvoltbezogenen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) eingesetzt. Es wäre sehr wünschenswert, die Verwendung der teuren Zusatzkomponenten zu vermeiden und gleichzeitig eine zuverlässige Erkennung der Ausgangsspannung des Batteriesatzes zu bewahren.
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Bei einem Aspekt der Erfindung wird ein Elektrofahrzeug bereitgestellt, das einen mehrzelligen Batteriesatz bereitstellt, der eine Hauptbatteriespannung zwischen einem positiven Bus und einem negativen Bus zur Verfügung stellt. Eine Hauptmikrosteuereinheit überwacht die Leistungsfähigkeit des Batteriesatzes. Die Hauptmikrosteuereinheit ist mit einer Fahrgestellerdung verbunden und ist digital von dem positiven und dem negativen Bus getrennt. Ein IC zur Batterieüberwachung ist mit dem Batteriesatz verbunden, um entsprechende Spannungen der Zellen in dem Batteriesatz zu messen, wobei der IC zur Batterieüberwachung einen getrennten seriellen Datenlink zu der Hauptmikrosteuereinheit aufweist, um ihr die gemessenen Spannungen zu berichten. Der IC zur Batterieüberwachung umfasst außerdem eine Vielzahl von Zusatz-/Temperaturfühler-A/D-Eingängen und eine Zusatzausgangsklemme, die ein Antriebssignal selektiv bereitstellt. Ein Bewertungsschalter weist einen Eingang, einen Ausgang und eine Steuerklemme auf, wobei der Eingang mit dem positiven Bus verbunden ist. Die Steuerklemme ist mit der Zusatzausgangsklemme so verbunden, dass der Bewertungsschalter als Reaktion auf einen Befehl aktiviert wird, der von dem Hauptmikroprozessor über den seriellen Datenlink empfangen wurde. Ein Spannungsteiler ist zwischen den Ausgang des Bewertungsschalters und den negativen Bus geschaltet und stellt einen geteilten Spannungsausgang für einen der Zusatz-/Temperaturfühler-A/D-Eingänge bereit. Der IC zur Batterieüberwachung überträgt einen Digitalwert, der den geteilten Spannungsausgang repräsentiert, über den seriellen Datenlink an den Hauptmikroprozessor, und wobei der Hauptmikroprozessor als Reaktion auf den Digitalwert die Hauptbatteriespannung ermittelt.
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1 ist ein Blockschema, das eine Ausführungsform eines Elektroantriebssystems mit einer Überwachung der Hauptbatteriespannung aus dem Stand der Technik zeigt.
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2 ist ein Ablaufplan aus dem Stand der Technik, der ein Verfahren zeigt, das in dem System der 1 verwendet wird.
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3 ist ein Blockschema einer Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems der vorliegenden Erfindung mit einer kostengünstigeren Umsetzung der Messung einer Batteriesatzspannung.
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4 ist ein Ablaufplan eines bevorzugten Verfahrens der Erfindung.
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Bezugnehmend auf 1 umfasst ein herkömmliches Elektrofahrzeugsystem 10 einen Hauptbatteriesatz 11, der einzelne Zellen einschließlich einer Vielzahl von repräsentativen Zellen 11a bis 11k aufweist. Eine Vielzahl von ICs zur Batterieüberwachung 12, 13 und 14 sind in gestapelter Weise mit entsprechenden Batteriezellen verbunden. Eingänge zur Zellenüberwachung 16 verbinden jede entsprechende Zelle mit einem entsprechenden Eingangsstift (z.B. Cell0In) der ICs zur Batterieüberwachung 12 bis 14. Die gleichen Verbindungen, die für den IC zur Batterieüberwachung 12 gezeigt werden, sind auch für die ICs zur Batterieüberwachung 13 und 14 vorhanden, aber in 1 werden nicht alle gezeigt. Ein Hauptmikroprozessor 15 empfängt gemessene Daten von einem seriellen Ausgang des IC 12, der durch eine Digitaltrennschaltung 16 angeschlossen ist, wodurch ein serieller Datenlink gebildet wird, der in der Lage ist, einen wechselseitigen Datenaustausch zwischen dem Hochvoltbereich des IC 12 und dem fahrgestellgeerdeten Niedervoltbereich des Hauptmikroprozessors 15 herzustellen. Der Hauptmikroprozessor 15 ist mit einer Fahrgestellerdung 17 verbunden, während die Trennschaltung 16 sowohl mit der Fahrgestellerdung 17 als auch einer Hochvolterdung 18 verbunden ist.
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Der Ausgang des Batteriesatzes 11 ist zwischen einen positiven Bus 20 und einen negativen Bus 21 geschaltet. Fahrzeuglasten 22 wie zum Beispiel ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler für den Antrieb eines Elektromotors (dem ein Gleichstrom-Gleichstrom-Aufwärtswandler vorgeschaltet sein kann) empfangen über die Hauptschützschalter 23 bzw. 24 einen Gleichstrom von den Bussen 20 und 21. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, können ein Vorladeschalter 25 und ein Vorladewiderstand 26 über den positiven Schützschalter 23 geschaltet sein. Die Schützschalter werden in herkömmlicher Weise angetrieben, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Der IC zur Batterieüberwachung 12 umfasst eine Vielzahl von Zusatz-/Temperaturfühler-A/D-Eingängen 30, die alle über die entsprechenden Temperaturfühler 31a bis 33a mit dem negativen Bus 21 und der Erdung 18 verbunden sind. Jeder Temperaturfühler ist über entsprechende Pull-Up-Widerstände 31b bis 33b mit einer Bezugsspannung verbunden. Die Temperaturfühler 31a bis 33a sind jeweils in der Nähe einer entsprechenden Batteriezelle eingebaut, um als Temperatursonden zu dienen. Jede entsprechende Temperaturfühlerspannung wird von dem IC zur Batterieüberwachung 12 in einen entsprechenden Digitalwert gewandelt, der zusammen mit den einzelnen Zellenspannungen über den seriellen Datenlink an den Hauptmikroprozessor 15 gesendet wird, um dem Hauptmikroprozessor 15 zu erlauben, den Betrieb jeder Batteriezelle zu überwachen.
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Für den Hauptmikroprozessor 15 ist es erwünscht, auch die Gesamtspannung zu überwachen, die von dem Batteriesatz 11 zwischen den Bussen 20 und 21 zur Verfügung gestellt wird. Die Gesamtspannung wird zum Beispiel verwendet, um das Entladen des Batteriesatzes zu überwachen.
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In herkömmlichen Systemen war eine zugeordnete Schaltung erforderlich, um die Gesamtspannung zwischen den Bussen 20 und 21 zu messen. Wie in 1 gezeigt wird, ist eine erste bereichsüberschreitende Einheit 35, die aus einer PhotoMOS-Einheit mit einem Steuereingang 36 besteht, so angeschlossen, dass sie ein Logikpegelsteuersignal von dem Hauptmikroprozessor 15 empfängt. Ein Bezugseingang 37 empfängt eine Bezugsspannung vcc von einer Spannungsversorgung 38. Der Hauptmikroprozessor 15 zieht den Eingang 36 herunter auf einen niedrigen Logikpegel, um eine Photodiodenlichtquelle 40 in der Einheit 35 zu aktivieren, wodurch ein Ausgangstransistor 41 eingeschaltet wird.
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Ein Widerstand 42 verbindet das Drain des Transistors 41 mit dem positiven Bus 20. Eine Source des Transistors 41 ist mit einer Seite eines Widerstands 43 verbunden, dessen andere Seite mit einer Mittelpunktbezugsspannungsquelle 44 an einem Mittelpunkt des Batteriesatzes 11 verbunden ist. Die Source des Transistors 41 ist außerdem mit einem nichtinvertierenden Eingang 49 eines Differenzverstärkers 53 verbunden. Eine Zusatzspannungsquelle 47 für den Hochvoltbereich stellt eine Versorgungsspannung vhh für einen Analog-Digital-Wandler (Analog-to-Digital Converter, ADC) 46 und den Differenzverstärker 53 bereit. Ein invertierender Eingang 52 des Differenzverstärkers 53 ist durch eine PhotoMOS-Einheit 50 und einen Widerstand 51 selektiv mit dem negativen Bus 21 verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 53 ist mit einem Wandlereingang 45 des ADC 46 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand 54 verbindet den Ausgang des Differenzverstärkers 53 mit dem Eingang 52.
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Zum Starten einer Spannungsmessung an einem Batteriesatz aktiviert der Hauptmikroprozessor 15 die bereichsüberschreitenden Einheiten 35 und 50. Der nichtinvertierende Eingang 49 empfängt eine Zwischenspannung zwischen der Mittelpunktspannung 44 und der positiven Spannung von dem Bus 20 gemäß einem Spannungsteiler, der von den Widerständen 42 und 43 gebildet wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers 53 ist proportional zu der Differenz zwischen i) der Spannung von dem positiven Bus über den Widerstand 42 und ii) der negativen Busspannung über den Widerstand 51. Dieser Ausgang wird von dem ADC 46 abgetastet und der sich ergebende Digitalwert wird durch einen Signalausgang 48 an eine Trennschaltung 50 ausgegeben, um zurück zu einem entsprechenden seriellen Eingang des Hauptmikroprozessors 15 übertragen zu werden. Der Digitalwert wird auf die entsprechende Größe der Batteriesatzspannung gewandelt.
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2 fasst das Verfahren aus dem Stand der Technik für das Messen der Batteriesatzspannung zusammen. Im Schritt 56 werden die bereichsüberschreitenden Einheiten durch den Hauptmikroprozessor eingeschaltet. Im Schritt 57 sendet der zugeordnete Analog-Digital-Wandler in dem Hochvoltbereich die von dem Differenzverstärker erhaltene, gemessene Spannung über einen zugeordneten seriellen Link an den Hauptmikroprozessor. Im Schritt 58 wandelt der Hauptmikroprozessor die Spannungsmessung auf der Grundlage der Kalibrierung der Komponenten in dem Messschaltkreis in eine Batteriesatzspannung.
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Die bereichsüberschreitenden Schalter und zugeordneten Komponenten (z.B. einschließlich eines Analog-Digital-Wandlers, einer digitalen Trennschaltung und eines Differenzverstärkers) führen zu erheblichen zusätzlichen Ausgaben. Es wäre wünschenswert die Fähigkeiten der ICs zur Batterieüberwachung besser zu nutzen, um die Batteriesatzspannung ohne das Hinzufügen teurer Komponenten zu bewerten.
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Wie in 3 gezeigt wird, erreicht die vorliegende Erfindung die oben genannten Ziele, indem die Aufgaben der Zusatz-/Temperaturfühler-A/D-Eingänge eines IC zur Batterieüberwachung für das Ausführen einer Temperaturüberwachung neu ausgerichtet werden auf ein Ausführen einer Messung einer Batteriesatzspannung.
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Ein mehrzelliger Batteriesatz 60 stellt eine Hauptbatteriespannung zwischen einem positiven Bus 61 und einem negativen Bus 62 bereit. Die Elektrofahrzeuglasten 63 (z.B. Aufwärtswandler und Wechselrichter) sind über einen positiven Schützschalter 64 und über einen negativen Schützschalter 65 mit den Bussen 61 und 62 verbunden. Eine Vielzahl von ICs zur Batterieüberwachung 66 bis 68 ist in der gleichen Weise mit einzelnen Batteriezellen verbunden, um die Zellenspannungen und Ähnliches zu überwachen. Mindestens einer der ICs zur Batterieüberwachung weist einen seriellen Datenlink mit einem Hauptmikroprozessor 70 auf, wie zum Beispiel einen seriellen Link 71, der durch den seriellen Ausgangsstift 83 des IC zur Batterieüberwachung 66 durch eine Digitaltrennschaltung 72 zu dem Hauptmikroprozessor 70 bereitgestellt wird. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann das Senden eines seriellen Links (z.B. SPI = Small Peripheral Interface, kleine periphere Schnittstelle) über die Grenze des Hochvoltbereichs zum Niedervoltbereich mithilfe einer Digitaltrennschaltung (z.B. Analog Devices ADuM1401 quad-channel digital isolator, Vierkanal-Digitaltrennschaltung) erfolgen. Der Hauptmikroprozessor 70 wird auf die Fahrgestellerdung 73 bezogen, während der Hochvoltbereich auf eine Hochvolterdung 74 bezogen wird. Der Hauptmikroprozessor 70 ist digital von den Bussen 61 und 62 getrennt, sodass er einfach mit anderen im Fahrzeug verteilten (nicht gezeigten) Steuermodulen verbunden werden kann.
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Ein Hochvoltbewertungsschalter 75 kann passend vorgespannte Schalttransistoren 86 und 87 umfassen, um den Ausgang als Reaktion auf ein auswählbares Antriebssignal umzuschalten, das von einer Zusatzausgangsklemme 85 des IC 66 empfangen wird. Die Klemme 85 kann ein Mehrzweck-Eingangs-/Ausgangsstift sein, wie er üblicherweise im Stand der Technik verwendet wird. Viele andere zulässige Transistoreinheiten und Antriebskonfigurationen können für den Schalter 75 verwendet werden.
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Zum Messen der Ausgangsspannung des Batteriesatzes 60 umfasst der Hochvoltbewertungsschalter 75 einen Eingang, der mit dem positiven Bus 61 verbunden ist, und einen Ausgang, der durch einen Spannungsteiler, der aus den Widerständen 76 und 77 besteht, mit dem negativen Bus 62 verbunden ist. Eine rückwärtsspannungssperrende Diode 78 kann zwischen den Ausgang des Schalters 75 und den Widerstand 76 geschaltet werden, um Schalteffekte und Störsignale zu bewältigen. Ein Verbindungspunkt 80 zwischen dem Widerstand auf der Hochvoltseite 76 und dem Widerstand auf der Niedervoltseite 77 stellt einen geteilten Spannungsausgang für einen Zusatz-/Temperaturfühler-A/D-Eingang 81 des IC 66 durch einen Filter 82 bereit, der optional vorgesehen sein kann, um Rausch- und Störsignale weiter zu verringern.
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Wenn von dem Hauptmikroprozessor 70 eine Messung der Batteriesatzspannung benötigt wird, sendet er über den seriellen Link 71 einen entsprechenden Befehl an den IC zur Batterieüberwachung 66. Als Reaktion darauf wird die Zusatzausgangsklemme 85 auf einen Hochvoltwert gesetzt, um den Bewertungsschalter 75 einzuschalten. Die Hauptbatteriespannung zwischen den Bussen 61 und 62 wird über die Diode 78 und die Widerstände 76 und 77 verbunden. Eine proportionale Spannung an dem Verbindungspunkt 80 wird mit dem Zusatz-A/D-Eingang 81 verbunden und ein entsprechender Digitalwert wird an den Hauptmikroprozessor 70 über den seriellen Datenlink 71 übertragen. Der Digitalwert, der die geteilte Spannung repräsentiert, wird von dem Hauptmikroprozessor 70 in einen geeigneten Spannungswert gewandelt. Auf diese Weise wird die Batteriespannung in dem Hochvoltbereich nur mithilfe von relativ preiswerten Komponenten ermittelt.
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Da ein Temperaturfühler-A/D-Eingang des IC zur Batterieüberwachung verwendet wird, um eine alternative Messung einer Batteriesatzspannung auszuführen, stehen die Eingänge nicht mehr für das Ausführen einer Temperaturüberwachung an mindestens einigen der Batteriezellen zur Verfügung. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die Temperaturfühler, die für die Aufgabe der Temperaturüberwachung verwendet werden, in dem Hochvoltbereich angeschlossen werden. Auf diese Weise kann die vorliegende Erfindung auch weiterhin die Temperatur von Zellen überwachen, die mit dem IC zur Batterieüberwachung 66 verbunden sind, indem die entsprechenden Temperaturfühler 93 bis 95 mit zur Verfügung stehenden A/D-Eingängen des Hauptmikroprozessors 70 verbunden werden. Die Widerstände 96 sind die Pull-Up-Widerstände für die Temperaturfühler 93 bis 95. Da nur die Zusatz-A/D-Eingänge des IC zur Batterieüberwachung 66 neu zugewiesen wurden, können die entsprechenden Temperaturfühler für die Zellen, die von den ICs 67 und 68 überwacht werden, weiterhin mit den ICs 67 und 68 verbunden sein, wobei die entsprechenden Daten dem Hauptmikroprozessor 70 über entsprechende serielle Datenlinks bereitgestellt werden.
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Ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung wird in dem Ablaufplan in 4 gezeigt. Zu angemessenen Zeitpunkten während seines Betriebs weist der Hauptmikroprozessor im Schritt 101 einen IC zur Batterieüberwachung an, die Spannung eines Batteriesatzes zu messen. Im Schritt 102 wird ein Mehrzweck-Eingangs-Ausgangsstift auf einen Hochvoltwert geschaltet, um den Hochvoltschalter einzuschalten, wodurch der Spannungsteiler zwischen dem positiven und dem negativen Bus angeschlossen wird. Eine geteilte Ausgangsspannung wird im Schritt 103 von dem Spannungsteiler abgetastet und mithilfe des seriellen Datenlinks an den Hauptmikroprozessor gesendet. Im Schritt 105 wandelt der Hauptmikroprozessor die Spannungsmessung in die entsprechende Batteriesatzspannung. Auf diese Weise wird die Spannung gemessen, ohne die Notwendigkeit PhotoMOS-Einheiten oder andere zugeordnete teure Komponenten in dem Hochvoltbereich zu verwenden. Stattdessen kann der vorhandene IC zur Batterieüberwachung über einen seriellen Link mit dem Hauptmikroprozessor gesteuert werden, der bereits einen Mechanismus aufweist, beliebig zwischen den beiden Voltbereichen zu wechseln.
