DE102015202944A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben von Batteriezellen sowie Batteriemodul, Batterie, Batteriesystem, Fahrzeug, Computerprogramm und Computerprogrammprodukt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vorrichtung zum Betreiben von Batteriezellen, umfassend eine Steuerungseinrichtung, gekennzeichnet durch einen Kommunikationsblock zur Kommunikation zwischen der Steuerungseinrichtung und den Batteriezellen, wobei der Kommunikationsblock (300) eine Vielzahl von Kommunikationsrahmen (30) umfasst und die Kommunikationsrahmen (30) jeweils eine Vielzahl von Zeitschlitzen (201, 101, ... 16, ... 10n, 14) umfassen, ein Batteriemodul, eine Batterie, ein Batteriesystem, ein Fahrzeug, ein Verfahren, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.

Description

• Stand der Technik
• Es ist absehbar, dass sowohl bei stationären Anwendungen, zum Beispiel bei Windkraftanlagen, als auch bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraftfahrzeugen (electric vehicles, EV), Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicles, HEV) oder Steckdosenhybridfahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV), als wieder aufladbare elektrische Energiespeicher (EES, electro-chemical storage system, ESS) vermehrt neue Batteriesysteme bzw. Batteriemodule, zum Beispiel mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren, zum Einsatz kommen werden.
• Ein Batteriesystem umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen beispielsweise zylindrische oder prismatische Batteriezellen oder Batteriezellen mit Elektrodenwickel (Batteriezellwickel, Zellwickel, Jerry Roll, JR). Die Batteriezellen können in Reihe (Serie) verschaltet werden, um die elektrische Spannung zu erhöhen, und / oder parallel verschaltet werden, um den maximalen elektrischen Strom und die Kapazität zu erhöhen. Somit können die Batteriezellen zu Batteriemodulen bzw. Batterieeinheiten zusammengefasst werden. Beim Einsatz zum Antrieb von Fahrzeugen können beispielsweise ca. 100 Batteriezellen (als eine Traktionsbatterie) in Serie bzw. parallel verschaltet werden.
• Zum Aufbau des Batteriesystems können vergleichsweise komplexe Strukturen zur Anwendung kommen. Dabei kann die Komplexität auf verschiedene Ebenen verteilt werden. Zur Batterieüberwachung und / oder Batterieregelung können verschiedene Mechanismen auf verschiedene Hierarchieebenen verteilt werden, zum Beispiel: eine Zustandsüberwachung auf einer Zellebene, eine Spannungsregelung auf eine höhere Ebene wie Modulebene, Batterieebene oder Systemebene und / oder eine Lastverteilung (balancing) verteilt auf mehrere Ebenen.
• Für das Betreiben des Batteriesystem ist in dem Batteriesystem eine Kommunikation beispielsweise zwischen einer Steuerungsvorrichtung wie einem Steuergerät oder Batteriemanagementsystem (battery management system, BMS) und den Batteriezellen und / oder weiteren Einrichtungen wie Sensoreinrichtungen, Leistungselektronikeinrichtungen und Schalteinrichtungen erforderlich. Dabei können, zur Reduzierung von Kosten, Funktionen dezentralisiert und in lokale Verarbeitungseirichtungen wie anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (application-specific integrated circuits, ASICs), die in die Batteriezellen integriert werden, verlagert werden. Dadurch bestehen je nach Funktion unterschiedliche Erfordernisse insbesondere einer Übertragungsrate und einer Robustheit der Kommunikation. Für die Kommunikation ist eine Vernetzung der Komponenten des Batteriesystems erforderlich. Dabei kann insbesondere bei Hochspannungsbatteriesystemen eine galvanische Entkopplung der Komponenten erforderlich sein.
• Um die Lebensdauer, bezogen auf eine Anzahl an Ladezyklen oder eine Standzeit, Leistungsfähigkeit, bezogen auf eine maximale Energieabgabe oder Leistungsabgabe, Flexibilität, bezogen eine anwendungsbezogene Konfigurierbarkeit und Sicherheit von Akkumulatoren (Batterien) und Akkumulatorsystemen (Batteriesystemen) zu erhöhen, ist es jedoch erforderlich, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben von Batteriezellen bereitzustellen.
• Offenbarung der Erfindung
• Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass eine Kommunikation in Echtzeit (Echtzeitkommunikation) bereitgestellt wird. Für die Kommunikation wird der Zugriff der Komponenten auf ein Kommunikationsmedium gesteuert und somit eine Medienzugriffssteuerung (media access control, MAC) bereitgestellt. Dadurch kann die Kommunikation in Batteriesystemen mit verschiedenen bzw. beliebigen Konfigurationen bereitgestellt werden. Weiterhin kann eine kollisionsfreie Kommunikation bereitgestellt werden. Somit kann die Verfügbarkeit vergrößert werden. Weiterhin können kurze Kommunikationszyklen bereitgestellt werden. Außerdem kann durch die Steuerungseinrichtung einer Koordinierung aller Komponenten und / oder ihrer Kommunikation erreicht werden. Weiterhin kann Kosten wie Komponentenkosten bezüglich der galvanischen Entkopplung reduziert werden.
• Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Zweckmäßiger Weise kann in einem der Zeitschlitze eine Nachricht von der Steuerungseinrichtung an die Batteriezellen übertragen werden. Dadurch können M-Nachrichten bereitgestellt und implementiert werden. Die M-Nachrichten, A-Nachrichten, B-Nachrichten und C-Nachrichten werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
• Zweckmäßiger Weise kann in einem anderen der Zeitschlitze eine andere Nachricht von einer der Batteriezellen an die Steuerungseinrichtung übertragen werden. Dadurch können A-Nachrichten, B-Nachrichten und / oder C-Nachrichten bereitgestellt werden.
• Zweckmäßiger Weise kann die andere Nachricht in einem der Kommunikationsrahmen übertragen werden. Dadurch können A-Nachrichten und / oder B-Nachrichten bereitgestellt werden.
• Zweckmäßiger Weise kann die andere Nachricht periodisch, zyklisch bzw. regelmäßig übertragen werden. Dadurch können A-Nachrichten implementiert werden.
• Zweckmäßiger Weise kann die andere Nachricht in mehreren der Kommunikationsrahmen übertragen werden. Dadurch können B-Nachrichten wie niederpriorisierte Status-Nachrichten implementiert werden. Dadurch kann Übertragung größerer Datenmengen ermöglicht oder beschleunigt werden.
• Zweckmäßiger Weise kann die Nachricht eine von den Batteriezellen bestimmt und die andere Nachricht in Antwort auf die Nachricht von der bestimmten Batteriezelle übertragen werden. Dadurch können C-Nachrichten implementiert werden.
• Zweckmäßiger Weise kann eine weitere Nachricht anstelle der anderen Nachricht aperiodisch bzw. unregelmäßig übertagen werden kann. Dadurch können D-Nachrichten wie höherpriorisierte Alarm-Nachrichten oder Notfall-Nachrichten implementiert werden. Dadurch kann die Sicherheit erhöht werden.
• Zweckmäßiger Weise kann die Kommunikation über Anschlüsse der Batteriezellen, Zellverbinder und / oder eine Stromleitung erfolgen. Dadurch kann eine Kommunikation über Stromleitungen (powerline communication, PLC), bei der ein hochfrequentes Kommunikationssignal auf eine Stromversorgungsleitung wie Hochstromschiene aufgeprägt wird und die (bestehende) Stromversorgungsleitung auch zur Kommunikation dient, bereitgestellt werden. Dabei kann eine hohe Ausbreitungsdämpfung bzw. Verzerrung des Kommunikationssignals aufgrund einer geringen Impedanz der Batteriezellen und / oder einer nicht-konstanten Geometrie der Stromschienen in einem Batteriesystem reduziert werden. Somit können der Betrieb der Batteriezellen auch bei einem Störsignal, das dem Kommunikationssignal überlagert sein kann, sichergestellt und die Verfügbarkeit erhöht werden.
• Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriemodul bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst.
• Die Erfindung stellt weiterhin eine Batterie bereit, die die zuvor beschriebene Vorrichtung oder das zuvor beschriebene Batteriemodul umfasst.
• Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriesystem bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung, das zuvor beschriebene Batteriemodul oder die zuvor beschriebene Batterie umfasst.
• Die Erfindung stellt weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug, Hybridfahrzeug, Plug-In Hybridfahrzeug oder Elektromotorrad (Elektro-Bike, E-Bike), Elektrofahrrad (Pedal Electric Cycle, Pedelec), ein Seefahrzeug wie Elektroboot oder Unterseeboot (U-Boot), ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahrzeug, bereit, das die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Vorrichtung, das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriemodul, die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batterie oder das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriesystem umfasst.
• Die Erfindung stellt weiterhin entsprechende Verfahren bereit.
• Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogramm bereit, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher eines Computers gespeichert ist und das von dem Computer lesbare Befehle umfasst, die zur Ausführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt sind, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden.
• Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogrammprodukt bereit, das das zuvor beschriebene Computerprogramm umfasst.
• Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Verfahrensschritte nicht zwangsläufig in der beschriebenen Reihenfolge auszuführen. In einer weiteren Ausführungsform können die Verfahrensschritte auch ineinander verschachtelt sein (Interleaving).
• Weiterhin ist es möglich, dass einzelne Abschnitte des beschriebenen Verfahrens als einzelne verkaufsfähige Einheiten und restliche Abschnitte des Verfahrens als andere verkaufsfähige Einheiten ausgebildet werden können. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren als verteiltes System auf unterschiedlichen Computer-basierten Instanzen, zum Beispiel Client-Server-Instanzen, zur Ausführung kommen. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Modul seinerseits unterschiedliche Sub-Module umfasst.
• Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
• 1 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Batteriesystems 100 gemäß der Ausführungsform der Erfindung,
• 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild des Batteriesystems 200,
• 3 zeigt einen Kommunikationsrahmen 30 zum Betreiben des Batteriesystems 100 gemäß der Ausführungsform der Erfindung, und
• 4 zeigt einen Kommunikationsblock 300 zum Betreiben des Batteriesystems 100 gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
• 1 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Batteriesystems 100 gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
• Das Batteriesystem 100 umfasst eine Vielzahl n von Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n, und eine Vielzahl n – 1 von Zellverbindern 3 ₁₂, ... 3 _(n-1)n, zum elektrischen Verbinden der Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n bzw. Anschlüssen (Terminals) der Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n miteinander. Die Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n können, wie in 1 beispielhaft gezeigt, physisch seriell miteinander verbunden sein. Das Batteriesystem 100 umfasst weiterhin eine Steuerungseinrichtung 2, die mit den Batterieanschlüssen 3 ₁, 3 _n elektrisch verbunden ist, zur Steuerung des Batteriesystems 100. Die Steuerungseinrichtung 2 kann eine Verarbeitungseinrichtung, eine Speichereinrichtung zum Speichern von Befehlen und / oder Daten wie Messwerten und / oder eine Schnittelleneinrichtung wie Kommunikationseinrichtung umfassen. Die Verarbeitungseinrichtung kann als Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgebildet sein. Die Speichereinrichtung kann als flüchtiger und / oder nichtflüchtiger Speicher ausgebildet sein. Das Batteriesystem 100 umfasst weiterhin zwei Batteriesystemanschlüsse 3 ₂₁, 3 _2n, die mit der Steuerungseinrichtung 2 elektrisch verbunden sind, zum elektrischen Anschließen des Batteriesystems 100.
• Die Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n können jeweils eine Erfassungseinrichtung wie Sensoreinrichtung beispielsweise zum Erfassen von Messwerten wie Spannungsmesswerten, Strommesswerten und / oder Temperaturmesswerten als Zustandsinformationen umfassen. Die Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n können jeweils weiterhin eine Verarbeitungseinrichtung und / oder Schnittstelleneinrichtung wie Kommunikationseinrichtung umfassen. Die Steuerungseinrichtung 2 kann mit den Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n kommunizieren, Messwerte verarbeiten und die Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n überwachen und / oder steuern. Zur Kommunikation können die Steuerungseinrichtung 2 und Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n Kommunikationssignale, die die Zustandsinformationen, Statusinformationen wie einen Ladezustand (State of Charge, SoC) oder Gesundheitszustand (State of Health, SoH) und / oder Steuersignale wie Steuerbefehle oder Steuerkommandos betreffen, miteinander austauschen. Die Kommunikationssignale können über die Batterieanschlüsse 3 ₁, 3 _n und Zellverbinder 3 ₁₂, ... 3 _(n-1)n ausgetauscht werden. Alternativ können die Kommunikationssignale über eine Kommunikationsverbindung wie drahtgebundene Kommunikationsverbindung oder drahtloses Kommunikationsverbindung ausgetauscht werden.
• 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild des Batteriesystems 200.
• Bezüglich der Kommunikation sind die Steuerungseinrichtung 2 und Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n als Komponenten des Batteriesystems 200 logisch sternförmig bzw. parallel miteinander verbunden. Dabei stellt eine Rahmenstruktur eine kollisionsfreie Kommunikation bereit. Dabei können die Komponenten (Kommunikationsteilnehmer, Teilnehmer), wie mit Bezug auf 1 beispielhaft beschrieben, physikalisch ringförmig bzw. seriell miteinander verbunden sein, und die Kommunikation kann über die Stromleitung erfolgen. In einem bestimmten Kommunikationsfrequenzband kann zu einer bestimmten Zeit eine Komponente ihre Kommunikationssignale aussenden, während die anderen Komponenten, die zu dieser bestimmten Zeit nicht senden, ihre ausgesendeten Kommunikationssignale mit unterschiedlichen Übertragungsqualitäten empfangen. Eine physikalische Schicht gewährleistet, dass die Übertragungsqualität bezüglich Übertragungsdatenrate R, Übertragungsfehlerhäufigkeit und Übertragungsverfügbarkeit ausreicht, erkennt beispielsweise mittels zyklischer Redundanzprüfung (cyclic redundancy check, CRC) Fehler und / oder korrigiert beispielsweise mittels Kanalkodierung (channel encoding) die Fehler. Somit wird eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht, und jede Komponente kann mit jeder anderen Komponente kommunizieren.
• 3 zeigt einen Kommunikationsrahmen 30 zum Betreiben des Batteriesystems 100 gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
• Der Kommunikationsrahmen 30 umfasst eine Vielzahl von Kommunikationszeitschlitzen (Zeitschlitzen) 20 ₁, 10 ₁, ... 16, ... 10 _n und 14, die eine Periodendauer T des Kommunikationsrahmen 30 gleichmäßig auffüllen bzw. unterteilen. Wie in 3 gezeigt, kann der Kommunikationsrahmen 30 einen Zeitschlitz 20 ₁ für die Steuerungseinrichtung 2 und Zeitschlitze 10 ₁, ... 16, ... 10 _n und 14 für alle anderen Teilnehmer umfassen.
• 4 zeigt einen Kommunikationsblock 300 zum Betreiben des Batteriesystems 100 gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
• Der Kommunikationsblock 300 umfasst eine Vielzahl n der mit Bezug auf 3 beschriebenen Kommunikationsrahmen 30 ₁, ... 30 _n, die zeitlich aufeinander folgen. Dabei verdeutlicht 4 die zeitliche hierarchische Aufteilung des Kommunikationsmediums in den Kommunikationsblock 300, die Kommunikationsrahmen 30; 30 ₁, ... 30 _n und die Kommunikationszeitschlitze 20 ₁, 10 ₁, ... 16, ... 10 _n und 14; 20 ₁₁, 12 ₁₁, ... 16 ₁, 12 _n1, 14 ₁, ... 20 _1n, 12 _1n, ... 16 _n, ... 12 _nn, 14 _n und eine Ausrichtung der Kommunikationsrahmen 30 ₁, ... 30 _n an den Kommunikationszeitschlitzen 20 ₁₁, ... 20 _1n.
• Der Zeitschlitz 20 ₁ für die Steuerungseinrichtung 2 kann am Anfang des Kommunikationsrahmens 30 angeordnet sein. In dem Zeitschlitz 20 ₁ kann die Steuerungseinrichtung 2 für eine zentrale Koordinierung der Kommunikation zyklisch Steuerungs-(Master-, M-)Nachrichten 20 ₁₁, ... 20 _nn, die zur Koordinierung und Synchronisation aller anderen Teilnehmer beispielsweise Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n dienen, aussenden. Dabei können die M-Nachrichten Rundspruch-(Broadcast-)Nachrichten oder Rundspruch-Informationen wie Daten oder Steuerbefehle an alle anderen Teilnehmer und / oder teilnehmerbestimmte (dedizierte) Nachrichten oder Informationen wie Daten oder Steuerbefehle an einen bestimmten Teilnehmer umfassen. Somit kann die Steuerungseinrichtung 2 mittels der M-Nachrichten die Kommunikation und den Betrieb aller anderen Teilnehmer beispielsweise in Antwort auf eingehende Nachrichten steuern. Weiterhin kann die Steuerungseinrichtung 2 mittels der M-Nachrichten eine Kommunikation mittels nicht-zyklischer Nachrichten beispielsweise Not-Nachrichten und Nachrichten mit hohem Datenmengen und geringen Echtzeitanforderungen wie bidirektionalen Nachrichten zwischen der Steuerungseinrichtung 2 und einem Teilnehmer oder zwischen zwei Teilnehmern steuern. Die M-Nachrichten sind über die Redundanzprüfung und / oder Kanalkodierung derart abgesichert, dass sie von allen Komponenten mit hoher Zuverlässigkeit empfangen werden können. Die M-Nachrichten geben für alle weiteren Nachrichten ein Zeitraster vor. Dabei beträgt der Abstand von zwei aufeinander folgenden M-Nachrichten, bezogen an ihren Anfang T = t₀(k + 1) – t₀(k), k ∊ Z₀ und ist allen Teilnehmern bekannt. Für eine Übertragungsrate R = 1 Mbit/s ergibt sich für A-Nachrichten mit einer Länge von jeweils K = 25 Bit bei einer Anzahl von Teilnehmern N = 100 eine Periodendauer bzw. ein Kommunikationszyklus von T ≥ N·K/R = 2,5 ms.
• Es ist erkennbar, dass die Anzahl N der Teilnehmer und die Nachrichtenlänge K die Periodendauer T wesentlich beeinflusst. Unter Berücksichtigung von zusätzlichen Nachrichten und Sicherheitsabständen (guard times) wird die Periodendauer T entsprechend verlängert.
• Weiterhin ist die relative Lage von Nachrichten aller anderen Teilnehmer im Zeitraster konfigurierbar und kann beispielsweise bei der Entwicklung oder Realisierung des Batteriesystems 100; 200 festgelegt werden. Für eine zeitliche Zuordnung von Nachrichten dienen ein Blockzähler und ein Rahmenzähler. Dabei können der Blockzähler und der Rahmenzähler jeweils in einer M-Nachricht übermittelt werden.
• Die Zeitschlitze 10 ₁, ... 16, ... 10 _n und 14 für alle anderen Teilnehmer sind in dem Kommunikationsrahmen 30 angeordnet.
• In den Zeitschlitzen 10 ₁, ... 10 _n können die jeweils einem Zeitschlitz 10 ₁, ... 10 _n zugeordneten Teilnehmer beispielsweise die Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n für eine schnelle bzw. zyklische oder regelmäßige Kommunikation „Echtzeit“-(A-)Nachrichten 12 ₁₁, ... 12 _nn an die Steuerungseinrichtung 2 oder andere Teilnehmer beispielsweise in Antwort auf eine M-Nachricht aussenden. Jedem Teilnehmer können ein relativer Sendezeitpunkt, eine Nachrichtenlänge bzw. Nachrichtengröße und / oder eine Nachrichtenaufteilung bzw. Nachrichtenstruktur beispielsweise mittels der Steuerungseinrichtung 2 zugeordnet sein bzw. werden. Somit sind diese Angaben der Steuerungseinrichtung 2 bekannt. Dadurch können Nachrichtenlängen bzw. Nachrichtengrößen der Teilnehmer unterschiedlich sein.
• In dem Zeitschlitz 14 können die Teilnehmer beispielsweise die Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n oder die Steuerungseinrichtung 2 für eine weniger schnelle bzw. langsame Kommunikation „Status“-(B-)Nachrichten 14 ₁, ... 14 _n an die Steuerungseinrichtung 2 oder andere Teilnehmer beispielsweise in Antwort auf eine M-Nachricht aussenden. Da die B-Nachrichten umfangreicher sein können als die A-Nachrichten, werden B-Nachrichten, in dem Zeitschlitz 14 über mehrere Kommunikationsblöcke 300 oder Kommunikationsrahmen 30, mehr Informationen als die A-Nachrichten übertragen. Dabei kann der Zeitschlitz 14 des Kommunikationsrahmens 30 über den Kommunikationsblock 300 den Teilnehmern abwechselnd fest zugeordnet sein. Wenn für die Übermittlung der B-Nachrichten eine Anzahl L von Zeitschlitzen in dem Kommunikationsrahmen 30 zugeordnet wird, bilden für die Übertragung der B-Nachrichten der Anzahl N von Teilnehmern eine Anzahl J = ⌈N/L⌉ von Kommunikationsrahmen 30 den Kommunikationsblock 300. Im einfachsten Fall umfasst der Kommunikationsrahmen 30 einen Zeitschlitz 14 für B-Nachrichten (L = 1), sodass die Anzahl J = N Kommunikationsrahmen 30 ist und bei einer Anzahl von N = 100 Teilnehmern der Kommunikationsblock 300 eine Anzahl J = 100 von Kommunikationsrahmen 30 umfasst.
• Für eine Übertragungsrate R = 1 Mbit/s ergibt sich für B-Nachrichten mit einer Länge von jeweils V = 200 Bit bei einer Anzahl von Teilnehmern N = 100, einer Anzahl L = 1 von Zeitschlitzen 14 je Kommunikationsrahmen 30 und A-Nachrichten mit einer Länge von jeweils K = 25 Bit eine Periodendauer bzw. ein Kommunikationszyklus von Y ≥ N·(J·K + V)/R = 270 ms.
• Dabei ergibt sich für die A-Nachrichten eine Periodendauer bzw. ein Kommunikationszyklus von T ≥ (N·K + L·V)/R = 2,7 ms.
• Dabei umfasst der Kommunikationsblock 300 die Anzahl J = ⌈N/L⌉ = 100 von Kommunikationsrahmen 30. Unter Berücksichtigung von zusätzlichen Nachrichten und Sicherheitsabständen (guard times) wird die Perioden T entsprechend verlängert.
• Durch Erhöhen der Anzahl L von Zeitschlitzen 14 je Kommunikationsrahmen 30 für B-Nachrichten kann die Übertragung gemäß des Anwendungsfalls optimiert werden.
• Bei der erhöhten Anzahl L = 10 von Zeitschlitzen 14 je Kommunikationsrahmen 30 ergibt sich im Beispiel eine Periodendauer bzw. ein Kommunikationszyklus von Y ≥ N·(J·K + V)/R = 45 ms.
• Dabei ergibt sich für die A-Nachrichten eine Periodendauer bzw. ein Kommunikationszyklus von T ≥ (N·K + L·V)/R = 4,5 ms.
• Dabei umfasst der Kommunikationsblock 300 die Anzahl J = ⌈N/L⌉ = 10 von Kommunikationsrahmen 30.
• Bei der maximalen Anzahl L = 100 von Zeitschlitzen 14 je Kommunikationsrahmen 30 ergibt sich im Beispiel eine Periodendauer bzw. ein Kommunikationszyklus von Y ≥ N·(J·K + V)/R = 22,5 ms. Dabei ergibt sich für die A-Nachrichten eine Periodendauer bzw. ein Kommunikationszyklus von T ≥ (N·K + L·V)/R = 22,5 ms. Dabei umfasst der Kommunikationsblock 300 die Anzahl J = ⌈N/L⌉ = 1 von Kommunikationsrahmen 30. Die entspricht A-Nachrichten mit einer Länge von jeweils K = 225 Bit.
• Alternativ kann der Zeitschlitz 14 des Kommunikationsrahmens 30 einem der Teilnehmer nach Bedarf zugeordnet werden.
• Der Zeitschlitz 16 für die Teilnehmer ist vorzugsweise nach dem Zeitschlitz 20 ₁ für die Steuerungseinrichtung 2 im Kommunikationsrahmen 30 angeordnet. In dem Zeitschlitz 16 kann der Teilnehmer, der von der Steuerungseinrichtung 2 mittels einer M-Nachricht im Zeitschlitz 20 ₁ ausgewählt bzw. bestimmt worden ist, in Antwort auf die M-Nachricht für eine dynamische und flexible Kommunikation eine C-Nachricht 16 ₁, ... 16 _n aussenden. Dadurch kann zwischen der Steuerungseinrichtung 2 und jedem der Teilnehmer eine bidirektionale Kommunikation mittels Abfrage (polling) durch die Steuerungseinrichtung 2 bereitgestellt werden. Dabei kann die Steuerungseinrichtung 2 in einem Kommunikationsrahmen 30 einen anderen Teilnehmer auswählen bzw. bestimmen. Dadurch können beispielsweise Dienste auf Anwendungsebene zusätzliche Informationen, die nicht regelmäßig in A-Nachrichten oder B-Nachrichten übertragen werden, gezielt beispielsweise nach dem Round-Robin-Prinzip von den Teilnehmern abfragen.
• Für die meisten Anwendungsfälle können Informationen mittels von A-Nachrichten, B-Nachrichten oder C-Nachrichten von einem Teilnehmer an die Steuerungseinrichtung 2 übermittelt werden.
• In den Zeitschlitzen 10 ₁, ... 10 _n können die jeweils einem Zeitschlitz 10 ₁, ... 10 _n zugeordneten Teilnehmer anstelle einer A-Nachricht 12 ₁₁, ... 12 _nn für eine ad-hoc eine Alarm-(Notfall-, D-)Nachricht 18 ₂ an die Steuerungseinrichtung 2 aussenden. Dadurch können die Teilnehmer für zeitkritische Informationen beispielsweise bei Eintreten eines sicherheitskritischen Zustands D-Nachrichten sehr schnell und mit sehr hoher Zuverlässigkeit an die Steuerungseinrichtung 2 übermitteln. Dabei können bereits kurze Informationen mit einer Länge von wenigen Bits, die an die Steuerungseinrichtung 2 übermittelt werden, ausreichen, um eine Bearbeitung der zeitkritischen Informationen durch die Steuerungseinrichtung 2 zu veranlassen. Insbesondere bei einem Störfall in dem Batteriesystem 100; 200 ermitteln mehrere Teilnehmer gleichzeitig oder zeitnah einen sicherheitskritischen Zustand. Da jeder Teilnehmer seine D-Nachricht jeweils in seinem Zeitschlitz 10 ₁, ... 10 _n übermitteln kann, kann eine kollisionsfreie Kommunikation, auch in kritischen Situationen sichergestellt werden. Dabei können die D-Nachrichten innerhalb einer Periodendauer T des Kommunikationsrahmens 30 übermittelt werden. Die Steuerungseinrichtung 2 kann eine entsprechende Priorisierung von Aufgabe bzw. Maßnahmen vornehmen.
• Der Kommunikationsblock 300 und / oder der Kommunikationsrahmen 30 lassen sich beispielsweise bezüglich der Anzahl von Teilnehmern, Anzahl von Nachrichten, Größe von Nachrichten, Typen von Nachrichten, Abfolge bzw. Struktur der Typen von Nachrichten, Verhältnis der Typen von Nachrichten und Häufigkeit von Nachrichten parametrisieren. Der Kommunikationsrahmen 30 kann mehr als einen Zeitschlitz 20 ₁ für die Steuerungseinrichtung 2 umfassen. Zwischen den A-Nachrichten aller Teilnehmer kann eine M-Nachricht bzw. können mehrere M-Nachrichten angeordnet sein. Das Batteriesystem 100; 200 kann mehr als eine Steuerungseinrichtung 2 umfassen (Multimastersystem). Die Steuerungseinrichtungen können redundant ausgebildet sein.
• Das Kommunikationsmedium kann die Nachrichten als physikalische Signale wie elektrische Signale, magnetische Signale, elektro-magnetische Signale, Radiosignale, optische Signale, Lichtsignale, akustische Signale oder Schallwellen wie Körperschallwellen übertragen. Das Kommunikationsmedium kann drahtgebundene Signale beispielsweise über Stromleitungen oder Kommunikationsleitungen wie Ethernet, controller area network (CAN), FlexRay oder media-oriented systems transport (MOST) und / oder drahtlose Signale beispielsweise über Bluetooth, wireless local area network (WLAN), ZigBee übertragen. Das Kommunikationsmedium kann die Nachrichten als modulierte Signale wie frequency modulated (FM) Signale, puls amplitude modulation (PAM) Signale oder ultra-wide band (UWB) Signale, oder gemultiplexte Signale wie code-division multiple-access (CDMA) Signale, frequency-division multiple-access (FDMA) Signale, orthogonal frequency division mutiplexing (OFDM) Signale oder time-division multiple-access (TDMA) Signale beispielsweise direkt in einem Basisband oder auf einen Träger aufmoduliert übertragen. Für die Übertragung kann der Rahmen einer physikalischen Nachricht (physikalische Schicht) eine spezielle Struktur beispielsweise mit einer Trainingssequenz, einem Trainingssignal, einer Synchronisationssequenz, einem Synchronisationssignal, einer Datensequenz, einem Datensignal und / oder einem oder mehreren weiteren Elemente wie einer CRC-Sequenz aufweisen. Das Kommunikationsmedium kann die Nachrichten als verschlüsselte Signale übertragen. Eine Parametrisierung der Verschlüsselung kann beispielsweise während der Fertigung oder beim Anschalten bzw. Starten des Batteriesystems 100, 200 erfolgen.
• Das Batteriesystem 100; 200 kann verschiedene Hierarchieebenen beispielsweise entkoppelte Hierarchieebenen umfassen. Das Batteriesystem 100; 200 kann Schutzfunktionen, in Batteriezellennähe, auf den niedrigeren Ebenen und Steuerungsfunktionen auf den höheren Ebenen umfassen.
• Die Steuerungseinrichtung 2 kann Informationen über eine Konfiguration (Konfigurationsinformationen) des Batteriesystems 100; 200 umfassen. Konfigurationsinformationen können einstellbar beispielsweise mittels Klemmenkodierung oder Steckbrücken (jumpern) mechanisch einstellbar sein. Weiterhin können Batteriezellen 1 ₁, ... 1 _n beispielsweise mittels Batteriezellenidentifikationsnummern (Zellen-IDs) als Teilnehmer Zeitschlitzen des Kommunikationsmediums zugeordnet werden. Konfigurationsinformationen können jeweils von einer höheren Hierarchieebene abfragbar sein. Dadurch kann die Konfektionierung und / oder Fertigung vereinfacht werden.
• Das Batteriesystem 100; 200 kann ein Einkoppelnetzwerk und / oder ein Auskoppelnetzwerk wie Hochpassfilter, Tiefpassfilter, Bandpassfilter oder Splitter umfassen. Dadurch können Störungen der Kommunikation im Batteriesystem 100; 200 und / oder Störungen außerhalb des Batteriesystems 100; 200 durch die Kommunikation verhindert oder zumindest reduziert werden.
• In dem Batteriesystem 100; 200 können mehrere Batteriemodule und / oder Batterien beispielsweise mittels einer Verbindungseinrichtung wie eines Gateways mit der Steuerungseinrichtung 2 verbunden werden.
• Die Auslegung des Kommunikationsblocks 300 und des Kommunikationsrahmens 30 erfolgt gemäß der Anforderungen des Batteriesystems 100; 200. Dabei können die A-Nachrichten aller anderen Teilnehmer jeweils in den Zeitschlitzen in einer festgelegten Reihenfolge in dem Kommunikationsrahmen angeordnet sein. Weiterhin können die B-Nachrichten jeweils in einem festgelegten Zeitschlitz beispielsweise am Ende des Kommunikationsrahmens angeordnet sein. Weiterhin können die C-Nachrichten jeweils in einem festgelegten Zeitschlitz beispielsweise in der Mitte des Kommunikationsrahmens angeordnet sein. D-Nachrichten, die sehr wichtig sind und daher eine hohe Priorität haben, können jeweils anstelle der A-Nachrichten in den festgelegten Zeitschlitzen angeordnet sein. Da alle anderen Teilnehmer jeweils über einen zugeordneten Zeitschlitz für A-Nachrichten verfügen, ist eine schnelle kollisionsfreie Kommunikation mehrerer Teilnehmer möglich.
• Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „umfassend“ und „aufweisend“ oder dergleichen nicht ausschließen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Die verwendeten Anzahlen sind lediglich beispielhaft, sodass eine Vielzahl zwei, vier, fünf, sechs, oder mehr Elemente oder Schritte umfassen kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass Artikel wie „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließen. Weiterhin wird angemerkt, dass Zahlwörter bzw. Ordnungszahlen wie „erste“, „zweite“ usw. ausschließlich zur Unterscheidung von Elementen und Schritten dienen, ohne dabei eine Reihenfolge der Anordnung der Elemente oder der Ausführung der Schritte festzulegen bzw. zu beschränken. Außerdem können die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Schließlich wird angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Betreiben von Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n), umfassend eine Steuerungseinrichtung (2), gekennzeichnet durch: – einen Kommunikationsblock (300) zur Kommunikation zwischen der Steuerungseinrichtung (2) und den Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n), wobei der Kommunikationsblock (300) eine Vielzahl von Kommunikationsrahmen (30) umfasst und die Kommunikationsrahmen (30) jeweils eine Vielzahl von Zeitschlitzen (20 ₁, 10 ₁, ... 16, ... 10 _n, 14) umfassen.
2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: – in einem der Zeitschlitze (20 ₁) eine Nachricht (20 ₁₁, ... 20 _1n) von der Steuerungseinrichtung (2) an die Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n) übertragen werden kann, – in einem anderen der Zeitschlitze (10 ₁, ... 16, ... 10 _n, 14) eine andere Nachricht (12 ₁₁, ... 12 _1n, 12 _n1, ... 12 _nn, 14 ₁, ... 14 _n) von einer der Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n) an die Steuerungseinrichtung (2) übertragen werden kann, – die andere Nachricht (12 ₁₁, ... 12 _1n, 12 _n1, ... 12 _nn, 16) in einem der Kommunikationsrahmen (30) übertragen werden kann, – die andere Nachricht (12 ₁₁, ... 12 _1n, 12 _n1, ... 12 _nn) periodisch übertragen werden kann, – die andere Nachricht (14 ₁, ... 14 _n) in mehreren der Kommunikationsrahmen (30) übertragen werden kann, – die Nachricht (20 ₁₁, ... 20 _1n) eine von den Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n) bestimmt und die andere Nachricht (16) in Antwort auf die Nachricht (20 ₁₁, ... 20 _1n) von der bestimmten Batteriezelle (1 ₁, ... 1 _n) übertragen werden kann, oder – eine weitere Nachricht (18 ₂) anstelle der anderen Nachricht (12 ₂) aperiodisch übertagen werden kann.
3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei: – die Kommunikation über Anschlüsse der Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n), Zellverbinder (3 ₁₂, 3 ₂₃, 3 _(n-1)n) oder eine Stromleitung erfolgt.
4. Batteriemodul, umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
5. Batterie, umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder – das Batteriemodul nach Anspruch 4.
6. Batteriesystem (100; 200), umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – das Batteriemodul nach Anspruch 4, oder – die Batterie nach Anspruch 5.
7. Fahrzeug, umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, verbunden mit dem Fahrzeug, – die Batteriemodul nach Anspruch 4, verbunden mit dem Fahrzeug, – die Batterie nach Anspruch 5, verbunden mit dem Fahrzeug, oder – das Batteriesystem (100; 200) nach Anspruch 6, verbunden mit dem Fahrzeug.
8. Verfahren zum Betreiben von Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n), gekennzeichnet durch: – Bereitstellen eines Kommunikationsblocks (300) zur Kommunikation zwischen einer Steuerungseinrichtung (2) und den Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n), wobei der Kommunikationsblock (300) eine Vielzahl von Kommunikationsrahmen (30) umfasst und die Kommunikationsrahmen (30) jeweils eine Vielzahl von Zeitschlitzen (20 ₁, 10 ₁, ... 16, ... 10 _n, 14) umfassen.
9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei: – in einem der Zeitschlitze (20 ₁) eine Nachricht (20 ₁₁, ... 20 _1n) von der Steuerungseinrichtung (2) an die Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n) übertragen werden kann, – in einem anderen der Zeitschlitze (10 ₁, ... 16, ... 10 _n, 14) eine andere Nachricht (12 ₁₁, ... 12 _1n, 12 _n1, ... 12 _nn, 14 ₁, ... 14 _n) von einer der Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n) an die Steuerungseinrichtung (2) übertragen werden kann, – die andere Nachricht (12 ₁₁, ... 12 _1n, 12 _n1, ... 12 _nn, 16) in einem der Kommunikationsrahmen (30) übertragen werden kann, – die andere Nachricht (12 ₁₁, ... 12 _1n, 12 _n1, ... 12 _nn) periodisch übertragen werden kann, – die andere Nachricht (14 ₁, ... 14 _n) in mehreren der Kommunikationsrahmen (30) übertragen werden kann, – die Nachricht (20 ₁₁, ... 20 _1n) eine von den Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n) bestimmt und die andere Nachricht (16) in Antwort auf die Nachricht (20 ₁₁, ... 20 _1n) von der bestimmten Batteriezelle (1 ₁, ... 1 _n) übertragen werden kann, oder – eine weitere Nachricht (18 ₂) anstelle der anderen Nachricht (12 ₂) aperiodisch übertagen werden kann.
10. Das Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei: – die Kommunikation über Anschlüsse der Batteriezellen (1 ₁, ... 1 _n), Zellverbinder (3 ₁₂, 3 ₂₃, 3 _(n-1)n) oder eine Stromleitung erfolgt.
11. Computerprogramm, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher eines Computers gespeichert ist und das von dem Computer lesbare Befehle umfasst, die zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10 bestimmt sind, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden.
12. Computerprogrammprodukt, das das Computerprogramm nach Anspruch 11 umfasst.

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