DE102017204138A1

DE102017204138A1 - Batterieeinheit

Info

Publication number: DE102017204138A1
Application number: DE102017204138.2A
Authority: DE
Inventors: Georg Kleine Büning; Jochen Lehnhäuser
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2018-09-13
Also published as: CN108574121A; CN108574121B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit (1), umfassend mindestens zwei Batteriemodule (2) und mindestens zwei Mess- und Steuereinheiten (6), die mit mindestens einem zentralen Steuergerät (3) datentechnisch verbunden sind, wobei die Datenkommunikation als optische Freiraumkommunikation realisiert ist, wobei die Mess- und Steuereinheiten (6) jeweils mindestens einen optischen Sender (7) aufweisen und das zentrale Steuergerät (3) mindestens einen optischen Empfänger (8) aufweist, wobei die optische Freiraumkommunikation zwischen den Mess- und Steuereinheiten (6) und dem zentralen Steuergerät (3) jeweils direkt unter Ausschluss der weiteren Mess- und Steuereinheiten (6) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit, insbesondere als Hochvoltbatterie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Eine solche Batterieeinheit umfasst üblicherweise ein Gehäuse, in dem mehrere Batteriemodule angeordnet sind. Die Batteriemodule selbst weisen eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die in Reihe und/oder parallel verschaltet sind. Die Batteriemodule sind dann ebenfalls in Reihe oder parallel verschaltet. Die äußeren Kontakte der zusammengeschalteten Batteriemodule bilden dann die Batteriepole. Dabei ist es weiter bekannt, den Batteriemodulen Mess- und Steuereinheiten zuzuordnen, die die Zellspannungen und ggf. die Temperatur der Batteriezellen messen sowie ein Zellenbalancing durchführen können. Dabei sind die Mess- und Steuereinheiten mit einem zentralen Steuergerät der Batterieeinheit verbunden, an die die Messdaten übermittelt werden und von dem Steuerbefehle für ein Zellbalancing empfangen werden. Die Datenverbindung erfolgt dabei beispielsweise über einen CAN-, SPI-, IsoSPI oder I2C-Bus.
Aus der DE 10 2011 016 373 A1 ist ein Batterieblock bekannt, insbesondere zur Vermessung als Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug, mit mehreren Batteriezellen, wobei die Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden sind. Der Batterieblock kann daher auch als Batteriemodul bezeichnet werden. Die Batteriezellen sind durch an den Ausgangspolen der Batteriezellen angebrachte Laststromverbinder zumindest teilweise in Reihe geschaltet, wobei am Batterieblock ein elektronischer Schaltungsträger angebracht ist, der mit den Laststromverbindern kontaktiert ist. Auf dem Schaltungsträger ist zumindest eine elektrische Überwachungsschaltung vorgesehen, mit der die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangspolen der einzelnen Batteriezellen gemessen werden kann, wobei auf dem Schaltungsträger zumindest eine elektrische Symmetrierungsschaltung vorgesehen ist, mit der die Ausgangsspannung der einzelnen Batteriezellen in Abhängigkeit von den Messergebnissen der Überwachungsschaltung verändert wird, insbesondere angeglichen wird. Dabei ist der Schaltungsträger in der Art einer Flexleiterplatte ausgebildet, deren biegsame Leiterbahnen auf einer biegsamen Trägerfolie angeordnet sind, wobei an der Flexleiterplatte zumindest abschnittsweise biegsame Kontaktelemente vorgesehen sind, über die die Überwachungsschaltung und die Symmetrierungsschaltung auf der Flexleiterplatte mit den Laststromverbindern an den Batteriezellen kontaktiert sind. Eine Datenschnittstelle der Flexleiterplatte zur Datenübertragung auf andere Batterieblocks bzw. auf eine übergeordnete Zentralsteuereinrichtung soll dabei bevorzugt ein Kopplerelement zur galvanischen Trennung der einzelnen Batterieblocks enthalten, sodass die Übertragung von Daten trotz galvanischer Trennung ermöglicht ist. Als Kopplerelement zur galvanischen Trennung zwischen den einzelnen Batterieblocks kann beispielsweise ein Optokoppler in den Datenschnittstellen der Flexleiterplatten eingesetzt werden.
Eine Datenübertragung mittels Optokoppler zwischen den Batteriemodulen offenbart auch die WO 2014/094744 A1 .
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Batterieeinheit mit optischer Freiraumkommunikation weiter zu verbessern.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Batterieeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Batterieeinheit umfasst mindestens zwei Batteriemodule und mindestens zwei Mess- und Steuereinheiten, die mit mindestens einem zentralen Steuergerät datentechnisch verbunden sind, wobei die Datenkommunikation als optische Freiraumkommunikation realisiert ist, wobei die Mess- und Steuereinheiten jeweils mindestens einen optischen Sender aufweisen und das zentrale Steuergerät mindestens einen optischen Empfänger aufweist, wobei die optische Freiraumkommunikation zwischen den Mess- und Steuereinheiten und dem zentralen Steuergerät jeweils direkt unter Ausschluss der weiteren Mess- und Steuereinheiten erfolgt. Dies vereinfacht die Datenkommunikation und beschleunigt diese darüber hinaus gegenüber dem daisy-chain-Ansatz aus dem Stand der Technik, wo die Daten von einem Batteriemodul zum nächsten Batteriemodul und schließlich zum zentralen Steuergerät übertragen werden oder einem ähnlichen Ansatz, der auf einer Kommunikation zwischen den Mess- und Steuereinheiten beruht. Direkt im Sinne der Erfindung meint dabei, dass die Daten nicht von anderen Mess- und Steuereinheiten empfangen und weitergesendet werden, sondern von einer Mess- und Steuereinheit an das zentrale Steuergerät übertragen werden, dabei aber auch Reflexionen auftreten können.
Prinzipiell können auch mehreren Batteriemodulen eine gemeinsame Mess- und Steuereinheit zugeordnet sein oder aber jeder Batteriezelle eines Batteriemoduls eine Mess- und Steuereinheit zugeordnet sein. Vorzugsweise ist jedoch jedem Batteriemodul genau eine Mess- und Steuereinheit zugeordnet, was Verkabelung zwischen den Batteriemodulen vermeidet und weniger aufwendig ist, als jeder Batteriezelle eine Mess- und Steuereinheit zuzuordnen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Batterieeinheit ein Gehäuse auf, wobei mindestens ein optischer Sender und der mindestens eine optische Empfänger derart zueinander angeordnet sind, dass die optische Freiraumkommunikation über mindestens eine Reflexion an dem Gehäuse erfolgt. Der Vorteil der optischen Freiraumkommunikation innerhalb des Gehäuses ist, dass Störlicht vernachlässigbar ist. Des Weiteren sind auch keine beweglichen Objekte vorhanden, die den Strahlengang stören, sodass die Übertragungsstrecken sehr gut a priori eingestellt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform sind an dem Gehäuse Reflexionselemente angeordnet, die Stärke und/oder Richtung der Reflexionen beeinflussen. Die Reflexionselemente sind beispielsweise ein kleiner Spiegel oder metallisierte Bereiche an dem Gehäuse, die einen hohen Reflexionsgrad aufweisen, insbesondere höher als der Reflexionsgrad des Gehäuses. Insbesondere kann dabei eine häufig ohnehin vorhandene EMV-Schutzschicht aus Metall im Inneren des Gehäuses als Reflexionselement genutzt werden. Die Reflexionselemente können dabei beispielsweise auch gewölbt ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform sind auf den Batteriemodulen und/oder den Mess- und Steuereinheiten Reflexionselemente angeordnet, die Stärke und/oder Richtung der Reflexionen beeinflussen.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Mess- und Steuereinheiten und das zentrale Steuergerät jeweils einen optischen Sender und einen optischen Empfänger auf, sodass eine bidirektionale Datenübertragung möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist das zentrale Steuergerät mehrere optische Sender und/oder Empfänger auf, was die Einrichtung der Übertragungsstrecken zu den verschiedenen Mess- und Steuereinheiten vereinfacht. Alternativ oder zusätzlich können die Sender und/oder Empfänger verschieblich angeordnet sein oder aber zumindest der Abstrahlwinkel des Senders veränderbar sein.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Batterieeinheit mindestens ein weiteres Steuergerät auf, das derart ausgebildet ist, eine optische Freiraumkommunikation mit dem zentralen Steuergerät durchzuführen. Beispielsweise ist das weitere Steuergerät ein Stromsensor der Batterieeinheit.
Die optischen Sender sind beispielsweise LEDs oder Laserdioden, wobei die optischen Empfänger beispielsweise Fotodioden oder Fotowiderstände sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Seitenansicht auf eine Batterieeinheit, wobei die Vorderseite des Gehäuses entfernt ist.
Die in 1 dargestellte Batterieeinheit 1 weist drei Batteriemodule 2, ein zentrales Steuergerät 3 und ein weiteres Steuergerät 4 auf, die in einem gemeinsamen Gehäuse 5 angeordnet sind. Auf den Batteriemodulen 2 ist jeweils eine Mess- und Steuereinheit 6 angeordnet. Die Mess- und Steuereinheiten 6 weisen als Datenschnittstelle jeweils mindestens einen optischen Sender 7 und einen optischen Empfänger 8 auf.
Auch das zentrale Steuergerät 3 und das weitere Steuergerät 4 weisen jeweils einen optischen Sender 7 und einen Empfänger 8 auf. Weiter weisen das Gehäuse 5, die Batteriemodule 2 sowie die Mess- und Steuereinheiten 6 Reflexionselemente 9 auf, die beispielsweise als Spiegel ausgebildet sind. Aus Übersichtsgründen ist dabei jeweils nur ein Reflexionselement 9 dargestellt. Die Batteriemodule 2 sind dabei elektrisch miteinander verschaltet, was ebenfalls aus Übersichtsgründen nicht dargestellt ist.
Die Mess- und Steuereinheiten 6 übertragen beispielsweise Temperatur- und Spannungswerte an das zentrale Steuergerät 3 und erhalten Steuerbefehle für ein Zell-Balancing, wobei die Datenübertragung durch eine optische Freiraumkommunikation erfolgt. Diese optische Freiraumkommunikation erfolgt direkt, wo eine optische Sichtverbindung zwischen Sender 7 und Empfänger 8 existiert, oder aber über Reflexionen, jedoch direkt unter Ausschluss weiterer Empfänger und Sender. Die jeweiligen Sender 7 können dabei verschiedene Abstrahlwinkel aufweisen, wobei der Abstrahlwinkel des Senders 7 des zentralen Steuergeräts 3 vorzugsweise veränderbar ist. Alternativ kann das zentrale Steuergerät 3 auch mehrere Sender 7 aufweisen, um die Übertragungsstrecken zu optimieren. Dabei ist schematisch eine optische Übertragungsstrecke 10 vom zentralen Steuergerät 3 zu einem Batteriemodul 2 dargestellt, wobei eine Übertragungsstrecke 10 auch mehrere Reflexionen aufweisen kann.
Der Vorteil der direkten optischen Freiraumkommunikation ist deren Robustheit gegen elektromagnetische Störungen sowie der Entfall aufwendiger Verkabelungen. Der Vorteil gegenüber einer Freiraumkommunikation in Form einer daisy-chain-Kommunikation oder einem ähnlichen Ansatz, der auf einer Kommunikation zwischen den Mess- und Steuereinheiten beruht, ist, dass diese erheblich schneller ist, insbesondere wenn die Anzahl der Batteriemodule 2 steigt. Auch das Daten-Handling ist einfacher.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011016373 A1 [0003]
WO 2014/094744 A1 [0004]

Claims

Batterieeinheit (1), umfassend mindestens zwei Batteriemodule (2) und mindestens zwei Mess- und Steuereinheiten (6), die mit mindestens einem zentralen Steuergerät (3) datentechnisch verbunden sind, wobei die Datenkommunikation als optische Freiraumkommunikation realisiert ist, wobei die Mess- und Steuereinheiten (6) jeweils mindestens einen optischen Sender (7) aufweisen und das zentrale Steuergerät (3) mindestens einen optischen Empfänger (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Freiraumkommunikation zwischen den Mess- und Steuereinheiten (6) und dem zentralen Steuergerät (3) jeweils direkt unter Ausschluss der weiteren Mess- und Steuereinheiten (6) erfolgt.
Batterieeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Batteriemodul (2) genau eine Mess- und Steuereinheit (6) zugeordnet ist.
Batterieeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (1) ein Gehäuse (5) aufweist, wobei mindestens ein optischer Sender (7) und der mindestens eine optische Empfänger (8) derart zueinander angeordnet sind, dass die optische Freiraumkommunikation über mindestens eine Reflexion an dem Gehäuse (5) erfolgt.
Batterieeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (5) Reflexionselemente (9) angeordnet sind, die Stärke und/oder Richtung der Reflexion beeinflussen.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Batteriemodulen (2) und/oder den Mess- und Steuereinheiten (6) Reflexionselemente (9) angeordnet sind, die Stärke und/oder Richtung der Reflexion beeinflussen.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Steuereinheiten (6) und das zentrale Steuergerät (3) jeweils mindestens einen optischen Sender (7) und einen optischen Empfänger (8) aufweisen.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Steuergerät (3) mehrere optische Sender (7) und/oder Empfänger (8) aufweist.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (1) mindestens ein weiteres Steuergerät (4) aufweist, das derart ausgebildet ist, eine optische Freiraumkommunikation mit dem zentralen Steuergerät (3) durchzuführen.