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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Ferner geht die vorliegende Erfindung aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems nach Gattung des nebengeordneten Verfahrensanspruchs.
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Stand der Technik
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Es ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, Batteriesysteme aus mehreren verschalteten Batterieeinheiten aufzubauen. Auch können diese Batterieeinheiten wiederum mehrere Batterieuntereinheiten, bspw. Batteriezellen, aufweisen. Ferner ist es bekannt, die einzelnen Batterieeinheiten jeweils separat mit einer Überwachungsvorrichtung auszustatten, siehe beispielsweise die
US 2012/0242144 A1 . Derartige Überwachungsvorrichtungen können verschiedenste und umfassende Überprüfungen und Überwachungen der Batterieuntereinheiten der Batterieeinheiten durchführen, siehe hierzu beispielsweise die
DE 10 2013 206 612 A1 .
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriesystem, aufweisend ein Batteriemanagementsystem zum kontrollierten Betreiben des Batteriesystems und zumindest zwei Batterieeinheiten, wobei die zumindest zwei Batterieeinheiten jeweils zumindest zwei Batterieuntereinheiten mit jeweils zumindest einer Batteriezelle aufweisen, wobei ferner das Batteriemanagementsystem eine Batteriekontrollvorrichtung und ein Hauptbussystem aufweist, über das die Batteriekontrollvorrichtung mit den Batterieeinheiten datenkommunizierend verbunden ist. Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem in jeder Batterieeinheit eine Kommunikationsvorrichtung mit einer Hauptkommunikationsschnittstelle und einer Nebenkommunikationsschnittstelle, ein Nebenbussystem und für jede Batterieuntereinheit eine Überwachungsvorrichtung aufweist, wobei in jeder Batterieeinheit die Überwachungsvorrichtung über das Nebenbussystem mit der Nebenkommunikationsschnittstelle der Kommunikationsvorrichtung datenkommunizierend verbunden ist und das Hauptbussystem mit der Hauptbuskommunikationsschnittstelle der Kommunikationsvorrichtung datenkommunizierend verbunden ist.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem weist mehrere Batterieeinheiten auf, die seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sein können. Die einzelnen Batterieeinheiten wiederum weisen jeweils zumindest zwei Batterieuntereinheiten auf, welche selbst wiederum aus jeweils zumindest einer Batteriezelle bestehen. Auch bei den Batterieuntereinheiten ist wiederum eine elektrisch serielle oder parallele Verschaltung der Batterieuntereinheiten, innerhalb der Batterieuntereinheiten auch eine serielle und/oder parallele elektrische Verschaltung der Batteriezellen denkbar. Die Batteriezellen selbst können bevorzugt als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem kann somit eine Vielzahl, insbesondere eine an beliebige Anforderungen anpassbare Vielzahl, von Batteriezellen aufweisen, die über mehrere Ebenen miteinander elektrisch seriell und/oder parallel verschaltet sein können, um den Anforderungen an das erfindungsgemäße Batteriesystem hinsichtlich einer zur Verfügung zu stellenden Spannung und/oder eines zur Verfügung zu stellenden Stroms gerecht zu werden. Für eine übergeordnete Überwachung und/oder eine Steuerung und/oder eine Regelung der einzelnen Batteriezellen der Batterieuntereinheiten weist ein erfindungsgemäßes Batteriesystem ein Batteriemanagementsystem auf, das als Hauptkomponente insbesondere eine Batteriekontrollvorrichtung und ein Hauptbussystem aufweist. Über das Hauptbussystem sind die einzelnen Batterieeinheiten datenkommunizierend mit der Batteriekontrollvorrichtung verbunden, wodurch insbesondere eine bidirektionale Datenkommunikation zwischen der Batteriekontrollvorrichtung und den einzelnen Batterieeinheiten bereitstellbar ist. Auf diese Weise können Zustandsdaten, die in den Batterieeinheiten ermittelt werden, an die Batteriekontrollvorrichtung übermittelt werden und gleichzeitig Steuerungs- und/oder Regelungsbefehle von der Batteriekontrollvorrichtung an die einzelnen Batterieeinheiten weitergegeben werden.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem ferner in jeder Batterieeinheit eine Kommunikationsvorrichtung aufweist. Die Kommunikationsvorrichtung wiederum weist eine Hauptkommunikationsschnittstelle zur datenkommunizierenden Verbindung mit dem Hauptbussystem auf. Ferner weist die Kommunikationsvorrichtung eine Nebenkommunikationsschnittstelle auf, über die ein Nebenbussystem, das ebenfalls Teil des Batteriemanagementsystems ist, datenkommunizierend an die Kommunikationsvorrichtung angebunden werden kann. Das Nebenbussystem wird wiederum für eine datenkommunizierende Verbindung mit Überwachungsvorrichtungen eingesetzt, die als Teil des Batteriemanagementsystems in jeder Batterieuntereinheit vorhanden sind. Die Überwachungsvorrichtungen in den einzelnen Batterieuntereinheiten können bspw. eine Überwachung von Zustandsdaten der jeweiligen Batterieuntereinheit, z. B. eine Spannung, ein Strom o.ä., bereitstellen. Auch eine erste Auswertung der ermittelten Zustandsdaten und/oder auch eine Steuerung und/oder Regelung auf Ebene der jeweiligen Batterieuntereinheit kann in einer derartigen Überwachungsvorrichtung vorgenommen werden. Erfindungswesentlich ist, dass, wie oben beschrieben, eine kaskadierende Busarchitektur zur Datenkommunikation innerhalb des erfindungsgemäßen Batteriesystems eingesetzt wird. So sind die einzelnen Überwachungsvorrichtungen der Batterieuntereinheiten nicht direkt mit der Batteriekontrollvorrichtung des Batteriemanagementsystems verbunden. Daten, die von einer Überwachungsvorrichtung einer Batterieuntereinheit gesammelt werden, werden als erstes über das Nebenbussystem und die Nebenkommunikationsschnittstelle an die Kommunikationsvorrichtung der jeweiligen Batterieeinheit übermittelt. Von dort wird durch die Kommunikationsvorrichtung über die Hauptkommunikationsschnittstelle das Hauptbussystem angesprochen und über das Hauptbussystem die Daten an die Batteriekontrollvorrichtung weitergeleitet. Insbesondere bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem mit einer Vielzahl an Batterieeinheiten ergibt sich somit ein Vorteil gegenüber Batteriesystemen mit nur einem Bussystem. Auch kann durch diese kaskadierende Busarchitektur breitgestellt werden, dass bereits durch eine einzige Batteriekontrollvorrichtung als zentrale Kontrollinstanz sämtliche Funktionalitäten einer Überwachung, Regelung und/oder Steuerung des Batteriesystems bereitgestellt werden können. Innerhalb der Batterieeinheit kann das Nebenbussystem kleiner und insbesondere schneller ausgebildet sein und das Hauptbussystem kann besonders robust ausgebildet werden, da es nicht bis zu den einzelnen Batterieuntereinheiten durchgreifen muss. Gleichzeitig kann durch den Einsatz eines Nebenbussystems eine Signalqualität innerhalb der einzelnen Batterieeinheiten verbessert werden. Eine kostengünstige und gleichzeitig leistungsstarke Kommunikation kann auf diese Weise für das Batteriemanagementsystem bereitgestellt werden. Eine digitale Buskommunikation für mehrere hundert Batterieuntereinheiten kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Auch eine hohe Skalierbarkeit des gesamten Batteriesystems, insbesondere bezüglich der im Wesentlichen frei wählbaren und nur durch die Buskapazität begrenzte Anzahl und einer beispielsweise auch räumlich getrennten Aufteilung der Batterieeinheiten und der Batterieuntereinheiten, kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
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Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgesehen sein, dass das Hauptbussystem und/oder zumindest eines der Nebenbussysteme als ein serieller Kettenbus und/oder als ein Parallelbus, bevorzugt als ein differenzieller Zweidrahtbus, ausgebildet ist. Ein derartiger serieller Kettenbus, der oftmals auch als Daisy-Chain-Bus bezeichnet wird, kann als eine besonders robuste Ausgestaltung eines Bussystems eines erfindungsgemäßen Batteriesystems bereitgestellt werden. Ein Parallelbus wiederum stellt eine besonders einfache Art und Weise eines Bussystems dar, da es insbesondere eine hohe Ausfallsicherheit bereitstellt. In einem differenziellen Zweidrahtbus werden zusätzlich die elektrischen Daten als Spannungsdifferenz in den beiden Drähten des Zweidrahtbusses übertragen. Auf diese Weise kann eine noch sicherere Datenübertragung im jeweiligen Bussystem ermöglicht werden.
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Auch kann ein erfindungsgemäßes Batteriesystem dahingehend ausgebildet sein, dass das Batteriemanagementsystem eine Strangverwaltungseinheit und das Hauptbussystem zumindest zwei Busstränge aufweist, wobei die Batteriekontrollvorrichtung über die Strangverwaltungseinheit mit den zumindest zwei Bussträngen datenkommunizierend verbunden ist. Auf diese Weise kann bereitgestellt werden, dass auch das Hauptbussystem nicht nur einen einzigen Busstrang sondern zwei oder mehrere Busstränge aufweist. Durch die Strangverwaltungseinheit kann eine sichere Zuordnung der Datenpakete, die über den jeweiligen Busstrang von den einzelnen Batterieeinheiten empfangen werden, sichergestellt werden. Durch die Strangverwaltungseinheit kann auch sichergestellt werden, dass Steuerungs- und/oder Regelungsbefehle, die von der Batteriekontrollvorrichtung an einzelne Batterieeinheiten ausgegeben werden, sicher dem richtigen Busstrang zugeordnet und somit sicher an die richtige Batterieeinheit übertragen werden.
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Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgesehen sein, dass die Batterieuntereinheiten jeweils zumindest eine Sicherheitsvorrichtung zum Deaktivieren der jeweiligen Batterieuntereinheit, bevorzugt jeweils eine Sicherheitsvorrichtung zum Deaktivieren jeder der Batteriezellen der jeweiligen Batterieuntereinheit, aufweisen, wobei die jeweilige Überwachungsvorrichtung der Batterieuntereinheit zum Auslösen der Sicherheitsvorrichtung mit der entsprechenden Sicherheitsvorrichtung datenkommunizierend verbunden ist. In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems ist in den Batterieuntereinheiten jeweils zumindest eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen. Eine derartige Sicherheitsvorrichtung kann bevorzugt beispielsweise zum Ansteuern eines Sicherheitsschalters, zum Beispiel eines elektrischen oder elektrochemischen Schalters, ausgebildet sein. Der Sicherheitsschalter kann beispielsweise als irreversibler Sicherheitsschalter ausgebildet sein und somit nur einmalig zum Unterbrechen oder zum Herstellen eines Stromkreises geschaltet werden. Mögliche Ausgestaltungsformen eines derartigen Sicherheitsschalters umfassen beispielsweise Leistungshalbleiterschalter, Relais, Fast-Discharge-Elemente, Antifuse-Elemente oder ähnliches. Insbesondere kann der Sicherheitsschalter in einem Strompfad mit der Batteriezelle beziehungsweise der Batterieuntereinheit integriert, beispielsweise seriell oder parallel zur Batteriezelle beziehungsweise zur Batterieuntereinheit geschaltet sein. Die Sicherheitsvorrichtung kann zum Deaktivieren einerseits der jeweiligen gesamten Batterieuntereinheit, bevorzugt jedoch jeweils zum Deaktivieren der einzelnen Batteriezellen der Batterieuntereinheit ausgebildet sein. Die Sicherheitsvorrichtung kann dabei bevorzugt derart ausgebildet sein, dass sie in einem Notfall, bspw. einer Überlast oder einem mechanischen Defekt der jeweiligen Batterieuntereinheit bzw. der Batteriezelle, ein Deaktivieren der jeweiligen Batterieuntereinheit bzw. der Batteriezelle vornimmt. Durch dieses Deaktivieren können in den meisten Fällen größere Schäden an der einzelnen Batteriezelle, der einzelnen Batterieuntereinheit und insbesondere auch der jeweiligen Batterieeinheit oder des gesamten Batteriesystems verhindert werden. Für ein entsprechend schnelles und sicheres Auslösen der jeweiligen Sicherheitsvorrichtung ist diese mit der Überwachungsvorrichtung der jeweiligen Batterieuntereinheit verbunden, sodass bereits durch die Überwachungsvorrichtung ein Auslösen der Sicherheitsvorrichtung ausgelöst werden kann. Dieses datenkommunizierende Verbinden kann wiederum bspw. über das Nebenbussystem erfolgen. Eine besonders sicherere und insbesondere von der übergeordneten Batteriekontrollvorrichtung unabhängige Auslösung der jeweiligen Sicherheitsvorrichtung kann dadurch bereitgestellt werden. Mit anderen Worten können die einzelnen Batterieuntereinheiten eigensicher ausgebildet sein.
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Auch kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem ferner vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtungen einer Batterieuntereinheit durch die jeweiligen Batteriezellen der Batterieuntereinheit mit elektrischer Energie versorgt sind und/oder durch eine externe Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt sind und/oder dass die Kommunikationsvorrichtung einer Batterieeinheit durch die jeweilige Batteriezellen der Batterieeinheit mit elektrischer Energie versorgt ist und/oder durch eine externe Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt ist. Eine Versorgung mit elektrischer Energie der Überwachungsvorrichtung und/oder der Kommunikationsvorrichtung jeder Batterieeinheit durch die Batteriezellen der Batterieeinheit selbst stellt eine besonders einfache Art und Weise dar, diese Einheiten zu betreiben. Insbesondere können durch das Vermeiden von externen Energiequellen eine besonders kompakte Ausgestaltung der jeweiligen Einheiten, der Batterieuntereinheiten bzw. der gesamten Batterieeinheit, bereitgestellt werden. Eine externe Energiequelle hat den Vorteil, dass auch bei einem völligen Ausfall der Batteriezellen einer Batterieeinheit ein Betrieb der entsprechenden Überwachungsvorrichtungen und/oder der Kommunikationsvorrichtung der Batterieeinheit sichergestellt werden kann. Je nach Anforderungen an das erfindungsgemäße Batteriesystem können daher beide Arten und Weisen oder auch nur eine der beiden Möglichkeiten zur Versorgung mit elektrischer Energie verwendet werden.
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Auch kann ein erfindungsgemäßes Batteriesystem dahingehend ausgebildet sein, dass die Kommunikationsvorrichtung einer Batterieeinheit und/oder die Überwachungsvorrichtungen einer Batterieuntereinheit zum Ermitteln und/oder Auswerten von Daten zumindest einer der folgenden Zustandsgrößen der jeweiligen Batterieeinheit und/oder Batterieuntereinheit ausgebildet sind:
- - Spannung,
- - Strom,
- - Temperatur,
- - Leckage,
- - mechanische Einwirkung.
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Diese Liste ist dabei nicht abgeschlossen, sodass, falls technisch sinnvoll und möglich, auch weitere Zustandsgrößen ermittelt oder ausgewertet werden können. Insbesondere können in den einzelnen Batterieeinheiten auch die nötigen Sensorvorrichtungen vorhanden sein, um die jeweiligen Zustandsgrößen sicher und präzise messen zu können. Eine umfassende Überwachung der Batterieeinheit beziehungsweise der Batterieuntereinheit ist auf diese Weise somit bereits dezentral auf der jeweiligen Ebene bereitstellbar.
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Ferner kann ein erfindungsgemäßes Batteriesystem dahingehend ausgebildet sein, dass die Kommunikationsvorrichtung einer Batterieeinheit und/oder die Überwachungsvorrichtung in einer Batterieuntereinheit zum Bereitstellen zumindest einer der folgenden Funktionalitäten ausgebildet ist:
- - Ausgleichsregelung der Batteriezellen,
- - Auswertung und/oder Ansteuerung einer Sicherheitsvorrichtung,
- - Erkennen einer Unter- und/oder Überschreitung von Grenzwerten durch Auswertung ermittelter Zustandsdaten,
- - Bereitstellen einer Kommunikation mit der Batteriekontrollvorrichtung.
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Auch diese Liste ist nicht abgeschlossen, sodass, falls technisch sinnvoll und möglich, auch weitere Funktionalitäten bereitgestellt werden können. So können durch eine Ausgleichsregelung bspw. insbesondere kurzzeitige Schwankungen einer Leistungsfähigkeit der einzelnen Batteriezellen ausgeglichen werden, sodass eine Gesamtleistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Batterieeinheit beziehungsweise Batterieuntereinheit möglichst konstant bereitgestellt werden kann. Durch eine Auswertung und/oder Ansteuerung einer Sicherheitsvorrichtung kann insbesondere die gesamte Batterieeinheit beziehungsweise Batterieuntereinheit oder auch einzelne Batteriezellen bei einem bereits aufgetretenen oder drohenden Defekt deaktiviert werden, um eine Beschädigung weiterer Batteriezellen bzw. der gesamten Batterieeinheit beziehungsweise Batterieuntereinheit zu verhindern. Ein Erkennen von Unter- und/oder Überschreitungen von Grenzwerten durch die ermittelten Zustandsdaten wiederum ermöglicht ein Erkennen eines Gesamtzustandes der Batterieeinheit beziehungsweise Batterieuntereinheit, insbesondere ob dieser Gesamtzustand innerhalb vorgegebener Grenzen eingestellt ist. Sämtliche vorgenommenen Maßnahmen und Funktionalitäten bzw. die ermittelten Zustandsdaten können durch das Bereitstellen einer Kommunikation mit der Batteriekontrollvorrichtung insbesondere über das Bussystem weitergeleitet werden. In der Batteriekontrollvorrichtung können somit sämtliche Zustandsdaten und darüber hinaus die durch eine Überwachungsvorrichtung in einer Batterieeinheit beziehungsweise Batterieuntereinheit vorgenommenen Funktionalitäten gesammelt und ausgewertet werden.
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Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgesehen sein, dass das Batteriemanagementsystem zumindest eine weitere Kommunikationsvorrichtung mit einer zusätzlichen Kontrollkommunikationsschnittstelle aufweist, wobei die Batteriekontrollvorrichtung über die Kontrollkommunikationsschnittstelle mit der zumindest einen weiteren Kommunikationsvorrichtung datenkommunizierend verbunden ist und die zumindest eine weitere Kommunikationsvorrichtung über die Hauptkommunikationsschnittstelle mit dem Hauptbussystem datenkommunizierend verbunden ist. Auf diese Weise kann bereitgestellt werden, dass eine in einer Batterieeinheit verwendbare Kommunikationsvorrichtung, die bereits eine Hauptkommunikationsschnittstelle und eine Nebenkommunikationsschnittstelle aufweist, darüber hinaus mit einer Kontrollkommunikationsschnittstelle ausgestattet ist. Die Kommunikationsvorrichtung kann somit sowohl in den einzelnen Batterieeinheiten zur Bereitstellung einer Kommunikation zwischen dem Hauptbussystem und dem Nebenbussystem als auch bei der Batteriekontrollvorrichtung für eine Kommunikation zwischen der Batteriekontrollvorrichtung und dem Hauptbussystem eingesetzt werden. Im ersten Fall werden die Hauptkommunikationsschnittstelle und die Nebenkommunikationsschnittstelle der Kommunikationsvorrichtung eingesetzt, im zweiten Fall die Kontrollkommunikationsschnittstelle und die Hauptkommunikationsschnittstelle. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass für eine Bereitstellung der datenkommunizierenden Verbindung zwischen der Batteriekontrollvorrichtung und dem Hauptbussystem eine eigenständige weitere Vorrichtung konstruiert und beschafft werden muss. Insgesamt können somit durch die Verwendung von einer Kommunikationsvorrichtung für beide Anwendungen Kosten bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems eingespart werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei inaktiver Batteriekontrollvorrichtung zur Erkennung einer Überladung der zumindest an der Batteriezelle einer Batterieuntereinheit durch die Überwachungsvorrichtung der Batterieuntereinheit eine Spannung der zumindest einen Batteriezelle der Batterieuntereinheit in Messabständen von > 50ms, insbesondere > 100ms, bevorzugt > 1s, überwacht wird, wobei bei einer Überschreitung einer Grenzspannung durch die gemessene Spannung, bevorzugt bei einer Überschreitung einer Grenzspannung durch die gemessene Spannung in zwei Messungen, insbesondere zehn Messungen, bevorzugt 25 Messungen, durch die Überwachungsvorrichtung eine Sicherheitsvorrichtung der Batterieuntereinheit aktiviert wird.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Betreiben eines Batteriesystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet bzw. ist ein Batteriesystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zumindest dahingehend befähigt, ein Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auszuführen. Somit können durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung dieselben Vorteile bereitgestellt werden, die bereits ausführlich in Bezug auf ein Batteriesystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist insbesondere für einen Ladevorgang der einzelnen Batteriezellen der Batterieeinheiten beziehungsweise Batterieuntereinheiten des Batteriesystems vorgesehen, der bei einer inaktiven Batteriekontrollvorrichtung vorgenommen wird. Um eine Überladung der zumindest einen Batteriezelle zu erkennen wird durch die Überwachungsvorrichtung, die in der Batterieuntereinheit eines Batteriesystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorhanden ist, eine Spannung der zumindest einen Batteriezelle der Batterieuntereinheit, die einem Aufladeprozess unterzogen wird, gemessen. Diese Messungen werden derart vorgenommen, dass sie insbesondere nicht ständig durchgeführt werden, sondern in Messabständen von größer 50ms, insbesondere größer 100ms, bevorzugt größer 1s, durchgeführt werden. Dadurch kann zum einen ein Energieverbrauch dieser Messungen und zum anderen auch das anfallende Datenvolumen begrenzt werden, ohne dass gleichzeitig die Sicherheit beim Überwachen vermindert wird. Gleichzeitig werden die gemessenen Spannungen ausgewertet, insbesondere hinsichtlich einer Überschreitung einer Grenzspannung. Bei einer Überschreitung der Grenzspannung, die besonders bevorzugt wiederholt erkannt wird, bspw. in zwei Messungen, insbesondere zehn Messungen, bevorzugt 25 Messungen, wird durch die Überwachungsvorrichtung eine Sicherheitsvorrichtung der Batterieuntereinheit aktiviert, um eine Beschädigung der Batterieuntereinheit, insbesondere der zumindest einen Batteriezelle der Batterieuntereinheit, zu verhindern. Insbesondere kann somit zusammenfassend durch ein erfindungsgemäßes Verfahren bereitgestellt werden, dass ein Überladeschutz auf Batteriezellenebene bereitgestellt werden kann, ohne dass die übergeordnete Batteriekontrollvorrichtung aktiviert sein muss und ohne dass über das Hauptbussystem große Datenmengen, die bei einer gleichzeitigen Aufladung bspw. aller Batteriezellen des erfindungsgemäßen Batteriesystems auflaufen würden, übermittelt werden.
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Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren derart weitergebildet werden, dass bei einer aktiven Batteriekontrollvorrichtung die Überwachung der Spannung der zumindest einen Batteriezelle der Batterieuntereinheit durch die Überwachungsvorrichtung unterbrochen wird und/oder dass die Grenzspannung höher eingestellt wird als eine Gesamtgrenzspannung, die in der Batteriekontrollvorrichtung zur Erkennung einer Überladung der zumindest einen Batteriezelle der Batterieuntereinheit verwendet wird. Bei aktiver Batteriekontrollvorrichtung übernimmt zumeist die Batteriekontrollvorrichtung die Überwachung der Spannung der zumindest einen Batteriezelle der Batterieuntereinheit. In der ersten Alternative dieser Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, die Überwachung der Spannung durch die Überwachungsvorrichtung zu unterbrechen. Unnötige Überwachungsvorgänge und somit eine unnötige Belastung der Überwachungsvorrichtung können damit vermieden werden. In der zweiten Alternative dieser Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass die Überwachung der Spannung durch die Überwachungsvorrichtung weitergeführt wird, wobei jedoch die Grenzspannung, die zum Vergleich mit den gemessenen Spannungen verwendet wird, höher eingestellt wird, als eine Gesamtgrenzspannung, die in der Batteriekontrollvorrichtung zur Erkennung einer Überladung der zumindest einen Batteriezelle der Batterieuntereinheit verwendet wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine Überladung zuerst durch die Batteriekontrollvorrichtung erkannt wird, bevor die Überwachungsvorrichtung der einzelnen Batterieeinheit eine Überladung erkennen würde. Eine Konkurrenz der beiden Überwachungen, einerseits durch die Batteriekontrollvorrichtung und andererseits durch die Überwachungsvorrichtung, kann dadurch vermieden werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Batteriesystem mit einem seriellen Hauptbussystem,
- 2 das erfindungsgemäße Batteriesystem von 1 in einer größeren Darstellung,
- 3 ein erfindungsgemäßes Batteriesystem mit einem parallelen Hauptbussystem,
- 4 das erfindungsgemäße Batteriesystem von 3 in einer größeren Darstellung.
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In den Figuren werden die gleichen technischen Merkmale jeweils mit identischen Bezugszeichen versehen.
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In 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 1 gezeigt, dessen Hauptbussystem 5 als ein serieller Datenbus ausgebildet ist. Dabei ist das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 in 1 in einer Detailansicht, in 2 in einer größeren Ansicht gezeigt. Beide Figuren werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 weist insbesondere ein Batteriemanagementsystem 2 auf, das für eine Überwachung, Steuerung und/oder Regelung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 eingesetzt wird. Das Batteriemanagementsystem umfasst insbesondere mehrere Komponenten, die über das gesamte Batteriesystem verteilt sind. In 1 sind ohne weitere Möglichkeiten auszuschließen eine Einheit umfassend im Wesentlichen eine Kontrollvorrichtung 3, eine Strangverwaltungseinheit 4 und Kommunikationsvorrichtungen 20 sowie die Überwachungsvorrichtungen 14 der einzelnen Batterieuntereinheiten 12 und die Kommunikationsvorrichtungen 20 der einzelnen Batterieeinheiten 10 als Teile des Batteriemanagementsystems 2 gekennzeichnet. Darüber hinaus können auch weitere Elemente dem Batteriemanagementsystem 2 zugerechnet werden, insbesondere die für eine Kommunikation zwischen den Elementen notwendigen Vorrichtungen. Das Batteriemanagementsystem 2 weist dabei insbesondere eine Batteriekontrollvorrichtung 3 auf, die über ein Hauptbussystem 5 mit den einzelnen Batterieeinheiten 10 datenkommunizierend verbunden ist. In der dargestellten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 weist das Hauptbussystem 5 mehrere Busstränge 6 auf, wobei durch eine Strangverwaltungseinheit 4 eine Zuordnung der einzelnen Daten und/oder Befehle auf die einzelnen Busstränge 6 sichergestellt wird. Die einzelnen Batterieeinheiten 10, von denen eine in 1 detailliert dargestellt ist, weisen jeweils eine Kommunikationsvorrichtung 20 auf, durch die eine Datenkommunikation mit dem Hauptbus 5 und damit mit der Batteriekontrollvorrichtung 3 des Batteriemanagementsystems 2 sichergestellt werden kann. Für diesen Zweck weisen die Kommunikationsvorrichtungen 20 eine Hauptkommunikationsschnittstelle 21 auf. Über eine Nebenkommunikationsschnittstelle 22 wird die Datenkommunikation innerhalb der einzelnen Batterieeinheiten 10 sichergestellt. Insbesondere ist innerhalb der einzelnen Batterieeinheiten 10 ein in dieser Ausgestaltungsform ebenfalls als serieller Bus ausgebildetes Nebenbussystem 11 vorgesehen, das über diese Nebenkommunikationsschnittstelle 22 mit der Kommunikationsvorrichtung 20 datenkommunizierend verbunden ist und ferner die einzelnen Batterieuntereinheiten 12 der Batterieeinheit 10 datenkommunizierend mit der Kommunikationsvorrichtung 20 verbindet. Die einzelnen Batterieuntereinheiten 12 wiederum weisen jeweils eine Überwachungsvorrichtung 14 auf, um die zumindest eine Batteriezelle 13 der Batterieuntereinheit 12 zu überwachen. Eine Sicherheitsvorrichtung 15 ist in jeder Batterieuntereinheit 12 den einzelnen Batteriezellen 13 zugeordnet, um im Falle eines Defekts der Batteriezelle 13 ein Deaktivieren dieser Batteriezelle 13, insbesondere ein automatisiertes Deaktivieren dieser Batteriezelle 13, vorzunehmen um Schäden an der Batterieuntereinheit 12, der Batterieeinheit 10 oder dem gesamten Batteriesystem 1 zu verhindern. Durch Sensorvorrichtungen, bspw. einem Spannungssensor 16, einem Stromsensor 17 und/oder einem Impaktsensor 18, können Zustandsgrößen in den Batterieeinheiten 10 bzw. den Batterieuntereinheiten 12 gesammelt werden, die durch die Kommunikationsvorrichtung 20 und/oder die einzelnen Überwachungseinheiten 14 ausgewertet werden können. Auch ein Ansteuern der Sicherheitsvorrichtungen 15 über die Überwachungsvorrichtung 14 basierend auf diesen Daten ist denkbar. Auf diese Weise kann durch die Kommunikationsvorrichtung 20 und/oder die Überwachungsvorrichtung 14 jeder Batterieuntereinheit 12 verschiedenste Funktionalitäten bereitgestellt werden, bspw. eine Ausgleichsregelung der einzelnen Batteriezellen 13 der Batterieeinheit 10, die bereits erwähnte Auswertung und/oder Ansteuerung einer Sicherheitsvorrichtung 15, das Erkennen einer Unter- und/oder Überschreitung von Grenzwerten durch die Auswertung ermittelter Zustandsdaten und/oder ein Bereitstellen einer Kommunikation mit der Batteriekontrollvorrichtung 3 über das Hauptbussystem 5.
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Ferner kann, wie dargestellt, die Kommunikationsvorrichtung 20 eine weitere Schnittstelle aufweisen, die als Kontrollkommunikationsschnittstelle 23 ausgebildet ist. Bei einem Einsatz der Kommunikationsvorrichtung 20 in einer Batterieeinheit 10 ist diese Kontrollkommunikationsschnittstelle 23 ohne Funktion. Jedoch kann durch das Vorhandensein dieser Kontrollkommunikationsschnittstelle 23 die Kommunikationsvorrichtung 20 auch im Hauptteil des Batteriemanagementsystems 2 eingesetzt werden, insbesondere zum Bereitstellen einer Kommunikation der Batteriekontrollvorrichtung 3 mit dem Hauptbussystem 5. Für diesen Zweck stellt die Kontrollkommunikationsschnittstelle 23 eine datenkommunizierende Verbindung zwischen der Batteriekontrollvorrichtung 3 und der Kommunikationsvorrichtung 20 her, die wiederum über ihre Hauptkommunikationsschnittstelle 21 mit dem Hauptbussystem 5 verbunden ist. Auf diese Weise können sowohl in den Batterieeinheiten 10 selbst als auch in einer zentralen Recheneinheit des Batteriesystems 1 beziehungsweise des Batteriemanagementsystems 2 dieselben Kommunikationsvorrichtungen 20 eingesetzt werden. Eine Kostenersparnis bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 kann dadurch erreicht werden.
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Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass auch bei einer deaktivierten Batteriekontrollvorrichtung 3 durch Überwachungsvorrichtungen 14 weiterhin eine Überwachung einer Spannung der einzelnen Batteriezellen 13 der Batterieuntereinheiten 12 durchgeführt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass beispielsweise bei einem Aufladevorgang des Batteriesystems 1, bei dem die Batteriekontrollvorrichtung 3 zu Testzwecken deaktiviert sein kann, dennoch eine Überladung der einzelnen Batteriezellen 13 erkannt werden kann, bspw. durch einen Vergleich der gemessenen Spannung mit einem Grenzwert. Da der Aufladevorgang zumeist langsam vor sich geht, können diese Überwachungen in größeren Zeitabständen, bspw. Messabständen von größer 50ms, insbesondere größer 100ms, bevorzugt größer 1s vorgenommen werden, ohne dass die Sicherheit des gesamten Batteriesystems 1 dadurch vermindert werden würde. Bei einem Erkennen eines Überschreitens eines Grenzwertes durch die gemessene Spannung, insbesondere wenn diese Überschreitung mehrmals erkannt wird, zum Beispiel in zwei Messungen, insbesondere in zehn Messungen, bevorzugt in 25 Messungen, kann durch die Überwachungsvorrichtung 14 ein Auslösen der Sicherheitsvorrichtung 15 vorgenommen werden. Eine Beeinträchtigung bis hin zu einer Zerstörung der einzelnen Batteriezelle 13, der Batterieuntereinheit 12, der Batterieeinheit 10 oder des gesamten Batteriesystems 1 kann dadurch vermieden werden. Bei einer späteren Reaktivierung der Batteriekontrollvorrichtung 3 kann diese eben beschriebene Überwachung der Spannung der Batteriezelle 13 durch die Überwachungsvorrichtung 14 unterbrochen und/oder mit einem höheren Grenzwert weitergeführt werden, wobei der höhere Grenzwert insbesondere höher ist, als der Grenzwert für eine Gesamtgrenzspannung, die in der Batteriekontrollvorrichtung 3 zur Erkennung einer Überladung der zumindest einen Batteriezelle 13 der Batterieuntereinheit 12 verwendet wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich die beiden Überwachungen nicht gegenseitig stören.
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In 2 ist das bereits ausführlich in 1 beschriebene Batteriesystem 1 gezeigt, wobei in dieser Darstellung deutlich wird, dass die Datenkommunikation innerhalb des Batteriesystems 1 über eine kaskadierende Busarchitektur bereitgestellt wird. Von der Batteriekontrollvorrichtung 3 gehen, kontrolliert durch eine Strangverwaltungseinheit 4 mehrere Busstränge 6 des Hauptbussystems 5 ab, die sich wiederum für jede Batterieeinheit 1 in einem Strang des Nebenbusses 11 verzweigen. Eine besonders hohe Flexibilität, insbesondere hinsichtlich der Anzahl und der räumlichen Anordnung der einzelnen Batterieeinheiten 10, Batterieuntereinheiten 12 und insbesondere Batteriezellen 13, kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
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In den 3 und 4 ist eine weitere Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 gezeigt. Der einzige Unterschied zwischen den beiden gezeigten Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 in den 1 und 2 und den 3 und 4 ist die Busarchitektur, die für das Hauptbussystem 5 und das Nebenbussystem 11 verwendet werden. So ist in den 1 und 2, wie beschrieben, eine serielle Busarchitektur verwendet. In den 3 und 4 wiederum sind sowohl das Hauptbussystem 5 als auch das Nebenbussystem 11 als ein Parallelbus ausgebildet. Dieser Bus stellt eine besonders robuste Busarchitektur zur Verfügung. Hinsichtlich sämtlicher weiteren Details wird auf die Beschreibung in Bezug auf die 1 und 2 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0242144 A1 [0002]
- DE 102013206612 A1 [0002]
