DE102018222455A1 - Vehicle battery with multiple battery modules for storing energy and with a battery management system - Google Patents

Vehicle battery with multiple battery modules for storing energy and with a battery management system Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie (11) mit mehreren Zellmodulen (15) zum elektrochemischen Speichern von Energie und mit einem Batteriemanagementsystem (20), das dazu eingerichtet ist, zu zumindest einer vorbestimmten Kenngröße einen jeweiligen aktuellen Batteriekennwert (27) betreffend die Fahrzeugbatterie (11) insgesamt bereitzustellen. Die Erfindung sieht vor, dass jedes der Zellmodule (15) ein eigenes Modulmanagementsystem (25) aufweist, welches dazu eingerichtet ist, zu in dem Zellmoduls (15) enthaltenen elektrochemischen Batteriezellen (16) mittels einer eigenen Modulsensoreinrichtung (23) einen jeweiligen Modulkennwert (26) der zumindest einen Kenngröße betreffend nur das Zellmodul (15) zu ermitteln, und dass das Batteriemanagementsystem (20) dazu eingerichtet ist, über einen gemeinsamen Schnittstellenstandard (30) aus den Modulmanagementsystemen (25) die jeweiligen aktuellen Modulkennwerte (26) der zumindest einen Kenngröße abzufragen und aus den aktuellen Modulkennwerten (26) den jeweiligen aktuellen Batteriekennwert (27) der zumindest einen Kenngröße auf der Grundlage einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift (28) zu berechnen.The invention relates to a vehicle battery (11) with a plurality of cell modules (15) for the electrochemical storage of energy and with a battery management system (20) which is set up to provide a respective current battery parameter (27) relating to the vehicle battery (11) for at least one predetermined parameter. to provide overall. The invention provides that each of the cell modules (15) has its own module management system (25), which is set up to generate a respective module characteristic value (26) for electrochemical battery cells (16) contained in the cell module (15) by means of its own module sensor device (23) ) to determine the at least one parameter relating only to the cell module (15), and that the battery management system (20) is set up to use a common interface standard (30) from the module management systems (25) to determine the respective current module parameters (26) of the at least one parameter to query and to calculate from the current module parameters (26) the respective current battery parameter (27) of the at least one parameter on the basis of a predetermined calculation rule (28).

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie mit mehreren Zellmodulen zum elektrochemischen Speichern von Energie und mit einem Batteriemanagementsystem. Die Fahrzeugbatterie kann beispielsweise als so genannte Hochvoltbatterie ausgestaltet sein, welche eine elektrische Batteriespannung von mehr als 60 Volt erzeugen kann. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Fahrzeugbatterie aufweist.The invention relates to a vehicle battery with a plurality of cell modules for electrochemically storing energy and with a battery management system. The vehicle battery can be configured, for example, as a so-called high-voltage battery, which can generate an electrical battery voltage of more than 60 volts. The invention also includes a motor vehicle which has a vehicle battery according to the invention.

Heutzutage kann sich eine Fahrzeugbatterie eines Elektrofahrzeugs aus mehreren, oft baugleichen Zellmodulen mit Batteriezellen identischer Zellchemie und desselben Herstellers zusammensetzen. Es gibt ein BMS (Batteriemanagementsystem), welches die gesamte Fahrzeugbatterie überwacht.Nowadays, a vehicle battery of an electric vehicle can be composed of several, often identical cell modules with battery cells of identical cell chemistry and from the same manufacturer. There is a BMS (battery management system) that monitors the entire vehicle battery.

Das BMS muss für jede Fahrzeugbatterie in Abhängigkeit von den verbauten Zellmodulen parametriert werden. Somit ist es nicht möglich, ein einzelnes Zellmodul mit einer anderen (zum Beispiel verbesserten) Zellchemie nachzurüsten. Ein Mischverbau ist unmöglich. In vielen Fällen ist es nicht einmal möglich, zwei Zellmodule identischen Typs, aber von verschiedenen Zellherstellern zu verbauen. Ein Mischverbau beruhend auf 2nd-Sourcing ist somit nicht möglich. Entsprechend müssen vom Hersteller zusätzliche Original-Zellmodule als Ersatzteile für viele Jahre vorgehalten oder produziert werden können, obwohl gegebenenfalls schon deutlich potentere Zellmodule verfügbar sind.The BMS must be parameterized for each vehicle battery depending on the cell modules installed. It is therefore not possible to retrofit a single cell module with another (e.g. improved) cell chemistry. Mixed installation is impossible. In many cases it is not even possible to install two cell modules of the same type, but from different cell manufacturers. A mixed installation based on 2nd sourcing is therefore not possible. Accordingly, the manufacturer has to be able to keep or produce additional original cell modules as spare parts for many years, although significantly more potent cell modules may already be available.

Es ist für einen Benutzer somit unmöglich, Zellmodule nachzurüsten, welche nicht direkt vom originalen Hersteller (OEM - original equipment manufacturer) bezogen werden (Ausschluss von Drittanbietern).It is therefore impossible for a user to retrofit cell modules that are not obtained directly from the original manufacturer (OEM - original equipment manufacturer) (exclusion from third parties).

Aus der DE 10 2016 115 807 A1 ist eine Fahrzeugbatterie mit einem Batteriemanagementsystem bekannt, das über einen Adapter mit einer einzelnen Batteriezelle verbunden ist. Die Batteriezelle wiederum ist nach dem Prinzip der Daisy-Chain-Verschaltung mit weiteren Batteriezellen verschaltet. Das Batteriemanagementsystem kann aus allen Batteriezellen über den Adapter Messwerte auslesen, wobei der Adapter bei der Datenübertragung eine Konvertierung der Messdaten durchführt. Hierbei muss weiterhin das Batteriemanagementsystem zu jeder Batteriezelle wissen, welche Zellchemie und/oder welcher Hersteller jeweils vorliegt.From the DE 10 2016 115 807 A1 a vehicle battery with a battery management system is known which is connected to an individual battery cell via an adapter. The battery cell, in turn, is connected to other battery cells according to the principle of daisy chain connection. The battery management system can read out measured values from all battery cells via the adapter, the adapter converting the measured data during data transmission. The battery management system must also know which cell chemistry and / or which manufacturer is available for each battery cell.

Aus der DE 10 2013 210 848 A1 ist eine Auslesevorrichtung für Batteriedaten bereitgestellt, mittels welcher aus einem Batteriemanagementsystem Batteriekennwerte ausgelesen werden können. Bei der Auslesevorrichtung kann man eine Batterievariante einstellen, damit die Batteriekennwerte korrekt interpretiert werden. Das Batteriemanagementsystem ist aber nicht in der Lage, sich intern auf unterschiedliche Batteriezellen selbstständig einzustellen, sondern nur die Auslesevorrichtung kann für die gesamte Fahrzeugbatterie eingestellt werden.From the DE 10 2013 210 848 A1 A readout device for battery data is provided, by means of which battery characteristic values can be read out from a battery management system. A battery variant can be set for the readout device so that the battery parameters are interpreted correctly. However, the battery management system is not able to adjust itself internally to different battery cells, only the readout device can be set for the entire vehicle battery.

Adapter für unterschiedliche Ladesysteme sind aus der DE 10 2015 206 047 A1 und der EP 2 628 630 A2 bekannt. Diese Adapter sind aber lediglich in der Lage, von außerhalb einer Fahrzeugbatterie deren Batteriekennwerte korrekt zu interpretieren. Innerhalb der jeweiligen Fahrzeugbatterie ist keine Anpassung an unterschiedliche Zellchemien vorgesehen.Adapters for different charging systems are from the DE 10 2015 206 047 A1 and the EP 2 628 630 A2 known. However, these adapters are only able to correctly interpret the battery parameters from outside a vehicle battery. No adaptation to different cell chemistries is provided within the respective vehicle battery.

Aus der WO 2018/069 192 A1 ist bekannt, dass innerhalb eines Ladesystems für Fahrzeugbatterien eine Kommunikation unterschiedlicher Komponenten über ein CAN-Kommunikationsprotokoll (CAN - controller area network) durchgeführt werden kann.From the WO 2018/069 192 A1 it is known that within a charging system for vehicle batteries, different components can be communicated via a CAN communication protocol (CAN - controller area network).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Fahrzeugbatterie Zellmodule unterschiedlicher Technologien verwenden zu können.The invention has for its object to be able to use cell modules of different technologies in a vehicle battery.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figur.The object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims, the following description and the figure.

Durch die Erfindung ist eine Fahrzeugbatterie mit mehreren Zellmodulen zum elektrochemischen Speichern von Energie bereitgestellt. In an sich bekannter Weise weist die Fahrzeugbatterie ein Batteriemanagementsystem auf, das dazu eingerichtet ist, zu zumindest einer vorbestimmten Kenngröße, beispielsweise dem Ladezustand (SoC - state of charge), einen jeweiligen aktuellen Batteriekennwert betreffend die Fahrzeugbatterie insgesamt bereitzustellen. Das Batteriemanagementsystem kann also ermitteln, welchen aktuellen Wert die Fahrzeugbatterie in Bezug auf eine Kenngröße oder mehrere Kenngrößen aufweist. Das sich der Wert auf die Fahrzeugbatterie insgesamt bezieht, ist er hier als Batteriekennwert bezeichnet.The invention provides a vehicle battery with a plurality of cell modules for the electrochemical storage of energy. In a manner known per se, the vehicle battery has a battery management system which is set up to provide a respective current battery parameter relating to the vehicle battery as a whole for at least one predetermined parameter, for example the state of charge (SoC). The battery management system can thus determine the current value of the vehicle battery in relation to one or more parameters. The fact that the value relates to the vehicle battery as a whole is referred to here as the battery parameter.

Für einen solchen Batteriekennwert muss im Stand der Technik das Batteriemanagementsystem auf die in der Fahrzeugbatterie verbauten Zellmodule abgestimmt sein. Um dies zu vermeiden, also insbesondere um auch eine inhomogene Technologie in Bezug auf die Zellmodule zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß folgendes vorgesehen. Jedes der Zellmodule weist ein eigenes Modulmanagementsystem auf, welches dazu eingerichtet ist, zu den in dem jeweiligen Zellmodul enthaltenen elektrochemischen Batteriezellen mittels einer eigenen Modulsensoreinrichtung einen jeweiligen Modulkennwert der zumindest einen Kenngröße betreffend nur das Zellmodul zu ermitteln. Mit anderen Worten ist also jedes Zellmodul für sich alleine dazu eingerichtet, mittels eines eigenen Modulmanagementsystem zu der zumindest einen Kenngröße, also beispielsweise der Speicherkapazität, einen eigenen aktuellen Wert zu ermitteln, welcher zu der Kenngröße eine Angabe nur betreffend das Zellmodul selbst macht. Dieser Wert ist deshalb als Modulkennwert bezeichnet. Zum Bestimmen des jeweiligen Modulkennwerts ist das Zellmodul mit einer eigenen Modulsensoreinrichtung ausgestattet. Eine solche Modulsensoreinrichtung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom und/oder einen elektrischen Impedanzwert zu messen. Somit ist für jedes Zellmodul individuell bekannt, welchen aktuellen Modulkennwert betreffend die zumindest eine Kenngröße es aufweist. Hierbei muss dann nur jedes Modulmanagementsystem für sich auf die Technologie und/oder Zellchemie des jeweiligen Zellmoduls abgestimmt sein.In the prior art, the battery management system must be matched to the cell modules installed in the vehicle battery for such a battery characteristic. In order to avoid this, that is to say in particular to enable an inhomogeneous technology in relation to the cell modules, the following is provided according to the invention. Each of the cell modules has its own module management system, which is set up to add a respective module characteristic value of the at least one parameter relating only to the cell module to the electrochemical battery cells contained in the respective cell module by means of its own module sensor device to investigate. In other words, each cell module is set up on its own to use its own module management system to determine its own current value for the at least one parameter, that is to say, for example, the storage capacity, which only makes an indication of the parameter regarding the cell module itself. This value is therefore called the module parameter. The cell module is equipped with its own module sensor device to determine the respective module characteristic value. Such a module sensor device can, for example, be set up to measure an electrical voltage and / or an electrical current and / or an electrical impedance value. It is thus known for each cell module which current module parameter it has regarding the at least one parameter. In this case, only each module management system has to be matched to the technology and / or cell chemistry of the respective cell module.

Das Batteriemanagementsystem ist nun dazu eingerichtet, über einen gemeinsamen Kommunikationsstandard oder Schnittstellenstandard aus den Modulmanagementsystemen die jeweiligen aktuelle Modulkennwerte der zumindest einen Kenngröße abzufragen. Das Batteriemanagementsystem kann also auf der Grundlage eines allgemeinen oder für jedes Zellmodul gültigen Schnittstellenstandards aus jedem Modulmanagementsystem die Ergebnisse betreffend den jeweiligen aktuellen Modulkennwert der zumindest einen Kenngröße (z.B. eben der Ladezustand) auslesen oder empfangen.The battery management system is now set up to query the respective current module parameters of the at least one parameter from the module management systems via a common communication standard or interface standard. The battery management system can therefore read out or receive the results relating to the respective current module parameter of the at least one parameter (e.g. just the state of charge) on the basis of a general interface standard or valid for each cell module from each module management system.

Das Batteriemanagementsystem ist des Weiteren dazu eingerichtet, aus den aktuellen Modulkennwerten den jeweiligen korrespondierenden aktuellen Batteriekennwert (betreffend also die gesamte Fahrzeugbatterie) auf der Grundlage einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift zu berechnen. Mit anderen Worten ermittelt also das Batteriemanagementsystem nicht selbst Sensorwerte und/oder Messwerte, sondern empfängt die fertig ermittelten aktuellen Modulkennwerte als Zwischenergebnis und berechnet daraus mittels der Berechnungsvorschrift einen korrespondierenden Batteriekennwert, welcher die jeweilige Kenngröße auf die gesamte Fahrzeugbatterie bezogen beschreibt. Mit anderen Worten ist der jeweilige Batteriekennwert betreffend die Kenngröße ein theoretisch mittels einer Berechnungsvorschrift hergeleiteter Wert, der berechnet ist aus den einzelnen Modulkennwerten.The battery management system is also set up to use the current module parameters to calculate the corresponding corresponding current battery parameter (that is, the entire vehicle battery) on the basis of a predetermined calculation rule. In other words, the battery management system does not itself determine sensor values and / or measured values, but receives the currently determined module parameters as an intermediate result and uses the calculation rule to calculate a corresponding battery parameter, which describes the respective parameter relating to the entire vehicle battery. In other words, the respective battery parameter relating to the parameter is a value theoretically derived from a calculation rule, which is calculated from the individual module parameters.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass in jedem Zellmodul mittels des eigenen Modulmanagementsystems der jeweiligen aktuelle Modulkennwert angepasst an die in dem Zellmodul vorhandene Zelltechnologie und/oder Zellchemie ermittelt oder gemessen werden kann. So kann insbesondere in jedem Modulmanagementsystem eine für das jeweilige Zellmodul gültige Ruhespannungskennlinie hinterlegt oder zugrunde gelegt sein, um den jeweiligen Modulkennwert zu ermitteln. Somit können Zellmodule mit unterschiedlichen Ruhespannungskennlinien in der Fahrzeugbatterie verbaut sein.The advantage of the invention is that the current module characteristic value can be determined or measured in each cell module using its own module management system, adapted to the cell technology and / or cell chemistry present in the cell module. In particular, in each module management system, a no-load characteristic curve valid for the respective cell module can be stored or taken as a basis in order to determine the respective module characteristic value. Thus, cell modules with different quiescent voltage characteristics can be installed in the vehicle battery.

Das Batteriemanagementsystem kann dann über den einheitlichen Schnittstellenstandard die modulindividuell oder modulspezifisch ermittelten Modulkennwerte auslesen oder empfangen und daraus mittels einer Berechnungsvorschrift einen für die gesamte Fahrzeugbatterie gültigen jeweiligen Batteriekennwert zu der zumindest einen Kenngröße berechnen. Damit muss das Batteriemanagementsystem nicht mehr auf die Technologie und/oder Zellchemie eines einzelnen Zellmoduls abgestimmt oder parametriert sein. Es muss also in dem Batteriemanagementsystem keine Kenntnis über die Zellchemie in den einzelnen Zellmodulen vorhanden oder bereitgestellt sein. Über den einheitlichen Kommunikationsstandard oder Schnittstellenstandard kann der jeweilige, fertig gemessene Modulkennwert ausgelesen werden. Damit ist es möglich, ein Zellmodul in der Fahrzeugbatterie auszutauschen, ohne dass das Batteriemanagementsystem an das neue Zellmodul angepasst werden müsste.The battery management system can then use the uniform interface standard to read or receive the module-specific or module-specific module parameters and use this calculation to calculate a respective battery parameter for the at least one parameter that is valid for the entire vehicle battery. This means that the battery management system no longer has to be matched or parameterized to the technology and / or cell chemistry of an individual cell module. It is therefore not necessary for the battery management system to have or have knowledge of the cell chemistry in the individual cell modules. The respective, completely measured module characteristic value can be read out via the uniform communication standard or interface standard. This makes it possible to replace a cell module in the vehicle battery without having to adapt the battery management system to the new cell module.

Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which result in additional advantages.

In einer Ausführungsform ist konsequenter Weise vorgesehen, dass zumindest zwei der Zellmodule unterschiedliche Zelltechnologien aufweisen. Die Zelltechnologie kann sich hierbei auf die Herstellertechnologie und/oder die Zellchemie beziehen. Insbesondere können unterschiedliche Ruhespannungskennlinien vorgesehen sein. Somit ist in der Fahrzeugbatterie eine inhomogene Zelltechnologie zulässig und dennoch kann das Batteriemanagementsystem ohne Anpassung oder Parametrierung einen aktuellen Batteriekennwert bezogen auf die gesamte Fahrzeugbatterie berechnen.One embodiment consistently provides that at least two of the cell modules have different cell technologies. Cell technology can refer to manufacturer technology and / or cell chemistry. In particular, different quiescent voltage characteristics can be provided. This means that inhomogeneous cell technology is permitted in the vehicle battery, and yet the battery management system can calculate a current battery parameter based on the entire vehicle battery without adjustment or parameterization.

In einer Ausführungsform sind die Zellmodule mechanisch baugleich ausgestaltet. Damit lassen sich die Zellmodule untereinander vertauschen oder durch baugleiche neue Zellmodule austauschen. Somit ist im Rahmen einer Wartung und/oder Reparatur das Umsetzen der Zellmodule oder das Einsetzen eines neuen Zellmoduls im Austausch gegen ein altes oder defektes Zellmodul möglich.In one embodiment, the cell modules are mechanically identical. This means that the cell modules can be interchanged or replaced by new cell modules of identical construction. Thus, within the scope of maintenance and / or repair, it is possible to implement the cell modules or to insert a new cell module in exchange for an old or defective cell module.

In einer Ausführungsform sind die Zellmodule in Einbauplätzen individuell austauschbar angeordnet. Beispielsweise können die Zellmodule gemeinsam in einem Rahmen angeordnet sein, durch welchen die Zellmodule individuelle gehalten und/oder fixiert sind. Beispielsweise kann jedes Zellmodul in seinem Einbauplatz mittels einer Schnappverbindung und/oder Schraubverbindung gehalten sein. Individuelle Einbauplätze weisen den Vorteil auf, dass jedes Zellmodul unabhängig von den übrigen Zellmodulen ausgetauscht oder ersetzt werden kann.In one embodiment, the cell modules are arranged in individually replaceable locations. For example, the cell modules can be arranged together in a frame, by means of which the cell modules are individually held and / or fixed. For example, each cell module can be held in its installation location by means of a snap connection and / or screw connection. Individual installation slots have the advantage that each cell module can be exchanged or replaced independently of the other cell modules.

In jedem Zellmodul kann das Modulmanagementsystem individuell eingebaut oder bereitgestellt sein, beispielsweise auf der Grundlage eines Mikrocontrollers, welcher zusammen mit der Modulsensoreinrichtung in dem Zellmodul eingebaut sein kann. Das Modulmanagementsystem kann aber auch getrennt von dem eigentlichen Zellmodul (Modulgehäuse mit darin angeordneten Batteriezellen) bereitgestellt sein. Eine Ausführungsform sieht hierzu vor, dass das Batteriemanagementsystem, welches für die gesamte Fahrzeugbatterie zuständig ist, eine Prozessoreinrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, eine Betriebssoftware des Batteriemanagementsystems zu betreiben oder auszuführen. Jedes Modulmanagementsystem ist ebenfalls auf der Grundlage einer jeweiligen eigenen Betriebssoftware realisiert, die aber als ein jeweiliges Zusatzsoftwaremodul für die Prozessoreinrichtung des Batteriemanagementsystems ausgestaltet ist. Die Prozessoreinrichtung, welche die Betriebssoftware für das Batteriemanagementsystem ausführt, ist nämlich zusätzlich dazu eingerichtet, auch jedes der Zusatzsoftwaremodule der Modulmanagementsysteme der Zellmodule ebenfalls auszuführen. Mit anderen Worten sind also die Zusatzsoftwaremodule der Modulmanagementsysteme aus den Zellmodulen ausgelagert und in der Prozessoreinrichtung des Batteriemanagementsystems zusammengefasst. Wird ein Zellmodul ausgetauscht, so wird dann in der Prozessoreinrichtung das zugehörige Zusatzsoftwaremodul für das neu eingesetzte Zellmodul ebenfalls aktualisiert oder installiert, damit Messwerte und/oder Sensorwerte der Modulsensoreinrichtung durch das neu installierte Zusatzsoftwaremodul korrekt zu dem jeweiligen Modulkennwert zusammengefasst oder umgerechnet werden können.The module management system can be installed or provided individually in each cell module, for example on the basis of a microcontroller, which can be installed in the cell module together with the module sensor device. However, the module management system can also be provided separately from the actual cell module (module housing with battery cells arranged therein). For this purpose, one embodiment provides that the battery management system, which is responsible for the entire vehicle battery, has a processor device which is set up to operate or execute operating software of the battery management system. Each module management system is also implemented on the basis of its own operating software, which, however, is designed as a respective additional software module for the processor device of the battery management system. The processor device that executes the operating software for the battery management system is namely additionally set up to also execute each of the additional software modules of the module management systems of the cell modules. In other words, the additional software modules of the module management systems are outsourced from the cell modules and combined in the processor device of the battery management system. If a cell module is replaced, the associated additional software module for the newly inserted cell module is then also updated or installed in the processor device so that measured values and / or sensor values of the module sensor device can be correctly combined or converted into the respective module characteristic value by the newly installed additional software module.

In einer Ausführungsform sieht der besagte Kommunikatinonsstandard oder Schnittstellenstandard vor, dass ein CAN-Kommunikationsprotokoll vorgesehen oder durchgeführt wird.In one embodiment, said communication standard or interface standard provides that a CAN communication protocol is provided or carried out.

In einer Ausführungsform umfasst die zumindest eine Kenngröße, die jeweils durch einen Modulkennwert und den zugehörigen Batteriekennwert beschrieben ist, zumindest eine der Folgenden: eine Speicherkapazität, einen elektrischen Widerstand, den besagte Ladezustand SoC, eine Stromgrenze (maximal zulässige Stromstärke), einen Verschleißzustand (SoH - state of health), eine Temperatur, einen Fehlerzustand. Diese Kenngrößen haben sich bewährt, wenn es darum geht, sie einzeln in jedem Zellmodul separat oder individuell zu messen und durch einen Modulkennwert zu beschrieben, um dann den auf die gesamte Fahrzeugbatterie bezogenen korrespondierenden Batteriekennwert daraus mittels einer Berechnungsvorschrift zu berechnen.In one embodiment, the at least one parameter, which is described in each case by a module parameter and the associated battery parameter, comprises at least one of the following: a storage capacity, an electrical resistance, said state of charge SoC, a current limit (maximum permissible current), a state of wear (SoH - state of health), a temperature, an error state. These parameters have proven themselves when it comes to measuring them individually or individually in each cell module and describing them by means of a module parameter in order to then calculate the corresponding battery parameter relating to the entire vehicle battery using a calculation rule.

In einer Ausführungsform sieht diese besagte Berechnungsvorschrift für die Berechnung des zumindest einen Batteriekennwerts aus den Modulkennwerten vor, dass die Zellmodule als einzelne, unabhängige Einzelbatterien gewertet sind, die in einer Verschaltung mit zumindest einer Reihenschaltung und/oder mit zumindest einer Parallelschaltung verschaltet sind, wie es auch der tatsächlichen Verschaltung der Zellmodule in der Fahrzeugbatterie entspricht. Mit anderen Worten werden durch die Berechnungsvorschrift die Zellmodule wie Einzelbatterien behandelt oder angesehen, die innerhalb der Fahrzeugbatterie zumindest gruppenweise beispielsweise in Reihe und/oder parallel geschaltet sind. Die Berechnungsvorschrift kann dann derart ausgelegt sein, als ob eine entsprechende Verschaltung von Einzelbatterien vorgesehen oder vorhanden ist und sich dann der Batteriekennwert aus der entsprechenden Verschaltung von Einzelbatterien ergibt. Die Berechnungsvorschrift kombiniert also die Modulkennwerte der Zellmodule auf der Grundlage einer Berechnung für ein elektrisches Netzwerk. Somit ist durch die Berechnungsvorschrift die Berechnung derart abstrahiert, dass kein Vorwissen über die Zelltechnologie der Zellmodule notwendig ist.In one embodiment, said calculation rule for calculating the at least one battery characteristic value from the module characteristic values provides that the cell modules are evaluated as individual, independent individual batteries which are connected in an interconnection with at least one series connection and / or with at least one parallel connection, as is the case also corresponds to the actual wiring of the cell modules in the vehicle battery. In other words, the calculation rule treats or views the cell modules like individual batteries, which are connected at least in groups, for example in series and / or in parallel, within the vehicle battery. The calculation rule can then be designed as if a corresponding interconnection of individual batteries is provided or present and the battery characteristic value then results from the corresponding interconnection of individual batteries. The calculation rule thus combines the module parameters of the cell modules on the basis of a calculation for an electrical network. The calculation rule thus abstracts the calculation in such a way that no prior knowledge of the cell technology of the cell modules is necessary.

In einer Ausführungsform wird in der Fahrzeugbatterie jedes Zellmodul auch tatsächlich wie eine Einzelbatterie behandelt, indem die Modulmanagementsysteme jeweils auf einem Batteriemanagement-Algorithmus beruhen, wobei in jedem Modulmanagementsystem der Batteriemanagement-Algorithmus betrieben wird, als verwalte er eine gesamte (virtuelle) Fahrzeugbatterie, die aber nur ein einzelnes Zellmodul aufweist. Mit anderen Worten muss also die Software für das Modulmanagementsystem nicht neu entwickelt werden, sondern sie kann auf einem Batteriemanagement-Algorithmus beruhen, der derart parametriert ist, als werde er für eine ganze Fahrzeugbatterie mit nur einem Zellmodul verwendet. Hierdurch können Entwicklungskosten gespart werden.In one embodiment, each cell module is actually treated in the vehicle battery as a single battery, in that the module management systems are each based on a battery management algorithm, the battery management algorithm being operated in each module management system as if it were managing an entire (virtual) vehicle battery, but this has only a single cell module. In other words, the software for the module management system does not have to be newly developed, but it can be based on a battery management algorithm that is parameterized as if it were used for an entire vehicle battery with only one cell module. This can save development costs.

Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, welches eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie aufweist. Es kann sich bei der Fahrzeugbatterie insbesondere um eine Traktionsbatterie für einen Traktionsantrieb des Kraftfahrzeugs handeln. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder als Motorrad ausgestaltet.The invention also includes a motor vehicle which has an embodiment of the vehicle battery according to the invention. The vehicle battery can in particular be a traction battery for a traction drive of the motor vehicle. The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck, or as a passenger bus or as a motorcycle.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes combinations of the features of the described embodiments.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Figur:

  • Fig. eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie.
Exemplary embodiments of the invention are described below. The only figure shows:
  • Fig. A schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention with an embodiment of the vehicle battery according to the invention.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that further develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.

In der Figur bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figure, the same reference numerals designate elements that have the same function.

Die Figur zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder einen Personenbus oder ein Motorrad handeln kann. In dem Kraftfahrzeug 10 kann eine Fahrzeugbatterie 11 bereitgestellt sein, welche in einem elektrischen Bordnetz 12 des Kraftfahrzeugs 10 eine elektrische Bordnetzspannung oder Versorgungsspannung 13 bereitstellen kann. Es kann sich hierbei insbesondere um eine Hochvoltspannung größer als 60 Volt handeln. An das Bordnetz 12 kann zumindest ein elektrischer Verbraucher 14 angeschlossen sein, welcher mittels elektrischer Energie aus der Fahrzeugbatterie 11 betrieben werden kann. Ein solcher Verbraucher 14 kann beispielsweise ein Traktionsantrieb für eine Fahrt des Kraftfahrzeugs 10 sein.The figure shows a motor vehicle 10 , which can be a motor vehicle, in particular a passenger car or truck, or a passenger bus or a motorcycle. In the motor vehicle 10 can a vehicle battery 11 be provided, which are in an electrical system 12th of the motor vehicle 10 an electrical system voltage or supply voltage 13 can provide. In particular, this can be a high-voltage voltage greater than 60 volts. To the electrical system 12th can at least one electrical consumer 14 be connected, which uses electrical energy from the vehicle battery 11 can be operated. Such a consumer 14 can, for example, a traction drive for driving the motor vehicle 10 be.

In der Fahrzeugbatterie 11 können mehrere Zellmodule 15 zum Bereitstellen von Energie für den Betrieb des zumindest einen Verbrauchers 14 vorgesehen sein. Jedes Zellmodul 15 kann jeweils mehrere Batteriezellen 16 aufweisen, das heißt elektrochemische Zellen oder galvanische Zellen. In jedem Zellmodul 15 kann die Anzahl der Batteriezellen 16 in einem Bereich von 2 bis 20 liegen, um nur Beispiele zu nennen.In the vehicle battery 11 can use multiple cell modules 15 to provide energy for the operation of the at least one consumer 14 be provided. Every cell module 15 can each have multiple battery cells 16 have, that is, electrochemical cells or galvanic cells. In every cell module 15 can be the number of battery cells 16 are in a range from 2 to 20, to name only examples.

In der Figur sind nur zwei Zellmodule 15 dargestellt, wobei Auslassungspunkte 17 symbolisieren, dass mehr als zwei Zellmodule 15 vorgesehen sein können. Durch eine elektrische Verschaltung 18 können die Zellmodule 15 mit Batteriepolen 19 elektrisch verschaltet sein, zwischen denen sich dann die Batteriespannung oder Versorgungsspannung 13 ergibt.There are only two cell modules in the figure 15 shown with ellipsis 17th symbolize that more than two cell modules 15 can be provided. Through an electrical circuit 18th can the cell modules 15 with battery poles 19th be electrically connected, between which there is then the battery voltage or supply voltage 13 results.

Zum Schalten und Überwachen der Fahrzeugbatterie 11 kann in der Fahrzeugbatterie 11 ein Batteriemanagementsystem 20 bereitgestellt sein. Das Batteriemanagementsystem 20 kann eine Prozessoreinrichtung 21 aufweisen, durch welche eine Betriebssoftware 22 des Batteriemanagementsystems 20 ausgeführt werden kann.For switching and monitoring the vehicle battery 11 can in the vehicle battery 11 a battery management system 20 be provided. The battery management system 20 can be a processor device 21st have through which an operating software 22 of the battery management system 20 can be executed.

Für jedes Zellmodul 15 kann jeweils eine Modulsensoreinrichtung 23 zum Messen zumindest einer physikalischen Messgröße, zum Beispiel einer elektrischen Stromstärke und/oder elektrischen Spannung und/oder Temperatur und/oder einer elektrischer Impedanz, vorgesehen sein. Aus Messdaten oder Sensordaten 24 der jeweiligen Modulsensoreinrichtung 23 kann durch ein jeweiliges Modulmanagementsystem 25 für das jeweilige Zellmodul 15 zumindest ein Modulkennwert 26 zumindest einer vorbestimmten Kenngrö-ße, beispielsweise des Ladezustands und/oder der elektrischen Speicherkapazität und/oder des elektrischen Widerstands und/oder einer weiteren der bereits genannten Kenngrößen ermitteln. Die Modulkennwerte 26 der einzelnen Zellmodule 15 können dann durch das Batteriemanagementsystem 20 mittels deren Betriebssoftware 22 zu einem Batteriekennwert 27 mittels einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift 28 zusammengefasst werden. Die Berechnungsvorschrift 28 muss dabei keine Kenntnisse über die spezielle Modultechnologie oder Zelltechnologie der einzelnen Zellmodule berücksichtigen. Dies ist nicht notwendig, da die Modulkennwerte 26 das jeweilige Zellmodul 15 vollständig beschreiben und damit die Kenntnis über die Zelltechnologie der einzelnen Zellmodule 15 bereits in den Modulkennwerten 26 berücksichtigt oder enthalten ist.For every cell module 15 can each have a module sensor device 23 for measuring at least one physical measured variable, for example an electrical current intensity and / or electrical voltage and / or temperature and / or an electrical impedance. From measurement data or sensor data 24th the respective module sensor device 23 can by a respective module management system 25th for the respective cell module 15 at least one module parameter 26 Determine at least one predetermined parameter, for example the state of charge and / or the electrical storage capacity and / or the electrical resistance and / or another of the parameters already mentioned. The module parameters 26 of the individual cell modules 15 can then through the battery management system 20 by means of their operating software 22 to a battery parameter 27 by means of a predetermined calculation rule 28 be summarized. The calculation rule 28 does not have to take into account knowledge of the special module technology or cell technology of the individual cell modules. This is not necessary as the module parameters 26 the respective cell module 15 fully describe and thus the knowledge of the cell technology of the individual cell modules 15 already in the module parameters 26 is taken into account or included.

Somit stehen mit dem zumindest einen Batteriekennwert 27 Informationen über zumindest einen Kenngröße betreffend die gesamte Fahrzeugbatterie 11 bereit, obwohl die Betriebssoftware 22 des Batteriemanagementsystems 20 nicht individuell an jedes Zellmodul 15 in Bezug auf die darin vorhandene Zelltechnologie angepasst worden ist, insbesondere nicht an die jeweilige Ruhespannungskennlinie. Stattdessen wird mit dem Einbau oder Austausch eines Zellmoduls 15 lediglich das zugehörige Modulmanagementsystem 25, insbesondere ein zugehöriges Zusatzsoftwaremodul 29, angepasst oder ausgetauscht. Das Zusatzsoftwaremodul 29 kann, wie in der Figur dargestellt, ebenfalls durch die Prozessoreinrichtung 21 ausgeführt werden, und somit innerhalb des Batteriemanagementsystems 20 parallel zu der Betriebssoftware 22 bereitgestellt sein.Thus there is at least one battery parameter 27 Information about at least one parameter relating to the entire vehicle battery 11 ready, although the operating software 22 of the battery management system 20 not individually to each cell module 15 has been adapted in relation to the cell technology present in it, in particular not to the respective quiescent voltage characteristic. Instead, installing or replacing a cell module 15 only the associated module management system 25th , in particular an associated additional software module 29 , adjusted or exchanged. The additional software module 29 can, as shown in the figure, also by the processor device 21st are executed, and thus within the battery management system 20 parallel to the operating software 22 be provided.

Anstatt eines Batteriemanagementsystems soll also ein (Batterie-) Modulmanagementsystem (MMS) eingesetzt werden. Dieses MMS betrachtet das Zellmodul als individuelle Batterie und kann entsprechend der verbauten Batteriezellen des jeweiligen Zellmoduls parametriert werden. Zusätzlich wird ein Schnittstellenstandard 30 für die Kommunikation mit den Zellmodulen 15 geschaffen, was eine einheitliche Kommunikation über ein festgelegtes Kommunikationsprotokoll (zum Beispiel CAN) gewährleistet. Dieser Schnittstellenstandard 30 kann zum Beispiel MMCP (Multi-Module-Communication-Protocol) heißen. Über dieses derart geschaffene einheitliche Kommunikationssystem können die MMS dem übergeordneten BMS die geforderten Grö-ßen des jeweiligen Zellmoduls mitteilen (zum Beispiel Kapazität, Widerstand, Ladezustand, Stromgrenzen, Alterungszustand, Leistungsfähigkeit, Temperatur, Fehlerzustände), welches dann die einzelnen Module zu einer Batterie aus der Summe der Einzelteile zusammenfasst.Instead of a battery management system, a (battery) module management system (MMS) should be used. This MMS considers the cell module as an individual battery and can be used according to the battery cells of the parameterized for each cell module. In addition, an interface standard 30th for communication with the cell modules 15 created, which ensures uniform communication via a defined communication protocol (for example CAN). This interface standard 30th can be called MMCP (Multi-Module-Communication-Protocol), for example. Via this standardized communication system created in this way, the MMS can inform the higher-level BMS of the required sizes of the respective cell module (for example, capacity, resistance, state of charge, current limits, aging, performance, temperature, error states), which then turns the individual modules into a battery the sum of the parts.

Das MMS muss nicht zwingend ein eigenes Steuergerät darstellen. Es kann sich auch um einen SW-Baustein handeln, welches im zentralen BMS als SW-Komponente oder Zusatzsoftwaremodul per Update zur Verfügung gestellt wird. Ein Kommunikationsstandard zwischen den SW-Bausteinen ist nach wie vor vorgesehen.The MMS does not necessarily have to be its own control unit. It can also be a software module, which is made available in the central BMS as a software component or additional software module via update. A communication standard between the software modules is still planned.

Es können mechanisch baugleiche Zellmodule nahezu beliebiger, unterschiedlicher Zellchemie, auch von unterschiedlichen Herstellern, verbaut und betrieben werden. Dies erleichtert das Ersatzteilwesen und/oder Multi-Sourcing erheblich.Mechanically identical cell modules of almost any different cell chemistry, including from different manufacturers, can be installed and operated. This considerably simplifies spare parts management and / or multi-sourcing.

Der Benutzer kann sich Batteriemodule von Drittanbietern besorgen und verbauen. Dies kann der für sein Kraftfahrzeug zum Ersetzen von Zellmodulen 15 tun. Weiterhin können einzelne Zellmodule 15 zu geringeren Kosten ersetzt werden als die komplette Fahrzeugbatterie, was ein Upgrade hin zu höherer Reichweite Stück für Stück ermöglicht.The user can obtain and install third-party battery modules. This can be done for his motor vehicle to replace cell modules 15 to do. Furthermore, individual cell modules 15 can be replaced at a lower cost than the entire vehicle battery, which enables an upgrade to a higher range bit by bit.

Gegebenenfalls höhere Kosten aufgrund höherer Flexibilität können in Summe über die Einsparungen bezüglich des Ersatzteilwesen und Multi-Sourcing kompensiert werden, vor allem wenn in Zukunft deutlich mehr Elektrofahrzeuge fahren werden als heute.If necessary, higher costs due to greater flexibility can be offset by the savings in spare parts and multi-sourcing, especially if significantly more electric vehicles will be driven in the future than today.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung Zellenmodule über einen Schnittstellenstandard verwaltet werden können.Overall, the examples show how the invention can be used to manage cell modules via an interface standard.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • WO 2018/069192 A1 [0008]WO 2018/069192 A1 [0008]

Claims (10)

Fahrzeugbatterie (11) mit mehreren Zellmodulen (15) zum elektrochemischen Speichern von Energie und mit einem Batteriemanagementsystem (20), das dazu eingerichtet ist, zu zumindest einer vorbestimmten Kenngröße einen jeweiligen aktuellen, die gesamte Fahrzeugbatterie (11) betreffenden Batteriekennwert (27) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Zellmodule (15) ein eigenes Modulmanagementsystem (25) aufweist, welches dazu eingerichtet ist, zu in dem Zellmoduls (15) enthaltenen elektrochemischen Batteriezellen (16) mittels einer eigenen Modulsensoreinrichtung (23) einen jeweiligen, nur das Zellmodul (15) betreffenden Modulkennwert (26) der zumindest einen Kenngröße zu ermitteln, und das Batteriemanagementsystem (20) dazu eingerichtet ist, über einen gemeinsamen Schnittstellenstandard (30) aus den Modulmanagementsystemen (25) die jeweiligen aktuellen Modulkennwerte (26) der zumindest einen Kenngröße abzufragen und aus den aktuellen Modulkennwerten (26) den jeweiligen aktuellen Batteriekennwert (27) der zumindest einen Kenngröße auf der Grundlage einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift (28) zu berechnen.Vehicle battery (11) with a plurality of cell modules (15) for the electrochemical storage of energy and with a battery management system (20) which is set up to provide a respective current battery parameter (27) relating to the entire vehicle battery (11) for at least one predetermined parameter. characterized in that each of the cell modules (15) has its own module management system (25), which is set up to use electrochemical battery cells (16) contained in the cell module (15) by means of its own module sensor device (23) a respective, only the cell module ( 15) to determine the relevant module characteristic value (26) of the at least one characteristic variable, and the battery management system (20) is set up to query the respective current module characteristic values (26) of the at least one characteristic variable from the module management systems (25) via a common interface standard (30) and the current act from the current module parameters (26) to calculate the battery parameter (27) of the at least one parameter on the basis of a predetermined calculation rule (28). Fahrzeugbatterie (11) nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei der Zellmodule (15) unterschiedliche Zelltechnologien aufweisen.Vehicle battery (11) after Claim 1 , wherein at least two of the cell modules (15) have different cell technologies. Fahrzeugbatterie (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zellmodule (15) mechanisch baugleich ausgestaltet sind.Vehicle battery (11) according to one of the preceding claims, wherein the cell modules (15) are mechanically identical. Fahrzeugbatterie (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zellmodule (15) in Einbauplätzen individuell austauschbar angeordnet sind.Vehicle battery (11) according to one of the preceding claims, wherein the cell modules (15) are arranged individually replaceable in installation locations. Fahrzeugbatterie (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemanagementsystem (20) eine Prozessoreinrichtung (21) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, eine Betriebssoftware (22) des Batteriemanagementsystems (20) auszuführen, und eine jeweilige Betriebssoftware jedes Modulmanagementsystems (25) als ein jeweiliges Zusatzsoftwaremodul (29) ausgestaltet ist und die Prozessoreinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, jedes der Zusatzsoftwaremodule (29) ebenfalls auszuführen.Vehicle battery (11) according to one of the preceding claims, wherein the battery management system (20) has a processor device (21) which is set up to run operating software (22) of the battery management system (20), and a respective operating software of each module management system (25) as a respective additional software module (29) is configured and the processor device (21) is set up to also execute each of the additional software modules (29). Fahrzeugbatterie (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schnittstellenstandard (30) ein CAN-Kommunikationsprotokoll vorsieht.Vehicle battery (11) according to one of the preceding claims, wherein the interface standard (30) provides a CAN communication protocol. Fahrzeugbatterie (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Kenngröße zumindest eine der folgenden umfasst: eine Speicherkapazität, einen elektrischen Widerstand, einen Ladezustand, eine Stromgrenze, einen Verschleißzustand, eine Temperatur, einen Fehlerzustand.Vehicle battery (11) according to one of the preceding claims, wherein the at least one parameter comprises at least one of the following: a storage capacity, an electrical resistance, a state of charge, a current limit, a state of wear, a temperature, a fault state. Fahrzeugbatterie (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Berechnungsvorschrift (28) für die Berechnung des zumindest einen Batteriekennwerts (27) aus den Modulkennwerten (26) vorsieht, dass die Zellmodule (15) als einzelne, unabhängige Einzelbatterien gewertet sind, die in einer elektrischen Verschaltung (18) mit zumindest einer Reihenschaltung und/oder zumindest einer Parallelschaltung verschaltet sind, wie es der Verschaltung (18) der Zellmodule (15) in der Fahrzeugbatterie (11) entspricht.Vehicle battery (11) according to one of the preceding claims, wherein the calculation rule (28) for the calculation of the at least one battery characteristic value (27) from the module characteristic values (26) provides that the cell modules (15) are evaluated as individual, independent individual batteries, which in an electrical connection (18) with at least one series connection and / or at least one parallel connection, as corresponds to the connection (18) of the cell modules (15) in the vehicle battery (11). Fahrzeugbatterie (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modulmanagementsysteme (25) jeweils auf einem Batteriemanagement-Algorithmus beruhen, wobei in jedem Modulmanagementsystem (25) der Batteriemanagement-Algorithmus betrieben wird, als verwalte er eine virtuelle Fahrzeugbatterie mit nur einem Zellmodul (15).Vehicle battery (11) according to one of the preceding claims, wherein the module management systems (25) are each based on a battery management algorithm, the battery management algorithm being operated in each module management system (25) as if it were managing a virtual vehicle battery with only one cell module (15 ). Kraftfahrzeug (10) mit einer Fahrzeugbatterie (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Motor vehicle (10) with a vehicle battery (11) according to one of the preceding claims.
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