DE102019133252A1 - Method for operating a battery system, battery system and cell interconnection for a battery system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (10), wobei das Batteriesystem (10) ein Kommunikationsnetzwerk (12) und eine Zellverschaltung mit einer Vielzahl elektrisch leitend miteinander verschalteter, schaltbarer Batteriezellen (14) aufweist. Mittels des Kommunikationsnetzwerkes (12) werden Schaltanforderungen (26) von einer zentralen Steuereinrichtung (18) des Batteriesystems (10) an die einzelnen Batteriezellen (14) übermittelt. Hierbei tritt eine bekannte maximale Übertragungslatenz auf. Die zentrale Steuereinrichtung (18) legt unter Berücksichtigung der bekannten maximalen Übertragungslatenz einen Schaltzeitpunkt (ts) für eine jeweilige Schaltanforderung (26) fest, der einen zukünftigen Zeitpunkt zum Ausführen der jeweiligen Schaltanforderung (26) bestimmt, und übermittelt diesen einer jeweiligen Batteriezelle (14). Ein Zellenprozessor (30) der jeweiligen Batteriezelle (14) erkennt den Eintritt des Schaltzeitpunktes (ts) durch Überwachen einer Batteriezellenuhr (20) der jeweiligen Batteriezelle (14) und führt bei Eintritt des Schaltzeitpunktes (ts) die jeweilige Schaltanforderung (26) aus. Dadurch werden Schwankungen zwischen Gesamtübertragungslatenzen zwischen einzelnen Batteriezellen abstrahiert, so dass die Batteriezellen mit einer gewissen Präzision zeitsynchron schalten.The invention relates to a method for operating a battery system (10), the battery system (10) having a communication network (12) and a cell interconnection with a large number of electrically conductive interconnected, switchable battery cells (14). By means of the communication network (12), switching requests (26) are transmitted from a central control device (18) of the battery system (10) to the individual battery cells (14). A known maximum transmission latency occurs here. The central control device (18), taking into account the known maximum transmission latency, defines a switching point in time (ts) for a respective switching request (26), which determines a future point in time for executing the respective switching request (26), and transmits this to a respective battery cell (14) . A cell processor (30) of the respective battery cell (14) recognizes the occurrence of the switching time (ts) by monitoring a battery cell clock (20) of the respective battery cell (14) and executes the respective switching request (26) when the switching time (ts) occurs. As a result, fluctuations between total transmission latencies between individual battery cells are abstracted, so that the battery cells switch time-synchronously with a certain precision.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem zumindest ein Kommunikationsnetzwerk und eine Zellverschaltung mit einer Vielzahl elektrisch leitend miteinander verschalteter, schaltbarer Batteriezellen umfasst, die als Kommunikationsteilnehmer an das Kommunikationsnetzwerk angebunden sind. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein solches Batteriesystem sowie eine Zellverschaltung für ein solches Batteriesystem.The invention relates to a method for operating a battery system, the battery system comprising at least one communication network and a cell interconnection with a plurality of electrically conductive interconnected, switchable battery cells that are connected to the communication network as communication participants. The invention also relates to such a battery system and to a cell interconnection for such a battery system.
Eine Zellverschaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere dazu ausgelegt, elektrische Spannungen in einem Bereich von mehr als 60 Volt, insbesondere in einem Bereich von mehreren 100 Volt, bereitzustellen (entsprechend einer sogenannten Hochvolt-Batterie). Derartige elektrische Spannungen können bereitgestellt sein, indem eine Vielzahl einzelner Batteriezellen in der Zellverschaltung elektrisch miteinander verschaltet sind. In der Regel sind jeweils einige der Batteriezellen zu sogenannten Batteriemodulen verschaltet. Eine Zellverschaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch zur Bereitstellung eines Spannungsbereichs kleiner 60 Volt ausgestaltet sein und beispielsweise mindestens zwei Batteriezellen umfassen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind die einzelnen Batteriezellen bevorzugt als schaltbare Batteriezellen oder sogenannte Smart Cells ausgestaltet, die jeweils einzeln durch eine entsprechende Ansteuerung von Schaltelementen elektrisch leitend in einen Stromkreis der Zellverschaltung hinzu- und aus dem Stromkreis weggeschaltet werden können. Dabei gibt es insbesondere drei mögliche Schalterstellungen: Hinzugeschaltet, überbrückt und weggeschaltet (Stromkreis ist unterbrochen). A cell interconnection within the meaning of the present invention is designed in particular to provide electrical voltages in a range of more than 60 volts, in particular in a range of several 100 volts (corresponding to a so-called high-voltage battery). Such electrical voltages can be provided in that a multiplicity of individual battery cells are electrically connected to one another in the cell interconnection. As a rule, some of the battery cells are each connected to form what are known as battery modules. A cell interconnection within the meaning of the present invention can also be designed to provide a voltage range of less than 60 volts and, for example, comprise at least two battery cells. In connection with the present invention, the individual battery cells are preferably designed as switchable battery cells or so-called smart cells, each of which can be individually connected and disconnected from the circuit in an electrically conductive manner by appropriately activating switching elements. There are three possible switch positions in particular: switched on, bridged and switched off (circuit is interrupted).
Um einen Einsatz (also ein Hinzu- und/oder ein Wegschalten) jeweiliger einzelner Batteriezellen und/oder einzelner Batteriemodule innerhalb des Batteriesystems koordinieren zu können, kann eine zentrale Steuereinrichtung (beispielsweise ein Batteriemanagementsystem oder BMS) vorgesehen sein, die mit den einzelnen Batteriezellen und/oder den Batteriemodulen kommunizieren kann, um Schaltbefehle zu erteilen. Zum Bereitstellen einer Kommunikationsverbindung kann bevorzugt ein Kommunikationsnetzwerk, beispielsweise ein Controller Area Network (CAN gemäß
In der zentralen Steuereinrichtung können Zustandsinformationen zu den einzelnen Batteriezellen und/oder den einzelnen Batteriemodulen empfangen werden. Eine Zustandsinformation kann beispielsweise einen Gesundheitszustand (State of Health - SoH) oder einen aktuellen Ladezustand (State of Charge - SoC) einer jeweiligen Batteriezelle beschreiben. In Abhängigkeit von den empfangenen Zustandsinformationen, welche beispielsweise durch Sensoren der einzelnen Batteriezellen erfasst werden können, kann die zentrale Steuereinrichtung dann den Einsatz, also das Zu- und Wegschalten, jeweiliger Batteriemodule und/oder einzelner Batteriezellen innerhalb der Batterie koordinieren.Status information on the individual battery cells and / or the individual battery modules can be received in the central control device. State information can describe, for example, a state of health (SoH) or a current state of charge (SoC) of a respective battery cell. Depending on the received status information, which can be detected by sensors of the individual battery cells, for example, the central control device can then coordinate the use, that is, the switching on and off, of the respective battery modules and / or individual battery cells within the battery.
In diesem Zusammenhang beschreibt die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Batteriesystem der eingangs beschriebenen Art einen zukünftigen Einsatz einzelner Batteriezellen und/oder Batteriezellenmodule zu koordinieren.The invention is based on the object of coordinating future use of individual battery cells and / or battery cell modules in a battery system of the type described at the outset.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Beneficial Further developments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Kommunikation zwischen einem Batteriemanagementsystem oder einer zentralen Steuereinrichtung eines Batteriesystems und jeweiligen weiteren Kommunikationsteilnehmern, insbesondere einzelnen Batteriezellen, mittels eines Kommunikationsnetzwerks der eingangs beschriebenen Art stets einer Übertragungslatenz unterworfen ist. Mit anderen Worten liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass es auf einem jeweiligen Kommunikationspfad zwischen zentraler Steuereinrichtung und einer einzelnen Batteriezelle zu schwankenden Verzögerungen (sog. Jitter) kommen kann, die die Koordination von Schaltvorgängen mehrerer Batteriezellen negativ beeinflussen können.The invention is based on the knowledge that communication between a battery management system or a central control device of a battery system and respective further communication participants, in particular individual battery cells, by means of a communication network of the type described above is always subject to a transmission latency. In other words, the invention is based on the knowledge that fluctuating delays (so-called jitter) can occur on a respective communication path between the central control device and an individual battery cell, which can negatively affect the coordination of switching processes of several battery cells.
Durch die Erfindung ist deshalb ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems bereitgestellt. Das Batteriesystem weist zumindest ein Kommunikationsnetzwerk und eine Zellverschaltung mit einer Vielzahl elektrisch leitend miteinander verschalteter, schaltbarer Batteriezellen auf. Das Batteriesystem kann also ein oder mehrere Kommunikationsnetzwerke aufweisen. Eine jeweilige schaltbare Batteriezelle oder Smart Cell ist dazu ausgebildet, durch Ansteuerung jeweiliger Schaltelemente einzeln elektrisch leitend mit einem Stromkreis der Zellverschaltung, verbunden oder von dieser getrennt zu werden. Eine (zentrale) Systemuhr des Batteriesystems gibt eine absolute Systemzeit für das Batteriesystem vor. Jeweilige mit der Systemuhr synchronisierte Batteriezellenuhren geben jeweilige Zellenzeiten für die Batteriezellen vor. Unter dem Begriff „Uhr“ wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine dem Fachmann geläufige Vorrichtung zum Erfassen oder Protokollieren einer Zeit verstanden. Diese umfasst insbesondere auch einen Zähler oder Timer, insbesondere einen Nanosekundentimer. Auch eine unter der bekannten Bezeichnung Capture Compare Unit geführte Vorrichtung ist in dem Begriff „Uhr“ vorliegend umfasst.The invention therefore provides a method for operating a battery system. The battery system has at least one communication network and a cell interconnection with a multiplicity of switchable battery cells interconnected in an electrically conductive manner. The battery system can therefore have one or more communication networks. A respective switchable battery cell or smart cell is designed to be connected to or separated from a circuit of the cell interconnection in an individually electrically conductive manner by activating respective switching elements. A (central) system clock of the battery system specifies an absolute system time for the battery system. The respective battery cell clocks synchronized with the system clock specify the respective cell times for the battery cells. In connection with the present invention, the term “clock” is understood to mean a device for recording or logging a time that is familiar to a person skilled in the art. In particular, this also includes a counter or timer, in particular a nanosecond timer. A device known as the Capture Compare Unit is also included in the term “clock” in the present case.
Das Batteriesystem weist darüber hinaus eine zentrale Steuereinrichtung auf. Für den Fall, dass mehrere Kommunikationsnetzwerke vorhanden sind, können diese bevorzugt durch die zentrale Steuereinrichtung oder ein zentrales Batteriemanagementsystem logisch miteinander verbunden sein (Batteriemanagementsystem als Gateway). Die zentrale Steuereinrichtung, beispielsweise ein zentraler Mikrocontroller, übermittelt zumindest eine Schaltanforderung mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks an zumindest eine jeweilige Batteriezelle der Vielzahl an Batteriezellen. Die zumindest eine Schaltanforderung beschreibt einen jeweils geforderten Schaltzustand der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle. Ein geforderter Schaltzustand kann beispielsweise sein, dass die zumindest eine jeweilige Batteriezelle elektrisch leitend mit einem Stromkreis der Zellverschaltung verbunden oder von diesem getrennt oder überbrückt ist.The battery system also has a central control device. In the event that several communication networks are present, these can preferably be logically connected to one another by the central control device or a central battery management system (battery management system as gateway). The central control device, for example a central microcontroller, transmits at least one switching request by means of the at least one communication network to at least one respective battery cell of the plurality of battery cells. The at least one switching request describes a respectively required switching state of the at least one respective battery cell. A required switching state can be, for example, that the at least one respective battery cell is connected in an electrically conductive manner to a circuit of the cell interconnection or is separated or bridged from it.
Bei der Übermittlung der zumindest einen Schaltanforderung ergibt sich eine bekannte maximale Übertragungslatenz. Mit anderen Worten gibt es eine maximale Übertragungslatenz oder eine Gesamtübertragungslatenz, die insbesondere im schlechtesten annehmbaren Fall auftreten kann (Worst-Case-Szenario). In der Übertragungslatenz oder in einer Latenzzeit ist insbesondere umfasst: (i) eine Bearbeitungszeit der jeweiligen Schaltanforderung in der zentralen Steuereinrichtung, (ii) eine Verarbeitungszeit der jeweiligen Schaltanforderung in einer Sende-Empfangseinrichtung der zentralen Steuereinrichtung, (iii) Wartezeiten für eine Bus-Arbitrierung, (iv) eine Übertragungsdauer der jeweiligen Schaltanforderung in Abhängigkeit von einer Anzahl an Bits der jeweiligen Schaltanforderung oder Botschaft, (v) eine Signallaufzeit eines die jeweilige Schaltanforderung übertragenden elektrischen Signals, (vi) eine batteriezellenseitige Verarbeitungszeit in einer Sende-Empfangseinrichtung der jeweiligen Batteriezelle und (vii) eine weitere Bearbeitungszeit in der jeweiligen Batteriezelle. Bis auf Punkt (v) der obigen Aufzählung kann bei allen genannten Bestandteilen der Latenzzeit oder bei allen oben genannten einzelnen Verzögerungen ein jeweiliger Jitter oder eine Schwankung auftreten. Diese Schwankung kann für jede Batteriezelle der Verschaltung unterschiedlich ausfallen. Bei Punkt (v) Signallaufzeit tritt in der Regel kein Jitter auf, da eine Länge einer elektrischen Verbindung innerhalb des Kommunikationsnetzwerks sich in der Regel nicht ändert. Die Bearbeitungszeit in der Sende-Empfangseinrichtung der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle kann beispielsweise bei einem Empfang der zumindest einen Schaltanforderung und/oder während einer Dekodierung der jeweiligen Schaltanforderung anfallen.When the at least one switching request is transmitted, there is a known maximum transmission latency. In other words, there is a maximum transmission latency or an overall transmission latency that can occur in particular in the worst-case scenario (worst-case scenario). The transmission latency or a latency period includes in particular: (i) a processing time of the respective switching request in the central control device, (ii) a processing time of the respective switching request in a transceiver of the central control device, (iii) waiting times for bus arbitration , (iv) a transmission duration of the respective switching request as a function of a number of bits of the respective switching request or message, (v) a signal transit time of an electrical signal transmitting the respective switching request, (vi) a processing time on the battery cell side in a transceiver of the respective battery cell and (vii) a further processing time in the respective battery cell. With the exception of point (v) of the above list, a respective jitter or fluctuation can occur with all of the mentioned components of the latency period or with all of the above-mentioned individual delays. This fluctuation can turn out differently for each battery cell in the circuit. At point (v) signal transit time, there is generally no jitter, since the length of an electrical connection within the communication network generally does not change. The processing time in the transceiver device of the at least one respective battery cell can occur, for example, when the at least one switching request is received and / or during a decoding of the respective switching request.
Nach Empfang und Dekodierung der zumindest einen Schaltanforderung führt ein Zellenprozessor der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle die Schaltanforderung aus. Das Ausführen der Schaltanforderung wird realisiert, indem der Zellenprozessor ein Schaltelement der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle ansteuert, wodurch der jeweils geforderte Schaltzustand hergestellt oder eingestellt wird. Bei dem Schaltelement kann es sich beispielsweise um ein Halbleiterbauelement, beispielsweise um einen Feldeffekttransistor (FET), handeln.After receiving and decoding the at least one switching request, a cell processor of the at least one respective battery cell executes the switching request. The switching request is carried out in that the cell processor controls a switching element of the at least one respective battery cell, whereby the respectively required switching state is established or set. The switching element can be, for example, a semiconductor component, for example a field effect transistor (FET).
Erfindungsgemäß legt die zentrale Steuereinrichtung unter Berücksichtigung der bekannten maximalen Übertragungslatenz einen Schaltzeitpunkt für die zumindest eine Schaltanforderung fest und übermittelt diesen der Sende-Empfangseinrichtung mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks. Die Übermittlung des Schaltzeitpunkts kann dabei zusammen mit der Übermittlung der jeweiligen Schaltanforderung erfolgen oder in einer separaten Botschaft. Der Schaltzeitpunkt bestimmt einen zukünftigen Systemzeitpunkt der Systemzeit des Batteriesystems zum Ausführen der zumindest einen Schaltanforderung. Die Schaltzeit oder der Schaltzeitpunkt repräsentiert also eine absolute Systemzeit, zu welcher die Schaltanforderung oder der Schaltbefehl von der jeweiligen Batteriezelle umgesetzt werden soll. Mit anderen Worten wird der absolute Systemzeitpunkt von der zentralen Steuereinrichtung bevorzugt derart gewählt oder festgelegt, dass eine Differenz zwischen dem Schaltzeitpunkt und einem aktuellen Systemzeitpunkt größer ist, als die oben genannte maximale Übertragungslatenz im Worst-Case-Szenario. So kann vermieden werden, dass der Schaltzeitpunkt bereits in der Vergangenheit liegt, wenn eine jeweilige Botschaft in einer Batteriezelle dekodiert wurde.According to the invention, taking into account the known maximum transmission latency, the central control device defines a switching time for the at least one switching request and transmits this to the transceiver by means of the at least one communication network. The switching time can be transmitted together with the transmission of the respective switching request or in a separate message. The switching time determines a future system time of the system time of the battery system for executing the at least one switching request. The switching time or the switching point in time therefore represents an absolute system time at which the switching request or the switching command is to be implemented by the respective battery cell. In other words, the absolute system time is preferably selected or established by the central control device in such a way that a difference between the switching time and a current system time is greater than the above-mentioned maximum transmission latency in the worst-case scenario. In this way it can be avoided that the switching time is already in the past when a respective message has been decoded in a battery cell.
Erfindungsgemäß erkennt der Zellenprozessor den Eintritt des Schaltzeitpunktes durch Überwachen der Batteriezellenuhr der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle, die ja mit der Systemzeit synchronisiert ist, und führt bei dem Eintritt des Schaltzeitpunktes die zumindest eine Schaltanforderung aus. Mit anderen Worten wird der geforderte Schaltzustand erst dann von der jeweiligen Smart Cell oder von dem Zellenprozessor der jeweiligen Smart Cell tatsächlich hergestellt, wenn der Eintritt des Schaltzeitpunktes durch den Zellenprozessor erkannt wurde. Das Überwachen der Batteriezellenuhr durch den Zellenprozessor kann dabei im Rahmen einer zyklischen Abfrage (sogenanntes Polling) erfolgen. Wie weiter unten beschrieben, kann das Überwachen auch interrupt-basiert erfolgen.According to the invention, the cell processor recognizes the occurrence of the switching time by monitoring the battery cell clock of the at least one respective battery cell, which is synchronized with the system time, and executes the at least one switching request when the switching time occurs. In other words, the required switching state is only actually established by the respective smart cell or by the cell processor of the respective smart cell when the occurrence of the switching time has been recognized by the cell processor. The cell processor can monitor the battery cell clock as part of a cyclical query (so-called polling). As described below, monitoring can also be based on interrupts.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass Schwankungen der Übertragungslatenz zwischen den einzelnen Batteriezellen abstrahiert oder unschädlich gemacht werden können. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein zeitlich synchrones oder zeitgleiches Schalten mit einer gegenüber dem Bekannten erhöhten Präzision erreicht werden. Zudem kann eine maximale bekannte Übertragungslatenz auf einem jeweiligen Kommunikationspfad innerhalb des Kommunikationsnetzwerkes abstrahiert oder unschädlich gemacht werden. Mit anderen Worten kann die Umsetzung oder das Ausführen einer jeweiligen Schaltanforderung unabhängig von der genannten Übertragungslatenz und/oder unabhängig von einer Schwankung in der Übertragungslatenz erfolgen. Hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass ein jeweiliger Zellenprozessor einen Speicher aufweist, in dem eingegangene Schaltanforderungen abgespeichert werden können und eine jeweilige eingegangene Schaltanforderung bis zum Eintritt des ihr zugeordneten Schaltzeitpunktes zurückgehalten werden kann. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein jeweiliger Übermittlungszeitpunkt zeitlich von einem jeweils angestrebten Schaltzeitpunkt entkoppelt werden. Ein Einsatz einer jeweiligen Batteriezelle kann also für einen zukünftigen Zeitpunkt geplant werden. Durch die Verwendung geeigneter Uhren kann der Einsatz insbesondere hochaufgelöst im Mikrosekunden- oder Submikrosekundenbereich geplant und durchgeführt werden.The invention has the advantage that fluctuations in the transmission latency between the individual battery cells can be abstracted or rendered harmless. As a result, switching that is synchronous in time or at the same time can advantageously be achieved with greater precision than is known. In addition, a maximum known transmission latency on a respective communication path within the communication network can be abstracted or rendered harmless. In other words, the implementation or execution of a respective switching request can take place independently of the transmission latency mentioned and / or independently of a fluctuation in the transmission latency. For this purpose it can be provided, for example, that a respective cell processor has a memory in which incoming switching requests can be stored and a respective incoming switching request can be withheld until the switching time assigned to it occurs. In this way, a respective transmission time can advantageously be decoupled in time from a respective desired switching time. Use of a respective battery cell can therefore be planned for a future point in time. By using suitable clocks, the use can be planned and carried out in particular with a high resolution in the microsecond or sub-microsecond range.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which result in additional advantages.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die zentrale Steuereinrichtung einen jeweiligen Schaltzeitpunkt als einen gemeinsamen Schaltzeitpunkt für eine vorbestimmte Teilgruppe an Batteriezellen festlegt. Mit anderen Worten gilt ein gemeinsamer Schaltzeitpunkt für alle Batteriezellen der vorbestimmten Teilgruppe. Die vorbestimmte Teilgruppe kann dabei während des Betriebes dynamisch zusammengestellt oder ausgewählt sein und zwei, drei, vier, fünf oder allgemein eine beliebige Anzahl an Batteriezellen der Zellverschaltung umfassen. Die vorbestimmte Teilgruppe kann auch alle Batteriezellen der Zellverschaltung umfassen. Die Zellenprozessoren der Batteriezellen der jeweils dynamisch ausgewählten vorbestimmten Teilgruppe führen also jeweilige Schaltanforderungen synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunktes aus. Die jeweiligen Schaltanforderungen können sich dabei unterscheiden oder identisch sein. Jeweilige Schaltanforderungen und/oder der gemeinsame Schaltzeitpunkt können dabei in einer Botschaft zusammengefasst werden oder in separaten Botschaften übermittelt werden. Durch die hier beschriebene Festlegung des Schaltzeitpunkts als gemeinsamen Schaltzeitpunkt für mehrere Batteriezellen ergibt sich der Vorteil, dass jeweilige Schaltanforderungen unabhängig von der Übertragungslatenz im Wesentlichen zeitgleich oder zumindest mit einer höheren zeitlichen Präzision als bei dem Bekannten synchron an mehreren Batteriezellen umgesetzt werden können. Hierdurch kann vorteilhaft beispielsweise eine ungewollte Belastung einer einzelnen Batteriezelle vermieden werden.One embodiment provides that the central control device defines a respective switching point in time as a common switching point in time for a predetermined subgroup of battery cells. In other words, a common switching point in time applies to all battery cells of the predetermined subgroup. The predetermined subgroup can be compiled or selected dynamically during operation and can comprise two, three, four, five or generally any number of battery cells of the cell interconnection. The predetermined subgroup can also include all battery cells of the cell interconnection. The cell processors of the battery cells of the respectively dynamically selected predetermined subgroup thus execute respective switching requests synchronously when the common switching point in time occurs. The respective switching requirements can differ or be identical. The respective switching requests and / or the common switching time can be summarized in a message or transmitted in separate messages. By defining the switching time described here as a common switching time for several battery cells, there is the advantage that respective switching requests can be implemented simultaneously on several battery cells, regardless of the transmission latency, or at least with a higher temporal precision than with the known ones. In this way, for example, undesired loading of an individual battery cell can advantageously be avoided.
Der oben beschriebene Effekt der gleichzeitigen Ausführung jeweiliger Schaltanforderungen bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunkts für mehrere Batteriezellen liegt einer vorteilhaften Weiterbildung zugrunde, nach der die Batteriezellen der vorbestimmten Teilgruppe miteinander zu einer Parallelschaltung elektrisch verschaltet sind. Die Parallelschaltung wird aufgelöst oder überbrückt, indem die Zellenprozessoren der Batteriezellen jeweilige Schaltanforderungen synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunkts ausführen. Mit anderen Worten werden die parallel verschalteten Batteriezellen der Parallelschaltung gleichzeitig von einem Stromkreis der Zellverschaltung weggeschalten, hinzugeschalten, oder überbrückt, indem die Zellenprozessoren der Batteriezellen jeweilige Schaltanforderungen synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunkts ausführen. Etwaige Verzögerungen bei der Übertragung der Schaltanforderungen und/oder weitere Effekte, die sich auf die Übertragungslatenz auswirken, haben keinen Einfluss mehr auf den Ausführungszeitpunkt einer jeweiligen Schaltanforderung. Für den beschriebenen Fall der Parallelschaltung wird besonders deutlich, wie eine ungewollte Belastung einzelner Batteriezellen vermieden werden kann. Soll nämlich beispielsweise eine aus mehreren elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen bestehende Parallelschaltung überbrückt werden, so ist es zur Vermeidung einer ungewollten Belastung oder einer ungewollten Überlastung oder gar eines Kurzschlusses einzelner Batteriezellen notwendig, dass die Batteriezellen tatsächlich alle zum (im Wesentlichen) gleichen Zeitpunkt überbrückt werden. Mit anderen Worten kann durch das synchrone Schalten zum Schaltzeitpunkt vermieden werden, dass es durch gewisse Schalterkombinationen zu Schäden, etwa gegenseitiges kurzschließen von parallel verschalteten Batteriezellen, kommt. Durch die hier beschriebene Ausführungsform ist dies gewährleistet, da die entsprechende Schaltanforderung in allen Batteriezellen synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunkts ausgeführt wird. Im Gegensatz zu dem bekannten gleichzeitigen Wegschalten mehrerer Batteriezellen durch Ansteuern eines gemeinsamen Hauptschützes besteht vorliegend der Vorteil einer erhöhten Flexibilität, da die Batteriezellen der Parallelschaltung ansonsten einzeln angesteuert, also einzeln in die Zellverschaltung eingebracht und einzeln aus der Zellverschaltung getrennt werden können.The above-described effect of the simultaneous execution of respective switching requests when the common switching time occurs for several battery cells is based on an advantageous development, according to which the battery cells of the predetermined subgroup are electrically connected to one another to form a parallel connection. The parallel connection is resolved or bridged by the Cell processors of the battery cells execute respective switching requests synchronously when the common switching time occurs. In other words, the parallel-connected battery cells of the parallel connection are simultaneously disconnected, connected or bridged by a circuit of the cell connection, in that the cell processors of the battery cells execute respective switching requests synchronously when the common switching time occurs. Any delays in the transmission of the switching requests and / or other effects that affect the transmission latency no longer have any influence on the execution time of a respective switching request. In the case of the parallel connection described, it becomes particularly clear how undesired loading of individual battery cells can be avoided. If, for example, a parallel circuit consisting of several electrically interconnected battery cells is to be bridged, then in order to avoid unwanted loading or unwanted overloading or even a short circuit of individual battery cells it is necessary that the battery cells are actually all bridged at (essentially) the same point in time. In other words, synchronous switching at the time of switching can prevent certain switch combinations from causing damage, such as mutual short-circuiting of battery cells connected in parallel. This is ensured by the embodiment described here, since the corresponding switching request is carried out synchronously in all battery cells when the common switching point in time occurs. In contrast to the known simultaneous disconnection of several battery cells by controlling a common main contactor, there is the advantage of increased flexibility, since the battery cells of the parallel connection can otherwise be controlled individually, i.e. individually introduced into the cell interconnection and individually separated from the cell interconnection.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass ein jeweiliger Zellenprozessor einen Speicher aufweist, wobei der Zellenprozessor eingegangene Schaltanforderungen in dem Speicher abspeichert und eine jeweilige eingegangene Schaltanforderung bis zum Eintritt des ihr zugeordneten Schaltzeitpunktes zurückhält. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein jeweiliger Übermittlungszeitpunkt zeitlich von einem jeweils angestrebten Schaltzeitpunkt entkoppelt werden.Another embodiment provides that a respective cell processor has a memory, the cell processor storing incoming switching requests in the memory and holding back a respective incoming switching request until the switching time assigned to it occurs. In this way, a respective transmission time can advantageously be decoupled in time from a respective desired switching time.
Ist beispielsweise eine aktuelle Sendekapazität der zentralen Steuereinrichtung vorhanden, so kann die zentrale Steuereinrichtung jeweilige Schaltanforderungen an die Sende-Empfangseinrichtungen der betroffenen Batteriezellen übermitteln, auch wenn die zugeordneten Schaltzeitpunkte noch weit, insbesondere länger als 100 Mikrosekunden, in der Zukunft liegen. So kann die zentrale Steuereinrichtung die ihr zur Verfügung stehenden Kapazitäten flexibel einteilen.For example, if the central control device has a current transmission capacity, the central control device can transmit respective switching requests to the transmission / reception devices of the battery cells concerned, even if the assigned switching times are far, in particular longer than 100 microseconds, in the future. In this way, the central control device can flexibly allocate the capacities available to it.
Wie oben beschrieben, wird bevorzugt der absolute Schaltzeitpunkt immer derart von der zentralen Steuereinrichtung gewählt, dass eine Schwankung der Übertragungslatenz abgefangen werden kann. Sollte es aber aus irgendeinem Grund doch dazu kommen, dass die jeweilige Schaltanforderung erst nach dem Schaltzeitpunkt von einer Batteriezelle ausgewertet wird (nach der Dekodierung), so kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die jeweilige Batteriezelle (oder ihr Zellenprozessor) die Schaltanforderung schnellstmöglich oder sofort ausführt.As described above, the absolute switching time is preferably always selected by the central control device in such a way that a fluctuation in the transmission latency can be intercepted. However, if for whatever reason the respective switching request is only evaluated by a battery cell after the switching time (after decoding), it can preferably be provided that the respective battery cell (or its cell processor) executes the switching request as quickly as possible or immediately .
Für den Fall, dass die Schaltzeit gleich 0 ist (ts = 0) und/oder wenn die Schaltzeit in dem Moment, in dem die Schaltanforderung bei der Batteriezelle dekodiert wurde, in der Vergangenheit liegt, schaltet die Batteriezelle sofort auf den gewünschten Zustand (wird der geforderte Schaltzustand also sofort hergestellt). Wird z.B. gebraucht, wenn es egal ist ob die Batteriezellen gleichzeitig schalten, Hauptsache sie schalten so schnell wie möglich in den geforderten Schaltzustand.In the event that the switching time is equal to 0 (ts = 0) and / or if the switching time is in the past at the moment when the switching request for the battery cell was decoded, the battery cell immediately switches to the desired state (becomes the required switching status is established immediately). Is used, for example, if it does not matter whether the battery cells switch at the same time, the main thing is that they switch to the required switching state as quickly as possible.
Wie oben beschrieben, sind die Batteriezellenuhren mit der Systemuhr synchronisiert. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Batteriezellenuhren bei Eintritt eines vorbestimmten Synchronisationszeitpunkts und/oder gemäß einem vorbestimmten Synchronisationstakt gemäß einem vorbestimmten Synchronisationsprotokoll mit der Systemuhr des Batteriesystems synchronisiert werden. Verschiedene Synchronisationsprotokolle, die der Fachmann als geeignet identifizieren wird, sind bekannt. Hierzu gehört zum Beispiel das sogenannte TT CAN (Time Triggered CAN ISO 11898-4:2004). Ein weiteres Beispiel bildet das AUTOSAR Time Synchronization over CAN (CanTSyn) Modul. Auch weitere Varianten der bekannten „Time Synchronisation over CAN“ können vom Fachmann bedarfsgerecht gewählt werden.As described above, the battery cell clocks are synchronized with the system clock. One embodiment provides that the battery cell clocks are synchronized with the system clock of the battery system when a predetermined synchronization point in time occurs and / or according to a predetermined synchronization clock according to a predetermined synchronization protocol. Various synchronization protocols are known which those skilled in the art will identify as suitable. This includes, for example, the so-called TT CAN (Time Triggered CAN ISO 11898-4: 2004). Another example is the AUTOSAR Time Synchronization over CAN (CanTSyn) module. Other variants of the well-known “Time Synchronization over CAN” can also be selected by a specialist as required.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird der jeweilige Synchronisationszeitpunkt und/oder der Synchronisationstakt in Abhängigkeit von einer jeweils aktuellen Abweichung zwischen einer jeweiligen Batteriezellenuhr und der Systemuhr bestimmt. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Synchronisation immer dann stattfindet, wenn eine jeweils aktuelle Abweichung einen vorbestimmten Grenzwert erreicht. Mit anderen Worten wird der Synchronisationstakt bevorzugt derart gewählt, dass eine Präzision der Batteriezellenuhren, also deren zeitliche Abweichungen, kleiner sind als ein vorbestimmter Grenzwert. Der Grenzwert kann bevorzugt in Abhängigkeit von Echtzeitanforderungen des Batteriesystems gewählt werden. Bevorzugt liegt der vorbestimmte Grenzwert in einem Bereich zwischen 0 und 50 Mikrosekunden, insbesondere zwischen 20 und 40 Mikrosekunden und ganz besonders bevorzugt bei 30 Mikrosekunden.According to an advantageous development, the respective synchronization time and / or the synchronization clock is determined as a function of a respective current deviation between a respective battery cell clock and the system clock. For example, it can be provided that synchronization always takes place when a current deviation reaches a predetermined limit value. In other words, the synchronization clock is preferably selected in such a way that the precision of the battery cell clocks, that is to say their time deviations, are less than a predetermined limit value. The limit value can preferably be selected as a function of real-time requirements of the battery system. The predetermined limit value is preferably in a range between 0 and 50 microseconds, in particular between 20 and 40 microseconds and very particularly preferably 30 microseconds.
Mit anderen Worten kann der jeweilige Synchronisationszeitpunkt und/oder der Synchronisationstakt in Abhängigkeit von einer maximalen vertretbaren Abweichung einer jeweiligen Batteriezellenuhr zur Systemuhr ausgelegt werden, wobei die maximal vertretbare Abweichung von den Echtzeitanforderungen des Batteriesystems und/oder der Zellverschaltung abhängt.In other words, the respective synchronization time and / or the synchronization clock can be designed as a function of a maximum acceptable deviation of a respective battery cell clock from the system clock, the maximum acceptable deviation depending on the real-time requirements of the battery system and / or the cell interconnection.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in einer Synchronitätsüberwachung eine sich in einem vorgegebenen Zeitintervall oder Probeintervall ergebende Abweichung zwischen der Batteriezellenuhr einer jeweiligen Batteriezelle und der Systemuhr ermittelt wird und für die jeweilige Batteriezelle eine vorbestimmte Schutzmaßnahme ausgelöst wird, wenn eine sich jeweils aktuell ergebende Abweichung eine maximal zulässige Abweichung überschreitet. Mit anderen Worten wird eine Schutzmaßnahme ausgelöst, wenn innerhalb des Probeintervalls eine maximal zulässige Abweichung überschritten wird oder ein maximal zulässiger Drift einer jeweiligen Batteriezellenuhr nicht eingehalten wird. Die vorbestimmte Schutzmaßnahme kann beispielsweise eine Deaktivierung der betroffenen Batteriezelle umfassen. Die Schutzmaßnahme kann auch darin bestehen, einen entsprechenden Hinweis auszugeben.An advantageous development provides that in a synchronicity monitoring a discrepancy between the battery cell clock of a respective battery cell and the system clock is determined in a predetermined time interval or test interval and a predetermined protective measure is triggered for the respective battery cell if a currently occurring discrepancy a exceeds the maximum permissible deviation. In other words, a protective measure is triggered if a maximum permissible deviation is exceeded within the test interval or a maximum permissible drift of a respective battery cell clock is not observed. The predetermined protective measure can include, for example, deactivation of the battery cell concerned. The protective measure can also consist in outputting a corresponding notice.
Ein jeweiliger Zellenprozessor ist bevorzugt dazu ausgebildet, beim Eintritt des jeweiligen Schaltzeitpunkts die Schaltanforderung für „seine“ Batteriezelle mit einer möglichst geringen Latenz auszuführen. Hierzu sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass das Überwachen der Batteriezellenuhr der Batteriezelle in dem Zellenprozessor interrupt-basiert erfolgt. Ein jeweiliger Interrupt kann bevorzugt mit einer hohen Priorität versehen werden. Hierdurch ist zum einen sichergestellt, dass die jeweilige Schaltanforderung mit einer möglichst geringen Latenz ausgeführt wird und zum anderen kann eine Rechenkapazität des jeweiligen Zellenprozessors effizient genutzt werden, da er eben kein zyklisches Überwachen der Batteriezellenuhr (Polling) durchführen muss.A respective cell processor is preferably designed to execute the switching request for “its” battery cell with the lowest possible latency when the respective switching time occurs. For this purpose, an advantageous embodiment provides that the battery cell clock of the battery cell is monitored in the cell processor on an interrupt-based basis. A respective interrupt can preferably be given a high priority. This ensures, on the one hand, that the respective switching request is carried out with the lowest possible latency and, on the other hand, the computing capacity of the respective cell processor can be used efficiently because it does not have to perform cyclical monitoring of the battery cell clock (polling).
Besonders bevorzugt wird ein hardware-basierter Ansatz für das Überwachen gewählt. Beispielsweise kann ein Timer genutzt werden, welcher nach Ablaufen einer eingestellten Zeit einen Digitalen I/O schalten kann (Output-Compare-Modus von Timer), der mit dem Timer verbunden ist. Die jeweilige Batteriezelle stellt also ihren eigenen Timer so ein, dass dieser zum Schaltzeitpunkt abläuft und dann den Schalter schaltet.A hardware-based approach for monitoring is particularly preferred. For example, a timer can be used which, after a set time has elapsed, can switch a digital I / O (output compare mode of timer) that is connected to the timer. The respective battery cell sets its own timer so that it expires at the time of switching and then switches the switch.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Batteriesystem mit zumindest einem Kommunikationsnetzwerk. Mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks sind eine zentrale Steuereinrichtung, eine Systemuhr zum Vorgeben einer absoluten Systemzeit und mehrere elektrisch leitend miteinander verschaltete, schaltbare Batteriezellen, aufweisend jeweilige mit der Systemuhr synchronisierte Batteriezellenuhren und jeweilige Sende-Empfangseinrichtungen, verbunden. Eine jeweilige Batteriezelle weist zumindest ein Schaltelement auf und ist dazu ausgebildet, mittels der Sende-Empfangseinrichtung von der Steuereinrichtung mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks eine Schaltanforderung für das zumindest eine Schaltelement zu empfangen.The invention also relates to a battery system with at least one communication network. By means of the at least one communication network, a central control device, a system clock for specifying an absolute system time and several electrically interconnected, switchable battery cells, having respective battery cell clocks synchronized with the system clock and respective transceiver devices, are connected. A respective battery cell has at least one switching element and is designed to receive a switching request for the at least one switching element by means of the transceiver device from the control device by means of the at least one communication network.
Erfindungsgemäß ist die zentrale Steuereinrichtung dazu ausgebildet, unter Berücksichtigung einer maximalen bekannten Übertragungslatenz des Kommunikationsnetzwerks einen Schaltzeitpunkt für die Schaltanforderung zu erzeugen oder zu berechnen und an die Sende-Empfangseinrichtung zu übermitteln. Der Schaltzeitpunkt bestimmt einen zukünftigen Systemzeitpunkt der Systemzeit zum Ausführen der zumindest einen Schaltanforderung.According to the invention, the central control device is designed to generate or calculate a switching time for the switching request, taking into account a maximum known transmission latency of the communication network, and to transmit it to the transceiver. The switching time determines a future system time of the system time for executing the at least one switching request.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die jeweilige Batteriezelle einen Zellenprozessor aufweist, der dazu ausgebildet ist, den Eintritt des Schaltzeitpunktes durch Überwachen der Batteriezellenuhr der jeweiligen Batteriezelle zu erkennen und bei dem Eintritt des Schaltzeitpunktes die zumindest eine Schaltanforderung auszuführen.Furthermore, it is provided according to the invention that the respective battery cell has a cell processor which is designed to recognize the occurrence of the switching time by monitoring the battery cell clock of the respective battery cell and to execute the at least one switching request when the switching time occurs.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the battery system according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the method according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the battery system according to the invention are not described again here.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Batteriesystems sieht vor, dass in der jeweiligen schaltbaren Batteriezelle jeweils ein elektrische Anschlüsse der Batteriezelle verbindender Zellzweig mit einer galvanischen Zelle und jeweils ein Bypasszweig zum Überbrücken der jeweiligen galvanischen Zelle angeordnet ist, wobei das zumindest eine Schaltelement als ein erstes Schaltelement zum Öffnen und Schließen des Zellzweigs oder als ein zweites Schaltelement zum Öffnen und Schließen des Bypasszweigs ausgebildet ist.A preferred embodiment of the battery system provides that a cell branch connecting electrical connections of the battery cell with a galvanic cell and a bypass branch for bridging the respective galvanic cell are arranged in the respective switchable battery cell, the at least one switching element being a first switching element for opening and closing the cell branch or is designed as a second switching element for opening and closing the bypass branch.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Zellverschaltung für ein Batteriesystem, aufweisend mehrere elektrisch leitend miteinander verschaltete, schaltbare Batteriezellen oder Smart Cells.The invention also relates to a cell interconnection for a battery system, having a plurality of switchable battery cells or smart cells that are interconnected in an electrically conductive manner.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zellverschaltung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Batteriesystems beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zellverschaltung hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the cell interconnection according to the invention which have features as already described in connection with the further developments of the method according to the invention and / or the battery system according to the invention have been described. For this reason, the corresponding developments of the cell interconnection according to the invention are not described again here.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems; -
2 eine schematische Darstellung einer einzelnen schaltbaren Batteriezelle; -
3 eine schematische Darstellung eines zeitsynchronen Ausführens jeweiliger Schaltanforderungen durch eine Mehrzahl an Batteriezellen; und -
4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Batteriesystems.
-
1 a schematic representation of a battery system; -
2 a schematic representation of a single switchable battery cell; -
3rd a schematic representation of a time-synchronous execution of respective switching requests by a plurality of battery cells; and -
4th a schematic representation of a method for operating a battery system.
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 each also 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 den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.
Unter Bezugnahme auf die in Zusammenhang mit
Die Batteriezelle
Im unteren Bereich der
Die Ausführung der jeweiligen Schaltanforderungen
In einer konkreten Ausführungsform kann das Verfahren folgendermaßen ablaufen: 1) Die zentrale Steuereinrichtung
Der Fall ts = 0 kann zum Beispiel genutzt werden, wenn die Schalter
In kommerziellen Elektrofahrzeugen werden in Lithium-Ionen basierten Batteriesystemen Sensordaten der Batteriezellen zu einem übergeordneten Steuergerät oder einer zentralen Steuereinrichtung, dem Batterie Management System (BMS) kommuniziert. Oftmals werden mehrere Batteriezellen zu sog. Modulen oder Zellmodulen oder Batteriemodulen zusammengeschlossen, welche die Sensordaten der einzelnen Zellen oder Batteriezellen sammeln und diese an das BMS senden. Es gibt auch Ansätze, in denen die Zellen direkt mit dem BMS kommunizieren, wodurch die Anzahl der Kommunikationsteilnehmer erheblich steigt.In commercial electric vehicles in lithium-ion-based battery systems, sensor data from the battery cells is communicated to a higher-level control unit or a central control device, the Battery Management System (BMS). Often several battery cells are combined to form so-called modules or cell modules or battery modules, which collect the sensor data from the individual cells or battery cells and send them to the BMS. There are also approaches in which the cells communicate directly with the BMS, whereby the number of communication participants increases considerably.
Als Schnittstelle zwischen BMS und Zellen bzw. Zellmodulen wird bisweilen hauptsächlich CAN(-FD) verwendet, aber auch immer mehr proprietäre kabelgebundene Kommunikationsprotokolle. Bei diesem Ansatz werden jedoch nur Sensordaten von den Zellen zum BMS kommuniziert. Aktuell gibt es im Fahrzeug keine Zellen, welche durch Elektronik auf Zellebene einzeln gesteuert werden könnten. Das bedeutet, dass heute keine Aktorik auf der Zelle über den Kommunikationspfad vom BMS aktiv angesteuert wird. Hierdurch ergibt sich der Nachteil, dass das kontrollierte Weg- und Hinzuschalten einzelner Batteriezellen ist zum heutigen Stand in Elektro- und Hybridfahrzeugen nicht vorgesehen ist. Zellen werden gemeinsam durch ein Hauptschütz von der Last getrennt. Würde man alle Zellen der Batterie (oder der Zellverschaltung) durch separate kabelgebundene optische oder elektrische Signale steuern, so würde das zu einem erheblichen Zuwachs an Komplexität, Gewicht und Kosten führen, da jede Zelle einzeln mit dem BMS verbunden werden müsste. Das BMS muss bei separaten kabelgebundenen Steuerleitungen in der Lage sein, all diese auch bedienen zu können, sprich, es müsste mit allen Zellen verbunden sein. Dies bedürfte einer Schnittstelle mit hunderten Leitungen, außerdem müsste das BMS über hunderte I/Os verfügen, was auch zu massiven erhöhten Kosten führen würde.As an interface between BMS and cells or cell modules, mainly CAN (-FD) is sometimes used, but more and more proprietary wired communication protocols are also used. With this approach, however, only sensor data is communicated from the cells to the BMS. There are currently no cells in the vehicle that could be individually controlled by electronics at cell level. This means that today no actuators on the cell are actively controlled by the BMS via the communication path. This results in the disadvantage that the controlled disconnection and connection of individual battery cells is currently not provided in electric and hybrid vehicles. Cells are jointly separated from the load by a main contactor. If all cells of the battery (or the cell wiring) were to be controlled by separate wired optical or electrical signals, this would lead to a considerable increase in complexity, weight and costs, since each cell would have to be individually connected to the BMS. With separate wired control lines, the BMS must be able to operate all of these, i.e. it must be connected to all cells. This would require an interface with hundreds of lines, and the BMS would also have to have hundreds of I / Os, which would also lead to massive increased costs.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Batteriesystem verschaltete Smart Cells, welche mit einem oder mehreren Schalterelementen oder Schaltelementen bestückt sind (vgl.
Beim Empfang der jeweiligen Botschaft dekodiert jede Zelle die ihr zugewiesenen Daten zur Schaltanforderung und die Schaltzeit. Die gewünschte Schalterstellung wird erst dann von der jeweiligen Smart Cell tatsächlich umgesetzt, wenn die gewünschte Schaltzeit gleich der netzwerksynchronen Systemzeit ist.When the respective message is received, each cell decodes the data assigned to it on the switching request and the switching time. The desired switch position is only actually implemented by the respective smart cell when the desired switching time is the same as the network-synchronous system time.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Realisierung der Schaltanforderungen über einen Kommunikationsbus Gewicht und Kosten gespart werden können, da eine Steuerleitung vom BMS zu jeder einzelnen Zelle hinfällig wird. Die Zellen und das BMS müssen lediglich an einen gemeinsamen Kommunikationsbus angeschlossen werden. Dadurch, dass die Smart Cells nicht sofort beim Empfang der Schaltanforderungen, sondern erst zur Schaltzeit ts schalten, werden Jitter und Verzögerungen auf dem Kommunikationspfad abstrahiert (vgl.
Um eine globale Uhr zu realisieren, braucht es Synchronisationsprotokolle wie zum Beispiel Time Triggered CAN (TTCAN), um die Uhren der einzelnen Busteilnehmer (also die Batteriezellenuhren und die Systemuhr) zu synchronisieren. Die Basis für ein echtzeitfähiges zeitsynchrones Schalten der Smart Cells ist eine globale Uhr auf Batteriesystemebene. Der Präzision der Uhren, also der maximale Unterschied der lokalen Uhr zwischen Smart Cells und zwischen Smart Cells und dem BMS, darf nur einen bestimmten maximalen Wert erreichen, welcher abhängig von den Echtzeitanforderungen des Batteriesystems ist. Das Synchronisationsprotokoll muss also in der Lage sein, in einer gewissen Auflösung genau zu synchronisieren und einen maximalen Drift garantieren zu können.In order to implement a global clock, synchronization protocols such as Time Triggered CAN (TTCAN) are required to synchronize the clocks of the individual bus participants (i.e. the battery cell clocks and the system clock). The basis for real-time, synchronous switching of the smart cells is a global clock at the battery system level. The precision of the clocks, i.e. the maximum difference of the local clock between Smart Cells and between Smart Cells and the BMS, may only reach a certain maximum value, which is dependent on the real-time requirements of the battery system. The synchronization protocol must therefore be able to synchronize precisely with a certain resolution and be able to guarantee maximum drift.
Die Umsetzung der Schaltanforderung und der Schaltzeit ist relativ einfach, da diese einfach als Kommunikationssignale in der Kommunikations-Matrix oder dem Kommunikationsnetzwerk festgelegt werden müssen. Wie diese Signale repräsentiert werden und auf wie viele Botschaften sie aufgeteilt werden ist hier nicht entscheidend. Wichtig ist nur, dass sowohl alle Schaltanforderungen als auch die Schaltzeit bei allen Smart Cells empfangen werden, bevor die Schaltzeit tatsächlich eintritt. Dies kann beispielsweise durch Vergabe von Botschafts-IDs mit hoher Priorität beim CAN Bus umgesetzt werden.The implementation of the switching request and the switching time is relatively simple, since these simply have to be defined as communication signals in the communication matrix or the communication network. How these signals are represented and into how many messages they are divided is not decisive here. It is only important that both all switching requests and the switching time are received by all Smart Cells before the switching time actually occurs. This can be implemented, for example, by assigning message IDs with high priority on the CAN bus.
Die Smart Cells sind bevorzugt dazu in der Lage, zur Schaltzeit mit möglichst geringer Latenz zu schalten, etwa durch Timer-basierte hochpriore Interrupts.The smart cells are preferably able to switch at the switching time with the lowest possible latency, for example by means of timer-based high-priority interrupts.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung zeitlich angekündigte Schaltanforderungen für Smartcell-Energiespeicher basierend auf einer hochgenauen netzwerkweiten Uhr bereitgestellt werden können.Overall, the examples show how switching requirements announced by the invention for smart cell energy storage devices based on a high-precision network-wide clock can be provided.
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