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Die Erfindung betrifft ein Hochvolt-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, wobei das Hochvolt-Bordnetz mindestens einen Hochvolt-Energiespeicher und mindestens eine elektrische Hochvolt-Komponente aufweist, wobei der Hochvolt-Energiespeicher mit der mindestens einen Hochvolt-Komponente über Hochvolt-Leitungen des Hochvolt-Bordnetzes gekoppelt oder zumindest koppelbar ist. Dabei weist das Hochvolt-Bordnetz mehrere dem Hochvolt-Energiespeicher und/oder der elektrischen Hochvolt-Komponente zugeordnete und miteinander durch einen Austausch von Daten kommunizierende Kommunikationseinheiten auf. Zur Erfindung gehört auch ein Hochvolt-Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Bordnetzes.
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Im Allgemeinen sind aus dem Stand der Technik diverse Kommunikationsmöglichkeiten beziehungsweise Kommunikationsarten bekannt. Zum Beispiel beschreibt die
DE 10 2011 109 422 A1 ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs mittels eines Ladekabels, welches mit einer Aufladestation verbunden ist. Hierbei wird fahrzeugseitig eine Art der Kommunikationsverbindung zwischen dem Fahrzeug und der Aufladestation ermittelt und in Abhängigkeit von dieser Art der Kommunikationsverbindung ein Lademodus ausgewählt. Beispielsweise kann im Rahmen der Kommunikation nach IEC 61851-1 der maximale Ladestrom durch ein pulsweitenmoduliertes Signal kommuniziert werden. Weiterhin beschreibt beispielsweise die
DE 10 2014 220 088 A1 , wie ein solches moduliertes Signal beispielsweise durch einen elektronischen Leistungsschalter in Abhängigkeit von einem am Eingang dieses Leistungsschalters bereitgestellten Eingangssignals bereitgestellt werden kann. Weiterhin beschreibt die
DE 10 2010 053 824 A1 ein System zum Regeln der Ladezustände einer Mehrzahl an Batterien während deren Lagerung. Dabei ist eine Mehrzahl an Ladegeräten vorgesehen, die zum Aufladen der gelagerten Batterien mit diesen verbunden werden können. Mit diesen Ladegeräten ist eine Energiemanagementeinheit verbunden die eine geeignete Ladekurve ermittelt. Diese Energiemanagementeinheit kann beispielsweise über je eine elektrische Leitungsverbindung mit den Ladegeräten kommunizieren, über die auch das jeweilige Ladegerät zum Aufladen der Batterie mit Energie versorgt wird. Diese Kommunikation ist auch als Stromleitungskommunikation bekannt und umfasst insbesondere eine Datenübertragung über bereits vorhandene Kommunikations- insbesondere Stromnetze.
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Aber auch innerhalb eines Hochvolt-Bordnetzes, und insbesondere innerhalb eines Hochvolt-Energiespeichers, wie zum Beispiel einer Hochvolt-Batterie müssen typischerweise vielzählige verschiedene Daten unter diversen Komponenten kommuniziert bzw. ausgetauscht werden. Eine solche Hochvolt-Batterie beziehungsweise ein solches Hochvoltsystem besteht üblicherweise aus einer großen Anzahl verschiedener Komponenten, wie zum Beispiel Zellen, Modulen und sonstigen Steuergeräten, die viele Parameter messen, zum Beispiel Spannungen oder Temperaturen, um den Zustand der Batterie zu bestimmen oder um in kritischen Situation notwendige Schutzmaßnahmen ergreifen zu können. Diese Daten werden dann beispielsweise von den einzelnen Bauteilen an ein zentrales Steuergerät übertragen. Diese Übertragung kann dabei grundsätzlich über die Bussysteme CAN (Controller Area Network) oder SPI (Serial Peripheral Interface), oder drahtlos, zum Beispiel über Bluetooth oder WLAN (Wireless Local Area Network) erfolgen.
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Der Nachteil bei der kabelgebundenen Übertragung von Daten besteht darin, dass eine solche Datenübertragung einen hohen schaltungstechnischen Aufwand erfordert, weil neben den zusätzlichen notwendigen Leitungen die gesamte Schnittstelle galvanisch getrennt werden muss, um unabhängig von den verschiedenen Potentialen innerhalb der Hochvolt-Batterie zu sein. Kabellose Datenübertragungen dagegen sind störanfällig. Insbesondere für das Übertragen von sicherheitskritischen Daten eignen diese sich also nur bedingt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Hochvolt-Bordnetz, einen Hochvolt-Energiespeicher und ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Bordnetzes bereitzustellen, welche eine möglichst effiziente Übermittlung von Daten zwischen kommunizierenden Komponenten ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Hochvolt-Bordnetz, durch einen Hochvolt-Energiespeicher und durch ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Bordnetzes mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Hochvolt-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug weist mindestens einen Hochvolt-Energiespeicher, wie zum Beispiel eine Hochvolt-Batterie, und mindestens eine elektrische Hochvolt-Komponente auf, wobei der Hochvolt-Energiespeicher mit der mindestens einen Hochvolt-Komponente über Hochvoltleitungen des Hochvolt-Bordnetz gekoppelt oder zumindest koppelbar ist, und wobei das Hochvolt-Bordnetz mehrere dem Hochvolt-Energiespeicher und/oder der elektrischen Hochvolt-Komponente zugeordnete und miteinander durch einen Austausch von Daten kommunizierender Kommunikationseinheiten aufweist. Dabei ist das Hochvolt-Bordnetz derart ausgebildet, dass die Daten zwischen den mehreren Kommunikationseinheiten mittels Trägerfrequenztechnik über zumindest eine der Hochvoltleitungen übertragbar sind.
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Mit anderen Worten können die Daten der Zellen oder Module oder diverser anderer Komponenten im Hochvoltsystem mittels Trägerfrequenztechnik, der sogenannten Powerline Communication, direkt über die Hochvoltleitungen übertragen werden, zum Beispiel an das zentrale Steuergerät oder zwischen den Steuergeräten. Durch die Verwendung der sowieso vorhandenen Hochvoltleitungen entfällt vorteilhafterweise ein zusätzlicher Schaltungsaufwand für die Datenübertragung. Es entfallen sowohl die zusätzlichen Leitungen als auch die galvanische Trennung. Darüber ist eine so gestaltete kabelgebundene Übertragung der Daten wesentlich störungsunanfälliger als eine kabellose Übertragung. Außerdem gibt es weniger Teil, die ausfallen können, was die Robustheit des Systems steigert. Auch die Skalierbarkeit des Systems wird vereinfacht, weil zusätzliche Teile bzw. Kommunikationseinheiten einfach ihn das System integriert werden können, ohne die Verkabelung ändern zu müssen. Für den Datenaustausch können damit einfach die an die betreffenden Komponenten ohnehin angeschlossenen Hochvoltversorgungsleitungen genutzt werden. Durch Ausnutzen der Hochvoltleitungen, also insbesondere der positiven Hochvoltleitungen, das heißt der Hochvoltleitungen die auf dem positiven Hochvoltpotential liegen, und/oder der negativen Hochvoltleitungen, das heißt der Hochvoltleitungen, die auf dem negativen Hochvoltpotential liegen, lässt sich damit eine deutlich effizientere Datenübertragung und Konzeptionierung des gesamten Hochvolt-Bordnetzes bereitstellen.
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Der Hochvolt-Energiespeicher stellt dabei vorzugsweise eine Hochvolt-Batterie dar, die mehrere miteinander verschaltete Batteriemodule, welche jeweils eine oder mehrere Batteriezellen, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, umfassen können, aufweist. Bei dem Hochvolt-Energiespeicher zugeordneten Kommunikationseinheiten kann es sich beispielsweise um Sensoren und/oder Steuergeräte handeln. Weiterhin können solche Kommunikationseinheiten der Einzelzellebene, der Modulebene und/oder der Gesamtbatterieebene zugeordnet sein. Beispielsweise kann es sich bei den als Steuergeräten ausgebildeten Kommunikationseinheiten um Steuergeräte handeln, die einem jeweiligen Batteriemodul zugeordnet sind, sogenannte Zellmanagement-Controller, oder auch um ein zentrales Steuergerät der Hochvolt-Batterie. Auch einzelne Batteriezellen können eine Intelligenz besitzen, so dass auch den jeweiligen einzelnen Batteriezellen eine jeweilige Steuereinheit zugeordnet sein kann bzw. von diesen umfasst sein kann. Auch die Sensoren können Sensoren sein, die den einzelnen Batteriezellen zugeordnet sind und zum Beispiel Messgrößen erfassen, die den jeweiligen einzelnen Batteriezellen zugeordnet sind. Es kann sich aber auch um Sensoren handeln, die ein gesamtes aus mehreren Einzelzellen zusammengesetztes Batteriemodul betreffen, sowie aber auch um Sensoren, die Messgrößen erfassen, die die gesamte aus mehreren Batteriemodulen zusammengesetzte Hochvolt-Batterie betreffen.
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Bei der mindestens einen elektrischen Hochvolt-Komponente kann es sich weiterhin im Allgemeinen um einen beliebigen Hochvoltverbraucher, zum Beispiel eine Leistungselektronik zur Versorgung eines Elektromotors, einen elektrischen Klimakompressor, einen DC/DC-Wandler, über welchen ein Niedervolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs aus dem Hochvolt-Bordnetz gespeist werden kann, und so weiter, handeln, sowie auch um eine Hochvolt-Komponente wie zum Beispiel ein Ladegerät, welches zum Laden des Hochvolt-Energiespeichers mit einer kraftfahrzeugexternen Energiequelle koppelbar ist. Entsprechend kann es sich bei den der mindestens einen elektrischen Hochvolt-Komponente zugeordneten Kommunikationseinheit beispielsweise um ein einer solchen Hochvolt-Komponente zugeordnetes Steuergerät oder ähnliches handeln. Aber auch ein Hochvolt-Energiespeicher, wie zum Beispiel eine Hochvolt-Batterie, stellt im Allgemeinen eine Hochvolt-Komponente dar. Das Hochvolt-Bordnetz kann also auch mehrere Hochvolt-Energiespeicher aufweisen, die bzw. deren zugeordnete Kommunikationseinheiten dann entsprechend durch Datenaustausch mittels Trägerfrequenztechnik untereinander kommunizieren können.
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Für all diese Komponenten und deren zugeordneten Kommunikationseinheiten ist nun vorteilhafter Weise die Möglichkeit bereitgestellt, Daten über Trägerfrequenztechnik auszutauschen und hierfür die vorhandenen Hochvolt-Leitungen zu nutzen. Unter einem Datenaustausch kann aus Sicht einer Kommunikationseinheit entweder nur das Senden von Daten, nur das Empfangen von Daten oder auch sowohl das Senden als auch das Empfangen solcher Daten verstanden werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt zumindest eine der Kommunikationseinheiten einen dem Hochvolt-Energiespeicher zugeordneten Sensor zum Erfassen einer den Hochvolt-Energiespeicher betreffenden Messgröße dar, insbesondere wobei ein der Messgröße zugeordneter und vom Sensor erfasster Messwert in Form der Daten mittels der Trägerfrequenztechnik zu einer Steuereinrichtung des Hochvolt-Bordnetzes übertragbar ist. Da typischerweise in einem Hochvolt-Energiespeicher vielzählige verschiedene Sensoren verbaut sind, um den Zustand des Hochvolt-Energiespeichers möglichst differenziert und zuverlässig zu überwachen, ist es besonders effizient, gerade solche von den betreffenden Sensoren erfassten Daten betreffend die Batteriezellen, oder die Module oder auch die Gesamtbatterie an ein Steuergerät über die beschriebene Trägerfrequenztechnik zu übermitteln. Bei diesem Steuergerät kann es sich dann beispielsweise um ein einem jeweiligen Batteriemodul zugeordnetes Steuergerät handeln, oder auch um ein zentrales Batteriesteuergerät, sowie gegebenenfalls auch ein Steuergerät außerhalb der Hochvolt-Batterie, wie zum Beispiel das Steuergerät einer der oben genannten Hochvolt-Komponenten. Gerade wenn diese von den Sensoren erfassten vielzähligen Batteriedaten über die vorhandenen Hochvolt-Leitungen an ein Steuergerät übermittelt werden, können zahlreiche andernfalls zusätzlich notwendige Datenleitungen eingespart werden. Gerade hierdurch lässt sich also der Aufwand innerhalb des Hochvolt-Energiespeichers bzw. innerhalb des Hochvolt-Bordnetzes bezüglich der Kommunikation und Datenübertragung enorm reduzieren.
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Prinzipiell ist es auch denkbar, dass die jeweiligen Sensoren beziehungsweise der mindestens eine Sensor, auch zum Empfang von Daten über die betreffenden Hochvolt-Leitungen ausgelegt sein kann. Gerade im Zusammenhang mit Sensoren ist es jedoch ausreichend, wenn diese, wie dies gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung vorgesehen sein kann, zum Beispiel ausschließlich zum Senden von Daten mittels Trägerfrequenztechnik über zumindest eine der Hochvolt-Leitungen ausgelegt sind, da Sensoren typischerweise nur zur Datenerfassung dienen, die an anderen Komponenten, insbesondere Steuereinrichtungen, bereitgestellt werden sollen, um weiterverarbeitet oder ausgewertet zu werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt zumindest eine der Kommunikationseinheiten eine dem Hochvolt-Energiespeicher zugeordnete Steuereinrichtung dar. Wie bereits erwähnt kann dies zum Beispiel eine einem Modul zugeordnete Steuereinrichtung oder auch eine zentrale Steuereinrichtung in Form eines zentralen Steuergeräts sein. Eine solche Steuereinrichtung übernimmt zum Teil die Funktion, die von den Sensoren erfassten Daten auszuwerten und gegebenenfalls auf Basis dieser Auswertung weitere Aktionen durch Ansteuerung diverser anderer Komponenten durchzuführen. Die Übermittlung gerade dieser Sensordaten an eine solche Steuereinrichtung über Trägerfrequenztechnik ist besonders vorteilhaft, wie dies bereits beschrieben wurde. Gerade im Zusammenhang mit einer solchen Steuereinrichtung ist es jedoch vorteilhaft, dass eine solche Steuereinrichtung sowohl Daten empfangen als auch senden kann, insbesondere über die Hochvolt-Leitungen mittels Trägerfrequenztechnik. So kann die Trägerfrequenztechnik nicht nur genutzt werden, um Daten an eine solche Steuereinrichtung zu übermitteln, insbesondere die genannten Sensordaten, sondern auch um die Steuersignale einer solchen Steuereinrichtung an andere Komponenten, insbesondere auch an die anderen Steuergeräte der Hochvolt-Komponenten, zu übermitteln. Der große Vorteil der Verwendung der Trägerfrequenztechnik gerade im Zusammenhang mit dem Hochvolt-Energiespeicher zugeordneten Steuereinrichtungen besteht vor allem darin, dass gerade hier dann die ansonsten erforderliche aufwändige galvanische Trennung entfallen kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kommunikationseinheiten jeweils ein Modulationsmodul, insbesondere ein Modul zur Trägerfrequenzübertragung, auf, welches dazu ausgelegt ist, ein Signal zur Übertragung der Daten auf den durch die zumindest eine der Hochvoltleitungen geführten Strom aufzumodulieren und/oder zur Erfassung von mittels der Trägerfrequenztechnik übertragener Daten ein auf den durch die zumindest eine der Hochvoltleitungen geführten Strom aufmodulierte Signal zu erfassen und auszuwerten und insbesondere wiederum zu demodulieren. Mit anderen Worten kann dieses Modul die zu übertragenden Daten auf den durch die betreffende Hochvoltleitung geführten Strom aufmodulieren, und umgekehrt kann ein solches Modul zum Empfangen solcher Daten die entsprechend durch den Strom durch die betreffende Hochvoltleitung transportierten Datensignale wieder demodulieren und somit auslesen. Ein solches Modulationsmodul kann aber auch nur zum Modulieren von Daten ausgelegt sein oder nur zum Demodulieren von Daten. Wie bereits erwähnt ist es für manche Komponenten unter Umständen sinnvoll oder effizienter, diese nur zum Senden von solchen Daten über Powerline Communication auszubilden, andere Komponenten wiederum nur zum Empfangen solcher Daten auszubilden. Dann können die jeweiligen Modulationsmodule der betreffenden Komponenten entsprechend ausgebildet sein, um entweder nur zum Senden von Daten die entsprechenden Signale auf den Strom aufzumodulieren, oder nur dazu ausgebildet sein, diese übertragenden Signale zu demodulieren und dadurch die Daten zu empfangen.
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Die Kommunikation über die Trägerfrequenztechnik lässt sich durch solche Modulationsmodule besonders einfach umsetzen. Andere Modifikationen an den einzelnen Kommunikationseinheiten sind nicht vonnöten. Zur Umsetzung der beschriebenen Kommunikation kann also einfach jede Kommunikationseinheit, die Daten senden und/oder empfangen können soll, wie Zellen, Module, die elektrische Maschine, usw., mit einem solchen Modul zur Trägerfrequenzübertragung ausgestattet werden. Je nach Ausführung des Systems kann dann auch dieses Modulationsmodul entsprechend ausgebildet sein, so dass zum Beispiel die Teilnehmer des Kommunikationssystems sowohl senden als auch empfangen oder nur senden beziehungsweise nur empfangen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kommunikationseinheiten derart ausgestaltet, dass die Daten als Broadcast übertragbar sind. Die von einer Kommunikationseinheit gesendeten Daten können damit von allen an der entsprechenden Hochvoltleitung angeschlossenen anderen Kommunikationseinheiten empfangen und auch gelesen werden, sofern diese zum Empfang ausgelegt sind. Eine solche Kommunikation kommt damit ohne jegliche Art von Adressierung aus. Entsprechend müssen den jeweiligen Kommunikationseinheiten auch keine Adressen oder keine fixen Adressen zugeordnet sein und insbesondere müssen den jeweiligen sendenden Kommunikationseinheiten nicht die Adressen der anderen Teilnehmer, das heißt der anderen Kommunikationseinheiten, bekannt sein. Jeder Empfänger einer solchen Broadcastübertragung entscheidet damit selbst, ob er im Falle seiner Zuständigkeit die erhaltenen Daten entweder verarbeitet oder andernfalls stillschweigend verwirft. Mit anderen Worten ist jede der Kommunikationseinheiten, die Daten über die beschriebene Trägerfrequenztechnik als Broadcast empfangen kann, dazu ausgelegt, zu entscheiden, ob sie für die Weiterverarbeitung dieser Daten zuständig ist oder nicht. Kommunikationseinheiten, die keine Daten empfangen müssen, wie zum Beispiel die oben genannten Sensoren, müssen entsprechend nicht derartig ausgelegt sein. Dadurch, dass vollständig auf eine Adressierung verzichtet werden kann, kann das Hochvolt-Bordnetz auch in beliebiger Weise um weitere Komponenten, d.h. Kommunikationseinheiten, ergänzt werden oder es können Komponenten, d.h. Kommunikationseinheiten, ausgetauscht werden ohne das System dann in irgendeiner Weise neu konfigurieren zu müssen. Auch die Initialisierung dieses Kommunikationssystems kann voll automatisch erfolgen. Dadurch, dass keine weitere Verkabelung notwendig ist, melden sich die einzelnen Steuergeräte und/oder Sensoren zum Beispiel direkt beim zentralen Steuergerät an und senden danach die Daten.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kommunikationseinheiten derart ausgestaltet, zumindest diese, die zum Senden der Daten ausgelegt sind, dass diese ihre jeweils zu übertragenden Daten zeitlich sequentiell, insbesondere zyklisch, übertragen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere, insbesondere vielzählige, solcher Kommunikationseinheiten Daten über die Hochvoltleitungen übermitteln sollen. Dies gilt insbesondere für die bereits beschriebenen zahlreichen in einem solchen Hochvolt-Energiespeicher vorgesehenen Sensoren, aber auch für die in einem Hochvolt-Bordnetz vorhandenen Steuergeräte. Für eine solche Datenübermittlung kann dann zum Beispiel einfach eine Reihenfolge festgelegt werden und die Komponenten können dann zum Beispiel gemäß einem vorgegebenen Takt zyklisch ihre Daten auf die Hochvoltleitungen aufmodulieren. Bei Vorhandensein eines zentralen Steuergeräts können die anderen Kommunikationseinheiten zum Beispiel zyklisch ihre Daten an dieses zentrale Steuergerät übertragen. Zum Beispiel können die einzelnen Sensoren ihre jeweils erfassten Messwerte, insbesondere in bestimmten Zeitintervallen erfassen Messwerte, zyklisch an ein solches Steuergerät übertragen. Somit ist vorteilhafterweise eine koordinierte Datenübertragung auch bei vielzähligen Kommunikationsteilnehmern möglich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Hochvoltbordnetz derart ausgebildet, dass die Daten zwischen den mehreren Kommunikationseinheiten nur über eine der Hochvoltleitungen übertragen werden. Wie eingangs bereits beschrieben, wird bei den Hochvoltleitungen zwischen den zwei Arten, nämlich der positiven Hochvoltleitung und der negativen Hochvoltleitung, unterschieden. Jede Hochvolt-Komponente ist dabei typischerweise mit beiden dieser Leitungen gekoppelt, da dies zur Stromversorgung der entsprechenden Hochvolt-Komponenten erforderlich ist. Entsprechend kann eine Datenübertragung nur über die positive Hochvoltleitung oder auch nur über die negative Hochvoltleitung erfolgen. Das einer jeweiligen Kommunikationseinheit zugeordnete Modulationsmodul ist dann entsprechend zur Datenübermittlung oder zum Datenempfang bezüglich dieser einen der beiden Hochvoltleitungen ausgelegt. Dadurch gestaltet sich die Datenübermittlung besonders effizient, da die Übermittlung über eine der beiden Hochvoltleitungen bereits ausreichend ist, um alle angeschlossenen Komponenten beziehungsweise Kommunikationseinheiten zu erreichen.
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Andererseits ist es aber auch vorteilhaft, wenn das Hochvoltbordnetz derart ausgebildet ist, dass die Daten zwischen den mehreren Kommunikationseinheiten über beide Hochvoltleitungen, insbesondere redundant, übertragen werden. Von einer Kommunikationseinheit können die zu übertragenden Daten also in redundanter Weise sowohl über die positive als auch über die negative Hochvoltleitung übertragen werden. Durch diese Redundanz kann ein erhöhtes Maß an Sicherheit bereitgestellt werden, denn kommt es zu einer Diskrepanz beim Empfang dieser Daten über die positive Hochvoltleitung und über die negative Hochvoltleitung, so kann auf irgendeine Art von Fehler geschlossen werden. Wird zum Beispiel von einer betreffenden Kommunikationseinheit nur über eine dieser beiden Hochvoltleitungen Daten empfangen, obwohl diese Kommunikationseinheit die Daten über beide Hochvoltleitungen hätte empfangen sollen, oder weichen die über die positive Hochvoltleitung empfangenen Daten von den über die negative Hochvoltleitung empfangenen Daten ab, so können die betreffenden empfangenen Daten als weniger verlässlich klassifiziert werden, als wenn über beide Hochvoltleitungen, wie dies idealerweise auch der Fall ist, die gleichen Daten bzw. Daten mit gleichem Inhalt empfangen werden. Gerade bei sehr sicherheitskritischen Daten kann durch diese redundante Übertragung ein erhöhtes Maß an Sicherheit bereitgestellt werden. Auch im Falle irgendeines Defekts einer der Übertragungsleitungen und/oder Kommunikationseinheiten kann dann entsprechend eine Datenübertragung weiterhin über die andere der beiden Hochvoltleitungen erfolgen und damit weiterhin sichergestellt werden. Auch hierdurch lässt sich die Sicherheit weiter steigern.
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Diese Redundanz lässt sich auf besonders einfache Weise bereitstellen, da die beiden Hochvoltleitungen, nämlich die positive sowie die negative in einem Hochvolt-Bordnetz ohnehin vorhanden sind. Würde man eine solche redundante Auslegung in bisher bei Hochvolt-Bordnetzen üblichen Kommunikationssystemen umsetzen wollen, so würde dies eine Verdopplung der insgesamt ohnehin zusätzlich benötigten Datenleitungen bedeuten, was einen enormen Mehraufwand bedeuten würde. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung lässt sich die erhöhte Sicherheit durch die redundante Datenübermittlung jedoch ohne jeglichen Zusatzaufwand bereitstellen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Hochvolt-Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, wobei der Hochvolt-Energiespeicher mit mindestens einer Hochvolt-Komponente über Hochvoltleitungen koppelbar ist, wobei dem Hochvolt-Energiespeicher mehrere miteinander durch einen Austausch von Daten kommunizierender Kommunikationseinheiten zugeordnet sind, insbesondere mindestens eine Steuereinrichtung und mindestens ein Sensor zum Erfassen einer den Hochvolt-Energiespeicher betreffenden Messgröße, wobei der Hochvolt-Energiespeicher weiterhin derart ausgebildet ist, dass die Daten zwischen den mehreren Kommunikationseinheiten mittels Trägerfrequenztechnik über zumindest eine der Hochvoltleitungen übertragbar sind.
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Für den erfindungsgemäßen Hochvolt-Energiespeicher ergeben sich die gleichen Vorteile, wie bereits zum erfindungsgemäßen Hochvolt-Bordnetz und seinen Ausgestaltungen beschrieben. Darüber hinaus ermöglichen die weiteren, zum Hochvolt-Bordnetz und seinen Ausführungen bereits beschriebenen Merkmale, die korrespondierende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hochvolt-Energiespeichers.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Bordnetzes, welches mindestens einen Hochvolt-Energiespeicher und mindestens eine elektrische Hochvolt-Komponente aufweist, wobei der Hochvolt-Energiespeicher mit der mindestens einen Hochvolt-Komponente über Hochvoltleitungen des Hochvolt-Bordnetzes gekoppelt oder zumindest koppelbar ist, und wobei das Hochvolt-Bordnetz mehrere dem Hochvolt-Energiespeicher und/oder der elektrischen Hochvolt-Komponente zugeordnete und miteinander durch einen Austausch von Daten kommunizierender Kommunikationseinheiten aufweist. Dabei werden die Daten zwischen den mehreren Kommunikationseinheiten mittels Trägerfrequenztechnik über zumindest eine der Hochvoltleitungen übertragen.
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Auch hier ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile, wie bereits zum erfindungsgemäßen Hochvolt-Bordnetz und seinen Ausgestaltungen beschrieben.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hochvolt-Bordnetzes beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Hochvolt-Bordnetz oder eine seiner Ausgestaltungen und/oder mit einem erfindungsgemäßen Hochvolt-Energiespeicher oder eine seiner Ausgestaltungen soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. 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.
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Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung eines Hochvolt-Bordnetzes 10 für ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvolt-Energiespeicher in Form einer Hochvolt-Batterie 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zusätzlich zur Hochvolt-Batterie 12 kann das Hochvolt-Bordnetz 10 noch diverse weitere Hochvolt-Komponenten 14 aufweisen, von denen exemplarisch hier nur eine dargestellt ist. Weiterhin ist die Hochvolt-Batterie 12 mit der mindestens einen Hochvolt-Komponente 14 über Hochvoltleitungen HV+, HV- gekoppelt oder zumindest koppelbar. Die positive Hochvoltleitung ist hierbei mit HV+ bezeichnet und die negative Hochvoltleitung mit HV-. Die Hochvolt-Batterie 12 kann weiterhin über Hochvolt-Schütze 16 vom restlichen Hochvolt-Bordnetz 10 und damit auch von den Hochvolt-Komponenten 14 abgekoppelt werden. Im normalen, betriebsgemäßen Zustand, insbesondere während des Fahrbetriebs beziehungsweise bei angeschalteter Zündung oder auch beim Laden der Hochvolt-Batterie 12 sind diese Hochvolt-Schütze 16 geschlossen und die Hochvolt-Komponenten 14 können durch die Hochvolt-Batterie 12 mit Energie versorgt werden oder umgekehrt die Hochvolt-Batterie 12 kann zum Beispiel über eine als Ladegerät ausgebildete Hochvolt-Komponente 14, die mit einer kraftfahrzeugexternen Energiequelle koppelbar ist, mit Energie versorgt beziehungsweise geladen werden.
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Die Hochvolt-Batterie 12 kann mehrere Batteriemodule 18 aufweisen, von denen hier exemplarisch nur zwei aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt sind. Jedes der Batteriemodule 18 kann wiederum mehrere Batteriezellen 20 aufweisen, von denen pro Modul 18 hier wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich zwei dargestellt sind. Diese Batteriezellen 20 können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein und sich in einer beliebigen Serien- und/oder Parallelschaltung befinden, ebenso wie die Batteriemodule 18. Weiterhin weist die Hochvolt-Batterie 12 auch in diesem Beispiel eine zentrale Steuereinrichtung 22 auf. Auch können den einzelnen Modulen 18 Modulsteuergeräte zugeordnet sein, die hier wiederum nicht dargestellt sind. Zudem kann die Hochvolt-Batterie 12 ohne zentrales Steuergerät 22 ausgeführt sein und eine Steuerung der einzelnen Komponenten kann dezentral, zum Beispiel über die einzelnen Modulsteuergeräte der Batteriemodule 18, erfolgen. Auch die Hochvolt-Komponenten 14 können eine solche Steuereinrichtung 24 aufweisen. Weiterhin weist die Hochvolt-Batterie 12 auch diverse Sensoren auf. Von diesen sind exemplarisch ein Stromsensor 26 zur Erfassung eines Batteriegesamtstroms I, ein Spannungssensor 28 zur Erfassung einer von der Hochvolt-Batterie 12 bereitgestellten Gesamtspannung U, sowie exemplarisch ein Temperatursensor 30 zur Erfassung einer Batterietemperatur und/oder Modultemperatur beziehungsweise Zelltemperatur. Diese Sensoren 26, 28, 30 sind dabei ebenfalls mit den Hochvoltleitungen HV+, HV- gekoppelt. Insbesondere können diese Sensoren 26, 28, 30 über diese Hochvoltleitungen HV+, HV-auch mit Energie versorgt werden. Gleiches gilt auch für das zentrale Steuergerät 22 der Hochvolt-Batterie 12, sowie für die Hochvolt-Komponenten 14.
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In einem solchen Hochvolt-Bordnetz 10 und insbesondere innerhalb der Hochvolt-Batterie 12 werden üblicherweise zahlreiche Daten ausgetauscht. Insbesondere übermitteln die einzelnen Sensoren 26, 28, 30 ihre erfassten Messwerte an das zentrale Steuergerät 22, welches diese Daten zur Überwachung der Hochvolt-Batterie 12 auswertet und in Abhängigkeit von dieser Auswertung Funktionen auslösen kann und insbesondere auch andere Komponenten steuern kann, wie zum Beispiel die Hochvolt-Schütze 16. Weiterhin kann das Steuergerät 22 auch Fehler oder andere Informationen an die Hochvolt-Komponenten 14 übermitteln. Vor allem aufgrund der von den Sensoren 26, 28, 30 erfassten zahlreichen Messwerte sind hierzu sehr viele Daten zu ermitteln. Vor allem sind auch in der Hochvolt-Batterie 12 zahlreiche solcher Sensoren 26, 28, 30 verbaut.
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Würden solche Daten, wie dies üblicherweise der Fall ist, durch separat vorgesehene Datenleitungen an ein Steuergerät übermittelt werden, so würde dies einen enormen Verkabelungsaufwand bedeuten. Die drahtlose Übermittlung von Daten kommt in den meisten Fällen jedoch nicht in Betracht, da eine solche drahtlose Übermittlung sehr fehleranfällig ist.
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Diese Probleme werden nun vorteilhafterweise dadurch gelöst, dass eine Datenübermittlung vorliegend zwischen den einzelnen Komponenten mittels Trägerfrequenztechnik über zumindest eine der Hochvoltleitungen HV+, HV- erfolgt. Kommunikationseinheiten, die entsprechend Daten untereinander austauschen können, stellen also vorliegend beispielsweise die Sensoren 26, 28, 30, das zentrale Steuergerät 22, sowie die Hochvolt-Komponenten 14 bzw. deren Steuergeräte 24, dar. Bei einer Datenübertragung mittels Trägerfrequenztechnik werden die zu übertragenden Informationen auf dem durch die Hochvoltleitungen HV+, HV- geführten Strom aufmoduliert. Zu diesem Zweck können die betreffenden Komponenten, insbesondere die genannten Kommunikationseinheiten, jeweils ein entsprechendes Modulationsmodul 32 aufweisen, welches also entsprechend ein Modul zur Trägerfrequenzübertragung darstellt. Die zu übertragenden Daten sind vorliegend in der einzigen Fig. als mit D bezeichnete Signale dargestellt. Die einzelnen Kommunikationseinheiten 26, 28, 30, 22, 24 können dabei jeweils so ausgestaltet sein, dass diese entweder nur Daten D senden können, nur Daten D empfangen können, oder beides, das heißt sowohl Daten D senden als auch empfangen können. Die jeweiligen Modulationsmodule 32 können dann entsprechend konfiguriert sein. Gerade bezüglich der Sensoren 26, 28, 30 ist eine Ausbildung derart, dass diese Daten D nur senden können, vollkommen ausreichend, um die von den jeweiligen Sensoren 26, 28, 30 erfassten Messdaten an das zentrale Steuergerät 22 zu übermitteln.
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Gerade wenn auf diese Weise vielzählige verschiedene Komponenten Daten D austauschen, ist es vorteilhaft, wenn dieser Datenaustausch zeitlich koordiniert erfolgt. Beispielsweise können die Messwerte der einzelnen Komponenten beziehungsweise Sensoren 26, 28, 32 zyklisch an das zentrale Steuergerät 22 übertragen werden. Der Stromsensor 26 übermittelt seine Messdaten D beispielsweise zu einem Zeitschritt t=1, der Temperatursensor 30 zu einem Zeitschritt t=2, der Spannungssensor 28 seine Messdaten zu einem Zeitschritt t=3, usw. Diese Reihenfolge kann dann entsprechend zyklisch wiederholt werden.
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Auch das zentrale Steuergerät 22 kann Daten D senden. Beispielsweise können auf diese Weise Daten D vom zentralen Steuergerät 22 an die anderen Hochvolt-Komponenten 14 übermittelt werden. Dies erfolgt in der einzigen Fig. exemplarisch in einem Zeitschritt t=4. Entsprechend können auch für die Steuergeräte 22, 24 entsprechende Zeitslots zur Datenübertragung beziehungsweise zum Senden entsprechender Daten D vorgehalten werden. Es kann auch eines der Steuergeräte die zeitliche Koordination der Datenübermittlung übernehmen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die betreffenden Daten D als Broadcast übertragen werden. Dann ist entsprechend keine Adressierung der einzelnen Komponenten notwendig. Die einzelnen Komponenten, die dann die jeweiligen Daten D empfangen, entscheiden dann selbst, ob sie zur Weiterverarbeitung, oder Auswertung dieser Daten zuständig sind oder nicht. Gerade auf diese Weise, das heißt je nach verwendetem Busprotokoll, ist ein Austausch von Komponenten innerhalb des Hochvolt-Bordnetzes 10 oder eine Erweiterung des Systems, das heißt des Hochvolt-Bordnetzes 10 durch weitere Kommunikationseinheiten, völlig ohne Hard- und Softwareeingriffe möglich. Damit ist auch die Skalierbarkeit des Systems deutlich vereinfacht, weil zusätzliche Teile einfach in das System integriert werden können, ohne die Verkabelung ändern zu müssen. Durch die Verwendung der sowieso vorhandenen Hochvoltleitungen HV+, HV- entfällt ein zusätzlicher Schaltungsaufwand für die Datenübertragung. Es entfallen sowohl die zusätzlichen Leitungen als auch die galvanische Trennung, die andernfalls notwendig wäre und sich üblicherweise sehr aufwändig gestaltet. Nichtsdestoweniger kann auch mittels Trägerfrequenztechnik vorteilhafterweise eine kabelgebundene und damit deutlich zuverlässigere und störungsunanfälligere Übertragung von Daten D verwendet werden, als dies durch eine kabellose möglich wäre. Auch die Initialisierung des Systems kann vollautomatisch erfolgen. Dadurch, dass keine Verkabelung notwendig ist, können sich die einzelnen Steuergeräte, zum Beispiel die Sensoren 26, 28, 30 sowie die Steuergeräte der Module 18 oder andere Steuergeräte, direkt beim zentralen Steuergerät 22 anmelden und danach ihre Daten D senden, insbesondere wie zuvor beschrieben. Damit ist auch eine vorherige Konfiguration des Systems nicht notwendig.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Kommunikation innerhalb eines Hochvoltsystems in einem Kraftfahrzeug mittels Trägerfrequenztechnik bereitgestellt werden kann, durch welche sich der Aufbau des Hochvolt-Bordnetzes sowohl hardwareseitig als auch softwareseitig deutlich vereinfacht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011109422 A1 [0002]
- DE 102014220088 A1 [0002]
- DE 102010053824 A1 [0002]
