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Die Erfindung betrifft eine Batteriesteuerungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Batteriesteuerungsanordn ung.
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Moderne Batterien, insbesondere im Bereich der Elektromobilität, umfassen eine Batteriesteuerung in Form eines zentralen Batteriemanagementcontrollers (BMC), der mit mehreren Batteriezellencontrollern kommuniziert. Die Batteriezellencontroller (auch als Cell Management Controller, CMC, bezeichnet) sind jeweils mit einer Vielzahl von Batteriemanagementeinrichtungen (auch als Battery Management System, BMS oder „BMS ASIC“, bezeichnet) verbunden. Die Batteriemanagementeinrichtungen überwachen und steuern jeweils eine oder mehrere Batteriezellen. Gemeinsam bilden der Batteriemanagementcontroller, die Batteriezellencontroller und die Batteriemanagementeinrichtungen eine Batteriesteuerungsanordn ung.
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Eine Kommunikation zwischen dem Batteriemanagementcontroller und den Batteriezellencontrollern findet hierbei physikalisch und logisch über einen Controller Area Network-(CAN)-Bus statt. In den Batteriezellencontrollern wird die Kommunikation mittels eines Mikrocontrollers und eines Daisy-Chain-Transceivers auf eine serielle Kommunikation umgewandelt.
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Aus der
US 2013/0088237 A1 ist eine Batterieüberwachungsvorrichtung bekannt, die einen Spannungszustand von Batteriezellen einer Batterie überwacht, umfassend eine Spannungserfassungsschaltung; eine Steuerschaltung, die Spannungserfassungsdaten jeder Batteriezelle unter Verwendung der Spannungserfassungsschaltung verwaltet; einen Kommunikationsmoduswandler, der mit der Spannungserfassungsschaltung über eine erste Kommunikationsleitung zum Kommunizieren unter Verwendung eines taktsynchronen Kommunikationsmodus verbunden ist und mit der Steuerschaltung über eine zweite Kommunikationsleitung zum Kommunizieren unter Verwendung eines taktasynchronen Kommunikationsmodus verbunden ist; und ein Isolierelement, das in der zweiten Kommunikationsleitung angeordnet ist, wobei der Kommunikationsmoduswandler die von jeder der Spannungserfassungsschaltungen empfangenen Spannungserfassungsdaten über die erste Kommunikationsleitung und die zweite Kommunikationsleitung an die Steuerschaltung überträgt.
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Aus der
US 2010/0259221 A1 sind ein Batterieüberwachungs- und Steuersystem und ein Verfahren zum Überwachen und Steuern bekannt, die einen redundanten und unabhängigen symmetrischen sekundären seriellen Bus zusätzlich zu einem primären seriellen Bus innerhalb eines Batterieüberwachungs- und Steuersystems bereitstellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Batteriesteuerungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Batteriesteuerungsanordnung zu vereinfachen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriesteuerungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Insbesondere wird eine Batteriesteuerungsanordnung geschaffen, umfassend einen Batteriemanagementcontroller, mindestens einen Batteriezellencontroller, und mindestens eine dem mindestens einen Batteriezellencontroller zugeordnete Batteriemanagementeinrichtung, wobei die mindestens eine Batteriemanagementeinrichtung derart ausgebildet ist, mindestens eine Batteriezelle zu überwachen und/oder zu steuern, wobei die mindestens eine Batteriemanagementeinrichtung über eine serielle Kommunikationsschnittstelle kommunizieren kann, und wobei der Batteriemanagementcontroller und der mindestens eine Batteriezellencontroller jeweils einen Controller Area Network-(CAN)-Transceiver aufweisen und, insbesondere zumindest auf physikalischer Ebene, über einen CAN-Bus miteinander verbunden sind, wobei der Batteriemanagementcontroller ferner eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, über eine, insbesondere zumindest auf physikalischer Ebene, über die CAN-Transceiver und den CAN-Bus übertragene serielle Kommunikation mit der mindestens einen Batteriemanagementeinrichtung zu kommunizieren.
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Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Batteriesteuerungsanordnung zur Verfügung gestellt, wobei die Batteriesteuerungsanordnung einen Batteriemanagementcontroller, mindestens einen Batteriezellencontroller, und mindestens eine dem mindestens einen Batteriezellencontroller zugeordnete Batteriemanagementeinrichtung umfasst, wobei die mindestens eine Batteriemanagementeinrichtung mindestens eine Batteriezelle überwacht und/oder steuert, wobei die mindestens eine Batteriemanagementeinrichtung über eine serielle Kommunikationsschnittstelle kommunizieren kann, und wobei der Batteriemanagementcontroller und der mindestens eine Batteriezellencontroller jeweils einen Controller Area Network-(CAN)-Transceiver aufweisen und, insbesondere zumindest auf physikalischer Ebene, über einen CAN-Bus miteinander verbunden sind, wobei mittels einer Steuereinrichtung des Batteriemanagementcontrollers über eine, insbesondere zumindest auf physikalischer Ebene, über die CAN-Transceiver und den CAN-Bus übertragene serielle Kommunikation mit der mindestens einen Batteriemanagementeinrichtungen kommuniziert wird.
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Die Batteriesteuerungsanordnung und das Verfahren ermöglichen es, einen Aufbau der Batteriesteuerungsanordnung zu vereinfachen. Hierzu wird eine Kommunikationsverbindung auf Grundlage des CAN-Buses zwischen dem Batteriemanagementcontroller und dem mindestens einen Batteriezellencontroller ausgebildet. Es wird insbesondere die physikalische Ebene, das heißt eine Bitübertragungsschicht (engl. physical layer), des CAN-Busses verwendet. Um eine serielle Kommunikation zu ermöglichen, weisen sowohl der Batteriemanagementcontroller als auch der mindestens eine Batteriezellencontroller einen CAN-Transceiver auf. Die beiderseitigen CAN-Transceiver sorgen dafür, dass Spannungssignale in Form von High-/Low-Pegeln zwischen dem Batteriemanagementcontroller und dem Batteriezellencontroller über den CAN-Bus übertragen werden können. Die CAN-Transceiver arbeiten daher insbesondere als Kommunikationsumsetzer. Anders ausgedrückt wird die serielle Kommunikation über den CAN-Bus in beide Richtungen weitergeleitet. Auf der Seite des Batteriezellencontrollers können daher serielle Kommunikationsschnittstellen einzelner Batteriemanagementeinrichtungen in Serie (d.h. als „daisy chain“) miteinander und mit dem CAN-Transceiver verbunden werden. Es ist somit möglich, auf Grundlage der seriellen Kommunikationsschnittstelle eine serielle Kommunikationsverbindung zwischen der Steuereinrichtung des Batteriemanagementcontrollers und der mindestens einen Batteriemanagementeinrichtung auszubilden.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, das ein Aufbau der Batteriesteuerungsanordnung vereinfacht werden kann, da auf einen Mikrocontroller in dem mindestens einen Batteriezellencontroller, der eine Umsetzung eines Kommunikationsprotokolls von CAN auf eine serielle Kommunikation durchführen muss, verzichtet werden kann.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Batterieanordnung flexibler verwendet werden kann. Insbesondere kann ein Wechseln bzw. Anpassen auf andere Batteriemanagementeinrichtungen (z.B. andere „BMS ASICs“) einfacher erfolgen, da das Anpassen einer Kommunikation nicht in jedem Batteriezellencontroller separat erfolgen muss. Hingegen muss lediglich eine zentrale Ansteuerung im Batteriemanagementcontroller angepasst werden, indem beispielsweise eine serielle Kommunikationsschnittstelle der Steuereinrichtung des Batteriemanagementcontrollers entsprechend angepasst wird.
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Ein CAN-Transceiver stellt insbesondere eine elektrische Schnittstelle zum Senden und Empfangen über einen CAN-Bus bereit. Der CAN-Transceiver wandelt insbesondere ein serielle Verbindung (RxD/TxD) in ein differentielles Format (CAN High/CAN Low) um und erlaubt hierdurch eine Anbindung an einen physikalischen CAN-Bus.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass direkt in Serie miteinander verbundene Batteriemanagementeinrichtungen durch Isolatoren voneinander getrennt sind, sodass eine galvanische Trennung sichergestellt ist. Ein entsprechender Isolator kann auch zwischen dem CAN-Transceiver eines Batteriezellencontrollers und der mindestens einen Batteriemanagementeinrichtung vorgesehen sein.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass der CAN-Transceiver selbst eine Isolation zur galvanische Trennung am Niedervolt/Hochvoltübergang der Batteriesteuerungsanordnung bereitstellt.
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Teile der Batteriesteuerungsanordnung, insbesondere die Steuereinrichtung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet sind.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Batteriezellencontroller einen weiteren CAN-Transceiver aufweist, wobei die Batteriesteuerungsanordnung mindestens einen weiteren Batteriezellencontroller mit mindestens einer diesem zugeordneten Batteriemanagementeinrichtung aufweist, und wobei der weitere CAN-Transceiver, insbesondere zumindest auf physikalischer Ebene, über einen weiteren CAN-Bus mit einem CAN-Transceiver des mindestens einen weiteren Batteriezellencontrollers verbunden ist. Hierdurch können Batteriezellencontroller in Serie jeweils über einen CAN-Bus miteinander verbunden werden. Die serielle Kommunikation der seriellen Kommunikationsschnittstellen wird hierbei an alle Batteriezellencontroller und jeweils diesen zugeordneten Batteriemanagementeinrichtungen weitergeleitet. Durch das Verwenden des CAN-Busses zwischen einzelnen Batteriezellencontrollern kann eine Interferenz verringert werden, da der CAN-Bus auf differentielle Weise arbeitet.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist entsprechend vorgesehen, dass mindestens ein weiterer Batteriezellencontroller in Serie mit dem mindestens einen Batteriezellencontroller betrieben wird, wobei eine serielle Kommunikation zwischen dem Batteriemanagementcontroller und mindestens einer Batteriemanagementeinrichtung des mindestens eines weiteren Batteriezellencontrollers über einen zwischen einem weiteren CAN-Transceiver des Batteriezellencontrollers und einen CAN-Transceiver des mindestens einen weiteren Batteriemanagementcontrollers, insbesondere zumindest auf physikalischer Ebene, ausgebildeten weiteren CAN-Bus weitergeleitet wird.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Batteriesteuerungsanordnung mindestens einen weiteren Batteriezellencontroller mit mindestens einer Batteriemanagementeinrichtung aufweist, wobei der CAN-Transceiver des mindestens einen Batteriezellencontrollers und ein CAN-Transceiver des mindestens einen weiteren Batteriezellencontrollers parallel mit dem CAN-Bus verbunden sind.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist entsprechend vorgesehen, dass mindestens ein weiterer Batteriezellencontroller mit mindestens einer Batteriemanagementeinrichtung parallel zum mindestens einen Batteriezellencontroller am CAN-Bus betrieben wird.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die serielle Kommunikationsschnittstelle eine asynchrone Kommunikationsschnittstelle auf Grundlage von Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) ist. Dies hat den Vorteil, dass nahezu sämtliche Mikrocontroller und ASICs, insbesondere BMS ASICs, über eine solche UART-Schnittstelle verfügen, sodass auf eine bestehende Kommunikationsinfrastruktur zurückgegriffen werden kann und ein Aufbau der Batteriemanagementeinrichtungen bzw. der Batteriesteuerungsanordnung vereinfacht werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die serielle Kommunikationsschnittstelle eine synchrone Kommunikationsschnittstelle auf Grundlage von Serial Peripheral Interface (SPI) ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Batteriesteuerungsanordnung;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Batteriesteuerungsanordnung;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Batteriesteuerungsanordnung.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Batteriesteuerungsanordnung 1 gezeigt. Die Batteriesteuerungsanordnung 1 umfasst einen Batteriemanagementcontroller 2, einen Batteriezellencontroller 3, und dem Batteriezellencontroller 3 zugeordnete Batteriemanagementeinrichtungen 4.
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Die Batteriemanagementeinrichtungen 4 überwachen und steuern jeweils mehrere Batteriezellen (nicht gezeigt), beispielsweise indem eine Spannung und ein Strom sowie eine Temperatur der jeweiligen Batteriezellen erfasst werden und ein Leistungsfluss für jede Batteriezelle gesteuert wird. Die Batteriemanagementeinrichtungen 4 sind über eine serielle Kommunikationsschnittstelle 16 in Serie (d.h. in einer „daisy chain“) miteinander verbunden. Zwischen die Batteriemanagementeinrichtungen 4 sind hierbei Isolatoren 5 geschaltet, die für eine galvanische Trennung sorgen.
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Es ist hierbei vorgesehen, dass die serielle Kommunikationsschnittstelle 16 eine asynchrone Kommunikationsschnittstelle auf Grundlage von UART ist.
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Prinzipiell kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die serielle Kommunikationsschnittstelle eine synchrone Kommunikationsschnittstelle auf Grundlage von SPI ist.
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Der Batteriemanagementcontroller 2 und der Batteriezellencontroller 3 weisen jeweils CAN-Transceiver 6, 7 auf. Die CAN-Transceiver 6, 7 sind zumindest auf physikalischer Ebene, d.h. auf einer Bitübertragungsschicht (engl. physical layer), über einen CAN-Bus 8 miteinander verbunden. Dies erfolgt beispielsweise über hierfür ausgebildete Steckverbinder 9, 10.
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Um seriell mit den Batteriemanagementeinrichtungen 4 kommunizieren zu können, weist der Batteriemanagementcontroller 2 eine Steuereinrichtung 11 auf, der eine serielle Kommunikation bereitstellen kann.
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Die CAN-Transceiver 6, 7 sorgen dafür, dass die serielle Kommunikation von dem Batteriemanagementcontroller 2 über den CAN-Bus 8 an die Batteriemanagementeinrichtungen 4 weitergeleitet wird. Auch eine serielle Kommunikation von den Batteriemanagementeinrichtungen 4 wird über die CAN-Transceiver 6, 7 über den CAN-Bus 8 in entgegengesetzter Richtung an den Batteriemanagementcontroller 2 weitergeleitet. Die CAN-Transceiver 6, 7 arbeiten hierbei wie Kommunikationsumsetzer, das heißt eine serielle Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung 11 des Batteriemanagementcontrollers 2 und den Batteriemanagementeinrichtungen 4 erfolgt unabhängig von der physikalischen Ebene der Kommunikation über den CAN-Bus 8.
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Soll beispielsweise eine Pulsfolge von High-/Low-Signalpegeln von der Steuereinrichtung 11 des Batteriemanagementcontrollers 2 an die Batteriemanagementeinrichtungen 4 übermittelt werden, so wird diese Pulsfolge von der Steuereinrichtung 11 dem CAN-Transceiver 6 zugeführt. Dieser übermittelt die Pulsfolge über den CAN-Bus an den CAN-Transceiver 7 des Batteriezellencontrollers 3. Der CAN-Transceiver 7 des Batteriezellencontrollers 7 erzeugt wieder die ursprüngliche Pulsfolge aus High-/Low-Signalpegeln und führt diese den in Serie geschalteten Batteriemanagementeinrichtungen 4 über die serielle Kommunikationsschnittstelle 16 zu. Umgekehrt werden von den Batteriemanagementeinrichtungen 4 bereitgestellte Pulsfolgen aus High-/Low-Signalpegeln in entsprechender Weise über die CAN-Transceiver 6, 7 und den CAN-Bus 8 an die Steuereinrichtung 11 des Batteriemanagementcontrollers 2 übermittelt.
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In 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Batteriesteuerungsanordnung 1 gezeigt. Die gezeigte Ausführungsform ist prinzipiell wie die in der 1 gezeigte Ausführungsform aufgebaut. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale und Begriffe.
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Es ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass der Batteriezellencontroller 3 einen weiteren CAN-Transceiver 12 aufweist, wobei die Batteriesteuerungsanordnung 1 einen weiteren Batteriezellencontroller 14 aufweist, und wobei der weitere CAN-Transceiver 12 zumindest auf physikalischer Ebene über einen weiteren CAN-Bus 13 mit einem CAN-Transceiver 7 des weiteren Batteriezellencontrollers 14 verbunden ist. Hierdurch lässt sich für die Kommunikation eine Serienschaltung der Batteriezellencontroller 3, 14 bzw. der zugeordneten Batteriemanagementeinrichtungen 4 realisieren. An einem weiteren CAN-Transceiver 12 des weiteren Batteriezellencontrollers 14 kann die serielle Kette weiter fortgesetzt werden.
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In dieser Ausführungsform ist den gezeigten Batteriezellencontrollern 3, 14 jeweils nur eine Batteriemanagementeinrichtung 4 zugeordnet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass den Batteriezellencontrollern 3, 14 jeweils mehrere Batteriemanagementeinrichtungen 4 zugeordnet sind.
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In 3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Batteriesteuerungsanordnung 1 gezeigt. Die gezeigte Ausführungsform ist prinzipiell wie die in der 1 gezeigte Ausführungsform aufgebaut. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale und Begriffe.
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Es ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die Batteriesteuerungsanordnung 1 einen weiteren Batteriezellencontroller 14 mit Batteriemanagementeinrichtungen 4 aufweist, wobei der CAN-Transceiver 7 des Batteriezellencontrollers 3 und ein CAN-Transceiver 15 des weiteren Batteriezellencontrollers 14 parallel mit dem CAN-Bus 8 verbunden sind.
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In der gleichen Weise kann die Batteriesteuerungsanordnung 1 um weitere Batteriezellencontroller 14 mit Batteriemanagementeinrichtungen 4 erweitert werden. Die CAN-Transceiver 7, 15 werden hierbei alle parallel mit dem CAN-Bus 8 verbunden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die in den 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können mehrere serielle Ketten parallel mit einem CAN-Bus 8 verbunden sein. Auch können den verwendeten Batteriezellencontrollern 3, 14 jeweils eine unterschiedliche Anzahl an Batteriemanagementeinrichtungen 4 zugeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesteuerungsanordnung
- 2
- Batteriemanagementcontroller
- 3
- Batteriezellencontroller
- 4
- Batteriemanagementeinrichtung
- 5
- Isolator
- 6
- CAN-Transceiver
- 7
- CAN-Transceiver
- 8
- CAN-Bus
- 9
- Steckverbinder
- 10
- Steckverbinder
- 11
- Steuereinrichtung
- 12
- weiterer CAN-Transceiver
- 13
- weiterer CAN-Bus
- 14
- weiterer Batteriezellencontroller
- 15
- CAN-Transceiver
- 16
- serielle Kommunikationsschnittstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0088237 A1 [0004]
- US 2010/0259221 A1 [0005]
