DE102019212479A1

DE102019212479A1 - Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems und Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102019212479A1
Application number: DE102019212479.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Woll; Alexander Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-02-25
Also published as: US20210053444A1; US11396234B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (10) für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von seriell verschalteten Batteriemodulen (5), wobei jedes Batteriemodul (5) mindestens zwei parallel verschaltete Batteriezellen (2) aufweist, eine Master-Steuereinheit (31) zur Überwachung der Batteriemodule (5), und eine Slave-Steuereinheit (32) zur Überwachung der Batteriemodule (5). Jedem Batteriemodul (5) sind eine Master-Überwachungseinheit (21) mit Master-Sensoren zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen (2) sowie des Batteriemoduls (5) und eine Slave-Überwachungseinheit (22) mit Slave-Sensoren zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen (2) sowie des Batteriemoduls (5) zugeordnet. Dabei kommunizieren die Master-Überwachungseinheiten (21) mit der Master-Steuereinheit (31), die Slave-Überwachungseinheiten (22) kommunizieren mit der Slave-Steuereinheit (32), und die Master-Steuereinheit (31) kommuniziert mit der Slave-Steuereinheit (32). Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems (10), sowie ein Elektrofahrzeug, das ein erfindungsgemäßes Batteriesystem (10) umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, welches eine Mehrzahl von seriell verschalteten Batteriemodulen, wobei jedes Batteriemodul mindestens zwei parallel verschaltete Batteriezellen aufweist, eine Master-Steuereinheit zur Überwachung der Batteriemodule, und eine Slave-Steuereinheit zur Überwachung der Batteriemodule, umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug.
Stand der Technik
In heutigen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, welche als Elektrofahrzeuge bezeichnet werden, sind Batteriesysteme mit mehreren Batteriezellen vorgesehen. Die Batteriezellen sind dabei nicht nur seriell sondern auch parallel miteinander verschaltet. Dadurch wird eine ausreichend hohe Batteriekapazität und damit eine hohe Fahrzeugreichweite erzielt, aber auch eine erforderliche Leistung kann so zur Verfügung gestellt werden. Die Parallelschaltung solcher Batteriezellen erfolgt meist innerhalb eines Batteriemoduls, wobei mehrere Batteriemodule seriell miteinander verbunden sind. Den Batteriemodulen sind Überwachungseinheiten zugeordnet, die auch als CSC (Cell Supervising Circuit) bezeichnet werden. Die Überwachungseinheiten weisen Sensoren zur Erfassung von Spannungen und Temperaturen auf. Erfasst Messwerte werden an eine übergeordnete Steuereinheit weitergeleitet, welche auch als BCU (Battery Control Unit) bezeichnet wird.
Für autonom betriebene Elektrofahrzeuge gelten besondere Anforderungen, insbesondere an die Fahrtüchtigkeit, da ein Liegenbleiben solcher Elektrofahrzeuge besonders problematisch ist. Diese Elektrofahrzeuge müssen je nach Automatisierungsgrad ein bestimmtes Sicherheitslevel (Safe Stop Level, SSL) erfüllen. Hierzu werden sie nach unterschiedlichen Risikostufen klassifiziert (Automotive Safety Integrity Level, ASIL), was mit erhöhten Anforderungen an das Batteriesystem verbunden ist.
Wenn in einem einfachen Batteriesystem die Steuereinheit (BCU) oder eine der Überwachungseinheiten (CSC) ausfällt, so kann das Batteriesystem nicht weiter betrieben werden und das Elektrofahrzeug bleibt stehen. Fehlertolerante Batteriesysteme können eine Redundanz, also eine Verdopplung, einzelner Teilkomponenten, beispielsweise von Batteriemodulen, Überwachungseinheiten sowie Steuereinheiten, oder aller Teilkomponenten aufweisen. Eine solche Verdopplung verursacht hohe Kosten und Nachteile bezüglich Bauraum und Gewicht des Batteriesystems.
Aus dem Dokument US 2019/0031042 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, welches mehrere Batteriemodule umfasst, welche jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen. Jeder der Batteriezellen sind dabei mehrere Sensoren zugeordnet, welche unter anderem Messwerte für eine Temperatur und eine Spannung der der jeweiligen Batteriezelle erfassen. Die Sensoren kommunizieren mit mehreren Ü berwachu ngseinheiten.
Aus dem Dokument US 2012/0203482 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen von Batteriezellen bekannt. Dabei sind erste Überwachungseinheiten und zweite Überwachungseinheiten vorgesehen, welche redundant ausgelegt sind.
Aus dem Dokument US 2011/0254502 A1 ist ein fehlertolerantes Batteriemanagementsystem bekannt. Ein solches System umfasst beispielsweise zwei im Wesentlichen identische, redundante Sätze von Schaltkreisen zur Batterieüberwachung und von Schaltkreisen für einen Ladungsausgleich zwischen Batteriezellen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Batteriesystem, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst eine Mehrzahl von seriell verschalteten Batteriemodulen, wobei jedes Batteriemodul mindestens zwei parallel verschaltete Batteriezellen aufweist. Das Batteriesystem umfasst ferner eine Master-Steuereinheit zur Überwachung der Batteriemodule und eine Slave-Steuereinheit zur Überwachung der Batteriemodule.
Die Master-Steuereinheit und die Slave-Steuereinheit sind vorzugsweise identisch ausgestaltet und insbesondere mit der gleichen Hardware und der gleichen Software ausgestattet. Bei der Inbetriebnahme des Batteriesystems in dem Elektrofahrzeug wird lediglich einer der beiden Steuereinheiten eine Masterfunktion zugeordnet, woraufhin diese Steuereinheit zur Master-Steuereinheit wird. Es liegt also eine Redundanz bei der Steuereinheit vor.
Erfindungsgemäß ist jedem Batteriemodul eine Master-Überwachungseinheit mit Master-Sensoren zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen sowie zur Erfassung von Messwerten des Batteriemoduls zugeordnet. Ebenso ist jedem Batteriemodul eine Slave-Überwachungseinheit mit Slave-Sensoren zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen sowie zur Erfassung von Messwerten des Batteriemoduls zugeordnet. Es liegt also eine Redundanz bei der Überwachungseinheit sowie bei den Sensoren vor.
Zu den von den Sensoren erfassten Messwerten gehören beispielsweise eine Temperatur und eine Spannung jeder einzelnen Batteriezelle sowie eine Temperatur und eine Spannung des gesamten Batteriemoduls. Auch die Master-Überwachungseinheiten und die Slave-Überwachungseinheiten sind vorzugsweise identisch ausgestaltet und insbesondere mit der gleichen Hardware und der gleichen Software ausgestattet.
Erfindungsgemäß kommunizieren dabei die Master-Überwachungseinheiten mit der Master-Steuereinheit, die Slave-Überwachungseinheiten kommunizieren mit der Slave-Steuereinheit, und die Master-Steuereinheit kommuniziert mit der Slave-Steuereinheit.
Beispielsweise werden von den Master-Sensoren erfasste Messwerte der Batteriezellen sowie der Batteriemodule von den Master-Überwachungseinheiten zu der Master-Steuereinheit übertragen. Von den Slave-Sensoren erfasste Messwerte der Batteriezellen sowie der Batteriemodule werden beispielsweise von den Slave-Überwachungseinheiten zu der Slave-Steuereinheit übertragen. Ferner werden beispielsweise Messwerte von der Master-Steuereinheit zu der Slave-Steuereinheit sowie von der Slave-Steuereinheit zu der Master-Steuereinheit übertragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zunächst, insbesondere unmittelbar nach der Inbetriebnahme des Batteriesystems in dem Elektrofahrzeug, der Master-Steuereinheit eine Masterfunktion zugeordnet. Die Masterfunktion ist jedoch der Slave-Steuereinheit zuordenbar, insbesondere, wenn ein Defekt in der Master-Steuereinheit und/oder ein Defekt in einer der Master-Überwachungseinheiten und/oder ein Defekt in mindestens einem Master-Sensor mindestens einer Master-Überwachungseinheit erkannt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Batteriesystem ferner mindestens einen Hauptschalter zum Abschalten der Batteriemodule. Der Hauptschalter ist dabei seriell zu den Batteriemodulen geschaltet und ist von derjenigen Steuereinheit ansteuerbar, welcher die Masterfunktion zugeordnet ist.
Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems vorgeschlagen. Dabei werden Messwerte der Batteriezellen sowie Messwerte der Batteriemodule, die von den Master-Sensoren erfasst werden, von den Master-Überwachungseinheiten zu der Master-Steuereinheit übertragen. Die besagten Messwerte werden von der Master-Steuereinheit weiter zu der Slave-Steuereinheit übertragen. Ebenso werden Messwerte der Batteriezellen sowie Messwerte der Batteriemodule, die von den Slave-Sensoren erfasst werden, von den Slave-Überwachungseinheiten zu der Slave-Steuereinheit übertragen. Die besagten Messwerte werden von der Slave-Steuereinheit weiter zu der Master-Steuereinheit übertragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren die nachfolgend genannten Schritte:

Zunächst erfolgt ein Vergleich der Messwerte der Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls miteinander, die von den Master-Sensoren der Master-Überwachungseinheit erfasst werden, die dem besagten Batteriemodul zugeordnet ist. Dabei werden insbesondere die Messwerte für eine Temperatur und die Messwerte für eine Spannung der einzelnen Batteriezellen miteinander verglichen.

Ebenso erfolgt ein Vergleich der Messwerte der Batteriezellen innerhalb des besagten Batteriemoduls miteinander, die von den Slave-Sensoren der Slave-Überwachungseinheit erfasst werden, die dem besagten Batteriemodul zugeordnet ist. Auch dabei werden insbesondere die Messwerte für eine Temperatur und die Messwerte für eine Spannung der einzelnen Batteriezellen miteinander verglichen.
Es wird ein Defekt erkannt, wenn mindestens ein von den Master-Sensoren erfasster Messwert mindestens einer der Batteriezellen von entsprechenden Messwerten, die von den Master-Sensoren der übrigen Batteriezellen des Batteriemoduls erfasst werden, signifikant abweicht.
In diesem Zusammenhang weichen zwei Messwerte signifikant voneinander ab, wenn eine Differenz der beiden Messwerte einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert ist dabei vorzugsweise größer als eine Messgenauigkeit der Master-Sensoren. Dadurch wird verhindert, dass durch einfache Messfehler der Master-Sensoren fälschlicherweise ein Defekt erkannt wird.
Dabei wird ein Defekt in der besagten Batteriezelle erkannt, deren von den Master-Sensoren erfasster Messwert von entsprechenden Messwerten, die von den Master-Sensoren der übrigen Batteriezellen des Batteriemoduls erfasst werden, signifikant abweicht, wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert der besagten Batteriezelle annähernd gleich dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert der besagten Batteriezelle ist. Das bedeutet, dass auch der von den Slave-Sensoren erfasste Messwert der besagten Batteriezelle von entsprechenden Messwerten, die von den Slave-Sensoren der übrigen Batteriezellen des Batteriemoduls erfasst werden, signifikant abweicht.
In diesem Zusammenhang werden zwei Messwerte als annähernd gleich bezeichnet, wenn eine Differenz der beiden Messwerte den besagten, vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet oder gleich dem Schwellenwert ist. Dadurch wird verhindert, dass durch einfache Messfehler der Master-Sensoren fälschlicherweise ein Defekt in der besagten Batteriezelle erkannt wird.
Dabei wird ein Defekt in mindestens einem Master-Sensor der Master-Überwachungseinheit erkannt, wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert der besagten Batteriezelle von dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert der besagten Batteriezelle signifikant abweicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren die nachfolgend genannten Schritte:

Zunächst erfolgt ein Vergleich der Messwerte eines Batteriemoduls, die von den Master-Sensoren der dem besagten Batteriemodul zugeordneten Master-Überwachungseinheit erfasst werden, mit den Messwerten der anderen Batteriemodule, die von den Master-Sensoren der dem jeweiligen Batteriemodul zugeordneten Master-Überwachungseinheit erfasst werden. Dabei werden insbesondere die Messwerte für eine Temperatur und die Messwerte für eine Spannung der einzelnen Batteriemodule miteinander verglichen.

Ebenso erfolgt ein Vergleich der Messwerte des besagten Batteriemoduls, die von den Slave-Sensoren der dem besagten Batteriemodul zugeordneten Slave-Überwachungseinheit erfasst werden, mit den Messwerten der anderen Batteriemodule, die von den Slave-Sensoren der dem jeweiligen Batteriemodul zugeordneten Slave-Überwachungseinheit erfasst werden. Auch dabei werden insbesondere die Messwerte für eine Temperatur und die Messwerte für eine Spannung der einzelnen Batteriemodule miteinander verglichen.
Es wird ein Defekt erkannt, wenn mindestens ein von den Master-Sensoren erfasster Messwert des besagten Batteriemoduls von entsprechenden Messwerten, die von den Master-Sensoren der anderen Batteriemodule erfasst werden, signifikant abweicht.
Dabei wird ein Defekt in dem besagten Batteriemodul erkannt, wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert des besagten Batteriemoduls annähernd gleich dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert des besagten Batteriemoduls ist.
Dabei wird ein Defekt in der Master-Überwachungseinheit erkannt, die dem besagten Batteriemodul zugeordnet ist, wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert des besagten Batteriemoduls von dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert des besagten Batteriemoduls signifikant abweicht.
Vorzugsweise wird, wenn ein Defekt in der Master-Steuereinheit und/oder in einer Master-Überwachungseinheit und/oder in mindestens einem Master-Sensor mindestens einer Master-Überwachungseinheit erkannt wird, eine Masterfunktion, die noch der Master-Steuereinheit zugeordnet ist, der Slave-Steuereinheit zugeordnet.
Vorzugsweise wird, wenn ein Defekt in mindestens einer Batteriezelle und/oder in mindestens einem Batteriemodul erkannt wird, mindestens ein Hauptschalter zum Abschalten der Batteriemodule, welcher seriell zu den Batteriemodulen geschaltet ist, von derjenigen Steuereinheit angesteuert, welcher die Masterfunktion zugeordnet ist. Durch das Ansteuern wird der Hauptschalter geöffnet und die Batteriemodule des Batteriesystems sind abgeschaltet.
Es wird auch ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen, das ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Vorzugsweise weist das Elektrofahrzeug mehrere erfindungsgemäße Batteriesysteme auf, welche insbesondere parallel miteinander verschaltet sind.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Batteriesystem zeichnet sich durch eine hohe Fehlertoleranz aus, welche durch eine Redundanz bei der Sensorik/Elektronik, also bei den Überwachungseinheiten, Steuereinheiten und Sensoren, erreicht wird. Eine Redundanz von Batteriezellen oder Batteriemodulen ist nicht erforderlich, wodurch Kosten, Bauraum und Gewicht des Batteriesystems vorteilhaft minimiert werden. Dadurch, dass immer zwei Überwachungseinheiten pro Batteriemodul Messwerte liefern, können durch einen ständigen Vergleich dieser Messwerte Ungleichheiten sowie Unplausibilitäten sofort erkannt werden. Durch den Aufbau des Batteriesystems, verbunden mit dem Betriebsverfahren, ergibt sich ferner der Vorteil, dass klar unterschieden werden kann, ob ein Defekt in einer Batteriezelle, in einem Batteriemodul oder in der Sensorik/Elektronik vorliegt. Durch die Verwendung von verfügbarer Standard-Hardware bei Sensorik/Elektronik wird ein höherer Sicherheitslevel kostengünstig erreicht.
Durch eine Softwareerweiterung in den Monitoring-Funktionen der Überwachungseinheiten ist eine eindeutige Detektion von Defekten möglich. Ein Elektrofahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Batteriesystem aufweist, kann weiter betrieben werden, wenn nur ein Defekt in der Sensorik/Elektronik erkannt wird, solange die Batteriezellen und Batteriemodule intakt sind. Auch ist durch ein frühzeitiges Erkennen einer Signaldrift eine prädiktive Diagnose zu Komponenten des Batteriesystems möglich.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems für ein Elektrofahrzeug und
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben des Batteriesystems.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10 für ein Elektrofahrzeug. Das Batteriesystem 10 umfasst eine Mehrzahl Batteriemodulen 5, welche seriell miteinander verschaltet sind. Jedes der Batteriemodule 5 weist mehrere, vorliegend zwei, parallel verschaltete Batteriezellen 2 auf. Bei den besagten Batteriezellen 2 handelt es sich beispielsweise um Lithium-Ionen-Batteriezellen.
Das Batteriesystem 10 umfasst ferner eine Master-Steuereinheit 31 zur Überwachung der Batteriemodule 5 und eine Slave-Steuereinheit 32 zur Überwachung der Batteriemodule 5. Jedem der Batteriemodule 5 ist eine Master-Überwachungseinheit 21 mit hier nicht dargestellten Master-Sensoren zugeordnet. Ebenso ist jedem der Batteriemodule 5 eine Slave-Überwachungseinheit 22 mit hier nicht dargestellten Slave-Sensoren zugeordnet.
Die Master-Steuereinheit 31 kommuniziert über eine erste Kommunikationsleitung 41 mit den Master-Überwachungseinheiten 21. Die Slave-Steuereinheit 32 kommuniziert über eine zweite Kommunikationsleitung 42 mit den Slave-Überwachungseinheiten 22. Die Master-Steuereinheit 31 kommuniziert mit der Slave-Steuereinheit 32 über eine Busleitung 40, beispielsweise über einen CAN-Bus, welcher aus Sicherheitsgründen fehlertolerant ausgelegt ist.
Die Master-Sensoren sowie die Slave-Sensoren dienen zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen 2 sowie zur Erfassung von Messwerten des Batteriemoduls 5. Zu den von den Sensoren erfassten Messwerten gehören beispielsweise eine Temperatur und eine Spannung jeder einzelnen Batteriezelle 2 sowie eine Temperatur und eine Spannung des gesamten Batteriemoduls 5. Da die Batteriezellen 2 innerhalb des Batteriemoduls 5 parallel geschaltet sind, sind im fehlerfreien Fall die Spannungen der einzelnen Batteriezellen 2 gleich und gleich der Spannung des gesamten Batteriemoduls 5.
Die von den Master-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen 2 sowie der Batteriemodule 5 werden von den Master-Überwachungseinheiten 21 zu der Master-Steuereinheit 31 über die erste Kommunikationsleitung 41 übertragen. Die von den Slave-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen 2 sowie der Batteriemodule 5 werden von den Slave-Überwachungseinheiten 22 zu der Slave-Steuereinheit 32 über die zweite Kommunikationsleitung 42 übertragen.
In den beiden Steuereinheiten 31, 32 werden aus den erhaltenen Messwerten weitere Größen der Batteriezellen 2 sowie des Batteriemoduls 5 berechnet, beispielsweise ein Ladungszustand. Ferner erfolgt eine Berechnung einer Gesamtspannung des Batteriesystems 10 aus einer Summe der Spannungen der Batteriemodule 5. Auch erfolgt ein Abgleich der so berechneten Gesamtspannung des Batteriesystems 10 mit einer gemessenen Gesamtspannung des Batteriesystems 10.
Die Master-Steuereinheit 31 überträgt die von den Master-Überwachungseinheiten 21 erhaltenen Messwerte sowie weitere berechnete Größen zu der Slave-Steuereinheit 32. Die Slave-Steuereinheit 32 vergleicht die von der Master-Steuereinheit 31 erhaltenen Messwerte und weitere Größen mit den von den Slave-Überwachungseinheiten 22 erhaltenen Messwerten und den daraus berechneten Größen. Die Slave-Steuereinheit 32 überträgt die von den Slave-Überwachungseinheiten 22 erhaltenen Messwerte sowie weitere berechnete Größen zu der Master-Steuereinheit 31. Die Master-Steuereinheit 31 vergleicht die von der Slave-Steuereinheit 32 erhaltenen Messwerte und weitere Größen mit den von den Master-Überwachungseinheiten 21 erhaltenen Messwerten und den daraus berechneten Größen.
Das Batteriesystem 10 umfasst ferner zwei Hauptschalter 61 zum Abschalten der Batteriemodule 5. Die beiden Hauptschalter 61 sind dabei seriell zu den Batteriemodulen 5 geschaltet. Die Master-Steuereinheit 31 ist über eine erste Ansteuerleitung 43 mit den beiden Hauptschaltern 61 verbunden. Die Slave-Steuereinheit 32 ist über eine zweite Ansteuerleitung 44 mit den beiden Hauptschaltern 61 verbunden. Die Hauptschalter 61 sind über die Ansteuerleitungen 43, 44 von derjenigen Steuereinheit 31, 32 ansteuerbar, welcher eine Masterfunktion zugeordnet ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben des in 1 dargestellten Batteriesystems 10 in einem Elektrofahrzeug. In einem Startschritt 100 werden das Elektrofahrzug und damit auch das Batteriesystem 10 gestartet.
In einem Schritt 101 werden Messwerte, insbesondere für eine Temperatur und eine Spannung jeder einzelnen Batteriezelle 2 sowie für eine Temperatur und eine Spannung des gesamten Batteriemoduls 5 von den Master-Sensoren erfasst und von den Master-Überwachungseinheiten 21 an die Master-Steuereinheit 31 übertragen.
In einem Schritt 102 werden Messwerte, insbesondere für eine Temperatur und eine Spannung jeder einzelnen Batteriezelle 2 sowie für eine Temperatur und eine Spannung des gesamten Batteriemoduls 5 von den Slave-Sensoren erfasst und von den Slave-Überwachungseinheiten 22 an die Slave-Steuereinheit 32 übertragen.
Im fehlerfreien Fall liefern die Einzelspannungswerte der gleichen Batteriezelle 2 die von Überwachungseinheiten 21, 22 ermittelt werden, nahezu die gleichen Spannungswerte; die Messwertstreuung ist zumindest sehr gering. Die Umwandlung der analogen Signalwerte der Sensoren in digitale Signalwerte erfolgt via A/D-Wandler, die sich auf jeder Platine der einzelnen Überwachungseinheiten 21, 22 befinden. Diese Werte dienen den Steuereinheiten 31, 32 als Eingangswerte zur Bestimmung weiterer Größen, beispielsweise des Ladezustands (SoC), des Alterungszustands (SoH) sowie des prädizierten Stroms.
In einem Schritt 103 erfolgt ein Vergleich der Messwerte der Batteriezellen 2 innerhalb eines Batteriemoduls 5 miteinander, die von den Master-Sensoren der Master-Überwachungseinheit 21 erfasst werden, die dem besagten Batteriemodul 5 zugeordnet ist. Dabei werden insbesondere die Messwerte für eine Temperatur und die Messwerte für eine Spannung der einzelnen Batteriezellen 2 miteinander verglichen.
In einem Schritt 104 erfolgt ein Vergleich der Messwerte der Batteriezellen 2 innerhalb des besagten Batteriemoduls 5 miteinander, die von den Slave-Sensoren der Slave-Überwachungseinheit 22 erfasst werden, die dem besagten Batteriemodul 5 zugeordnet ist. Auch dabei werden insbesondere die Messwerte für eine Temperatur und die Messwerte für eine Spannung der einzelnen Batteriezellen 2 miteinander verglichen.
In einem Schritt 105 wird das Ergebnis des Vergleichs aus Schritt 103 ausgewertet. Weicht ein Messwert einer Batteriezelle 2 eines Batteriemoduls 5, gemessen durch die Master-Überwachungseinheit 21, von den Messwerten der restlichen Batteriezellen 2 dieses Batteriemoduls 5 um mehr als einen Schwellenwert ab, so liegt der Verdacht nahe, dass diese Batteriezelle 2 oder ein Master-Sensor, die diese Batteriezelle 2 überwacht, einen Defekt hat.
In einem Schritt 106 erfolgt ein Vergleich der Messwerte der Master-Überwachungseinheit 21 des besagten Batteriemoduls 5 mit den Messwerten der Slave-Überwachungseinheit 22 des besagten Batteriemoduls 5. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird in einem Schritt 107 ausgewertet.
Weist auch bei den Messwerten der Slave-Überwachungseinheit 22 der Messwert dieser Batteriezelle 2 eine Abweichung von den Messwerten der restlichen Batteriezellen 2 des besagten Batteriemoduls 5 auf, und sind die Messwerte für diese Batteriezelle 2 von der Master-Überwachungseinheit 21 und von der Slave-Überwachungseinheit 22 nahezu identisch, so wird in einem Schritt 108 ein Defekt in der besagten Batteriezelle 2 erkannt.
Weist auch bei den Messwerten der Slave-Überwachungseinheit 22 der Messwert dieser Batteriezelle 2 keine Abweichung von den Messwerten der restlichen Batteriezellen 2 des besagten Batteriemoduls 5 auf, und sind die Messwerte für diese Batteriezelle 2 von der Master-Überwachungseinheit 21 und von der Slave-Überwachungseinheit 22 unterschiedlich, so wird in einem Schritt 109 ein Defekt in einem Master-Sensor erkannt.
Wird im Schritt 105 festgestellt, dass kein Messwert einer Batteriezelle 2 aller Batteriemodule 5, gemessen durch die Master-Überwachungseinheit 21, von den Messwerten der restlichen Batteriezellen 2 dieses Batteriemoduls 5 um mehr als einen Schwellenwert abweicht, so erfolgt in einem Schritt 110 ein Vergleich der Messwerte eines Batteriemoduls 5, die von den Master-Sensoren der dem besagten Batteriemodul 5 zugeordneten Master-Überwachungseinheit 21 erfasst werden, mit den Messwerten der anderen Batteriemodule 5, die von den Master-Sensoren der dem jeweiligen Batteriemodul 5 zugeordneten Master-Überwachungseinheit 21 erfasst werden.
Wenn dabei mindestens ein von den Master-Sensoren erfasster Messwert des besagten Batteriemoduls 5 von entsprechenden Messwerten, die von den Master-Sensoren der anderen Batteriemodule 5 erfasst werden, signifikant abweicht, so erfolgt in einem Schritt 111 auch ein Vergleich der Messwerte des besagten Batteriemoduls 5, die von den Slave-Sensoren der dem besagten Batteriemodul 5 zugeordneten Slave-Überwachungseinheit 22 erfasst werden, mit den Messwerten der anderen Batteriemodule 5, die von den Slave-Sensoren der dem jeweiligen Batteriemodul 5 zugeordneten Slave-Überwachungseinheit 22 erfasst werden.
In einem Schritt 112 wird der von den Master-Sensoren erfasste Messwert des besagten Batteriemoduls 5 mit dem entsprechenden von den Slave-Sensoren erfassten Messwert des besagten Batteriemoduls 5 verglichen.
Wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert des besagten Batteriemoduls 5 annähernd gleich dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert des besagten Batteriemoduls 5 ist, so wird in einem Schritt 113 ein Defekt in dem besagten Batteriemodul 5 erkannt.
Wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert des besagten Batteriemoduls 5 von dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert des besagten Batteriemoduls 5 signifikant abweicht, so wird in einem Schritt 114 ein Defekt in der Master-Überwachungseinheit 21 erkannt, die dem besagten Batteriemodul 5 zugeordnet ist. Möglicherweise liegt dabei ein Fehler an einem A/D-Wandler auf der Platine der Master-Überwachungseinheit 21 vor.
Werden in dem Schritt 110 keine signifikanten Abweichungen festgestellt, so wird in einem Schritt 115 erkannt, dass kein Defekt in dem Batteriesystem 10 vorliegt.
Der Betrieb des Batteriesystems 10 und des Elektrofahrzeugs enden zu einem späteren Zeitpunkt mit einem Endschritt 116.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2019/0031042 A1 [0005]
US 2012/0203482 A1 [0006]
US 2011/0254502 A1 [0007]

Claims

Batteriesystem (10) für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von seriell verschalteten Batteriemodulen (5), wobei jedes Batteriemodul (5) mindestens zwei parallel verschaltete Batteriezellen (2) aufweist, eine Master-Steuereinheit (31) zur Überwachung der Batteriemodule (5), und eine Slave-Steuereinheit (32) zur Überwachung der Batteriemodule (5), dadurch gekennzeichnet, dass jedem Batteriemodul (5) eine Master-Überwachungseinheit (21) mit Master-Sensoren zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen (2) sowie des Batteriemoduls (5) und eine Slave-Überwachungseinheit (22) mit Slave-Sensoren zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen (2) sowie des Batteriemoduls (5) zugeordnet sind, wobei die Master-Überwachungseinheiten (21) mit der Master-Steuereinheit (31) kommunizieren, die Slave-Überwachungseinheiten (22) mit der Slave-Steuereinheit (32) kommunizieren, und die Master-Steuereinheit (31) mit der Slave-Steuereinheit (32) kommuniziert.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Master-Steuereinheit (31) eine Masterfunktion zugeordnet ist, und dass die Masterfunktion der Slave-Steuereinheit (32) zuordenbar ist, wenn ein Defekt in der Master-Steuereinheit (31) und/oder in einer Master-Überwachungseinheit (21) und/oder in mindestens einem Master-Sensor mindestens einer Master-Überwachungseinheit (21) erkannt wird.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 2, ferner umfassend mindestens einen Hauptschalter (61) zum Abschalten der Batteriemodule (5), welcher seriell zu den Batteriemodulen (5) geschaltet ist, und welcher von derjenigen Steuereinheit (31, 32) ansteuerbar ist, welcher die Masterfunktion zugeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei von den Master-Sensoren erfasste Messwerte der Batteriezellen (2) sowie der Batteriemodule (5) von den Master-Überwachungseinheiten (21) zu der Master-Steuereinheit (31) übertragen werden, und von der Master-Steuereinheit (31) zu der Slave-Steuereinheit (32) übertragen werden, und wobei von den Slave-Sensoren erfasste Messwerte der Batteriezellen (2) sowie der Batteriemodule (5) von den Slave-Überwachungseinheiten (22) zu der Slave-Steuereinheit (32) übertragen werden, und von der Slave-Steuereinheit (32) zu der Master-Steuereinheit (31) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, umfassend folgende Schritte: - Vergleichen der Messwerte der Batteriezellen (2) innerhalb eines Batteriemoduls (5) miteinander, die von den Master-Sensoren der dem besagten Batteriemodul (5) zugeordneten Master-Überwachungseinheit (21) erfasst werden; - Vergleichen der Messwerte der Batteriezellen (2) innerhalb des besagten Batteriemoduls (5) miteinander, die von den Slave-Sensoren der dem besagten Batteriemodul (5) zugeordneten Slave-Überwachungseinheit (22) erfasst werden; - Erkennung eines Defekts, wenn mindestens ein von den Master-Sensoren erfasster Messwert mindestens einer der Batteriezellen (2) von entsprechenden von den Master-Sensoren erfassten Messwerten der übrigen Batteriezellen (2) signifikant abweicht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Defekt in der besagten Batteriezelle (2) erkannt wird, wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert der besagten Batteriezelle (2) annähernd gleich dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert der besagten Batteriezelle (2) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei ein Defekt in mindestens einem Master-Sensor der Master-Überwachungseinheit (21) erkannt wird, wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert der besagten Batteriezelle (2) von dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert der besagten Batteriezelle (2) signifikant abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, umfassend folgende Schritte: - Vergleichen der Messwerte eines Batteriemoduls (5), die von den Master-Sensoren der dem besagten Batteriemodul (5) zugeordneten Master-Überwachungseinheit (21) erfasst werden, mit den Messwerten der anderen Batteriemodule (5), die von den Master-Sensoren der dem jeweiligen Batteriemodul (5) zugeordneten Master-Überwachungseinheit (21) erfasst werden; - Vergleichen der Messwerte des besagten Batteriemoduls (5), die von den Slave-Sensoren der dem besagten Batteriemodul (5) zugeordneten Slave-Überwachungseinheit (22) erfasst werden, mit den Messwerten der anderen Batteriemodule (5), die von den Slave-Sensoren der dem jeweiligen Batteriemodul (5) zugeordneten Slave-Überwachungseinheit (22) erfasst werden; - Erkennung eines Defekts, wenn mindestens ein von den Master-Sensoren erfasster Messwert des besagten Batteriemoduls (5) von entsprechenden von den Master-Sensoren erfassten Messwerten der anderen Batteriemodule (5) signifikant abweicht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Defekt in dem besagten Batteriemodul (5) erkannt wird, wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert des besagten Batteriemoduls (5) annähernd gleich dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert des besagten Batteriemoduls (5) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei ein Defekt in der dem besagten Batteriemodul (5) zugeordneten Master-Überwachungseinheit (21) erkannt wird, wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert des besagten Batteriemoduls (5) von dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert des besagten Batteriemoduls (5) signifikant abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei eine der Master-Steuereinheit (31) zugeordnete Masterfunktion der Slave-Steuereinheit (32) zugeordnet wird, wenn ein Defekt in der Master-Steuereinheit (31) und/oder in einer Master-Überwachungseinheit (21) und/oder in mindestens einem Master-Sensor mindestens einer Master-Überwachungseinheit (21) erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei mindestens ein Hauptschalter (61) zum Abschalten der Batteriemodule (5), welcher seriell zu den Batteriemodulen (5) geschaltet ist, von derjenigen Steuereinheit (31, 32) angesteuert wird, welcher die Masterfunktion zugeordnet ist, wenn ein Defekt in mindestens einer Batteriezelle (2) und/oder in mindestens einem Batteriemodul (5) erkannt wird.
Elektrofahrzeug, umfassend mindestens ein Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12 betrieben wird.