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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konfigurieren von Batteriezellen eines Batteriesystems oder zur Vergabe von Konfigurationsdatensätzen an solche Batteriezellen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Batteriesystem, das gemäß dem Verfahren betrieben werden kann, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.
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In einem Kraftfahrzeug kann für einen elektrischen Fahrantrieb ein Batteriesystem bereitgestellt sein, in welchem elektrische Energie zum Betreiben des Fahrantriebs gespeichert sein und/oder in welchem bei einer Rekuperation die aus dem Fahrantrieb zurückgewonnene elektrische Energie gespeichert werden kann. Ein solches Batteriesystem kann zum Speichern der elektrischen Energie Batteriezellen aufweisen, von denen jede in einem Gehäuse beispielsweise eine elektrochemische oder galvanische Zelle sowie an dem Gehäuse elektrische Zellpole zum Kontaktieren der jeweiligen galvanischen Zelle aufweisen kann. Eine Batteriezelle kann schaltbar ausgestaltet sein, in welchem Fall sie dann als Smart Cell bezeichnet ist. Eine schaltbare Batteriezelle kann eine zellinterne oder zelleigene Schalteranordnung aus Schaltelementen aufweisen, die beispielsweise durch eine Controllerschaltung oder Steuerschaltung der Batteriezelle selbst geschaltet werden kann. Hierdurch kann sich die Batteriezelle selbst derart ansteuern und/oder von außen angesteuert werden, dass sie in ein elektrisches Verschaltungsnetz oder in einen Stromkreis der Batteriezellen des Batteriesystems zugeschaltet oder von diesem weggeschaltet werden kann. Das Ansteuern der Schalteranordnung kann auch dazu führen, dass die beiden Zellpole der Batteriezelle elektrisch überbrückt werden. Dies kann sinnvoll sein, falls in der Batteriezelle ein Defekt festgestellt wird.
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Um die Schaltzustände dieser Schalteranordnungen der Batteriezellen zu koordinieren oder auch, um die Schalteranordnungen der Batteriezellen gemäß bestimmter Schaltsignale anzusteuern, können die Batteriezellen mit Kommunikationsschaltungen ausgestattet sein. Dabei kann eine jede der Batteriezellen jeweils mit einer eigenen Kommunikationsschaltung ausgestattet sein, oder mehrere Batteriezellen können gebündelt, beispielsweise in Zellgruppen, über eine gemeinsame Kommunikationsschaltung kommunizieren. Beispielsweise können die Batteriezellen mittels der Kommunikationsschaltungen aus einer zentralen Steuervorrichtung des Batteriesystems Schaltbefehle empfangen. Für diese Datenkommunikation können die Kommunikationsschaltungen der Batteriezellen über ein Kommunikationsnetzwerk mit der Steuervorrichtung des Batteriesystems verbunden sein. Das Kommunikationsnetzwerk kann beispielsweise ein CAN-Netzwerk (Controller Area Network) oder ein LIN-Netzwerk (Local Interconnect Network) sein. Jeder Kommunikationsschaltung kann eine eindeutige Netzwerkadresse oder eine ID (Identifikationsnummer, Netzwerk-ID) zugeordnet sein, über welche die zentrale Steuervorrichtung die einzelnen Kommunikationsschaltungen adressieren oder identifizieren kann.
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So oder so ähnlich aufgebaute Batteriesysteme sind beispielsweise aus der
DE 10 2011 054 145 A1 , der
US 2008/0272736 A1 oder der
WO 2019/010126 A1 bekannt.
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Ferner ist aus
DE 10 2017 211 468 A1 ein Batteriesystem bekannt mit mehreren Batterien, die an einen Can-Bus angeschlossen sind, wobei die mehreren Batterien jeweils ein Batteriemanagementsystem umfassen, wobei das Batteriemanagementsystem jeweils mindestens eine Masterkomponente aufweist, die als Mastersteuergerät fungieren kann.
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Aus der
DE 10 2019 209 072 A1 ist eine Batteriesteuerungsanordnung bekannt mit einem Batteriemanagementcontroller, mindestens einem Batteriezellencontroller und mindestens einer dem mindestens einen Batteriezellencontroller zugeordneten Batteriemanagementeinrichtung.
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Die
EP 2 698 861 A1 beschreibt ein HV-Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus Zellen (CM) und Komponenten (BMU, ZE, CSC-Bus low, CSC-Bus high) zur Steuerung und Überwachung der Zellen (CM) und der Funktion des Batteriesystems.
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Aus der
WO 2019 010126 A1 ist ein intelligentes Batteriesystem bekannt mit miteinander verbundenen Batteriemodulen mit jeweils mehreren Modulzellen.
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Bei der Inbetriebnahme eines wie oben beschrieben aufgebauten Batteriesystems erfolgt in der Regel eine initiale Vergabe von Konfigurationsdatensätzen für die Batteriezellen des Batteriesystems. Ein Konfigurationsdatensatz kann beispielsweise eine Information bzgl. einer räumlichen und/oder logischen Anordnung einer Batteriezelle innerhalb des Batteriesystems beinhalten. Zusätzlich oder alternativ kann der Konfigurationsdatensatz eine Information bzgl. einer elektrischen Verschaltung der Batteriezelle innerhalb des Batteriesystems enthalten. Diese Vergabe kann auch als Bedatung oder Anlernprozess oder Adaption der Batteriezellen an das Batteriesystem bezeichnet werden.
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Die genannte Vergabe erfolgt in der Regel mittels einer sogenannten Daisy Chain Signalleitung, die die zentrale Steuervorrichtung der Reihe nach mit den einzelnen Kommunikationsschaltungen verbindet, sodass alle Kommunikationsschaltungen entlang der Signalleitung hintereinander verschaltet sind. Die Vergabe der Konfigurationsdatensätze erfolgt also über die Kommunikationsschaltungen Zelle für Zelle entlang der Daisy Chain Signalleitung. Dadurch, dass dabei einer durch den Verlauf der Signalleitung erzwungenen Reihenfolge gefolgt werden muss, ist sichergestellt, dass die Vergabe korrekt erfolgt. Mit korrekt ist in diesem Zusammenhang gemeint, dass ein jeweiliger Konfigurationsdatensatz auch an die ihm zugeordnete Batteriezelle vergeben wird.
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Obwohl die Daisy Chain-Methode eine zuverlässige Vergabe von Konfigurationsdatensätzen gewährleistet, birgt sie auch Nachteile, welche sich insbesondere in einer Verschleißanfälligkeit eines Batteriesystems mit Daisy Chain bemerkbar machen. So ist durch die Daisy Chain Signalleitung in dem Batteriesystem neben dem Leistungspfad, dem Kommunikationsnetzwerk und der 12-Volt-Spannungsversorgung noch eine zusätzliche diskrete Leitung erforderlich. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Kosten sowie Gewicht und eine zusätzliche Fehlerquelle (Leitungsquetschung, Drahtbruch, Verbinderfehler etc.).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verschleißanfälligkeit eines Batteriesystems zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere die oben beschriebene Signalleitung der Daisy Chain ein fehleranfälliges Bauteil ist. Um eine Verschleißanfälligkeit eines Batteriesystems zu reduzieren, wäre es demnach vorteilhaft, einen Verzicht auf die genannte Daisy Chain zu ermöglichen. Jedoch bietet die Daisy Chain, wie oben beschrieben, eine zuverlässige Möglichkeit der Vergabe von Konfigurationsdatensätzen an die Batteriezellen des Batteriesystems. Demzufolge müsste bei einem Verzicht auf die Daisy Chain Leitung auf andere Weise sichergestellt sein, dass die Vergabe jeweiliger Konfigurationsdatensätze zuverlässig erfolgt.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zur Vergabe von Konfigurationsdatensätzen an Batteriezellen eines Batteriesystems der oben beschriebenen Art bereitgestellt. Bekanntermaßen weist ein solches Batteriesystem in der Regel mehrere hundert Batteriezellen, insbesondere 200 bis 400 Batteriezellen, auf. Die Batteriezellen des hier beschriebenen Batteriesystems sind gemäß einem vorbestimmten Bauplan räumlich angeordnet und elektrisch leitend miteinander verschaltet. Der Bauplan kann als elektrische Verschaltung beispielsweise Zellgruppen vorsehen, in denen jeweils die darin enthaltenen Batteriezellen als Parallelschaltung verschaltet sind, wodurch die elektrischen Ströme der Batteriezellen der Zellgruppe kombiniert oder zusammengefasst werden können. Je nach vorbestimmtem Bauplan können solche Zellgruppen dann wiederum in Serie oder Reihe zueinander geschaltet sein, um die elektrischen Spannungen der Zellgruppen aufaddieren oder akkumulieren zu können, wodurch in dem Batteriesystem an einem externen Batterieanschluss eine Batteriespannung von mehr als 60 Volt (Hochvoltspannung) bereitgestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird auf Grundlage des vorbestimmten Bauplans eine Konfigurationsübersicht für das Batteriesystem erzeugt. Die Konfigurationsübersicht umfasst eine Vielzahl an Konfigurationsdatensätzen, wobei ein jeweiliger Konfigurationsdatensatz eine Ortsinformation betreffend eine räumliche Position einer jeweiligen Batteriezelle in dem Batteriesystem und eine Verschaltungsinformation betreffend eine elektrische Verschaltung der jeweiligen Batteriezelle mit anderen Batteriezellen des Batteriesystems umfasst. Mit anderen Worten beschreibt die Konfigurationsübersicht eine räumliche und/oder elektrische Architektur des Batteriesystems. Die Konfigurationsübersicht kann beispielsweise werkseitig bei der Produktion und/oder beim Zusammenbau des Batteriesystems erzeugt werden. Bevorzugt kann die Konfigurationsübersicht oder der Aufbau oder die Konfiguration des Batteriesystems auf einer zentralen Servereinrichtung oder werkseitig oder bei einer zentralen Kundendienststelle abgelegt oder abgespeichert werden.
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In der Konfigurationsübersicht ist also zu jeder der Batteriezellen des Batteriesystems ein Konfigurationsdatensatz vorhanden, der jeweils zumindest eine Ortsinformation und eine Verschaltungsinformation für die Batteriezelle umfasst. Die Ortsinformation kann dabei gemäß einer Nomenklatur beschrieben sein, die für jede Batteriezelle in Anlehnung an ein kartesisches oder orthogonales Koordinatensystem einen x-, einen y- und einen z-Wert vorsieht. Für den Fall, dass die Batteriezellen des Batteriesystems quaderförmig oder würfelförmig angeordnet sind, könnte also eine Ortsinformation dadurch gebildet sein, dass eine beliebige Ecke des Batteriesystems am Ursprung eines gedachten kartesischen Koordinatensystems angeordnet ist und die räumliche Position einer jeweiligen Batteriezelle durch Abzählen der Batteriezellen entlang der Achsen (x-, y-, z-Achse) des gedachten kartesischen Koordinatensystems ermittelt wird. Die Verschaltungsinformation beschreibt bevorzugt, ob eine jeweilige Batteriezelle in Reihe oder parallel mit anderen Batteriezellen des Batteriesystems verschaltet ist. Auch eine Zugehörigkeit zu einer bestimmten Zellgruppe kann in der Verschaltungsinformation umfasst sein.
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Zu jeder der Batteriezellen ist eine, bevorzugt eine eigene, Kommunikationsschaltung zugeordnet. Die Kommunikationsschaltungen können direkt an den Batteriezellen angeordnet sein. Für den Fall, dass eine gemeinsame Kommunikationsschaltung für mehrere Batteriezellen, beispielsweise für die Batteriezellen einer Zellgruppe, vorgesehen ist, kann diese zentral für die jeweilige Zellgruppe angeordnet sein. Jede Kommunikationsschaltung weist eine Identifikationsnummer (Mikrochip-ID) auf, die sie und die ihr zugeordneten Batteriezellen eindeutig identifiziert.
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Die Kommunikationsschaltungen der Batteriezellen sind für eine Datenkommunikation über ein Kommunikationsnetzwerk mit einer zentralen Steuervorrichtung oder einem sogenannten Smart Battery Controller (SBC) verbunden. Die Datenkommunikation kann beispielsweise die Übertragung von Sensordaten oder von Schaltbefehlen umfassen. Das Kommunikationsnetzwerk kann beispielsweise als ein CAN- oder LIN-Netzwerk ausgebildet sein. Das Kommunikationsnetzwerk kann kabelbasiert oder optisch oder funkbasiert sein. Das Kommunikationsnetzwerk kann somit drahtgebunden oder drahtlos sein.
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Erfindungsgemäß meldet sich eine jeweilige Kommunikationsschaltung mit ihrer Identifikationsnummer mittels des Kommunikationsnetzwerks bei der zentralen Steuervorrichtung an. Die Anmeldung kann beispielsweise eine Anforderung für die Vergabe eines Konfigurationsdatensatzes umfassen. Die Steuervorrichtung wiederum ordnet der jeweiligen Kommunikationsschaltung anhand ihrer übermittelten Identifikationsnummer zumindest einen Konfigurationsdatensatz für eine jeweilige der jeweiligen Kommunikationsschaltung zugeordnete Batteriezelle aus der Konfigurationsübersicht für das Batteriesystem zu. Mit anderen Worten kann die Steuervorrichtung anhand der Identifikationsnummer die Konfigurationsübersicht durchsuchen und zumindest einen der Identifikationsnummer zugeordneten Konfigurationsdatensatz entnehmen.
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Die Steuervorrichtung übermittelt den zumindest einen Konfigurationsdatensatz mittels des Kommunikationsnetzwerks gezielt und direkt an die jeweilige Kommunikationsschaltung. Es muss also keine Daisy Chain Signalleitung durchlaufen werden. Der Konfigurationsdatensatz kann dann beispielsweise durch die Kommunikationsschaltung der jeweiligen Batteriezelle zugeordnet und in einer Speichereinheit der Batteriezelle abgespeichert werden.
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Um die Vergabe des Konfigurationsdatensatzes zu plausibilisieren, übermittelt die Steuervorrichtung mittels des Kommunikationsnetzwerks ein Testschaltsignal an die jeweilige Kommunikationsschaltung, wobei das Testschaltsignal einen vorbestimmten Schaltzustand einer zelleigenen Schalteranordnung der jeweiligen zu der jeweiligen Kommunikationsschaltung zugeordneten Batteriezelle beschreibt. Nach Vergabe des Konfigurationsdatensatzes führt die Steuervorrichtung mit anderen Worten einen Test durch, ob der jeweilige Konfigurationsdatensatz korrekt vergeben wurde. Bei der Batteriezelle handelt es sich um eine schaltbare Batteriezelle oder sogenannte Smart Cell. Mit anderen Worten weist die Batteriezelle eine zelleigene Schalteranordnung auf, die es erlaubt, die Zelle individuell anzusteuern und aus ihrer elektrischen Verschaltung mit den restlichen Zellen des Batteriesystems wegzuschalten oder sie zu überbrücken. Je nachdem, in welcher räumlichen und/oder logischen Position innerhalb des Batteriesystems sich eine solche Batteriezelle befindet und/oder je nachdem, in welcher Art sie mit anderen Batteriezellen des Batteriesystems elektrisch verschaltet ist, wirkt sich ein derartiges Hinzu- oder Wegschalten oder Überbrücken der Batteriezelle unterschiedlich auf das Batteriesystem aus. Diese Auswirkung kann bei bekanntem Bauplan des Batteriesystems vorausgesehen und anhand eines zu erwartenden Antwortsignals beschrieben werden.
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Erfindungsgemäß steuert die jeweilige Kommunikationsschaltung die jeweilige Batteriezelle gemäß dem beschriebenen Testsignal an, wodurch die jeweilige Batteriezelle den vorbestimmten Schaltzustand einnimmt, sofern die Vergabe des sie betreffenden Konfigurationsdatensatzes korrekt erfolgt ist. Um dies zu überprüfen, führt die Steuervorrichtung einen Abgleich zwischen einem durch Herstellen des vorbestimmten Schaltzustandes verursachten tatsächlichen Antwortsignal der jeweiligen Batteriezelle und einem auf Basis des Konfigurationsdatensatzes zu erwartenden Antwortsignal durch und greift bei einer Abweichung des tatsächlichen Antwortsignals von dem zu erwartenden Antwortsignal zu einer vorbestimmten Fehlerbehandlung ein. Die vorbestimmte Fehlerbehandlung kann beispielsweise in einer Neuvergabe oder in einer erneuten Übermittlung der Konfigurationsdatensätze bestehen.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass auch ohne das Vorhandensein einer Daisy Chain Signalleitung eine zuverlässige Vergabe von Konfigurationsdatensätzen in einem Batteriesystem erfolgen kann.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Batteriezellen innerhalb des Batteriesystems elektrisch miteinander zu Zellgruppen verschaltet sind, wobei jeweils die Batteriezellen einer der Zellgruppen zu einer gemeinsamen Kommunikationsschaltung zugeordnet sind. Um die Zuordnung der jeweiligen Konfigurationsdatensätze zu den Batteriezellen eindeutig ermöglichen zu können, werden in dem hier beschriebenen Fall für jeden Konfigurationsdatensatz zu der Ortsinformation ein Zellgruppenzähler und ein Positionszähler einer Batteriezellposition innerhalb der jeweiligen Zellgruppe hinzugefügt. Hierdurch ergibt sich zwar eine höhere Komplexität hinsichtlich der Konfigurationsdatensätze, jedoch überwiegt der Vorteil, dass eine reduzierte Anzahl an Kommunikationsschaltungen benötigt wird, was wiederum die Komplexität und Fehleranfälligkeit des Kommunikationsnetzwerkes reduziert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Batteriezellen in einer dreidimensionalen Matrix angeordnet, wobei der jeweilige Konfigurationsdatensatz als die Ortsinformation zumindest eine Raumkoordinate der dreidimensionalen Matrix umfasst. Mit anderen Worten erstreckt sich eine Batteriezellenanordnung des Batteriesystems entlang von drei Raumrichtungen. Die dreidimensionale Matrix bietet in vorteilhafter Weise mehr Flexibilität hinsichtlich der Anordnung der Batteriezellen, als die weiter oben beschriebene Anordnung entlang der drei Raumachsen eines gedachten kartesischen Koordinatensystems. Zum Erzeugen einer jeweiligen Konfigurationsübersicht kann so in vorteilhafter Weise ein Modell einer dreidimensionalen Matrix hinterlegt oder vorbereitet sein und für ein jeweils zu bedatendes oder zu konfigurierendes Batteriesystem ausgewählt werden.
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Bevorzugt wird die Konfigurationsübersicht in einem batteriesystemexternen Konfigurationsmodul erzeugt und gespeichert. Ein solches batteriesystemexternes Konfigurationsmodul kann beispielsweise in einer Prüfanlage und/oder einem Kundendiensttool installiert sein. In dem Konfigurationsmodul kann beispielsweise auch eine Sammlung der oben erwähnten Matrixmodelle abgespeichert sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Konfigurationsübersicht zentral verfügbar ist. Muss beispielsweise eine Batteriezelle ausgetauscht werden, kann sie so leicht kundendienstseitig nachträglich bedatet oder mit einem Konfigurationsdatensatz nachgerüstet werden.
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Bevorzugt empfängt die Steuervorrichtung den jeweiligen Konfigurationsdatensatz aus dem beschriebenen externen Konfigurationsmodul. Die Adressierung oder die Vergabe der Konfigurationsdatensätze kann also vorteilhaft durch eine externe Prüfeinrichtung eingespielt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass eine Kopie der Konfigurationsübersicht lokal in der zentralen Steuervorrichtung des Batteriesystems abgelegt wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Steuervorrichtung zur Vergabe der Konfigurationsdatensätze und/oder zum Durchführen des oben beschriebenen Plausibilitätschecks nicht an die externe Prüfanlage angeschlossen werden muss.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Batteriesystem, umfassend eine Vielzahl an Batteriezellen, wobei die Batteriezellen gemäß einem vorbestimmten Bauplan angeordnet und elektrisch leitend miteinander verschaltet sind. Kommunikationsschaltungen des Batteriesystems sind für eine Datenkommunikation über ein Kommunikationsnetzwerk mit einer Steuervorrichtung des Batteriesystems verbunden, wobei die Steuervorrichtung und die Kommunikationsschaltungen dazu ausgebildet und eingerichtet sind, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. In der Steuervorrichtung und in jeder Kommunikationsschaltung können hierzu zumindest ein Mikroprozessor und/oder zumindest ein Mikrocontroller bereitgestellt sein. Dieser zumindest eine Mikroprozessor und/oder zumindest eine Mikrocontroller kann jeweils mit einem Datenspeicher gekoppelt sein, in welchem Programminstruktionen gespeichert sein können, welche bei Ausführen durch den jeweiligen Mikroprozessor und/oder Mikrocontroller Verfahrensschritte ausführen, die für die Steuervorrichtung und/oder die Kommunikationsschaltung gemäß dem Verfahren vorgesehen sind. Die Steuervorrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Kommunikationsschaltungen dazu eingerichtet, über das Kommunikationsnetzwerk Sensordaten zur Steuervorrichtung zu schicken und Schaltanforderungen von der Steuervorrichtung zu empfangen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Kommunikationsnetzwerk zweidimensional oder dreidimensional, als ein sogenanntes Netz oder Mesh, aufgebaut.
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Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Fahrantrieb, der mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems verschaltet oder gekoppelt ist. In dem Kraftfahrzeug kann dieses Batteriesystem beispielsweise mit unkonfigurierten Batteriezellen in Bezug auf die Konfigurationsdatensätze eingebaut werden und bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs kann dann jede Batteriezelle mittels des beschriebenen Verfahrens einen Konfigurationsdatensatz zugeordnet bekommen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems und/oder des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind und umgekehrt.
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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. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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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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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 10. Das Kraftfahrzeug 10 weist ein Batteriesystem 12 auf, welches beispielsweise dazu eingerichtet sein kann, eine elektrische Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug 10 bereitzustellen. Das Batteriesystem 12 zeigt in der in 1 beispielhaft skizzierten Ausführungsform insgesamt sechs Batteriezellen 14. Es versteht sich von selbst, dass für einen effizienten Betrieb eines solchen Batteriesystems 12 eine Vielzahl an Batteriezellen 14 benötigt wird. Die in 1 beispielhaft gezeigten sechs Batteriezellen 14 sind in zwei Zellgruppen I und II angeordnet, wobei jeweils drei der Batteriezellen 14 in einer der Zellgruppen I, II parallel elektrisch miteinander verschaltet sind. Die beiden Zellgruppen I und II wiederum sind seriell elektrisch miteinander verschaltet. Die Batteriezellen 14 des Batteriesystems 12 sind bevorzugt derart elektrisch miteinander verschaltet, dass das Batteriesystem 12 eine elektrische Spannung von 60 Volt oder mehr bereitstellen kann. Eine jeweilige Zellspannung einer jeden der Batteriezellen 14 liegt bei ca. 4 Volt.
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Eine jede der Batteriezellen 14 kann eine Kommunikationsschaltung 16 sowie eine Speichereinheit 18 aufweisen. Die Speichereinheit 18 kann auch in die Kommunikationsschaltung 16 einer jeden der Batteriezellen 14 integriert sein. Die Kommunikationsschaltungen 16 können für eine Datenkommunikation über ein Kommunikationsnetzwerk 20 mit einer zentralen Steuervorrichtung 22, welche beispielsweise das bekannte Batteriemanagementsystem des Batteriesystems 12 sein kann, verbunden sein. Bei dem Kommunikationsnetzwerk 20 kann es sich um einen CAN-Bus oder LIN-Bus handeln. Das Kommunikationsnetzwerk 20 kann auch ein Funknetzwerk sein, das beispielsweise auf WIFI oder Bluetooth basieren kann, oder ein optisches Netzwerk. Die Batteriezellen 14 können als schaltbare Batteriezellen 14 ausgestaltet sein und eine jeweilige zelleigene Schalteranordnung 24 aufweisen. Der Übersichtlichkeit halber ist die Schalteranordnung 24 nur für eine, oben links angeordnete, der Batteriezellen 14 der 1 eingezeichnet.
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Die Steuervorrichtung 22 kann eine Datenschnittstelle zu einem batterieexternen Konfigurationsmodul 26 aufweisen und mithilfe der Datenschnittstelle eine Verbindung 28 zum Übertragen von Daten von und zu dem Konfigurationsmodul 26 herstellen. In dem Konfigurationsmodul 26 kann eine Konfigurationsübersicht 30 hinterlegt sein, welche zuvor auf Grundlage eines vorbestimmten Bauplans 32 für das Batteriesystem 12 erzeugt wurde. Die Konfigurationsübersicht 30 umfasst eine Vielzahl an Konfigurationsdatensätzen 34, wobei jeder der Konfigurationsdatensätze 34 eine Ortsinformation P und eine Verschaltungsinformation V für eine jeweilige Batteriezelle 14 des Batteriesystems 12 umfasst.
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Meldet sich nun eine jeweilige Kommunikationsschaltung 16 mit einer ihr zugeordneten Identifikationsnummer 36 bei der Steuervorrichtung 22 an, so kann die Steuervorrichtung 22 der jeweiligen Kommunikationsschaltung 16 anhand ihrer Identifikationsnummer 36 zumindest einen Konfigurationsdatensatz 34 für eine jeweilige ihr zugeordnete Batteriezelle 14 aus der Konfigurationsübersicht 30 zuordnen.
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Wie oben beschrieben, liegt ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass die Vergabe der Konfigurationsdatensätze 34 überprüft werden kann, wodurch eine besonders zuverlässige Vergabe realisiert sein kann. Um diese Überprüfung oder diesen Plausibilitätscheck der Vergabe durchzuführen, kann die Steuervorrichtung 22 mittels des Kommunikationsnetzwerkes 20 ein Testschaltsignal 38 an die jeweilige Kommunikationsschaltung 16 übermitteln. Das Testschaltsignal 38 kann einen vorbestimmten Schaltzustand der zelleigenen Schalteranordnung 24 der jeweils zu der Kommunikationsschaltung 16 zugeordneten Batteriezelle 14 beschreiben. Beispielsweise beschreibt das Testschaltsignal 38, dass die Schalter der zelleigenen Schalteranordnung 24 der Batteriezelle 14 geöffnet werden sollen, sodass die Batteriezelle 14 überbrückt wird oder aus einem gemeinsamen elektrischen Stromkreis des Batteriesystems 12 weggeschaltet wird. Für den in 1 beispielhaft gezeigten Fall würde dies zu einer Reduktion einer elektrischen Spannung des Batteriesystems 12 von ca. 4 Volt führen. Das erwartete oder zu erwartende Antwortsignal bei hergestelltem vorbestimmtem Schaltzustand würde also eine solche Spannungsreduktion umfassen. Erkennt die Steuervorrichtung 22 eine Abweichung zwischen einem tatsächlichen Antwortsignal der jeweiligen Batteriezelle 14 und dem zu erwartenden Antwortsignal, so kann sie zu einer vorbestimmten Fehlerbehandlung eingreifen.
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Unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit 1 bezeichneten und beschriebenen Komponenten beschreibt 2 schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst wird in einem Verfahrensschritt S1 ein Batteriesystem 12 bereitgestellt, wobei das Batteriesystem 12 eine Vielzahl von Batteriezellen 14 umfasst. Die Batteriezellen 14 sind gemäß einem vorbestimmten Bauplan 32 in dem Batteriesystem 12 räumlich angeordnet und elektrisch leitend miteinander verschaltet, wobei Kommunikationsschaltungen 16 der Batteriezellen 14 für eine Datenkommunikation über ein Kommunikationsnetzwerk 20 mit einer Steuervorrichtung 22 des Batteriesystems 12 verbunden sind. In einem Verfahrensschritt S2 wird auf Grundlage des vorbestimmten Bauplans 32 eine Konfigurationsübersicht 30 für das Batteriesystem 12 erzeugt, wobei die Konfigurationsübersicht 30 eine Vielzahl an Konfigurationsdatensätzen 34 umfasst, wobei ein jeweiliger Konfigurationsdatensatz 34 eine Ortsinformation P einer jeweiligen Batteriezelle 14 in dem Batteriesystem 12 und eine Verschaltungsinformation V betreffend eine elektrische Verschaltung der jeweiligen Batteriezelle 14 mit anderen Batteriezellen 14 des Batteriesystems 12 umfasst. In einem Verfahrensschritt S3 meldet sich eine jeweilige Kommunikationsschaltung 16 mit einer ihr zugeordneten Identifikationsnummer 36 mittels des Kommunikationsnetzwerkes 20 bei der Steuervorrichtung 22 an. In einem Verfahrensschritt S4 ordnet die Steuervorrichtung 22 der jeweiligen Kommunikationsschaltung 16 anhand der Identifikationsnummer 36 einen Konfigurationsdatensatz 34 für eine der Kommunikationsschaltung 16 zugeordnete Batteriezelle 14 aus der Konfigurationsübersicht 30 für das Batteriesystem 12 zu. Die Steuervorrichtung 22 übermittelt den zumindest einen Konfigurationsdatensatz 34 mittels des Kommunikationsnetzwerkes 20, bevorzugt direkt, an die Kommunikationsschaltung 16 (Schritt S5). Zum Durchführen eines Plausibilitätschecks übermittelt die Steuervorrichtung 22 in einem Verfahrensschritt S6 mittels des Kommunikationsnetzwerkes 20 ein Testschaltsignal 38 an die Kommunikationsschaltung 16. Das Testschaltsignal 38 beschreibt bevorzugt einen vorbestimmten Schaltzustand einer zelleigenen Schalteranordnung 24 der zu der Kommunikationsschaltung 16 zugeordneten Batteriezelle 14. In einem darauffolgenden Schritt S7 steuert die Kommunikationsschaltung 16 die ihr zugeordnete Batteriezelle 14 gemäß dem Testschaltsignal 38 an. In einem anschließenden Schritt S8 nimmt die Steuervorrichtung 22 einen Abgleich zwischen einem durch Herstellen des vorbestimmten Schaltzustands verursachten tatsächlichen Antwortsignal der Batteriezelle 14 und einem auf Basis des Konfigurationsdatensatzes 34 zu erwartenden Antwortsignal vor. Stellt die Steuervorrichtung 22 keine Abweichung fest, so kann das Vergabeverfahren in einem Schritt S9 abgeschlossen werden. Stellt die Steuervorrichtung 22 jedoch eine Abweichung zwischen den Antwortsignalen fest, so kann sie hier zu einer vorbestimmten Fehlerbehandlung in einem Schritt S10 eingreifen. Nach erfolgter Fehlerbehandlung kann die Steuervorrichtung 22 erneut den Abgleich vornehmen.
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Bzgl. dem Thema Smart-Cell-Technologie geht es im Wesentlichen darum, die Daisy-Chain-Leitung in der HV-Batterie entfallen lassen zu können. Bei bekannten Lösungen gibt es einen Daisy-Cell-Ring, der durch alle CMC-Steuergeräte (Cell-Module-Controller) und das BMC-Steuergerät (Battery-Management-Controller) geführt ist; weiter sind die CMCs jeweils mit dem BMC über einen CAN-Bus verbunden. Die Daisy-Chain hat dabei zur Aufgabe, eine initiale Adressierung der CMC Steuergeräte durchzuführen und bei Überschreitung sicherheitskritischer Schwellen innerhalb der Batteriezellen (Über-/Unterspannung, Übertemperatur, Überschreitung Stromschwellen) parallel zum CAN-Bus auch eine Signalisierung zu ermöglichen (über Daisy-Chain CMCs zu BMC.
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Durch die Daisy Chain ist in nachteiliger Weise neben dem Leistungspfad, der Kommunikationsschnittstelle (CAN), der 12V-Spannungsversorgung (Kl. 30c, KI. 31) noch eine zusätzliche diskrete Leitung innerhalb der HV-Batterie erforderlich. Hierdurch entstehen zusätzliche Kosten und Gewicht für die Daisy-Chain und die erforderlichen Stecker an CMC und BMC. Auch stellt die Daisy Chain Signalleitung eine zusätzliche Fehlerquelle (Leitungsquetschung, - Drahtbruch, Verbinderfehler etc.) dar.
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Durch die Verwendung von Batteriezellen mit Smart-Cell-Technologie können einzelne Zellen grundsätzlich gebrückt werden (z. B. bei Überschreitung der sicherheitskritischen Schwellen). Die Adressierung der einzelnen Smart-Cell-Controller z. B. bei der Erstinbetriebnahme oder beim Zelltausch kann dann über die Prüfanlage oder entsprechende Kundendienst-Tools erfolgen.
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Zum Beispiel kann die Vergabe von Konfigurationsdatensätzen gemäß dem folgenden Ablauf erfolgen:
- 1. Smart-Cell-Controller meldet via Kommunikationsschnittstelle seine Identität (µC Chip-Id)
- 2. Aufbau/Konfiguration der Smart-Battery wird über Prüfanlage/Kundendienst-Tool durchgeführt: Bedatung der Konfiguration kann dann im Smart-Battery-Controller (SBC) abgelegt werden
- 3. Die einzelnen Batteriezellen im Zellverbund können nach dem orthogonalen (xyz)-Koordinatensystem eingruppiert werden; weiter muß auch die Verschaltung der einzelnen Batteriezellen zueinander (parallel/seriell) bedatet werden
- 4. Abschließender Plausibilitäts-Check über Öffnen/Schließen der Smart-Cell-Schalter (Validierung der Bedatung); Zur Validierung bzw. für den Plausibilitäts-Check kann ebenfalls die Chip-ID des µC oder der Kommunikationsschaltung herangezogen werden (Smart-Cell-Controller meldet via Kommunikationsschnittstelle seine Identität).
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Im eigentlichen Betrieb der HV-Batterie ist Daisy-Chain also nicht mehr erforderlich. Hierdurch entfällt in vorteilhafter Weise die Daisy Chain Leitung und die zugehörigen Stecker, was Gewicht und Kosten einspart. Außerdem führt dies zu einer Robustheitssteigerung des Batteriesystems, da weniger potentielle Ausfallquellen vorhanden sind.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Batteriezellkonfiguration in einem Smart Battery System bereitgestellt werden kann.
