DE102020132016A1 - Battery, battery module arrangement, motor vehicle and method for controlling a battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batterie (10) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie (10) mehrere Batteriemodulanordnungen (12) aufweist, wobei jede der Batteriemodulanordnungen (12) mindestens ein Batteriemodul (14) mit mindestens einer Batteriezelle (16) eines bestimmten Zelltyps aufweist, und eine dem mindestens einen Batteriemodul (14) zugeordnete Zellmodul-Steuereinheit (18). Zudem umfasst die Batterie (10) eine Batteriesteuereinrichtung (26), welche mit den Zellmodul-Steuereinheiten (18) kommunikativ verbunden ist. Dabei ist in jeder der Zellmodul-Steuereinheiten (18) mindestens eine zelltypabhängige Modulcharakteristik (A1, A2, A3, K1, K2, K3, G1, G2, G3) gespeichert und jede der Zellmodul-Steuereinheiten (18) ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von der mindestens einen Modulcharakteristik (A1, A2, A3, K1, K2, K3, G1, G2, G3) mindestens einen Zustandsparameter (Z1, Z2, Z3) des mindestens einen zugeordneten Batteriemoduls (14) zu ermitteln und an einer Schnittstelle (24) der Zellmodul-Steuereinheit (18) zur Kommunikation mit der Batteriesteuereinrichtung (26) zur Übermittlung des Zustandsparameters (Z1, Z2, Z3) an die Batteriesteuereinrichtung (26) bereitzustellen.The invention relates to a battery (10) for a motor vehicle, the battery (10) having a plurality of battery module arrangements (12), each of the battery module arrangements (12) having at least one battery module (14) with at least one battery cell (16) of a specific cell type, and a cell module control unit (18) assigned to the at least one battery module (14). In addition, the battery (10) includes a battery control device (26) which is communicatively connected to the cell module control units (18). At least one cell type-dependent module characteristic (A1, A2, A3, K1, K2, K3, G1, G2, G3) is stored in each of the cell module control units (18) and each of the cell module control units (18) is designed to to determine at least one status parameter (Z1, Z2, Z3) of the at least one assigned battery module (14) from the at least one module characteristic (A1, A2, A3, K1, K2, K3, G1, G2, G3) and to transmit it at an interface (24 ) of the cell module control unit (18) for communication with the battery control device (26) for transmitting the status parameter (Z1, Z2, Z3) to the battery control device (26).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie mehrere Batteriemodulanordnungen aufweist, wobei jede der Batteriemodulanordnungen mindestens ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle eines bestimmten Zelltyps aufweist, und eine dem mindestens einen Batteriemodul zugeordnete Zellmodul-Steuereinheit. Weiterhin weist die Batterie eine Batteriesteuereinrichtung auf, welche mit den Zellmodul-Steuereinheiten kommunikativ verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie, eine Batteriemodulanordnung sowie ein Verfahren zum Steuern einer Batterie.The invention relates to a battery for a motor vehicle, the battery having a plurality of battery module arrangements, each of the battery module arrangements having at least one battery module with at least one battery cell of a specific cell type, and a cell module control unit assigned to the at least one battery module. Furthermore, the battery has a battery control device which is communicatively connected to the cell module control units. Furthermore, the invention also relates to a motor vehicle with such a battery, a battery module arrangement and a method for controlling a battery.
Batterien für Kraftfahrzeuge, insbesondere Hochvolt-Batterien für Elektro- und/oder Hybridfahrzeuge weisen üblicherweise mehrere Batteriemodule auf, die wiederum mehrere Batteriezellen umfassen. Die Funktionsfähigkeit der Batterie muss dabei permanent überwacht werden. Zudem müssen auch fortwährend Zustandsparameter ermittelt werden, die nicht nur der Überwachung der Batterie, sondern zum Beispiel auch zur Abschätzung der Restreichweite oder Ähnlichem dienen. Weiterhin ist die Batterie vorzugsweise in einem bevorzugten Betriebstemperaturbereich zu halten und entsprechend zu temperieren. Weiterhin sind auch Steuerfunktionen, wie zum Beispiel ein Ladezustandsausgleich, beim Laden und/oder Entladen der Batterie auszuführen. Derartige Steuer- und Überwachungsaufgaben werden üblicherweise von einer übergeordneten Batteriesteuereinrichtung, einem Zentralsteuergerät, auch Battery-Management-Controller (BMC) genannt, übernommen. Weiterhin sind in einer Batterie üblicherweise auch noch Zellmodul-Steuereinheiten, auch Module-Controller beziehungsweise Cell-Module-Controller (CMC) genannt, vorhanden. Dabei sind diese Module-Controller zur Erfassung diverser Messwerte, wie zum Beispiel Zellspannungen und Temperaturen, ausgelegt, und können bei geeigneten Vorgaben durch das Zentralsteuergerät ein Balancing der Batteriezellen durchführen, z.B. bei Vorgabe, wie lange das Balancing durchgeführt werden soll, besitzen aber ansonsten keine weitere Intelligenz. Die durch die Module-Controller erfassten Messwerte werden dann an das Zentralsteuergerät übermittelt, welches alle weiteren Berechnungen zur Zustandserkennung ausführt.Batteries for motor vehicles, in particular high-voltage batteries for electric and/or hybrid vehicles, usually have multiple battery modules, which in turn include multiple battery cells. The functionality of the battery must be constantly monitored. In addition, status parameters must be continuously determined, which not only serve to monitor the battery, but also, for example, to estimate the remaining range or something similar. Furthermore, the battery should preferably be kept in a preferred operating temperature range and temperature-controlled accordingly. Furthermore, control functions, such as charge state equalization, must also be carried out when charging and/or discharging the battery. Such control and monitoring tasks are usually performed by a higher-level battery control device, a central control unit, also known as a battery management controller (BMC). Furthermore, cell module control units, also known as module controllers or cell module controllers (CMC), are usually also present in a battery. These module controllers are designed to record various measured values, such as cell voltages and temperatures, and can balance the battery cells with suitable specifications from the central control unit, e.g. when specifying how long the balancing should be carried out, but otherwise have none more intelligence. The measured values recorded by the module controller are then transmitted to the central control unit, which carries out all further calculations for status detection.
Aktuell ist es lediglich möglich, die Zustandserkennung im Batteriemanagementsystem sowie die Sicherheitsfunktionen zum Schutz der Batterie nur für die jeweils zum Produktionszeitpunkt verwendete Zelle und Zellchemie bereitzustellen. Falls man beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt defekte Module tauschen möchte und diese eine andere Zellchemie als die ursprünglichen Zellen verwenden, funktionieren entsprechend die Zustandserkennung und gegebenenfalls auch die Sicherheitsfunktionen gar nicht mehr oder nicht mehr zuverlässig. Daher kann während der oftmals typischen 15jährigen Lebensdauer eines Fahrzeugs und damit auch seiner Hochvolt-Batterie im Schadensfall ein Zellmodul nur gegen ein gleiches Modul, das heißt entweder mit gleichen Zellen oder gleicher Zellchemie beziehungsweise Kapazität, wie ursprünglich verbaut, ausgetauscht werden oder man tauscht die gesamte Hochvolt-Batterie. Entsprechend müssen die verwendeten Zellmodule im schlimmsten Fall 15 Jahre auf Vorrat gelagert werden, da alte Zellchemien und Zellformate nicht nachproduziert werden können, sobald diese ausgelaufen sind. Dies verursacht hohe Kosten und Aufwände, und das Problem potenziert sich mit steigender Varianz an Zellen und Zellmodulen in den einzelnen Projekten. Auch das Anlegen und Umschalten verschiedener Parametersätze für unterschiedliche Zellen im Zentralsteuergerät ist nicht praktikabel, da auch diese Parameter zum Produktionsstart schon bereitstehen müssten. Zudem ist ein Nachladen von Parametern nur bedingt möglich, ohne gegen On-Board-Diagnose-Anforderungen zu verstoßen und funktioniert auch nur solange wie die ursprüngliche Batteriezustandserkennung noch mit den neuen Zellen verwendet werden kann.It is currently only possible to provide status detection in the battery management system and the safety functions to protect the battery only for the cell and cell chemistry used at the time of production. If, for example, you want to replace defective modules at a later point in time and they use a different cell chemistry than the original cells, the status detection and possibly also the safety functions no longer work at all or no longer reliably. Therefore, during the often typical 15-year service life of a vehicle and thus also its high-voltage battery, in the event of damage, a cell module can only be exchanged for an identical module, i.e. either with the same cells or the same cell chemistry or capacity as originally installed, or the entire module can be exchanged high-voltage battery. Accordingly, the cell modules used have to be stored for 15 years in the worst case, since old cell chemistries and cell formats cannot be reproduced once they have expired. This causes high costs and effort, and the problem increases with increasing variety of cells and cell modules in the individual projects. The creation and switching of different parameter sets for different cells in the central control unit is also not practicable, since these parameters would also have to be available at the start of production. In addition, parameters can only be reloaded to a limited extent without violating on-board diagnostic requirements and only works as long as the original battery status detection can still be used with the new cells.
Die
Die Batterien können Lithium-Ionen-Batterien mit unterschiedlichen Spannungen sein. Die von den Batterien gemeinsam zu nutzenden Komponenten können eine Batteriemodulsteuerung (BMC), ein Kühlsystem und Schutzmechanismen, wie Sicherungen oder Ähnliches sein. Weiterhin weist der Batterieverbund auch eine Zellmodulsteuerung (CMC) auf, die mit der Batterie verbunden ist und ausgebildet ist, Zellspannungen zu messen und einen Zellenladungsausgleich der Batteriezellen der Batterie auszuführen. Die Zellmodulsteuerung ist ferner ausgebildet, die Batterie vor der Überschreitung maximaler Werte zu schützen, indem Alarmnachrichten an die Batteriemodulsteuerung gesendet werden. Insbesondere sollen dabei die elektronischen Komponenten durch Integration der Batteriemodulsteuerung, die das Batterieverwaltungssystem der mehreren Batterieverbunde steuert, in eine einzige, gemeinsam genutzte Batteriemodulsteuerung erreicht werden, sowie die Reduzierung von Verbindungen und der Verkabelung zwischen den Batterieverbunden.The batteries can be lithium ion batteries with different voltages. The components to be shared by the batteries can be a battery module controller (BMC), a cooling system and protective mechanisms such as fuses or the like. Furthermore, the battery assembly also has a cell module controller (CMC), which is connected to the battery and is designed to measure cell voltages and carry out cell charge balancing of the battery cells of the battery. The cell module controller is also designed to protect the battery from exceeding maximum values by sending alarm messages to the battery module controller. In particular, the electronic components are to be achieved by integrating the battery module controller, which controls the battery management system of the multiple battery packs, into a single, shared battery module controller, and reducing connections and wiring between the battery packs.
Dies löst jedoch die oben beschriebene Problematik nicht. Weiterhin beschreibt die
Weiterhin beschreibt die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Batterie, ein Kraftfahrzeug, eine Batteriemodulanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die eine Möglichkeit aufzeigen, wie der Austausch eines Batteriemoduls und insbesondere das Ersetzen eines Batteriemoduls mit zumindest einer Zelle eines anderen Zelltyps, einfacher gestaltet werden kann.The object of the present invention is therefore to provide a battery, a motor vehicle, a battery module arrangement and a method that show a way of making it easier to replace a battery module and in particular to replace a battery module with at least one cell of a different cell type.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterie, durch ein Kraftfahrzeug, eine Batteriemodulanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.This object is achieved by a battery, by a motor vehicle, by a battery module arrangement and by a method having the features according to the respective independent patent claims. Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent patent claims, the description and the figures.
Eine erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug weist mehrere Batteriemodulanordnungen auf, wobei jede der Batteriemodulanordnungen mindestens ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle eines bestimmten Zelltyps aufweist, und eine dem mindestens einen Batteriemodul zugeordnete Zellmodul-Steuereinheit. Weiterhin weist die Batterie eine Batteriesteuereinrichtung auf, welche mit den Zellmodul-Steuereinheiten kommunikativ verbunden ist. Dabei ist in jeder der Zellmodul-Steuereinheiten mindestens eine zelltypabhängige Modulcharakteristik gespeichert, und jede der Zellmodul-Steuereinheiten ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von der mindestens einen Modulcharakteristik mindestens einen Zustandsparameter des mindestens einen zugeordneten Batteriemoduls zu ermitteln und an einer Schnittstelle der Zellmodul-Steuereinheit zur Kommunikation mit der Batteriesteuereinrichtung zur Übermittlung des Zustandsparameters der Batteriesteuereinrichtung bereitzustellen.A battery according to the invention for a motor vehicle has a plurality of battery module arrangements, each of the battery module arrangements having at least one battery module with at least one battery cell of a specific cell type, and a cell module control unit assigned to the at least one battery module. Furthermore, the battery has a battery control device which is communicatively connected to the cell module control units. At least one cell-type-dependent module characteristic is stored in each of the cell module control units, and each of the cell module control units is designed to determine at least one status parameter of the at least one assigned battery module as a function of the at least one module characteristic and to transmit it to an interface of the cell module control unit for Provide communication with the battery control device for transmission of the status parameter of the battery control device.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich die eingangs beschriebene Problematik durch eine Architekturanpassung der bestehenden Batteriearchitektur lösen lässt, insbesondere indem zell- beziehungsweise modulspezifische Berechnungen auf die Zellmodul-Steuereinheiten übertragen werden, die ursprünglich, das heißt bei bisherigen Batteriesystemen, von der Batteriesteuereinrichtung ausgeführt wurden. Damit können also die Zellmodul-Steuereinheiten basierend auf den in diesen gespeicherten zelltypabhängigen Modulcharakteristiken zum Beispiel die für die Zustandserkennung erforderlichen Berechnungen von Zustandsparametern selbst ausführen und lediglich die Endergebnisse an die zentrale Batteriesteuereinrichtung übermitteln. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, beliebige Zellchemien und Zellformate einzusetzen und sogar zu mischen, selbst wenn diese zum Zeitpunkt der Produktion der ursprünglichen Batterie noch nicht einmal bekannt waren. Denn diese Zellcharakteristiken bzw. Modulcharakteristiken können in den zugeordneten Zellmodul-Steuereinheiten, die zusammen mit den zugeordneten Batteriemodulen eine Batteriemodulanordnung bilden, gespeichert sein. Eine Modulcharakteristik kann sich dabei auf das gesamte Modul oder auch auf einzelne vom Modul umfasste Zellen beziehen. Damit soll unter einer Modulcharakteristik also zum Beispiel auch eine Zellcharakteristik verstanden werden können. Die Batteriesteuereinrichtung, wie zum Beispiel das eingangs erwähnte Zentralsteuergerät, muss dagegen keine Kenntnis über irgendwelche modulcharakteristischen oder sonstige zelltypabhängige Eigenschaften und Parameter haben. Beim Batteriemodultausch wird also eine gesamte Batteriemodulanordnung, das heißt eine Kombination aus zumindest einem Batteriemodul und einer Zellmodul-Steuereinheit getauscht, was es vorteilhafterweise ermöglicht, auch Austauschmodule mit völlig neuen Chemien in alte Batterien zu bringen, ohne die komplette Batteriesoftware neu schreiben zu müssen. Ferner kann so aus On-Board-Diagnose-Sicht immer ein Paket freigegebener Kombinationen definiert und zugelassen werden, welches durch eine solche Batteriemodulanordnung repräsentiert ist. Somit kann beispielsweise nur eine neue Zellmodul-Steuereinheit-Software sowie die Rückwirkungsfreiheit einer neuen Batteriemodulanordnung an sich geprüft werden, während der Rest des Systems völlig unangetastet bleiben kann.The invention is based on the finding that the problem described at the outset can be solved by adapting the existing battery architecture, in particular by transferring cell-specific or module-specific calculations to the cell module control units, which originally, i.e. in previous battery systems, from the battery control device were executed. The cell module control units can therefore, based on the cell type-dependent module characteristics stored in them, carry out the calculations of state parameters themselves, for example, which are required for state detection and only transmit the final results to the central battery control device. Advantageously, this makes it possible to use and even mix any cell chemistries and cell formats, even if these were not even known at the time the original battery was produced. This is because these cell characteristics or module characteristics can be stored in the associated cell module control units, which together with the associated battery modules form a battery module arrangement. A module characteristic can relate to the entire module or also to individual cells comprised by the module. A module characteristic should therefore also be understood to mean a cell characteristic, for example. In contrast, the battery control device, such as the central control device mentioned at the outset, need not have any knowledge of any module-specific or other cell-type-dependent properties and parameters. When replacing the battery module, an entire battery module arrangement, i.e. a combination of at least one battery module and a cell module control unit, is exchanged, which advantageously makes it possible to also bring exchange modules with completely new chemistries into old batteries without having to rewrite the entire battery software. Furthermore, from the on-board diagnosis point of view, a package of released combinations can always be defined and permitted, which is represented by such a battery module arrangement. Thus, for example, only a new cell module control unit software and the non-reactive nature of a new battery module arrangement can be tested, while the rest of the system can remain completely untouched.
Die genannten Zellmodul-Steuereinheiten können dabei die eingangs genannten Module-Controller (CMC) darstellen, jedoch nun mit erweiterter Funktionalität. Die vorliegende Batteriesteuereinrichtung korrespondiert zudem zum eingangs genannten Zentralsteuergerät (BMC), jedoch nun ebenfalls mit geändertem, insbesondere auch reduziertem Funktionsumfang. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass jede Zellmodul-Steuereinheit eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit der Batteriesteuereinrichtung aufweist, um Zustandsparameter an die Batteriesteuereinrichtung zu übermitteln, wobei diese Schnittstelle vorzugsweise als generische, erweiterbare Kommunikationsschnittstelle ausgebildet ist. Die Kommunikation der Zellmodul-Steuereinheiten mit der Batteriesteuereinrichtung kann dann vorteilhafterweise über einen definierten Standardsatz an Informationen erfolgen, der gegebenenfalls für neue Zellchemien oder Zellprojekte, falls nötig, einfach erweitert werden kann. Dieser definierte Standardsatz definiert dabei die Zustandsparameter, die von dem betreffenden Zellmodul-Steuereinheiten an die Batteriesteuereinrichtung übermittelt werden. Zudem erfolgt die Kommunikation der Zellmodul-Steuereinheiten mit der Batteriesteuereinrichtung und umgekehrt vorzugsweise über ein Bussystem, welches vorzugsweise einen industriegängigen Bus darstellt und keine proprietäre Lösung eines einzelnen Herstellers. Dadurch kann vorzugsweise auch zum Beispiel nach 15 Jahren noch entsprechende Bus-Hardware zur Verfügung gestellt werden. Bevorzugt ist hierbei ein CAN-Bus.The cell module control units mentioned can represent the module controllers (CMC) mentioned at the outset, but now with extended functionality. The present battery control device also corresponds to the central control unit (BMC) mentioned at the outset, but now also with a modified, in particular also reduced, range of functions. In addition, it is preferred that each cell module control unit has a communication interface for communication with the battery control device in order to transmit status parameters to the battery control device, with this interface preferably being designed as a generic, expandable communication interface. The communication of the cell module control units with the battery control device can then advantageously take place via a defined standard set of information, which can be easily expanded if necessary for new cell chemistries or cell projects. This defined set of standards defines the status parameters that are transmitted from the relevant cell module control units to the battery control device. In addition, the cell module control units communicate with the battery control device and vice versa, preferably via a bus system, which preferably represents an industry-standard bus and not a proprietary solution from a single manufacturer. As a result, appropriate bus hardware can preferably still be made available even after 15 years, for example. A CAN bus is preferred here.
Weiterhin kann jedes Batteriemodul nicht nur eine einzelne Batteriezelle, sondern vorzugsweise mehrere Batteriezellen aufweisen. Die einem gleichen Batteriemodul zugeordneten Batteriezellen sind dann vorzugsweise vom gleichen Zelltyp. Die Batteriezellen unterschiedlicher Batteriemodule können sich hinsichtlich ihres Zelltyps unterscheiden. Der Zelltyp kann dabei durch eine andere Zellchemie definiert sein oder auch lediglich eine von der Zellchemie verschiedene Zelleigenschaft betreffen, wie zum Beispiel eine Zellspannung, eine Kapazität, eine maximal in der Batteriezelle speicherbare oder entnehmbare Energie oder Ähnliches.Furthermore, each battery module can have not just a single battery cell, but preferably a plurality of battery cells. The battery cells assigned to the same battery module are then preferably of the same cell type. The battery cells of different battery modules can differ in terms of their cell type. The cell type can be defined by a different cell chemistry or just relate to a cell property that differs from the cell chemistry, such as a cell voltage, a capacity, a maximum energy that can be stored or drawn in the battery cell, or the like.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn jede der Zellmodul-Steuereinheiten dazu ausgelegt ist, als Zustandsparameter mindestens eine der folgenden Gruppen zu ermitteln: eine aktuelle Stromgrenze und/oder Spannungsgrenze für die mindestens eine Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls, einen aktuellen Ladezustand der mindestens einen Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls, eine maximale der mindestens einen Batteriezelle entnehmbare Energie und/oder eine zu einem aktuellen Zeitpunkt der mindestens einen Batteriezelle noch entnehmbare Energie, eine Kapazität der mindestens einen Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls, eine Ruhespannung und/oder einen Innenwiderstand der mindestens einen Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls, eine aktuelle Zellspannung und/oder eine Temperatur der mindestens einen Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls, einen Indikator für eine Betriebstemperatur und/oder einen Gesundheitszustand der mindestens einen Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls, insbesondere in Abhängigkeit von einem Innenwiderstand und/oder in Abhängigkeit von einer Kapazität der mindestens einen Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls.It is particularly advantageous if each of the cell module control units is designed to determine at least one of the following groups as status parameters: a current current limit and/or voltage limit for the at least one battery cell of the assigned battery module, a current state of charge of the at least one battery cell of the assigned battery module, a maximum energy that can be drawn from the at least one battery cell and/or an energy that can still be drawn from the at least one battery cell at a current point in time, a capacity of the at least one battery cell of the assigned battery module, an open-circuit voltage and/or an internal resistance of the at least one battery cell of the assigned Battery module, a current cell voltage and / or a temperature of the at least one battery cell of the associated battery module, an indicator of an operating temperature and / or a state of health of the at least one battery cell to ordered battery module, in particular depending on an internal resistance and / or depending on a capacity of the at least one battery cell of the associated battery module.
Alle diese Zustandsparameter eignen sich vorteilhafterweise zur Zustandserkennung der mindestens einen Batteriezelle und damit des betreffenden Batteriemoduls, welches der jeweiligen Zellmodul-Steuereinheit zugeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Zellmodul-Steuereinheit dazu ausgelegt, mehrere dieser Zustandsparameter zu ermitteln. Dabei kann die Zellmodul-Steuereinheit dazu ausgelegt sein, jede beliebige Kombination der genannten Zustandsparameter zu ermitteln. Insbesondere kann die Zellmodul-Steuereinheit auch dazu ausgelegt sein, alle diese genannten Zustandsparameter zu ermitteln. Dadurch ist eine umfassende Zustandserkennung der Batteriemodule und damit auch der gesamten Batterie für das Kraftfahrzeug möglich. Insbesondere ist es dadurch möglich, die gesamte Zustandserkennung in die Zellmodul-Steuereinheiten zu verlagern. Dabei können auch alle der genannten Zustandsparameter im Anschluss an ihre Ermittlung an die Batteriesteuereinrichtung übermittelt werden, was aber nicht notwendigerweise für all die genannten Zustandsparameter der Fall sein muss. Wenngleich beispielsweise auch hier die Zellmodul-Steuereinheit zum Beispiel die aktuelle Zelltemperatur des betreffenden Batteriemoduls ermittelt, so kann die Zellmodul-Steuereinheit daraus selbst entsprechende Schlussfolgerungen ableiten. Beispielsweise kann diese selbständig die ermittelten Temperaturen mit Grenzwerten vergleichen, um zu bestimmen, ob das betreffende Batteriemodul noch in einem optimalen Betriebstemperaturbereich betrieben wird. Ist dies nicht der Fall, so kann zum Beispiel eine entsprechende Warnung an die Batteriesteuereinrichtung ausgegeben werden. Auch kann die Zellmodul-Steuereinheit bei Überschreiten einer kritischen Temperatur für das Batteriemodul eine selbsttätige Abschaltung des betreffenden Batteriemoduls vornehmen. Auch kann die Zellmodul-Steuereinheit aus der ermittelten Temperatur beispielsweise den oben genannten Indikator für eine Betriebstemperatur ableiten und an die Batteriesteuereinrichtung bereitstellen. Ein solcher Indikator kann beispielsweise angeben, ob die aktuelle Betriebstemperatur zu hoch oder zu niedrig ist und eventuell eine Kühlung oder Beheizung des Batteriemoduls erfolgen sollte. Die oben genannten aktuellen Stromgrenzen und/oder Spannungsgrenzen für die mindestens eine Batteriezelle können beispielsweise eine maximale Stromgrenze für den Lade- und/oder Entladestrom der mindestens einen Batteriezelle definieren sowie beispielsweise eine untere Spannungsgrenze für die Zellspannung. Derartige Grenzen sind einerseits von zelltypabhängigen Modulcharakteristiken abhängig, das heißt unterschiedliche Batteriezelltypen können unterschiedliche solcher Strom- und/oder Spannungsgrenzen bei sonst gleichen Bedingungen aufweisen. Andererseits sind derartige Grenzwerte auch von der aktuellen Betriebssituation abhängig. Entsprechend kann auf Basis der mindestens einen zelltypabhängigen Modulcharakteristik für eine aktuelle Betriebssituation eine entsprechend aktuelle Stromgrenze und/oder Spannungsgrenze für die mindestens eine Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls ermittelt werden. Die Ermittlung der oben genannten Zustandsparameter ist aus dem Stand der Technik in ausreichender Weise bekannt, so dass hier nicht im Detail darauf eingegangen wird. Die Art und Weise der Ermittlung der betreffenden Zustandsparameter kann jedoch zelltypabhängig sein und ist durch die mindestens eine zelltypabhängige Modulcharakteristik berücksichtigt. Zudem ist es auch möglich, dass sich für neue Zellchemien ganz andere Berechnungswege zur Ermittlung der Zustandsparameter ergeben, die dann trotzdem direkt auf der dann neuen Zellmodul-Steuereinheit umgesetzt werden können.All of these status parameters are advantageously suitable for detecting the status of the at least one battery cell and thus of the battery module in question, which is assigned to the respective cell module control unit. The cell module control unit is particularly preferably designed to determine a number of these status parameters. In this case, the cell module control unit can be designed to determine any desired combination of the state parameters mentioned. In particular, the cell module control unit can also be designed to determine all of these stated state parameters. As a result, comprehensive status detection of the battery modules and thus also of the entire battery for the motor vehicle is possible. In particular, this makes it possible to relocate the entire state detection to the cell module control units. In this case, all of the stated state parameters can also be transmitted to the battery control device following their determination, but this does not necessarily have to be the case for all of the stated state parameters. Although, for example, the cell module control unit also determines the current cell temperature of the relevant battery module here, for example, the cell module control unit can derive corresponding conclusions from this itself. For example, this can independently compare the determined temperatures with limit values in order to determine whether the battery module in question is still being operated in an optimal operating temperature range. If this is not the case, a corresponding warning can be output to the battery control device, for example. The cell module control unit can also switch off the relevant battery module automatically if a critical temperature for the battery module is exceeded. The cell module control unit can also derive the above-mentioned indicator for an operating temperature from the determined temperature, for example, and make it available to the battery control device. Such an indicator can indicate, for example, whether the current operating temperature is too high or too low and whether the battery module should be cooled or heated. The current current limits and/or voltage limits for the at least one battery cell mentioned above can define, for example, a maximum current limit for the charging and/or discharging current of the at least one battery cell and, for example, a lower voltage limit for the cell voltage. Such limits are dependent on the one hand on cell-type-dependent module characteristics, that is to say different battery cell types can have different such current and/or voltage limits under otherwise identical conditions. On the other hand, such limit values are also dependent on the current operating situation. Correspondingly, on the basis of the at least one cell-type-dependent module characteristic for a current operating situation, a corresponding current limit and/or voltage limit for the at least one battery tery cell of the assigned battery module can be determined. The determination of the above-mentioned state parameters is sufficiently known from the prior art, so that it is not discussed in detail here. However, the manner in which the state parameters in question are determined can depend on the cell type and is taken into account by the at least one cell type-dependent module characteristic. In addition, it is also possible that completely different calculation methods for determining the status parameters result for new cell chemistries, which can then nevertheless be implemented directly on the then new cell module control unit.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die zelltypabhängige Modulcharakteristik mindestens eine aus der folgenden Gruppe darstellt: ein Algorithmus und/oder eine Vorschrift zur Ermittlung des mindestens einen Zustandsparameters, ein mathematisches Zellmodell, welches die mindestens eine Batteriezelle des Batteriemoduls mathematisch moduliert, ein zelltypabhängiger Grenzwert zumindest eines Betriebsparameters der mindestens einen Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls und/oder eine Kennlinie und/oder ein Kennfeld, welche beziehungsweise welches einen Zusammenhang zwischen zumindest zwei Parametern der mindestens einen Batteriezelle des zugeordneten Batteriemoduls definiert, insbesondere eine Ladezustands-Ruhespannungskennlinie. Es können aber auch andere Kennlinien oder Kennfelder mit zelltypabhängigen Parametern gespeichert sein. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der aktuelle Ladezustand einer Batteriezelle, basierend auf einem bekannten Initialladezustand, der zum Beispiel über eine Ruhespannungsmessung ermittelt werden kann, und einer Stromintegration während des Ladens und/oder Entladens der Batteriezelle beziehungsweise des Zellmoduls berechnet werden kann. Die Ermittlung des Initialzustands, basierend auf einer Ruhespannungsmessung der Ruhespannung der mindestens einen Batteriezelle beziehungsweise des Batteriemoduls erfolgt dabei oftmals unter Zuhilfenahme der genannten Ladezustands-Ruhespannungskennlinie, insbesondere für verschiedene Temperaturbereiche. Diese ordnet jeweiligen Ruhespannungswerten entsprechende Ladezustandswerte für die jeweiligen Temperaturbereiche zu. Diese Vorgehensweise eignet sich besonders für Lithium-Ionen-Zellen, ist aber für andere Batteriezellen unter Umständen weniger geeignet, wie zum Beispiel für Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren. Da deren Ladezustands-Ruhespannungskennlinie, auch SOC-OCV-Kennlinie genannt, sehr flach verläuft, kann in diesem Fall zum Beispiel eine Ladezustandsbestimmung in Abhängigkeit von einem Batterieinnenwiderstand des Batteriemoduls beziehungsweise der mindestens einen Batteriezelle erfolgen. Dieser Innenwiderstand lässt sich zum Beispiel über das Strom- und Spannungsprofil bei einer Strombelastung und der sich daraus ergebenden Spannungsantwort bestimmen. Es kann also sein, dass sich zur Ermittlung bestimmter Zustandsparameter, wie diese oben aufgezählt wurden, je nach Zelltyp unterschiedliche Algorithmen und/oder Rechenvorschriften zu deren Ermittlung eignen. Diese Vorgehensweisen zur Ermittlung der betreffenden Zustandsparameter, insbesondere dieser zelltypabhängigen Vorgehensweisen, können in Form solcher Vorschriften und/oder Algorithmen also vorteilhafterweise in den Zellmodul-Steuereinheiten gespeichert werden, die diese vorteilhafterweise verwenden können, um die betreffenden Zustandsparameter ihrer zugeordneten Batteriemodule zu bestimmen. In entsprechender Weise kann zur Ermittlung bestimmter Zustandsparameter auch auf mathematische Zellmodelle zurückgegriffen werden. Auch solche Zellmodelle können in entsprechender Weise zelltypabhängig in den entsprechenden Zellmodul-Steuereinheiten abgelegt sein. Auch die genannte Ladezustands-Ruhespannungskennlinie und/oder andere Kennlinien und Kennfelder können vorteilhafterweise in einem Speicher der betreffenden Zellmodul-Steuereinheiten abgelegt sein und damit vorteilhafterweise die zelltypabhängige Ermittlung der betreffenden Zustandsparameter durch die zugeordneten Zellmodul-Steuereinheiten erlauben. Auch können entsprechende zelltypabhängige Grenzwerte, wie zum Beispiel Temperaturgrenzwerte, Spannungsgrenzwerte, Stromgrenzwerte oder Ähnliches für das betreffende Batteriemodul in der zugeordneten Zellmodul-Steuereinheiten abgelegt sein. Darauf basierend ist es also vorteilhafterweise möglich, eine umfassende Zustandsüberwachung durch die Zellmodul-Steuereinheiten selbst auszuführen. Dies ermöglicht also vorteilhafterweise einen modularen Aufbau bei der Zustandsüberwachung.It is particularly advantageous if the cell-type-dependent module characteristic represents at least one from the following group: an algorithm and/or a specification for determining the at least one state parameter, a mathematical cell model which mathematically modulates the at least one battery cell of the battery module, at least one cell-type-dependent limit value an operating parameter of the at least one battery cell of the assigned battery module and/or a characteristic curve and/or a characteristic map which defines a relationship between at least two parameters of the at least one battery cell of the assigned battery module, in particular a state of charge open circuit voltage characteristic. However, other characteristic curves or characteristic diagrams with cell-type-dependent parameters can also be stored. For example, it can be provided that the current state of charge of a battery cell can be calculated based on a known initial state of charge, which can be determined, for example, via an open-circuit voltage measurement, and a current integration during the charging and/or discharging of the battery cell or the cell module. The determination of the initial state, based on an open-circuit voltage measurement of the open-circuit voltage of the at least one battery cell or the battery module, is often carried out with the aid of the stated charge state-open-circuit voltage characteristic, in particular for different temperature ranges. This assigns respective open-circuit voltage values to corresponding state of charge values for the respective temperature ranges. This procedure is particularly suitable for lithium-ion cells, but may be less suitable for other battery cells, such as lithium-iron-phosphate accumulators. Since their state of charge open-circuit voltage characteristic, also called SOC-OCV characteristic, is very flat, the state of charge can be determined in this case, for example, depending on a battery internal resistance of the battery module or the at least one battery cell. This internal resistance can be determined, for example, via the current and voltage profile in the event of a current load and the resulting voltage response. Depending on the cell type, it may therefore be the case that different algorithms and/or calculation rules are suitable for determining certain state parameters, such as those listed above. These procedures for determining the relevant state parameters, in particular these cell-type-dependent procedures, can therefore advantageously be stored in the cell module control units in the form of such regulations and/or algorithms, which can advantageously use them to determine the relevant state parameters of their associated battery modules. In a corresponding manner, mathematical cell models can also be used to determine certain state parameters. Such cell models can also be stored in the corresponding cell module control units in a corresponding manner, depending on the cell type. The state of charge/open circuit voltage characteristic mentioned and/or other characteristics and characteristic diagrams can also advantageously be stored in a memory of the relevant cell module control units and thus advantageously allow the cell type-dependent determination of the relevant state parameters by the associated cell module control units. Corresponding cell-type-dependent limit values, such as temperature limit values, voltage limit values, current limit values or the like for the battery module in question can also be stored in the assigned cell module control units. Based on this, it is thus advantageously possible for the cell module control units themselves to carry out comprehensive status monitoring. This advantageously enables a modular structure for status monitoring.
Die relevanten Ergebnisse der Zellmodul-Steuereinheiten können dann entsprechend, wie bereits erwähnt, an die Batteriesteuereinrichtung übermittelt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Batteriesteuereinrichtung dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von den übermittelten Zustandsparametern der jeweiligen Zellmodul-Steuereinheiten zumindest einen Batterieparameter aus folgender Gruppe zu ermitteln: zumindest einen Stromgrenzwert für einen Batteriegesamtstrom, eine Leistung und/oder Spannung in Form einer Abschätzung in Abhängigkeit einer Ruhespannung und/oder eines Innenwiderstands der Batterie, einen aktuellen Ladezustand der Batterie, eine maximal der Batterie entnehmbare Energie und/oder eine zu einem aktuellen Zeitpunkt der Batterie noch entnehmbare Energie. Die Batteriesteuereinrichtung kann also dazu ausgelegt sein, aus den einzelnen modulspezifischen Zustandsparametern die korrespondierenden Parameter für die Gesamtbatterie zu ermitteln. Beispielsweise kann die Batteriesteuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die für die Batterie freigegebenen Ströme in Abhängigkeit von den jeweiligen aktuellen Stromgrenzwerten der betreffenden Batteriemodule zu ermitteln. Der Stromgrenzwert für den Batteriegesamtstrom kann dann beispielsweise den kleinsten Stromgrenzwert, der für die jeweiligen Batteriemodule durch die Zellmodul-Steuereinheiten an die Batteriesteuereinrichtung kommuniziert wurde, darstellen. Die Batteriesteuereinrichtung trifft also unter diesen übermittelten aktuellen Stromgrenzwerten der einzelnen Batteriemodule eine minimale Auswahl, das heißt, sie wählt den kleinsten Wert aus, der dann den entsprechenden Stromgrenzwert für die Gesamtbatterie darstellt. Auch kann die Batteriesteuereinrichtung dazu ausgelegt sein, eine Leistungs- und Spannungsabschätzung auf Basis der Ruhespannungen und Innenwiderstände zu ermitteln. Weiterhin ist die Batteriesteuereinrichtung vorzugsweise dazu ausgelegt, einen Gesamtladezustand der Batterie in Abhängigkeit der einzelnen von den Zellmodul-Steuereinheiten übermittelten Modulladezuständen zu ermitteln, zum Beispiel als eine gewichtete Auswahl dieser übermittelten einzelnen Ladezustände der jeweiligen Batteriemodule. Weiterhin kann die Batteriesteuereinrichtung auch die verbleibende Energie ermitteln, die von der Batterie noch zur Verfügung gestellt werden kann. Dies kann ebenso in Form einer minimalen Auswahl aus den übermittelten Werten der verbleibenden Energie für die jeweiligen Batteriemodule erfolgen. Mit anderen Worten wird auch wiederum der kleinste Wert ausgewählt und gleich der der Batterie noch zu entnehmenden Energie gesetzt. Auch kann die Kapazität der Batterie durch die Batteriesteuereinrichtung in Abhängigkeit von den Modulkapazitäten bereitgestellt werden, indem die kleinste Modulkapazität gleich der Batteriekapazität gesetzt wird. Auch dies entspricht wiederum der minimalen Auswahl. Darüber hinaus kann die Batteriesteuereinrichtung noch weitere Aufgaben übernehmen. Beispielsweise kann diese auch die Kühlung anhand der Anforderungen, die die Zellmodul-Steuereinheiten übermitteln, steuern. Insgesamt sammelt die Batteriesteuereinrichtung generell nur noch Informationen der Module beziehungsweise deren Zellmodul-Steuereinheiten und generiert daraus für die Batterie aussagefähige Werte. Zelltypabhängige Berechnungen werden von der Batteriesteuereinrichtung jedoch nicht ausgeführt. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, dass bei einem Tausch eines Moduls inklusive seiner zugeordneten Zellmodulsteuereinheit die Software der Batteriesteuereinrichtung, das heißt die Betriebsweise der Batteriesteuereinrichtung, nicht geändert werden muss und auch nicht geändert wird. Die Batteriesteuereinrichtung rechnet einfach mit den Werten weiter, die die neue Modulanordnung, das heißt insbesondere die dem neuen Modul zugeordnete Zellmodulsteuereinheit, an die Batteriesteuereinrichtung übermittelt.As already mentioned, the relevant results of the cell module control units can then be transmitted to the battery control device. According to a further advantageous embodiment of the invention, the battery control device is designed to determine at least one battery parameter from the following group as a function of the transmitted status parameters of the respective cell module control units: at least one current limit value for a total battery current, a power and/or voltage in the form of an estimate depending on an open-circuit voltage and/or an internal resistance of the battery, a current state of charge of the battery, a maximum energy that can be drawn from the battery and/or an energy that can still be drawn from the battery at a current point in time. The battery control device can therefore be designed to calculate the corresponding parameters for the individual module-specific status parameters determine the total battery. For example, the battery control device can be designed to determine the currents released for the battery as a function of the current current limit values of the relevant battery modules. The current limit value for the total battery current can then represent, for example, the smallest current limit value that was communicated to the battery control device by the cell module control units for the respective battery modules. The battery control device therefore makes a minimum selection from these transmitted current current limit values of the individual battery modules, that is to say it selects the smallest value which then represents the corresponding current limit value for the battery as a whole. The battery control device can also be designed to determine a power and voltage estimate based on the no-load voltages and internal resistances. Furthermore, the battery control device is preferably designed to determine an overall state of charge of the battery as a function of the individual module states of charge transmitted by the cell module control units, for example as a weighted selection of these transmitted individual states of charge of the respective battery modules. Furthermore, the battery control device can also determine the remaining energy that can still be made available by the battery. This can also be done in the form of a minimal selection from the transmitted values of the remaining energy for the respective battery modules. In other words, the smallest value is again selected and set equal to the energy still to be drawn from the battery. The capacity of the battery can also be provided by the battery control device as a function of the module capacities by setting the smallest module capacity equal to the battery capacity. Again, this corresponds to the minimum selection. In addition, the battery control device can take on other tasks. For example, this can also control the cooling based on the requirements that the cell module control units transmit. Overall, the battery control device generally only collects information from the modules or their cell module control units and uses this to generate meaningful values for the battery. However, cell type-dependent calculations are not carried out by the battery control device. This advantageously allows the software of the battery control device, ie the mode of operation of the battery control device, not to be changed when a module including its assigned cell module control unit is replaced, nor is it changed. The battery control device simply continues to calculate with the values which the new module arrangement, that is to say in particular the cell module control unit assigned to the new module, transmits to the battery control device.
Weiterhin kann die Batteriesteuereinrichtung auch dazu ausgelegt sein, in Abhängigkeit von den übermittelten Zustandsparametern der jeweiligen Zellmodul-Steuereinheiten für eine jeweilige Batteriemodulanordnung eine Vorgabe für einen Ladezustandsausgleich zu ermitteln und an die jeweiligen Zellmodul-Steuereinheiten zu übermitteln, wobei die jeweiligen Zellmodul-Steuereinheiten dazu ausgelegt sind, in Abhängigkeit von der jeweiligen übermittelten Vorgabe einen Ladezustandsausgleich unter den Batteriezellen des Batteriemoduls vorzunehmen. Mit anderen Worten kann die Batteriesteuereinrichtung das Balancing der einzelnen Batteriezelle durch eine Zielvorgabe für jedes Moduls steuern. Diese Zielvorgabe basiert wiederum auf den jeweils von den Zellmodul-Steuereinheiten an die Batteriesteuereinrichtung gemeldeten aktuellen Ladezuständen und insbesondere auch auf den Kapazitäten. Die modulspezifischen Berechnungen, das heißt also die Ermittlung der Ladungszustände und/oder Kapazitäten, können damit also vorteilhafterweise in den Zellmodul-Steuereinheiten selbst durchgeführt werden, während dann die Batteriesteuereinrichtung lediglich darauf basierend die Vorgaben für das Balancing ermittelt und an die jeweiligen Modul-Steuereinheiten übermittelt, die das Balancing wiederum selbst durchführen.Furthermore, the battery control device can also be designed to determine a specification for a state of charge equalization for a respective battery module arrangement as a function of the transmitted state parameters of the respective cell module control units and to transmit it to the respective cell module control units, the respective cell module control units being designed for this , depending on the transmitted specification to carry out a state of charge equalization among the battery cells of the battery module. In other words, the battery controller can control the balancing of the individual battery cells by setting a target for each module. This target specification is in turn based on the current state of charge reported by the cell module control units to the battery control device and in particular also on the capacities. The module-specific calculations, i.e. the determination of the charge states and/or capacities, can thus advantageously be carried out in the cell module control units themselves, while the battery control device then determines the specifications for the balancing based only on this and transmits them to the respective module control units , which in turn carry out the balancing themselves.
Weiterhin sind bevorzugt innerhalb der Batterie noch weitere Funktionen beziehungsweise Aufgaben auszuführen, wie zum Beispiel die HV-Strom- und Spannungsmessung. Dabei werden der Gesamtbatteriestrom sowie die Batteriespannung hochfrequent und synchron gemessen und diese Werte auf dem Bus-System allen Teilnehmern zur Verfügung gestellt. Diese Strom- und Spannungsmessung kann von einer eigenen Komponente der Batterie, die von der Batteriesteuereinrichtung und den Zellmodul-Steuereinheiten verschieden sein kann, übernommen werden, und vorzugsweise wird eine solche Messung beziehungsweise die Erfassung dieser Messwerte und Verteilung durch die Batteriesteuereinrichtung übernommen. Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Batteriesteuereinrichtung dazu ausgelegt ist, wiederholt einen jeweils aktuellen Batteriegesamtstrom der Batterie an die Zellmodul-Steuereinheiten zu übermitteln. Gerade der Batteriegesamtstrom wird dabei für diverse Berechnungen von Zustandsparametern der einzelnen Module benötigt, zum Beispiel zur Ermittlung des aktuellen Ladezustands eines Batteriemoduls basierend auf einer Stromintegration, wie oben bereits beschrieben. Entsprechend ist es also vorteilhaft, zumindest die Batteriegesamtstromwerte regelmäßig an die Zellmodul-Steuereinheiten zu übermitteln. Weiterhin kann auch eine Einrichtung zur Isolationsmessung und Ansteuerung der Trennelemente, insbesondere der Hochvolt-Schütze, zur Trennung der Hochvolt-Batterie vom restlichen Bordnetz vorgesehen sein. Die Isolationsmessung kann zum Beispiel von einem Isolationswächter übernommen werden. Gegebenenfalls kann eine Abschaltanforderung, insbesondere die einzelnen Module betreffend, auch von den Zellmodul-Steuereinheiten umgesetzt werden. Der Isolationswächter kann weiterhin den aktuellen Isolationswiderstand messen und bereitstellen, insbesondere wieder auf dem Bus-System sowie entsprechend auch die Hochvolt-Trennelemente unter Umständen ansteuern, zum Beispiel wenn der Isolationswiderstand unter einen vorgegebenen Grenzwert sinkt.Furthermore, further functions or tasks are preferably to be carried out within the battery, such as the HV current and voltage measurement. The total battery current and the battery voltage are measured at high frequency and synchronously and these values are made available to all participants on the bus system. This current and voltage measurement can be taken over by a separate component of the battery, which can be different from the battery control device and the cell module control units, and such a measurement or the acquisition of these measured values and distribution is preferably taken over by the battery control device. It therefore represents a further advantageous embodiment of the invention when the battery control device is designed to repeatedly transmit a current total battery current of the battery to the cell module control units. The total battery current is required for various calculations of status parameters of the individual modules, for example to determine the current state of charge of a battery module based on current integration, as already described above. Accordingly, it is therefore advantageous to transmit at least the total battery current values to the cell module control units on a regular basis. Furthermore, a device for isolation measurement and activation of the isolating elements, in particular the high-voltage contactors, for isolating the high-voltage battery from the rest of the vehicle electrical system. The insulation measurement can be taken over by an insulation monitor, for example. If necessary, a switch-off request, in particular relating to the individual modules, can also be implemented by the cell module control units. The insulation monitor can continue to measure and provide the current insulation resistance, in particular again on the bus system and also control the high-voltage isolating elements under certain circumstances, for example if the insulation resistance falls below a predetermined limit value.
Auch diese Funktionalität kann zum Beispiel in die Batteriesteuereinrichtung integriert sein, da diese von irgendwelchen zelltypabhängigen Charakteristiken vollkommen unabhängig ist.This functionality can also be integrated into the battery control device, for example, since it is completely independent of any cell-type-dependent characteristics.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass jede Zellmodul-Steuereinheit genau einem Batteriemodul zugeordnet ist. Pro Batteriemodul in der Batterie ist also eine zugeordnete Zellmodul-Steuereinheit vorgesehen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen umfasst. Batteriemodule lassen sich damit einzeln austauschen, insbesondere in Kombination mit den ihnen zugeordneten Zellmodul-Steuereinheiten, und gegen andere Module mit zugeordneten Zellmodul-Steuereinheiten ersetzen, die unter Umständen eine komplett andere Zellchemie oder zumindest einen ganz anderen Zelltyp aufweisen. Ein Batteriemodul ist dabei insbesondere als eine bauliche Einheit mehrerer Batteriezellen zu verstehen, die zum Beispiel in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und/oder mittels einer Spanneinrichtung miteinander verspannt sind oder Ähnliches.Furthermore, it is preferred that each cell module control unit is assigned to exactly one battery module. An assigned cell module control unit is therefore provided for each battery module in the battery. Furthermore, it is preferred that each battery module comprises a plurality of battery cells. Battery modules can thus be exchanged individually, especially in combination with the cell module control units assigned to them, and replaced with other modules with assigned cell module control units, which may have a completely different cell chemistry or at least a completely different cell type. A battery module is to be understood in particular as a structural unit of several battery cells, which are accommodated, for example, in a common housing and/or are clamped together by means of a clamping device or the like.
Wenn pro Batteriemodul eine Zellmodul-Steuereinheit vorgesehen ist, kann hierdurch ein besonders hohes Maß an Flexibilität in Bezug auf die Austauschbarkeit einzelner Module bereitgestellt werden. Denkbar wäre es auch, dass eine Zellmodul-Steuereinheit mehreren Batteriemodulen zugeordnet ist, dann wäre jedoch lediglich die Gesamtheit dieser der einen Zellmodul-Steuereinheit zugeordneten Batteriemodule auf einmal austauschbar und nicht jedes Modul einzeln.If a cell module control unit is provided for each battery module, this can provide a particularly high degree of flexibility with regard to the exchangeability of individual modules. It would also be conceivable for a cell module control unit to be assigned to a plurality of battery modules, but then only the entirety of these battery modules assigned to one cell module control unit would be exchangeable at once and not each module individually.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batterie in ihrer Ausgestaltung beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Batterie vorzugsweise als Hochvolt-Batterie ausgebildet. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.Furthermore, the invention also relates to a motor vehicle with a battery according to the invention or one of its configurations. The advantages described for the configuration of the battery according to the invention therefore apply in the same way to the motor vehicle according to the invention. Furthermore, the battery according to the invention is preferably designed as a high-voltage battery. The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batteriemodulanordnung zum modularen Einbau in eine Batterie mit mehreren Batteriemodulanordnungen, wobei die Batteriemodulanordnung mindestens ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle eines bestimmten Zelltyps aufweist und eine dem mindestens einen Batteriemodul zugeordnete Zellmodul-Steuereinheit. Dabei ist in der Zellmodul-Steuereinheit mindestens eine zelltypabhängige Modulcharakteristik gespeichert, und die Zellmodul-Steuereinheit ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von der mindestens einen Modulcharakteristik mindestens einen Zustandsparameter des mindestens einen zugeordneten Batteriemoduls zu ermitteln und an einer Schnittstelle der Zellmodul-Steuereinheit zur Kommunikation mit einer Batteriesteuereinrichtung zur Übermittlung des Zustandsparameters an die Batteriesteuereinrichtung bereitzustellen.The invention also relates to a battery module arrangement for modular installation in a battery with a plurality of battery module arrangements, the battery module arrangement having at least one battery module with at least one battery cell of a specific cell type and a cell module control unit assigned to the at least one battery module. At least one cell-type-dependent module characteristic is stored in the cell module control unit, and the cell module control unit is designed to determine at least one status parameter of the at least one associated battery module as a function of the at least one module characteristic and to communicate with it at an interface of the cell module control unit provide a battery control device for transmitting the status parameter to the battery control device.
Auch hier gelten die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und ihren Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die dort bereits beschriebenen Batteriemodulanordnungen genannten Vorteile in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batteriemodulanordnung.Here, too, the advantages described in connection with the battery according to the invention and its configurations, in particular with regard to the battery module arrangements already described there, apply in the same way to the battery module arrangement according to the invention.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Steuern einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterie mehrere Batteriemodulanordnungen aufweist, wobei jede der Batteriemodulanordnungen mindestens ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle eines bestimmten Zelltyps aufweist, und eine dem mindestens einen Batteriemodul zugeordnete Zellmodul-Steuereinheit. Weiterhin weist die Batterie eine Batteriesteuereinrichtung auf, welche mit den Modul-Steuereinheiten kommunikativ verbunden ist. Weiterhin ist in jeder der Zellmodul-Steuereinheiten mindestens eine zelltypabhängige Modulcharakteristik gespeichert, und jede der Zellmodul-Steuereinheiten ermittelt in Abhängigkeit von der mindestens einen Modulcharakteristik mindestens einen Zustandsparameter des mindestens einen zugeordneten Batteriemoduls und stellt diesen an einer Schnittstelle der Zellmodul-Steuereinheit zur Kommunikation mit der Batteriesteuereinrichtung zur Übermittlung des Zustandsparameters an die Batteriesteuereinrichtung bereit.Furthermore, the invention also relates to a method for controlling a battery for a motor vehicle, the battery having a plurality of battery module arrangements, each of the battery module arrangements having at least one battery module with at least one battery cell of a specific cell type, and a cell module control unit assigned to the at least one battery module. Furthermore, the battery has a battery control device which is communicatively connected to the module control units. Furthermore, at least one cell-type-dependent module characteristic is stored in each of the cell module control units, and each of the cell module control units determines at least one status parameter of the at least one assigned battery module as a function of the at least one module characteristic and makes this available at an interface of the cell module control unit for communication with the Battery control device ready for transmission of the status parameter to the battery control device.
Auch hier gelten die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und ihren Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren. Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.Here, too, the advantages mentioned in connection with the battery according to the invention and its configurations apply in the same way to the method according to the invention. The invention also includes developments of the method according to the invention, which have features as already described in connection with the developments of the battery according to the invention have been described. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.The invention also includes the combinations of features of the described embodiments. The invention also includes implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, unless the embodiments were described as mutually exclusive.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.Exemplary embodiments of the invention are described below.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that each also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to encompass combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols designate elements with the same function.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Batterie 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, mit mehreren Batteriemodulanordnungen 12, hier exemplarisch drei, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine jeweilige Batteriemodulanordnung 12 umfasst dabei weiterhin ein Batteriemodul 14, welches mehrere Batteriezellen 16 aufweist. Pro Batteriemodul 14 ist dabei lediglich eine Batteriezelle 16 mit einem Bezugszeichen aus Gründen der Übersichtlichkeit versehen. Wenngleich die Batteriezellen 16 auch das gleiche Bezugszeichen 16 aufweisen, so kann es sich bei den Batteriezellen 16 verschiedener Batteriemodule 14 um Zellen eines unterschiedlichen Zelltyps handeln. Diese Batteriezellen 16 unterschiedlicher Batteriemodule 14 können sich beispielsweise in der Zellchemie oder anderen Zustandsparametern, wie beispielsweise Kapazität, Innenwiderstand, maximale Energie oder Ähnliches unterscheiden. Die Batteriezellen 16, die einem gleichen Modul 14 zugeordnet sind, sind vom gleichen Zelltyp. Weiterhin weist die Batteriemodulanordnung 12 eine dem Batteriemodul 14 zugeordnete Zellmodul-Steuereinheit 18 auf. Eine solche Zellmodul-Steuereinheit 18 weist wiederum einen Speicher 20 auf, in welchem mindestens eine zelltypabhängige Modulcharakteristik 22 gespeichert ist. Für die erste Batteriemodulanordnung 12 kann es beispielsweise einen ersten Algorithmus oder eine Rechenvorschrift A1 zur Berechnung eines Zustandsparameters Z1 darstellen, eine Kennlinie K1 beziehungsweise ein Kennfeld und/oder ein Grenzwert G1, zum Beispiel ein Temperaturgrenzwert, Spannungsgrenzwert und/oder Stromgrenzwert für das betreffende Batteriemodul 14 beziehungsweise die in diesem Batteriemodul 14 enthaltenen Batteriezellen 16. In einer zweiten Zellmodul-Steuereinheit 18 kann zum Beispiel ein zweiter Algorithmus A2 zur Berechnung eines Zustandsparameters Z2 für das zweite Batteriemodul 14, ein zweites Kennfeld K2 und/oder ein zweiter Grenzwert G1 gespeichert sein sowie für die dritte Batteriemodulanordnung 12 eine dritte Rechenvorschrift A3, ein drittes Kennfeld K3 und/oder ein dritter Grenzwert G3. Eine jeweilige Zellmodul-Steuereinheit 18 ist nun dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von mindestens einem dieser gespeicherten zelltypabhängigen Modulcharakteristiken 22 mindestens einen dem Batteriemodul 14 zugeordneten Zustandsparameter Z1, Z2, Z3 zu ermitteln und an einer Schnittstelle 24 bereitzustellen, um diesen ermittelten Zustandsparameter Z1, Z2, Z3 kommunikativ an eine Batteriesteuereinrichtung 26, zum Beispiel ein Zentralsteuergerät der Batterie 10, zu übermitteln. Auf diese Weise lassen sich alle zell- beziehungsweise modulspezifischen Berechnungen auf die Zellmodul-Steuereinheiten 18 verlagern, wodurch eine Architekturanpassung der bestehenden Batteriearchitektur ermöglicht wird, die einen besonders flexiblen Modulaustausch ermöglicht. Die Schnittstelle 24 der jeweiligen Zellmodul-Steuereinheiten 18 ist dabei vorzugsweise als generische erweiterbare Kommunikationsschnittstelle definiert. Damit ist es nun möglich, dass ein jeweiliges Zellmodul 14 beziehungsweise seine zugeordnete Zellmodul-Steuereinheit 18 alle nötigen Berechnungen zur Batteriezustandserkennung eigenständig durchführt und nur die Ergebnisse an das Zentralsteuergerät, insbesondere die Batteriesteuereinrichtung 26, übermittelt. Dadurch können beliebige Zellchemieformate eingesetzt und sogar gemischt werden, selbst wenn diese zum Zeitpunkt der Produktion der ursprünglichen Batterie noch nicht mal bekannt waren. Die Kommunikation der einzelnen Module untereinander, das heißt der Zellmodul-Steuereinheit 18 mit der Batteriesteuereinrichtung 26, erfolgt dabei über einen definierten Standardsatz an Informationen, der gegebenenfalls für neue Chemien oder Projekte falls nötig einfach erweitert werden kann. Alle Module bzw. Modulanordnungen 12, die mindestens der Version dieser Kommunikation zum jeweiligen Produktionsstand entsprechen, sind damit automatisch untereinander austauschbar. Funktional bedeutet eine völlig andere Aufteilung der einzelnen Funktionen als aktuell üblich. Insbesondere sammelt die Batteriesteuereinrichtung 26 generell nur noch Informationen der Module 14 beziehungsweise 16 deren Zellmodul-Steuereinheiten 18 zusammen und generiert daraus für die Batterie aussagefähige Werte. Diese Werte sind in der einzigen Figur mit Z bezeichnet und stellen sozusagen einen Zustandsparameter der Gesamtbatterie 10 dar. Derartige Werte Z können zum Beispiel freigegebene Ströme darstellen, Leistungen und/oder Spannungsabschätzungen auf Basis von Ruhespannung und Innenwiderstand, einen Ladezustand der Batterie, die verbleibende Energie und/oder eine Kapazität der Batterie 10. Zudem steuert die Batteriesteuereinrichtung 26 die Kühlung anhand der Anforderungen, die die Module beziehungsweise ihre Modul-Steuereinheiten 18 an die Batteriesteuereinrichtung 26 in Form der Zustandsparameter Z1, Z2, Z3 übermitteln. Weiterhin kann die Batteriesteuereinrichtung 26 auch das Balancing der einzelnen Batteriezellen 16 durch eine Zielvorgabe für jedes Modul 14 auf Basis der jeweils gemeldeten Ladungszustände und Kapazitäten der einzelnen Module 14 steuern. Auch diese einzelnen Ladezustände und Kapazitäten stellen Beispiele für Zustandsparameter Z1, Z2, Z3 dar, die von den jeweiligen Modul-Steuereinheiten 18 ermittelt und an die Batteriesteuereinrichtung 26 übermittelt werden. Die Software der Batteriesteuereinrichtung 26 wird bei einem Tausch eines Moduls 14 beziehungsweise einer gesamten Batteriemodulanordnung 12 nicht geändert, sondern rechnet einfach mit den Werten des neuen Moduls 14 weiter, das heißt mit den neuen, von dieser Zellmodul-Steuereinheit 18 bereitgestellten Zustandswerten Z1, Z2, Z3.The only figure shows a schematic representation of a
Die Zellmodul-Steuereinheiten 18 berechnen dabei für das jeweilige Modul 14 relevante Werte. Dabei können an die Chemie angepasste oder ganz neue Algorithmen A1, A2, A3 auf den einzelnen Zellmodul-Steuereinheiten 18 gespeichert und verwendet werden. Entscheidend ist nur die Bereitstellung der entsprechenden Ergebnisse in Form der Zustandsparameter Z1, Z2, Z3 für das jeweilige Modul 14. Um eine möglichst umfassende Zustandserkennung für die Batterie 10 bereitzustellen, ist es besonders vorteilhaft, wenn für das jeweilige Modul 14 zumindest die folgenden Zustandsparameter Z1, Z2, Z3 berechnet und übermittelt werden: aktuelle Stromgrenzen und/oder aktuelle Spannungsgrenzen, ein aktueller Ladezustand, eine verbleibende und/oder maximale Energie, eine Kapazität, eine aktuelle Ruhespannung und/oder ein aktueller Innenwiderstand, einzelne Zellspannungen und Temperaturen, ein Indikator für eine Betriebstemperatur, wie zum Beispiel zu warm, zu kalt oder Ähnliches, und ein Gesundheitszustand bezogen auf den Innenwiderstand und die Kapazität. All diese stellen Zustandsparameter Z1, Z2, Z3 dar, die selbsttätig von den jeweiligen Zellmodul-Steuereinheiten 18 ermittelt und an der Schnittstelle 24 bereitgestellt werden können. Dabei kann es unter Umständen sein, dass für einen neuen Zelltyp weitere Zustandsparameter Z1, Z2, Z3 zu einer vollständigen Zustandsbeschreibung ermittelt und an die Batteriesteuereinrichtung 26 übermittelt werden müssen. Dies kann jedoch vorteilhafterweise nunmehr auch im Nachhinein erfolgen. Dies erfordert lediglich eine Neukonfiguration der Software der Zellmodul-Steuereinheiten 18. Das übrige System kann dabei unberührt bleiben. Ferner kann eine jeweilige Batteriemodulanordnung 12 jeweilige Batteriezellen 16 eigenständig balancen. Eine Zielvorgabe, um alle Module 14 zusammen zu bekommen, d.h. auf den gleichen Ladezustand zu balancen, kann dabei von der Batteriesteuereinrichtung 26 kommen. Im Übrigen umfasst auch hier die Batteriemodulanordnung 12 eine vollständige Überwachung der einzelnen Batteriezellen 16, da je nach Chemie und Zelle die Spannungs- und Temperaturgrenzen G1, G2, G3 unterschiedlich sein können. Diese können als entsprechende Grenzwerte G1, G2, G3 ebenso in den betreffenden Zellmodul-Steuereinheiten 18 abgelegt sein. Dies ermöglicht es zudem auch, dass die Zellmodul-Steuereinheiten 18 gegebenenfalls auch eine Abschaltung des betreffenden Moduls 14 direkt auslösen können oder sogar eine Abschaltung der Gesamtbatterie.The cell
Weiterhin ist auch nach wie vor eine Hochvolt-Strom- und Spannungsmessung vorteilhaft. Dies kann zum Beispiel von der Batteriesteuereinrichtung 26 übernommen werden. Da gerade die Kenntnis über den Batteriegesamtstrom I für die Berechnung diverser Zustandsparameter Z1, Z2, Z3, wie gegebenenfalls für den aktuellen Ladezustand, erforderlich sein kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn der aktuelle Batteriegesamtstrom I ebenfalls von der Batteriesteuereinrichtung 26 an die einzelnen Zellmodul-Steuereinheiten 18 übermittelt wird. Im Allgemeinen kann eine hochfrequente und synchrone Strom- und Spannungsmessung der Batteriegesamtspannung beziehungsweise des Batteriegesamtstroms I erfolgen und die Ergebnisse dieser Messung auf dem Bus-System allen Teilnehmern, nämlich der Batteriesteuereinrichtung 26 und den einzelnen Zellmodul-Steuereinheiten 18, zur Verfügung gestellt werden.Furthermore, a high-voltage current and voltage measurement is still advantageous. This can be taken over by the
Des Weiteren umfasst die Batterie 10 vorzugsweise eine hier nicht explizit dargestellte Einrichtung zur Isolationsmessung und Ansteuerung der Trennelemente 28, wie beispielsweise Hochvolt-Schütze 28. Diese Funktionalität kann ebenfalls von der Batteriesteuereinrichtung 26 übernommen werden.Furthermore, the
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine adaptive Batteriearchitektur für einen Zellmodultausch bereitgestellt werden kann, die eine Funktions- und Systemarchitektur für eine Hochvolt-Batterie mit der Möglichkeit, defekte Zellmodule im Produktionslebenszyklus durch Zellmodule mit dann aktueller Zellchemie ersetzen zu können, bereitstellt.Overall, the examples show how an adaptive battery architecture for a cell module replacement can be provided by the invention, the functional and system architecture for a High-voltage battery with the option of being able to replace defective cell modules in the production life cycle with cell modules that then have the latest cell chemistry.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102016212206 A1 [0004]DE 102016212206 A1 [0004]
- DE 102014218532 A1 [0006]DE 102014218532 A1 [0006]
- DE 102013017355 A1 [0007]DE 102013017355 A1 [0007]
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