DE102020207865A1 - Battery system and method for operating a battery system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein fehlertolerantes Batteriesystem (10) und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Das Batteriesystem (10) umfasst mindestens ein Batteriemodul (18, 20, 22), welches/welche zu mindestens einem Strang (12) zusammengefasst ist/sind, und eine Batteriesteuereinheit (40) zur Überwachung des mindestens einen Batteriemoduls (18, 20, 22), wobei das mindestens eine Batteriemodul (18, 20, 22) mehrere Batteriezellen (24, 26, 28, 30), die in Serienschaltung (34) und/oder in Parallelschaltung verschaltet sind, und eine Master-Batteriezellenüberwachungseinheit (36) mit Master-Sensoren zur Erfassung von Messwerten (61) der Batteriezellen (24, 26, 28, 30) sowie des mindestens einen Batteriemoduls (18, 20, 22) aufweist. Das mindestens eine Batteriemodul (18, 20, 22) weist ferner eine Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit (38) mit Slave-Sensoren zur Erfassung von Messwerten (61) der Batteriezellen (24, 26, 28, 30) sowie des mindestens einen Batteriemoduls (18, 20, 22) auf, wobei die Master-Batteriezellenüberwachungseinheit (36) eine Auswertungselektronik (67) zum Auswerten der von den Master- und/oder den Slave-Sensoren erfassten Messwerten (61) der Batteriezellen (24, 26, 28, 30) sowie des mindestens einen Batteriemoduls (18, 20, 22) aufweist. The invention relates to a fault-tolerant battery system (10) and a method for its operation. The battery system (10) comprises at least one battery module (18, 20, 22), which is / are combined to form at least one string (12), and a battery control unit (40) for monitoring the at least one battery module (18, 20, 22) ), wherein the at least one battery module (18, 20, 22) has several battery cells (24, 26, 28, 30) connected in series (34) and / or in parallel, and a master battery cell monitoring unit (36) with master Sensors for detecting measured values (61) of the battery cells (24, 26, 28, 30) and of the at least one battery module (18, 20, 22). The at least one battery module (18, 20, 22) also has a slave battery cell monitoring unit (38) with slave sensors for recording measured values (61) of the battery cells (24, 26, 28, 30) and of the at least one battery module (18, 20, 22), the master battery cell monitoring unit (36) having evaluation electronics (67) for evaluating the measured values (61) of the battery cells (24, 26, 28, 30) recorded by the master and / or slave sensors and of the at least one battery module (18, 20, 22).
Description
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, umfassend mindestens ein Batteriemodul, welches/welche zu mindestens einem Strang zusammengefasst ist/sind, und eine Batteriesteuereinheit zur Überwachung des mindestens einen Batteriemoduls, wobei das mindestens eine Batteriemodul mehrere Batteriezellen in Serienschaltung und/oder Parallelschaltung, und eine Master-Batteriezellenüberwachungseinheit mit Master-Sensoren zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriesystems. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a battery system, comprising at least one battery module, which is / are combined to form at least one string, and a battery control unit for monitoring the at least one battery module, the at least one battery module having several battery cells connected in series and / or in parallel, and a master -Battery cell monitoring unit with master sensors for recording measured values of the battery cells and the at least one battery module. The invention also relates to a method for operating a battery system proposed according to the invention. The invention also relates to a motor vehicle.
Stand der TechnikState of the art
In heutigen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind mehrere Batteriezellen nicht nur seriell miteinander verschaltet, sondern auch auf parallele Weise. Dadurch wird eine ausreichend hohe Batteriekapazität und damit eine hohe Fahrzeugreichweite erzielt, aber auch die erforderliche Leistung kann somit zur Verfügung gestellt werden. Eine Parallelschaltung solcher Batteriezellen erfolgt meistens innerhalb eines Batteriemoduls, wobei mehrere Batteriemodule seriell miteinander verbunden werden, um die erforderliche Batteriespannung zu erreichen. Zu jedem Batteriemodul gehört eine Batteriezellüberwachungseinheit (Cell Supervising Circuit, CSC), welche die einzelnen Batteriezellenspannungen und die Temperatur(en) im Batteriemodul misst und an eine übergeordnete Batteriesteuereinheit (Battery Control Unit, BCU) zur weiteren Auswertung weiterleitet.In today's electrically powered vehicles, several battery cells are not only connected to one another in series, but also in parallel. This achieves a sufficiently high battery capacity and thus a long vehicle range, but the required power can also be made available. Such battery cells are usually connected in parallel within a battery module, with several battery modules being connected to one another in series in order to achieve the required battery voltage. Each battery module has a battery cell monitoring unit (Cell Supervising Circuit, CSC), which measures the individual battery cell voltages and the temperature (s) in the battery module and forwards it to a higher-level battery control unit (BCU) for further evaluation.
Für autonom betriebene elektrische Fahrzeuge (Electric Vehicle, EV) gelten besondere Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der Fahrtüchtigkeit des Fahrzeugs, da ein Liegenbleiben solcher Fahrzeuge nicht zugelassen ist. Diese Fahrzeuge müssen je nach Automatisierungsgrad ein bestimmtes Sicherheitslevel (Safe Stop Level, SSL) erfüllen. Hierzu werden sie nach unterschiedlichen Risikostufen klassifiziert (Automotive Safety Integrity Level, ASIL), was mit erhöhten Anforderungen an das Batteriedesign verbunden ist. Weniger fehleranfällige Systeme oder gar fehlertolerante Systeme können eine Redundanz, d. h. eine Verdopplung, einzelner Teilkomponenten bis hin zur Verdopplung des gesamten Batteriesystems bedeuten.For autonomously operated electric vehicles (Electric Vehicle, EV), special requirements apply, in particular with regard to the driving ability of the vehicle, since such vehicles are not permitted to break down. Depending on the degree of automation, these vehicles must meet a certain security level (Safe Stop Level, SSL). For this purpose, they are classified according to different risk levels (Automotive Safety Integrity Level, ASIL), which is associated with increased demands on the battery design. Less error-prone systems or even fault-tolerant systems can have redundancy, i. H. A duplication of individual subcomponents up to doubling the entire battery system.
Heutige fehlertolerante Batteriesysteme umfassen jeweils eine Master- und eine Slave-Batteriesteuereinheit sowie Master- und Slave-Batteriezellenüberwachungseinheiten. Weist eine Master-Batteriezellenüberwachungseinheit, welche mit der Master-Batteriesteuereinheit in Verbindung steht, einen Fehlerverdacht auf, so wird eine der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit entsprechende Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit, welche mit der Slave-Batteriesteuereinheit in Verbindung steht, zugeschaltet und übermittelt die Messwerte, wie beispielsweise Spannungs- und Temperaturwerte, an die Slave-Batteriesteuereinheit. Diese überträgt die Messwerte via einen Kommunikations-Bus, wie zum Beispiel CAN-Bus, an die Master-Batteriesteuereinheit, welche die Auswertung der Messwerte vornimmt sowie die Bestimmung der Eindeutigkeit der Fehlerzuordnung, wie beispielsweise Sensor- oder Zellfehler.Today's fault-tolerant battery systems each include a master and a slave battery control unit as well as master and slave battery cell monitoring units. If a master battery cell monitoring unit, which is connected to the master battery control unit, suspects an error, a slave battery cell monitoring unit corresponding to the master battery cell monitoring unit, which is connected to the slave battery control unit, is switched on and transmits the measured values, for example Voltage and temperature values to the slave battery control unit. This transmits the measured values via a communication bus, such as a CAN bus, to the master battery control unit, which evaluates the measured values and determines the uniqueness of the error allocation, such as sensor or cell errors.
Das Dokument
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Batteriesystem vorgeschlagen, das mindestens ein Batteriemodul, welches/welche zu mindestens einem Strang zusammengefasst ist/sind, und eine Batteriesteuereinheit zur Überwachung des mindestens einen Batteriemoduls umfasst. Dabei weist das mindestens eine Batteriemodul mehrere Batteriezellen, die in Serienschaltung und/oder in Parallelschaltung verschaltet sind, und eine Master-Batteriezellenüberwachungseinheit mit Master-Sensoren zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls auf.A battery system is proposed which comprises at least one battery module, which is / are combined to form at least one string, and a battery control unit for monitoring the at least one battery module. In this case, the at least one battery module has a plurality of battery cells that are connected in series and / or in parallel, and a master battery cell monitoring unit with master sensors for recording measured values of the Battery cells and the at least one battery module.
Erfindungsgemäß weist das mindestens eine Batteriemodul eine Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit mit Slave-Sensoren zur Erfassung von Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls auf. Dabei weist die Master-Batteriezellenüberwachungseinheit eine Auswertungselektronik zum Auswerten der von den Master- und/oder den Slave-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls auf.According to the invention, the at least one battery module has a slave battery cell monitoring unit with slave sensors for recording measured values from the battery cells and from the at least one battery module. The master battery cell monitoring unit has evaluation electronics for evaluating the measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the master and / or slave sensors.
Zu den von den Sensoren erfassten Messwerten gehören beispielsweise eine Temperatur und eine Spannung jeder einzelnen Batteriezelle sowie eine Temperatur und eine Spannung des gesamten Batteriemoduls.The measured values recorded by the sensors include, for example, a temperature and a voltage of each individual battery cell and a temperature and a voltage of the entire battery module.
Die Master-Batteriezellenüberwachungseinheit kommuniziert dabei sowohl mit der Batteriesteuereinheit, als auch mit der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit. Dadurch besteht folglich auch keine direkte Verbindung/Ansteuerung mehr zur Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit. Beispielsweise werden von den Slave-Sensoren erfasste Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls von der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit zu der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit übertragen und mittels der Auswertungselektronik mit entsprechenden, von den Master-Sensoren erfassten Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls verglichen. Von der Auswertungselektronik ausgewertete Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls werden beispielsweise von der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit zu der Batteriesteuereinheit übertragen.The master battery cell monitoring unit communicates with both the battery control unit and the slave battery cell monitoring unit. As a result, there is consequently no longer any direct connection / control to the slave battery cell monitoring unit. For example, measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the slave sensors are transmitted from the slave battery cell monitoring unit to the master battery cell monitoring unit and compared by means of the evaluation electronics with corresponding measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the master sensors. Measured values of the battery cells and of the at least one battery module evaluated by the evaluation electronics are transmitted, for example, from the master battery cell monitoring unit to the battery control unit.
Vorzugsweist ist das mindestens eine Batteriemodul als ein asymmetrisches Batteriemodul ausgebildet, d. h. nur die Master-Batteriezellenüberwachungseinheit weist eine Auswertungselektronik auf, während die Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit als Standardkomponente ausgebildet ist und keine Auswertungselektronik aufweist.The at least one battery module is preferably designed as an asymmetrical battery module, i. H. only the master battery cell monitoring unit has evaluation electronics, while the slave battery cell monitoring unit is designed as a standard component and has no evaluation electronics.
Die Batteriesteuereinheit kann beispielsweise ASIL-D-fähige Prozessorarchitekturen aufweisen, die (mehrfach) redundant bezüglich Speicher, Logik, Überwachung sowie Kommunikation ausgeführt sind. Somit wird ein Betreib ohne eine weitere/redundante Batteriesteuereinheit ermöglicht.The battery control unit can have, for example, ASIL-D-capable processor architectures that are (multiple) redundant with regard to memory, logic, monitoring and communication. This enables operation without a further / redundant battery control unit.
Die Batteriesteuereinheit kann auch mit der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit kommunizieren. Beispielsweise werden von den Slave-Sensoren erfasste Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls von der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit zu der Batteriesteuereinheit übertragen.The battery control unit can also communicate with the slave battery cell monitoring unit. For example, measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the slave sensors are transmitted from the slave battery cell monitoring unit to the battery control unit.
Die Master-und die Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit weisen dabei jeweils einen A/D-Wandler zur Umwandlung der analogen Signalwerte der Sensoren in digitale Signalwerte auf. Als Eingangswerte dienen diese digitalen Signalwerte sowohl der Auswertungselektronik zum Auswerten der von den Master- und den Slave-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls, als auch der Batteriesteuereinheit zur Bestimmung weiterer Größen, beispielsweise des Ladezustands (State of Charge, SoC), des Alterungszustands (State of Health, SoH) sowie des prädizierten Stroms.The master and slave battery cell monitoring units each have an A / D converter for converting the analog signal values from the sensors into digital signal values. These digital signal values are used as input values both by the evaluation electronics for evaluating the measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the master and slave sensors, as well as by the battery control unit for determining further variables, for example the state of charge (SoC) , the state of health (SoH) and the predicted current.
Vorzugsweise weist die Master-Batteriezellenüberwachungseinheit eine redundante Auswertungselektronik auf. Somit kann einem Ausfall der Auswertungselektronik durch diese redundante Auswertungselektronik entgegenwirkt werden.The master battery cell monitoring unit preferably has redundant evaluation electronics. A failure of the evaluation electronics can thus be counteracted by this redundant evaluation electronics.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene, insbesondere fehlertolerant ausgebildete, Batteriesystem zeichnet sich durch einen Aufbau aus Standardkomponenten aus, die einerseits eine möglichst kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen fehlertoleranten Batteriesystems begünstigen und andererseits hinsichtlich der Anzahl der verwendeten Bauelemente äußerst einfach und günstig aufgebaut sind. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriesystem umfasst die Serienschaltung innerhalb der Batteriemodule mindestens eine Batteriezelle als 1p-Anordnung oder mindestens zwei parallel verschaltete Batteriezellen als Xp-Anordnung.The battery system proposed according to the invention, in particular designed to be fault-tolerant, is characterized by a structure made up of standard components which, on the one hand, facilitate the most cost-effective production of the fault-tolerant battery system proposed according to the invention and, on the other hand, are extremely simple and inexpensive in terms of the number of components used. In the battery system proposed according to the invention, the series connection within the battery modules comprises at least one battery cell as a 1p arrangement or at least two battery cells connected in parallel as an Xp arrangement.
Des Weiteren ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene fehlertolerante Batteriesystem so ausgeführt, dass dieses erste Kopplungseinrichtungen aufweist, mit denen Batteriemodule aus dem Strang abgeschaltet und über Umgehungsleitungen, die zweite Kopplungseinrichtungen umfassen, überbrückbar sind.Furthermore, the fault-tolerant battery system proposed according to the invention is designed in such a way that it has first coupling devices with which battery modules are disconnected from the string and can be bridged via bypass lines which include second coupling devices.
Alternativ zur vorstehend genannten Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen fehlertoleranten Batteriesystems kann dieses innerhalb der einzelnen Batteriemodule erste Kopplungseinrichtungen umfassen, mit denen einzelne Batteriezellen oder einzelne Batteriezellenpakete, die jeweils mehrere parallel verschaltete Batteriezellen umfassen, innerhalb des Batteriemoduls abgeschaltet und über eine Umgehungsleitung, in der zweite Kopplungseinrichtungen aufgenommen sind, überbrückt werden können.As an alternative to the above-mentioned possible embodiment of the fault-tolerant battery system proposed according to the invention, it can comprise first coupling devices within the individual battery modules, with which individual battery cells or individual battery cell packs, each comprising several battery cells connected in parallel, are switched off within the battery module and incorporated into the second coupling device via a bypass line can be bridged.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriesystems, umfassend zumindest nachfolgende Verfahrensschritte:
- - Erfassen von Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls durch die Master-Sensoren;
- - Auswerten der von den Master-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls;
- - Überprüfen der von den Master-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls auf Plausibilität/Fehlerverdacht;
- - Antriggern eines Erfassens von Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls durch die Slave-Sensoren im Fehlerverdachtsfall oder Fortführen des Erfassens der Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls durch die Master-Sensoren bei Plausibilität.
- - Acquisition of measured values of the battery cells and of the at least one battery module by the master sensors;
- - Evaluation of the measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the master sensors;
- - Checking the measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the master sensors for plausibility / suspected faults;
- - Triggering of the recording of measured values of the battery cells and the at least one battery module by the slave sensors in the event of a suspected fault or continued recording of the measured values of the battery cells and of the at least one battery module by the master sensors in the event of plausibility.
Das Auswerten der von den Master-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls erfolgt durch einen Vergleich dieser Messwerte innerhalb des mindestens einen Batteriemoduls. Dabei werden insbesondere die Messwerte für eine Spannung der einzelnen Batteriezellen und die Messwerte für eine Modultemperatur miteinander verglichen. Das Auswerten der von den Master-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls kann beispielsweise mittels der Auswertungselektronik erfolgen.The measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the master sensors are evaluated by comparing these measured values within the at least one battery module. In particular, the measured values for a voltage of the individual battery cells and the measured values for a module temperature are compared with one another. The evaluation of the measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the master sensors can be carried out, for example, by means of the evaluation electronics.
Umfasst das erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriesystem mehrere Batteriemodule, erfolgt das Auswerten der von den Master-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriemodule durch einen Vergleich dieser Messwerte innerhalb des Batteriesystems. Dabei werden insbesondere die Messwerte für eine Temperatur der einzelnen Batteriemodule miteinander verglichen. Nachfolgend wird das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren anhand von Messwerte der Batteriezellen eines Batteriemoduls beschrieben. Das Verfahren ist analog für die Messwerte der Batteriemodule durchführbar.If the battery system proposed according to the invention comprises several battery modules, the evaluation of the measured values of the battery modules recorded by the master sensors takes place by comparing these measured values within the battery system. In particular, the measured values for a temperature of the individual battery modules are compared with one another. The method proposed according to the invention is described below on the basis of measured values from the battery cells of a battery module. The procedure can be carried out in the same way for the measured values of the battery modules.
Danach werden die von den Master-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls auf Plausibilität/Fehlerverdacht überprüft.The measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the master sensors are then checked for plausibility / suspected faults.
Ein Fehlerverdacht liegt vor, wenn mindestens ein von den Master-Sensoren erfasster Messwert mindestens einer der Batteriezellen von entsprechenden von den Master-Sensoren erfassten Messwerten der übrigen Batteriezellen des mindestens einen Batteriemoduls signifikant abweicht. Das gleiches gilt auch für Messwerte der Batteriemodule.An error is suspected if at least one measured value of at least one of the battery cells recorded by the master sensors deviates significantly from corresponding measured values of the other battery cells of the at least one battery module recorded by the master sensors. The same applies to the measured values of the battery modules.
In diesem Zusammenhang weichen zwei Messwerte signifikant voneinander ab, wenn eine Differenz der beiden Messwerte einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert ist dabei vorzugsweise größer als eine Messgenauigkeit der Master-Sensoren. Dadurch wird verhindert, dass durch einfache Messfehler der Master-Sensoren fälschlicherweise ein Defekt erkannt wird.In this context, two measured values deviate significantly from one another if a difference between the two measured values exceeds a predetermined threshold value. The threshold value is preferably greater than a measurement accuracy of the master sensors. This prevents a defect from being incorrectly recognized by simple measurement errors in the master sensors.
Eine Plausibilität liegt vor, wenn die von den Master-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls annährend gleich sind.It is plausible if the measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded by the master sensors are approximately the same.
In diesem Zusammenhang werden zwei Messwerte als annähernd gleich bezeichnet, wenn eine Differenz der beiden Messwerte den besagten vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet oder gleich dem Schwellenwert ist. Dadurch wird verhindert, dass durch einfache Messfehler der Master-Sensoren fälschlicherweise ein Defekt in der besagten Batteriezelle oder in dem besagten Batteriemodul erkannt wird.In this context, two measured values are referred to as being approximately the same if a difference between the two measured values falls below the said predetermined threshold value or is equal to the threshold value. This prevents a defect in the said battery cell or in the said battery module from being incorrectly recognized as a result of simple measurement errors in the master sensors.
In diesem Fall erfassen die Master-Sensoren plausible bzw. fehlerfreie Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls fortführend, um stets aktuelle Batteriezellen-Zustandswerte, wie beispielsweise Spannung und Temperatur, zu ermitteln. Die von den Master-Sensoren erfassten Messwerte werden dabei von der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit zu der Batteriesteuereinheit zur Bestimmung weiterer Größen, beispielsweise des Ladezustands, des Alterungszustands sowie des prädizierten Stroms, übertragen.In this case, the master sensors continuously record plausible or error-free measured values of the battery cells and of the at least one battery module in order to always determine current battery cell status values, such as voltage and temperature. The measured values recorded by the master sensors are transmitted from the master battery cell monitoring unit to the battery control unit to determine further variables, for example the state of charge, the state of aging and the predicted current.
Im Fehlerverdachtsfall wird ein Erfassen von Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls durch die Slave-Sensoren angetriggert. In diesem Fall werden zumindest nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen:
- - Gleichzeitiges Erfassen von Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls durch die Master- und die Slave-Sensoren;
- - Übertragen der von den Slave-Sensoren erfassten Messwerte von der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit zu der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit;
- - Auswerten der gleichzeitig von den Master- und den Slave-Sensoren erfassten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls und Überprüfen, ob der Fehlerverdacht bestätigt wurde;
- - Ermitteln der Fehlerart, falls der Fehlerverdacht bestätigt wird oder Fortführen des Erfassens von Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls durch die Master-Sensoren, falls der Fehlerverdacht nicht bestätigt wird;
- - Übertragen von ausgewerteten Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls von der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit zu der Batteriesteuereinheit.
- - Simultaneous acquisition of measured values of the battery cells and of the at least one battery module by the master and slave sensors;
- - Transmitting the measured values recorded by the slave sensors from the slave battery cell monitoring unit to the master battery cell monitoring unit;
- - Evaluation of the measured values of the battery cells and of the at least one battery module recorded simultaneously by the master and slave sensors and checking whether the suspected fault has been confirmed;
- - Determination of the type of error, if the suspected error is confirmed or continued recording of measured values of the battery cells and the at least one battery module by the master Sensors, if the suspicion is not confirmed;
- - Transmission of evaluated measured values of the battery cells and of the at least one battery module from the master battery cell monitoring unit to the battery control unit.
Das gleichzeitige Erfassen von Messwerten der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls durch die Master- und Slave-Sensoren kann beispielsweise durch die Auswertungselektronik der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit angetriggert werden.The simultaneous acquisition of measured values of the battery cells and of the at least one battery module by the master and slave sensors can be triggered, for example, by the evaluation electronics of the master battery cell monitoring unit.
Vorteilhaft werden nur Messwerte von fehlerverdächtigen Batteriezellen sowie von fehlerverdächtigen Batteriemodulen von den Slave-Sensoren erfasst und von der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit zur der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit übertragen.Advantageously, only measured values from suspect battery cells and from suspect battery modules are recorded by the slave sensors and transmitted from the slave battery cell monitoring unit to the master battery cell monitoring unit.
Die von der Auswertungselektronik ausgewerteten Messwerte der Batteriezellen sowie des mindestens einen Batteriemoduls, also die fehlerfreien Messwerte und die korrekten Messwerte werden dann von der Master-Batterieüberwachungseinheit zu der Batteriesteuereinheit übertragen, die der Batteriesteuereinheit als Eingangswerte zur Bestimmung von zumindest einer Batteriemodulspannung, einer Batteriepackspannung, eines Ladezustands, eines Alterungszustands, eines prädiktiven Stroms und/oder weiterer Größen dienen.The measured values of the battery cells and of the at least one battery module evaluated by the evaluation electronics, i.e. the error-free measured values and the correct measured values, are then transmitted from the master battery monitoring unit to the battery control unit, which the battery control unit uses as input values for determining at least one battery module voltage, a battery pack voltage, a State of charge, an aging state, a predictive current and / or other variables are used.
Was unter fehlerfreien und korrekten Messwerten zu verstehen ist, wird anhand der folgenden Fallunterscheidung deutlich.What is to be understood by error-free and correct measured values becomes clear from the following case distinction.
Im Fehlerfall, d. h. der Fehlerverdacht wurde bestätigt, erfasst ein Master-Sensor einen zu kleinen/großen Messwert im Vergleich zu den Messwerten, die von anderen Master-Sensoren der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit erfasst werden. Die Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit ermittelt mit den Slave-Sensoren Messwerte der Batteriezellen des mindestens einen Batteriemoduls und überträgt die Messwerte zu der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit. Mittels der Auswertungselektronik der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit werden die von den Master- und den Slave-Sensoren erfassten Messwerte durch eine Auswertungselektronik ausgewertet. Das Auswerten erfolgt durch Vergleichen der von den Master- und den Slave-Sensoren erfassten Messwerte.In the event of an error, i. H. the suspicion of an error was confirmed, a master sensor records a measured value that is too small / large compared to the measured values that are recorded by other master sensors of the master battery cell monitoring unit. The slave battery cell monitoring unit uses the slave sensors to determine measured values of the battery cells of the at least one battery module and transmits the measured values to the master battery cell monitoring unit. By means of the evaluation electronics of the master battery cell monitoring unit, the measured values recorded by the master and slave sensors are evaluated by evaluation electronics. The evaluation is carried out by comparing the measured values recorded by the master and slave sensors.
Dabei wird ein Zellenfehler in der besagten Batteriezelle erkannt, wenn der von den Master-Sensoren erfasste Messwert von entsprechenden Messwerten, die von den Master-Sensoren der übrigen Batteriezellen des mindestens einen Batteriemoduls erfasst werden, signifikant abweicht, und wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert der besagten Batteriezelle annähernd gleich dem von den Master-Sensoren erfassten Messwert der besagten Batteriezelle ist. Das bedeutet, dass auch der von den Slave-Sensoren erfasste Messwert der besagten Batteriezelle von entsprechenden Messwerten, die von den Slave-Sensoren der übrigen Batteriezellen des mindestens einen Batteriemoduls erfasst werden, signifikant abweicht. Der von den Master-Sensoren erfasste Messwert der besagten Batteriezelle wird als korrekter Messwert zu der Batteriesteuereinheit übertragen. Ein Batteriemanagementsystem leitet dann entsprechende Maßnahmen ein.A cell fault in the said battery cell is detected when the measured value recorded by the master sensors deviates significantly from corresponding measured values recorded by the master sensors of the other battery cells of the at least one battery module, and when that of the slave sensors detected corresponding measured value of said battery cell is approximately equal to the measured value of said battery cell detected by the master sensors. This means that the measured value of said battery cell recorded by the slave sensors also deviates significantly from corresponding measured values recorded by the slave sensors of the other battery cells of the at least one battery module. The measured value of the said battery cell recorded by the master sensors is transmitted to the battery control unit as a correct measured value. A battery management system then initiates appropriate measures.
Dabei wird ein Fehler in mindestens einem Master-Sensor der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit erkannt, wenn der von den Slave-Sensoren erfasste entsprechende Messwert der besagten Batteriezelle von dem von der Master-Sensoren erfassten Messwert der besagten Batteriezelle signifikant abweicht. Neben den Messwerten der Batteriezellen, welche einen plausiblen/fehlerfreien Messwert aufweisen, der von der Master-Sensoren erfasst wurde, wird jetzt den Messwert, welcher von der Slave-Sensoren erfasst wurde, als korrekter Messwert zu der Batteriesteuereinheit übertragen.A fault is detected in at least one master sensor of the master battery cell monitoring unit if the corresponding measured value of said battery cell recorded by the slave sensors deviates significantly from the measured value of said battery cell recorded by the master sensors. In addition to the measured values of the battery cells, which have a plausible / error-free measured value that was recorded by the master sensors, the measured value that was recorded by the slave sensors is now transmitted as a correct measured value to the battery control unit.
Die Master-Batteriezellenüberwachungseinheit überwacht dabei nicht nur die von den Master-Sensoren erfassten Messwerte, sondern auch die von den Slave-Sensoren erfassten Messwerte, wodurch die intrinsische Fehlertoleranz der Batteriezellenüberwachungseinheit gegeben ist.The master battery cell monitoring unit not only monitors the measured values recorded by the master sensors, but also the measured values recorded by the slave sensors, whereby the intrinsic fault tolerance of the battery cell monitoring unit is given.
Ein weiterer Fehler, der auftreten kann, ist ein Fehler/Ausfall eines A/D-Wandlers der Master- oder der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit.Another error that can occur is an error / failure of an A / D converter of the master or the slave battery cell monitoring unit.
Fällt der A/D-Wandler der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit aus, so werden alle von den Slave-Sensoren erfassten Messwerte in der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit nur durchgeschleift, da kein Vergleich mit den von den Master-Sensoren erfassten Messwerten erfolgen kann, und an die Batteriesteuereinheit weitergeleitet.If the A / D converter of the master battery cell monitoring unit fails, all measured values recorded by the slave sensors are only looped through in the master battery cell monitoring unit, since no comparison can be made with the measured values recorded by the master sensors, and to the battery control unit forwarded.
Fällt der A/D-Wandler der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit aus, so erfolgt die Messwerteweiterleitung an die Batteriesteuereinheit rein von der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit.If the A / D converter of the slave battery cell monitoring unit fails, the measured values are forwarded to the battery control unit purely from the master battery cell monitoring unit.
Im A/D-Wandler-Fehlerfall entfällt eine Doppel-/Mehrfachfehlerbetrachtung. In allen anderen Fehlerfällen, wie beispielsweise Ausfall mehrerer Sensoren einer Batteriezellenüberwachungseinheit, wird durch das beschriebene Verfahren ein Doppel-/Mehrfachfehler richtig erkannt und damit ein fehlertoleranter Betrieb, ohne Beeinträchtigung der Fahrtüchtigkeit oder der Reichweite, ist sichergestellt.In the event of an A / D converter error, there is no double / multiple error analysis. In all other error cases, such as failure of several sensors in a battery cell monitoring unit, the method described correctly detects a double / multiple error and thus a Fault-tolerant operation without impairing driving ability or range is ensured.
Die Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt mittels eines Batteriesystems, welches weitestgehend in kostengünstiger Weise aus Standardkomponenten aufgebaut ist. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren eine eindeutige Fehlerdetektion, sodass beispielsweise an autonom fahrende elektrisch angetriebene Fahrzeuge gestellte Sicherheitsstandards erfüllt werden können.The method proposed according to the invention is carried out by means of a battery system which is largely constructed in a cost-effective manner from standard components. In addition, the method proposed according to the invention enables clear error detection so that, for example, safety standards set for autonomously driving electrically powered vehicles can be met.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lässt sich als ausführbares Computerprogramm in einer Steuereinheit der Auswerteelektronik umsetzen. In der Batteriesteuereinheit entfällt dadurch die Signalauswertung. Lediglich die weiteren Ausführungen im Batteriemanagementsystem auf Basis der „korrekten“ Daten finden dort statt.The method proposed according to the invention can be implemented as an executable computer program in a control unit of the evaluation electronics. This means that there is no signal evaluation in the battery control unit. Only the further statements in the battery management system based on the "correct" data take place there.
Auch in Brennstoffzellenspeichern, wenn die Messwerte der einzelnen Stacks mittels Brennstoffzellenüberwachungseinheit überwacht werden, kann in fehlertoleranten Systemen der beschriebene Aufbau mit dem Verfahren zur Anwendung kommen.In fuel cell storage systems, too, when the measured values of the individual stacks are monitored by means of a fuel cell monitoring unit, the described structure with the method can be used in fault-tolerant systems.
Schließlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Kraftfahrzeug, das ein erfindungsgemäß vorgeschlagenes Batteriesystem umfasst und/oder das eingerichtet ist, das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren durchzuführen.Finally, the present invention relates to a motor vehicle which comprises a battery system proposed according to the invention and / or which is set up to carry out the method proposed according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung in Gestalt des fehlertoleranten Batteriesystems sowie in Gestalt des Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäß vorgeschlagenen fehlertoleranten Batteriesystems ermöglicht den Einsatz redundanter Elektronikkomponenten zur Erreichung eines höheren ASIL (Automotive Safety Integrity Level) beziehungsweise eines für autonom fahrende Fahrzeuge geltenden Sicherheitsstandards SSL (Safe Stop Level). Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lassen sich durch Einsatz von Standard-Hardwarebauelementen die genannten Sicherheitslevel auf kostengünstige Weise realisieren. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben eines fehlertoleranten Batteriesystems lässt sich eine eindeutige Fehlerdetektion erreichen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann nicht nur Einzel- sondern auch Mehrfachfehler behandeln. Es können Batteriezellenfehler oder Sensorik-/Elektronikfehler eindeutig erkannt werden. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren beziehungsweise durch softwaretechnische Erweiterung der Auswertungselektronik ist ein frühzeitiges Erkennen einer Signaldrift möglich und damit einhergehend eine prädiktive Diagnosemöglichkeit für autonom fahrende elektrische Fahrzeuge gegeben.The solution proposed according to the invention in the form of the fault-tolerant battery system and in the form of the method for operating the fault-tolerant battery system proposed according to the invention enables the use of redundant electronic components to achieve a higher ASIL (Automotive Safety Integrity Level) or a safety standard SSL (Safe Stop Level) that applies to autonomously driving vehicles ). With the solution proposed according to the invention, the stated security levels can be implemented in a cost-effective manner through the use of standard hardware components. The method proposed according to the invention for operating a fault-tolerant battery system enables unambiguous fault detection to be achieved. The method proposed according to the invention can handle not only single but also multiple errors. Battery cell errors or sensor / electronic errors can be clearly identified. With the method proposed according to the invention or with software expansion of the evaluation electronics, early detection of a signal drift is possible and, as a result, there is a predictive diagnostic option for autonomously driving electric vehicles.
Des Weiteren stellt das erfindungsgemäß vorgeschlagene fehlertolerante Batteriesystem einen sicheren Betrieb eines autonom fahrenden Fahrzeugs sicher, welches auch bei Auftreten von Batteriezellenfehlern nicht liegen bleibt, sondern zumindest eingeschränkt fahrtüchtig verbleibt, sodass auch bei aufgetretenem Fehler eine einmal angetretene Fahrt fortgesetzt und beendet werden kann.Furthermore, the fault-tolerant battery system proposed according to the invention ensures safe operation of an autonomously driving vehicle, which does not stop even if battery cell faults occur, but remains at least partially roadworthy, so that a journey that has already started can be continued and ended even if an error has occurred.
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in Gestalt des fehlertoleranten Batteriesystems sowie in Gestalt des Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäß vorgeschlagenen fehlertoleranten Batteriesystems erfolgt die Signalauswertung in der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit, somit wird die Belastung der Kommunikationsleitungen zwischen den Master-Batteriezellenüberwachungseinheit und der Batteriesteuereinheit deutlich reduziert. Ein Komplettausfall der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit führt nicht zum Liegenbleiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, da die Funktionen von der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit übernommen werden. Ein A/D-Wandlerfehler der Master-Batteriezellenüberwachungseinheit führt ebenfalls nicht zum Liegenbleiben des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, da Messwerte von der Slave-Batteriezellenüberwachungseinheit zur Verfügung gestellt werden. Eine optional vorhandene redundante Auswertungselektronik der Mater-Batteriezellenüberwachungseinheit sorgt im Fehlerfall der Auswertungselektronik für vollumfängliche Auswertung der Sensorsignale.With the solution proposed according to the invention in the form of the fault-tolerant battery system and in the form of the method for operating the fault-tolerant battery system proposed according to the invention, the signals are evaluated in the master battery cell monitoring unit, thus the load on the communication lines between the master battery cell monitoring unit and the battery control unit is significantly reduced. A complete failure of the slave battery cell monitoring unit does not lead to an electrically powered vehicle stopping, since the functions are taken over by the master battery cell monitoring unit. An A / D converter fault in the master battery cell monitoring unit also does not result in the electrically driven vehicle stopping, since measured values are made available by the slave battery cell monitoring unit. An optionally available redundant evaluation electronics of the Mater battery cell monitoring unit ensures full evaluation of the sensor signals in the event of a fault in the evaluation electronics.
Darüber hinaus kann der Aufbau sowie das Verfahren für jede beliebige Batterie, unabhängig von der Anzahl parallel verschalteter Batteriezellen und der Anzahl der Batteriestränge, angewandt werden.In addition, the structure and the method can be used for any battery, regardless of the number of battery cells connected in parallel and the number of battery strings.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
-
1 einen Aufbau eines einsträngigen Batteriesystems mit parallel und seriell verschalteten Batteriezellen, -
2 den Aufbau eines fehlertoleranten einsträngigen Batteriesystems in 1p-Anordnung, ohne Kopplungseinrichtung, -
3 den Aufbau eines fehlertoleranten einsträngigen Batteriesystems in 1p-Anordnung mit Batteriezellenkopplungseinrichtungen, -
4 ein Batteriemodul mit seriell geschalteten Batteriezellen in 3p-Anordnung mit Batteriezellenkopplungseinrichtung, -
5 ein Batteriemodul in 1p-Anordnung mit diesem zugeordneten Kopplungseinrichtungen in Haupt- und Umgehungsleitung, -
6 den Aufbau eines fehlertoleranten einsträngigen Batteriesystems mit einem Batteriemodul zugeordneten Kopplungseinrichtungen in Haupt- und Umgehungsleitung, -
7 den schematischen Aufbau eines Batteriemoduls eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriesystems und -
8 ein schematischer Verfahrensablauf des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zum Betreiben eines fehlertoleranten Batteriesystems.
-
1 a structure of a single-strand battery system with battery cells connected in parallel and in series, -
2 the construction of a fault-tolerant single-strand battery system in a 1p arrangement, without a coupling device, -
3 the construction of a fault-tolerant single-strand battery system in a 1p arrangement with battery cell coupling devices, -
4th a battery module with serially connected battery cells in a 3p arrangement with battery cell coupling device, -
5 a battery module in 1p arrangement with associated coupling devices in the main and bypass lines, -
6th the construction of a fault-tolerant single-strand battery system with coupling devices assigned to a battery module in the main and bypass lines, -
7th the schematic structure of a battery module of a battery system proposed according to the invention and -
8th a schematic process sequence of the method proposed according to the invention for operating a fault-tolerant battery system.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Bei dem in
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Aus der Darstellung gemäß
Anstelle der in
Die Batteriesteuereinheit
Beim Betreiben des Batteriesystems
In diesem Zusammenhang weichen zwei Messwerte
Danach werden die von den Master-Sensoren erfassten Messwerte
Plausibilität bedeutet, dass die von den Master-Sensoren erfassten Messwerte
In diesem Zusammenhang werden zwei Messwerte 61als annähernd gleich bezeichnet, wenn eine Differenz der beiden Messwerte
In diesem Fall erfassen die Master-Sensoren plausible bzw. fehlerfreie Messwerte
Im Fehlerverdachtsfall, d. h. mindestens ein von den Master-Sensoren erfasster Messwert
Die von den Slave-Sensoren erfassten Messwerte
Die von der Auswertungselektronik
Das dargestellte Batteriesystem
Aus der Darstellung gemäß
Fällt eine der Batteriezellen
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass im ersten Batteriemodul
In
Durch die Ausführungsvariante des ersten Batteriemoduls
Aus der Darstellung gemäß
Wie aus
Aus
Das erste Batteriemodul
Die von den Master-Sensoren erfassten Messwerte
Im fehlerfreien/plausiblen Fall werden die Messwerte
Im Fehlerverdachtsfall wird ein Erfassen von Messwerten
Die von den Slave-Sensoren erfassten Messwerte
Vorteilhaft werden nur Messwerte
Nach dem Auswerten durch die Auswertungselektronik
Gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt zunächst in einem Schritt
Die in digitale Signalwerte
Die Messwerte
Bei Plausibilität, d. h., die von den Master-Sensoren erfassten Messwerte
Liegt ein Fehlerverdacht der von den Master-Sensoren erfassten Messwerte
Mittels der Auswertungselektronik
Wird der Fehlerverdacht nicht bestätigt, wird das Erfassen von Messwerte
Wird der Fehlerverdacht bestätigt, wird eine Ermittlung der Fehlerart, ob ein Sensorfehler oder ein Zellenfehler vorliegt, in einem Schritt
Dabei wird in einem Schritt
Dabei wird in einem Schritt
Der in
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert knowledge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2019/211659 A1 [0005]WO 2019/211659 A1 [0005]
- US 10189354 B2 [0006]US 10189354 B2 [0006]
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-
2020
- 2020-06-25 DE DE102020207865.3A patent/DE102020207865A1/en active Pending
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