DE102021110891A1

DE102021110891A1 - Überwachungsvorrichtung für ein Batteriemodul, Batteriesystem und Verfahren für Batteriesystem

Info

Publication number: DE102021110891A1
Application number: DE102021110891.8A
Authority: DE
Inventors: Günter Hofer; Marko Cehovski
Original assignee: Infineon Technologies AG; Volkswagen AG
Current assignee: Infineon Technologies AG; Volkswagen AG
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2022-11-03
Also published as: US20220348110A1; CN115249853A

Abstract

Es werden Überwachungsvorrichtungen für Batteriesysteme, Batteriesysteme und entsprechende Verfahren bereitgestellt. Eine Überwachungsvorrichtung kann über eine erste Schnittstelle mit einer Steuervorrichtung kommunizieren. Über eine zweite Schnittstellen in einer ersten Betriebsart kann die Überwachungsvorrichtung mit einer Sicherheitseinrichtung kommunizieren, und in einer zweiten Betriebsart der zweiten Schnittstelle mit einem Temperatursensor kommunizieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Überwachungsvorrichtungen für Batteriemodule, Batteriesysteme und entsprechende Verfahren.
HINTERGRUND
Batteriesysteme, beispielsweise für elektrische Fahrzeuge weisen üblicherweise eine Vielzahl von Batteriemodulen auf, welche auch einzeln austauschbar sind. Derartige Batteriemodule können verschiedene Qualitätsstufen, beispielsweise hinsichtlich ihrer Haltbarkeit, Genauigkeit der ausgegebenen Spannung, Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen etc. aufweisen.
Beispielsweise aus Gewährleistungsgründen haben Hersteller von Batteriesystemen oder Elektrofahrzeugen, die derartige Batteriesysteme beinhalten, ein Interesse daran, dass Batteriemodule nicht durch Batteriemodule geringerer Qualität ausgetauscht werden. Mit derartigen Batteriemodulen kann beispielsweise ein Elektrofahrzeug zwar fahren, aber es kann dennoch wegen der geringeren Qualität zu Problemen kommen. Eine Möglichkeit hierzu ist es, Sicherheitseinrichtungen an den Batteriemodulen bereitzustellen, welche dann von einem Batteriemanagementsystem abgefragt werden können. Dabei sind sowohl drahtlose Möglichkeiten für derartige Sicherheitseinrichtungen, wie passive RFID-Einrichtungen, als auch drahtgebundene Lösungen, die über einen Bus wie den I2C-Bus oder über einen Eindraht-Bus kommunizieren, möglich.
Derartige Sicherheitseinrichtungen werden dann auch so im Batteriemodul angebracht, dass die Sicherheitseinrichtung nicht aus dem Batteriemodul entfernt werden kann, ohne ihre Funktion zu verlieren. Beispielsweise kann die Sicherheitseinrichtung bei einem Öffnen des Batteriemoduls zerstört werden oder in einen inoperablen Zustand versetzt werden. Auf diese Weise wird dann verhindert, dass die Sicherheitseinrichtungen in ein anderes, beispielsweise minderwertigeres, Batteriemodul eingesetzt wird.
Bei einem Start des Fahrzeugs oder auch einer anderen Vorrichtung, die das Batteriesystem benutzt, werden dann die Sicherheitseinrichtungen der Batteriemodule abgefragt. Nur wenn sich ergibt, dass alle Batteriemodule mit einer korrekten Sicherheitseinrichtungen versehen sind, wird das Batteriemodul aktiviert (beispielsweise durch Schließen eines Hauptrelais), und das Fahrzeug kann starten, oder eine andere Vorrichtung kann verwendet werden.
In einer Automobilumgebung können dabei drahtgebundene Lösungen hinsichtlich Störeinflüssen robuster sein als drahtlose Lösungen. Auf der anderen Seite sind die Kosten ein wichtiger Punkt, so das der Implementierungsaufwand hinsichtlich notwendiger Verdrahtung oder zusätzlicher Hardware möglichst gering sein sollte.
KURZFASSUNG
Es werden eine Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 9 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen der Überwachungsvorrichtung und des Verfahrens sowie ein Batteriesystem mit einer derartigen Überwachungsvorrichtung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Überwachungsvorrichtung für ein Batteriemodul bereitgestellt, aufweisend:

eine erste Schnittstelle, welche eingerichtet ist, mit einer Steuervorrichtung zu kommunizieren, und
eine zweite Schnittstelle, welche eingerichtet ist, in einer ersten Betriebsart als digitale Schnittstelle mit einer Sicherheitseinrichtungen des Batteriemoduls zu kommunizieren und in einer zweiten Betriebsart mit einem Temperatursensor zu kommunizieren, wobei die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart zumindest teilweise die gleichen Anschlüsse der zweiten Schnittstelle nutzen.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren für ein Batteriesystem bereitgestellt, umfassend:

Kommunizieren zwischen einer Überwachungsvorrichtung und einer Steuervorrichtung über eine erste Schnittstelle der Überwachungsvorrichtung,
Kommunizieren zwischen der Überwachungsvorrichtung und einer Sicherheitseinrichtungen eines Batteriemoduls über eine zweite Schnittstelle der Überwachungsvorrichtung in einer ersten Betriebsart der ersten Schnittstelle als digitale Schnittstelle, und
Kommunizieren zwischen der Überwachungsvorrichtung und einem Temperatursensor über die zweite Schnittstelle in einer zweiten Betriebsart der zweiten Schnittstelle, wobei die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart zumindest teilweise die gleichen Anschlüsse der zweiten Schnittstelle nutzen.

Die obige Kurzfassung dient lediglich als kurzer Überblick über manche Ausführungsformen und ist nicht als einschränkend auszulegen, da andere Ausführungsformen andere Merkmale als die oben definierten Merkmale aufweisen können.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 zeigt ein Beispiel einer Verbindung zwischen einer Überwachungsvorrichtung und einem Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Überwachungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit zusätzlichen Elementen.
6A bis 6C zeigen verschiedene Konfigurationen zur Kommunikation in einer Überwachungsvorrichtung wie der Überwachungsvorrichtung der 5.
7 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer I2C Schnittstelle.
8 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. So werden Ausführungsbeispiele mit einer Vielzahl von Merkmalen (Komponenten, Elementen, Schaltungsteilen, Verfahrensschritten, Vorgängen etc.) beschrieben. In anderen Ausführungsbeispielen können manche dieser Merkmale weggelassen sein oder durch alternative Merkmale ersetzt sein. Auch können zusätzlich zu den beschriebenen Merkmalen weitere Merkmale, beispielsweise in herkömmlichen Batteriesystemen und Sicherheitseinrichtungen verwendete Merkmale, bereitgestellt sein.
So beziehen sich nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele auf die Kommunikation zwischen einer Überwachungsvorrichtung und einer Sicherheitseinrichtung, einem Temperatursensor und einer Steuervorrichtung. Abgesehen von dieser Kommunikation können die Überwachungsvorrichtung, die Sicherheitseinrichtung, die Steuervorrichtung und das gesamte Batteriesystem in herkömmlicher Weise ausgestaltet sein, und derartige herkömmliche Teile und Komponenten werden nicht detailliert erläutert.
Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden. Variationen und Abwandlungen, die für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar, sofern nichts anderes angegeben ist, und werden daher nicht wiederholt beschrieben.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kommuniziert eine Überwachungsvorrichtung über eine erste Schnittstelle mit einer Steuervorrichtung, und über eine zweite Schnittstelle wahlweise mit einem Temperatursensor oder einer Sicherheitseinrichtungen. Der Begriff „Kommunizieren“ ist dabei allgemein als Senden und/oder Empfangen von Signalen, Strömen, Spannungen und dergleichen zu verstehen. Beispielsweise kann eine Kommunikation mit einem Temperatursensor auch darin bestehen, dass der Temperatursensor, beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand, mit einem Strom beaufschlagt wird und eine resultierende Spannung erfasst wird. Auch ein derartiges Auslesen des Temperatursensors ist als Kommunikation zu verstehen.
Die 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das System 10 weist eine Überwachungsvorrichtung 11 auf, die einem Batteriemodul eines Batteriesystems zugeordnet ist.
Die Überwachungsvorrichtung 11 kommuniziert über eine erste Schnittstelle 12 mit einer Steuervorrichtung 14. Die Steuerung 14 kann beispielsweise eine Batteriemanagementsteuerung sein. Die erste Schnittstelle 12 kann jede herkömmlicherweise in Automobilsystemen, insbesondere bei Batteriemanagementsystemen, verwendete Schnittstelle sein. Beispiele hierfür sind Schnittstellen mit galvanischer Entkopplung wie ISO-CAN, ISO UART oder ISO SPI.
In einem Normalbetrieb überwacht die Überwachungsvorrichtung 11 verschiedene Parameter eines zugeordneten Batteriemoduls, wie beispielsweise Spannung oder Temperatur. Als Beispiel ist in 1 ein Temperatursensor 16 gezeigt, mit dem die Überwachungsvorrichtung 11 über eine zweite Schnittstelle 13 kommuniziert. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Temperatursensor 16 eine Gruppe von Temperaturabhängigen Widerständen, d.h. einen oder mehrere temperaturabhängige Widerstände, beispielsweise NTC (negativer Temperaturkoeffizient)-Widerstände, aufweisen. In diesem Fall bedeutet das Kommunizieren über die zweite Schnittstelle, dass die Überwachungsvorrichtung 11 die temperaturabhängigen Widerstände mit einem Strom beaufschlagt und sich aus dem Strom ergebende Spannungsabfälle über die Widerstände misst, welche ein Maß für die Temperatur des Batteriemoduls darstellen. Die so gemessene Temperatur kann dann über die erste Schnittstelle 12 an die Steuervorrichtung 14 kommuniziert werden.
Wenn beispielsweise die gemessene Temperatur eine Übertemperatur anzeigt, kann ein Batteriehauptschalter geöffnet werden, um das Batteriesystem vom Netz zu trennen, eine Warnung kann ausgegeben werden oder andere Maßnahmen können ergriffen werden. Ähnliches gilt für die Überwachung anderer Parameter, wie beispielsweise der Spannung des Batteriemoduls. Hier kann beispielsweise beim Unterschreiten eines unteren Spannungsgrenzwertes dann von der Steuervorrichtung 14 veranlasst werden, dass an einen Fahrer eines entsprechend mit dem Batteriesystem ausgerichteten Fahrzeugs eine Warnung ausgegeben wird, und/oder der Batteriehauptschalter kann geöffnet werden.
Die bis hier beschriebene Kommunikation kann der Kommunikation und dem Betrieb in herkömmlichen Systemen entsprechen. Diese Betriebsart wird im Folgenden als zweite Betriebsart bezeichnet.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Überwachungsvorrichtungen kann die Überwachungsvorrichtung 11 zusätzlich über die zweite Schnittstelle 13 mit einer dem jeweiligen Batteriemodul zugeordneten Sicherheitseinrichtung 15 kommunizieren. Hierzu kann die zweite Schnittstelle als digitale Schnittstelle, beispielsweise I2C-Schnittstelle, betrieben werden. Diese Betriebsart wird im Folgenden als erste Betriebsart bezeichnet. Die Sicherheitseinrichtung 15 kann ebenfalls in herkömmlicher Weise implementiert sein und beispielsweise einen spezifischen Code speichern oder auf ein spezifisches Frage-Antwort-Schemata in bestimmter Weise reagieren, so das festgestellt werden kann, ob das Batteriemodul, dem die Sicherheitseinrichtungen 15 zugeordnet ist, einem für das jeweilige Batteriesystem vorgesehenen Typ entspricht.
Bei der Überwachungsvorrichtung 11 wird also die zweite Schnittstelle sowohl zur Kommunikation mit dem Temperatursensor in der zweiten Betriebsart, als auch als digitale Schnittstelle zur Kommunikation mit der Sicherheitseinrichtung 15 in der ersten Betriebsart verwendet. Dabei werden zumindest manche Anschlüsse der zweiten Schnittstelle sowohl in der ersten, als auch in der zweiten Betriebsart verwendet. In anderen Worten handelt es sich bei der zweiten Schnittstelle nicht einfach um eine „Nebeneinanderstellung“ zweier Unter-Schnittstellen, sondern es werden tatsächlich zumindest die gleichen Anschlüsse in beiden Betriebsarten verwendet. „Zumindest teilweise“ bedeutet hier, dass beispielsweise in einer Betriebsart nur ein Teil der Anschlüsse der zweiten Schnittstelle verwendet wird, und in der anderen Betriebsart alle Anschlüsse verwendet werden, oder dass es gegebenenfalls für eine Betriebsart noch einen zusätzlichen Anschluss speziell für diese Betriebsart gibt, während andere Anschlüsse gemeinsam verwendet werden. Beispiele hierfür werden später erläutert.
Wie später noch näher erläutert werden wird, kann dann beispielsweise bei einem Start eines Systems, welches das Batteriemodul benutzt, die Steuervorrichtung 14 über die Überwachungsvorrichtung 11 die Sicherheitseinrichtung 15 auslesen, das heißt die Steuervorrichtung 14 sendet entsprechende Signale an die Überwachungsvorrichtung 11, so dass diese die Sicherheitseinrichtung 15 ausliest und das Ergebnis der Steuervorrichtung 14 überträgt. Wird auf diese Weise das Batteriemodul authentifiziert, kann die Vorrichtung, beispielsweise ein Kraftfahrzeug, gestartet werden. Im späteren Betrieb arbeitet die zweite Schnittstelle dann in der zweiten Betriebsart, so dass die Überwachungsvorrichtung 11 mittels des Temperatursensors 16 die Temperatur des Batteriemoduls überwacht.
Die 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren der 2 kann in dem System 10 der 1 implementiert sein oder kann auch in anderen Systemen wie nachfolgend erläutert implementiert sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird die 2 unter Bezugnahme auf die vorstehenden Erklärungen zur 1 beschrieben.
Während das Verfahren der 2 als Abfolge beschrieben ist, ist die dargestellte Reihenfolge nicht als einschränkend auszulegen. Die dargestellten Vorgänge können auch in anderer Reihenfolge, wiederholt, oder zumindest teilweise, d.h. bei manchen der Vorgänge wie unten anhand von Beispielen erläutert, auch gleichzeitig durchgeführt werden.
Bei 20 kommuniziert eine Überwachungsvorrichtung wie die Überwachungsvorrichtung 11 der 1 mit einer Steuervorrichtung wie der Steuervorrichtung 14 über eine erste Schnittstelle wie der ersten Schnittstelle 12.
Bei 21 kommuniziert in einer ersten Betriebsart, beispielsweise beim Start eines Systems, die Überwachungsvorrichtung mit einer Sicherheitseinrichtung wie der Sicherheitseinrichtung 15 über eine zweite Schnittstelle in einer ersten Betriebsart der zweiten Schnittstelle, insbesondere als digitale Schnittstelle. Das Kommunizieren bei 20 und das Kommunizieren bei 21 können so ausgeführt werden, dass letztendlich die Steuervorrichtung über die Überwachungsvorrichtung mit der Sicherheitseinrichtungen kommuniziert und so das Batteriemodul authentifiziert. Dies ist ein Beispiel dafür, dass das Kommunizieren bei 20 und das Kommunizieren bei 21 gleichzeitig oder miteinander verwoben ausgeführt werden kann.
Bei 22 kommuniziert, beispielsweise in einer Normalbetriebsart nach dem Starten bei erfolgreicher Authentifizierung, die Überwachungsvorrichtung mit einem Temperatursensor wie dem Temperatursensor 16 über die zweite Schnittstelle in einer zweiten Betriebsart. So kann dann in der zweiten Betriebsart beispielsweise eine Temperatur des Batteriemoduls überwacht werden. Auch dies kann gleichzeitig mit dem Kommunizieren bei 20 erfolgen, um die erfasste Temperatur an die Steuervorrichtung zu übermitteln.
Die unter Bezugnahme auf die 1 und 2 diskutierten Konzepte werden nun anhand konkreter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Die 3 zeigt dafür ein Batteriesystem 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Batteriesystem der 3 weist als Steuereinrichtung einen Batteriemanagementsystem-Host 31 und acht Batteriemodule 32A bis 32H, zusammenfassend als Batteriemodule 32 bezeichnet, auf. Die Anzahl von 8 Batteriemodulen 32 ist dabei lediglich ein Beispiel, und es kann auch eine andere Anzahl von Batteriemodulen bereitgestellt sein. Jedes der Batteriemodule 32 weist eine jeweilige Sicherheitseinrichtung 33A bis 33H, zusammenfassend als Sicherheitseinrichtungen 33 bezeichnet, sowie Überwachungsvorrichtungen 34A bis 34H, zusammenfassend als Überwachungsvorrichtungen 34 bezeichnet, auf.
Die Überwachungsvorrichtungen 34 können wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben oder wie im Folgenden näher erläutert ausgestaltet sein. Die Überwachungsvorrichtungen 34 sind mit dem Batteriemanagementsystem-Host 31 über Leitungen wie dargestellt ähnlich einer Daisy-Chain-Konfiguration verbunden, und kommunizieren zudem mit Messeinrichtungen des jeweiligen Batteriemoduls, beispielsweise Temperatursensoren, Spannungssensoren oder dergleichen. Die Kommunikation mit Temperatursensoren geschieht dabei wie oben erläutert in einer zweiten Betriebsart, während zudem in einer ersten Betriebsart die Überwachungsvorrichtungen 34 mit den jeweiligen Sicherheitseinrichtungen 33 kommunizieren können. Auf diese Weise kann der Batteriemanagementsystem-Host 31 beim Start einer Vorrichtung, die das Batteriesystem 30 beinhaltet, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, über die Überwachungsvorrichtungen 34 die Sicherheitseinrichtungen 33 abfragen und nur bei erfolgreicher Authentifizierung, das heißt beispielsweise wenn korrekte Typen von Batteriemodulen vorhanden sind, die Benutzung des Batteriesystems 30 freigegeben. Dann kann in einer zweiten Betriebsart während des Normalbetriebs die Temperatur der Batteriemodule 32 sowie andere Größen wie Batteriespannungen überwacht werden.
Die Überwachungsvorrichtungen 34 können mit dem jeweiligen Batteriemodulen über Stecker verbunden sein. Ein Beispiel hierfür ist schematisch in 4 dargestellt.
Bei dem Beispiel der 4 weist das jeweilige Batteriemodul 32 (in 4 nicht explizit dargestellt) beispielsweise auf einer Seite eine gedruckte Leiterplatte (PCB, printed circuit board) 40 auf. Dies stellt lediglich ein Beispiel dar, und es kann sich auch um ein PCB direkt auf dem Batteriemodul oder um ein so genanntes Flex Print PCB handeln. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch nur einzelne Kabelverbindungen von Komponenten wie Temperatursensoren zu dem unten beschriebenen Stecker 41 verlaufen, ohne dass ein PCB bereitgestellt ist. Neben anderen Komponenten kann auf dieser gedruckten Leiterplatte 40 die jeweilige Sicherheitseinrichtung 33 angeordnet sein.
Die Leiterplatte 40 weist den erwähnten Stecker 41 auf, der mit einem Stecker 42 der Überwachungsvorrichtung verbunden ist, um so eine elektrische Verbindungen zwischen der Überwachungsvorrichtung 34 und der Leiterplatte 40 herzustellen. Neben der Sicherheitseinrichtung 33 können auf der Leiterplatte 40 auch weitere Komponenten wie Temperatursensoren, Spannungsfühler und dergleichen bereitgestellt sein, die mit den eigentlichen Batteriezellen thermisch (im Falle von Temperatursensoren) oder elektrisch (im Falle von Spannungssensoren) gekoppelt sind.
Die 5 zeigt eine Überwachungsvorrichtung 50 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Überwachungsvorrichtung 50 ist bei dem Beispiel der 5 auf einer eigenen Leiterplatte 51 angeordnet, welche sich von der Leiterplatte 40 der 4 unterscheiden kann und auf der externen Beschaltung der Überwachungsvorrichtung 50 angeordnet ist. Die Überwachungsvorrichtung 50 selbst kann eine integrierte Schaltung sein oder mehrere in einem Package integrierte Rohchips (Dies) umfassen.
Die Überwachungsvorrichtung 50 dient zur Überwachung eines Batteriemoduls, welches mehrerer Batteriezellen 510_1 bis 510 n, wobei n ≥ 1, in vielen Fällen n>2, z.B. n=3 ist, aufweisen kann.
Als erste Schnittstelle weist die Überwachungsvorrichtung 50 ein Schnittstellenpaar 52A, 52B mit jeweiliger externer Beschaltung 53A, 53B auf der Leiterplatte 51 auf. Mittels der Schnittstellen 52A, 52B können mehrere Überwachungsvorrichtungen wie in der 3 gezeigt in einer Daisy-Chain-artigen Konfiguration, das heißt hintereinander geschaltet, mit einer Steuervorrichtung wie dem Batteriemanagementsystem-Host 31 kommunizieren. Die dargestellte Implementierung und externe Beschaltung der Schnittstellen ist dabei nur als Beispiel zu verstehen, und es kann jede geeignete Schnittstelle verwendet werden. Auch kann statt einer Daisy-Chain-artigen Konfiguration eine direkte Verbindung jeder Überwachungsvorrichtung mit der Steuervorrichtung bereitgestellt sein.
Zudem weist die Überwachungsvorrichtung 50 eine zweite Schnittstelle mit Anschlüssen TMP0, TMP1, TMP2 und TMP GND, den Letzteren als Masseanschluss, auf. Es können auch mehr derartige Anschlüsse TMPx bereitgestellt sein, z.B. sechs Anschlüsse, oder auch weniger derartige Anschlüsse. In 5 ist dabei die zweite Betriebsart dargestellt, bei der die zweite Schnittstelle 54 über entsprechende Anschlüsse NTC0, NTC1, NTC2 und TMP_GND der Leiterplatte 51 mit temperaturabhängigen Widerständen 56A bis 56C, in dem Beispiel Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC), verbunden sind. Ein Block 55 zeigt dabei insgesamt einen für die Temperaturmessung verwendeten Abschnitt des Systems der 5. In dem Beispiel der 5 sind drei temperaturabhängige Widerstände 56A bis 56C dargestellt, welche beispielsweise eine Redundanz bereitstellen können oder an verschiedenen Stellen des zugeordneten Batteriemoduls 32 angeordnet sein können, um die Temperatur an verschiedenen Stellen zu messen. Es können auch mehr oder weniger als drei Widerstände bereitgestellt sein, oder es können andere Temperatursensoren verwendet werden.
Zur Temperaturmessung beaufschlagt die Überwachungsvorrichtung 50 die temperaturabhängigen Widerstände 56A bis 56C in der zweiten Betriebsart mit einem Messstrom und misst, beispielsweise mit (nicht dargestellten) Analog-Digital-Wandlern, einen entsprechenden Spannungsabfall. Die so ermittelte Temperatur kann dann über die ersten Schnittstellen 52A, 52B zu einer Steuervorrichtung wie dem Batteriemanagement Host 31 kommuniziert werden.
Eine erste Betriebsart, in der die Schnittstelle 54 dazu benutzt wird, mit einer Sicherheitseinrichtung zu kommunizieren, wird später unter Bezugnahme auf die 6A bis 6C erläutert.
Zudem weist die Überwachungsvorrichtung 50 Analog-Digital-Wandler 58 auf, mittels derer über ein Filternetzwerk 59, welches zur Filterung und Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit dient, Spannungen (U) der Batteriezellen 510_1 bis 510 n gemessen werden. Mit G bezeichnete Anschlüsse können einem Ausgleich (Balancing) der Zellen dienen, über die beispielsweise MOSFETs angesteuert werden können. Auch eine Diagnose mit geöffneter Last (open load) kann bei manchen Ausführungsbeispielen durchgeführt werden. Diese Messungen und/oder der Ausgleich können in herkömmlicher Weise erfolgen und wird daher nicht näher erläutert. Zudem können in einem Abschnitt 57 verschiedene Spannungen erzeugt und der Überwachungsvorrichtung 50 zugefügt führt werden. Dies kann ebenfalls in herkömmlicher Weise geschehen.
Die Überwachungsvorrichtung 50 kann somit im Normalbetrieb elektrische Größen (über die Analog-Digital-Wandler Anordnung 58) sowie die Temperatur (über den Block 55) des Batteriemoduls überwachen. Dies ist lediglich als Beispiel zu verstehen, und es können auch andere Größen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, überwacht werden. Wie oben bereits erwähnt bezieht sich die vorliegende Anmeldung hauptsächlich auf Techniken, wie mit einer Schnittstelle, im Falle der 5 der zweiten Schnittstelle 54, in einer Betriebsart eine Temperaturmessung und in einer anderen Betriebsart eine Kommunikation mit einer Sicherheitseinrichtung erfolgt, und andere Teile von Überwachungsvorrichtungen können in herkömmlicher Weise implementiert sein.
Die 6A bis 6C zeigen verschiedene Möglichkeiten, die Schnittstelle 54 der 5 in einer ersten Betriebsart zur Kommunikation mit einer Sicherheitseinrichtung 60 und in einer zweiten Betriebsart zur Kommunikation mit den temperaturabhängigen Widerständen 56A bis 56C, das heißt zum beaufschlagen der Widerstände mit Spannung, verwendet werden.
Die 6A zeigt eine erste Herangehensweise. Hier wird über einen Anschluss TMP2 bzw. NTC2, der in der zweiten Betriebsart für den temperaturabhängigen Widerstand 56A verwendet wird, einer Sicherheitseinrichtungen 60 eine positive Versorgungsspannung (VDD) zugeführt. Ein Anschluss TMP_GND1 wird als Datenleitung SDA und ein Anschluss TMP_GND0 als Taktleitung SCL benutzt. Ein Masseanschluss GND der Schnittstelle 54 wird zur Kopplung der Sicherheitseinrichtung 60 mit Masse verwendet. Die Sicherheitseinrichtung 60 ist dabei in dem Beispiel der 6A eingerichtet, nach dem I2C-Protokoll zu kommunizieren. Der grundsätzliche Aufbau eines I2C-Systems ist schematisch in der 7 dargestellt. In der 7 kommuniziert einer I2C-Steuervorrichtung 70 mit einer I2C-Vorrichtung 71. Dabei ist eine Leitung für eine positive Versorgungsspannung (VDD), eine Leitung für Masse (GND), eine Datenleitung (SDA) und eine Taktleitung (SCL) bereitgestellt. Pull-Up-Widerstände 72, 73 verbinden die Datenleitung bzw. die Taktleitung mit VDD, so dass die Leitungen SDA, SCL beispielsweise durch Treiber, die die Leitungen wahlweise auf Masse (GND) gegen die Pull-Up-Widerstände 72, 73 ziehen, getrieben werden können.
Bei der Implementierung als I2C-Schnittstelle in der ersten Betriebsart können bei einer Alternative zwei der temperaturabhängigen Widerstände 56A bis 56C als Pull-Up-Widerstände verwendet werden. Diese Alternative ist in der 6B dargestellt.
Innerhalb der schematisch dargestellten Steuervorrichtung 50B, welche abgesehen von den nachfolgend beschriebenen Details der Steuervorrichtung 50 der 5 entspricht, ist gestrichelt ein Pfad für die erste Betriebsart und durchgezogen ein Pfad für die zweite Betriebsart dargestellt, welche jeweils mit Schaltern wahlweise mit den Anschlüssen TMP 0, TMP 1, TMP 2 und TMP GND 0 verbunden werden können. In der zweiten Betriebsart dienen dabei die Anschlüsse TMP0, TMP1 und TMP2 als separate Anschlüsse für die temperaturabhängigen Widerstände 56A, 56B und 56C, und der Anschluss TMP_GND0 dient als gemeinsamer Masseanschluss für alle drei Widerstände 56A bis 56C.
In der ersten Betriebsart ist der Anschluss TMP_GND0 der zweiten Schnittstelle mit einem Anschluss für die positive Versorgungsspannung vdd der Sicherheitseinrichtung 60 verbunden und versorgt die Sicherheitseinrichtung 60 mit Spannung. Über einen U0- Anschluss, der einer lokalen Masse (local Ground) entspricht, wird die Sicherheitseinrichtungen 60 mit Masse versorgt. Dies bewirkt, dass beim Umschalten in die zweite Betriebsart dann der vdd-Anschluss der Sicherheitseinrichtungen 60 auf Masse gelegt wird, so dass die Sicherheitseinrichtung 60 sicher abgeschaltet wird.
Der Datenanschluss SDA der Sicherheitseinrichtung 60 ist in dem dargestellten Beispiel mit dem Anschluss TMP1 verbunden, und der Taktanschluss SCL ist mit dem Anschluss TMP2 verbunden.
Die Widerstände 56A und 56B dienen in diesem Fall als Pull-Up-Widerstände für die Taktleitung bzw. Datenleitung, so dass keine separaten Pull-Up-Widerstände vorgesehen sein müssen. Typische Werte für die temperaturabhängigen Widerstände 56A bis 56C liegen zwischen 100kΩ und 200Ω. Sie können daher als Pull-Up-Widerstände verwendet werden. Dabei ist auch zu beachten, dass häufig beim Starten einer Vorrichtung die Temperatur noch nicht so hoch ist, so dass sich die Widerstandswerte in einem kleineren Bereich bewegen als während des Normalbetriebs, wo gerade eine mögliche Erwärmung gemessen werden soll.
Alternativ können auch in der Überwachungsvorrichtung Pull-Up-Widerstände bereitgestellt sein. Die 6C zeigt ein entsprechendes Beispiel mit einer Überwachungsvorrichtung 50C. Hier sind zwei separate Masseanschlüsse TMP_GND0, TMP_GND1 für die Widerstände 56A bis 56C bereitgestellt, wobei die Widerstände 56A und 56B mit TMP GND1 und die der Widerstand 56C mit dem Anschluss TMP_GND0 verbunden ist.
In diesem Beispiel ist der vdd-Anschluss der Sicherheitseinrichtung 60 mit dem Anschluss TMP2 verbunden, der Datenanschluss SDA ist mit dem Anschluss TMP GND1 verbunden, der Taktanschluss SCL ist mit dem Anschluss TMP_GND0 verbunden, und der Masseanschluss wird wiederum über den Anschluss U0- versorgt. In der Überwachungsvorrichtung 50C zeigen wiederum die gestrichelten Liniensignalwege für die erste Betriebsart und durchgezogene Linien Signalwerte für die zweite Betriebsart. Pull-Up-Widerstände 61A und 61B sind in diesem Fall innerhalb der Überwachungsvorrichtung 50C für die Taktleitung und Datenleitung im Falle des Betriebs als I2C-Schnittstelle bereitgestellt.
Wie aus den 6A bis 6C ersichtlich gibt es also verschiedene Möglichkeiten, die Sicherheitseinrichtungen mit der Schnittstelle 54 zu verbinden, und es können entweder temperaturabhängige Widerstände, die in der zweiten Betriebsart als Temperatursensoren verwendet werden, als Pull-Up-Widerstände verwendet werden, oder es können separate Pull-Up-Widerstände bereitgestellt sein.
Wie bereits erwähnt können auf diese Weise sämtliche Batteriemodule, beispielsweise alle Batteriemodule 32 der 3, bei einem Hochfahren (Wake-Up) einer Vorrichtung wie eines Fahrzeugs, welches das Batteriesystem enthält, abgefragt werden. 8 zeigt ein Flussdiagramm eines derartigen Verfahrens.
Bei 80 wird das System hochgefahren. Die Vorgänge bei 81 bis 83 werden dann für alle Module wiederholt. Nacheinander wird bei 81 die I2C-Schnittstelle, also die erste Betriebsart, aktiviert, und es erfolgt bei 82 eine Kommunikation mit der ausgewählten Sicherheitseinrichtung, das heißt der Sicherheitseinrichtung des gerade abgefragten Moduls. Nach der Abfrage wird die I2C-Schnittstelle bei 83 wieder deaktiviert, beispielsweise durch Wechsel der jeweiligen zweiten Betriebschnittstelle der Überwachungsvorrichtung in die zweite Betriebsart.
Bei 84 wird dann überprüft, ob die Kommunikation mit den Sicherheitseinrichtungen bei 82 für alle Sicherheitseinrichtungen ok war, das heißt alle Batteriemodule korrekt authentifiziert wurde. Falls dies der Fall ist, wird bei 86 der Normalbetrieb der Vorrichtung gestartet und die Benutzung des Batteriesystems wird ermöglicht. Falls zumindest ein Modul nicht korrekt authentifiziert wurde, bleibt bei 85 beispielsweise ein Hauptrelais, welches die Batteriemodule mit dem restlichen Fahrzeug verbindet, offen, und es erfolgt kein Fahrzeugstart oder Start einer anderen Vorrichtung, die das Batteriesystem verwendet.
Auch im Falle der 8 müssen die Vorgänge nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Abfrage, ob die Kommunikation mit den Sicherheitseinrichtungen ok war (84) für jede Sicherheitseinrichtung unmittelbar nach der Kommunikation bei 82 durchgeführt werden, und sobald eine Kommunikation eine fehlerhafte Authentifizierung ergibt, kann das Verfahren beendet werden, und es erfolgt kein Fahrzeugstart (entsprechend 85). In diesem Fall müssen dann die anderen Module nicht mehr überprüft werden.
Bei einer Daisy-Chain-artigen Verbindung wie in 3 gezeigt können dabei die Wiederholungen schrittweise entlang der Kette durchgeführt werden, das heißt in dem Beispiel der 3 zuerst für das Modul 32 A, dann für das Modul 32 B usw. Es sind aber auch andere Reihenfolgen möglich.
Einige Ausführungsbeispiele werden durch die nachfolgenden Beispiele definiert:

Beispiel 1. Überwachungsvorrichtung für ein Batteriemodul, aufweisend:
- eine erste Schnittstelle, welche eingerichtet ist, mit einer Steuervorrichtung zu kommunizieren, und
- eine zweite Schnittstelle, welche eingerichtet ist, in einer ersten Betriebsart als digitale Schnittstelle zur Kommunikation mit einer Sicherheitseinrichtung eines Batteriemoduls zu kommunizieren und in einer zweiten Betriebsart mit einem Temperatursensor zu kommunizieren, wobei die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart zumindest teilweise die gleichen Anschlüsse der zweiten Schnittstelle nutzen.
Beispiel 2. Überwachungsvorrichtung nach Beispiel 1, wobei die digitale Schnittstelle eine I2C-Schnittstelle ist.
Beispiel 3. Überwachungsvorrichtung nach Beispiel 1 oder 2, wobei die zweite Schnittstelle eingerichtet ist, mit einer Gruppe von temperaturabhängigen Widerständen als der Temperatursensor gekoppelt zu werden und in der ersten Betriebsart mindestens einen Widerstand der Gruppe von temperaturabhängigen Widerständen als Pullup-Widerstand oder Pulldown-Widerstand für die digitale Schnittstelle zu nutzen.
Beispiel 4. Überwachungsvorrichtung nach Beispiel 1 oder 2, wobei die Überwachungsvorrichtung mindestens einen Pullup- oder Pulldown-Widerstand für die digitale Schnittstelle aufweist.
Beispiel 5. Überwachungsvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 4, wobei die Überwachungsvorrichtung eingerichtet ist, in der ersten Betriebsart Authentifizierungsinformation von der Sicherheitseinrichtung zu empfangen und über die erste Schnittstelle auszugeben, und in der zweiten Betriebsart eine Temperaturinformation über die erste Schnittstelle auszugeben.
Beispiel 6. Überwachungsvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 5, wobei die zweite Schnittstelle einen Anschluss umfasst, über den in der ersten Betriebsart eine positive Versorgungsspannung zum Versorgen der Sicherheitseinrichtung und in der zweiten Betriebsart ein Massepotential oder eine negative Versorgungsspannung ausgegeben wird.
Beispiel 7. Batteriesystem, aufweisend:
- eine Gruppe von Batteriemodulen, wobei jedes Batteriemodul
- eine Sicherheitseinrichtung aufweist,
- eine Gruppe von Überwachungsvorrichtungen nach einem der Beispiele 1 bis 6, wobei jedem Batteriemodul der Gruppe von Batteriemodulen eine Überwachungsvorrichtung der Gruppe von Überwachungsvorrichtungen zugeordnet ist, und
- eine Steuervorrichtung, die mit den jeweiligen ersten Schnittstellen der Überwachungsvorrichtungen verbunden ist.
Beispiel 8. Batteriesystem nach Beispiel 7, wobei die Steuervorrichtung eingerichtet ist, die Überwachungsvorrichtungen in die erste Betriebsart zu setzen, über die Überwachungsvorrichtungen Authentifizierungsinformation von den Sicherheitseinrichtungen der Batteriemodule zu empfangen, und einen Normalbetrieb des Batteriesystems nur dann freizugeben, wenn die Authentifizierungsinformationen die Sicherheitseinrichtungen korrekt authentifizieren.
Beispiel 9. Verfahren für ein Batteriesystem, umfassend: Kommunizieren zwischen einer Überwachungsvorrichtung und einer Steuervorrichtung über eine erste Schnittstelle der Überwachungsvorrichtung, Kommunizieren zwischen der Überwachungsvorrichtung und einer Sicherheitseinrichtung eines Batteriemoduls über eine zweite Schnittstelle der Überwachungsvorrichtung in einer ersten Betriebsart der ersten Schnittstelle als digitale Schnittstelle, und Kommunizieren zwischen der Überwachungsvorrichtung und einem Temperatursensor über die zweite Schnittstelle in einer zweiten Betriebsart der zweiten Schnittstelle, wobei die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart zumindest teilweise die gleichen Anschlüsse der zweiten Schnittstelle nutzen.
Beispiel 10. Verfahren nach Beispiel 9, weiter umfassend: Abfragen einer Authentifizierungsinformation der Sicherheitseinrichtung durch die Steuervorrichtung über die Überwachungsvorrichtung.
Beispiel 11. Verfahren nach Beispiel 10, wobei das Verfahren für eine Vielzahl von Sicherheitseinrichtungen einer Vielzahl von Batteriemodulen und eine Vielzahl von Überwachungsvorrichtungen durchgeführt wird, weiter umfassend:
- Freigeben eines Normalbetriebs eines Batteriesystems umfassend die Vielzahl von Batteriemodulen nur, wenn die Authentifizierungsinformationen die Sicherheitseinrichtungen korrekt authentifizieren.
Beispiel 12. Verfahren nach einem der Beispiele 9 bis 11, wobei das Kommunizieren über die zweite Schnittstelle in der ersten Betriebsart ein Ausgeben einer positive Versorgungsspannung zum Versorgen der Sicherheitseinrichtung über einen Anschluss der zweiten Schnittstelle und das Kommunizieren der über die zweite Schnittstelle in der zweiten Betriebsart ein Ausgeben eines Massepotential oder eine negative Versorgungsspannung über den Anschluss der zweiten Schnittstelle umfasst.
Beispiel 13. Verfahren nach einem der Beispiele 9 bis 12, wobei der Temperatursensor eine Gruppe von temperaturabhängigen Widerständen umfasst, wobei das Kommunizieren über die zweite Schnittstelle in der ersten Betriebsart ein Nutzen mindestens eines Widerstand der Gruppe von temperaturabhängigen Widerständen als Pullup-Widerstand oder Pulldown-Widerstand für die digitale Schnittstelle umfasst.

Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Überwachungsvorrichtung (11; 50) für ein Batteriemodul (32), aufweisend: eine erste Schnittstelle (12; 52A, 52B), welche eingerichtet ist, mit einer Steuervorrichtung (14; 31) zu kommunizieren, und eine zweite Schnittstelle (13; 54), welche eingerichtet ist, in einer ersten Betriebsart als digitale Schnittstelle zur Kommunikation mit einer Sicherheitseinrichtung (15; 33; 60) eines Batteriemoduls (32) zu kommunizieren und in einer zweiten Betriebsart mit einem Temperatursensor (16) zu kommunizieren, wobei die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart zumindest teilweise die gleichen Anschlüsse der zweiten Schnittstelle nutzen.
Überwachungsvorrichtung (11; 50) nach Anspruch 1, wobei die digitale Schnittstelle eine I2C-Schnittstelle ist.
Überwachungsvorrichtung (11; 50) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Schnittstelle (13; 54) eingerichtet ist, mit einer Gruppe von temperaturabhängigen Widerständen (56) als der Temperatursensor (16) gekoppelt zu werden und in der ersten Betriebsart mindestens einen Widerstand der Gruppe von temperaturabhängigen Widerständen (56) als Pullup-Widerstand oder Pulldown-Widerstand für die digitale Schnittstelle zu nutzen.
Überwachungsvorrichtung (11; 50) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Überwachungsvorrichtung (11; 50) mindestens einen Pullup- oder Pulldown-Widerstand für die digitale Schnittstelle aufweist.
Überwachungsvorrichtung (11; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Überwachungsvorrichtung (11; 50) eingerichtet ist, in der ersten Betriebsart Authentifizierungsinformation von der Sicherheitseinrichtung (15; 33; 60) zu empfangen und über die erste Schnittstelle (12; 52A, 52B) auszugeben, und in der zweiten Betriebsart eine Temperaturinformation über die erste Schnittstelle (12; 52A, 52B) auszugeben.
Überwachungsvorrichtung (11; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite Schnittstelle (13; 54) einen Anschluss umfasst, über den in der ersten Betriebsart eine positive Versorgungsspannung zum Versorgen der Sicherheitseinrichtung (15; 33; 60) und in der zweiten Betriebsart ein Massepotential oder eine negative Versorgungsspannung ausgegeben wird.
Batteriesystem (10; 30), aufweisend: eine Gruppe von Batteriemodul (32)en, wobei jedes Batteriemodul (32) eine Sicherheitseinrichtung (15; 33; 60) aufweist, eine Gruppe von Überwachungsvorrichtungen (11; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jedem Batteriemodul (32) der Gruppe von Batteriemodulen (32) eine Überwachungsvorrichtung (11; 50) der Gruppe von Überwachungsvorrichtungen (11; 50) zugeordnet ist, und eine Steuervorrichtung (14; 31), die mit den jeweiligen ersten Schnittstellen (12; 52A, 52B)der Überwachungsvorrichtung (11; 50)en verbunden ist.
Batteriesystem (10; 30) nach Anspruch 7, wobei die Steuervorrichtung (14; 31) eingerichtet ist, die Überwachungsvorrichtungen (11; 50) in die erste Betriebsart zu setzen, über die Überwachungsvorrichtung (11; 50) Authentifizierungsinformation von den Sicherheitseinrichtungenen (15; 33; 60) der Batteriemodule (32) zu empfangen, und einen Normalbetrieb des Batteriesystems nur dann freizugeben, wenn die Authentifizierungsinformationen die Sicherheitseinrichtungen (15; 33; 60) korrekt authentifizieren.
Verfahren für ein Batteriesystem, umfassend: Kommunizieren zwischen einer Überwachungsvorrichtung (11; 50) und einer Steuervorrichtung (14; 31) über eine erste Schnittstelle (12; 52A, 52B) der Überwachungsvorrichtung (11; 50), Kommunizieren zwischen der Überwachungsvorrichtung (11; 50) und einer Sicherheitseinrichtung (15; 33; 60) eines Batteriemoduls (32) über eine zweite Schnittstelle (13; 54) der Überwachungsvorrichtung (11; 50) in einer ersten Betriebsart der ersten Schnittstelle als digitale Schnittstelle, und Kommunizieren zwischen der Überwachungsvorrichtung (11; 50) und einem Temperatursensor (16) über die zweite Schnittstelle (13; 54) in einer zweiten Betriebsart der zweiten Schnittstelle, wobei die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart zumindest teilweise die gleichen Anschlüsse der zweiten Schnittstelle nutzen.
Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend: Abfragen einer Authentifizierungsinformation der Sicherheitseinrichtung (15; 33; 60) durch die Steuervorrichtung (14; 31) über die Überwachungsvorrichtung (11; 50).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren für eine Vielzahl von Sicherheitseinrichtungen (15; 33; 60) einer Vielzahl von Batteriemodul (32)en und eine Vielzahl von Überwachungsvorrichtungen (11; 50) durchgeführt wird, weiter umfassend: Freigeben eines Normalbetriebs eines Batteriesystems umfassend die Vielzahl von Batteriemodulen (32) nur, wenn die Authentifizierungsinformationen die Sicherheitseinrichtung (15; 33; 60)en korrekt authentifizieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Kommunizieren über die zweite Schnittstelle (13; 54) in der ersten Betriebsart ein Ausgeben einer positive Versorgungsspannung zum Versorgen der Sicherheitseinrichtung (15; 33; 60) über einen Anschluss der zweiten Schnittstelle und das Kommunizieren der über die zweite Schnittstelle (13; 54) in der zweiten Betriebsart ein Ausgeben eines Massepotential oder eine negative Versorgungsspannung über den Anschluss der zweiten Schnittstelle umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Temperatursensor (16) eine Gruppe von temperaturabhängigen Widerständen (56) umfasst, wobei das Kommunizieren über die zweite Schnittstelle (13; 54) in der ersten Betriebsart ein Nutzen mindestens eines Widerstand der Gruppe von temperaturabhängigen Widerständen (56) als Pullup-Widerstand oder Pulldown-Widerstand für die digitale Schnittstelle umfasst.