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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontrollvorrichtung für einen Brennstoffzellen-elektrischen Antrieb.
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Aktuell finden sowohl Brennstoffzellensysteme, als auch reine Batteriesysteme mit immer größer werdenden Stückzahlen Einzug in den Markt für Antriebe, insbesondere für moderne Automobile vom Personen- bis zum Nutz- bzw. Lastfahrzeug. Aus dem Stand der Technik ist dabei bekannt, dass ein Brennstoffzellensystem bzw. einem Brennstoffzellen-elektrischer Antrieb eine wirtschaftliche und attraktive Technik für den lokal emissionsfreien Antrieb eines Fahrzeugs darstellt. Ein derartiger Antrieb kommt nicht nur auf Kurzstrecken zum Einsatz, z.B. in einem Innenstadt-Bereich, sondern er kann auch auf längeren Strecken mit einer Reichweite von mehreren hundert Kilometern unterbrechungsfrei eingesetzt werden. Brennstoffzellenfahrzeuge zeichnen sich gegenüber bekannten rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen zudem durch eine vergleichsweise kurze Lade- bzw. Betankungszeit aus, die häufig nur wenige Minuten dauert und mit einer Betankungszeit eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor vergleichbar ist. Auch ist ein Brennstoffzellenantrieb selbst unter Einbeziehung mindestens eines Wasserstoff-Tanks in der Regel leichter als ein rein batterieelektrischer Antrieb. Dabei ist ein Brennstoffzellenfahrzeug im Kern weiterhin ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, bei dem die elektrische Energie durch eine Brennstoffzelle aus Wasserstoff als Energieträger erzeugt wird. Der Elektroantrieb wandelt die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in Bewegung um, oder sie wird zeitweise in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert.
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Ein Brennstoffzellen-elektrisches Antriebssystem ist daher immer als Hybridsystem aufgebaut und benötigt zusätzlich zu den Brennstoffzellen eine HV-Batterie. Sowohl Brennstoffzellensysteme, als auch Batteriesysteme benötigen elektronische Steuergeräte, die einen sicheren Betrieb gewährleisten, Betriebsparameter errechnen, eine Abschaltung in einem Notfall bewirken, Fehler speichern und Daten an übergeordnete Systeme kommunizieren. Üblicherweise sind einige der Dienste dieser Steuergeräte sicherheitskritisch. Dies bedeutet, dass für Personen in dem Fall ein Risiko entstehen kann, wenn derartige kritische Funktionen des Steuergerätes ausfallen. Aus diesem Grund sind einige Funktionen dieser Steuergeräte in der Regel gemäß ISO26262 mit ASIL Level versehen. Wie sicherheitskritisch eine jeweilige Funktion ist wird i.d.R. mit statistischen Ausfallraten der Komponenten quantifiziert. Um eine Ausfallwahrscheinlichkeit zu senken wird häufig mit redundanten Signalpfaden gearbeitet, was die Kosten der Steuergeräte extrem negativ beeinflusst.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Kontrollvorrichtung der vorstehend genannten Art unter Minderung eines Fertigungsaufwandes zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Kontrollvorrichtung für einen Brennstoffzellen-elektrischen Antrieb nur ein Steuergerät aufweist, das zur Steuerung und Überwachung sowohl des Brennstoffzellensystems als auch der HV-Traktionsbatterie ausgebildet ist.
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Aktuell kommen in Fahrzeug mit einem Brennstoffzellen-elektrischen Antrieb als Hybridsystemen, bestehend aus mindestens einer Brennstoffzelleneinheit und einer Traktionsbatterie zwei verschiedene Steuergeräte zum Einsatz. Ein Gerät ist für die Steuerung des Brennstoffzellensystem verantwortlich. Ein weiteres Gerät dient ausschließlich der Steuerung des HV-Traktionsbatteriesystems. Dieses HV-Traktionsbatteriesystem ist dabei einem Hochvoltspeicher rein elektrisch angetriebener Fahrzeuge sehr ähnlich, wenn auch in aller Regel in seiner Kapazität kleiner und vom Gewicht her deutlich leichter.
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Sowohl Brennstoffzellensysteme als auch Batteriesysteme benötigen elektronische Steuergeräte, die den sicheren Betrieb gewährleisten, Betriebsparameter errechnen, eine Abschaltung im Notfall erwirken, Fehler speichern und Daten an übergeordnete Systeme kommunizieren. Bereits ein Ausfall einer kritischen Funktion eines der Steuergeräte kann dabei ein Risiko für Personen entstehen lassen. Aus diesem Grund sind einige Funktionen dieser Steuergeräte in der Regel gemäß ISO26262 mit ASIL Level versehen. Sowohl Steuergeräte für Brennstoffzellensysteme, als auch Steuergeräte für Batteriesysteme sind in der Regel also sicherheitskritisch und bedürfen einer hohen Anzahl an elektronischen Komponenten um den Sicherheitszielen und den damit verbundenen Hardware-Architekturmetriken gemäß ISO26262 gerecht zu werden. Jedes Brennstoffzellensystem bedingt implizit auch die Verwendung eines Batteriesystems im Hochvoltzwischenkreis, da die Kapazität eines Brennstoffzellen-Stacks zu klein ist um ein dynamisches Antriebssystem zu speisen. Die HV-Batterie übernimmt die Antriebsleistung beim Start, während das Brennstoffzellensystem erst noch hochgefahren werden muss. Außerdem übernimmt die HV-Batterie die Leistungsspitzen, welche vom Brennstoffzellensystem nicht dargestellt werden können. Folglich werden immer zwei separate Steuergeräte für das Gesamtsystem verwendet.
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Um die Ausfallwahrscheinlichkeiten zu senken muss häufig mit redundanten Signalpfaden gearbeitet werden, was die Kosten der Steuergeräte extrem beeinflusst. Beide Steuergeräte erfordern den Einsatz redundant arbeitender Prozessoren und Treiber für die Kommunikation zu dezentralen Messchips, die sowohl zur Überwachung des Brennstoffzellen-Stacks als auch zur Überwachung der Batteriezellen benötigt werden. Die Regelung der beiden Steuergeräte übernimmt i.d.R. ein übergeordneter Controller. Der Nachteil dieser Architektur ist, dass die Notwendigkeit zweier sicherheitskritischer Steuergeräte mit hohen Bauteilkosten verbunden ist. Zudem müssen für jedes der Steuergeräte separate Softwarestände gepflegt werden. Außerdem muss jedes der beiden Steuergeräte eigenständig entwickelt und getestet werden. Die Kosten können sich dabei pro Steuergerät auf mehrere Millionen EURO aufsummieren.
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Jedes dieser beiden Steuergeräte wird heute einzeln in separaten Entwicklungsgruppen für das jeweilige System und von einem Anwendungsfall getrennt bzw. isoliert entworfen und getestet. Erst nachfolgend werden diese beiden Steuergeräte dann an die besondere Applikation des Brennstoffzellen-elektrischen Antriebs angepasst. Ein erfindungsgemäßer Lösungsansatz stellt eine Abkehr von eingelaufenen Pfaden mit einem entgegengesetzten Ansatz dar.
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Durch ein zentrales Steuergerät, welches sowohl die Steuerung als auch die Überwachung des Brennstoffzellensystems und des Batteriesystems übernimmt, lassen sich die Hardware-Kosten eines Brennstoffzellen/-Batterie Hybrid-Systems deutlich reduzieren. Das Brennstoffzellensystem besteht aus den Brennstoffzellen-Stacks und den dafür benötigten Zusatzkomponenten, wie z.B. Kühlung. Das Batteriesystem besteht aus den Batteriemodulen und der Hochvoltverteilerbox, in der die Schützsteuerung untergebracht ist. Bei einem gemeinsamen Steuergerät ist es zudem nicht nötig, verschiedene Softwarestände auf beiden Steuergeräten zu pflegen. Dies spart einerseits Zeit, die für das Aufspielen der Software benötigt wird. Zudem kann ein Aufwand zur Einrichtung von Konfigurationseinstellungen und Tests reduziert werden. Es wird zudem kein weiteres übergeordnetes Steuergerät benötigt, welches das Netzwerkmanagement der beiden Steuergeräte übernimmt. Eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung ermöglicht zudem ein einfaches Vermarkten solcher Hybridsysteme, da nicht nur Preisvorteile gegenüber Produkten von Mitbewerbern generiert werden können, sondern gleichzeitig auch der Komplexitätsgrad dieser Systeme erheblich gesenkt wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach besteht die Kontrollvorrichtung aus einer Hochspannungsseite und einer galvanisch davon getrennten Niederspannungsseite. Die Hochspannungsseite umfasst das Brennstoffzellensystem sowie die Hochvoltbatterie, wobei Brennstoffzellensystem und Hochvoltbatterie über steuerbare Hochvoltschalter und Hochspannungs-Leitungen miteinander und zu zwei externen Hochspannungsanschlüssen der beiden Polaritäten hin verbunden sind. Die Niederspannungsseite ist zur Ansteuerung der Bestandteile der Hochspannungsseite ausgebildet.
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Vorzugsweise ist das Steuergerät auf der Niederspannungsseite ein Mikrocontroller, der als Master ausgebildet ist. Der Mikrocontroller ist mit Sensor-Schaltkreisen an den Brennstoffzellen-Stacks und mit Sensor-Schaltkreisen an den Batteriemodulen als Slaves auf der Hochspannungsseite über einen Bus verbunden.
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Bevorzugter Weise ist der Mikrocontroller mit einem Eingang für Fahr-Vorgaben ausgestattet. Anforderungen durch einen Fahrer werden damit in der Kontrollvorrichtung unmittelbar und direkt an den Mikrocontroller übergeben.
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In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung sind an dem Brennstoffzellesystem und der Hochvoltbatterie grundsätzlich die gleichen Sensor-Schaltkreise vorgesehen, jeweils in Anpassung an eine Anzahl n von Batterie-Modulen, aus der die Hochvoltbatterie aufgebaut ist, sowie eine Anzahl m von Einheiten, aus der die Brennstoffzellen-Stacks aufgebaut sind. Diese Vereinheitlichung von Bauteilen verschließt weitere Einspar-Potentiale.
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Vorteilhafter Weise ist der Bus als bidirektionaler Ringbus ausgeführt. Bevorzugt ist hier ein zweiardiger Bus vorgesehen, der insbesondere als isoSPI ungeschirmte Twisted Pair- bzw. UTP-Leitung ausgebildet ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Kommunikationstreiber über eine Isolationsbarriere an den Mikrocontroller angeschlossen. Vorzugsweise ist an den Kommunikationstreiber anschließend ein Filter vorgesehen, der zur Minderung einer Datenmenge von Messsignalen ausgebildet ist. diese Ausführungsform umfasst als vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung damit die Verwendung einer Master CSC-Einheit, welche die Daten vorfiltert und die Datenrate auf dem Bus reduziert.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: ein Ausführungsbeispiel einer Kontrollvorrichtung für einen Brennstoffzellen-elektrischen Antrieb und
- 2: eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einem aus dem Stand der Technik her gekannten prinzipiellen Aufbau eines Brennstoffzellen-elektrischen Antriebs.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Ausführungsbeispielen der Erfindung für ein Personen-Fahrzeug in Form eines Autos dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung einer nachstehend beschriebenen Kontrollvorrichtung auf sonstige Fahrzeuge, wie Flugzeuge oder Boote mit elektro-motorischem Antrieb sowie auch auf stationäre Einsätze z.B. zur Stromversorgung, möglich ist.
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2 stellt eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug 1 mit einem aus einem aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellen-elektrischen Antrieb dar. Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist im Kern weiterhin ein Elektro-Fahrzeug, das über mindestens einen Elektromotor 2 mechanisch angetrieben wird. Der Elektromotor 2 wird von einer Hochvoltbatterie 3 gespeist, in die insbesondere beim Bremsen auch elektrische Energie durch Rekuperation zurückgeführt werden kann. Unter Berücksichtigung einer Fahranforderung durch einen Fahrer bilden der Elektromotor 2 und die Hochvoltbatterie 3 einen Regelkreis 4, der von einem Steuergerät überwacht wird, wie in jedem reinen Elektro-Fahrzeug auch.
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Ein Brennstoffzellen-elektrischer Antrieb stellt aber eine wirtschaftliche und auch von ihrer Leistungsfähigkeit her attraktive Technik für den lokal emissionsfreien Antrieb eines Fahrzeugs dar, der schon heute nicht nur auf Kurzstrecken, wie z.B. in einem Innenstadt-Bereich, zum Einsatz kommt, sondern auch auf längeren Strecken mit einer Reichweite von mehreren hundert Kilometern unterbrechungsfrei eingesetzt werden kann. Hier wird nämlich eine für den rein elektrischen Fahrbetrieb benötigte Energie durch eine Brennstoffzelle aus Wasserstoff als Energieträger erzeugt. Ein Wasserstofftank 5 und eine Brennstoffzelle 6 bilden damit zur Abgabe elektrischer Energie an den Elektromotor 2 einen Regelkreis 7, der von einem eigenen Steuergerät überwacht wird.
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Die Kapazität der Brennstoffzelle 6 ist in aller Regel zu klein, um ein dynamisches Antriebssystem zu speisen. Von diesem Brennstoffzellensystem können also schon kurzfristig auftretende Leistungsspitzen, wie sie in der normalen Fahrpraxis schon durch eine von einem Fahrer gewünschte Beschleunigung oder eine Steigung einer Fahrbahn angefordert werden, nicht dargestellt werden. Diese gerade bei Leistungsspitzen zusätzlich benötigte elektrische Leistung muss dann durch die Hochvoltbatterie 3 bereitgestellt werden. Die Hochvolt-Batterie 3 übernimmt die Antriebsleistung auch beim Start, während die Brennstoffzelle 6 als System erst noch hochgefahren bzw. aufgeheizt werden muss. Außerdem übernimmt die Hochvolt-Batterie 3 Leistungsspitzen, welche von der Brennstoffzelle 6 nicht dargestellt werden können. In der in 2 dargestellten Weise wandelt der Elektromotor 2 die in der Brennstoffzelle 6 erzeugte elektrische Energie in Bewegung um, oder diese elektrische Energie wird zeitweise in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert. Damit sind die beiden Regelkreise, der Regelkreis 4 des E-Antriebs und der Regelkreis 7 der Brennstoffzelle 6, miteinander regelungstechnisch gekoppelt.
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Steuergeräte für die beiden Regelkreise 4, 7 erfordern redundant arbeitende Prozessoren und Treiber für die Kommunikation zu jeweiligen dezentralen Messchips, die sowohl zur Überwachung der Brennstoffzelle 6 bzw. des Brennstoffzellen-Stacks, als auch zur Überwachung der Hochvoltbatterie 2 bzw. der einzelnen Batteriezellen benötigt werden. Die Regelung der beiden Steuergeräte übernimmt i.d.R. ein zusätzlicher Controller 8, der den jeweiligen Steuergeräten der Regelkreise 4, 7 übergeordnet ist und auch ein aktives Netzwerkmanagement betreibt. Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Architektur besteht darin, dass die Notwendigkeit zweier sicherheitskritischer Steuergeräte für die Regelkreise 4, 7 mit hohen Bauteilkosten verbunden ist. Zudem müssen für jedes der Steuergeräte separate Softwarestände gepflegt werden, die aufeinander abzustimmen sind. Schließlich müssen die Steuergeräte für die Regelkreise 4, 7 noch über den übergeordneten Controller 8 verbunden und abstimmt werden. Der Controller 8 bildet zudem eine Schnittstelle zu einem Fahrer zum Empfang entsprechender Vorgabewerte 9, wie z.B. einer Fahr- oder Beschleunigungsanforderung.
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1 zeigt nun als Lösung mit gemindertem Entwicklungs- und Fertigungsaufwand ein Ausführungsbeispiel einer Kontrollvorrichtung 10 zur Steuerung und Überwachung sowohl der Brennstoffzelle 6 als auch der HV-Traktionsbatterie 3 für einen nicht weiter dargestellten Brennstoffzellen-elektrischen Antrieb mit nur einem Steuergerät. Durch ein zentrales Steuergerät, welches sowohl die Steuerung als auch die Überwachung des Brennstoffzellensystems und des Batteriesystems übernimmt lassen sich die Hardware-Kosten eines Brennstoffzellen/-Batterie Hybrid-Systems deutlich reduzieren. Das Brennstoffzellensystem besteht aus m Brennstoffzellen-Stacks und den dafür benötigten Zusatzkomponenten, wie z.B. Kühlung. Das Batteriesystem umfasst n Batteriemodule und eine Hochvoltverteilerbox, in der die Schützsteuerung untergebracht ist. Bei einem gemeinsamen Steuergerät für das Brennstoffzellensystem 6 und das Hochvolt-Batteriesystem 3 ist es nun nicht mehr notwendig, verschiedene Softwarestände auf zwei getrennten Steuergeräten zu pflegen. Dies spart einerseits Zeit, die für das Aufspielen der Software benötigt wird, und andererseits können Konfigurations- und Testaufwände reduziert werden. Es wird zudem kein weiteres übergeordnetes Steuergerät benötigt, welches das Netzwerkmanagement der beiden Steuergeräte übernimmt. Damit wird auch ein Komplexitätsgrad dieser Systeme erheblich gesenkt.
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Die Kontrollvorrichtung 10 besteht hier aus einer Hochspannungsseite HV und einer galvanisch davon getrennten Niederspannungsseite LV. Die Hochspannungsseite HV umfasst die Brennstoffzelle 6 mit einem Stack aus m Einheiten bzw. Stacks, sowie die Hochvoltbatterie 3 mit einem Stack aus n Einheiten bzw. Batterie-Modulen. Brennstoffzelle 6 und Hochvoltbatterie 3 sind über steuerbare Hochvoltschalter 11, 12, 13 und Hochspannungs-Leitungen 14 miteinander und zu zwei externen Hochspannungsanschlüssen der beiden Polaritäten hin verbunden. Über diese Hochvoltschalter 11, 12, 13 sind alle Betriebsszenarien steuerbar, also z.B. von einem Aufheizen der Brennstoffzelle 6 beim Start mit Anfahren des Fahrzeugs nur durch elektrische Energie aus der Hochvoltbatterie 3 bis zur Einspeisung überschüssiger elektrischer Energie von der Brennstoffzelle 6 zum Laden der Hochvoltbatterie 3. Zur Ansteuerung aller Bestandteile der Hochvoltseite HV sind in beispielhafter Darstellung auch die Hochvoltschalter 11, 12, 13 über Signalleitungen 15 an einen Mikrocontroller bzw. µC 16 als Steuergerät auf der Niederspannungsseite LV angeschlossen.
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Dieser eine Mikrocontroller 16 der Kontrollvorrichtung 10 ist hier mit einem Eingang für Fahr-Vorgaben 9 ausgestattet. Zudem ist der Mikrocontroller 16 als Master ausgebildet und über einen Bus 17 mit Sensor-Schaltkreisen als Slaves 18 verbunden. Diese Slaves 18 ermitteln jeweils u.a. an den Stacks der Brennstoffzelle 6 und der Hochvoltbatterie 3 die fortlaufend aktuellen Werte für Temperatur und Spannung. Grundsätzlich werden an der Brennstoffzelle 6 und der Hochvoltbatterie 3 gleichartige Sensor-Schaltkreise bzw. Cell Sensor Circuits CSC als Slaves 18 verwendet, die in einer Anzahl der Messanschlüsse lediglich an eine jeweilige Anzahl von Stacks oder Zellen angepasst werden, also hier „m“ bei der der Brennstoffzelle 6 und „n“ in der Hochvoltbatterie 3. Diese wichtigen Messsignale aus der Brennstoffzelle 6 und der Hochvoltbatterie 3 werden dann über den Bus 17 an einen Kommunikationstreiber 18 übersenden. Der Bus 17 ist hier bidirektional ausgebildet und als Ringbus ausgeführt, hier zweiardig als isoSPI ungeschirmte Twisted Pair- bzw. UTP-Leitung. Eine physikalische Unterbrechung in dem Ringbus 17 ermöglich damit eine Aufrechterhaltung des Datenflusses von der Brennstoffzelle 6 und der Hochvoltbatterie 3 zu dem Master-Mikrocontroller 16 hin. Zudem ist in diesem Ringbus 17 eine direkte Fehlerortung über einen Kommunikationstreiber 19 möglich. Der Einfachheit halber sind in der Skizze von 1 weitere Spannungs- und Strommessknoten der Kontrollvorrichtung 10 nicht eingezeichnet.
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Der Kommunikationstreiber 19 ist über eine Isolationsbarriere an den Mikrocontroller 16 angeschlossen. An dieser Stelle ist in einer nicht weiter dargestellten Weiterbildung der Erfindung an den Kommunikationstreiber 19 anschließend ein Filter vorgesehen, wodurch alle m Brennstoffzellen und n elementaren Batteriezellen überwacht und eine an das eigentliche Steuergerät weitergeleitete Datenrate durch eine entsprechende Filterung auf ein erträgliches bzw. wirtschaftlich sinnvolles Maß reduziert wird.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Steuergerät realisiert, welches eine ISO26262 ASIL D-konforme Microcontrollerarchitektur aufweist. Hierbei kann z.B. auf einen am Markt verfügbaren Dreikernprozessorchip zurückgegriffen werden, wobei sicherheitsrelevante Funktionen aus Redundanzgründen jeweils immer parallel auf zwei Kernen im Lockstep-Mode ausgeführt werden. Für nicht-sicherheitsrelevante Funktionen steht damit in diesem Mikrocontroller ein weiterer Prozessorkern zur Verfügung.
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Sowohl die Brennstoffzellen-Stacks als auch die Batteriemodule verfügen über gleichartige Messchips, wie z.B. der ADBMS6815, die über ein proprietäres Kommunikationsprotokoll, hier isoSPI, an Kommunikations-Ports des Lockstep-Doppelkerns des Prozessorchips angeschlossen sind. Es kann dadurch Platz auf der Platine gespart werden, dass auf diese Weise nur ein Hardwaretreiber, bspw. doppelt ausgeführter LTC6820, für die Kommunikation notwendig ist und auch nur ein Prozessorchip verwendet wird. Durch diese Einsparung von Bauteilen können die Gesamtkosten weiter gesenkt werden.
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Aus der vorstehend beschriebenen Struktur ergeben sich nun u.a. folgende Merkmale und Vorteile:
- 1. Erfindungsgemäß wird nur eine Kontrollvorrichtung mit einem Steuergerät bereitgestellt, wobei als Steuergerät ein einziger ISO26262-ASIL D-konform ausgebildeter und sonst beliebig gearteter Mikroprozessor vorgesehen ist. Dieser Mikroprozessor übernimmt sowohl die Steuerung und Überwachung der Brennstoffzellen, als auch die der Batteriezellen. Zudem übernimmt der Mikroprozessor die Steuerung und Regelung aller betriebsrelevanter Sensorik und Aktuatorik beider Systeme.
- 2. Messchips der Brennstoffzellen, sog. Battery Management Integrated Circuits bzw. BMSIC, und Messchips der Batteriezellen sind Teilnehmer und Bestandteile eines gleichen proprietären Kommunikationskreises. Vorteilhafterweise wird für beide Zelltypen der gleiche Messchiptyp verwendet.
- 3. Hochvoltschalter und Hochvoltsensorik sowie deren i.d.R. galvanisch isoliert von der Niedervoltebene aus wirkenden Hardwaretreiber müssen gemäß vorliegender Erfindung im Gegensatz zu bekannten Systemen nicht in zweifacher Ausführung vorhanden sein, sondern können kombiniert werden. Auf der Hochvolt-Seite wird damit ein Flächenbedarf gesenkt, der für Luft- und Kriechstrecken benötigt wird.
- 4. Optional können Spannungen und Temperaturwerte der Brennstoffzellen-Stacks und der elementaren Batteriemodule vor oder in einer Master-Elektronikeinheit gefiltert werden, bevor sie an das eigentliche Steuergerät weitergeleitet werden. So werden alle Brennstoffzellen und Batteriezellen überwacht und die Datenrate wird deutlich reduziert.
- 5. Optional können in dem einen Steuergerät mehrere Mikrocontroller in einer Master-Slave Architektur vernetzt werden.
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Die Erfindung ermöglicht zusammenfassend eine Steuerung und Überwachung eines Brennstoffzellen-Batteriezellen Hybridsystems für eine mobile Anwendungen mit nur einem Steuergerät. Wesentliche Vorteil liegt neben einer Nutzung von am Markt frei vorhandener Hardware in der Integration aller Mess-Chips der beiden unterschiedlichen Systeme in ein einheitliches proprietäres Kommunikationssystem. Da beide Technologien so von nur einem Steuergerät überwacht werden, kann auf einen weiteren übergeordneten Master verzichtet werden, der aktives Netzwerkmanagement betreibt. Zudem ist es möglich die Software so zu gestalten, dass sicherheitskritische Zustände schon bei der Konfiguration der Flashdateien vermieden werden. Ferner wird eine Anzahl softwaretragender Komponenten so weit als möglich reduziert und eine Anzahl von Slaves erhöht. Die Entwicklung sowie eine nachfolgende Administrierung sowie Pflege wird durch die nur eine proprietäre Software gegenüber der bisherigen Vielfalt proprietärer Softwarelösungen in einer Steuerung erleichtert.
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Bezugszeichenliste
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- HV
- Hochspannungsseite
- LV
- Niederspannungsseite
- m
- Anzahl der Stacks der Brennstoffzelle 6
- n
- Anzahl von Batterie-Modulen der Hochvoltbatterie 3
- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Elektromotor
- 3
- Hochvoltbatterie
- 4
- Regelkreis des E-Antriebs
- 5
- Wasserstofftank
- 6
- Brennstoffzelle
- 7
- Regelkreis der Brennstoffzelle 6
- 8
- übergeordneter Controller
- 9
- Vorgabewerte eines Fahrers
- 10
- Kontrollvorrichtung
- 11
- Hochvoltschalter
- 12
- Hochvoltschalter
- 13
- Hochvoltschalter
- 14
- Hochspannungs-Leitungen
- 15
- Signalleitung
- 16
- Mikrocontroller µC / Master
- 17
- Ringbus
- 18
- Slave
- 19
- Kommunikationstreiber
