DE102021117553A1

DE102021117553A1 - Battery management system in a high-voltage battery

Info

Publication number: DE102021117553A1
Application number: DE102021117553.4A
Authority: DE
Inventors: Lars Weller; Yannick Schwarz
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2023-01-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem in einer Hochvolt-Batterie, wie sie u.a. in einem Elektro-Fahrzeug eingesetzt wird.Um ein verbessertes Batteriemanagementsystem in einer Hochvolt-Batterie zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass das Batteriemanagementsystem (BMS) um einen Gleichstrom-Pufferspeicher (7) erweitert ist.The present invention relates to a battery management system in a high-voltage battery, such as is used in an electric vehicle, among other things. 7) is expanded.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem in einer Hochvolt-Batterie, wie sie u.a. in einem Elektro-Fahrzeug eingesetzt wird.The present invention relates to a battery management system in a high-voltage battery, such as is used in an electric vehicle, among other things.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, jede Hochvolt-Batterie mit einem Batteriemanagementsystem, kurz BMS, zur permanenten Überwachung von Strömen, Spannungen und Temperaturen innerhalb von Modulen der zugehörigen Hochvolt-Batterie versehen ist. Normalerweise werden relevante Informationen zu einer Hochvolt-Batterie, wie der aktuelle Batteriezustand, auch SOC genannt, bei einem Herunterfahren des Batteriemanagementsystems als Master-Steuergerät für die Hochvolt-Batterie in einem Speicher abgelegt, damit sie beim nächsten Startvorgang wieder aus diesem Speicher ausgelesen werden können. Die gespeicherten Daten dienen somit als Startwerte für eine Fortschreibung.It is known from the prior art that each high-voltage battery is provided with a battery management system, BMS for short, for the permanent monitoring of currents, voltages and temperatures within modules of the associated high-voltage battery. Normally, when the battery management system shuts down, relevant information about a high-voltage battery, such as the current battery status, also known as SOC, is stored in a memory as the master control unit for the high-voltage battery, so that it can be read from this memory again the next time the vehicle is started . The stored data thus serve as starting values for an update.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein verbessertes Batteriemanagementsystem in einer Hochvolt-Batterie zu schaffen.The object of the present invention is to create an improved battery management system in a high-voltage battery.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Batteriemanagementsystem um ein Steuergerät mit einen Gleichstrom-Pufferspeicher erweitert ist.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1 in that the battery management system is expanded to include a control unit with a direct current buffer store.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in dem Fall, dass es zu einem Hard-Reset kommt bei dem die Batterie ihre 12 V Spannungsversorgung verliert, das BMS nicht mehr genügend Zeit hat, um den aktuellen SOC u.ä. relevante Daten abzuspeichern. Nach dem aktuellen Stand der Technik kann ein Ausfall der 12 V Spannungsversorgung bis zu 3 ms vor dessen Verlust detektiert werden. Allerdings reicht diese Zeitspanne nicht mehr aus, um auch die für die HV-Batterie notwendigen Informationen zum SOC z.B. in einem EEPROM oder einem ähnlichen nicht-flüchtigen Datenspeicher vollständig ablegen zu können. Um stets genügend Zeit für das Abspeichern der Daten bei einem plötzlichen Verlust der 12 V Spannungsversorgung zur Verfügung zu haben, ist erfindungsgemäß nun ein Steuergerät mit einen Gleichstrom-Pufferspeicher als Erweiterung des Batteriemanagementsystems vorgesehen.The present invention is based on the knowledge that in the event that a hard reset occurs in which the battery loses its 12 V voltage supply, the BMS no longer has enough time to update the current SOC and the like. save relevant data. According to the current state of the art, a failure of the 12 V power supply can be detected up to 3 ms before it is lost. However, this period of time is no longer sufficient to be able to completely store the information on the SOC required for the HV battery, e.g. in an EEPROM or a similar non-volatile data memory. In order to always have enough time available for storing the data in the event of a sudden loss of the 12 V power supply, a control device with a direct current buffer memory is now provided according to the invention as an extension of the battery management system.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach ist ein vorzusehender und mit dem Steuergerät gekoppelter Gleichstrom-Pufferspeicher so zu dimensionieren, dass dem Batteriemanagementsystem beim Verlust der 12 V-Spannungsversorgung zum Abspeichern wichtiger Daten mindestens ca. 10 ms an Zeit zur Verfügung stellt.Advantageous developments are the subject of the dependent claims. Accordingly, a direct current buffer memory to be provided and coupled with the control unit must be dimensioned in such a way that the battery management system has at least approx. 10 ms of time available for saving important data in the event of a loss of the 12 V voltage supply.

Vorteilhafterweise ist auf dem Steuergerät ein Kondensator integriert, der als Gleichstrom-Pufferspeicher dient, um genügend Zeit für das Abspeichern der Daten beim Verlust der 12 V Spannungsversorgung zur Verfügung zu haben.Advantageously, a capacitor is integrated on the control unit, which serves as a direct current buffer store in order to have enough time available for storing the data if the 12 V power supply is lost.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Steuergerät um eine Überwachung der 12 V-Spannungsversorgung ergänzt. Wenn diese den Ausfall der 12 V-Spannungsversorgung detektiert kommt der Kondensator zum Einsatz, um die Spannungsversorgung des Batteriemanagementsystems für bis zu 50 ms sicherzustellen.In a development of the invention, the control unit is supplemented by monitoring of the 12 V power supply. If this detects the failure of the 12 V power supply, the capacitor is used to ensure the power supply of the battery management system for up to 50 ms.

Ferner ist das Steuergerät dazu ausgebildet, im Zuge der Überwachung der 12 V-Spannungsversorgung bei dessen Verlust einen Befehl auszusenden, damit die relevanten Daten wie z.B. der aktuelle SOC gespeichert werden. In einer Ausführungsform der Erfindung werden diese Daten in ein EEPROM als nicht-flüchtigem Speicher geschrieben.Furthermore, the control unit is designed to send out a command in the course of monitoring the 12 V voltage supply if it is lost, so that the relevant data, such as the current SOC, are saved. In one embodiment of the invention, this data is written to an EEPROM as non-volatile memory.

In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist der Gleichstrom-Pufferspeicher des Batteriemanagementsystems dadurch gegen einen externen Kurzschluss oder ähnlichen Fehler des Bordnetzes auf Niederspannungsebene gesichert, dass in dem Zweig des Gleichstrom-Pufferspeichers eine Diode angeordnet ist, so dass eine Kurzschluss-Entladung auch des Gleichstrom-Pufferspeichers verhindert wird. Eine derart ausgebildete Vorrichtung wäre nicht nur gegen eine Unterbrechung der Niederspannungsversorgung in Form eines Leerlaufs, sondern auch gegen einen Kurzschluss soweit abgesichert, dass der vorstehend beschriebene technische Effekt einer zuverlässigen Datensicherung in zwei extremen Störungszuständen realisierbar ist.In a significant development of the invention, the DC buffer store of the battery management system is protected against an external short circuit or similar fault in the vehicle electrical system at the low-voltage level in that a diode is arranged in the branch of the DC buffer store, so that a short-circuit discharge of the DC Buffer memory is prevented. A device designed in this way would not only be protected against an interruption of the low-voltage supply in the form of an open circuit, but also against a short circuit to such an extent that the technical effect of reliable data backup described above can be achieved in two extreme fault states.

Vorteilhafterweise bildet die Diode in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen RC-Kreis. Damit weist der Gleichstrom-Pufferspeicher eine definierte Entladekurve auf, die über die Größen R und C einstellbar ist. Damit ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung neben einer Datensicherung sogar sichergestellt, dass in einem der genannten Fehlerfälle durch das Batteriemanagementsystem auch noch eine Warnung oder sonstige Information an den Fahrer abgesetzt wird, insbesondere um eine Überführung des Fahrzeugs in einen gesicherten Zustand oder eine sichere Position zu ermöglichen.Advantageously, in one embodiment of the invention, the diode forms an RC circuit. The direct current buffer store thus has a defined discharge curve that can be set using the R and C variables. In a further embodiment of the invention, in addition to data backup, it is even ensured that in one of the error cases mentioned, the battery management system will also send a warning or other information to the driver, in particular to transfer the vehicle to a safe state or a safe position to allow.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

1: ein Flussdiagramm eines Elektro-Fahrzeugs mit einer Erweiterung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und
2: ein Flussdiagramm eines Elektro-Fahrzeugs nach dem Stand der Technik in einer Darstellung gemäß 1.

Further features and advantages of embodiments according to the invention are explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment using the drawing. It shows in a schematic representation:

1 : a flowchart of an electric vehicle with an extension according to an embodiment of the invention and
2 FIG. 1: a flowchart of an electric vehicle according to the prior art in an illustration according to FIG 1 .

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 unter Verwendung für Batteriemodule für elektrisch angetriebenen Straßen-Fahrzeugs dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf Mischformen, wie z.B. Hybrid-Fahrzeuge, wie auch auf elektrisch angetriebene Flugzeuge oder Schiffe, andererseits auch auf stationäre Einsätze zur Stromversorgung möglich ist.The same reference symbols are always used for the same elements or method steps throughout the various figures. Without restricting the invention, only one application of exemplary embodiments of the invention using battery modules for electrically powered road vehicles is shown and described below. However, it is obvious to the person skilled in the art that an adaptation to mixed forms, such as hybrid vehicles, as well as to electrically powered aircraft or ships, and on the other hand to stationary applications for power supply is also possible in the same way.

2 stellt ein Flussdiagramm eines aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten Elektro-Fahrzeugs 1 dar. Darin bildet eine Hochvolt-Batterie 2 mit einem Batterie-Management-System BMS und einer dem übergeordneten Fahrzeugsteuerung VCU den Kern für eine geregelte Versorgung eines Elektromotors 3 mit elektrischer Energie durch ein hier vereinfacht dargestelltes HV-Traktionsnetz 4 zum Antrieb des Fahrzeugs 1. Bei Nutz-Bremsung kann elektrische Energie über den dann als Generator betriebenen Elektromotor 3 auch der Hochvolt-Batterie 2 zurückgegeben werden. 2 shows a flowchart of an electric vehicle 1 that is fundamentally known from the prior art. In it, a high-voltage battery 2 with a battery management system BMS and a higher-level vehicle controller VCU forms the core for a regulated supply of an electric motor 3 with electrical energy by a HV traction network 4, shown here in simplified form, for driving the vehicle 1. During regenerative braking, electrical energy can also be returned to the high-voltage battery 2 via the electric motor 3, which is then operated as a generator.

In jedem Fall wird die Hochvolt-Batterie 2 durch das Batterie-Management-System BMS als Bestandteil eines 12 V-Niederspannungsnetzwerks 5 permanent überwacht. Messwerte zu Temperatur, Spannung und Strom, aus denen ein aktueller Batterie-Ladezustand SOC, ein Innenwiderstand und daraus ein Gesamtzustand der Hochvolt-Batterie 2 als sog. SOH ermittelt wird, werden im Batterie-Management-System BMS berechnet. Bei jedem Herunterfahren des Batteriemanagementsystems BMS als Master-Steuergerät für die Hochvolt-Batterie 2 werden diese Werte in einem Festspeicher 6 abgespeichert, damit sie beim nächsten Startvorgang wieder aus dem Festspeicher 6 als fortzuschreibende Startwerte ausgelesen werden können.In any case, the high-voltage battery 2 is permanently monitored by the battery management system BMS as part of a 12 V low-voltage network 5 . Measured values for temperature, voltage and current, from which a current battery state of charge SOC, an internal resistance and from this an overall state of the high-voltage battery 2 as the so-called SOH is determined, are calculated in the battery management system BMS. Each time the battery management system BMS as the master control unit for the high-voltage battery 2 is shut down, these values are stored in a permanent memory 6 so that they can be read out from the permanent memory 6 as starting values to be updated the next time the vehicle is started.

Wenn es jedoch zu einem sog. Hard-Reset kommt, bei dem die Hochvolt-Batterie 2 ihre 12 V-Spannungsversorgung verliert, hat das BMS nicht mehr ausreichend Zeit, um die Werte des aktuellen SOC u.ä. relevante Daten in dem Festspeicher 6 abzuspeichern. Dann muss bei einem Neustart der Systems mit nicht mehr aktuellen Werten aus dem Festspeicher 6 weitergearbeitet werden, wie z.B. mit Werten einer vorangehenden regulären Systemabschaltung. Das kann zu großen Ungenauigkeiten in der Überwachung der Zustände der Hochvolt-Batterie 2 bis hin zu fatalen Fehlern im weiteren Betrieb führen.However, if a so-called hard reset occurs, in which the high-voltage battery 2 loses its 12 V voltage supply, the BMS no longer has sufficient time to update the values of the current SOC and the like. to store relevant data in the read-only memory 6. When the system is restarted, it is then necessary to continue working with values from the non-volatile memory 6 that are no longer up-to-date, e.g. with values from a previous regular system shutdown. This can lead to major inaccuracies in the monitoring of the states of the high-voltage battery 2 and even to fatal errors during further operation.

An dieser Stelle setzt die vorliegende Erfindung an, deren Ziel es ist, einen derartigen Datenverlust sicher zu verhindern, um damit eine unterbrechungsfreie Fortschreibung einer Historie der Hochvolt-Batterie 2 stets sicherstellen zu können. Dazu ist das Batteriemanagementsystem BMS um einen Gleichstrom-Pufferspeicher 7 mit einem Steuergerät 8 erweitert.This is where the present invention comes in, the aim of which is to reliably prevent such a loss of data in order to be able to always ensure an uninterrupted update of a history of the high-voltage battery 2 . For this purpose, the battery management system BMS is expanded to include a direct current buffer store 7 with a control device 8 .

In einem konkreten Ablauf detektiert die Logik des Steuergeräts 8 einen Zusammenbruch der 12V-Versorgungsspannung und schaltet damit eine Notversorgung des Batteriemanagementsystems BMS ein, um dabei direkt auch einen Befehl zur sofortigen Speicherung aller relevanten Daten in dem Festspeicher 6 auszugeben.In a specific sequence, the logic of the control device 8 detects a collapse of the 12V supply voltage and thus switches on an emergency supply of the battery management system BMS in order to directly issue a command for the immediate storage of all relevant data in the permanent memory 6.

Die Überwachung der 12V Spannungsversorgung ist in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Steuergerät 8 in Kombination mit einem Kondensator als Gleichstrom-Pufferspeicher 7 auf einer Platine des Steuergeräts 8 vorgesehen.In this exemplary embodiment, the monitoring of the 12V voltage supply is provided on the control unit 8 in combination with a capacitor as a direct current buffer store 7 on a circuit board of the control unit 8 .

Im vorliegenden Beispielfall ist der Gleichstrom-Pufferspeicher 7 zudem als Superkondensator bzw. Supercap ausgeführt. Diese Art von Kondensatoren zeichnet sich gegenüber bekannten Elektrolyt-Kondensatoren durch eine deutlich höhere Energiedichte bei mittel-schneller Selbstentladung sowie einer technischen Lebensdauer aus, die über der von elektrischen Speicherzeilen liegt. Auf kleinem Bauraum schnell aufgeladen ermöglicht ein Supercap auch im Fall eines Ausfalls der Versorgungsspannung eine Aufrechterhaltung des 12 V-Niveaus an dem BMS über mehr als 50 ms hinaus. Damit ist hier dann ausreichend Zeit gegeben, um die Werte des aktuellen SOC u.ä. relevante Daten in dem Festspeicher 6 abzuspeichern.In the present example, the DC buffer store 7 is also designed as a supercapacitor or supercap. Compared to known electrolytic capacitors, this type of capacitor is characterized by a significantly higher energy density with medium-fast self-discharge and a technical service life that is longer than that of electrical storage cells. Charged quickly in a small space, a supercap enables the 12 V level to be maintained at the BMS for more than 50 ms even in the event of a supply voltage failure. This gives you enough time to check the values of the current SOC and the like. to store relevant data in the read-only memory 6.

Die Erweiterung des Batteriemanagementsystems BMS um ein Steuergerät 8 mit einen Gleichstrom-Pufferspeicher 7 ist eine sehr vorteilhafte Sicherheitsmaßnahme, die auch nach einem TotalAusfall bzw. Total-Reset eine korrekte Fortschreibung wichtiger Parameter einer Hochvolt-Batterie ermöglicht.The extension of the battery management system BMS to include a control unit 8 with a direct current buffer store 7 is a very advantageous safety measure that enables important parameters of a high-voltage battery to be correctly updated even after a total failure or total reset.

Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen sichern das Batteriemanagementsystem bzw. eine sichere Speicherung wichtiger Daten im Fall einer Unterbrechung der Niederspannungs-Versorgung des Batteriemanagementsystems BMS ab, also bei einem Leerlauf. In einem zeichnerisch nicht im Detail dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Zweig des hier als Kondensator ausgebildeten Gleichstrom-Pufferspeichers 7 eine Diode angeordnet. Durch den Verbau einer Diode vor den Kondensator wird auch die Datenspeicherung in einem externen Kurzschlussfall des Bordnetzes abgedeckt, da die Diode verhindert, dass der Kondensator 7 den externen Kurzschluss auf LV-Ebene speist. Durch die Diode wird also sichergestellt, dass das Batteriemanagementsystem BMS weiterhin ausreichend mit Niederspannung versorgt wird. Ein definierter Widerstand im Kondensatorpfad definiert eine RC-Entladekurve mit einer Zeitkonstanten. Diese Zeitkonstante des RC-Kreises ist so einstellbar, dass in einem Fehlerfall zusätzlich eine Warnung und/oder eine sonstige Information an den Fahrer abgesetzt wird.The measures described above secure the battery management system and secure storage of important data in the event of an interruption in the low-voltage supply of the battery management system BMS, ie in the event of idling. In an exemplary embodiment that is not shown in detail in the drawing, a diode is arranged in the branch of the direct-current buffer memory 7, which is designed here as a capacitor. By installing a diode in front of the capacitor, data storage is also covered in the event of an external short circuit in the vehicle electrical system, since the diode prevents the capacitor 7 from charging the external feeds a short-circuit at the LV level. The diode ensures that the battery management system BMS continues to be sufficiently supplied with low voltage. A defined resistance in the capacitor path defines an RC discharge curve with a time constant. This time constant of the RC circuit can be set in such a way that, in the event of an error, a warning and/or other information is also sent to the driver.

Bezugszeichenlistereference list

11: Elektro-Fahrzeugelectric vehicle
22: Hochvolt-Batteriehigh-voltage battery
33: Elektromotorelectric motor
44: HV-TraktionsnetzHV traction network
55: 12 V-Niederspannungsnetzwerks12 V low voltage network
66: Festspeicherpermanent storage
77: Gleichstrom-PufferspeicherDC buffer storage
88th: Überwachung der 12 V-Versorgungsspannung / Steuergerät Monitoring of the 12 V supply voltage / control unit
BMSBMS: Batterie-Management-Systembattery management system
VCUVCU: zentrale Fahrzeugsteuerungcentral vehicle control

Claims

Battery management system (BMS) in a high-voltage battery (2), characterized in that the battery management system (BMS) is expanded to include a control unit (8) with a direct-current buffer store (7).

Charging device according to the preceding claim, characterized in that the DC buffer memory (6) is dimensioned in such a way that it provides the battery management system (BMS) with a loss of its 12 V voltage supply at least approx. 10 ms of time for storing important data.

Charging device according to the preceding claim, characterized in that a capacitor which serves as a direct current buffer storage (6) is integrated on the control device (87).

Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that the battery management system (BMS) is supplemented as a control unit (87) with monitoring of the 12 V voltage supply

Charging device according to the preceding claim, characterized in that the monitoring of the control unit (87) is designed to send out a command so that the relevant data, such as the current SOC, are stored.

Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that the direct current buffer store (6) is designed as a supercapacitor or supercap.

Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that a diode is arranged in the branch of the direct current buffer store.

Charging device according to the preceding claim, characterized in that the diode forms an RC circuit.

Charging device according to the preceding claim, characterized in that a time constant of the RC circuit is set in such a way that a warning or other information is sent to the driver in the event of a fault.