DE102021127840A1 - Battery system for safety-related systems - Google Patents

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Fabian Schipperges
Simon Kugler
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Dr Ing HCF Porsche AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators

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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein sicherheitsrelevantes System eines Fahrzeuges vorgeschlagen, wobei das sicherheitsrelevante System (101) mindestens einen Verbraucher umfasst und über das Batteriesystem (110) mit einem Bordnetz, welches eine Stromversorgung aufweist, verbunden ist. Das Batteriesystem umfasst eine Batteriemanagementeinheit (115), eine Energiespeichereinheit (111) mit einer Schmelzsicherung (112), einen ersten Anschluss (102), einen zweiten Anschluss (103), einen ersten MOSFET-Schalter (113) und einen zweiten MOSFET-Schalter (114). Der erste MOSFET-Schalter ist mit dem ersten Anschluss verbunden und der zweite MOSFET-Schalter ist mit dem zweiten Anschluss verbunden. Der erste MOSFET-Schalter und der zweite MOSFET-Schalter weisen eine gemeinsame Verbindung auf, welche mit dem Pluspol der Energiespeichereinheit verbunden ist. Die Batteriemanagementeinheit ist dazu konfiguriert, durch Steuerung des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters ein Sicherheitsmanagement für das sicherheitsrelevante System und die Energiespeichereinheit auszuführen, wobei das Sicherheitsmanagement mindestens einen der Schritte „Öffnen des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines Fehlers im Bordnetz“ und „Öffnen des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines unzulässigen Batteriezustands“ umfasst. Zusätzlich wird ein Energiebordnetz beansprucht, welches das Batteriesystem aufweist.The invention relates to a battery system for a safety-related system of a vehicle, the safety-related system (101) comprising at least one consumer and being connected via the battery system (110) to an on-board network which has a power supply. The battery system includes a battery management unit (115), an energy storage unit (111) with a fuse (112), a first terminal (102), a second terminal (103), a first MOSFET switch (113) and a second MOSFET switch ( 114). The first MOSFET switch is connected to the first terminal and the second MOSFET switch is connected to the second terminal. The first MOSFET switch and the second MOSFET switch have a common connection that is connected to the positive pole of the energy storage device. The battery management unit is configured to carry out safety management for the safety-related system and the energy storage unit by controlling the first MOSFET switch and the second MOSFET switch, with the safety management at least one of the steps “opening the second MOSFET switch when an error occurs in the vehicle electrical system ' and 'Opening the first MOSFET switch and the second MOSFET switch upon the occurrence of an unacceptable battery condition'. In addition, an on-board power supply system is required, which has the battery system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem für sicherheitsrelevante Systeme, welches dazu ausgelegt ist, im Fehlerfall eines Energiebordnetzes sicherheitsrelevante Systeme eines Fahrzeuges für eine Überbrückungszeit weiter zu betreiben.The present invention relates to a battery system for safety-relevant systems, which is designed to continue to operate safety-relevant systems of a vehicle for a bridging time in the event of a fault in an on-board energy supply system.

Zukünftige Fahrerassistenzsysteme, abgekürzt als FAS, oder ein hochautomatisiertes Fahren, abgekürzt als HAF, setzen eine sichere und verlässliche Stromversorgung von sicherheitsrelevanten Steuergeräten voraus. Dies macht ein Vorsehen von redundanten und fehlertoleranten Architekturen notwendig und schafft einen Bedarf für darauf ausgerichtete Steuergeräte, bspw. zur Stromverteilung in Energienetzen. Die Entwicklung betrifft multiple und unabhängige Batterien bzw. Energiequellen, smarte und fehlertolerante Stromverteilungskonzepte, vielfältige Absicherungen, Sicherheitsschalter und elektrische Sicherungen, und modulare Bauweisen, um entsprechend angepasste Fahrzeuge mit den Sicherungsmaßnahmen auszustatten. Darüber hinaus sind auch erweiterte Diagnostiken notwendig, um die vorgenannten Steuergeräte gemäß des automotiven Sicherheits-Integritäts-Levels, als ASIL abgekürzt, bzw. der Norm ISO WD 26262 bewerten und zertifizieren zu können.Future driver assistance systems, abbreviated as ADAS, or highly automated driving, abbreviated as HAF, require a safe and reliable power supply for safety-related control units. This necessitates the provision of redundant and fault-tolerant architectures and creates a need for control devices designed for this purpose, for example for power distribution in energy networks. The development relates to multiple and independent batteries or energy sources, smart and fault-tolerant power distribution concepts, diverse fuses, safety switches and electrical fuses, and modular designs to equip appropriately adapted vehicles with the security measures. In addition, extended diagnostics are also necessary in order to be able to evaluate and certify the aforementioned control units according to the automotive safety integrity level, abbreviated as ASIL, or the ISO WD 26262 standard.

Ein fehlertolerantes Batteriespeichersystem wird von der Druckschrift DE 10 2018 100 746 A1 vorgestellt, welches zwei Energiespeichereinheiten aufweist. Die beiden Energiespeichereinheiten können entweder gemeinsam oder mittels einer Quertrenn-Schaltvorrichtung einzeln ohne die jeweilig andere mit einem Bordnetz verbunden werden.A fault tolerant battery storage system is disclosed by reference DE 10 2018 100 746 A1 presented, which has two energy storage units. The two energy storage units can be connected to a vehicle electrical system either together or individually without the respective other using a cross-disconnect switching device.

Die Druckschrift DE 10 2017 104 958 A1 stellt ein Batteriespeichersystem zur elektrischen Versorgung wenigstens einer Fahrzeugfunktion vor, die redundant über zwei Versorgungszweige mit dem Batteriespeichersystem verbunden ist. Da die beiden Versorgungszweige schaltungstechnisch getrennt werden können, kann im Falle eines Fehlers in einem der beiden Versorgungszweige der jeweils andere einen weiteren Betrieb gewährleisten.The pamphlet DE 10 2017 104 958 A1 presents a battery storage system for the electrical supply of at least one vehicle function, which is redundantly connected to the battery storage system via two supply branches. Since the two supply branches can be separated in terms of circuitry, in the event of a fault in one of the two supply branches, the other can ensure continued operation.

Bei einer fehlertoleranten Auslegung des Batteriespeichersystems ist zu beachten, dass die Energiespeichereinheiten selbst einen Schutz benötigen, um sie vor Kurzschlüssen im Bordnetz zu bewahren. Insbesondere moderne Lithium-Ionen-Batterien, bspw. LiFePO4, sind mit einer zusätzlichen Abschaltvorrichtung versehen, um bspw. bei Überlastung oder Überhitzung eine Abschaltung der Energiespeichereinheiten gezielt durchführen zu können. Traditionelle Techniken, wie sie bspw. Schütze darstellen, erweisen sich dabei durch ihr Gewicht und ihren Platzbedarf bei redundantem Vorsehen mehrerer Zweige von Energiespeichereinheiten als nachteilig.When designing the battery storage system to be fault-tolerant, it should be noted that the energy storage units themselves require protection to protect them from short circuits in the vehicle electrical system. In particular, modern lithium-ion batteries, for example LiFePO 4 , are provided with an additional switch-off device in order to be able to switch off the energy storage units in a targeted manner, for example in the event of overloading or overheating. Traditional techniques, such as those used by contactors, have proven to be disadvantageous due to their weight and the space they require when a plurality of branches of energy storage units are provided redundantly.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem für sicherheitsrelevante Systeme vorzuschlagen, welches dazu ausgelegt ist, im Fehlerfall eines Energiebordnetzes sicherheitsrelevante Systeme eines Fahrzeuges weiter zu betreiben. Dabei soll es platz- und gewichtssparend ausgelegt sein. Ferner soll ein Energiebordnetz beansprucht werden, welches ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.Against this background, it is an object of the present invention to propose a battery system for safety-relevant systems, which is designed to continue to operate safety-relevant systems of a vehicle in the event of a fault in an on-board energy supply system. It should be designed to save space and weight. Furthermore, an on-board electrical system is to be claimed which includes a battery system according to the invention.

Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Batteriesystem für ein sicherheitsrelevantes System eines Fahrzeuges vorgeschlagen, wobei das sicherheitsrelevante System mindestens einen Verbraucher umfasst und über das Batteriesystem mit einem Bordnetz, welches eine Stromversorgung aufweist, verbunden ist. Das Batteriesystem umfasst eine Batteriemanagementeinheit, eine Energiespeichereinheit mit einer Schmelzsicherung, einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, und seriell miteinander verbunden einen ersten MOSFET-Schalter und einen zweiten MOSFET-Schalter. Der erste MOSFET-Schalter ist mit dem ersten Anschluss verbunden und der zweite MOSFET-Schalter ist mit dem zweiten Anschluss verbunden. Die Verbindung zwischen erstem MOSFET-Schalter und zweitem MOSFET-Schalter ist mit dem Pluspol der Energiespeichereinheit verbunden. Die Batteriemanagementeinheit ist dazu konfiguriert, durch Steuerung des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters ein Sicherheitsmanagement für das sicherheitsrelevante System und die Energiespeichereinheit auszuführen, wobei das Sicherheitsmanagement mindestens einen der Schritte „Öffnen des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines Fehlers im Bordnetz“ und „Öffnen des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines unzulässigen Batteriezustands“ umfasst.A battery system for a safety-relevant system of a vehicle is proposed to solve the above-mentioned task, the safety-relevant system comprising at least one consumer and being connected via the battery system to an on-board network which has a power supply. The battery system includes a battery management unit, an energy storage unit with a fuse, a first terminal, a second terminal, and serially connected to each other a first MOSFET switch and a second MOSFET switch. The first MOSFET switch is connected to the first terminal and the second MOSFET switch is connected to the second terminal. The connection between the first MOSFET switch and the second MOSFET switch is connected to the positive pole of the energy storage unit. The battery management unit is configured to carry out safety management for the safety-related system and the energy storage unit by controlling the first MOSFET switch and the second MOSFET switch, with the safety management at least one of the steps “opening the second MOSFET switch when an error occurs in the vehicle electrical system ' and 'Opening the first MOSFET switch and the second MOSFET switch upon the occurrence of an unacceptable battery condition'.

Der Batteriezustand betrifft den Zustand der Energiespeichereinheit des Batteriesystems. Der mindestens eine Verbraucher des sicherheitsrelevanten Systems ist bspw. durch ein FAS oder HAF zur automatisierten Längs- und Querführung des Fahrzeugs gebildet.The battery condition relates to the condition of the energy storage unit of the battery system. The at least one consumer of the safety-relevant system is formed, for example, by an ADAS or HAF for automated longitudinal and lateral guidance of the vehicle.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Batteriesystems wird ein eigener Energiebordnetzzweig, der auch redundant ausgelegt sein kann, realisiert. In einer zeitlich begrenzten Notlaufsituation wird somit vorteilhaft eine singuläre und autarke Energieversorgung gewährleistet. Auf diese Weise werden auch in einem Fehlerfall sicherheitsrelevante Systeme versorgt, die bspw. für eine automatisierte Längs- und Querführung des Fahrzeugs notwendig sind.With the help of the battery system according to the invention, a separate on-board power supply branch, which can also be designed redundantly, is implemented. In an emergency operation situation that is limited in time, a singular and self-sufficient energy supply is thus advantageously ensured. In this way, safety-relevant systems that are necessary, for example, for automated longitudinal and lateral guidance of the vehicle, are also supplied in the event of a fault.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem realisiert durch die zweiseitige Beschaltung der Energiespeichereinheit einerseits eine Fehlerisolation zum restlichen Bordnetz, d. h. nur der dem restlichen Bordnetz zugewandte Schalter wird im Fehlerfall betätigt. Andererseits wird eine Freischaltung der Energiespeichereinheit ermöglicht, indem beide Schalter betätigt werden.The battery system according to the invention implements fault isolation from the rest of the vehicle electrical system by the two-sided wiring of the energy storage unit, ie only the switch facing the rest of the vehicle electrical system is actuated in the event of a fault. On the other hand, the energy storage unit can be activated by actuating both switches.

Der erste MOSFET-Schalter und der zweite MOSFET-Schalter sind bspw. über ihre jeweiligen Source-Anschlüsse miteinander verbunden, wobei dann der Drain-Anschluss des ersten MOSFET-Schalters mit dem ersten Anschluss des Batteriesystems und der Drain-Anschluss des zweiten MOSFET-Schalters mit dem zweiten Anschluss des Batteriesystems verbunden ist. Es ist aber auch möglich, dass die beiden MOSFET-Schalter über ihre jeweiligen Drain-Anschlüsse miteinander verbunden sind. In diesem Fall ist der Source-Anschluss des ersten MOSFET-Schalters mit dem ersten Anschluss des Batteriesystems und der Source-Anschluss des zweiten MOSFET-Schalters mit dem zweiten Anschluss des Batteriesystems verbunden.The first MOSFET switch and the second MOSFET switch are, for example, connected to one another via their respective sources, in which case the drain of the first MOSFET switch is connected to the first connection of the battery system and the drain of the second MOSFET switch is connected to the second connection of the battery system. However, it is also possible for the two MOSFET switches to be connected to one another via their respective drain connections. In this case, the source connection of the first MOSFET switch is connected to the first connection of the battery system and the source connection of the second MOSFET switch is connected to the second connection of the battery system.

In Anbetracht einer Fehlerisolation im Bordnetz, zum Beispiel bei einem Kurzschluss, um Unterspannung zu vermeiden, verfügen die erfingungsgemäß angeordneten MOSFETs über die notwendigen Reaktionszeiten und Schaltzeiten, um Schäden an anderen im Bordnetz angeordneten elektronischen Bauteilen zu vermeiden. Dieser wesentliche technologische Vorteil zeichnet die MOSFETs vorteilhaft gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten elektro-mechanischen Schützen aus.In view of fault isolation in the vehicle electrical system, for example in the event of a short circuit, to avoid undervoltage, the MOSFETs arranged according to the invention have the necessary reaction times and switching times to prevent damage to other electronic components arranged in the vehicle electrical system. This essential technological advantage distinguishes the MOSFETs from the electro-mechanical contactors known from the prior art.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem entspricht vorteilhaft den Anforderungen des automotiven Sicherheits-Integritäts-Levels (ASIL). Zudem ist es auch in Bordnetzen nicht automatisierter Fahrzeuge vorteilhaft einsetzbar, da es auch hier hohe ASIL-Anforderungen bspw. an eine elektronisch-unterstütze Lenkung oder an ein elektronisches Bremssystem gibt. Das erfindungsgemäße Batteriesystem trennt solche sicherheitsrelevanten Systeme im Fehlerfall mittels Seggregation („Freischalten“) vom fehlerbehafteten Bordnetz und hält somit vorteilhaft die Stromversorgung dieser sicherheitsrelevanten Systeme aufrecht.The battery system according to the invention advantageously meets the requirements of the automotive safety integrity level (ASIL). In addition, it can also be used to advantage in the on-board networks of non-automated vehicles, since there are also high ASIL requirements here, for example for electronically assisted steering or an electronic braking system. In the event of a fault, the battery system according to the invention separates such safety-relevant systems from the faulty vehicle electrical system by means of segregation (“disconnecting”) and thus advantageously maintains the power supply for these safety-relevant systems.

Die Stromversorgung des Bordnetzes stellt eine Hauptenergiespeichereinheit des Fahrzeuges dar. Es ist denkbar, dass einzelne Versorgungszweige zusätzliche Energiespeichereinheiten, die als Zwischenenergiespeichereinheiten ausgelegt sind, aufweisen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist dediziert als Notfallenergieversorgung sicherheitsrelevanter Systeme bei Ausfall aller anderen Energiespeichereinheiten oder Ausfall von elektrischen Verbindungen zu allen anderen Energiespeichereinheiten ausgelegt.The power supply of the vehicle electrical system represents a main energy storage unit of the vehicle. It is conceivable that individual supply branches have additional energy storage units that are designed as intermediate energy storage units. The battery system according to the invention is designed specifically as an emergency energy supply for safety-relevant systems in the event of failure of all other energy storage units or failure of electrical connections to all other energy storage units.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist das Batteriesystem zwischen der Energiespeichereinheit und der gemeinsamen Verbindung des ersten und zweiten MOSFET-Schalters zusätzlich einen dritten MOSFET-Schalter auf. Der dritte MOSFET-Schalter ist bidirektional ausgestaltet, d. h. zwei MOSFET-Schalter sind mit ihrem jeweiligen Source-Anschluss oder mit ihrem jeweiligen Drain-Anschluss miteinander verbunden. Die Batteriemanagementeinheit ist weiter dazu konfiguriert, den dritten MOSFET-Schalter zu steuern, wobei das Sicherheitsmanagement bei Auftreten des unzulässigen Batteriezustands alternativ zum Öffnen des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters wahlweise einen weiteren Schritt „Öffnen des dritten MOSFET-Schalters“ umfasst. Damit wird vorteilhaft bei Auftreten des unzulässigen Batteriezustands die Energiespeichereinheit geschützt und weiterhin eine Stromversorgung des sicherheitsrelevanten Systems über das Bordnetz aufrechterhalten.In one configuration of the battery system according to the invention, the battery system additionally has a third MOSFET switch between the energy storage unit and the common connection of the first and second MOSFET switch. The third MOSFET switch is bidirectional; H. two MOSFET switches are connected to each other with their respective source connection or with their respective drain connection. The battery management unit is further configured to control the third MOSFET switch, wherein the safety management when the impermissible battery state occurs alternatively to opening the first MOSFET switch and the second MOSFET switch optionally includes a further step “opening the third MOSFET switch”. . In this way, the energy storage unit is advantageously protected when the impermissible battery state occurs, and a power supply for the safety-relevant system is maintained via the vehicle electrical system.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems sind der erste MOSFET-Schalter vom Verarmungstyp und der zweite MOSFET-Schalter vom Anreicherungstyp. Der zweite MOSFET-Schalter ist damit ohne einer an seinem Gate anliegender Spannung „normal“ geöffnet und trennt damit vorteilhaft sicherheitshalber bei Ausfall einer Ansteuerung des Gates das Bordnetz ab. Der erste MOSFET-Schalter ist hingegen „normal“ geschlossen, und sorgt damit vorteilhaft bei Ausfall einer Ansteuerung seines Gates für eine Notfallstromversorgung des sicherheitsrelevanten Systems durch die Energiespeichereinheit des erfindungsgemäßen Batteriesystems.In a further embodiment of the battery system according to the invention, the first MOSFET switch is of the depletion type and the second MOSFET switch is of the enhancement type. The second MOSFET switch is thus open “normally” without a voltage present at its gate and thus advantageously disconnects the vehicle electrical system for safety reasons if a control of the gate fails. The first MOSFET switch, on the other hand, is “normally” closed and thus advantageously ensures an emergency power supply for the safety-relevant system by the energy storage unit of the battery system according to the invention if a control of its gate fails.

In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist die Energiespeichereinheit mit Lithium-Ionen-Zellen gebildet. Durch die MOSFET-Schalter des erfindungsgemäßen Batteriesystems wird vorteilhaft eine Schutzbeschaltung realisiert, die bei unzulässigen Batteriezuständen die Lithium-Ionen-Zellen freischaltet. Solche unzulässigen Zustände werden durch die Batteriemanagementeinheit festgestellt.In yet another embodiment of the battery system according to the invention, the energy storage unit is formed with lithium-ion cells. The MOSFET switch of the battery system according to the invention advantageously implements a protective circuit that disconnects the lithium-ion cells in the event of impermissible battery states. Such impermissible states are detected by the battery management unit.

In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist ein unzulässiger Batteriezustand der Energiespeichereinheit durch mindestens ein Kriterium gemäß folgender Liste gebildet: Überlastung, Überspannung, Unterspannung, überhöhte Batterietemperatur, Tiefentladung. Der jeweilige Batteriezustand wird von der Batteriemanagementeinheit des erfindungsgemäßen Batteriesystems überwacht. Dies umfasst natürlich auch zulässige Batteriezustände, wie bspw. einen Ladezustand mit anteiligen Werten, einer Batterietemperatur oder ein Lebensalter. Bei einem niedrigen Ladezustand kann die Batteriemanagementeinheit bspw. eine Aufladung der Energiespeichereinheit über das Bordnetz veranlassen. Durch das erfindungsgemäße Batteriesystem ist eine solche vorteilhaft die Sicherheit des sicherheitsrelevanten Systems gewährleistende Maßnahme auch in einem laufenden Betrieb, bspw. während einer Fahrt des Fahrzeugs oder einer Aufladung der Hauptenergiespeichereinheit an einer Ladesäule, durchführbar.In a continued further embodiment of the battery system according to the invention, an impermissible battery state of the energy storage unit is formed by at least one criterion according to the following list: overload, overvoltage, undervoltage, excessive battery temperature, deep discharge. The respective battery status is monitored by the battery management unit of the battery system according to the invention. Of course, this also includes permissible battery states, such as e.g. a state of charge with proportional values, a battery temperature or an age. When the state of charge is low, the battery management unit can, for example, cause the energy storage unit to be charged via the vehicle electrical system. With the battery system according to the invention, such an advantageous measure ensuring the safety of the safety-relevant system can also be carried out during ongoing operation, for example while the vehicle is being driven or the main energy storage unit is being charged at a charging station.

In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist zwischen der gemeinsamen Verbindung der MOSFET-Schalter und Masse eine Schottky-Diode geschaltet. Die Schottky-Diode verbessert die Funktion der MOSFET-Schalter, insbesondere unter Berücksichtigung eines Lawineneffektes, da vorteilhaft ein Freilaufpfad in dem MOSFET-Schalter befördert wird und die mit dem Lawineneffekt einhergehende Dissipationsenergie reduziert wird. Damit werden weiter vorteilhaft nicht primäre Spannungsspitzen geglättet. Eine Diagnostik zur erfindungsgemäß angeordneten Schottky-Diode misst bspw. eine Absenkung der Dissipationsenergie um 57% zu einer Anordnung ohne Schottky-Diode.In a still further refinement of the battery system according to the invention, a Schottky diode is connected between the common connection of the MOSFET switches and ground. The Schottky diode improves the function of the MOSFET switch, in particular when considering an avalanche effect, since a freewheeling path is advantageously promoted in the MOSFET switch and the dissipation energy associated with the avalanche effect is reduced. This further advantageously smoothes non-primary voltage peaks. Diagnostics for the Schottky diode arranged according to the invention measure, for example, a reduction in the dissipation energy by 57% compared to an arrangement without a Schottky diode.

In einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist zwischen den jeweiligen mit den Anschlüssen des Batteriesystems verbundenen Anschlüssen der MOSFET-Schalter und einer jeweiligen Masse eine jeweilige Supressor-Diode angeordnet. Gemeinsam mit der Schottky-Diode werden vorteilhaft die MOSFET-Schalter vor höheren Spannungsspitzen geschützt, indem die Dissipationsenergie weiter reduziert wird. So ergibt bspw. die Diagnostik zu einer Minimierung einer Clamping-Spannung, welche genau während des Schaltmoments auftritt, dass bei Reduzierung einer Höhe der Clamping-Spannung oder auch bei Reduzierung einer Zeitdauer des Schaltmoments entsprechend weniger Energie in die MOSFET-Schalter eingetragen wird.In an even further developed embodiment of the battery system according to the invention, a respective suppressor diode is arranged between the respective connections of the MOSFET switches connected to the connections of the battery system and a respective ground. Together with the Schottky diode, the MOSFET switches are advantageously protected from higher voltage peaks by further reducing the dissipation energy. For example, the diagnostics for minimizing a clamping voltage, which occurs precisely during the switching moment, shows that when the level of the clamping voltage is reduced or when the duration of the switching moment is reduced, correspondingly less energy is fed into the MOSFET switch.

Ferner wird ein Energiebordnetz eines Fahrzeugs beansprucht, welches ein Bordnetz, mindestens ein sicherheitsrelevantes System, und mindestens ein Batteriesystem umfasst. Das sicherheitsrelevante System umfasst mindestens einen Verbraucher und ist über das Batteriesystem mit einem Bordnetz, welches eine Stromversorgung aufweist, verbunden. Das Batteriesystem umfasst eine Batteriemanagementeinheit, eine Energiespeichereinheit mit einer Schmelzsicherung, einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, und seriell miteinander verbunden einen ersten MOSFET-Schalter und einen zweiten MOSFET-Schalter. Der erste MOSFET-Schalter ist mit dem ersten Anschluss verbunden und der zweite MOSFET-Schalter ist mit dem zweiten Anschluss verbunden. Die Verbindung zwischen erstem MOSFET-Schalter und zweitem MOSFET-Schalter ist mit dem Pluspol der Energiespeichereinheit verbunden. Die Batteriemanagementeinheit ist dazu konfiguriert, durch Steuerung des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters ein Sicherheitsmanagement für das sicherheitsrelevante System und die Energiespeichereinheit auszuführen, wobei das Sicherheitsmanagement mindestens einen der Schritte „Öffnen des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines Fehlers im Bordnetz“ und „Öffnen des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters bei Auftreten eines unzulässigen Batteriezustands“ umfasst.Furthermore, a power supply system of a vehicle is claimed, which includes a vehicle electrical system, at least one safety-related system, and at least one battery system. The safety-relevant system includes at least one consumer and is connected via the battery system to an on-board electrical system, which has a power supply. The battery system includes a battery management unit, an energy storage unit with a fuse, a first terminal, a second terminal, and serially connected to each other a first MOSFET switch and a second MOSFET switch. The first MOSFET switch is connected to the first terminal and the second MOSFET switch is connected to the second terminal. The connection between the first MOSFET switch and the second MOSFET switch is connected to the positive pole of the energy storage unit. The battery management unit is configured to carry out safety management for the safety-related system and the energy storage unit by controlling the first MOSFET switch and the second MOSFET switch, with the safety management at least one of the steps “opening the second MOSFET switch when an error occurs in the vehicle electrical system ' and 'Opening the first MOSFET switch and the second MOSFET switch upon the occurrence of an unacceptable battery condition'.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiebordnetzes weist das Batteriesystem zwischen der Energiespeichereinheit und der gemeinsamen Verbindung des ersten und zweiten MOSFET-Schalters zusätzlich einen dritten MOSFET-Schalter, welcher bidirektional ausgestaltet ist, auf. Die Batteriemanagementeinheit ist weiter dazu konfiguriert, den dritten MOSFET-Schalter zu steuern, wobei das Sicherheitsmanagement bei Auftreten des unzulässigen Batteriezustands alternativ zum Öffnen des ersten MOSFET-Schalters und des zweiten MOSFET-Schalters wahlweise einen weiteren Schritt „Öffnen des dritten MOSFET-Schalters“ umfasst.In one embodiment of the on-board energy supply system according to the invention, the battery system additionally has a third MOSFET switch, which is configured bidirectionally, between the energy storage unit and the common connection of the first and second MOSFET switches. The battery management unit is further configured to control the third MOSFET switch, wherein the safety management when the impermissible battery state occurs alternatively to opening the first MOSFET switch and the second MOSFET switch optionally includes a further step “opening the third MOSFET switch”. .

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiebordnetzes weist das mindestens eine sicherheitsrelevante System eine redundante Energieversorgung auf. Dies bedeutet, dass der im sicherheitsrelevanten System angeordnete Verbraucher noch über eine zusätzliche Verbindung mit dem Bordnetz oder zusätzlichen angeordneten Energiespeichereinheiten verfügt.In a further embodiment of the power supply system according to the invention, the at least one safety-relevant system has a redundant power supply. This means that the consumer arranged in the safety-relevant system still has an additional connection to the vehicle electrical system or additionally arranged energy storage units.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

  • 1 zeigt ein Schaltschema zu einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
  • 2 zeigt ein Schaltschema zu einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
  • 3 zeigt schematisch bidirektionale MOSFET-Schalter in noch weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
The figures are described in a coherent and comprehensive manner, and the same reference symbols are assigned to the same components.
  • 1 shows a circuit diagram for an embodiment of the battery system according to the invention.
  • 2 shows a circuit diagram for a further embodiment of the battery system according to the invention.
  • 3 shows schematically bidirectional MOSFET switches in still further configurations of the battery system according to the invention.

In 1 wird ein Schaltschema 100 zu einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 110 gezeigt. Das Batteriesystem weist eine Batteriemanagementeinheit 115, eine Energiespeichereinheit 111 mit einer Schmelzsicherung 112, einen ersten Anschluss 102, einen zweiten Anschluss 103, einen ersten MOSFET-Schalter 113 und einen zweiten MOSFET-Schalter 114 auf. An dem ersten Anschluss 102 ist ein sicherheitsrelevantes System 101 angeschlossen, welches bspw. für ein autonomes Fahrmanöver notwendig ist. In 1 a circuit diagram 100 for an embodiment of the battery system 110 according to the invention is shown. The battery system has a battery management unit 115, an energy storage unit 111 with a safety fuse 112, a first connection 102, a second connection 103, a first MOSFET switch 113 and a second MOSFET switch 114. A safety-relevant system 101, which is necessary for an autonomous driving maneuver, for example, is connected to the first connection 102.

An dem zweiten Anschluss 103 ist das Batteriesystem 110 mit einem restlichen Bordnetz verbunden.The battery system 110 is connected to the rest of the vehicle electrical system at the second connection 103 .

In 2 wird ein Schaltschema 200 zu einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 110 gezeigt. Zwischen der Energiespeichereinheit 111 und der Schmelzsicherung 112 ist zusätzlich ein dritter MOSFET-Schalter 216 angeordnet. Der dritte MOSFET-Schalter 216 ist ein bidirektionaler Schalter und weist zwei an ihrem Source-Anschluss miteinander verbundene MOSFETs auf. Bei Auftreten eines unzulässigen Batteriezustandes, bspw. bei zu hoher Betriebstemperatur der durch Lithium-Ionen-Zellen gebildeten Energiespeichereinheit 111, wird der bidirektionale MOSFET-Schalter 216 geöffnet, während bei geschlossenem ersten MOSFET-Schalter 113 und geschlossenem zweiten MOSFET-Schalter 114 das sicherheitsrelevante System 101 weiter über das Bordnetz versorgt wird.In 2 a circuit diagram 200 for a further embodiment of the battery system 110 according to the invention is shown. A third MOSFET switch 216 is additionally arranged between the energy storage unit 111 and the safety fuse 112 . The third MOSFET switch 216 is a bi-directional switch and comprises two MOSFETs connected together at their source. If an impermissible battery state occurs, e.g. if the operating temperature of the energy storage unit 111 formed by lithium-ion cells is too high, the bidirectional MOSFET switch 216 is opened, while the safety-relevant system 101 continues to be supplied via the vehicle electrical system.

In 3 werden schematisch bidirektionale MOSFET-Schalter 310, 320, 330 in noch weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems gezeigt. Das Schaltschema 310 zeigt zwei an ihrem Source-Anschluss miteinander verbundene MOSFET-Schalter 303, 304, jeweilig mit ihrer intrinsisch vorhandenen Freilaufdiode 301 und ihrem Gate-Anschluss 302. Der MOSFET-Schalter 303 ist als Verarmungstyp ausgelegt, welcher ohne Spannung am Gate-Anschluss 302 geschlossen ist. Der MOSFET-Schalter 304 ist als Anreicherungstyp ausgelegt, welcher ohne Spannung am Gate-Anschluss 302 geöffnet ist. Im Schaltschema 320 ist am gemeinsamen Source-Anschluss der beiden MOSFET-Schalter 303, 304 eine Schottky-Diode 321 angeschlossen, Bei dem Schaltschema 330 sind zusätzlich an die jeweiligen Drain-Anschlüsse der beiden MOSFET-Schalter 303, 304 eine jeweilige TVS- bzw. Supressor-Diode 331 angeschlossen. Weitere Ausgestaltungen sind denkbar, bei denen die bidirektionen MOSFET-Schalter 310, 320, 330 bspw. über ihre jeweiligen Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind. In diesem Fall würde analog zum Schaltschema 320 eine jeweilige Schottky-Diode „außen“ an den jeweiligen Source-Anschlüssen angeordnet werden. Gleichfalls würde analog zum Schaltschema 330 eine Supressor-Diode nach „innen“ an den gemeinsamen Drain-Anschluss verlegt werden.In 3 Schematically shown are bidirectional MOSFET switches 310, 320, 330 in yet further configurations of the battery system according to the invention. The circuit diagram 310 shows two MOSFET switches 303, 304 connected to one another at their source connection, each with its intrinsic freewheeling diode 301 and its gate connection 302. The MOSFET switch 303 is designed as a depletion type, which has no voltage at the gate connection 302 is closed. The MOSFET switch 304 is designed as an enhancement mode, which is open with no voltage at the gate terminal 302 . In circuit diagram 320, a Schottky diode 321 is connected to the common source connection of the two MOSFET switches 303, 304. In circuit diagram 330, a respective TVS or Connected suppressor diode 331. Further refinements are conceivable in which the bidirectional MOSFET switches 310, 320, 330 are connected to one another, for example via their respective source connections. In this case, analogously to the circuit diagram 320, a respective Schottky diode would be arranged “outside” at the respective source terminals. Likewise, analogous to schematic 330, a suppressor diode would be moved “inside” to the common drain.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Schaltschema zum BatteriesystemCircuit diagram for the battery system
101101
Sicherheitsrelevantes SystemSecurity related system
102102
Anschluss zum sicherheitsrelevanten SystemConnection to the safety-relevant system
103103
Anschluss BordnetzConnection on-board network
110110
Batteriesystembattery system
111111
Batteriebattery
112112
Schmelzsicherungfuse
113113
Erster MOSFET-SchalterFirst MOSFET switch
114114
Zweiter MOSFET-SchalterSecond MOSFET switch
115115
Batteriemanagementeinheitbattery management unit
200200
Schaltschema weiterer BatterieschalterCircuit diagram of further battery switches
216216
Batterieschalterbattery switch
301301
Freilaufdiodefreewheeling diode
302302
Gate-Anschlussgate connection
303303
Verarmungstyp-MOSFET („normally close“ depletion type)Depletion-type MOSFET (“normally close” depletion type)
304304
Anreicherungstyp-MOSFET („normally open“ enhancement type)Normally open enhancement type MOSFET
310310
Bidirektionaler MOSFET-SchalterBidirectional MOSFET switch
320320
Bidirektionaler MOSFET-Schalter mit Schottky-DiodeBidirectional MOSFET switch with Schottky diode
321321
Schottky-DiodeSchottky diode
330330
Bidirektionaler MOSFET mit Schottky- und Supressor-DiodeBidirectional MOSFET with Schottky and suppressor diode
331331
Supressor-Diodesuppressor diode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102018100746 A1 [0003]DE 102018100746 A1 [0003]
  • DE 102017104958 A1 [0004]DE 102017104958 A1 [0004]

Claims (10)

Batteriesystem für ein sicherheitsrelevantes System eines Fahrzeuges, wobei das sicherheitsrelevante System (101) mindestens einen Verbraucher umfasst und über das Batteriesystem (110) mit einem Bordnetz, welches eine Stromversorgung aufweist, verbunden ist, wobei das Batteriesystem (110) eine Batteriemanagementeinheit (115), eine Energiespeichereinheit (111) mit einer Schmelzsicherung (112), einen ersten Anschluss (102), einen zweiten Anschluss (103), und seriell verbunden einen ersten MOSFET-Schalter (113, 303) und einen zweiten MOSFET-Schalter (114, 304) umfasst, wobei der erste MOSFET-Schalter (113, 303) mit dem ersten Anschluss (103) verbunden ist, der zweite MOSFET-Schalter (114, 304) mit dem zweiten Anschluss (103) verbunden ist, und die Verbindung zwischen erstem MOSFET-Schalter (113, 303) und zweitem MOSFET-Schalter (114, 304) mit dem Pluspol der Energiespeichereinheit (111) verbunden ist, und wobei die Batteriemanagementeinheit (115) dazu konfiguriert ist, durch Steuerung des ersten MOSFET-Schalters (113, 303) und des zweiten MOSFET-Schalters (114, 304) ein Sicherheitsmanagement für das sicherheitsrelevante System (101) und die Energiespeichereinheit (111) auszuführen, wobei das Sicherheitsmanagement mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: • Öffnen des zweiten MOSFET-Schalters (114) bei Auftreten eines Fehlers im Bordnetz; • Öffnen des ersten MOSFET-Schalters (113) und des zweiten MOSFET-Schalters (114) bei Auftreten eines unzulässigen Batteriezustands.Battery system for a safety-relevant system of a vehicle, the safety-relevant system (101) comprising at least one consumer and being connected via the battery system (110) to an on-board network which has a power supply, the battery system (110) having a battery management unit (115), an energy storage unit (111) having a fuse (112), a first terminal (102), a second terminal (103), and serially connected a first MOSFET switch (113, 303) and a second MOSFET switch (114, 304) comprises, wherein the first MOSFET switch (113, 303) is connected to the first terminal (103), the second MOSFET switch (114, 304) is connected to the second terminal (103), and the connection between the first MOSFET Switch (113, 303) and second MOSFET switch (114, 304) is connected to the positive pole of the energy storage unit (111), and wherein the battery management unit (115) is configured to, by controlling the first MOSFET switch (113, 303) and the second MOSFET switch (114, 304) to carry out security management for the security-related system (101) and the energy storage unit (111), the security management comprising at least one of the following steps: • Opening of the second MOSFET switch (114) when an error occurs in the vehicle electrical system; • opening the first MOSFET switch (113) and the second MOSFET switch (114) upon the occurrence of an impermissible battery condition. Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das Batteriesystem (110) zwischen der Energiespeichereinheit (111) und der gemeinsamen Verbindung des ersten und zweiten MOSFET-Schalters (113, 114) zusätzlich einen dritten MOSFET-Schalter (216), welcher bidirektional ausgestaltet ist, aufweist, und wobei die Batteriemanagementeinheit (115) weiter dazu konfiguriert ist, den dritten MOSFET-Schalter (216) zu steuern, wobei das Sicherheitsmanagement bei Auftreten des unzulässigen Batteriezustands alternativ zum Öffnen des ersten MOSFET-Schalters (113) und des zweiten MOSFET-Schalters (114) wahlweise folgenden weiteren Schritt umfasst: • Öffnen des dritten MOSFET-Schalters (216).battery system claim 1 , wherein the battery system (110) between the energy storage unit (111) and the common connection of the first and second MOSFET switch (113, 114) additionally has a third MOSFET switch (216), which is bidirectional, and wherein the battery management unit (115) is further configured to control the third MOSFET switch (216), wherein the safety management upon occurrence of the impermissible battery condition alternatively to opening the first MOSFET switch (113) and the second MOSFET switch (114) optionally following further Step includes: • opening the third MOSFET switch (216). Batteriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der erste MOSFET-Schalter (113, 303) vom Verarmungstyp ist und der zweite MOSFET-Schalter vom Anreicherungstyp (114, 304) ist.A battery system according to any one of the preceding claims, wherein the first MOSFET switch (113, 303) is depletion mode and the second MOSFET switch is enhancement mode (114, 304). Batteriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Energiespeichereinheit (111) mit Lithium-Ionen-Zellen gebildet ist.Battery system according to one of the preceding claims, wherein the energy storage unit (111) is formed with lithium-ion cells. Batteriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein unzulässiger Batteriezustand der Energiespeichereinheit (111) durch mindestens ein Kriterium gemäß folgender Liste gebildet ist: Überlastung, Überspannung, Unterspannung, überhöhte Batterietemperatur.Battery system according to one of the preceding claims, wherein an impermissible battery state of the energy storage unit (111) is formed by at least one criterion according to the following list: overload, overvoltage, undervoltage, excessive battery temperature. Batteriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei zwischen der gemeinsamen Verbindung der MOSFET-Schalter (303, 304) und Masse eine Schottky-Diode (321) geschaltet ist.A battery system according to any one of the preceding claims, wherein a Schottky diode (321) is connected between the common connection of the MOSFET switches (303, 304) and ground. Batteriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei zwischen den jeweiligen mit den Anschlüssen des Batteriesystems verbundenen Anschlüssen der MOSFET-Schalter (303, 304) und einer jeweiligen Masse eine jeweilige Supressor-Diode (331) angeordnet ist.Battery system according to one of the preceding claims, wherein a respective suppressor diode (331) is arranged between the respective connections of the MOSFET switches (303, 304) connected to the connections of the battery system and a respective ground. Energiebordnetz eines Fahrzeugs, welches ein Bordnetz, mindestens ein sicherheitsrelevantes System (101), und mindestens ein Batteriesystem (110) umfasst. wobei ein jeweiliges sicherheitsrelevantes System (101) mindestens einen Verbraucher umfasst und über ein jeweiliges Batteriesystem (110) mit einem Bordnetz, welches eine Stromversorgung aufweist, verbunden ist, wobei das jeweilige Batteriesystem (110) eine Batteriemanagementeinheit (115), eine Energiespeichereinheit (111) mit einer Schmelzsicherung (112), einen ersten Anschluss (102), einen zweiten Anschluss (103), und seriell verbunden einen ersten MOSFET-Schalter (113, 303) und einen zweiten MOSFET-Schalter (114, 304) umfasst, wobei der erste MOSFET-Schalter (113, 303) mit dem ersten Anschluss (102) verbunden ist, der zweite MOSFET-Schalter (103) mit dem zweiten Anschluss (103) verbunden ist, und die Verbindung zwischen erstem MOSFET-Schalter (113, 303) und zweitem MOSFET-Schalter (114, 304) mit dem Pluspol der Energiespeichereinheit (111) verbunden ist, und wobei die Batteriemanagementeinheit (115) dazu konfiguriert ist, durch Steuerung des ersten MOSFET-Schalters (113, 303) und des zweiten MOSFET-Schalters (114, 304) ein Sicherheitsmanagement für das jeweilige sicherheitsrelevante System (101) und die Energiespeichereinheit (111) auszuführen, wobei das Sicherheitsmanagement mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: • Öffnen des zweiten MOSFET-Schalters (114) bei Auftreten eines Fehlers im Bordnetz; • Öffnen des ersten MOSFET-Schalters (113) und des zweiten MOSFET-Schalters (114) bei Auftreten eines unzulässigen Batteriezustands.Electrical system of a vehicle, which comprises an electrical system, at least one safety-related system (101), and at least one battery system (110). a respective safety-relevant system (101) comprises at least one consumer and is connected via a respective battery system (110) to an on-board electrical system which has a power supply, the respective battery system (110) having a battery management unit (115), an energy storage unit (111) comprising a fuse (112), a first terminal (102), a second terminal (103), and serially connected a first MOSFET switch (113, 303) and a second MOSFET switch (114, 304), the first MOSFET switch (113, 303) connected to the first terminal (102), the second MOSFET switch (103) connected to the second terminal (103), and the connection between the first MOSFET switch (113, 303) and second MOSFET switch (114, 304) is connected to the positive pole of the energy storage unit (111), and wherein the battery management unit (115) is configured to, by controlling the first MOSFET switch (113, 303) and the second MOSFET switch ( 114, 304) to carry out security management for the respective security-relevant system (101) and the energy storage unit (111), the security management comprising at least one of the following steps: • Opening of the second MOSFET switch (114) when an error occurs in the vehicle electrical system; • opening the first MOSFET switch (113) and the second MOSFET switch (114) upon the occurrence of an impermissible battery condition. Energiebordnetz nach Anspruch 8, wobei das mindestens eine Batteriesystem zwischen der Energiespeichereinheit (111) und der gemeinsamen Verbindung des ersten und zweiten MOSFET-Schalters (113, 114) zusätzlich einen dritten MOSFET-Schalter (216), welcher bidirektional ausgestaltet ist, aufweist, und wobei die Batteriemanagementeinheit (115) weiter dazu konfiguriert ist, den dritten MOSFET-Schalter (216) zu steuern, wobei das Sicherheitsmanagement bei Auftreten des unzulässigen Batteriezustands alternativ zum Öffnen des ersten MOSFET-Schalters (113) und des zweiten MOSFET-Schalters (114) wahlweise folgenden weiteren Schritt umfasst: • Öffnen des dritten MOSFET-Schalters (216).on-board power supply claim 8 , wherein the at least one battery system between the energy storage unit (111) and the common connection of the first and second MOSFET switch (113, 114) additionally a third MOSFET switch ter (216), which is configured bidirectionally, and wherein the battery management unit (115) is further configured to control the third MOSFET switch (216), wherein the safety management when the impermissible battery state occurs as an alternative to opening the first MOSFET Switch (113) and the second MOSFET switch (114) optionally comprises the following further step: • opening the third MOSFET switch (216). Energiebordnetz nach Anspruch 8 oder 9, wobei das mindestens eine sicherheitsrelevante System (101) eine redundante Energieversorgung aufweist.on-board power supply claim 8 or 9 , wherein the at least one safety-related system (101) has a redundant energy supply.
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