DE10304233A1 - Vorrichtung zum Überwachen und Steuern eines elektrischen Energie-Systems - Google Patents

Vorrichtung zum Überwachen und Steuern eines elektrischen Energie-Systems Download PDF

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Mathias Dr. Ullrich
Jochen Lehnhäuser
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    • B60VEHICLES IN GENERAL
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Überwachen und Steuern eines elektrischen Energie-Systems in einem Kraftfahrzeug, wobei das elektrische Energie-System zwei Spannungsebenen mit unterschiedlichen Potentialen umfasst, deren Potentiale nicht miteinander verbunden sind, wobei die eine Spannungsebene eine Bordnetzseite und die andere Spannungsebene eine Traktionsseite bildet, wobei die Steuereinrichtung (1) bordnetzseitig angeordnet ist, traktionsseitig mindestens ein Analog/Digital-Wandler (AD1-ADn) zur Erfassung mindestens einer Zustandsgröße (Z1-Zn) angeordnet ist, wobei über mindestens eine Schnittstelle (5) mit einer galvanischen Trennung die digitalisierten Daten vom Analog/Digital-Wandler (AD1-ADn) an die Steuereinrichtung (1) übertragbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen und Steuern eines elektrischen Energie-Systems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Derartige elektrische Energie-Systeme, welche beispielsweise eine Traktionsbatterie und ein Bordnetz umfassen, sind beispielsweise bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen bekannt. Dabei stellt die Traktionsbatterie die Energie für eine elektrische Antriebsmaschine zur Verfügung und das Bordnetz speist die übrigen elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs.
  • Auf Grund des Wirkungsgrades und aus Sicherheitsgründen weisen Traktionsbatterie und Bordnetz unterschiedliche elektrische Potentiale auf, welche nicht miteinander verbunden sind. So liegt beispielsweise die Traktionsbatterie auf dem Potential der elektrischen Antriebsmaschine, welche die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, um das Fahrzeug fortzubewegen.
  • In einem Elektrofahrzeug verändern sich ständig die Parameter des elektrischen Energie-Systems. Sowohl in der Traktionsbatterie als auch in der Bordnetzbatterie vollziehen sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand und Fahrsituation des Elektrofahrzeugs hoch dynamische Lade- und Entladevorgängen. Um beide Batteriesysteme in einem wirtschaftlich effektiven und elektrisch erlaubten Betriebsfenster betreiben zu können, ist es erforderlich, Zustandsgrößen beider Batteriesysteme zeitnah zu erfassen und somit das gesamte elektrische Energie-System zu beaufsichtigen, um die Ansteuerung von Verbrauchen beider Batteriesysteme den aktuellen Zustandsgrößenwerten anzupassen.
  • Systeme für das Überwachen und Steuern eines Bordnetzes sind bekannt. Diese erfassen Zustandsgrößen der Bordnetzbatterie und von Verbrauchern der Bordnetzbatterie und steuern Bordnetzbatterie und deren Verbraucher in Abhängigkeit der erfassten Parameter und in Anhängigkeit einer jeweiligen Fahrsituation.
  • Aus Sicherheitsgründen ist es jedoch nicht ohne weiteres möglich, physikalische Zustandsgrößen einer Traktionsbatterie zu erfassen, weil Mess- und Steuersysteme eines Fahrzeugs einerseits auf Bordnetzpotential arbeiten und andererseits oftmals digitale Eingangsstufen aufweisen. Ein direktes Messen physikalischer Zustandsgrößen mittels solcher Systeme würde sowohl eine Verbindung zwischen Traktionsbatterie und Bordnetz herstellen als auch oftmals die maximale Eingangsspannung dieser Systeme überschreiten.
  • Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer Zustandsgrößen auf einer Traktionsseite in einem Elektrischen Energie-System erfasst und gesteuert werden können.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst die Vorrichtung zum Überwachen und Steuern eine Steuereinrichtung, die bordnetzseitig angeordnet ist, wobei traktionsseitig mindestens ein Analog/Digital-Wandler zur Erfassung mindestens einer Zustandsgröße angeordnet ist, wobei über mindestens eine Schnittstelle mit einer galvanischen Trennung die digitalisierten Daten vom Analog/Digital-Wandler an die Steuereinrichtung übertragbar sind. Dabei wird unter traktionsseitig allgemein eine Spannungsebene verstanden, die auf einem anderen Spannungspotential liegt als eine Bordnetzseite.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schnittstelle mindestens einen Optokoppler. Der Vorteil von Optokopplern gegenüber anderen denkbaren galvanisch getrennten Übertragern wie z.B. induktiven Übertragern liegt in der einfacheren Ansteuerung und Auswertung des übertragenen Signals.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind traktionsseitig mindestens zwei Analog/Digital-Wandler angeordnet, mittels derer parallel unterschiedliche Zustandsgrößen traktionsseitig erfassbar sind. Beispiele für derartige Zustandsgrößen sind beispielsweise Strom und Spannung. Ist traktionsseitig auch eine Traktionsbatterie angeordnet, so kann beispielsweise auch die Batterietemperatur erfasst werden. Darüber hinaus ist es auch alternativ oder ergänzend möglich, mehrere gleiche Zustandsgrößen zu erfassen. Ein Beispiel hierfür wäre die Erfassung von Teilspannungen einer modular aufgebauten Traktionsbatterie.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist über die Schnittstelle ein Triggersignal von der Steuereinrichtung an die Analog/Digital-Wandler übertragbar. Hierdurch können alle Zustandsgrößen traktionsseitig synchron erfasst werden, was die Vergleichbarkeit bzw. die Verknüpfung verbessert. Soll beispielsweise die elektrische Leistung berechnet werden, so müssen Strom und Spannung gleichzeitig erfasst werden, da ansonsten aufgrund von dynamischen Schwankungen die Ergebnisse stark verfälscht werden können. Gleiches gilt auch für die Teilspannungen einer modular aufgebauten Traktionsbatterie. Mittels des Triggersignals können darüber hinaus auch bordnetzseitig synchron Zustandswerte erfasst werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind über die Schnittstelle Steuer- und/oder Programmierbefehle von der Steuereinrichtung an die Analog/Digital-Wandler übertragbar. Vorzugsweise umfassen die Analog/Digital-Wandler bereits Mikrorechner, mittels derer beispielsweise eine Messdatenaufbereitung erfolgen kann. Diese Mikrorechner können dann über die Schnittstelle von der Steuereinrichtung programmiert werden. Moderne Analog/Digital-Wandler sind z.B. über die Programmierschnittstelle kalibrierbar oder es kann die Übertragungslinie angepasst werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist bordnetzseitig eine Bordnetzbatterie angeordnet. Diese Bordnetzbatterie ist vorzugsweise über einen DC/DC-Wandler mit der Spannungsversorgung der Analog/Digital-Wandler traktionsseitig verbunden. Hierdurch können die Analog/Digital-Wandler bordnetzseitig abgeschaltet werden, so dass die Analog/Digital-Wandler nicht mit ihrem Ruhestrom die Traktionsbatterie belasten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Überwachen und Steuern eines elektrischen Energie-Systems.
  • Die Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung 1, die auf einer Bordnetzseite mit einer Bordnetzbatterie 8 angeordnet ist. Die Bordnetzbatterie 8 versorgt die Steuereinrichtung 1 sowie weitere nicht dargestellte Bordnetzverbraucher mit elektrischer Energie. Die Steuereinrichtung 1 umfasst eine Signalverarbeitungseinrichtung 2, einen Mikrocontroller 3 und eine Speichereinrichtung 4. Des weiteren umfasst die Steuereinrichtung 1 analoge Eingänge 10 und digitale Eingänge 11 zum Empfangen von Signalen auf Bordnetzpotential. Weiter ist die Steuereinrichtung 1 mit analogen Ausgängen 12 und digitalen Ausgängen 13 zum Senden von Signalen auf Bordnetzpotential ausgebildet. Weiter verfügt die Steuereinrichtung 1 über eine Kommunikationsleitung 14. Traktionsseitig sind mehrere Analog/Digital-Wandler AD1-ADn angeordnet, die verschiedene analoge Zustandsgrößen Z1-Zn auf der Traktionsseite erfassen. Über einen DC/DC-Wandler 7 ist die Bordnetzbatterie 8 mit den Spannungsversorgungsanschlüssen der Analog/Digital-Wandler AD1-ADn verbunden. Zwischen den Analog/Digital-Wandlern AD1-ADn und der Steuereinrichtung 1 ist eine Schnittstelle 5 mit galvanischer Trennung angeordnet. Hierzu umfasst die Schnittstelle 5 mehrere nicht dargestellte Optokoppler. Über die Schnittstelle 5 werden einerseits die Daten von den Analog/Digital-Wandlern AD1-ADn über Datenleitungen D1-Dn an die Steuereinrichtung 1 galvanisch getrennt übertragen. Über Kommunikationsleitungen K1-Kn und eine Triggerleitung T überträgt die Steuereinrichtung 1 Ansteuersignale für die Analog/Digital-Wandler AD1-ADn bzw. Programmiersignale für in den Analog/Digital-Wandlern AD1-ADn angeordnete Mikroprozessoren sowie ein Triggersignal zum synchronen Abtasten der analogen Zustandsgrößen Z1-Zn. Des weiteren können die Analog/Digital-Wandler AD1-ADn über die Datenleitungen D1-Dn Antworten aufgrund von Abfragen der Steuereinrichtung 1 übertragen.
  • Mittels der Analog-Digital-Wandler AD1-ADn werden beispielsweise Z1-Zn verschiedene Zustandsgrößen synchron erfasst, digitalisiert und gegebenenfalls durch einen in den jeweiligen Analog/Digital-Wandler AD1-ADn angeordneten Mikroprozessor vor- bzw. weiterverarbeitet. Die Zustandsgrößen Z1-Zn sind beispielsweise Strom und Spannung einer Traktionsbatterie, die sich beispielsweise aus Nickel-Metallhybrid-Sekundärelementen, Litium-Ion-Sekundärelementen, Blei-Säure-Sekundärelemente, Kondensatoren, Doppelschichtkondensatoren, Induktivitäten oder Ultrainduktivitäten zusammensetzen. Die digitalisierten Daten der Zustandsgrößen Z1-Zn werden dann über die Datenleitungen D1-Dn an die Steuereinrichtung 1 übertragen und dort in der Signalverarbeitungseinrichtung 2 weiterverarbeitet. Die Speichereinheit 4 umfasst beispielsweise ein seriellen EPROM, mittels dessen beispielsweise Verteilungen von Mess- und/oder Zustandsgrößen abgespeichert werden. Des weiteren kann dieses EPROM unter anderem dazu genutzt werden, Fehlernummern zu aufgetretenen Fehlern sowie einzelne Zustandsgrößen bei Auftreten des Fehlers zu speichern. Weiter kann dieses EPROM auch im Sinne eines Flightrecorders bezüglich Zustands- und Messgrößen verwendet werden.
  • Über die analogen Eingänge 10 können beispielsweise Informationen bezüglich Zulufttemperatur, Bordnetzspannung, Batterietemperatur und/oder Lüfterspannung für drehzahlgeregelte Lüfter der Steuereinrichtung 1 zugeführt werden. Über die digitalen Eingänge 11 können beispielsweise Crash-Signale oder ein Wake-up-Signal zugeführt werden. Über die analogen Ausgänge 12 kann die Steuereinrichtung 1 beispielsweise ein Ansteuersignal für einen spannungsgeregelten Lüfter oder andere Regelsysteme ausgeben. Über die digitalen Ausgänge 13 kann beispielsweise ein PWM-Signal für einen Lüfter und/oder Enable-Signale für untergeordnete Messeinheiten ausgegeben werden. Über die Kommunikationsleitungen 14 kann die Steuereinrichtung mit anderen Steuergeräten bzw. Fahrzeugsystemen und/oder mit Datenaufzeichnungsgeräten verbunden werden. Die Kommunikationsleitungen 14 können dabei als K-Leitung, CAN-Leitung, LIN-Bus-Leitungen nach Standard RS-232, RS-485 oder IEEE 1394, Ethernet- oder FastEthernet-Leitung ausgebildet sein.

Claims (6)

  1. Vorrichtung für das Überwachen und Steuern eines elektrischen Energie-Systems in einem Kraftfahrzeug, wobei das elektrische Energie-System zwei Spannungsebenen mit unterschiedlichen Potentialen umfasst, deren Potentiale nicht miteinander verbunden sind, wobei die eine Spannungsebene eine Bordnetzseite und die andere Spannungsebene eine Traktionsseite bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (1) bordnetzseitig angeordnet ist, traktionsseitig mindestens ein Analog/Digital-Wandler (AD1-ADn) zur Erfassung mindestens einer Zustandsgröße (Z1-Zn) angeordnet ist, wobei über mindestens eine Schnittstelle (5) mit einer galvanischen Trennung die digitalisierten Daten vom Analog/Digital-Wandler (AD1-ADn) an die Steuereinrichtung (1) übertragbar sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (5) mindestens einen Optokoppler umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass traktionsseitig mindestens zwei Analog/Digital-Wandler (AD1-ADn) angeordnet sind, mittels derer parallel unterschiedliche Zustandsgrößen (Z1-Zn) traktionsseitig erfassbar sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Schnittstelle (5) ein Triggersignal von der Steuereinrichtung (1) an die Analog/Digital-Wandler (AD1-ADn) übertragbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Schnittstelle (5) Steuer- und/oder Programmierbefehle von der Steuereinrichtung (1) an die Analog/Digital-Wandler (AD1-ADn) übertragbar sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bordnetzseitig eine Bordnetzbatterie (8) angeordnet ist, die über einen DC/DC-Wandler (7) mit der Spannungsversorgung der Analog/Digital-Wandler (AD1-ADn) traktionsseitig verbunden ist.
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