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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Überwachen
und Steuern eines elektrischen Energie-Systems gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.