DE69837816T2 - Radiofrequenz-energieverwaltungssystem - Google Patents

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Tissa R. Van Nuys KARUNASIRI
David A. Altadena BELL
Chetan Kumar Maini
Bruce M. West Hills RYAN
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Description

  • In Systemen dieser Art werden Steuersignale von der zentralen Steuereinheit an eine Überwachungseinrichtung geleitet, und Informationen werden über Drähte, die durch das Fahrzeug verlaufen und jede Überwachungseinrichtung mit der zentralen Steuereinheit verbinden, von den Überwachungseinrichtungen an die zentrale Steuereinheit geleitet. Die Drähte können entweder in Bündel zusammengefasst sein und entlang einem Hauptkabelbaum für das elektrische System des Fahrzeugs verlegt sein, oder sie können getrennt vom Hauptkabelbaum verlegt sein.
  • Ein verdrahtetes Energieverwaltungssystem zur Überwachung und Steuerung von Betriebsparametern einer Energiequelle in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug ist aus einer Reihe von Gründen nicht wünschenswert. Werden Drähte zusätzlich zu denen verwendet, die im elektrischen System des Fahrzeugs bereits vorhanden sind, kann sich das Gewicht des Fahrzeugs um bis zu fünfzig Pound erhöhen. Ein zusätzliches Gewicht dieser Art kann die Beschleunigung des Fahrzeugs verringern und die Häufigkeit des Ladens von Batterien erhöhen. Die Verwendung eines verdrahteten Energieverwaltungssystems erhöht auch die Herstellungskosten des Fahrzeugs, was sowohl auf den mit der Installation der zusätzlichen Verdrahtung verbundenen Zeitaufwand als auch auf die Kosten für die Drähte selbst zurückzuführen ist. Die Verwendung eines verdrahteten Energieverwaltungssystems erhöht wegen des kurzen Abstands der die Überwachungseinrichtungen miteinander verbindenden Drähte zu den Batterien und der Korrosionsschäden, die wahrscheinlich auftreten werden, auch die Kosten für die Instandhaltung des Systems. Korrosionsschäden dieser Art wirken sich nachteilig auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer eines verdrahteten Energieverwaltungssystems aus.
  • Zudem erfordert die Verwendung eines verdrahteten Energieverwaltungssystems den Einsatz von Hochspannungs-Trennelementen zum Reduzieren von Rauschen oder Störeinflüssen im System, die in Signaldrähten aus Hochspannungsdrähten auftreten können, die für Elektrofahrzeug-Batteriesätze in dem elektrischen System des Fahrzeugs typisch sind. Eine Verwendung von Hochspannungs-Trennelementen dieser Art erhöht sowohl die Herstellungskosten des elektrischen Fahrzeugs als auch dessen Gewicht. Ein verdrahtetes Energieverwaltungssystem weist zudem hinsichtlich künftiger Ertüchtigungen von Komponenten aufgrund der Notwendigkeit, für jede neue ertüchtigte Komponente zusätzliche Verdrahtung vorzusehen, Grenzen auf.
  • Daher ist es wünschenswert, dass ein Energieverwaltungssystem zur Verwendung mit einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug ausgeführt wird, das vielfache Systemeinrichtungen aufweist, die in der Lage sind, in drahtloser Weise, die nicht zum Gewicht des Fahrzeugs beiträgt, mit einer zentralen Steuereinheit zu kommunizieren, das nicht anfällig für Batteriekorrosion ist, schnell und einfach installiert werden kann, keinen Einsatz von Hochspannungs-Trennelementen erfordert und jegliche Ertüchtigung oder das Hinzufügen neuer Vorrichtungen ohne Modifikation ermöglicht. Es ist wünschenswert, dass ein Energieverwaltungssystem dieser Art so konfiguriert ist, dass es Vorrichtungen umfasst, die in der Lage sind, eine oder mehrere Batterien bzw. die Batteriezellen der jeweiligen Batterie zu überwachen und/oder zu steuern, um an diesen Batterien Steuerungsfunktionen zur Optimierung der Batterieleistung auszuführen, z.B. um einen Batterieausgleich und/oder thermisches Batteriemanagement zu bewerkstelligen, um dadurch die Leistung eines Batteriesatzes, welcher diese Batterien umfasst, zu optimieren. Insbesondere ist es wünschenswert, dass das Energiemanagementsystem so konfiguriert ist, dass (1) Veränderungen der Batterie oder der Batteriezelle erfasst werden können; (2) Informationen über die Leistung der Batterie oder der Batteriezelle gespeichert werden können; (3) Kennwerte der Batterie oder der Batteriezelle überwacht werden können; und/oder (4) ein Steuergerät auf der Batterie zur Optimierung der Batterieleistung angesteuert werden kann.
  • Aus der WO 9701725 ist ein herkömmliches Energieverwaltungssystem zur Verwendung mit einem elektrisch angetriebenen Mechanismus bekannt, der eine Vielzahl von Batterie-Steuermodulen umfasst, wobei jedes Batterie-Steuermodul eine Einrichtung zum Überwachen eines Betriebsparameters einer elektrischen Stromquelle, eine Einrichtung zum Empfangen einer Radiosignalfrequenz und eine Einrichtung zum Senden eines Radiofrequenzsignals aufweist; und eine Steuereinheit, die eine Einrichtung zum Empfangen eines Radiofrequenzsignals, das von den einzelnen Batterie-Steuermodulen ausgesendet wird, und eine Einrichtung zum Senden einer Radiofrequenzansteuerung an die einzelnen Batterie-Steuermodule aufweist, wobei die Empfangs- und die Sendeeinrichtung mit einem gemeinsamen leitenden Übertragungsmedium verbunden sind, das zwischen der elektrischen Stromquelle [und] einem Leistungssteuerungsgerät angeordnet ist. Weitere vorbekannte Energieverwaltungssysteme sind aus der WO 9641408 und der US 5666040 bekannt.
  • Bei der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung wird daher ein drahtloses Radiofrequenz-Energieverwaltungssystem zur Verwendung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug mit batteriebezogener Antriebskraft, bereitgestellt. Das Energieverwaltungssystem umfasst eine Anzahl von Batterie-Steuermodulen und eine Steuereinheit. Die Batterie-Steuermodule können zur bidirektionalen Kommunikation miteinander und/oder mit der Steuereinheit konfiguriert sein, oder sie können zur unidirektionalen Kommunikation als Sender oder Empfänger konfiguriert sein. Von den Batterie-Steuermodulen gesendete bzw. empfangene Radiofrequenzsignale enthalten Informationen, welche die Betriebsparameter einer elektrischen Stromquelle, wie beispielsweise ein Batteriesatz, einzelne Batterien eines Batteriesatzes oder Batteriezellen in Batterien betreffen, die einen Batteriesatz bilden. Für bidirektionale und unidirektionale Empfangs-Batterie-Steuermodule ist die Steuereinheit zum Empfangen dieser Signale und zum Senden von Steuersignalen an die Batterie-Steuermodule zum Regulieren der Betriebsparameter dieser Stromquelle konfiguriert.
  • In einer ersten Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Energieverwaltungssystem zur Verwendung mit einem elektrischen Fahrzeug mit batteriebezogener Antriebskraft gemäß Anspruch 1 bereit.
  • Das Energieverwaltungssystem (EV-System) kann eine Schnittstelleneinheit getrennt vom Steuerwerk umfassen, um unabhängig von der Steuereinheit Zugriff auf ein oder mehrere Batterie-Steuermodule durch ein anderes Gerät, zum Beispiel ein fahrzeuginternes Stromquellen-Ladegerät, zu ermöglichen. Zusätzlich kann das EV-System auch eine Einrichtung zum Feststellen der relativen Position von Batterie-Steuermodulen in dem System durch Radiofrequenzsignal umfassen.
  • Radiofrequenzsignale werden zwischen der Steuereinheit und den einzelnen Batterie-Steuermodulen ohne eine Verwendung zusätzlicher Verdrahtung übertragen, indem eine Leiterbahn verwendet wird, die zwischen den Batterien in einem Batteriesatz, durch den Batteriesatz und zu einem Leistungssteuerungsgerät eines vorhandenen elektrischen Systems verläuft. Die Hauptleiterbahn fungiert als Übertragungsmedium für das Radiofrequenzsignal. Durch Eliminieren der Notwendigkeit einer zusätzlichen Verdrahtung, von Kabelbäumen und dergleichen zum Ermöglichen der Signalübertragung, und durch Ausführen des Energieverwaltungssystems in modularer Bauart ist das sich ergebende System von leichtem Gewicht, nicht anfällig für Batteriekorrosion, ist schnell und einfach zu installieren, ermöglicht ein Ertüchtigen oder das Hinzufügen neuer Module ohne wesentliche Modifikation, erleichtert ein einfaches Zuschalten oder Austauschen von Batterien oder des gesamten Batteriesatzes, und benötigt im Vergleich zu bestehenden verdrahteten Systemen weniger Hochspannungs-Trennelemente.
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ausgeführten Energieverwaltungssystems, welches eine Steuereinheit und eine Anzahl Batterieüberwachungsmodule umfasst;
  • 2 eine schematische Darstellung eines in 1 abgebildeten Batterie-Steuermoduls; und
  • 3 eine schematische Darstellung der in 1 abgebildeten Steuereinheit;
  • 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Energieverwaltungssystems, welches eine Steuereinheit und eine separate serielle Schnittstelle umfasst;
  • 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Energieverwaltungssystems, welches eine mit einem fahrzeuginternen Batterie-Ladegerät verdrahtete Steuereinheit umfasst;
  • 6 eine schematische Darstellung eines Batterie-Steuermoduls, welches eine Speichervorrichtung umfasst;
  • 7 eine schematische Darstellung einer Batterie-Nebenschlusseinrichtung eines Energieverwaltungssystems;
  • 8 eine schematische Darstellung eines Batterie-Heizelements eines Energieverwaltungssystems;
  • 9 eine schematische Darstellung eines unidirektionalen Sende-Batterie-Steuermoduls;
  • 10 eine schematische Darstellung eines unidirektionalen Empfangs-Batterie-Steuermoduls;
  • 11 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Steuereinheit, welche einen Phasendetektor umfasst, der keine Ausführungsform der Erfindung verkörpert;
  • 12 eine schematische Darstellung eines Energieverwaltungssystems, welches die Steuereinheit der 11 umfasst;
  • 13 eine schematische Darstellung der separaten Steuereinheit und der seriellen Schnittstelle der 4; und
  • 14A und 14B schematische Darstellungen von Energieverwaltungssystem-Signalabriegelungsvorrichtungen, die zum Feststellen der Position der Batterie-Steuermodule und/oder der Batterien in dem System verwendet werden können.
  • Ein nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ausgeführtes Energieverwaltungssystem (EV-System) umfasst eine Steuereinheit und eine Anzahl Batterie-Steuermodule. Das EV-System kann zum Überwachen der Leistung, zum Messen der Betriebsparameter und/oder zum Steuern der Betriebsparameter von Batterien, Batteriezellen oder Batteriegruppen in einem Batteriesatz verwendet werden, um die Batterieleistung zu optimieren. Das erfindungsgemäße System kann bei Batteriesätzen für elektrisch angetriebene Mechanismen, wie zum Beispiel elektrische Fahrzeuge und elektrische Hybridfahrzeuge mit batteriebezogener Antriebskraft (z.B. Militärfahrzeuge, Züge, Rollstühle, Golfcarts und andere Freizeitfahrzeuge, Stapler, Gabelstapler, Industriefahrzeuge, Busse, Automobile und Fahrzeuge mit Dreiradantrieb), bei Stromspeicher-Anwendungen (z.B. Stromversorgung für Haus-Notsysteme, Geschäftsbetriebe, Boote, Flugzeuge oder Satelliten) und bei Unterhaltungselektronik-Geräten verwendet werden.
  • Nimmt man Bezug auf 1, so ist ein gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführtes EV-System dargestellt, das in einem elektrischen System eines elektrisch angetriebenen Mechanismus eingebaut ist. Das elektrische System umfasst eine Anzahl Batterien 10, die in Form eines Batteriesatzes in Reihe geschaltet sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Batterie-Steuermodule in Verwendung mit fünf Batterien 10 gezeigt, die jeweils ein Bleiakkumulator mit einer Spannung im Bereich von etwa 10 bis 15 Volt Gleichstrom sind. Es ist davon auszugehen, dass EV-Systeme gemäß dieser Erfindung für eine Verwendung mit vielen unterschiedlichen Batterietypen vorgesehen sind, d.h. mit anderen Batterien, die nicht als Bleiakkumulator ausgeführt sind, zum Beispiel Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Silber-Zink-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Zink-Luft-Batterien, Natrium-Schwefel-Batterien und dergleichen. Ebenso ist davon auszugehen, dass erfindungsgemäße EV-Systeme mit Batterien verwendet werden können, die innerhalb eines Batteriesatzes in anderer Weise, als dies speziell beschrieben und in 1 dargestellt ist, konfiguriert sind, d.h. in Reihe, in Reihe/parallel oder parallel geschaltete Batterien. Zudem können erfindungsgemäße EV-Systeme mit Batteriesätzen verwendet werden, die aus dem gleichen Batterietyp zusammengesetzt sind, oder mit Batteriesätzen, die aus Kombinationen unterschiedlicher Batterietypen bestehen, z.B. Bleiakkumulatoren und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Bleiakkumulatoren und Zink-Luft-Batterien, Lithium-Polymer-Akkumulatoren und Bleiakkumulatoren, Zink-Luft-Batterien und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren.
  • Das elektrische System des Mechanismus umfasst auch ein Leistungssteuerungsgerät 12. In einem elektrischen Fahrzeug ist das Leistungssteuerungsgerät ein Motorsteller 12, der ein herkömmlicher Motorsteller sein kann, der zum Steuern der Höhe und der Polarität der Spannung genutzt wird, die an einen oder mehrere Antriebsmotoren 14 angelegt wird, die zum Drehen einer entsprechenden Fahrzeugachse oder eines entsprechenden Fahrzeugrads eingesetzt werden.
  • Das elektrische System des Mechanismus umfasst eine Hauptleiterbahn bzw. einen Hauptleiter 16, der aus der Anordnung eines oder mehrerer elektrisch leitender Drähte gebildet ist, dazu dient, die Batterien 10 elektrisch miteinander zu verbinden, einen Batteriesatz zu bilden und den Batteriesatz mit anderen elektrischen Primärgeräten in dem Mechanismus zu verbinden. In einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug dient der Hauptleiter 16 dazu, die Batterien 10 zum Bilden eines Batteriesatzes in Reihe zu schalten, und wird zum elektrischen Verbinden des Batteriesatzes mit dem Motorsteller 12 verwendet. Dementsprechend wird in einem elektrischen Fahrzeug der Strom von dem Batteriesatz über den Hauptleiter 16 zum Motorsteller 12 geführt, um an einen oder mehrere Antriebsmotore 14 angelegt zu werden.
  • Ein gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ausgeführtes EV-System umfasst eine Anzahl Batterie-Steuermodule 18, die zum Messen eines oder mehrerer Betriebsparameter der Stromquelle konfiguriert werden können. Bei der Anwendung in einem elektrischen Primärsystem in einem elektrischen Fahrzeug kann jedes Batterie-Steuermodul zum Überwachen eines oder mehrerer Betriebsparameter eines Batteriesatzes, von Batterien in dem Batteriesatz oder von Batteriezellen in einer Batterie, die den Batteriesatz bildet, verwendet werden. Bei einer Installation in einem elektrischen Fahrzeug wird jedes Batterie-Steuermodul mit 12 Volt Gleichstrom betrieben, der von der Verbindung zwischen Batterie-Steuermodul-Stromzuleitungen 20 und jeweiligen positiven und negativen Klemmen einer zugehörigen Batterie 10 zugeführt wird. Alternativ können die einzelnen Batterie-Steuermodule, anstatt von einer jeweiligen Batterie betrieben zu werden, durch eine eigene Stromquelle, durch eine andere Stromquelle des Fahrzeugs, die keine jeweilige Batterie ist, durch induktive Übertragung von Wechselstrom, durch Solarstrom und dergleichen betrieben werden.
  • Jedes Batterie-Steuermodul 18 mit der Ausführungsform von 1 ist zum Überwachen eines oder mehrerer Betriebsparameter einer jeweiligen Batterie 10 in dem Batteriesatz konfiguriert. Dementsprechend ist die Anzahl der in dem in 1 gezeigten EV-System verwendeten Batterie-Steuermodule die gleiche wie die Anzahl der Batterien 10, die zum Bilden des Batteriesatzes verwendet werden, d.h. fünf. Alternativ können die Batterie-Steuermodule zum Überwachen eines oder mehrerer Betriebsparameter der einzelnen Batteriezellen in den Batterien verwendet werden, die den Batteriesatz bilden, wobei in diesem Fall die Anzahl der Batterie-Steuermodule höher als die Anzahl der Batterien sein könnte. Alternativ kann die Anzahl der Batterie-Steuermodule, die in dem EV-System verwendet werden, geringer als die Gesamtzahl der Batterien in einem Batteriesatz sein, z.B. wenn ein oder mehrere Batterie-Steuermodule zum Überwachen von mehr als einer Batterie ausgeführt sind. Es ist daher davon auszugehen, dass die Batterie-Steuermodule in anderer Weise als die im Vorstehenden speziell beschriebene und in 1 dargestellte verwendet werden können.
  • Ferner ist davon auszugehen, dass – wenngleich die einzelnen Batterie-Steuermodule 18 als eine von der jeweiligen Batterie getrennte Einheit dargestellt sind – jedes Batterie-Steuermodul alternativ als Bestandteil der Batterie selbst ausgeführt sein könnte. So könnte das Batterie-Steuermodul beispielsweise getrennt von den Elektrolysezellen in einem Fach im Batteriegehäuse ausgeführt sein. Bei einer Ausführungsform dieser Art wären alle Ausgänge vom bzw. Eingänge zum Batterie-Steuermodul mit jeweiligen Batterieklemmen oder anderen Batterieeingängen oder -ausgängen im Innern des Batteriegehäuses verbunden. Eine Ausführung des Batterie-Steuermoduls als Bestandteil der Batterie ermöglicht zudem eine Entnahme des Batterie-Steuermoduls aus dem batteriebetriebenen Mechanismus zusammen mit der Batterie, um extern Daten aus Batterie-Steuermodulen abzufragen, die für eine Speicherung von Informationen über Batterie-Betriebsparameter oder die Batterieleistung ausgeführt sind, zum Beispiel Batteriestrom und -spannung, Mindest- und Höchstspannung der Batterie, Batterie-Lade- und Entladungszyklen und dergleichen.
  • Alternativ können die Batterie-Steuermodule so konfiguriert sein, dass sie abnehmbar an einer jeweiligen, in einem Batteriesatz verwendeten Batterie befestigt werden können, um sowohl ein Entfernen des Batterie-Steuermoduls von der Batterie zu ermöglichen, wenn eine Batterie aus dem Batteriesatz entfernt wird, als auch seine Anbringung, wenn die entnommene Batterie durch eine neue Batterie ersetzt wird. Beispielsweise kann jedes Batterie-Steuermodul als Teil des Hauptleiters 16 konfiguriert sein, der zum Verbinden der Batterien in einem Batteriesatz verwendet wird. Zusätzlich können Batterie-Steuermodule, die von der jeweiligen Batterie getrennt ausgeführt sind, so konfiguriert sein, dass sie – unabhängig von oder als Teil einer jeweiligen Batterie – aus dem elektrisch angetriebenen Mechanismus zu entnehmen sind, um eine Abfrage von Daten aus Batterie-Steuermodulen zu ermöglichen, die zum Speichern von Informationen über Batterie-Betriebsparameter und die Batterieleistung ausgeführt sind, wie dies vorstehend erläutert ist. Auch dort, wo jedes Batterie-Steuermodul zum Überwachen der Betriebsparameter einzelner Batteriezellen konfiguriert ist, sind die Batterie-Steuermodule so ausgeführt, dass sie abnehmbar an einer jeweiligen Batteriezelle befestigt sind.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist jedes Batterie-Steuermodul 18 zum Überwachen und Messen eines oder mehrerer festgelegter Betriebsparameter einer jeweiligen Batterie 10 ausgeführt. Der bzw. die Betriebsparameter, die von den einzelnen Batterie-Steuermodulen überwacht und gemessen werden, können je nach der jeweiligen besonderen Anwendung variieren, können jedoch Batteriespannung, Batteriestrom, Dichte bzw. spezifisches Gewicht des Batteriezellen-Elektrolyts, Gradient der absoluten Dichte, Elektrolyt-Füllstand, Batterietemperatur, Batteriedruck oder Kombinationen derselben umfassen. Diese Betriebsparameter können zum Ermitteln der Leistung der Batterie verwendet werden. Jedes Batterie-Steuermodul 18 ist zum Überwachen gewünschter Batterie-Betriebsparameter, wie beispielsweise Spannungsausgang und Temperatur jeder jeweiligen Batterie, und zum Senden von Betriebsparameterdaten an die Steuereinheit in Antwort auf ein Steuersignal ausgeführt. Bei einer Ausführungsform des EV-Systems ist jedes Batterie-Steuermodul 18 auch zum Steuern festgelegter Betriebsparameter einer jeweiligen Batterie in Antwort auf ein Steuersignal ausgeführt, zum Beispiel Batteriespannung, Widerstand, Temperatur, Strom und dergleichen, d.h. ein Batterie-Steuermodul dieser Art ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation zwischen sich selbst und einer anderen Einrichtung des EV-Systems. Bei einer weiteren Ausführungsform des EV-Systems ist jedes Batterie-Steuermodul zum Ermöglichen einer von ihm selbst an eine andere Einrichtung des EV-Systems oder umgekehrt gerichteten unidirektionalen Kommunikation ausgeführt.
  • Bei einer Ausführungsform des EV-Systems mit Batterie-Steuermodulen, die bidirektionale Kommunikation bereitstellen, ist jedes Batterie-Steuermodul zum Steuern gewünschter Batterie-Betriebsparameter, z.B. Spannung, Strom oder effektiver Widerstand einer jeweiligen Batterie in einem Batteriesatz, ausgeführt, indem diese Daten an eine fahrzeuginterne Steuereinheit 22 des EV-Systems, die nachstehend genauer beschrieben ist, übermittelt werden, und von dieser Steuereinheit ein Steuersignal zum Ausführen einer bestimmten Funktion empfangen wird. Ferner können Batterie-Steuermodule für bidirektionale Kommunikation so ausgeführt sein, dass sie unabhängig von der Steuereinheit Informationen untereinander austauschen, um bestimmte gewünschte Operationen auszuführen, z.B. eine Übermittlung von Spannungsdaten zwischen den Batterie-Steuermodulen und die Bereitstellung einer vorbestimmten Steuerungsfunktion in Antwort darauf. Bei einer Ausführungsform dieser Art würden die Batterie-Steuermodule selbst ein distributives Steuerungssystem bereitstellen und dadurch die Steuereinheit ergänzen bzw. ersetzen.
  • Bei einer Ausführungsform des EV-Systems mit Batterie-Steuermodulen, die unidirektionale Kommunikation bereitstellen, indem nur Daten übermittelt werden, ist jedes Batterie-Steuermodul zum Überwachen gewünschter Batterie-Betriebsparameter und zum Übermitteln von Batterie-Betriebsparameterdaten an die Steuereinheit des EV-Systems nach einem vorbestimmten Protokollierungsalgorithmus ausgeführt. Bei einer Ausführungsform des EV-Systems mit Batterie-Steuermodulen, die unidirektionale Kommunikation bereitstellen, indem nur ein Steuersignal empfangen wird, ist jedes Batterie-Steuermodul zum Empfangen eines Steuersignals von der Steuereinheit zum Ausführen einer bestimmten Funktion ausgeführt. EV-Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung können alle Batterie-Steuermodule zur bidirektionalen Kommunikation oder alle beide Typen von Batterie-Steuermodulen zur unidirektionalen Kommunikation oder Kombinationen derselben umfassen. Ferner können erfindungsgemäße Batterie-Steuermodule zum Speichern gewünschter Informationen über Batterie-Betriebsparameter und/oder die Batterieleistung zur internen oder externen Abfrage konfiguriert sein.
  • Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen EV-Systems besteht darin, dass die Kommunikation zwischen der Steuereinheit und den einzelnen Batterie-Steuermodulen bewerkstelligt wird, indem anstelle einer herkömmlichen Übertragungseinrichtung, z. B. durch Verwendung elektrisch leitender Drähte, ein Radiofrequenzsignal genutzt wird. Ein bidirektionales oder unidirektionales Sende-Batterie-Steuermodul gemäß der vorliegenden Erfindung ist zum Empfangen eines analogen Eingangssignals von einem oder mehreren Überwachungselementen oder Sensoren für eine jeweilige Batterie, zum Umwandeln des Analogsignals in ein Digitalsignal und zum Senden des Signals unter Nutzung einer festgelegten Radiofrequenz an eine Steuereinheit 22 des EV-Systems ausgeführt, wie dies nachstehend näher beschrieben ist. Um eine Übertragung des Radiofrequenzsignals innerhalb des Fahrzeugs zu ermöglichen, dient der Hauptleiter 16 als Übertragungsmedium, wobei die Radiofrequenz-Eingänge und Ausgänge der einzelnen Batterie-Steuermodule 18 und der Steuereinheit 22 mit diesem verbunden sind. Der Hauptleiter 16 fungiert als Übertragungsmedium zum Senden eines Radiofrequenzsignals von jedem dieser Batterie-Steuermodule an die Steuereinheit des EV-Systems bzw. von einem Batterie-Steuermodul zu einem anderen, ohne dass die Notwendigkeit eines Vorsehens zusätzlicher Verdrahtung besteht.
  • Ein nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ausgeführtes EV-System umfasst eine Steuereinheit 22, die einen Signalleiter umfasst, der zum Empfangen und/oder zum Senden von Radiofrequenzsignalen an die bzw. von den einzelnen Batterie-Steuermodulen 18 mit dem Hauptleiter 16 verbunden ist. Die Steuereinheit 22 ist im batteriebetriebenen Mechanismus angeordnet. Der Einbauplatz der Steuereinheit kann von einer Reihe unterschiedlicher Variablen abhängen, zum Beispiel vom verfügbaren Platz, Batteriesatztyp und dergleichen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Steuereinheit 22 als Teil eines Leistungssteuerungsgeräts oder Motorstellers 12 ausgeführt sein. Bei einer Ausführungsform des EV-Systems mit Batterie-Steuermodulen für bidirektionale Kommunikation ist die Steuereinheit 22 für den Empfang von Batterie-Betriebsparameterdaten von einem oder mehreren festgelegten Batterie-Steuermodulen, zum Verarbeiten der Daten nach einem vorbestimmten Steuerungsprogramm und zum Senden von Überwachungs-, Mess- und/oder Steuerungsanweisungen an ein oder mehrere festgelegte Batterie-Steuermodule 18 ausgeführt. Bei einer Ausführungsform des EV-Systems mit unidirektionalen Sende-Batterie-Steuermodulen ist die Steuereinheit 22 nur zum Empfangen von Batterie-Betriebsparameterdaten von einem oder mehreren festgelegten Batterie-Steuermodulen ausgeführt. Bei einer Ausführungsform des EV-Systems mit unidirektionalen Empfangs-Batterie-Steuermodulen ist die Steuereinheit 22 zum Senden von Batterie-Betriebsparameter-Steuersignalen an ein oder mehrere festgelegte Batterie-Steuermodule ausgeführt.
  • Ein wesentliches Merkmal der Steuereinheit 22 besteht darin, dass sie – wie die Batterie-Steuermodule 18 – zum Empfangen von Radiofrequenzsignalen von bzw. zum Senden von Radiofrequenzsignalen an die einzelnen Batterie-Steuermodule 18 durch den Hauptleiter 16 ausgeführt ist. 1 zeigt ein EV-System mit einer Steuereinheit 22, die als eine einzelne Einheit ausgeführt ist. Bei einer Verwendung mit Batterie-Steuermodulen für bidirektionale Kommunikation erfasst die Steuereinheit das Eingangs-Radiofrequenzsignal von den einzelnen Batterie-Steuermodulen und wandelt dieses in ein digitales Signal um. Das Digitalsignal wird dann durch einen Prozessor geführt, der das Digitalsignal nach einem Steuerungsprogramm auswertet und ein digitales Ausgangssteuersignal bereitstellt. Eine Steuereinheit 22 dieser Art ist zum Erfassen des digitalen Ausgangssteuersignals, zum Umwandeln dieses Signals in ein Radiofrequenz-Steuersignal und zum Senden des Radiofrequenz-Steuersignals an ein oder mehrere festgelegte Batterie-Steuermodule 18 ausgeführt.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines EV-Systems mit einer Steuereinheit 64, die für eine Zusammenarbeit mit einer separaten Schnittstelleneinheit 66 ausgeführt ist. Bei einer Verwendung mit Batterie-Steuermodulen für bidirektionale Kommunikation dient die separate Schnittstelleneinheit 66 sowohl zum Empfangen der von den Batterie-Steuermodulen gesendeten Radiofrequenzsignale und zum Umwandeln dieser Signale in Digitalsignale zur Weiterleitung an die Steuereinheit 64, als auch zum Empfangen digitaler Ausgangssteuersignale von der Steuereinheit 64 und zum Umwandeln dieser Signale in Radiofrequenz-Steuersignale zur Weiterleitung an ein oder mehrere festgelegte Batterie-Steuermodule 18 oder an ein anderes Gerät des EV-Systems, z.B. ein fahrzeuginternes Batterieladegerät.
  • Um Übertragungen von der Steuereinheit 22 an ein oder mehrere festgelegte Batterie-Steuermodule 18 zu ermöglichen, umfasst die Steuereinheit des EV-Systems eine Vorrichtung, die jedes Ausgangssteuersignal, das von einem oder mehreren festgelegten Batterie-Steuermodulen 18 erkannt werden muss, codiert bzw. adressiert. Jedes Batterie-Steuermodul ist auch mit einer Zusatzeinrichtung zum Lesen des Steuersignals ausgeführt, um zu bestimmen, ob das jeweilige Steuersignal an das betreffende Batterie-Steuermodul adressiert ist. Bei einer Ausführung dieser Art kann die Steuereinheit 22 auch Steuersignale an ein oder mehrere festgelegte Batterie-Steuermodule senden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann jedes Batterie-Steuermodul ferner zum Erkennen von mehr als einem adressierten Steuersignal konfiguriert sein, damit die Steuereinheit mehr als ein Batterie-Steuermodul gleichzeitig ansteuern kann. Dies ist unter bestimmten Betriebsbedingungen wünschenswert, zum Beispiel, wenn die Energiequelle oder der Batteriesatz kalt sind und man möchte, dass eine Anzahl Batterie-Steuermodule angesteuert wird, um eine Anzahl Batterien im Batteriesatz zu erwärmen und dadurch eine bessere Batterieleistung bereitzustellen. Ebenso ist es wünschenswert, dass die Batterie-Steuermodule so konfiguriert sind, dass sie gleichzeitig auf ein gegebenes, von der Steuereinheit gesendetes Befehlssignal reagieren, um gleichzeitig von jeder Batterie in einem Batteriesatz erfasste Daten, wie beispielsweise die Batteriespannung, bereitzustellen oder um erfasste Daten dieser Art in einer Speichervorrichtung des Batterie-Steuermoduls zum späteren Abfragen zu speichern, z.B. durch Radiofrequenz-Übertragung in Antwort auf ein festgelegtes Steuersignal, das von der Steuereinheit gesendet wird.
  • Nimmt man weiterhin Bezug auf 1, so kann ein nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ausgeführtes EV-System eine Vorrichtung umfassen, die sicherstellt, dass Radiofrequenzsignale zwischen der Steuereinheit 22 und den einzelnen Batterie-Steuermodulen 18 im Falle einer Unterbrechung in einer Batterie nicht abgeschnitten oder getrennt werden. Bei einer Ausführungsform ist diese Vorrichtung ein Kondensator 24, der über den positiven und negativen Klemmen jeder jeweiligen Batterie 10 in paralleler elektrischer Schaltung zu den Stromzuleitungen 20 eines jeweiligen Batterie-Steuermoduls angeordnet ist. Der Kondensator sorgt für den Durchgang [von] Radiofrequenzsignalen durch die Batterie im Falle einer Unterbrechung. Werden diese Kondensatoren 24 nicht verwendet, könnte eine Unterbrechung in einer Batterie im Batteriesatz die Radiofrequenzübertragung zwischen der Steuereinheit und den Batterie-Steuermodulen hinter der Unterbrechung abschneiden. Es ist davon auszugehen, dass jeder der Kondensatoren 24 in einem jeweiligen Batterie-Steuermodul angeordnet ist, diese in 1 jedoch aus Gründen der besseren Verdeutlichung und Darstellung als außerhalb der einzelnen Batterie-Steuermodule befindlich dargestellt sind.
  • Ein nach den Grundsätzen der vorliegenden ausgeführtes EV-System kann auch eine Vorrichtung zum Schutz der Steuereinheit 22 vor Hochspannungsdifferentialen zwischen dem Hauptleiter 16 und der Steuereinheit und zum Ausfiltern von anderen Signalen als die durch die Batterie-Steuermodule gesendeten Radiofrequenzsignale umfassen. Bei einer Ausführungsform ist diese Vorrichtung ein Kondensator 26, der zwischen der Steuereinheit 22 und dem Hauptleiter 16 in Reihe geschaltet ist. Der Kondensator dient hauptsächlich dazu, die Steuereinheit 22 von jedweden Hochspannungsdifferentialen zu trennen, die sich ergeben können. Der Kondensator 26 weist auch Hochpass-Filtermerkmale auf, um den Durchgang von Radiofrequenzsignalen zur und von der Steuereinheit zu ermöglichen. Die untere Abschaltfrequenz des Hochpass-Filters bestimmt sich aus den Werten der Frequenzen, die zur Radiofrequenzkommunikation genutzt werden, und ist bei dieser Ausführungsform auf etwa 30 Kilohertz eingestellt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Verwendung eines Kondensators 26 dieser Art optional ist.
  • Ein nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ausgeführtes EV-System kann auch eine Vorrichtung zum Verhindern des Durchgangs von Hochfrequenzsignalen von anderen elektrischen Einrichtungen umfassen, die durch den Hauptleiter 16 mit dem elektrischen System verbunden sind, und zum Verhindern einer Ableitung von Radiofrequenzsignalen aus dem EV-System zum Leistungssteuerungsgerät bzw. Motorsteller. Bei einer beispielhaften Ausführungsform dienen Vorrichtungen dieser Art zur Sicherstellung, dass die von den einzelnen Batterie-Steuermodulen erzeugten Radiofrequenzsignale an die Steuereinheit übertragen [werden], und zur Sicherstellung, dass jedes von der Steuereinheit für die einzelnen Batterie-Steuermodule erzeugtes Radiofrequenzsignal frei von Hochfrequenzrauschen oder Signalverlust [ist/übertragen wird]. Bei einer Ausführungsform dienen diese Vorrichtungen zum Ausschließen eines Durchgangs von Hochfrequenzsignalen, die vom Motorsteller 12 erzeugt werden, zum Hauptleiter 16 und zum Verhindern des Durchgangs der Radiofrequenzsignale vom Hauptleiter zum Motorsteller. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Verhindern des Durchgangs von Hochfrequenzsignalen vom Motorsteller und zum Ausschluss von Radiofrequenzverlusten durch den Motorsteller Isolierbänder 28, die aus einem Signalfilterungsmaterial hergestellt sind. Die Bänder 28 werden jeweils neben jeder Anschlussstelle zum Motorsteller 12 um den Hauptleiter 16 angeordnet.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Bänder 28 aus Ferritperlen, die zum Ausfiltern bzw. zum Verhindern eines Durchgangs von Hochfrequenzsignalen von mehr als etwa 100 Kilohertz vom Motorsteller 12 in den Hauptleiter 16 dienen. Die Ferritperlen verhindern auch eine Weiterleitung des Radiofrequenzsignals des EV-Systems in den Motorsteller, um Signalverluste auszuschließen.
  • Nimmt man nun wieder Bezug auf 1, so umfasst das elektrische System des elektrisch angetriebenen Mechanismus oder Fahrzeugs ein Batterieladegerät 29. Das EV-System ist als ein System dargestellt, das zum Verbinden mit einem Batterieladegerät 29 ausgeführt ist. Bei einer Ausführungsform kann das Batterieladegerät 29 im elektrischen Fahrzeug angeordnet sein und umfasst Gleichstrom-Leitungen 30, die über den Hauptleiter 16 mit dem Batteriesatz elektrisch verbunden sind. Bänder 28, die mit den vorstehend erläuterten identisch sind, sind aus den gleichen Gründen, die vorstehend erläutert wurden, um die Leitungen 30 neben jeder Anschlussstelle zum Ladegerät 29 angeordnet. Das Ladegerät 29 umfasst eine Stromanschlussleitung 31, die zum Ermöglichen einer Verbindung mit einer externen Wechselstromquelle ausgeführt ist. Das Batterieladegerät 29 kann entweder im Fahrzeug oder außerhalb des Fahrzeugs vorgesehen sein. Bei einer Ausführung des EV-Systems sind das Batterieladegerät 29 und die Steuereinheit 22 als eine einzelne Einheit ausgeführt, die in dem Fahrzeug eingebaut ist. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des EV-Systems ist das Batterieladegerät 29 in dem elektrisch angetriebenen Mechanismus bzw. Fahrzeug eingebaut und ist von der Steuereinheit 22 getrennt. Bei einer weiteren Ausführungsform des EV-Systems, die in 5 gezeigt ist, kann das Batterieladegerät im Fahrzeug eingebaut und zum Empfangen eines in digitaler oder analoger Form vorliegenden Steuersignals von der fahrzeuginternen Steuereinheit 22 über die Schaltung 68 konfiguriert sein. Das Batterieladegerät 29 kann so konfiguriert sein, dass es Batteriedaten vom EV-System abfragt, und es kann einen eigenen Prozessor aufweisen, der in der Lage ist, sich entweder selbsttätig, d.h. ohne auf die Steuereinheit 22 zuzugreifen, oder durch die Steuereinheit an die Batterie-Steuermodule anzukoppeln.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform des EV-Systems ist das Batterieladegerät 29 außerhalb des elektrischen Fahrzeugs angeordnet und umfasst Gleichstromleitungen 30, die zum Ermöglichen einer temporären elektrischen Verbindung mit dem Hauptleiter 16 beim Laden des Batteriesatzes ausgeführt sind. Die temporäre elektrische Verbindung kann durch eine Verwendung herkömmlicher Anschlusstechniken bewerkstelligt werden, zum Beispiel durch die Verwendung lösbarer verdrahteter Anschlüsse, induktive Kopplung und dergleichen. Wie bei der Ausführungsform mit fahrzeuginternem Ladegerät sind Bänder 28 um die Stromleitungen 30 neben den Anschlussstellen zum externen Ladegerät angeordnet. Das externe Ladegerät kann Teil eines Batteriesatz-Ladesystems sein, das in einem Fahrzeugreparaturbetrieb, einem öffentlichen oder privaten Parkhaus oder dergleichen unterhalten wird.
  • Das EV-System umfasst eine zweite Steuereinheit 33, die außerhalb des Fahrzeugs angeordnet ist. Die zweite Steuereinheit bzw. die externe Steuereinheit 33 ist an eine Leitung 30 des fahrzeuginternen oder externen Ladegeräts 29 angebracht. Die externe Steuereinheit 33 ist in der gleichen Weise wie die vorstehend und nachstehend beschriebene Steuereinheit 22 zum Kommunizieren mit der fahrzeuginternen Steuereinheit 22 und/oder den Batterie-Steuermodulen durch Radiofrequenzübertragung über verdrahtete, Funk- oder induktive Signalkopplung konfiguriert. Im Speziellen dient die externe Steuereinheit 33 zur Gberwachung von Batterie-Betriebsparametern und zur Ansteuerung einer oder mehrerer Batterie-Steuermodule zum Regulieren des Betriebs einer oder mehrerer Batterien oder Batteriezellen, wenn der Batteriesatz geladen wird. Zusätzlich wird die externe Steuereinheit, wie dies nachstehend genauer beschrieben ist, zum Abfragen von Leistungsdaten des Batteriebetriebs, die in der fahrzeuginternen Steuereinheit 22 und/oder in Batterie-Steuermodulen gespeichert sind, während des Ladens oder einer anderen Art der Batteriesatzinstandhaltung oder -wartung verwendet. Ein Kondensator 35, der mit dem vorstehend erläuterten Kondensator 26 identisch ist, ist zwischen einer Radiofrequenz-Übertragungsleitung vom externen Steuerwerk und der Leitung 30 in Reihe geschaltet.
  • Die externe Steuereinheit 33 ist zur Aufnahme einer Verbindung mit einer Benutzerschnittstelle 37 zum Ermöglichen einer Programmierung der fahrzeuginternen Steuereinheit 22 und zum Zugreifen auf Informationen ausgeführt, die in der fahrzeuginternen Steuereinheit und/oder den Batterie-Steuermodulen gespeichert sind. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die externe Steuereinheit als Teil des externen Ladegeräts ausgeführt und zum Empfangen von Batterie-Leistungsdaten, die aus Batterie-Steuermodulen oder der Steuereinheit 22 geladen werden, sowie zum Regulieren von Batteriebetriebsparametern während des Ladens des Batteriesatzes programmiert. Alternativ kann die Benutzerschnittstelle 37 auch zur direkten Kommunikation mit der fahrzeuginternen Steuereinheit 22, zum Abfragen gewünschter Informationen oder zum Programmieren der Steuereinheit über eine zweckmäßige Verbindungsanordnung ausgeführt sein, z.B. durch Analogsignal, Digitalsignal, Radiofrequenzsignal und dergleichen. Ferner kann die Benutzerschnittstelle 37 zum Programmieren oder Abfragen von Daten aus anderen Einrichtungen verwendet werden, die mit dem Batterie-Steuermodul kommunizieren oder von diesem angesteuert werden, z.B. der Motorsteller und/oder das Batterieladegerät.
  • Nimmt man nun Bezug auf 2, so umfasst jedes Batterie-Steuermodul 18 ein oder mehrere Überwachungselemente bzw. Sensoren 32, die zum Messen bzw. Überwachen einer festgelegten Stromquelle oder eines festgelegten Batterie- Betriebsparameters konfiguriert sind. Bei einer Ausführungsform umfasst jedes Batterie-Steuermodul 18 zwei Überwachungselemente 34 und 36 zum Messen der Spannung und der Temperatur einer jeweiligen Batterie. Jedes Überwachungselement 32 ist für einen Betrieb mit 12 Volt Gleichstrom und zum Bereitstellen eines analogen Signalausgangs in einem Bereich von etwa null bis fünf Volt Gleichstrom konfiguriert. Bei einer Ausführungsform, bei der ein Batterie-Steuermodul mehr als ein Überwachungselement 32 umfasst, ist ein analoger Multiplexer 38 vorgesehen, der zur Aufnahme der analogen Signalausgänge von den einzelnen Überwachungselementen konfiguriert ist, z.B. das Spannungsüberwachungselement 34 und das Temperaturüberwachungselement 36. Der Betrieb des Multiplexers 38 wird durch ein Steuerwerk im Batterie-Steuermodul gesteuert, das nachstehend näher erläutert ist.
  • Jedes bidirektionale bzw. unidirektionale Sende-Batterie-Steuermodul 18 umfasst einen Spannungs-Frequenz-Wandler 40, der zum Empfangen eines analogen Eingangssignals von dem analogen Multiplexer 38 und zum Umwandeln des analogen Signals in ein Digitalsignal, welches als eine bestimmte Folge von Spannungsimpulsen und dergleichen aufgebaut ist, konfiguriert ist. Bei einer Ausführungsform ist der Wandler 40 zum Empfangen eines analogen Eingangssignals von null bis fünf Volt Gleichstrom und zum Umwandeln des Eingangssignals in ein Impulssignal konfiguriert, das entweder keinen Ausgang (auch als logische Null bezeichnet) oder einen Ausgang von etwa fünf Volt (auch als logische Eins bezeichnet) aufweist, wobei die Spannungsdaten als die Frequenz einer Impulsfolge codiert sind. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Übermittlung von Daten auch durch andere gebräuchliche analoge und digitale Übertragungsverfahren bewerkstelligt werden kann.
  • Jedes bidirektionale bzw. unidirektionale Sende-Batterie-Steuermodul 18 umfasst einen Radiofrequenz-Sender (RF-Sender) 42, der zum Modulieren des Impulssignalausgangs vom Wandler 40 konfiguriert ist. Der Radiofrequenzsender 42 kann ein Breitbandsender sein, zum Beispiel ein FSK-Sender (Frequency Shift Keying – Frequenzumtastung). Ein Ausgang von dem RF-Sender 42 ist mit dem Hauptleiter 16 verbunden, damit das Radiofrequenzsignal über den Hauptleiter 16 an die Steuereinheit 22 übertragen wird. Bei einer Ausführungsform ist der RF-Sender zum Übermitteln eines Breitband-Radiofrequenzsignals von etwa 5,5 Megahertz konfiguriert. Der Betrieb der einzelnen RF-Sender wird durch eine Zeitschaltung in einem Steuerwerk des jeweiligen Batterie-Steuermoduls gesteuert.
  • Jedes bidirektionale bzw. unidirektionale Empfangs-Batterie-Steuermodul 18 umfasst eine Vorrichtung zum Ausschließen des Durchgangs von Hochfrequenzsignalen außerhalb des Bereichs der von dem EV-System gesendeten Radiofrequenzsignale in das Batterie-Steuermodul. Bei einer Ausführungsform ist diese Vorrichtung ein Eingangsfilter 44, das zwischen dem Hauptleiter 16 und einem RF-Demodulator in dem Batterie-Steuermodul in Reihe geschaltet ist. Bei einer Ausführungsform ist das Eingangsfilter 44 als ein 4,5 Megahertz Bandpassfilter zum Verhindern des Durchgangs von Radiofrequenzsignalen über und unter etwa 4,5 Megahertz konfiguriert und ist als Gleichtaktunterdrückungsfilter ausgeführt, um damit mögliche Signalinterferenzen zu reduzieren oder auszuschließen.
  • Bei einer Ausführungsform des EV-Systems wird ein von der Steuereinheit 22 über den Hauptleiter 16 übermitteltes Radiofrequenzsignal mit einer Breitband-Radiofrequenz von etwa 4,5 Megahertz in Abhängigkeit von dem jeweiligen digitalen Steuersignal an die einzelnen bidirektionalen bzw. unidirektionalen Empfangs-Batterie- Steuermodule übertragen. Jedes von der Steuereinheit übermittelte Radiofrequenz-Steuersignal setzt sich aus einer Adressfolge an ein oder mehrere Batterie-Steuermodule und einer bestimmten Befehlsfolge zusammen. Jedes Batterie-Steuermodul 18, das bei dieser Art von Ausführungsform eines EV-Systems verwendet wird, umfasst einen RF-Demodulator 46 oder dergleichen, der zum Empfangen eines von der Steuereinheit 22 übermittelten Radiofrequenz-Steuersignals konfiguriert ist und dieses in ein Digitalsignal demoduliert. Bei einer Ausführungsform ist der RF-Demodulator 46 in der Lage, ein Breitband-Radiofrequenz-Steuersignal von 4,5 Megahertz zu empfangen und dieses in ein Null- oder Fünf-Volt-Digitalsignal umzuwandeln.
  • Jedes Batterie-Steuermodul 18, das bei dieser Art von Ausführungsform eines EV-Systems verwendet wird, umfasst eine Vorrichtung zum Decodieren des digitalen Steuersignals, das von dem RF-Demodulator 46 empfangen wird. Bei einer Ausführungsform ist die Decodiervorrichtung ein sogenannter POCSAG-Decoder (POCSAG – Post Office Code Standardization Advisory Group), der auch als CCIR-Paging-Code Nr. 1 (CCIR – Consultative Committee International Radio) bekannt ist. Es ist jedoch davon auszugehen, dass auch andere, allgemein bekannte Decodiereinrichtungen verwendet werden können. Der POCSAG-Decoder 48 ist in der Lage festzustellen, ob das digitale Steuersignal, d.h. die adressierte Befehlsfolge, die empfangen wird, an ein oder mehrere bestimmte Batterie-Steuermodule 18 adressiert ist. Wenn ein korrekt adressierter Code erkannt wird, übergibt der POCSAG-Decoder den restlichen Abschnitt des Signals, d.h. die Befehlsfolge, an ein Steuerwerk 50. Wenn der POCSAG-Decoder einen falsch adressierten Code empfängt, wird die restliche Befehlsfolge nicht an das Steuerwerk 50 weitergeleitet. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann jedes Batterie-Steuermodul 18 zum Erkennen eines oder mehrerer Adresscodes konfiguriert sein, so dass, falls gewünscht, Gruppen aus mehr als einem Batterie-Steuermodul gleichzeitig angesteuert werden können. Allgemein erhältliche Transceiver stellen auch integrierte Kommunikations- und/oder Vermittlungsprotokolle bereit, die anstelle des vorstehend erläuterten POCSAG-Decoders verwendet werden können.
  • Wenngleich ein Batterie-Steuermodul in 2 50 dargestellt ist und vorstehend so beschrieben wurde, dass es ein separates Eingangsfilter 44, einen FM-Modulator 46, einen Decoder 48 und einen FM-Sender 42 umfasst, ist davon auszugehen, dass anstelle dieser separaten Einrichtungen ein oder mehr integrierte Einrichtungen verwendet werden können, die in der Lage sind, die gleichen Funktionen bereitzustellen, zum Beispiel ein Transceiver.
  • Für bidirektionale bzw. unidirektionale Empfangs-Batterie – Steuermodule ist das Steuerwerk 50 zum Empfangen des digitalen Eingangssteuersignals, d.h. der von der Steuereinheit 22 übermittelten Befehlsfolge, und zum Feststellen, ob dieses einem vorbestimmten Befehl entspricht, konfiguriert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform führt das Steuerwerk 50 einen einfachen Pattern-Abgleich durch, um festzustellen, ob die Befehlsfolge einem der sechs folgenden, vorbestimmten Befehle entspricht: (1) Nebenschluss und Spannung senden; (2) Nebenschluss und Temperatur senden; (3) Nebenschluss und nicht senden; (4) Temperatur senden; (5) Spannung senden; (6) kein Nebenschluss und nicht senden; (7) Spannung aufzeichnen und Wert in der Speichervorrichtung des Batterie-Steuermoduls speichern; (8) in der Speichervorrichtung des Batterie-Steuermoduls gespeicherte Spannung senden; (9) die Leuchtdiode oder eine andere optische Anzeigeeinrichtung des Batterie-Steuermoduls über einen Zeitraum einschalten; (10) die Leuchtdiode oder eine andere optische Anzeigeeinrichtung des Batterie-Steuermoduls einschalten und eingeschaltet lassen; (11) die Leuchtdiode oder eine andere optische Anzeigeeinrichtung des Batterie-Steuermoduls ausschalten; (12) den Summer oder eine andere akustische Anzeigeeinrichtung des Batterie-Steuermoduls ein- bzw. ausschalten; oder (13) Stromnebenschlussschaltungselement ein- bzw. ausschalten. Sobald das Steuerwerk 50 eine bestimmte Befehlsfolge identifiziert hat, gibt es ein Steuersignal zum Einschalten einer bestimmten Vorrichtung aus. Das Steuersignal kann übermittelt werden, um eine oder mehrere Vorrichtungen einzuschalten, die den RF-Sender 42, den analogen Multiplexer 38 und eine oder mehrere Steuereinrichtungen umfassen, wie dies nachstehend erläutert ist. Das Steuerwerk 50 kann auch so programmiert sein, dass es veranlasst, dass das Batterie-Steuermodul Batterie-Überwachungs- und Steuerungsfunktionen in Antwort auf interne Kriterien oder in Antwort auf von anderen Batterie-Steuermodulen übermittelte Signale statt in Antwort auf Steuersignale von der Steuereinheit 22 ausführt.
  • Wie dies in 4 für ein bidirektionales Batterie-Steuermodul gezeigt ist, ist ein Ausgang vom Steuerwerk 50 mit dem RF-Sender 42 verbunden, um den Sender in Antwort auf eine bestimmte Befehlsfolge zu betreiben, die von der Steuereinheit 22 erhalten wird, wie beispielsweise die vorstehenden Befehle 1–2 und 4–5. Der Ausgang vom Steuerwerk 50 ist auch mit dem analogen Multiplexer 338 verbunden, um in Antwort auf einen bestimmten Befehl, der von der Steuereinheit 22 erhalten wird, beispielsweise die vorstehenden Befehle 1–2 und 4–5, zwischen dem Spannungs- und dem Temperaturüberwachungselement 34 bzw. 36 hin- und herzuschalten.
  • Batterie-Steuermodule der vorliegenden Erfindung können auch zum Speichern von Batterie-Parameter- und/oder Leistungsdaten konfiguriert sein. Nimmt man Bezug auf 6, so ist bei Batterie-Steuermodulen dieser Art das Steuerwerk 50 mit einer Speichervorrichtung 70 verbunden, die zum Speichern von Batterie-Betriebsparameter- und Batterie-Leistungsdaten, die von den Überwachungselementen 34 und 36 gesammelt wurden, und zum Liefern dieser gespeicherten Daten an das Steuerwerk, wenn eine Abfrage gewünscht ist, konfiguriert ist. Die Speichervorrichtung kann ein serielles EEPROM, ein SRAM, ein Flash-Speicher oder ein sonstiger Typ eines nichtflüchtigen Speichers sein, einschließlich eines Speichers, der sich im Steuerwerk 50 befindet.
  • Die von den Überwachungselementen 34 und 36 gesammelten Batterie-Betriebsparameter- und Leistungsdaten werden über den analogen Multiplexer 38 an das Steuerwerk 50 übermittelt, wenn eine Speicherung dieser gesammelten Daten gewünscht ist. Das Steuerwerk 50 kann zum Speichern dieser Daten betrieben werden, zum Beispiel in Antwort auf ein bestimmtes RF-Steuersignal, das von der Steuereinheit 22 gesendet wird. Die gespeicherten Daten können die momentane und die mittlere Spannung, Batterie-Mindest- und Höchstspannung, Daten zu einzelnen Batteriezellen, Anzahl und Profil der Batterie-Lade- und Entladungszyklen, Alter der Batterie und dergleichen umfassen. Die Möglichkeit eines Speicherns dieser Batterie-Betriebsparameter- und Leistungsdaten in einem Batterie-Steuermodul ist wünschenswert, um beispielsweise hinsichtlich der Gültigkeit einer Batteriegarantie festzustellen, ob eine überwachte Batterie ordnungsgemäß verwendet wurde. Bei einem bidirektionalen Batterie-Steuermodul kann von der Speichervorrichtung 70 auf die gespeicherten Daten zugegriffen werden, zum Beispiel in Antwort auf ein RF-Steuersignal, das entweder von der fahrzeuginternen Steuereinheit 22 oder der externen Steuereinheit 33 durch RF-Signal über den FM-Sender 42 an das Steuerwerk 50 übermittelt wird. Bei einem unidirektionalen Sende-Batterie- Steuermodul können die gespeicherten Daten zur abfragebasierten internen Programmierung des Steuerwerks 50 übertragen werden.
  • Wie dies in 6 gezeigt ist, kann ein Batterie-Steuermodul dieser Erfindung ferner so konfiguriert sein, dass es eine analoge oder digitale Vorrichtung umfasst, die der Steuereinheit 22, anderen Batterie-Steuermodulen oder anderen Einrichtungen des EV-Systems Positions- und Identifikationsdaten von Batterie-Steuermodulen bereitstellt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist diese Lokalisierungseinrichtung ein DIP-Schalter 72, der mit dem Steuerwerk 50 verbunden ist. Der DIP-Schalter 72 für die einzelnen Batterie-Steuermodule kann während der Komponenten- oder Fahrzeugmontage jeweils so eingestellt werden, dass jedes Batterie-Steuermodul eigenständig identifiziert werden kann, wodurch jedes bidirektionale- bzw. unidirektionale Sende-Batterie-Steuermodul den so eingestellten DIP-Schalter an die Steuereinheit oder eine andere Einrichtung des EV-Systems senden kann, um die Position des Batterie-Steuermoduls innerhalb eines Batteriesatzes anzuzeigen. Ferner können die DIP-Schalter dazu verwendet werden, unterschiedliche Batterietypen in einem Batteriesatz zu identifizieren bzw. voneinander zu unterscheiden, d.h. um einen Bleiakkumulator oder einen Nickel-Cadmium-Akkumulator zu erkennen bzw. diese voneinander zu unterscheiden.
  • Falls dies gewünscht ist, kann ein Batterie-Steuermodul dieser Erfindung, wie dies in 6 gezeigt ist, eine optische Anzeigevorrichtung und/oder eine akustische Anzeigevorrichtung zum Identifizieren eines Batterie-Steuermoduls in einem Batteriesatz umfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die geeignete optische Anzeigevorrichtung eine Leuchtdiode 74, die mit dem Steuerwerk 50 des Batterie-Steuermoduls verbunden und auf dem Batterie-Steuermodul angeordnet ist, um eine visuelle Kontrolle zu ermöglichen, wenn das Batterie-Steuermodul innerhalb eines Batteriesatzes angeordnet ist. Die Leuchtdiode 74 kann durch ein Steuersignal von der Steuereinheit 22, ein internes Protokoll des Batterie-Steuermoduls, ein Signal von einem anderen Batterie-Steuermodul oder durch ein Signal von irgendeiner anderen Einrichtung des EV-Systems angesteuert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die geeignete akustische Anzeigevorrichtung ein Summer 76, der mit dem Steuerwerk 50 des Batterie-Steuermoduls verbunden und auf dem Batterie-Steuermodul angeordnet ist, um eine akustische Meldung zu ermöglichen, wenn das Batterie-Steuermodul innerhalb eines Batteriesatzes angeordnet ist. Der Summer 76 kann, ebenso wie die Leuchtdiode, durch ein Steuersignal von der Steuereinheit 22, ein internes Protokoll des Batterie-Steuermoduls, durch ein Signal von einem anderen Batterie-Steuermodul oder ein Signal von irgendeiner anderen Einrichtung des EV-Systems angesteuert werden. So können die Leuchtdiode und/oder der Summer eines oder mehrerer Batterie-Steuermodule beispielsweise durch ein Steuersignal von der Steuereinheit 22 in Antwort auf eine Veränderung der erfassten Batterieparameter für jeweilige Batterien angesteuert werden.
  • Der Ausgang des Steuerwerks 50 ist mit einem oder mehreren Steuerelementen oder -geräten verbunden, um eine gewisse Änderung bei einem oder mehreren Betriebsparametern herbeizuführen oder um thermisches Management für die jeweilige Batterie bzw. Batteriezelle zu bewirken, die von dem Batterie-Steuermodul 18 überwacht wird. Bei der vorliegenden Erfindung ist das Steuergerät eine Bypass-Nebenschlusseinrichtung 52.
  • Wie in 7 gezeigt ist, ist die Bypass-Nebenschlusseinrichtung 52 über der positiven und negativen Klemme 78 bzw. 80 einer jeweiligen Batterie 82 angeordnet und kann zum Entladen einer jeweiligen Batterie im Batteriesatz durch eine oder mehrere Nebenschlusseinrichtungen in Abhängigkeit von einem bestimmten Steuersignal konfiguriert sein, das empfangen wird. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Bypass-Nebenschlusseinrichtung 52 einen oder mehrere Schalter 84, die parallel angeordnet und zum Empfangen eines Steuersignals von einer Einrichtung des EV-Systems konfiguriert sind, z.B. die Steuereinheit 22 oder das Steuerwerk 50 des Batterie-Steuermoduls. Mit jedem Schalter in Reihe geschaltet ist eine spezielle Strom-Nebenschlusseinrichtung 86, die durch Ansteuern eines jeweiligen Schalters 84 in Betrieb gesetzt wird. Der zur Verwendung mit der Bypass-Nebenschlusseinrichtung 52 gewählte Strom-Nebenschlusseinrichtungstyp kann je nach spezieller Anwendung variieren, kann jedoch einen oder mehrere unterschiedliche Parallelwiderstände umfassen, die dazu verwendet werden können, eine gewünschte Entladungsrate für eine jeweilige Batterie zu bewerkstelligen, um innerhalb eines Batteriesatzes einen Batterieausgleich zu erzielen. Ferner kann die Strom-Nebenschlusseinrichtung 86 eine thermoelektrische Vorrichtung zum Bewerkstelligen des thermischen Managements einer jeweiligen Batterie sein, z.B. zum Erwärmen oder Kühlen der Batterie, um die Batterie- Betriebs- oder Ladebedingungen zu optimieren. Dementsprechend kann die Bypass-Nebenschlusseinrichtung zum Nebenschließen von Batteriestrom zum Batterieausgleich oder zum thermischen Management verwendet werden. Auch ist davon auszugehen, dass eine Bypass-Nebenschlusseinrichtung dieser Art, wenngleich die Bypass-Nebenschlusseinrichtung in 7 zur besseren Übersicht von dem Batterie-Steuermodul getrennt dargestellt ist, als Teil eines jeweiligen Batterie-Steuermoduls konfiguriert sein kann.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Bypass-Nebenschlusseinrichtung 52 zum Entladen einer jeweiligen Batterie nach Ansteuerung durch das Steuerwerk 50 in Antwort auf einen von der Steuereinheit empfangenen Befehl, zum Beispiel die Befehle 1–3, konfiguriert, um einen Batterieausgleich zu bewirken. Die Bypass-Nebenschlusseinrichtung bewerkstelligt dies, indem sie der Batterie mit einem oder mehreren Widerständen als Strom-Nebenschlusseinrichtung 86 Strom entzieht. Falls dies gewünscht ist, kann die Bypass-Nebenschlusseinrichtung 52 eine weitere thermische Verbindung 88 vom Parallelwiderstand (siehe Strom-Nebenschlusseinrichtung 3 in 7 zu einer der Batterieklemmen oder einem anderen geeigneten Batterieelement aus Metall umfassen, um diese Batterieklemme als Wärmesenke für den Widerstand zu nutzen. Die Verwendung einer Batterieklemme als Wärmesenke für einen Parallelwiderstand ist wünschenswert, da dadurch die Notwendigkeit entfällt, dass die Bypass-Nebenschlusseinrichtung selbst eine Wärmesenke aufweist, wodurch sich die Gesamtgröße der Bypass-Nebenschlusseinrichtung verringert. Wie vorstehend erläutert wurde, kann die Ansteuerung eines Parallelwiderstandes in einer Bypass-Nebenschlusseinrichtung in einem oder mehreren Batterie-Steuermodulen zum Entladen einer oder mehrerer Batterien in einem Batteriesatz wünschenswert sein, um beispielsweise den Spannungsausgang jeder einzelnen Batterie in dem Batteriesatz zu regulieren, um einen Batterieausgleich zu bewerkstelligen oder eine Batterie vor den schädlichen Auswirkungen einer Überladung zu schützen. Bypass-Nebenschlusseinrichtungen dieser Erfindung können auch zum Betrieb durch das jeweilige Batterie-Steuermodul zum Nebenschließen einzelner Batteriezellen in einer Batterie konfiguriert sein.
  • 8 zeigt eine Bypass-Nebenschlusseinrichtung 52 mit einer thermoelektrischen Strom-Nebenschlusseinrichtung in Form einer Batterie-Heizvorrichtung 89 zum Bewerkstelligen des thermischen Batteriemanagements. Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine Batterie-Heizvorrichtung dieser Art eine externe Heizvorrichtung sein, z.B. ein Heizkissen oder eine Heizmatte, die entlang einer Außenfläche der Batterie angeordnet ist, oder sie kann eine interne Heizvorrichtung sein, z.B. ein Heizgerät, das in der Batterie selbst angeordnet ist. Bei beiden Ausführungsformen ist eine solche Strom-Nebenschlusseinrichtung einer Bypass-Nebenschlusseinrichtung zum Erwärmen der Batterie konfiguriert, wenn Strom von der Batterie in Antwort auf ein Steuersignal, das an einen jeweiligen Schalter in der Bypass-Nebenschlusseinrichtung gesendet wird, dort hindurchgeleitet wird. Die Verwendung einer die Batterie beheizenden Strom-Nebenschlusseinrichtung ist wünschenswert, um beispielsweise bei Bedingungen mit niedrigen Temperaturen die Batterie vorzuwärmen, um eine gewünschte Betriebstemperatur zu erreichen. Alternativ könnte eine die Batterie kühlende Strom-Nebenschlussvorrichtung, z.B. ein Peltiermodul, zum Kühlen der Batterie unter bestimmten Batteriebetriebsbedingungen verwendet werden. Bei einer Ausführungsform ist die Strom-Nebenschluss-Batterie-Heizvorrichtung 88 als externes Heizkissen ausgebildet, das unterhalb der Batterie angeordnet ist. Das Heizkissen ist zum Erzeugen eines gewünschten Wärmegrads zum Beheizen der Batterie durch Wärmeleitung in Antwort auf ein Hindurchleiten des Batteriestroms durch dieses konfiguriert. Wenn dies so gewünscht ist, kann die Batterie beheizende Nebenschlussvorrichtung zum Beheizen einzelner Zellen in einer Batterie konfiguriert sein. So kann beispielsweise ein Batterie-Steuermodul für eine bestimmte Batterie eine Anzahl Bypass-Nebenschlusseinrichtungen ansteuern, die jeweils zum Ausführen einer Nebenschlussfunktion auf den jeweiligen einzelnen Batteriezellen der Batterie konfiguriert sind.
  • 9 zeigt ein unidirektionales Sende-Batterie -Steuermodul 90, das Überwachungselemente 92 und 94, einen analogen Multiplexer 96, ein Steuerwerk 98, einen Spannungs-Frequenz-Wandler 100 und einen FM-Sender 102 umfasst, der mit dem Hauptleiter 16 verbunden ist. 10 zeigt ein unidirektionales Empfangs-Batterie-Steuermodul 104, das ein Eingangsfilter 106, einen FM-Demodulator 108, ein Steuerwerk 110 und ein gesteuertes Gerät 112 umfasst.
  • Nimmt man nun Bezug auf 3, so umfasst bei einer Ausführungsform des EV-Systems die Steuereinheit 22 des EV-Systems einen RF-Empfänger 56 mit einem Eingang, der über den optionalen Reihenkondensator 26, wie dies in 1 gezeigt ist, mit dem Hauptleiter 16 verbunden ist. Der RF-Empfänger 56 ist ein Breitbandempfänger, der zum Empfangen der Breitband-Radiofrequenzsignale konfiguriert ist, die von den RF-Sendern der einzelnen Batterie-Steuermodule übermittelt werden. Bei einer Ausführungsform ist der RF-Empfänger 56 zum Empfangen eines Breitband-Radiofrequenzsignals von etwa 5,5 Megahertz konfiguriert. Es ist jedoch davon auszugehen, dass das EV-System der Erfindung zur Verwendung mit Radiofrequenzsignalen in einem Frequenzbereich von etwa 1 KHz bis 1 GHz vorgesehen ist. Der RF-Empfänger 56 demoduliert auch das empfangene Radiofrequenzsignal in ein digitales Spannungssignal, bei einer Ausführungsform beispielsweise von null in fünf Volt Gleichstrom.
  • Der Ausgang vom RF-Empfänger 56 kann entweder direkt mit einer Mikrosteuereinheit 58 verbunden sein oder er kann alternativ über einen digitalen Multiplexer 60 oder einen sonstigen Digitalschalter mit der Mikrosteuereinheit 58 verbunden sein. Der Multiplexer 60 wird von der Mikrosteuereinheit 58 betrieben, um eines aus einer Anzahl unterschiedlicher Eingangssignale zu wählen, die von der Mikrosteuereinheit zu verarbeiten sind. Bei einer Ausführungsform dient ein Multiplexer 60 zum Auswählen zwischen einem Ausgangssignal von dem RF-Empfänger 56 und Eingangssignalen von anderen elektrischen Vorrichtungen im Fahrzeug, z.B. Eingangssignale vom Motorsteller zum Bereitstellen von Spannungs-, Strom-, Temperatur- und Ladezustandsdaten.
  • Die Mikrosteuereinheit 58 ist für einen vom vorhandenen Strom, beispielsweise 12 Volt Gleichstrom bei einer Verwendung in einem elektrischen Fahrzeug, entfernten Betrieb konfiguriert und umfasst eine (nicht dargestellte) Mikroprozessorplatine. Alternativ kann die Mikrosteuereinheit von einer internen Stromquelle, von einem Fahrzeugstrom außerhalb des Batteriesatzes, von Solarstrom und dergleichen betrieben werden. Die Mikroprozessorplatine ist zur Aufnahme einer Anzahl unterschiedlicher Eingangssignale konfiguriert, zu denen der digitale Spannungssignalausgang von dem RF-Empfänger 56 zählt. Die Mikroprozessorplatine ist zum Empfangen des Signalausgangs von dem RF-Empfänger und ferner zum Speichern der empfangenen Daten in einem SRAM oder EEPROM programmiert. Die Steuereinheit 22 ist zur Aufnahme einer Verbindung mit einer Benutzerschnittstelle ausgeführt, um ein Programmieren der Mikroprozessorplatine zu ermöglichen und Zugriff auf Daten zu erhalten, die in dem SRAM des Mikroprozessors gespeichert sind. Die in der Mikrosteuereinheit 58 gespeicherten Daten können zur diagnostischen Auswertung und dergleichen zu einem späteren Zeitpunkt abgefragt werden. Gespeicherte Daten dieser Art umfassen die Leistungshistorie jeder Batterie in einem Batteriesatz bzw. jeder Batteriezelle der Batterien in einem Batteriesatz über die Betriebsdauer der Batterie bzw. des Batteriesatzes, oder innerhalb eines Service-Intervalls derselben. Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wird diese Batterie-Leistungshistorie während der Fahrzeugwartung bzw. bei Servicearbeiten am Batteriesatz von der externen Steuereinheit 33 abgefragt, um wichtige Informationen zu liefern, die den Mechanismus bzw. den Grund für einen speziellen batteriebedingten Fehler aufzeigen können. Die Möglichkeit zur Abfrage gespeicherter Batterie-Betriebsparameter- und/oder Leistungsdaten ist wichtig, um beispielsweise hinsichtlich der Gültigkeit einer Batteriegarantie festzustellen, ob eine Batterie ordnungsgemäß gewartet, instand gehalten und verwendet wurde.
  • Der von dem RF-Empfänger 56 empfangene Signalausgang, z.B. von den einzelnen Batterie-Steuermodulen übermittelte Batterie-Betriebsparameterdaten, wird von dem Mikroprozessor entsprechend einem oder mehreren Steuerungssystemprogrammen ausgewertet. Bei verschiedenen Ausführungsformen verwendet der Mikroprozessor Steuerungsmethoden, Patternerkennungsverfahren, künstliche Intelligenz, Fuzzy-Logik, neuronale Netzwerke und andere Analyse- und Kontrollverfahren zur Interpretation der von den einzelnen Batterie-Steuermodulen erhaltenen Daten und/oder zum Generieren eines Steuerungsvorgangs. Sobald die empfangenen Daten ausgewertet sind, bewirkt der Mikroprozessor einen oder mehrere Prozessschritte, die das Erzeugen eines oder mehrerer spezieller Befehle umfassen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt die Mikroprozessoreinheit 58 einen oder mehrere der 11 vorstehend erläuterten Befehle. Jeder Befehl ist als ein serielles digitales Steuersignal konfiguriert, das eine Reihe von Bits von null bis fünf Volt umfasst. Jede Befehlsfolge ist von einer oder mehr Adressen begleitet, die als ein zusätzliches [serielles – series] digitales Signal konfiguriert sind, das einer oder mehr Adressen eines bestimmten Batterie-Steuermoduls entspricht. Auf diese Weise ist die Steuereinheit 22 in der Lage, Steuersignale an ein oder mehrere bestimmte Batterie-Steuermodule zu senden. Wenngleich speziell eine bestimmte Methode zum Kennzeichnen bzw. Adressieren der Befehlsfolge an ein oder mehrere festgelegte Batterie-Steuermodule offenbart wird, ist davon auszugehen, dass auch andere Verfahren zum Kennzeichnen oder Adressieren der Befehlsfolge verwendet werden können, zum Beispiel durch analoge Kennzeichnungsverfahren, andere digitale Kennzeichnungsverfahren oder durch Verwendung von Mehrfachkanälen für Radiofrequenzsignale.
  • Das Ausgangssignal von der Mikrosteuereinheit 58, zum Beispiel das adressierte Befehlsimpulssignal, wird zu einem RF-Sender 62 geleitet. Der RF-Sender 62 ist vorzugsweise ein Breitbandsender, der den V-Sendern in den einzelnen Batterie-Steuermodulen gleicht. Der RF-Sender 62 erfasst das serielle Digitalsignal und sendet ein Breitband-Radiofrequenzsignal von etwa 4,5 Megahertz, je nachdem, ob ein Signal Eins oder ein Signal Null empfangen wird. Ein Ausgang des RF-Senders 62 ist über den Reihenkondensator 26 mit dem Hauptleiter 16 verbunden. Statt parallel mit dem Trennkondensator 26 verbunden zu sein, können der FM-Sender 62 und der FM-Empfänger 56 alternativ über separate Verbindungen unter Verwendung separater Trennkondensatoren eigenständig mit dem Hauptleiter 16 verbunden sein.
  • Die Steuereinheit 22, im Spezielleren die Mikroprozessoreinheit 58, dient als Kommunikationsschnittstelle und stellt nicht nur jedem der bidirektionalen oder unidirektionalen Empfangs-Batterie-Steuermodule ein Steuersignal bereit, sondern führt auch andere Funktionen wie zum Beispiel die folgenden aus: (1) Überwachen eines aktuellen Ladezustands für den Batteriesatz und Senden desselben an einen Betriebsstoff-Messanzeiger; (2) Steuern des Betriebs eines Lüftungsgebläses in einem Batteriefach des Fahrzeugs; (3) Steuern des Betriebs von elektrischen Hilfseinrichtungen, z.B. Heiz- und Kühlfunktionen im Fahrgastraum, um die zu diesen Einrichtungen geführte Leistung oder die abgeworfene Last zu reduzieren, wenn die Bedingungen nach einer Batterieerhaltung verlangen; (4) Einschalten einer Wartungs-Warnlampe zum Anzeigen, dass eine oder mehr Batterien oder Batteriezellen in einem Batteriesatz ersetzt oder gewartet werden müssen; (5) Betreiben des fahrzeuginternen Batterieladegeräts und/oder Liefern von Batteriespannungsdaten an das fahrzeuginterne Batterieladegerät.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist das EV-System in der Lage, die Position eines Batterie-Steuermoduls und/oder einer Batterie in einem Batteriesatz zu identifizieren. Eine Methode zum Bestimmen der Position eines Batterie-Steuermoduls wird durch ein Radiofrequenzsignal bewirkt, d.h. durch Aussenden eines Radiofrequenzsignals von der Steuereinheit und Auswerten des von einem oder mehreren Batterie-Steuermodulen übermittelten Radiofrequenz-Antwortsignals, um deren relative Lage im Batteriesatz zu bestimmen. Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden, indem eine Sinuswelle per Radiofrequenz an ein oder mehrere Batterie-Steuermodule gesendet wird und man die Phasenverschiebung der Antwortsinuswellen misst, die von den Batterie-Steuermodulen übermittelt werden.
  • Nimmt man Bezug auf 11, so umfasst eine für diese Funktion ausgeführte Steuereinheit 22 bei einem anderen Beispiel zur Lokalisierung von Batterie-Steuermodulen, das keine Ausführungsform der Erfindung darstellt, einen Phasendetektor 114, der über zwei Verbindungen 116 und 118 an Anschlussstellen, zum Beispiel die Hochseite und Unterseite des Batteriesatzes, mit dem Hauptleiter 16 verbunden ist. Betrachtet man nun 12, so befindet sich die Hochseiten-Anschlussstelle 116 am Hauptleiterabschnitt 120 und die Unterseiten-Anschlussstelle 118 am Hauptleiterabschnitt 122. Der Phasendetektor ist zum Überwachen der Kommunikationssignale konfiguriert, die zwischen der Steuereinheit und den Batterie-Steuermodulen übermittelt werden, um die relative Phase der Übertragungen von bidirektionalen bzw. unidirektionalen Sende-Batterie-Steuermodulen zu erfassen, um zum Feststellen der Position des Batterie-Steuermoduls in dem Batteriesatz den Phasenunterschied auszuwerten, der sich jeweils auf die Position der einzelnen Batterie-Steuermodule in einem Batteriesatz bezieht. Wenngleich der Phasendetektor mit einer Antenne bzw. zwei Hauptleiter-Anschlussstellen dargestellt ist, die von der Anschlussstelle für den FM-Empfänger und Sender der Steuereinheit unabhängig sind, ist davon auszugehen, dass eine Anschlussstelle des Phasendetektors, z.B. die Hochseiten-Anschlussstelle, mit dem FM-Empfänger und Sender geteilt werden kann. Ferner kann der Phasendetektor eine Anschlussstelle mit einer Steuereinheit teilen, die einen FM-Empfänger und Sender umfasst, die jeweils eine eigene Anschlussstelle aufweisen.
  • Gemäß der Methode der vorliegenden Erfindung zum Lokalisieren von Batterie-Steuermodulen umfasst ein EV-System die Verwendung einer Signalabriegelungsvorrichtung, die entweder von einem jeweiligen Batterie-Steuermodul oder von der Steuereinheit angesteuert werden kann. Die Signalabriegelungsvorrichtung kann so geschaltet sein, dass der Durchgang eines Radiofrequenzsignals von der Steuereinheit über ein bestimmtes Batterie-Steuermodul und eine jeweilige Batterie hinaus verhindert wird. Sobald die Abriegelungsvorrichtung eingeschaltet ist, kann die Steuereinheit bzw. das Batterie-Steuermodul zum Erzeugen eines gewünschten Lokalisierungssignals nach einem Steuerungsalgorithmus betrieben werden, um die Positionskennung der Batterie-Steuermodule genau anzugeben. Nimmt man Bezug auf 14A, so ist bei einer Ausführungsform eine Signalabriegelungsvorrichtung 132 zwischen dem Hauptleiter 16 in Reihe geschaltet, der die Batterieklemmen 134 benachbarter Batterien 136 verbindet. Die Abriegelungsvorrichtung 132 kann von dem jeweiligen Batterie-Steuermodul 140 angesteuert werden, d.h. eine Steuereinrichtung des Batterie-Steuermoduls sein, bzw. von der Steuereinheit, um damit den Durchgang von Radiofrequenzsignalen zu verhindern und somit die nachgeordneten Batterie-Steuermodule und Batterien in dem Batteriesatz zu trennen, um die nachfolgende Identifizierung der Batterie-Steuermodulposition zu ermöglichen. Nimmt man Bezug auf 14B, so ist bei einer weiteren Ausführungsform eine Signalabriegelungsvorrichtung 142 parallel zwischen den Klemmen 144 einer Batterie 146 und in Reihe mit einem über den Batterieklemmen zwischengeschalteten Kondensator geschaltet. Die Abriegelungsvorrichtung 142 kann von dem jeweiligen Batterie-Steuermodul 148 bzw. der Steuereinheit angesteuert werden, um damit den Durchgang von Radiofrequenzsignalen zu verhindern, um somit die nachgeordneten Batterie-Steuermodule und Batterien in dem Batteriesatz zu trennen, um die nachfolgende Identifizierung der Batterie-Steuermodulposition zu ermöglichen.
  • 14A und 14B zeigen jeweils eine einzelne Abriegelungsvorrichtung, die zur Verdeutlichung und Veranschaulichung bei der in Reihe geschalteten Ausführungsform zwischen zwei Batterien angeschlossen ist, während sie bei der parallel geschalteten Ausführungsform an eine einzelne Batterie angeschlossen ist. Es ist davon auszugehen, dass ein EV-System mit diesen Lokalisierungsgeräten für Batterie-Steuermodule ein oder mehrere dieser Abriegelungsvorrichtungen in einem Batteriesatz umfassen kann. So kann es bei einer Ausführungsform beispielsweise gewünscht sein, dass bei der Ausführungsform mit Reihenschaltung zwischen jede Batterie eine Signalabriegelungsvorrichtung geschaltet ist, während bei der Ausführungsform mit Parallelschaltung eine Signalabriegelungsvorrichtung zwischen den Klemmen jeder Batterie geschaltet ist. Bei gewissen Anwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, dass bei einer Reihenanordnung nicht zwischen jeder Batterie bzw. zwischen den Batterieklemmen jeder Batterie Signalabriegelungsvorrichtungen vorgesehen sind, um die Identifizierung von Batterie-Steuermodulpositionen zu ermöglichen. Es ist davon auszugehen, dass die Anordnung der Signalabriegelungsvorrichtungen von der speziellen Ausführungsform des EV-Systems und der Anwendung abhängt.
  • Nimmt man Bezug auf 4, so umfasst eine alternative Ausführungsform des EV-Systems eine Steuereinheit 64 und eine gesonderte Schnittstelleneinheit 66, die zwischen der Steuereinheit und dem optionalen Kondensator 26 geschaltet ist. Nimmt man Bezug auf 13, so ist die Steuereinheit 64 mit einer wie vorstehend beschriebenen Mikrosteuereinheit 124 ausgeführt. Die separate Schnittstelleneinheit 66 umfasst eine serielle Schnittstelle 126, einen FM-Sender 128 und einen FM-Empfänger 130. Anders als 3 zeigt Fig. D keinen separaten Multiplexer, um zu veranschaulichen, dass der Multiplexer Teil der Mikrosteuereinheit 124 sein kann. Eine auf diese Weise konfigurierte Ausführungsform des EV-Systems mit separater Steuereinheit und Schnittstelleneinheit wird verwendet, um unter Verwendung fahrzeuginterner oder externer Systeme Zugriff auf die Steuereinheit oder auf Batterie-Steuermodule zu ermöglichen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein nach den Grundsätzen dieser Erfindung ausgeführtes EV-System betrieben, um die Leistung einzelner Batterien in einem Batteriesatz oder einzelner Batteriezellen in Batterien, die einen Batteriesatz bilden, zu überwachen, einen Ausgleich der Batterieladung und/oder thermisches Batteriemanagement zu bewerkstelligen. Ausgleich der Batterieladung bezieht sich auf das Beeinflussen des Ladezustands der einzelnen Batterien in einem Batteriesatz, damit jede einzelne Batterie die gleiche Ladung wie die anderen Batterien in dem Satz aufweist. Wenn beispielsweise eine Batterie in einem Batteriesatz relativ schwächer als die übrigen Batterien ist, wird die schwache Batterie über einer längeren Zeitraum oder häufiger als die anderen Batterien selektiv geladen, damit sie sich nicht schwächend auf die Gesamtleistung des Batteriesatzes auswirkt. Wenn, als weiteres Beispiel, eine Batterie in einem Batteriesatz relativ stärker als die übrigen Batterien ist, wird die starke Batterie selektiv entladen, damit sie keine Reduzierung der Ladezeit oder -häufigkeit für die übrigen Batterien bewirkt. Ein Ausgleich der Batterieladung verbessert deshalb die Betriebsdauer des Batteriesatzes, da jede Batterie im Batteriesatz überwacht und individuell auf gleiche Leistung kontrolliert wird.
  • EV-Systeme, die gemäß dieser Erfindung ausgeführt sind, weisen im Vergleich zu vorhandenen verdrahteten Systemen verschiedene Vorteile auf. Ein Vorteil sind die geringeren Materialkosten des EV-Systems dank des Wegfalls zusätzlicher Drähte, Kabelbäume oder der mit diesen Drähten verbundenen Installation. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer Verwendung des EV-Systems gewisse Hochspannungs-Trennelemente, die zur Überwachung und Steuerung von Signalen mit sehr unterschiedlicher Grundspannung benötigt werden, nicht länger erforderlich sind. Ein anderer Vorteil sind die durch das EV-System realisierten Gewichtseinsparungen dank des Wegfalls zusätzlicher Drähte, Kabelbäume und Hochspannungs-Trennelemente. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das EV-System sicher installierbar ist, da es keine Komponenten oder Module aufweist, die an eine Spannung von mehr als 12 Volt Gleichstrom angeschlossen sind. Ein anderer Vorteil ist, dass das EV-System zuverlässiger ist und potentiell eine längere Lebensdauer als verdrahtete Systeme aufweist, da das anfälligste Element dieser Systeme fehlt, nämlich freiliegende Signaldrähte neben der Batterie.
  • Ein weiterer Vorteil von EV-Systemen dieser Erfindung ist auch die modulare Ausführung von Komponenten, die einen extrem flexiblen und robusten Systembetrieb ermöglichen. So deaktivieren beispielsweise einzelne Fehler in einem Batterie-Steuermodul oder eine Unterbrechung in einer Batterie nicht das gesamte System, da andere Batterie-Steuermodule weiterhin in der Lage sind, über Radiofrequenzübertragung Daten an die Steuereinheit zu übermitteln und Steuersignale von dieser zu empfangen. Die modulare Ausführung ermöglicht auch die einfache Entnahme eines nicht ordnungsgemäß arbeitenden oder nicht funktionierenden Batterie-Steuermoduls aus dem System und dessen Ersetzen durch ein repariertes, neues oder ertüchtigtes Batterie-Steuermodul. Ferner erleichtert die modulare Ausführung die Einführung zusätzlicher Batterie-Steuermodule oder anderer Systemmodule in das System, indem die Steuereinheit einfach umprogrammiert bzw. entsprechend instruiert wird.
  • Die modulare Ausführung des EV-Systems ermöglicht den Einbau von Systemkomponenten in vorhandene Komponenten des elektrischen Systems, z.B. den Einbau eines Batterie-Steuermoduls in ein Batteriegehäuse, was deren Anfertigung durch die Hersteller dieser elektrischen Systemkomponenten ermöglicht. So kann die Steuereinheit beispielsweise in dem Motorsteller oder in einem fahrzeuginternen Batterieladegerät ausgeführt werden. Der Einbau von Komponenten des EV-Systems in vorhandene Komponenten des elektrischen Systems ist vorteilhaft, da dadurch die Kosten des EV-Systems weiter reduziert, die Zuverlässigkeit des EV-Systems verbessert, der Platzbedarf für das EV-System verringert, die Flexibilität des EV-Systems erhöht und eine direkte Zusammenarbeit zwischen dem EV-System und dem Motorsteller oder dem Batterieladegerät ermöglicht werden könnten.
  • Wenngleich im Vorliegenden eine spezielle Ausführungsform des EV-Systems beschrieben und dargestellt wurde, werden dem Fachmann viele Modifikationen und Abweichungen offenkundig sein. So umfasst ein unter den Bereich dieser Erfindung fallendes EV-System beispielsweise eine Vorrichtung zum Ermöglichen der Übermittlung von Radiofrequenzübertragungen an die und von der Steuereinheit und an die bzw. von den einzelnen Batterie-Steuermodulen durch eine andere als eine leitende Radiofrequenzübertragung über die Hauptleiterbahn, z.B. den Hauptleiter, in einem elektrischen System, beispielsweise durch nichtleitende Methoden, z.B. ein vom Hauptleiter entferntes Antennensystem. Als weiteres Beispiel kann das EV-System andere Radiofrequenzen als die vorstehend speziell beschriebenen zur Übermittlung von Daten von den Batterie-Steuermodulen und Steuersignalen von der Steuereinheit nutzen. Ferner können die Daten und Steuersignale, die von dem EV-System erzeugt werden, unter Verwendung analoger anstelle digitaler Übertragungsmethoden über Radiofrequenz übermittelt werden.

Claims (13)

  1. Energieverwaltungssystem zur Verwendung mit einem elektrischen Fahrzeug mit batteriebezogener Antriebskraft, wobei das System die folgenden Merkmale umfasst: eine Anzahl von Batterie-Steuermodulen (18), wobei jedes Batterie-Steuermodul (18) jeweils umfasst: wenigstens ein Überwachungselement (34, 36), das zum Messen eines Betriebsparameters einer elektrischen Stromquelle konfiguriert ist, die aus einer Gruppe gewählt wird, die einen Batteriesatz, wenigstens eine Batterie in einem Batteriesatz, wenigstens eine Zelle in einer Batterie, und Kombinationen derselben umfasst; wenigstens ein Gerät, das aus einer Gruppe gewählt wird, die einen Radiofrequenzempfänger, einen Radiofrequenzsender (42), eine Speichervorrichtung (70), ein Steuergerät, einen Regler (50) und Kombinationen derselben umfasst; eine Steuereinheit (22), die zur Kommunikation mit den Batterie-Steuermodulen (18) durch Radiofrequenzsignal konfiguriert ist, wobei die Steuereinheit einen Radiofrequenzempfänger und einen Radiofrequenzsender umfasst, wobei das Steuergerät eine Stromquellen-Nebenschlusseinrichtung (52) ist, und die Steuereinheit (22) und Batterie-Steuermodule (18) mit einer gemeinsamen Leiterbahn verbunden sind, die in dem Fahrzeug zwischen der elektrischen Stromquelle und einem Leistungssteuerungsgerät (12) zum Erleichtern der dazwischen stattfindenden Radiofrequenzkommunikation angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen-Nebenschlusseinrichtung (52) eine Mehrzahl wählbarer Stromnebenschlusseinrichtungen (86) umfasst, und jedes Batterie-Steuermodul ein Lokalisierungsgerät (72, 132, 142) umfasst.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batterie-Steuermodul (18) wenigstens ein Stromquellen-Steuergerät, einen Radiofrequenzempfänger (46) und einen Radiofrequenzsender (42) umfasst, um eine beidseitige Radiofrequenzkommunikation mit wenigstens einem der anderen Batterie-Steuermodule (18) oder mit der Steuereinheit (22) bereitzustellen.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromquellen-Steuergerät des Batterie-Steuermoduls aus einer Gruppe gewählt wird, die akustische Anzeigevorrichtungen (74), optische Anzeigevorrichtungen (78), Stromquellen-Nebenschlusseinrichtungen (52), Radiofrequenz-Lokalisierungsgeräte (72, 132, 142) und Kombinationen derselben umfasst.
  4. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Benutzerschnittstelle, die jeweils mit dem Hauptleiter oder der Steuereinheit verbunden ist, um wenigstens eine Funktion auszuführen, die aus einer Gruppe gewählt wird, die Empfang von Steuersignalen von der Steuereinheit, Abfragen von Stromquellen-Betriebsparameterdaten von der Steuereinheit, Abfragen von Stromquellen-Betriebsparameterdaten von dem Batterie-Steuermodul, Bereitstellen von Programmierdaten an die Steuereinheit, Bereitstellen von Programmierdaten an wenigstens ein Batterie-Steuermodul und Kombinationen derselben umfasst.
  5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Lokalisierungsgerät (132, 142, 72) des Batterie- Steuermoduls mit dem Hauptleiter oder der Leiterbahn verbunden ist, um durch Radiofrequenz die Position eines oder mehrerer Batterie-Steuermodule (18) innerhalb des Energieverwaltungssystems zu bestimmen.
  6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät wenigstens ein Gerät ist, das aus einer Gruppe gewählt wird, die akustische Anzeigevorrichtungen (74), optische Anzeigevorrichtungen (76), Stromquellen-Nebenschlusseinrichtungen (52), Radiofrequenz-Lokalisierungsgeräte (72, 132, 142) und Kombinationen derselben umfasst.
  7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen-Nebenschlusseinrichtung (52) zum Nebenschließen von Strom von einer elektrischen Stromquelle verwendet wird, die aus einer Gruppe gewählt wird, die eine Batterie, eine Batteriezelle und Kombinationen derselben umfasst.
  8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen-Nebenschlusseinrichtung (52) über einer Stromquelle angebracht ist und wenigstens ein Element aufweist, das aus einer Gruppe gewählt wird, die Widerstände, thermoelektrische Einrichtungen und Kombinationen derselben umfasst.
  9. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Stromquellen-Ladegerät (29), das an Bord des elektrisch angetriebenen Mechanismus positioniert ist, wobei das Stromquellen-Ladegerät (29) mit dem Hauptleiter oder der Hauptleiterbahn verbunden ist, wobei das Stromquellen-Ladegerät (29) mit der Steuereinheit (22) verbunden ist, um wenigstens eine Funktion auszuführen, die aus einer Gruppe gewählt wird, die Empfang von Steuersignalen von der Steuereinheit (22), Abfragen von Stromquellen-Betriebsparameterdaten von der Steuereinheit (22), Abfragen von Stromquellen-Betriebsparameterdaten von dem Batterie-Steuermodul (18) und Kombinationen derselben umfasst.
  10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stromquellen-Nebenschlusseinrichtung (132, 142, 113) eine thermische Verbindung zu einer Wärmesenke umfasst, die aus einem leitenden Element einer jeweiligen Batterie ausgebildet ist.
  11. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radiofrequenzsender und ein Radiofrequenzempfänger der Steuereinheit (22) mit dem Hauptleiter verbunden sind, um die Radiofrequenzkommunikation mit den Batterie-Steuermodulen (18) zu erleichtern.
  12. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine mit dem Hauptleiter verbundene Schnittstelleneinrichtung zum Erleichtern des Zugriffs auf die Batterie-Steuermodule (18) durch Radiofrequenzsignal unabhängig von der Steuereinheit (22).
  13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Lokalisierungsgerät (72, 132, 142) mit dem Hauptleiter verbunden ist, um durch Radiofrequenzsignal die relative Position des Batterie-Steuermoduls in dem Energieverwaltungssystem zu bestimmen.
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