EP1982399A1 - Verfahren zur überwachung und/oder steuerung oder regelung der spannung wenigstens einer zellgruppe in einem zellenverbund eines energiespeichers - Google Patents

Verfahren zur überwachung und/oder steuerung oder regelung der spannung wenigstens einer zellgruppe in einem zellenverbund eines energiespeichers

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EP1982399A1
EP1982399A1 EP07703282A EP07703282A EP1982399A1 EP 1982399 A1 EP1982399 A1 EP 1982399A1 EP 07703282 A EP07703282 A EP 07703282A EP 07703282 A EP07703282 A EP 07703282A EP 1982399 A1 EP1982399 A1 EP 1982399A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cell group
voltage
logic
level
zgl
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07703282A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Fröschl
Sebastian Dr. Scharner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP1982399A1 publication Critical patent/EP1982399A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y04S40/121—Systems for electrical power generation, transmission, distribution or end-user application management characterised by the use of communication or information technologies, or communication or information technology specific aspects supporting them characterised by data transport means between the monitoring, controlling or managing units and monitored, controlled or operated electrical equipment using the power network as support for the transmission

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring and / or controlling or regulating the voltage of at least one cell group in a cell network of an energy store, which consists of a series connection of the individual cells of the energy store, wherein a single cell may consist of a cell or cells connected in parallel.
  • the invention relates to a cell network of an energy storage in a motor vehicle electrical system, according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a cell group logic for monitoring and / or control or regulation of the voltage of at least one cell group in a cell network of a Energy storage, in particular an energy storage in a motor vehicle electrical system, according to the preamble of claim 9 and a central logic for monitoring and / or control or regulation of the voltage of at least one cell group in a cell network of an energy storage via a cell group logic, in particular an energy storage in a motor vehicle electrical system, according to the preamble of claim 13.
  • energy storage devices constructed from single cells are being used, preferably energy storage devices constructed from double-layer capacitors.
  • Double-layer capacitors have the advantage of providing and storing energy that they can provide high power in the short term.
  • the individual double-layer capacitors must be connected in series.
  • the cells connected in series thus form a cell network.
  • individual cells or Cell groups are connected to respective cell group logics that can extract or supply energy to a connected rail line to charge or discharge the individual cells or cell groups. It will be described below that each cell group logic is connected to a cell group to monitor and / or control its voltage.
  • the term cell group includes individual cells, so that the case is also described in which a cell group logic is shot at each individual cell of a cell network of an energy store in order to monitor and / or control or regulate its voltage.
  • the cell voltages of the individual cells or cell groups do not diverge during cyclical charging or discharging, it is known to monitor the cell group logics by means of a higher-level control device, namely a central logic, and to control them so that a uniform charging and / or discharging is reached, whereby a long life of the individual cells and thus the entire cell network can be achieved.
  • the cell group logics are usually connected via a data line with the central logic, so that a data communication to ensure the described function can take place.
  • this data line leads to an increased wiring complexity and consequently also to an increased susceptibility to errors.
  • DE 197 33 866 A1 describes an improved method and system for transmitting data in a motor vehicle, in which a satellite station is supplied with power by a central station via a data transmission line used in common for data transmission and power supply.
  • the data transfer does not lead to a readjustment of a power generator, so that the average voltage on the data transmission line (open circuit voltage) is not changed.
  • the object of the invention is to specify an improved method for monitoring and / or controlling or regulating the voltage of at least one cell group in a cell network of an energy store, in particular an energy store in a motor vehicle electrical system, in which data communication via the supply line of the cell group logics (Rail line) can take place. Furthermore, it is the object of the invention to specify a suitable cell group logic and a suitable central logic for this purpose. This object is achieved by a method according to claim 1, a cell group logic according to claim 9 and a central logic according to claim 13. Advantageous developments are the subject matters of the dependent claims.
  • the cell group logic for monitoring and / or controlling or regulating the voltage of at least one cell group in a cell network of an energy store, in particular one
  • the cell group is connected via a supply line via which the cell group is charged or discharged, with the cell group logic that monitors and / or controls the voltage of the cell group, the Cell group logic for charging or discharging the cell group of a rail conducts energy or supplies, and a communication of the cell group logic and another cell group logic and / or a central logic via the rail line is characterized by a voltage comparator unit outputting data communication via the rail line when power levels on the rail line between one at or above a maximum voltage level up to which the cell group logic exchanges power with the rail line for charging or discharging the cell group, lying idle level and a lying above the idle level data level.
  • the central logic for monitoring and / or controlling or regulating the voltage of at least one cell group in a cell network of an energy storage via a cell group logic, in particular an energy storage in a motor vehicle electrical system, wherein the cell group via a supply line, loaded via the cell group or is connected to the cell group logic that monitors and / or controls the voltage of the cell group, the cell group logic for charging or discharging the cell group of a rail line draws energy and supplies and communication between the cell group logic and another cell group logic and / or the central logic via the rail line, is characterized by a voltage converter unit, which performs data communication via the rail line by voltage level between a on or above the rail line Maximum voltage level, up to which the cell gr uppen logic with the rail line for charging or discharging the cell group energy exchanges, lying idle level and a lying above the idle level data level can be impressed.
  • the cell group mentioned is either a single cell or a composite of several individual cells, wherein the number of cells in the cell group is smaller in each case than the entire cell network. For reasons of cost and effort, it makes sense to combine several cells in a cell group and to determine the data for a cell group instead of for each individual cell.
  • the cells are advantageously double-layer capacitors.
  • the method, the cell group logic and the central logic are also suitable for any other type of single-cell energy storage.
  • the cell group logic is advantageously a unit which, in addition to the voltage comparator unit, also has a control unit for charging and / or discharging the cell or cell group.
  • the voltage applied to the cell or cell group can be determined directly in the cell group logic or in the central logic.
  • the voltage control or regulation of the cells advantageously serves both to maintain charge and to balance the voltage of the individual cells.
  • the central logic may transfer commands to the cell group logic in data communication because the central logic can imprint certain voltage levels on the rail line and the cell group logic can memorize the cell group logic Can detect voltage level of the rail line. If a bidirectional data communication is desired, of course, in the cell group logic, a voltage converter unit for impressing certain voltage levels and in the central logic also a voltage comparator unit for detecting voltage levels can be provided.
  • the method according to the invention, the cell group logic according to the invention and the central logic according to the invention thus offer the advantage over the known prior art that the rail line is also supplied to the cell group logic with a reference voltage via which the cell group logic is also fed as can be used for data communication between the central logic and the cell group logic without disturbing the reference voltage.
  • this takes place in that the data communication takes place with voltage levels which are above a maximum voltage level, up to which the cell group logic exchanges energy with the rail line for charging or discharging the cell group, ie, to which the rail line is to " Transfer "of the reference voltage is used.
  • the cell group logic When the maximum voltage level is exceeded, the cell group logic no longer exchanges energy with the rail line for charging or discharging the cell group connected thereto, and the voltage applied to the rail line no longer serves as a reference voltage for charging or discharging the cell groups or individual cells. ie, the supply line via which the cell group is connected to the cell group logic is in any case disconnected from the rail line. As a result, the charging or discharging of the cell group is performed with an unadulterated reference voltage, and in the data communication, the charging or discharging of the cell group is interrupted to preclude erroneous charging or discharging.
  • the cell group logic is switched active if a rail voltage is applied to the rail line which is above an enable voltage level below the maximum voltage level.
  • the cell group logic is therefore advantageously designed such that the voltage comparator unit actively switches the cell group logic, if a rail voltage is applied to the rail line which is above an enable voltage level below the maximum voltage level.
  • the central logic accordingly advantageously comprises a control unit which drives the voltage conversion unit to impress a rail voltage which is above an enable voltage level below the maximum voltage level in order to activate the cell group logic.
  • the cell group logics are forcibly switched to passive, ie, disabled, in the event of a "short to ground" fault. In this way, destruction or damage to the individual cell groups is prevented.
  • the supply line of the cell group is connected to the rail line such that a power is transmitted between them, which is at or above a first power level, when the rail voltage is above the enable voltage level or above the enable voltage level Low voltage level and below a higher high voltage level or even higher maximum voltage level.
  • the supply line of the cell group is connected to the rail line such that a power is transmitted between them which is at or above a second power level above the first power level, if a cell group voltage is above the enable voltage level and below of the low voltage level or above the high voltage level and below the maximum voltage level.
  • the supply lines of different cell groups are advantageously connected to the rail line in such a way that power is transferred between the different cell groups and / or power is taken from or delivered to the rail line.
  • the cell group logic advantageously has a switch unit which is controlled by the voltage comparator unit and can connect the supply line of the cell group to the rail line such that a certain power wherein the voltage comparator unit determines the extraction or supply of energy from or to the rail line based on certain voltage levels existing on the rail line and a cell group voltage.
  • the voltage control unit advantageously controls the voltage converter unit for impressing a rail voltage which is above the enable voltage level in order to control the cell group logic, to connect the supply lines of different cell groups to the rail line Power is transmitted between the different groups of cells and / or power is taken from or delivered to the rail line.
  • the central logic can determine the extraction of energy from the rail line or the supply of energy to the rail line, it can also make a targeted diagnosis of a single group of cells in terms of their voltage, resistance and their Capacity.
  • a diagnosis can also be made by the cell group logic (s), whereby the information transmission can take place via the bidirectional communication mechanism.
  • the data communication advantageously comprises address, command, data, security and / or response.
  • the data and / or the response further advantageously comprise the internal resistance, the capacitance, the temperature and / or the voltage of a cell group.
  • the data communication advantageously takes place via a binary coding, an amplitude coding, a pulse length coding and / or an amplitude-pulse-length coding.
  • the inventive control unit controls the voltage converter unit, the data communication between the Perform cell group logic and the central logic via the rail line.
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of a device for
  • Fig. 6 shows a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 7 shows a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 8 shows a preferred embodiment of the data encoding in the communication function according to the invention.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the physical-technical embodiment of the apparatus for performing the method according to the invention is shown.
  • the device is implemented, for example, in a vehicle, not shown here.
  • a plurality of cells C1, C2,..., Cn are connected in series in a cell network Z.
  • the cell network Z is connected to the energy electrical system E of the vehicle and is used to provide energy, especially in hybrid vehicles.
  • the cells C1 to Cn are advantageously double-layer capacitors.
  • Each cell C1 to Cn of the cell group Z is connected to a respective cell group logic ZGL1, ZGL2, ..., ZGLn.
  • each cell C1 to Cn forms a cell group which is connected to its own cell group logic.
  • the cell group logics ZGL1, ZGL2,..., ZGLn are connected to a rail line R, which has a conductor 1 for energy / data and a ground conductor 2.
  • the rail line R is connected to a higher-level central logic ZL, which is also connected to the battery voltage U batt , the vehicle ground and a data bus of the vehicle.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of the encoding of the information according to the invention in two variants, the first variant relating to the case illustrated in FIG. 1, that each individual cell C1, C2,..., Cn has its own cell group logic ZGL1, ZGL2 ZGLn is connected and the second variant relates to the case that each cell group logic is connected to a series circuit of several individual cells, so one Cell group not only consists of a single cell, but consists of several individual cells.
  • the difference between the two variants is that in the first variant, a cell voltage is between the enable level and the maximum level, while in the second variant, a cell group voltage is between these levels.
  • an enable level lying above the ground level a low level lying above the enable level, a high level lying above the low level, a maximum level lying above the high level, one above the maximum Level idle level and a data level above the idle level.
  • the cell group logics are disabled, ie, off. Above the enable level, they are enabled, ie activated.
  • the cell voltage and, in variant 2 are controlled or regulated by means of a reference voltage impressed on the rail line.
  • the cell group logics in both variants are switched to neutral and data transfer takes place above the idle level.
  • Low level and high level are used to detect under- and overvoltages of individual cells or cell groups.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of the active circuit of the cell group logics according to the invention.
  • a cell group logic ZGLx is activated when the impressed on the power / data conductor 1 voltage U in is greater than or equal to the enable level U ena bie. If this is not the case, the cell group logic ZGLx is switched to passive, ie disabled.
  • the cell group logic ZGLx comprises a voltage comparator unit 3, which controls the voltage U in applied to the energy / data conductor 1 with the enable signal.
  • Level U en abie compares. In the event that the impressed on the power / data conductor 1 voltage U 1n is greater than or equal to the enable level U enab i e , a logic module 4 is activated, ie, enabled.
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of the function according to the invention for balancing the cell voltages.
  • the voltage comparator unit 3 monitors whether the voltage U 1n impressed on the energy / data conductor 1 is greater than or equal to the enable level U en and less than or equal to the maximum level U max or alternatively greater than or equal to the low level U
  • the symmetrization of the cell voltage takes place in the event that the interface voltage U, n in a voltage range above the enable level or the low level U
  • the rail voltage reduced by the enable level is at the same time also the cell voltage, alternatively the cell group voltage.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment of the functions according to the invention for detecting under- and overvoltage.
  • the function of the cell group logic ZGLx shown in FIG. 4 and checked is whether the cell voltage U Z eiie greater than or equal to the enable level U enab i e and equal to the low level U
  • a non-constant power curve of the transfer performance of the DC / DC converter 5 over the cell voltage U ze ⁇ e is implemented in addition to the diagnostic / monitor function.
  • 0W or between high level U h ⁇ gh and maximum level U max either the normal or preferably the higher transfer capacity is requested.
  • the DC / DC converter 5 instead of the DC / DC converter 5 as a switch unit, a circuit can be implemented which merely impresses the current on the rail line R, without involving a balancing function or only a partial function (eg unilateral / unidirectional balancing).
  • FIG. 6 shows a preferred embodiment of the communication function according to the invention.
  • the cell group logic ZGLx comprises a data interpreter 6 which is supplied with the rail voltage U 1n imprinted on the rail line R when it is detected by the voltage comparator unit 3 in that the rail voltage U 1n is greater than or equal to the idle level U, d i e .
  • data is transmitted, which is evaluated by means of the data interpreter 6, whereby this the switch unit 5, ie, here the DC / DC converter, can control.
  • FIG. 7 shows a preferred embodiment of the principle of the data coding of the communication function according to the invention.
  • 4 data blocks A, B, D and S are sent to the cell group logic (s) ZGL of the central logic ZL, whereupon this is done by a data block R in response.
  • the data blocks sent from the central logic ZL comprise a data block for the address A, a data block for a command B, a data block for data D and a data block for a security function S.
  • FIG. 8 shows preferred embodiments of the data coding of the communication function according to the invention.
  • data communication is established by means of the permitted voltage swing, comprising, as described above, address, command, data, security and response.
  • the address has a length of 8 time slots, the command a length of 3 time slots, the data a length of 8 time slots, the security a length of 4 time slots and the response given within the data frame a length of 8 time slots.
  • the answer can be binary, amplitude modulated, pulse width modulated or amplitude and pulse width modulated. If a binary receiver response is implemented, a well-known data protocol can be used, while in the other variants optimized special solutions are implemented.
  • the communication mechanism can both a charge retention of the cells in the stationary mode as well as an up and down Unloading or reloading between the individual cells as well as a diagnosis and a monitoring of the individual cells done.
  • a fixed or variable voltage threshold may be associated with its own
  • Function part can be used. The activation takes place here via the communication mechanism by means of a separate data command.
  • the charging and discharging or reloading between individual cells can also take place via the function of balancing shown in FIG. 4 and described in connection therewith.
  • an activation by the communication mechanism via a separate data command is also possible here.
  • the monitoring of the individual cells / groups for the diagnosis / monitoring of the individual cells preferably includes the internal resistance, the cell capacity, the temperature and the voltage.
  • the temperature sensor can be integrated either separately or on the logic. Voltage and temperature can be measured directly while internal resistance and cell capacity must be preprocessed.
  • the transmission of information to the central logic preferably takes place via the communication mechanism.
  • the energy storage interface according to the invention enables a scalability of the functions / logic, a cost-effective connection of various sensors, a standardized, intelligent energy storage cell, a minimization of the external connection technology, a favorable arrangement from EMC point of view and an improved recycling ability.
  • a data communication between a central logic and a cell group logic via the rail connecting them Conduction whereby voltage levels between an idle level at or above a maximum voltage level up to which the cell group logic is exchanging energy with the rail line for charging or discharging the cell group and a data level above the idle level Level exist.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird also zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, eine Datenkommunikation zwischen einer Zentral-Logik und einer Zellgruppen-Logik über die diese verbindende Rail-Leitung durchgeführt, wobei Spannungspegel zwischen einem An- oder über einem Maximal-Spannungspegel, bis zu dem die Zellgruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem IdIe-Pegel liegenden Daten-Pegel bestehen.

Description

Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines
Energiespeichers
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, der aus einer Serienschaltung der Einzelzellen des Energiespeichers besteht, wobei eine Einzelzelle aus einer Zelle oder parallel geschalteten Zellen bestehen kann. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Zellenverbund eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Zellgruppen-Logik zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 sowie eine Zentral-Logik zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers über eine Zellgruppen-Logik, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13.
Im Automobilbereich kommen immer mehr aus Einzelzellen aufgebaute Energiespeicher, vorzugsweise aus Doppelschichtkondensatoren aufgebaute Energiespeicher zum Einsatz. Diese
Doppelschichtkondensatoren bieten bei der Bereitstellung und Speicherung von Energie den Vorteil, dass sie kurzfristig hohe Leistung zur Verfügung stellen können. Um auf die in einem Kraftfahrzeug notwendige Versorgungsspannung zu kommen, müssen die einzelnen Doppelschichtkondensatoren in Reihe geschaltet werden. Die in Reihe geschalteten Zellen bilden somit einen Zellenverbund. Zum Laden, zur Symmetrierung der Zellspannung, zur Erkennung von Unter- und Überspannung einzelner Zellen, zur Ladungserhaltung der Zellen im Standbetrieb, zum Auf- und Entladen bzw. Umladen zwischen den einzelnen Zellen sowie zur Diagnose/zum Monitoring der einzelnen Zellen werden einzelne Zellen oder Zellgruppen mit jeweiligen Zellgruppen- Logiken verbunden, die einer mit diesen verbundenen Rail-Leitung Energie entnehmen oder zuführen kann, um die einzelnen Zellen bzw. Zellgruppen zu laden oder zu entladen. Im Folgenden wird beschrieben, dass jede Zellgruppen-Logik mit einer Zellgruppe verbunden ist, um deren Spannung zu überwachen und/oder zu steuern oder zu regeln. Von dem Begriff Zellgruppe sind hier auch Einzelzellen umfasst, so dass damit auch der Fall beschrieben ist, dass an jede Einzelzelle eines Zellenverbunds eines Energiespeichers eine Zellgruppen-Logik angeschossen ist, um deren Spannung zu überwachen und/oder zu steuern oder zu regeln.
Damit die Zellspannungen der einzelnen Zellen bzw. Zellgruppen beim zyklischen Laden oder Entladen nicht auseinanderlaufen, ist es bekannt, die Zellgruppen-Logiken mittels einer übergeordneten Regelungseinrichtung, nämlich einer Zentral-Logik, zu überwachen und so anzusteuern, dass ein gleichmäßiges Laden und/oder Entladen erreicht wird, wodurch eine lange Lebensdauer der einzelnen Zellen und somit des gesamten Zellenverbunds erreicht werden kann. Die Zellgruppen-Logiken sind üblicherweise über eine Datenleitung mit der Zentral-Logik verbunden, damit eine Datenkommunikation zur Gewährleistung der beschriebenen Funktion erfolgen kann. Diese Datenleitung führt jedoch zu einem erhöhten Verdrahtungsaufwand und demzufolge auch zu einer erhöhten Fehleranfälligkeit. Zur Reduzierung des Verdrahtungsaufwands und der Fehleranfälligkeit sind gerade im Kraftfahrzeugbereich verschiedenste Verfahren bekannt, über bestehende Versorgungsleitungen auch Daten zu übertragen. Im allgemeinen werden hierzu zwischen elektronischen Geräten zu übertragende Daten auf die Versorgungsspannungsleitungen aufmoduliert. Eine solche Vorgehensweise ist jedoch durch den sich ergebenden Spannungshub gerade im Bereich der Überwachung der Spannung einzelner Zellen an einem Zellenverbund ungeeignet, da hierdurch Messergebnisse bzw. auf den Versorgungsleitungen eingeprägte Referenzspannungspegel, die zum Laden bzw. Entladen der Zellgruppen oder Einzelzellen dienen, verfälscht werden.
Die DE 197 33 866 A1 beschreibt ein demgegenüber verbessertes Verfahren und System zur Übertragung von Daten in einem Kraftfahrzeug, bei dem eine Satellitenstation von einer Zentralstation über eine gemeinsam für die Datenübertragung und Leistungsversorgung verwendeten Datenübertragungsleitung mit Leistung versorgt wird. Hier führt die Datenübertragung nicht zu einer Nachregelung eines Stromgenerators, so dass die durchschnittliche Spannung auf der Datenübertragungsleitung (Ruhespannung) nicht verändert wird. Da die zu übertragenden Datensignale jedoch auch hier einfach der Ruhespannung der Datenübertragungsleitung in Form von Stromimpulsen überlagert werden, welche selbst bei kleiner Größe aufgrund des hohen (Ausgangs-)Widerstands des Stromgenerators zu starken, und damit empfängerseitig leicht detektierbaren Spannungsimpulsen führen, die auf der Empfangsseite durch einen Komparator oder einen Fensterkomperator einfach zuverlässig demoduliert werden können, besteht auch hier nicht die Möglichkeit, über die zur Datenübertragung und Leistungsversorgung verwendete Datenübertragungsleitung eine Leistungsversorgung durchzuführen, die gleichzeitig einen Referenzspannungspegel definiert.
Somit kann mittels der bestehenden Verfahren und Vorrichtungen zur Datenübertragung auf Versorgungsleitungen keine zuverlässige Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung einzelner Zellen in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz durchgeführt werden, wobei für jede Zellengruppe die Spannung ermittelt wird und die Zellengruppe in Abhängigkeit von der ermittelten Spannung geladen und/oder entladen wird, bei der jede Zellengruppe mit einer Zellengruppen-Logik verbunden ist und über jede Zellengruppen die Zellengruppen-Spannung ermittelt und in der Zellengruppen-Logik mit einer an einer Gleichspannungsleitung in Bezug auf Masse anliegenden Soll-Spannung verglichen wird und die Zellengruppe in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der ermittelten Zellengruppen-Spannung und der Soll-Spannung über die Gleichspannungsleitung geladen und/oder entladen wird, da die Soll-Spannung aufgrund der Datenübertragung verfälscht werden würde.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellengruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, anzugeben, bei dem eine Datenkommunikation über die Versorgungsleitung der Zellgruppen-Logiken (Rail-Leitung) erfolgen kann. Weiter ist es die Aufgabe der Erfindung, eine hierfür geeignete Zellgruppen-Logik sowie eine hierfür geeignete Zentral-Logik anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 , eine Zellgruppen-Logik nach Patentanspruch 9 und eine Zentral-Logik nach Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe über eine Versorgungsleitung, über die die Zellgruppe geladen oder entladen wird, mit einer Zellgruppen-Logik verbunden ist, die die Spannung der Zellgruppe überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellgruppen-Logik zum Laden oder Entladen der Zellgruppe einer Rail- Leitung Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik und einer anderen Zellgruppen-Logik und/oder einer Zentral-Logik über die Rail-Leitung erfolgt, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Datenkommunikation mit Spannungspegein zwischen einem an oder über einem Maximal-Spannungspegel, bis zu dem die Zellgruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem Idle-Pegel liegenden Daten-Pegel durchgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Zellgruppen-Logik zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines
Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe über eine Versorgungsleitung, über die die Zellgruppe geladen oder entladen wird, mit der Zellengruppen-Logik verbunden ist, die die Spannung der Zellengruppe überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellengruppen-Logik zum Laden oder Entladen der Zellgruppe einer Rail- Leitung Energie entnimmt oder zuführt, und eine Kommunikation der Zellgruppen-Logik und einer anderen Zellengruppen-Logik und/oder einer Zentral-Logik über die Rail-Leitung erfolgt, zeichnet sich durch eine Spannungsvergleichereinheit aus, die über die Rail-Leitung eine Datenkommunikation durchführt, wenn auf der Rail-Leitung Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal- Spannungspegel, bis zu dem die Zellengruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem Idle-Pegel liegenden Daten-Pegel anliegen.
Die erfindungsgemäße Zentral-Logik zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers über eine Zellengruppen- Logik, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug- Bordnetz, wobei die Zellgruppe über eine Versorgungsleitung, über die Zellgruppe geladen oder entladen wird, mit der Zellengruppen-Logik verbunden ist, die die Spannung der Zellgruppe überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellengruppen-Logik zum Laden oder Entladen der Zellgruppe einer Rail-Leitung Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik und einer anderen Zellgruppen-Logik und/oder der Zentral-Logik über die Rail-Leitung erfolgt, zeichnet sich durch eine Spannungswandlereinheit aus, die über die Rail- Leitung eine Datenkommunikation durchführt, indem auf die Rail-Leitung Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal- Spannungspegel, bis zu dem die Zellengruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem Idle-Pegel liegenden Daten-Pegel eingeprägt werden. Bei der genannten Zellgruppe handelt es sich entweder um eine einzelne Zelle oder um einen Verbund aus mehreren Einzelzellen, wobei die Anzahl der Zellen in der Zellgruppe in jedem Fall kleiner als der gesamte Zellenverbund ist. Aus Kosten- und Aufwandsgründen ist es sinnvoll, mehrere Zellen in einer Zellgruppe zusammenzufassen und die Daten statt für jede einzelne Zelle für eine Zellgruppe zu ermitteln. Bei den Zellen handelt es sich vorteilhafterweise um Doppelschichtkondensatoren. Das Verfahren, die Zellgruppen-Logik und die Zentral-Logik sind jedoch auch für jede andere Art von aus Einzelzellen aufgebauten Energiespeichern geeignet. Bei der Zellgruppen-Logik handelt es sich vorteilhafterweise um eine Einheit, die neben der Spannungsvergleichereinheit noch eine Steuereinheit aufweist, um die Zelle bzw. Zellgruppe zu laden und/oder zu entladen. Die an der Zelle bzw. Zellgruppe anliegende Spannung kann direkt in der Zellgruppen-Logik oder in der Zentral-Logik ermittelt werden. Die Spannungssteuerung bzw. -regelung der Zellen dient vorteilhafterweise sowohl der Ladungserhaltung als auch der Symmetrierung der Spannung der einzelnen Zellen. In der zuvor beschriebenen Ausführung der Zellgruppen-Logik und der Zentral-Logik kann die Zentral-Logik bei der Datenkommunikation Befehle an die Zellgruppen-Logik übertragen, da die Zentral-Logik bestimmte Spannungspegel auf die Rail-Leitung einprägen kann und die Zellgruppen- Logik die Spannungspegel der Rail-Leitung detektieren kann. Ist eine bidirektionale Datenkommunikation gewünscht, so können natürlich in der Zellgruppen-Logik auch eine Spannungswandlereinheit zum Einprägen von bestimmten Spannungspegeln und in der Zentral-Logik auch eine Spannungsvergleichereinheit zum Erfassen von Spannungspegeln vorgesehen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Zellgruppen- Logik und die erfindungsgemäße Zentral-Logik bieten somit gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, dass die Rail-Leitung sowohl zur Versorgung der Zellgruppen-Logik mit einer Referenzspannung, über die die Zellgruppen-Logik auch gespeist werden kann, wie auch für eine Datenkommunikation zwischen der Zentral-Logik und der Zellgruppen-Logik verwendet werden kann, ohne die Referenzspannung zu stören. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die Datenkommunikation mit Spannungspegeln erfolgt, die über einem Maximalspannungspegel liegen, bis zu dem die Zellengruppen- Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, d.h., bis zu dem die Rail-Leitung zum "Übertragen" der Referenzspannung dient. Bei Überschreiten des Maximalspannungspegels tauscht die Zellgruppen-Logik mit der Rail- Leitung keine Energie mehr zum Laden oder Entladen der an diese angeschlossenen Zellgruppe aus und die auf der Rail-Leitung anliegende Spannung dient nicht mehr als Referenzspannung zum Laden oder Entladen der Zellengruppen oder Einzelzellen, d.h., die Versorgungsleitung, über die die Zellgruppe mit der Zellgruppen-Logik verbunden ist, wird auf jeden Fall von der Rail-Leitung getrennt. Hierdurch wird das Laden bzw. Entladen der Zellgruppe mit einer unverfälschten Referenzspannung durchgeführt und bei der Datenkommunikation wird das Laden bzw. Entladen der Zellgruppe unterbrochen, um ein fehlerhaftes Laden bzw. Entladen auszuschließen.
Vorteilhafterweise wird die Zellgruppen-Logik aktiv geschaltet, wenn auf der Rail-Leitung eine Rail-Spannung anliegt, die oberhalb eines unter dem Maximalspannungspegel liegenden Enable-Spannungspegels liegt. Die Zellgruppen-Logik ist demzufolge vorteilhafterweise so ausgebildet, dass die Spannungsvergleichereinheit die Zellgruppen-Logik aktiv schaltet, wenn auf der Rail-Leitung eine Rail-Spannung anliegt, die oberhalb eines unterhalb des Maximal-Spannungspegels liegenden Enable- Spannungspegels liegt. Die Zentral-Logik weist demzufolge vorteilhafterweise eine Steuerungseinheit auf, die die Spannungswandlereinheit ansteuert, eine Rail-Spannung einzuprägen, die oberhalb eines unterhalb des Maximal-Spannungspegels liegenden Enable-Spannungspegels liegt, um die Zellgruppen-Logik aktiv zu schalten. In dieser vorteilhaften Ausführungsform werden die Zellgruppen- Logiken im Falle eines Fehlers "Kurzschluss nach Masse" zwangsweise passiv geschaltet, d.h., disabled. Auf diese Weise wird einer Zerstörung bzw. Schädigung der einzelnen Zellgruppen vorgebeugt.
Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß die Versorgungsleitung der Zellgruppe so mit der Rail-Leitung verbunden, dass zwischen diesen eine Leistung übertragen wird, die an oder oberhalb eines ersten Leistungspegels liegt, wenn die Rail-Spannung oberhalb des Enable- Spannungspegels oder eines oberhalb des Enable-Spannungspegels liegenden Low-Spannungspegels und unterhalb eines höheren High- Spannungspegels oder des noch höheren Maximal-Spannungspegels liegt.
Weiter vorteilhafterweise wird die Versorgungsleitung der Zellgruppe erfindungsgemäß so mit der Rail-Leitung verbunden, dass zwischen diesen eine Leistung übertragen wird, die an oder oberhalb eines zweiten über dem ersten Leistungspegel liegenden Leistungspegels liegt, wenn eine Zellgruppen-Spannung oberhalb des Enable-Spannungspegels und unterhalb des Low-Spannungspegels oder oberhalb des High- Spannungspegels und unterhalb des Maximal-Spannungspegels liegt. Nach der Erfindung werden vorteilhafterweise die Versorgungsleitungen verschiedener Zellgruppen so mit der Rail-Leitung verbunden, dass zwischen den verschiedenen Zellgruppen Leistung übertragen wird und/oder Leistung aus der Rail-Leitung entnommen oder an diese abgegeben wird.
Für diese Leistungsübertragung zwischen den Zellgruppen oder wenigstens einer Zellgruppe und der Rail-Leitung weist die erfindungsgemäße Zellgruppen-Logik vorteilhafterweise eine Schaltereinheit auf, die von der Spannungsvergleichereinheit angesteuert wird und die Versorgungsleitung der Zellgruppe so mit der Rail-Leitung verbinden kann, dass eine bestimmte Leistung übertragen wird, wobei die Spannungsvergleichereinheit die Entnahme oder Zufuhr von Energie von oder auf die Rail-Leitung anhand bestimmter auf der Rail-Leitung bestehender Spannungspegel und einer Zellgruppen-Spannung bestimmt. Bei der erfindungsgemäße Zentral-Logik steuert die Spannungssteuereinheit die Spannungswandlereinheit hierfür vorteilhafterweise an, eine Rail-Spannung einzuprägen, die oberhalb des Enable-Spannungspegels liegt, um die Zellgruppen-Logik anzusteuern, die Versorgungsleitungen verschiedener Zellgruppen so mit der Rail- Leitung zu verbinden, dass zwischen den verschiedenen Zellgruppen Leistung übertragen wird und/oder Leistung aus der Rail-Leitung entnommen oder an diese abgegeben wird.
Durch diese Funktionen kann sowohl eine Symmetrierung der Zellspannungen als auch das Erkennen von Unter- und Überspannungen einzelner Zellen erfolgen. Auch kann eine Ladungserhaltung der Zellen im Standbetrieb, ein Auf- und Entladen bzw. Umladen zwischen den einzelnen Zellen und eine Diagnose/ein Monitoring der einzelnen Zellen erfolgen. In dem Fall einer unidirektionalen Datenkommunikation zwischen der Zentral-Logik und der Zellgruppen-Logik(en) kann durch die Zentral-Logik z.B. eine Anweisung an eine bestimmte Zellgruppen-Logik erfolgen, die Versorgungsleitung der angeschlossenen Zellgruppe mit der Rail-Leitung zu verbinden, während gleichzeitig die anderen Zellgruppen-Logiken angewiesen werden, die Versorgungsleitungen der jeweiligen Zellgruppen von der Rail-Leitung zu trennen. In diesem Fall kann sowohl ein gezieltes Laden als auch ein gezieltes Entladen der mit der Rail-Leitung verbundenen Zellgruppe über die Rail-Leitung erfolgen. Da die Zentral- Logik die Entnahme von Energie von der Rail-Leitung bzw. die Zufuhr von Energie auf die Rail-Leitung bestimmen kann, kann sie in diesem Fall auch eine gezielte Diagnose einer einzelnen Zellgruppe in Bezug auf ihre Spannung, ihren Widerstand und ihre Kapazität vornehmen. Im Fall einer bidirektionalen Kommunikation zwischen Zentral-Logik und Zellgruppen- Logik(en) kann eine solche Diagnose auch durch die Zellgruppen- Logik(en) erfolgen, wobei die Informationsübertragung über den bidirektionalen Kommunikationsmechanismus erfolgen kann.
Erfindungsgemäß umfasst die Datenkommunikation vorteilhafterweise Adresse, Befehl, Daten, Sicherheit und/oder Antwort. Die Daten und/oder die Antwort umfassen weiter vorteilhafterweise den Innenwiderstand, die Kapazität, die Temperatur und/oder die Spannung einer Zellgruppe. Die Datenkommunikation erfolgt erfindungsgemäß vorteilhafterweise über eine Binär-Kodierung, einer Amplituden-Kodierung, einer Pulslängen- Kodierung und/oder einer Amplituden-Pulslängen-Kodierung.
Vorteilhafterweise steuert die erfϊndungsgemäße Steuerungseinheit die Spannungswandlereinheit an, die Datenkommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik und der Zentral-Logik über die Rail-Leitung durchzuführen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kodierung der Informationen,
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktion des Enabelns,
Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktion der Symmetrierung der Zellspannungen,
Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktion des Erkennens von Unter- und Überspannung,
Fig. 6 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kommunikationsfunktion,
Fig. 7 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Datenkodierung bei der erfindungsgemäßen
Kommunikationsfunktion, und Fig. 8 eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Datenkodierung bei der erfindungsgemäße Kommunikationsfunktion.
In der Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der physikalisch- technischen Ausführung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Vorrichtung ist beispielsweise in einem hier nicht dargestellten Fahrzeug implementiert. In der Fig. 1 sind in einem Zellenverbund Z mehrere Zellen C1, C2, ..., Cn in Reihe geschaltet. Der Zellenverbund Z ist an das Energie-Bordnetz E des Fahrzeugs angeschlossen und dient zur Energiebereitstellung, vor allem bei Hybrid-Fahrzeugen. Bei den Zellen C1 bis Cn handelt es sich vorteilhafterweise um Doppelschichtkondensatoren. Jede Zelle C1 bis Cn des Zellenverbunds Z ist mit einer jeweiligen Zellgruppen-Logik ZGL1 , ZGL2, ... , ZGLn verbunden.
In der Fig. 1 ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass jede Zelle C1 bis Cn eine Zellgruppe bildet, die mit einer eigenen Zellgruppen-Logik verbunden ist. Die Zellgruppen-Logiken ZGL1 , ZGL2, ..., ZGLn sind mit einer Rail-Leitung R verbunden, die einen Leiter 1 für Energie/Daten und einen Masseleiter 2 aufweist. Die Rail-Leitung R ist mit einer übergeordneten Zentral-Logik ZL verbunden, die auch mit der Batteriespannung Ubatt, der Fahrzeugmasse und einem Datenbus des Fahrzeugs verbunden ist.
Die Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kodierung der Informationen in zwei Varianten, wobei die erste Variante den in Fig. 1 dargestellten Fall betrifft, dass jede Einzelzelle C1 , C2, ..., Cn mit einer eigenen Zellgruppen-Logik ZGL1 , ZGL2 ZGLn verbunden ist und die zweite Variante den Fall betrifft, dass jede Zellgruppen-Logik mit einer Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen verbunden ist, also eine Zellgruppe nicht lediglich aus einer Einzelzelle, sondern aus mehreren Einzelzellen besteht. Der Unterschied der beiden Varianten liegt darin, dass in der ersten Variante eine Zellspannung zwischen dem Enable- Pegel und dem Maximal-Pegel liegt, während in der zweiten Variante eine Zellgruppen-Spannung zwischen diesen Pegeln liegt. Für beide Varianten wird ein über dem Massepegel liegender Enable-Pegel, ein über dem Enable-Pegel liegender Low-Pegel, ein über dem Low-Pegel liegender High-Pegel, ein über dem High-Pegel liegender Maximal-Pegel, ein über dem Maximal-Pegel liegender Idle-Pegel und ein über dem Idle-Pegel liegender Daten-Pegel definiert. Bei einem Spannungs-Pegel auf der Rail- Leitung zwischen dem Massepegel und dem Enable-Pegel sind die Zellgruppen-Logiken disabled, d.h., ausgeschaltet. Oberhalb des Enable- Pegels werden sie enabled, d.h., aktiv geschaltet. Zwischen dem Enable- Pegel und dem Maximal-Pegel wird in der Variante 1 die Zellspannung und in der Variante 2 die Zeilgruppenspannung mittels einer auf der Rail- Leitung eingeprägten Referenzspannung gesteuert bzw. geregelt. Zwischen dem Maximal-Pegel und dem Idle-Pegel werden die Zellgruppen-Logiken in beiden Varianten neutral geschaltet und oberhalb des Idle-Pegels findet eine Datenübertragung statt. Low-Pegel und High- Pegel dienen zum Erkennen von Unter- und Überspannungen einzelner Zellen bzw. Zellgruppen.
In der Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aktivschaltung der Zellgruppen-Logiken gezeigt. Eine Zellgruppen-Logik ZGLx wird aktiv geschaltet, wenn die auf dem Energie-/Datenleiter 1 eingeprägte Spannung Uin größer oder gleich dem Enable-Pegel Uenabie ist. Ist dies nicht der Fall, so wird die Zellgruppen-Logik ZGLx passiv geschaltet, d.h., disabled. Um diese Funktion auszuführen, umfasst die Zellgruppen-Logik ZGLx eine Spannungsvergleichereinheit 3, die die auf dem Energie-/Datenleiter 1 anliegende Spannung Uin mit dem Enable- Pegel Uenabie vergleicht. In dem Fall, dass die auf dem Energie-/Datenleiter 1 eingeprägte Spannung U1n größer oder gleich dem Enable-Pegel Uenabie ist, wird eine Logik-Baugruppe 4 aktiviert, d.h., enabled.
Die Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktion der Symmetrierung der Zellspannungen. Zusätzlich zu der in der Fig. 3 gezeigten und im Zusammenhang mit dieser beschriebenen Funktion überwacht die Spannungsvergleichereinheit 3, ob die auf dem Energie-/Datenleiter 1 eingeprägte Spannung U1n größer gleich dem Enable-Pegel Uenabie und kleiner gleich dem Maximal-Pegel Umax oder alternativ größer gleich dem Low-Pegel U|0W und kleiner gleich dem High- Pegel Uh,gh ist. Ist dies der Fall, so wird eine von der Logik-Baugruppe 4 freigegebene Schaltereinheit 5, hier in Form eines DC/DC-Wandlers, angewiesen, eine niedrige Leistung P|OW an die Zellgruppen-Logik ZGLx angeschlossene Zelle Cx abzugeben, wobei eine Zellenspannung Uzeιie als die auf dem Energie-/Datenleiter 1 eingeprägte Eingangsspannung minus dem Enable-Pegel Uenabie ist. Die Symmetrierung der Zellspannung erfolgt in dem Falle, dass sich die Schnittstellenspannung U,n in einem Spannungsbereich oberhalb des Enable-Pegels bzw. des Low-Pegels U|0W und unterhalb des Maximal-Pegels bzw. des High-Pegels Uhιgn bewegt. Die um den Enable-Pegel verminderte Rail-Spannung ist zugleich auch die Zellenspannung, alternativ die Zellgruppen-Spannung. Für den Fall, dass die Zellenspannung größer als die um den Enable-Pegel verminderte Rail-Spannung ist, wird Energie mit Hilfe des DC/DC-Wandlers 5 von der Zelle Cx in die Rail R transferiert. Ist die Zellenspannung Uzeιιe kleiner als die um den Enable-Pegel verminderte Rail-Spannung U,n, so wird die Energie aus der Rail R in die Zelle Cx transferiert.
Die Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktionen des Erkennens von Unter- und Überspannung. Zusätzlich zu der in der Fig. 4 gezeigten und in Bezug auf diesen beschriebenen Funktion der Zellgruppen-Logik ZGLx wird überprüft, ob die Zellen- Spannung UZeiie größer gleich dem Enable-Pegel Uenabie und kleiner gleich dem Low-Pegel U|OW oder größer gleich dem High-Pegel Uhιgh und kleiner gleich dem Maximal-Pegel Um3x ist. Ist dies der Fall, so wird die Schaltereinheit 5 angewiesen, der Zelle Cx eine hohe Leistung Phιgh zuzuführen bzw. zu entnehmen. Dies dient dazu, Unter- oder Überspannungen schnell abzubauen.
Für das Erkennen von Unter- oder Überspannung in der Zelle/Zellgruppe wird also neben der Diagnose-/Monitorfunktion ein nicht konstanter Leistungsverlauf der Transferleistung des DC/DC-Wandlers 5 über der Zellspannung Uzeιιe implementiert. Für den Fall, dass die Rail-Spannung Um sich zwischen Enable-Pegel Uenat>ie und Low-Pegel U|0W bzw. zwischen High-Pegel Uhιgh und Maximal-Pegel Umax befindet, wird entweder die normale oder bevorzugt die höhere Transferleistung angefordert. Alternativ kann anstelle des DC/DC-Wandlers 5 als Schaltereinheit eine Schaltung implementiert werden, welche lediglich den Strom auf der Rail- Leitung R einprägt, ohne eine Symmetrierungsfunktion bzw. nur eine Teilfunktion (z.B. einseitige/unidirektionale Symmetrierung) zu beinhalten.
Die Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsfunktion. Zusätzlich zu der in Fig. 5 gezeigten und im Zusammenhang mit dieser beschriebenen Funktion umfasst die Zellgruppen-Logik ZGLx einen Dateninterpreter 6, der mit der auf der Rail- Leitung R eingeprägten Rail-Spannung U1n versorgt wird, wenn von der Spannungsvergleichereinheit 3 festgestellt wird, dass die Rail-Spannung U1n größer gleich dem Idle-Pegel U,die ist. In diesem Fall werden Daten übertragen, die mittels des Daten-Interpreters 6 ausgewertet werden, wodurch dieser die Schaltereinheit 5, d.h., hier den DC/DC-Wandler, ansteuern kann.
Die Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Prinzips der Datenkodierung der erfindungsgemäßen Kommunikationsfunktion. Zur Datenübertragung werden hier von der Zentral-Logik ZL 4 Datenblöcke A, B, D und S an die Zellgruppen-Logik(en) ZGL geschickt, worauf von dieser/diesen ein Datenblock R als Antwort erfolgt. Die von der Zentral- Logik ZL gesandten Datenblöcke umfassen einen Datenblock für die Adresse A, einen Datenblock für einen Befehl B, einen Datenblock für Daten D und einen Datenblock für eine Sicherheitsfunktion S.
Die Fig. 8 zeigt bevorzugte Ausführungsbeispiele der Datenkodierung der erfindungsgemäßen Kommunikationsfunktion. In einem aus den im Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebenen fünf Datenblöcken beschriebenen Datenframe wird mit Hilfe des erlaubten Spannungshubs eine Datenkommunikation aufgebaut, die, wie oben beschrieben, Adresse, Befehl, Daten, Sicherheit und Antwort umfasst. In dem gezeigten Beispiel weist die Adresse eine Länge von 8 Zeitschlitzen, der Befehl eine Länge von 3 Zeitschlitzen, die Daten eine Länge von 8 Zeitschlitzen, die Sicherheit eine Länge von 4 Zeitschlitzen und die innerhalb des Datenrahmens gegebene Antwort eine Länge von 8 Zeitschlitzen auf. Die Antwort kann binär, amplitudenmoduliert, pulsweitenmoduliert oder amplituden- und pulsweitenmoduliert erfolgen. Wird eine binäre Empfängerantwort implementiert, kann auf ein bekanntes Datenprotokoll zurückgegriffen werden, während in den anderen Varianten optimierte Sonderlösungen implementiert sind.
Mit Hilfe des Kommunikationsmechanismus kann sowohl eine Ladungserhaltung der Zellen im Standbetrieb als auch ein Auf- und Entladen bzw. Umladen zwischen den einzelnen Zellen sowie eine Diagnose sowie ein Monitoring der einzelnen Zellen erfolgen.
In dem Fall, dass die Ladungserhaltung der Zellen im Standbetrieb nicht durch einfaches Anlegen der Zielspannung der Zellen an die Rail-Leitung
R erfolgt, wobei der Mechanismus der Symmetrierung aktiv ist, wie er in
Fig. 4 gezeigt und im Zusammenhang mit dieser beschrieben wurde, kann eine feste oder variable Spannungsschwelle mit einem eigenen
Funktionsteil verwendet werden. Die Aktivierung erfolgt hier über den Kommunikationsmechanismus mittels eines separaten Datenbefehls.
Auch das Auf- und Entladen bzw. Umladen zwischen einzelnen Zellen kann über den in der Fig. 4 gezeigten und im Zusammenhang mit dieser beschriebenen Funktion der Symmetrierung erfolgen. Alternativ ist auch hier eine Aktivierung durch den Kommunikationsmechanismus über einen separaten Datenbefehl möglich.
Die Überwachung der einzelnen Zellen/Gruppen für die Diagnose / das Monitoring der einzelnen Zellen beinhaltet vorzugsweise den Innenwiderstand, die Zellkapazität, die Temperatur und die Spannung. Der Temperatursensor kann entweder separat oder auf der Logik integriert sein. Spannung und Temperatur können direkt gemessen werden, während Innenwiderstand und Zellkapazität vorverarbeitet werden müssen. Die Informationsübertragung an die Zentral-Logik erfolgt vorzugsweise über den Kommunikationsmachanismus. Die erfindungsgemäße Energiespeicherschnittstelle ermöglicht eine Skalierbarkeit der Funktionen/Logik, eine kostengünstige Anbindung verschiedener Sensorik, eine standardisierte, intelligente Energiespeicherzelle, eine Minimierung der externen Verbindungstechnik, eine günstige Anordnung aus EMV-Sicht und eine verbesserte Recycling- Fähigkeit.
Erfindungsgemäß wird also zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung wenigstens einer Zellgruppe in einem Zellenverbund eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bord netz, eine Datenkommunikation zwischen einer Zentral-Logik und einer Zellgruppen- Logik über die diese verbindende Rail-Leitung durchgeführt, wobei Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal- Spannungspegel, bis zu dem die Zellgruppen-Logik mit der Rail-Leitung zum Laden oder Entladen der Zellgruppe Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel und einem über dem Idle-Pegel liegenden Daten-Pegel bestehen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung (Uzeiie) wenigstens einer Zellgruppe (C) in einem Zellenverbund (Z) eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die
Zellgruppe (C) über eine Versorgungsleitung (V), über die die Zellgruppe (C) geladen oder entladen wird, mit einer Zellgruppen- Logik (ZGL) verbunden ist, die die Spannung (Uzeiie) der Zellgruppe überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellgruppen-Logik (ZGL) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) einer Rail-Leitung (R)
Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik (ZGL) und einer anderen Zellgruppen-Logik (ZGL) und/oder einer Zentral-Logik (ZL) über die Rail-Leitung (R) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenkommunikation mit Spannungspegeln zwischen einem an oder über einem Maximal-
Spannungspegel (Umax), bis zu dem die Zellgruppen-Logik (ZGL) mit der Rail-Leitung (R) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel (Ujdιe) und einem über dem Idle-Pegel (Ujdιe) liegenden Daten-Pegel durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zellgruppen-Logik (ZGL) aktiv geschaltet wird, wenn auf der Rail- Leitung (R) eine Rail-Spannung (Uin) anliegt, die oberhalb eines unter dem Maximal-Spannungspegel (Umax) liegenden Enable- Spannungspegels (Uenabie) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (V) der Zellgruppe (C) so mit der Rail-Leitung (R) verbunden wird, dass eine Leistung übertragen wird, die an oder oberhalb eines ersten Leistungspegels (P|OW) liegt, wenn die Rail- Spannung (U1n) oberhalb des Enable-Spannungspegels (Uenabie) oder eines oberhalb des Enable-Spannungspegels liegenden Low- Spannungspegels (U|0W) und unterhalb eines höheren High- Spannungspegels (Uhigh) oder des noch höheren Maximal- Spannungspegels (Umaχ) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (V) der Zellgruppe (C) so mit der Rail-Leitung (R) verbunden wird, dass eine Leistung übertragen wird, die an oder oberhalb eines zweiten über dem ersten Leistungspegel liegenden Leistungspegels (Phjgh) liegt, wenn eine Zellgruppen-Spannung
(Uzeiie) oberhalb des Enable-Spannungspegels (Uenabie) und unterhalb des Low-Spannungspegels (U|0W) oder oberhalb des High- Spannungspegels (Uhigh) und unterhalb des Maximal- Spannungspegels (Umax) liegt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitungen (V) verschiedener Zellgruppen (C) so mit der Rail-Leitung (R) verbunden werden, dass zwischen den verschiedenen Zellgruppen (C) Leistung übertragen wird und/oder Leistung aus der Rail-Leitung (R) entnommen oder an diese abgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikation Adresse (A), Befehl (B), Daten (D), Sicherheit (S) und/oder Antwort (R) umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten (D) und/oder die Antwort (R) den Innenwiderstand, die
Kapazität, die Temperatur und/oder die Spannung (Uzeiie) einer Zellgruppe (C) umfassen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikation über eine Binär-Kodierung, eine Amplituden-Kodierung, eine Pulslängen-Kodierung und/oder eine Amplituden-Pulslängen-Kodierung erfolgt.
9. Zellgruppen-Logik (ZGL) zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung (UZeιie) wenigstens einer Zellgruppe (C) in einem Zellenverbund (Z) eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe (C) über eine Versorgungsleitung (V), über die die Zellgruppe (C) geladen oder entladen wird, mit der Zellgruppen-Logik
(ZGL) verbunden ist, die die Spannung (Uzeiie) der Zellgruppe (C) überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellgruppen-Logik (ZGL) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) einer Rail-Leitung (R) Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik (ZGL) und einer anderen Zellgruppen-Logik
(ZGL) und/oder einer Zentral-Logik (ZL) über die Rail-Leitung (R) erfolgt, gekennzeichnet durch eine Spannungsvergleichereinheit (3), die über die Rail-Leitung (R) eine Datenkommunikation durchführt, wenn auf der Rail-Leitung (R) Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal-Spannungspegel (Umaχ), bis zu dem die
Zellgruppen-Logik (ZGL) mit der Rail-Leitung (R) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) Energie austauscht, liegenden IdIe- Pegel (Uidιe) und einem über dem Idle-Pegel (Uidιe) liegenden Daten- Pegel anliegen.
10. Zellgruppen-Logik (ZGL) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsvergleichereinheit (3) die Zellgruppen-Logik (ZGL) aktiv schaltet, wenn auf der Rail-Leitung (R) eine Rail- Spannung (Uin) anliegt, die oberhalb eines unterhalb des Maximal- Spannungspegels (Umaχ) liegenden Enable-Spannungspegels
(Uenable) Hegt.
11. Zellgruppen-Logik (ZGL) nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Schaltereinheit (5), die von der Spannungsvergleichereinheit (3) angesteuert wird und die
Versorgungsleitung (V) der Zellgruppe (C) so mit der Rail-Leitung (R) verbinden kann, dass eine bestimmte Leistung übertragen wird, wobei die Spannungsvergleichereinheit (3) die Entnahme oder Zufuhr von Energie von oder auf die Rail-Leitung (R) anhand bestimmter auf der Rail-Leitung (R) bestehender Spannungspegel und anhand einer Zellgruppen-Spannung (UZeιie) bestimmt.
12. Zellgruppen-Logik (ZGL) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikation über eine Binär- Kodierung, eine Amplituden-Kodierung, eine Pulslängen-Kodierung und/oder eine Amplituden-Pulslängen-Kodierung erfolgt.
13. Zentral-Logik (ZL) zur Überwachung und/oder Steuerung oder Regelung der Spannung (UZeιie) wenigstens einer Zellgruppe (C) in einem Zellenverbund (Z) eines Energiespeichers über eine Zellgruppen-Logik (ZGL), insbesondere eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Zellgruppe (C) über eine
Versorgungsleitung (V), über die die Zellgruppe (C) geladen oder entladen wird, mit der Zellgruppen-Logik (ZGL) verbunden ist, die die Spannung der Zellgruppe (C) überwacht und/oder steuert oder regelt, die Zellgruppen-Logik (ZGL) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C) einer Rail-Leitung (R) Energie entnimmt oder zuführt und eine Kommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik (ZGL) und einer anderen Zellgruppen-Logik (ZGL) und/oder der Zentral-Logik (ZL) über die Rail-Leitung (R) erfolgt, gekennzeichnet durch eine Spannungswandlerereinheit, die über die Rail-Leitung (R) eine Datenkommunikation durchführt, indem auf die Rail-Leitung (R) Spannungspegel zwischen einem an oder über einem Maximal- Spannungspegel (Umaχ), bis zu dem die Zellgruppen-Logik (ZGL) mit der Rail-Leitung (R) zum Laden oder Entladen der Zellgruppe (C)
Energie austauscht, liegenden Idle-Pegel (Ujdιe) und einem über dem Idle-Pegel (Ujdιe) liegenden Daten-Pegel eingeprägt werden.
14. Zentral-Logik (ZL) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinheit, die die Spannungswandlereinheit ansteuert eine Rail-Spannung (Uin) einzuprägen, die oberhalb eines unterhalb des
Maximal-Spannungspegels (Umaχ) liegenden Enable-
Spannungspegels (Uenabie) liegt, um die Zellgruppen-Logik (ZGL) aktiv zu schalten.
15. Zentral-Logik (ZL) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit die Spannungswandlereinheit ansteuert eine
Rail-Spannung (Ujn) einzuprägen, die oberhalb des Enable- Spannungspegels (Uenabie) liegt, um die Zellgruppen-Logik (ZGL) anzusteuern, die Versorgungsleitungen (V) verschiedener Zellgruppen (C) so mit der Rail-Leitung (R) zu verbinden, dass zwischen den verschiedenen Zellgruppen (C) Leistung übertragen wird und/oder Leistung aus der Rail-Leitung (R) entnommen oder an diese abgegeben wird.
16. Zentrale Logikeinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit die Spannungswandlereinheit ansteuert die Datenkommunikation zwischen der Zellgruppen-Logik (ZGL) und der Zentral-Logik (ZL) über die Rail-Leitung (R) durchzuführen.
17. Zentrale Logikeinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikation über eine Binär- Kodierung, eine Amplituden-Kodierung, eine Pulslängen-Kodierung und/oder eine Amplituden-Pulslängen-Kodierung erfolgt.
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