EP4107809A1 - Batteriemodul zum aufbau eines batteriesystems für ein fahrzeug - Google Patents

Batteriemodul zum aufbau eines batteriesystems für ein fahrzeug

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Publication number
EP4107809A1
EP4107809A1 EP21707235.4A EP21707235A EP4107809A1 EP 4107809 A1 EP4107809 A1 EP 4107809A1 EP 21707235 A EP21707235 A EP 21707235A EP 4107809 A1 EP4107809 A1 EP 4107809A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
address
module
battery module
connector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21707235.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick ASSMANN
Björn Langhof
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.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Webasto SE filed Critical Webasto SE
Publication of EP4107809A1 publication Critical patent/EP4107809A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4257—Smart batteries, e.g. electronic circuits inside the housing of the cells or batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4278—Systems for data transfer from batteries, e.g. transfer of battery parameters to a controller, data transferred between battery controller and main controller
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module for building a battery system for a vehicle, as well as a cable harness with several connectors for connecting several battery modules, and a battery system with at least one battery module and a cable harness, and a method for communication between a central control unit and at least one battery module.
  • high-voltage storage systems which are organized in battery modules, which are also known as battery packs or in battery packs, in any configuration in a series and / or parallel connection, e.g. 1sXp or 2sXp, are electrical interconnected to a battery system.
  • the battery modules are usually high-voltage storage devices with a voltage of 400V or 800V.
  • Each battery module in the battery system must be able to be uniquely assigned and recognized in order to implement and guarantee stable communication and functional execution.
  • This assignment is typically performed by a central and higher-level control unit, which can be integrated in one of the built-in battery modules or in a separate switch box, for example a so-called “vehicle interface box”.
  • the higher-level control unit then uses a master-slave principle to ensure that each battery module is uniquely recognized.
  • each battery module can be addressed using a wide variety of methods. In any case, each battery module must be assigned a unique identifier, in particular a unique address. There are two established addressing methods to solve this problem: Either the address is permanently programmed into the battery module at the beginning, or the addressing of the battery modules is regulated in a dynamic method.
  • a disadvantage of static battery module addressing is that the system can no longer be started in the event of a fault. The error must then be corrected manually in the battery system. This proves to be time-consuming at least when battery systems have already been delivered to the end user and integrated in the vehicle.
  • each battery module is repeatedly assigned a unique ID with each start process.
  • a disadvantage of such a dynamic solution is that each start process requires a certain amount of time for the secure assignment of addresses and identifiers. Usually, however, the end user wants to start the vehicle and use it immediately without any waiting times. In addition, the complexity of the software and the associated development and validation effort for the system are significantly increased. Furthermore, an analysis of the status of an individual battery module is made more difficult in the case of dynamic address assignment, since the address of the battery module can change over its lifetime.
  • previous concepts mostly only support a certain high-voltage topology. This means that previous concepts are very inflexible. In the event of changes to the high-voltage topology, the source code or the hardware of the central control unit must therefore always be adapted.
  • a battery module for setting up a battery system for a vehicle, the battery module having at least one battery cell and a battery management controller with a battery management controller interface, the Battery management controller interface has at least two address contacts for assigning an address to the battery module; and the battery management controller is designed and set up to recognize an assignment of the address contacts and to derive an address for the battery module therefrom.
  • a battery module is an interconnection of battery cells, the latter preferably storing electrical energy in the form of chemical energy.
  • a battery cell can be a lithium iron phosphate cell, for example.
  • the capacity and voltage of the battery module can be varied depending on the circuit.
  • different battery cells can be interconnected to form battery modules.
  • a battery module is understood here to be a sub-unit of a battery system, a plurality of battery cells being interconnected in a battery module. According to the understanding on which this is based, a battery module can also comprise a combination of several such subunits. In other contexts, such a combination is also referred to as a battery pack, but this also falls under the definition of a battery module.
  • a battery module usually comprises a battery management controller, which takes over the interconnection of the respective subunits as well as their monitoring and control, or at least one cell measuring device for measuring the status of the battery cell (s).
  • a battery module comprises at least one battery cell and a cell measuring device for measuring the state of the battery cell (s).
  • Several battery modules are combined to form a battery pack, the battery pack comprising a battery management controller which is set up to interconnect, control and monitor the battery modules in the battery pack.
  • Several battery packs are then combined to form a battery system that provides the vehicle with energy.
  • battery module In the definition used here, for the sake of simplicity, the hierarchy levels of the battery module and the battery pack are equated and referred to as “battery module”.
  • Various battery modules can then be interconnected to form a battery system.
  • These battery systems can then be used, for example, in vehicles, with the interconnections used, the number of battery modules and / or cells depending can be differentiated according to purpose.
  • the battery systems used in vehicles are in principle also suitable for stationary storage of energy.
  • a vehicle is any means of transportation that has an electric motor.
  • a car is a vehicle, but trucks, buses, aircraft equipment such as fixed-wing aircraft or rotary-wing aircraft, boats, submarines, electrically-assisted scooters and bicycles, electric bicycles in the form of pedalecs or golf caddies are also vehicles within the meaning of the claim.
  • a battery management controller monitors the status of the battery modules on which the battery is based, regulates the extraction of energy from the various battery modules and protects the battery modules against, for example, deep discharge.
  • a battery management controller can be associated with the entire battery system, or with the individual battery modules or with the individual cells or combinations thereof.
  • the battery management controller can have a battery management controller interface which has at least two address contacts.
  • the battery management controller recognizes an assignment of the address contacts and can, for example, assign an address to the battery module.
  • each battery module can be assigned a unique address by assigning the respective address contacts.
  • the battery management controller also assigns itself an address in the overall network based on the address contact assignment, so that the controller itself can also be addressed via the address on the battery management controller interface.
  • a controller in particular a battery management controller, is a control unit.
  • a controller can be software that is imported into existing hardware, but it can also be a hardware component that is connected to an existing hardware component. However, it can also be a hardware component which is taken into account in parallel in the circuit layout during the production of an already known hardware component. However, it can also be a hardware component which, together with an already known hardware component is integrated. In particular, it can be the case that the hardware component only assumes its function through the software.
  • a battery module can also mean that the hardware and / or software has at least partially a modular structure.
  • a modular structure can also mean that the overall system can also function without the battery module, but then does not have the desired improvements.
  • a modular structure can also mean that the battery module can be attached to existing systems.
  • a modular structure can also mean that different systems and devices, in particular battery systems, circuit units and control systems and control software, can be equipped with the module and then have a common basic configuration on the basis of which data and information can be exchanged.
  • the controller has an interface.
  • An interface is a connection unit that allows information to be transmitted to the controller, which can then be processed in the controller.
  • the interface has at least two address contacts.
  • An address contact is, for example, a conductive connection of the interface at which the controller can take measurements of one or more physical quantities.
  • Physical variables are, for example, the resistance, the conductivity and / or the electrical potential of the address contact.
  • the at least two address contacts can be used to assign an address to the battery module.
  • An address is a combination of specific and defined physical quantities.
  • An address is also unique in the communication area of the controller, i.e. the system, so that a module can be clearly identified.
  • the address can be assigned to the module in the controller.
  • the controller can, for example, transfer data, information and control commands that are sent to the address to the module.
  • the controller can also send data from the module, provided that it is requested or requested by the respective module address.
  • the number A of address contacts must be adapted. If only one physical variable, for example the voltage, is to be measured at all address contacts, and this only in two States are present, for example high voltage or no voltage, or negative voltage and positive voltage, then you always need at least Log2 (M)
  • the controller can read or measure the assignment of the address contacts of the interface. For example, the combination of physical measured variables that are present at the interface is associated with the module.
  • An assignment of two address contacts can consist, for example, in that a high electrical voltage is applied to the first address contact, while no electrical voltage is applied to the second address contact.
  • the module can be configured overall, for example, in such a way that it has a controller, the hardware of which has two contact surfaces to which a voltage can be applied.
  • the controller software recognizes these voltages and assigns the module an address that is associated with the combination of voltages on the contact surfaces.
  • the address contacts can each be contacted by an addressing pin with a connector and applied to electrical potentials.
  • a connector is a device for connecting a cable harness to the battery management controller interface.
  • a connector can have means that enable the connector to be locked in the connector counterpart, for example the battery management controller interface.
  • a connector can, for example, also be standardized to a specific external geometry and can contain connecting elements via which data and information can be transmitted from the cable harness.
  • a connector can be designed, for example, in the form of a plug or a socket in order to be able to establish a plug connection in this way.
  • Such connecting elements can be so-called addressing pins. Addressing pins can be conductive elevations or depressions that are attached in or on the connector. One side of the addressing pins can each be connected to one of the cables of the cable harness. The other side of the addressing pins can then transport the data and information from the cable harness towards the battery management controller interface.
  • the data and information can in particular be transported and generated via electrical potentials, as described above.
  • the address contacts of the battery management controller interface can by default also be at a first potential and brought to a second potential through a contact with the addressing pin.
  • the connector can in particular ensure a secure hold of the addressing pins on or on the address contacts.
  • the use of electrical potentials enables simple, safe and direct communication with the electronics of the battery management controller.
  • the connector can in particular be a CAN connector, the first potential being the ground of the CAN connector and the addressing pins being the freely selectable pins of the CAN connector.
  • CAN is the abbreviation for Controlled Area Network, which is a serial bus system and is used especially in vehicles for communication between different participants.
  • the first potential of the connector can be connected to the ground of the CAN connector.
  • the second potential can be applied via the freely selectable or assignable pins of the CAN connector to the battery management controller interface.
  • a CAN connector By using a CAN connector, in particular, compatibility of the battery management controller communication with other components can be ensured. Furthermore, it allows the use of established hardware, as well as established methods and protocols, in particular communication protocols that are typical and / or standardized in motor vehicles.
  • the electrical connection between an addressing pin and a first potential can be interpreted by the battery management controller as a logical 0, and an electrical connection between an addressing pin and another second potential can be interpreted as a logical 1 by the battery management controller.
  • the respective addressing pin can simply remain unconnected, so that the battery management controller can distinguish between a defined (first) potential and an undefined potential for the unconnected addressing pins and interprets them accordingly as a logical 0 and a logical 1 .
  • the first potential can be at ground (GND), while the second potential is 5 volts. If, for example, the potentials GND, 5V, 5V, GND, GND are applied to a connector with 5 addressing pins, these potentials are transferred to the battery management controller interface, where they are interpreted as "01100" by the battery management controller.
  • the combination of the electrical connections of the addressing pins can be interpreted as an address by the battery management controller.
  • a control command can be sent to address “01100” so that only the battery module with the above address reacts to the control command.
  • the topology of the battery module and / or the battery system in particular the role of the battery module in the topology of the battery system, can be coded in the address of the battery module.
  • the topology of an electrical system provides information about the interconnection of the electronic components.
  • the topology of the battery module contains information about the Interconnection of the battery cells.
  • the topology of the battery system contains information about the interconnection of the battery modules.
  • the role of a battery module in the topology can include information about the interconnection of the battery module, its position in the overall system, the voltage and other properties.
  • the address “1011” can be assigned to a battery.
  • the first bit of the address could, for example, indicate that the battery module is connected in series with another battery module.
  • the numerical number could stand for an identification number of the battery module, which prefers a certain degree of degradation of the battery module in the overall system during the production process.
  • the last bit indicates whether the battery module is located on the right-hand side of the overall system or on the right-hand side of the overall system relative to a predefined orientation variable.
  • the first bit can mean whether the battery module is connected in series with another battery module. If the first bits of these two series-connected battery modules differ, the system can output an error message.
  • the module is the battery management controller or the battery management controller is connected to the module or the module is integrated in the battery management controller.
  • existing battery management controllers can also be retrofitted with a module so that the module assigns an address to the existing battery modules.
  • a module for setting up a battery system for a vehicle is also proposed, in particular a control module, the module having a controller and an interface, wherein the interface has at least two address contacts for assigning an address to the module and a controller, the controller being designed and set up to recognize an occupancy of the at least two address contacts and to derive an address for the module therefrom.
  • a cable harness with several connectors is provided for connecting several battery modules, the connectors occupying the address contacts of the battery modules differently.
  • a cable harness is a multi-part and electrically conductive connection with several connections and branches.
  • a cable harness can in particular improve the cable organization when interconnecting several components.
  • several devices can communicate with one another via these lines via a cable harness.
  • This connector can be, for example, a CAN connector or another connector.
  • the contacts of the connector can be connected by the cables of the cable harness.
  • several connectors can be connected via these disk cables and can be in contact with one another.
  • a different assignment of the address contacts of the battery modules can lead to a unique and unique address and enable the identification of the battery modules in the overall system.
  • the different assignment can be achieved by using the combination of the electrical connections from the connector to the address contacts in the system only once.
  • a first battery module can be connected to a connector in which the first addressing pin is on ground (0) and the second addressing pin is on 5V (1) and so the battery module is assigned the address "01" and A second battery module can be connected to a connector where the first addressing pin is at 5V and the second addressing pin is at ground and the battery module is assigned the address "10". Then the address contacts of each battery module are assigned differently. This enables the various battery modules to be clearly identified and addressed.
  • the cable harness can have a modular, in particular expandable, structure.
  • Modular construction means that the entire cable harness can be put together from sections. Each section has at least one input to which a section can be adapted, as well as at least two outputs to which further cable harness sections can be connected. If further wiring harness sections are connected to a wiring harness section, it will expand.
  • a modular structure has the particular advantage that only one model of a cable harness section has to be produced, and this one section can be assembled to form an entire cable harness.
  • the length of the cable harness and the number of connectors can be freely selected, so that only as many cable harness sections have to be installed as connectors are required.
  • the cable harness can partially place the addressing pins of the connectors on the same electrical potential, in particular the same ground.
  • the connectors can access a common ground line so that all modules or battery management controllers are connected to the same ground. This can reliably prevent electrical flashovers and also forms a common basis for communication between the various battery management controllers.
  • the cable harness can be integrated into the high-voltage cable harness and / or formed parallel to it and / or linked to it.
  • the various battery modules are interconnected to form a total battery with a total voltage and total capacity.
  • two 400V battery modules can be connected in series to form an 800V battery.
  • the wiring harness for communication between the battery modules can be configured parallel to the high-voltage wiring harness, so that with a given high-voltage topology the wiring harness and the high-voltage wiring harness are assembled and mix-ups between the high-voltage topology and the communication connections are avoided.
  • the cable harness can be laid parallel to the high-voltage cable harness, for example using cable ties, so that each connector for the battery management controller interface and the connectors for the high-voltage topology have a spatially adequate relationship ensures that both the correct connector and the correct battery connector are assigned to each battery module.
  • the high-voltage topology is defined within the overall battery system via the high-voltage wiring harness.
  • the cable harness for communication between the battery modules can therefore also be integrated into the high-voltage cable harness so that the communication lines and the power lines are parallel to one another. This can avoid mix-ups.
  • By using an integrated cable harness in the high-voltage cable harness it can be ensured that the high-voltage topology is consistent with the address assignment to the battery modules. This avoids incorrect configurations.
  • a battery system with at least one battery module and a cable harness is also provided, the battery modules being brought together with the cable harness in a central control unit.
  • a battery system is the interconnection of several battery modules. This interconnection takes place, for example, with a cable harness. Connectors can be connected to the wiring harness, which in turn occupy the address contacts of the battery modules. In this way, addresses can be assigned to the contacted battery modules by the respective battery management controllers.
  • the different packs can be connected to a central control unit.
  • This central control unit can, for example, recognize which battery addresses are assigned in the battery system.
  • the central control unit can also regulate the communication between the battery modules or communicate with the individual battery modules.
  • the central control unit can also assign specific roles in the overall topology to the battery modules via a master / slave system.
  • the central control unit can assign the various addresses of the battery modules of the battery system to an overall topology.
  • the overall topology reflects the entire interconnection of the battery modules with a total capacity and a total voltage.
  • the central control unit can use the addresses to recognize whether battery modules are connected in series. For example, it can be stored in the central control unit that batteries are connected in series when the first address bit is 1.
  • the central control unit can recognize battery modules connected in series. For example, a battery module with the address “1011” can be connected in series with the battery module with the address “0011”. Based on this assignment, the central control unit can manage the battery modules with the addresses “1011” and “0011” as a unit.
  • the central control unit can be designed in a battery module or independently and / or the central control unit can be formed by the module.
  • the battery system when a battery module is installed in the battery system, the battery system, in particular the connector, can assign the address to the battery module according to the assignment of the addressing contacts of the connector and, in particular, when changing or replacing a battery module, assign the same address to the new battery module.
  • the communication of the battery module can be started via the address of the old battery module in the event of a change.
  • the central control unit can communicate with the battery module via the assigned address and / or transmit the assigned address when communicating with the battery module and / or identify the battery module by means of the assigned address.
  • the central control unit can request the addresses of the connected battery modules via a global command via the CAN bus.
  • the responses from the individual battery modules can then be processed in the central control unit and, for example, registered.
  • the battery module voltages can then be queried at regular intervals from the various addresses.
  • the battery modules can also send their address when communicating with the control unit, so that an assignment in the central control unit is possible.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a battery module
  • FIG. 2 shows a tabular representation of various address contact assignments
  • FIG. 3 shows a schematic structure of a battery system
  • FIG. 4 shows a schematic structure of a 2s4p battery system
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a plausibility analysis
  • FIG. 6 possible connectors
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the mode of operation of a connector
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the communication between a battery module and a central control unit
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a modular cable harness.
  • a battery module 1 is shown schematically in FIG.
  • the battery module 1 comprises a battery cell 16, a battery management controller BMC, and a battery management controller interface BMCS.
  • the battery management controller interface BMCS has four address contacts 12.
  • the battery management controller also has a microcontroller pC in which data and information can be processed.
  • the address contacts 12 are connected to the addressing pins 14 of a connector 10 (not shown here). By occupying the addressing pins 14, three address contacts 12 are connected to ground. An address contact 12 remains unoccupied. The unused address contact is interpreted by the microcontroller pC as "1", the address contacts 12, which are connected to ground, are interpreted as "0". The battery management controller thus assigns the address "1000" to the battery module.
  • FIG. 2 the various possible assignments of the address contacts 12 of a battery module 1 with four address contacts 12 are shown in a table.
  • This table can be stored, for example, in a memory of the battery management controller BMC and used as a so-called look-up table.
  • the battery management controller BMC assigns the battery module 1 the appropriate address to recognize its role in the overall system.
  • the address contacts 12 are numbered in descending order in the table and start with address contact no. 4 ADR4 up to address contact no. 1 ADR1.
  • the “ECU type” column shows the type of electronic control unit (ECU). For example, in addition to battery management systems BMS, so-called “vehicle interface boxes” VIB, such as a central control unit ZS, are also provided.
  • the role of battery module 1 is specified in the "ECU sub type” column. If the battery module 1 is connected to an “1111” connector 10, it is a single battery module 1 with its own control (“standalone”). If a battery management controller BMC is connected to the connector (“plug”) “0000”, it recognizes that it takes on the role of a central control unit ZS (“VIC”) and controls a 400V battery system, for example.
  • VOC central control unit ZS
  • the battery system 3 can be specified, for example, in that the battery modules 1 are simply connected in series and x-times in parallel (1sXp). If the battery management controller BMC is connected to a "1000" connector 10, it recognizes, for example, that it is controlling an 800V battery system 3, whereby two battery modules 1 are connected in series and these two battery modules 1 are connected in parallel with other x battery module pairs ( 2sXp).
  • the battery management controller BMC If the battery management controller BMC is connected, for example, to an “0110” connector 10, it recognizes its role as a “slave” and is therefore subordinate to another control unit.
  • Various identifiers can also be associated with the address, which are listed in the "Pack ID” column. For example, central control units ZS and standalone battery modules can be assigned Pack ID 0. #
  • the "Pack Name” column indicates the name of the respective battery module.
  • the first digit in the "Pack Name” indicates the position within a serial battery system structure, the second number indicates the position within a battery system structure connected in parallel.
  • the pack addressing through the connector configuration facilitates variant management between different battery system solutions. Since different customers with different desired high-voltage topologies are to be served with a central control unit ZS, this solution does not have to make a distinction in production for the use of the central control unit ZS. That makes the logistical effort easier.
  • the arrangement of battery modules 1 in a battery system 3 is shown schematically in FIG.
  • the serial index ie the first digit of the “pack name”
  • the parallel index i.e. the second digit of the “pack name”
  • Various battery cells are arranged in the xy plane.
  • the polarity is marked with +/- in the respective battery cells.
  • the assigned address is in the first row of the identifier, the second row shows the pack name.
  • the third line shows the respective ID. All identifiers were taken from the table in FIG. It can be clearly seen that battery modules 1 with the same parallel index are placed next to one another, while battery modules 1 with the same serial index are arranged one above the other.
  • FIG. 4 shows the schematic structure of a 2s4p battery system 3.
  • Two of the battery modules 1 with the IDs 0 to 3 and 7 to 10 are connected to one another in series via the HV wiring harness 22 so that the voltage of both battery modules 1 adds up.
  • a total of four serially connected battery module pairs are again connected in parallel so that the capacity of all battery module pairs adds up.
  • the battery modules are additionally connected to a VIB via a cable harness 20 with connectors (not shown).
  • the VIB has been assigned the address "1000" via the connector so that the VIB takes on the role of the central control unit ZS of the 800 V system with 2s4p topology.
  • FIG. 5 shows a possible plausibility analysis that can protect against incorrect operation of the battery system 3. In particular, communication errors that occur and misuse of the battery system due to the impermissible interconnection of battery modules are detected and checked for plausibility.
  • FIG. 5A the battery modules 1 are correctly interconnected, since the parallel indices of the battery modules 1 match.
  • the central control unit ZS has been assigned an address “0000” which controls a battery system 3 in which the battery modules are not connected in series. This discrepancy between the information from the central control unit ZS and the information about the topology of the battery cells can lead to an error message which indicates the lack of interconnection and thus protects the battery cells from damage.
  • the central control unit ZS has been assigned the correct address for a serial connection of the two battery modules 1. However, the parallel indices of the two linked battery modules 1 do not match. This can be interpreted by the central control unit ZS as a possibly faulty circuit, so that an error message is output. Overall, the system can check whether the specified topology of the central control unit ZS matches the information from the battery modules 1.
  • the connector 10 in FIG. 6A is a CAN connector 100 which has five addressing pins 14.
  • the addressing pins 14 are characterized in the figure that they are filled with either black or white. Hatched pins represent communication pins that are not required for pure addressing and that ensure the functionality of the CAN communication. Since various pins are used as standard for communication via the CAN bus, the freely selectable pins of the CAN connector must be selected for correct addressing. It is assumed here that pins 2, 4, 5 as well as 8 and 9 can be freely assigned for CAN communication. Pin no. 3 is connected to ground as standard. For example, the addressing pins 14 can also be connected to ground via the CAN ground, provided the connector is set up accordingly. The addressing pins 14 connected to ground are then registered by the address contact 12 and interpreted as “0” by the battery management controller. The address contacts 14 ‘are not connected to ground and are therefore interpreted as" 1 ".
  • FIG. 6B A standard CAN connector 100 and an address connector 102 are shown in FIG. 6B.
  • the address connector 102 is connected to the CAN connector 100 via an electrical line.
  • the addressing pins 14 of the address connector 102 can thus use the ground of the CAN connector 100.
  • a combined connector 104 with 15 pins can be seen in FIG. 6C, of which pins 6 to 8 as well as 14 and 15 are addressing pins 14. In the connector of FIG. 6C there are in particular communication pins and addressing pins 14 and 14 '.
  • the mode of operation of a connector 10 is shown schematically in FIG.
  • the address contacts 14 of the battery management controller interface are assigned via the connector 10.
  • the address contacts 14 labeled ADR2 and ADR3 are connected to the ground of the central control unit ZS via the connector.
  • the address contacts with the labels ADR1 and ADR4 remain unoccupied.
  • the unused address contacts 14 are interpreted as "1" by the battery management controller.
  • the occupied address contacts 14 are interpreted as "0" by the battery management controller.
  • 1001 is the address for battery module 1.
  • the central control unit ZS and the battery module 1 can exchange data and information via the transmission and reception lines (TX and RX) of the cable harness 20.
  • the central control unit ZS can communicate with the specific battery module 1 by using the registered address of the battery module 1 in the communication.
  • the battery module 1 can then also send its address in its response, so that the response can be assigned to the corresponding battery module 1.
  • FIG 8 the communication scheme between battery module 3 and a central control unit ZS is illustrated. Shown is a 2s2p battery system 3 with a total of four battery modules 1.
  • the central control unit ZS sends a control command, for example "1000: 1010: V?" To the entire battery system 3.
  • the command structure can, for example, look like the first communication block contains the sender address, here "1000". In this way, the recipient can check the admissibility of a subsequent request using the system hierarchy.
  • the second communication block contains the recipient address, here "1010".
  • the receiver block is read by all battery modules 1 of the battery system 3.
  • the third block can contain the specific request, here "Status".
  • Each harness section 202 has at least one input and two outputs. This allows the various wiring harness sections 202 to be connected to one another.
  • the wiring harness also allows the various addressing pins of the connectors 10 to be connected to the same ground, provided that the ground contact is looped through the wiring harness.
  • a cable harness can easily be expanded by attaching new cable harness sections.
  • all the individual features that are shown in the exemplary embodiments can be combined with one another and / or exchanged without departing from the scope of the invention.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1) zum Aufbau eines Batteriesystems für ein Fahrzeug, wobei das Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und einen Batterie-Management- Controller (BMC) mit einer Batterie-Management-Controllerschnittstelle (BMCS) aufweist, wobei die Batterie-Management-Controllerschnittstelle (BMCS) mindestens zwei Adress kontakte zum Zuweisen einer Adresse zu dem Batteriemodul aufweist, und der Batterie-Management-Controller (BMC) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Belegung der Adresskontakte zu erkennen und daraus eine Adresse für das Batteriemodul abzuleiten.

Description

Batteriemodul zum Aufbau eines Batteriesystems für ein Fahrzeug
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul zum Aufbau eines Batteriesystems für ein Fahrzeug, sowie einen Kabelbaum mit mehreren Konnektoren zum Konnektieren mehrerer Batteriemodule, sowie ein Batteriesystem mit mindestens einem Batteriemodul und einem Kabelbaum, sowie ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einer zentralen Steuereinheit und mindestens einem Batteriemodul.
Stand der Technik
Um die Reichweite und Leistung von elektrischen Fahrzeugen zu vergrößern, werden typischerweise mehrere Hochvoltspeicher, die in Batteriemodulen, die auch als Batteriepacks bezeichnet werden oder in Batteriepacks organisiert sind, in einer beliebigen Konfiguration in einer Serien- und oder Parallelschaltung, z.B. 1sXp oder 2sXp, elektrisch zu einem Batteriesystem verschaltet. Üblicherweise handelt es sich bei den Batteriemodulen um Hochvoltspeicher mit einer Spannung von 400V oder 800V.
Jedes Batteriemodul im Batteriesystem muss zur Realisierung und Gewährleistung einer stabilen Kommunikation und Funktionsausführung eineindeutig zugeordnet und erkannt werden können.
Diese Zuordnung übernimmt typischerweise ein zentrales und übergeordnetes Steuergerät, welches in einem der verbauten Batteriemodule oder aber auch in einer separaten Schaltbox, beispielsweise einer sogenannten „Vehicle Interface Box“, integriert sein kann. Das übergeordnete Steuergerät stellt dann mittels eines Master-Slave Prinzips sicher, dass jedes Batteriemodul eineindeutig erkannt wird.
Die Adressierung der einzelnen Batteriemodule kann über verschiedenste Verfahren erfolgen. In jedem Fall muss dabei jedem Batteriemodul ein eineindeutiger Identifikator, insbesondere eine eindeutige Adresse zugewiesen werden. Zur Lösung dieses Problems gibt es zwei etablierte Adressierungsverfahren: Entweder wird die Adresse zu Beginn fest in das Batteriemodul einprogrammiert, oder die Adressierung der Batteriemodule wird in einem dynamischen Verfahren geregelt.
Ein Nachteil einer statischen Batteriemoduladressierung ist, dass in einem Fehlerfall das System nicht mehr startfähig ist. Der Fehler muss dann manuell im Batteriesystem behoben werden. Dies erweist sich zumindest dann als aufwändig, wenn Batteriesysteme bereits zum Endverbraucher ausgeliefert und im Fahrzeug integriert sind.
Bei einem dynamischen Verfahren wird beispielsweise jedem Batteriemodul bei jedem Startprozess immer wieder erneut eine eineindeutige ID zugewiesen. Ein Nachteil einer solchen dynamischen Lösung ist, dass bei jedem Startprozess eine gewisse Zeit für die sichere Zuweisung der Adressen und Identifikatoren benötigt wird. Üblicherweise möchte der Endnutzer das Fahrzeug aber starten und ohne jegliche Wartezeiten sofort benutzen. Zudem werden die Komplexität der Software und damit einhergehend der Entwicklung- und Absicherungsaufwand des Systems deutlich erhöht. Ferner ist bei einer dynamischen Adresszuweisung eine Analyse des Zustands eines individuellen Batteriemoduls erschwert, da sich die Adresse des Batteriemoduls über die Lebenszeit ändern kann.
Unabhängig von einer dynamischen oder statischen Batteriemoduladressierung unterstützen die bisherigen Konzepte meist nur eine bestimmte Hochvolttopologie. Damit sind bisherige Konzepte sehr unflexibel. Bei Änderungen an der Hochvolttopologie muss daher immer der Quellcode oder die Hardware der zentralen Steuereinheit angepasst werden.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Zuweisen einer Adresse zu einem Batteriemodul, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Batteriemodul zum Aufbau eines Batteriesystems für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Batteriemodul zum Aufbau eines Batteriesystems für ein Fahrzeug vorgeschlagen, wobei das Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und einen Batterie- Management-Controller mit einer Batterie-Management-Controllerschnittstelle aufweist, wobei die Batterie-Management-Controllerschnittstelle mindestens zwei Ad ress kontakte zum Zuweisen einer Adresse zu dem Batteriemodul aufweist; und der Batterie-Management-Controller dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Belegung der Adresskontakte zu erkennen und daraus eine Adresse für das Batteriemodul abzuleiten.
Ein Batteriemodul ist eine Zusammenschaltungen von Batteriezellen, wobei letztere elektrische Energie vorzugsweise in Form von chemischer Energie speichert. Eine Batteriezelle kann beispielsweise eine Lithium-Eisenphosphat Zelle sein. Beim Zusammenschalten von Batteriezellen kann je nach Schaltung die Kapazität und die Spannung des Batteriemoduls variiert werden. Je nach Einsatzzweck, können verschiedene Batteriezellen zu Batteriemodulen zusammengeschaltet werden.
Hierin wird unter einem Batteriemodul eine Untereinheit eines Batteriesystems verstanden, wobei in einem Batteriemodul eine Mehrzahl an Batteriezellen zusammengeschaltet sind. Ein Batteriemodul nach dem hier zugrunde gelegten Verständnis kann auch eine Kombination mehrerer solcher Untereinheiten umfassen. In anderen Zusammenhängen wird eine solcher Kombination auch als Batteriepack bezeichnet, was hier aber auch unter die Definition eines Batteriemoduls fällt.
Ein Batteriemodul umfasst üblicher weise einen Batterie-Management Controller, der die Verschaltung der jeweiligen Untereinheiten sowie deren Überwachung und Steuerung übernimmt, oder zumindest eine Zellmessvorrichtung zum Messen des Zustands der Batteriezelle(n).
In einer anderen Definition der Hierarchie der Baugruppen umfasst ein Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine Zellmessvorrichtung zum Messen des Zustands der Batteriezelle(n). Mehrere Batteriemodule sind zu einem Batteriepack zusammengefasst, wobei das Batteriepack einen Batterie-Management Controller umfasst, der zur Verschaltung, Steuerung und Überwachung der Batteriemodule in dem Batteriepack eingerichtet ist. Mehrere Batteriepacks werden dann zu einem dem Fahrzeug Energie bereitstellenden Batteriesystem zusammengefasst.
In der hier verwendeten Definition werden der Einfachheit halber die Hierarchiestufen des Batteriemoduls und des Batteriepacks gleichgesetzt und als „Batteriemodul“ bezeichnet.
Verschiedene Batteriemodule können anschließend zu einem Batteriesystem zusammengeschaltet werden. Diese Batteriesysteme können dann beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden, wobei sich die verwendeten Zusammenschaltungen, Zahl der Batteriemodule und /oder Zellen je nach Einsatzzweck unterschieden können. Die in Fahrzeugen eingesetzten Batteriesysteme sind prinzipiell auch zur stationären Speicherung von Energie geeignet.
Ein Fahrzeug ist jegliches Mittel zum Fortbewegen, welches über eine elektrische Motorisierung verfügt. So ist beispielsweise ein PKW ein Fahrzeug, jedoch sind unter anderem auch Lastkraftwägen, Busse, Flugzeuggeräte wie Starrflügelfluggeräte oder Drehflügelfluggeräte, Boote, U-Boote, elektrisch-unterstütze Tretroller und Fahrräder, Elektrofahrräder in Form von Pedalecs oder Golf Caddys Fahrzeuge im Sinne des Anspruchs.
Wird das Batteriesystem beansprucht, indem beispielsweise Energie von einem Motor entnommen wird, so entlädt sich die Batterie. Ein Batterie-Management-Controller überwacht den Zustand der der Batterie zugrundeliegenden Batteriemodule, regelt die Entnahme von Energie aus den verschiedenen Batteriemodulen und schützt die Batteriemodule vor beispielsweise einer Tiefenentladung. Ein Batterie-Management-Controller kann hierbei mit dem gesamten Batteriesystem assoziiert sein, oder mit den einzelnen Batteriemodulen oder mit den einzelnen Zellen oder Kombinationen daraus.
Zur Steuerung der Lade- und Entladeströme ist es jedoch wichtig, dass beispielsweise die einzelnen Batteriemodule eindeutig identifiziert werden können, so dass die jeweiligen Batteriemodule entsprechend gesteuert werden können. Hierzu kann der Batterie-Management- Controller eine Batterie-Management-Controllerschnittstelle aufweisen, die mindestens zwei Ad ress kontakte ausweist. Der Batterie-Management-Controller erkennt eine Belegung der Adresskontakte und kann daraus beispielsweise dem Batteriemodul eine Adresse zuordnen.
So kann beispielsweise aus einem Verbund von mehreren Batteriemodulen, jedem Batteriemodul durch eine Belegung der jeweiligen Adresskontakte eine eindeutige Adresse zugewiesen werden. Insbesondere weist der Batterie-Management-Controller anhand der Adresskontaktbelegung auch sich selbst eine Adresse im Gesamtverbund zu, so dass der Controller auch selbst über die Adresse an der Batterie-Management-Controllerschnittstelle adressiert werden kann.
Ein Controller, insbesondere ein Batterie-Management-Controller, ist eine Steuereinheit. Ein Controller kann dabei eine Software sein, die in eine bestehende Hardware eingespielt wird, es kann aber auch ein Hardwarebauteil sein, welches zu einem bestehenden Hardwarebauteil angeschlossen wird. Es kann aber auch ein Hardwarebauteil sein, welches bei der Produktion eines bereits bekannten Hardwarebauteils parallel im Schaltungslayout berücksichtigt wird. Es kann aber auch ein Hardwarebauteil sein, welches gemeinsam mit einem bereits bekannten Hardwarebauteil integriert wird. Insbesondere kann es sein, dass das Hardwarebauteil erst durch die Software ihre Funktion einnimmt.
Insbesondere kann die Verwendung eines Batteriemoduls auch bedeuten, dass die Hardware und oder Software zumindest teilweise einen modularen Aufbau aufweist. Insbesondere kann modularer Aufbau auch bedeuten, dass das Gesamtsystem auch ohne das Batteriemodul funktionsfähig ist, dann aber nicht die angestrebten Verbesserungen aufweist. Insbesondere kann modularer Aufbau auch bedeuten, dass das Batteriemodul an bestehende Systeme angebracht werden kann.
Insbesondere kann modularer Aufbau auch bedeuten, dass verschiedene Systeme und Geräte, insbesondere Batteriesysteme, Schaltungseinheiten und Steuerungssysteme und Steuerungssoftware mit dem Modul ausgestattet werden können und anschließend eine gemeinsame grundlegende Ausstattung haben, auf deren Basis Daten und Informationen ausgetauscht werden können.
Der Controller weist eine Schnittstelle auf. Eine Schnittstelle ist eine Verbindungseinheit die es erlaubt Informationen an den Controller zu übermitteln, die dann im Controller verarbeitet werden können.
Die Schnittstelle weist mindestens zwei Ad ress kontakte auf. Ein Adresskontakt ist dabei beispielsweise eine leitfähige Verbindung der Schnittstelle, an der der Controller Messungen einer oder mehrerer physikalischer Größen vornehmen kann. Physikalische Größen sind beispielsweise der Widerstand, die Leitfähigkeit und/oder das elektrische Potential des Adresskontaktes.
Die mindestens zwei Ad ress kontakte können genutzt werden, um dem Batteriemodul eine Adresse zuzuweisen. Eine Adresse ist hierbei eine Kombination von bestimmten und definierten physikalischen Größen. Eine Adresse ist zudem im Kommunikationsbereich des Controllers, also des Systems, einmalig, so dass eine eindeutige Identifizierung eines Moduls möglich ist. Das Zuweisen der Adresse an das Modul kann hierbei im Controller erfolgen. Der Controller kann beispielsweise Daten, Informationen und Steuerbefehle, die an die Adresse gesendet werden an das Modul überliefern. Andererseits kann der Controller auch Daten vom Modul senden, sofern sie von der jeweiligen Moduladresse angefragt oder angefordert werden.
Je nachdem wie viele Module miteinander kommunizieren sollen, beispielsweise M Module, muss die Anzahl A an Ad resskontakten angepasst werden. Sofern an allen Ad ress kontakten nur eine physikalische Größe, beispielsweise die Spannung gemessen werden soll, und diese nur in zwei Zuständen vorliegt, beispielsweise betragsmäßig hohe Spannung oder keine Spannung, oder auch negative Spannung und positive Spannung, dann benötigt man immer mindestens Log2(M)
Ad ress kontakte, wobei Log2(M) zur nächst höheren natürlichen Zahl aufgerundet werden muss. Sollen beispielsweise 5 Module miteinander kommunizieren, so benötigt man 3 Ad ress kontakte, da dann 9 verschiedene Möglichkeiten zur Kontaktierung vorhanden sind (000, 100, 010, 001 , 110,
101 , 011 und 111). Sollen nur 4 Module miteinander in Kontakt treten so genügen 2 Ad ress kontakte, da dann 4 verschiedene Möglichkeiten zur Kontaktierung vorhanden sind (00,01 ,10,11). Sollen weitere Daten und Informationen über die Ad ress kontakte übermittelt werden, so muss dies bei der Wahl der Anzahl an Ad ress kontakten mitberücksichtigt werden.
Der Controller kann zum Zuweisen einer Adresse die Belegung der Ad resskontakte der Schnittstelle auslesen oder messen. So ist beispielsweise die Kombination an physikalischen Messgrößen die an der Schnittstelle anliegen, mit dem Modul assoziiert.
Eine Belegung von zwei Adresskontakten kann beispielsweise darin bestehen, dass am ersten Adresskontakt eine hohe elektrische Spannung anliegt, während am zweiten Adresskontakt keine elektrische Spannung anliegt.
Das Modul kann insgesamt beispielsweise so ausgestaltet sein, dass es einen Controller besitzt, dessen Hardware zwei Kontaktflächen besitzt an die eine Spannung angelegt werden kann. Die Software des Controllers erkennt diese Spannungen und ordnet dem Modul eine Adresse zu, die mit der Kombination von Spannungen an den Kontaktflächen assoziiert sind.
In einer Ausführungsform können die Ad ress kontakte durch jeweils einen Adressierungspin mit einem Konnektor kontaktiert werden und auf elektrische Potentiale gelegt werden.
Ein Konnektor ist hierbei eine Vorrichtung zum Verbinden eines Kabelstrangs mit der Batterie- Management-Kontrollerschnittstelle. Ein Konnektor kann Mittel aufweisen, die ein Verrasten des Konnektors im Konnektorgegenstück, beispielsweise der Batterie-Management- Controllerschnittstelle ermöglichen. Ein Konnektor kann beispielsweise auch auf eine bestimmte äußere Geometrie genormt sein, und kann Verbindungselemente enthalten, über die Daten und Informationen aus dem Kabelstrang übertragen werden können. Ein Konnektor kann beispielsweise in Form eines Steckers oder einer Buchse ausgebildet sein, um auf diese Weise eine Steckverbindung hersteilen zu können. Solche Verbindungselemente können sogenannte Adressierungspins sein. Adressierungspins können leitfähige Erhebungen oder Vertiefungen sein, die in oder an dem Konnektor angebracht sind. Eine Seite der Adressierungspins kann mit jeweils einem der Kabel des Kabelstrangs verbunden sein. Die andere Seite der Adressierungspins kann dann die Daten und Informationen aus dem Kabelstrang in Richtung Batterie-Management-Controllerschnittstelle transportieren.
Die Daten und Informationen können insbesondere über elektrische Potentiale, wie weiter oben beschrieben, transportiert und erzeugt werden.
Die Adresskontakte der Batterie-Management-Controllerschnittstelle können standardmäßig auch auf einem ersten Potential liegen, und durch einen Kontakt mit dem Adressierungspin auf ein zweites Potential gebracht werden.
Durch den Konnektor kann insbesondere ein sicherer Halt der Adressierungspins an oder auf den Ad ress kontakten sichergestellt werden. Die Verwendung von elektrischen Potentialen ermöglicht eine einfache, sichere und direkte Kommunikation mit der Elektronik des Batterie-Management- Controllers.
Der Konnektor kann insbesondere ein CAN Konnektor sein, wobei das erste Potential die Masse des CAN Konnektors ist und die Adressierungspins die frei wählbaren Pins des CAN Konnektors sind.
CAN ist hierbei die Abkürzung für Controlled Area Network, welches ein serielles Bussystem ist und insbesondere in Fahrzeugen zur Kommunikation zwischen verschiedenen Teilnehmern eingesetzt wird.
Das erste Potential des Konnektors kann auf die Masse des CAN Steckers gelegt werden. Das zweite Potential kann über die freiwählbaren oder belegbaren Pins des CAN Steckers zur Batterie- Management-Controllerschnittstelle angelegt werden.
Durch die Verwendung eines CAN Konnektors kann insbesondere eine Kompatibilität der Batterie- Management-Controller Kommunikation mit anderen Bauteilen sichergestellt werden. Des Weiteren erlaubt es die Verwendung von etablierter Hardware, sowie etablierten Verfahren und Protokollen, insbesondere Kommunikationsprotokollen, die in Kraftfahrzeugen typisch und oder standardisiert sind. Die elektrische Verbindung zwischen einem Adressierungspin und einem ersten Potential kann vom Batterie-Management-Controller hierbei insbesondere als logische 0 interpretiert werden, und eine elektrische Verbindung zwischen einem Adressierungspin und einem anderen zweiten Potential kann vom Batterie-Management-Controller als logische 1 interpretiert werden.
Alternativ kann anstelle eines zweiten Potentials der jeweilige Adressierungspin auch lediglich unverbunden bleiben, so dass der Batterie-Management-Controller zwischen einem definierten (ersten) Potential und einen Undefinierten Potential für die unverbundenen Adressierungspins unterscheiden kann und diese entsprechend jeweils als logische 0 und logische 1 interpretiert.
Dies hat den Vorteil, dass nur zwischen zwei Potentialen unterschieden werden muss, so dass die Kommunikation weniger fehleranfällig ist, als wenn eine unbestimmte Vielzahl von Potentialen unterschieden und verarbeitet werden muss.
Beispielsweise kann das erste Potential auf Masse (GND) liegen, während das zweite Potential 5 Volt ist. Liegen dann beispielsweise an einem Konnektor mit 5 Adressierungspins die Potentiale GND, 5V, 5V, GND, GND an, werden diese Potentiale an die Batterie-Management- Controllerschnittstelle übertragen, wo sie vom Batterie-Management-Controller als „01100“ interpretiert werden.
Die Kombination der elektrischen Verbindungen der Adressierungspins können vom Batterie- Management-Controller als Adresse interpretiert werden.
Die hat den Vorteil, dass über die einfache Belegung der Adressierungspins eine komplexe physikalische Größe kodiert werden kann, die im weiteren Verfahren für die Kommunikation mit dem Batteriemodul verwendet werden kann.
So kann beispielsweise ein Steuerbefehl an die Adresse „01100“ gesendet werden, so dass nur das Batteriemodul mit der oben genannten Adresse auf den Steuerbefehl reagiert.
In der Adresse des Batteriemoduls kann die Topologie des Batteriemoduls und/oder des Batteriesystems, insbesondere die Rolle des Batteriemoduls in der Topologie des Batteriesystems, codiert sein.
Die Topologie eines elektrischen Systems gibt Aufschluss über die Verschaltung der elektronischen Bauteile. Beispielsweise enthält die Topologie des Batteriemoduls Informationen über die Verschaltung der Batteriezellen. Die Topologie des Batteriesystems enthält dabei Informationen über die Verschaltung der Batteriemodule.
Die Rolle eines Batteriemoduls in der Topologie, kann Informationen über die Verschaltung des Batteriemoduls, die Position im Gesamtsystem, die Spannung und weitere Eigenschaften umfassen.
Dies hat den Vorteil, dass eine Zuordnung der verschiedenen Bauteile schon in der Adresse ermöglicht ist, so dass bereits die Adresse Informationen überdas Gesamtsystem enthält. Damit ist es insbesondere möglich, einfache Plausibilitätsbetrachtungen zwischen der Information der Adresse und anderen Zustandsgrößen des Systems durchzuführen. Dies kann insbesondere zur Erzeugung von Schutzmechanismen führen, die vor einer Fehlbedienung des Batteriesystems schützen.
Beispielsweise kann einer Batterie die Adresse „1011 “ zugeordnet werden. Das erste Bit der Adresse könnte beispielsweise dafürstehen, dass das Batteriemodul in Serie zu einem anderen Batteriemodul geschaltet ist. Die numerische Zahl die sich aus der Adresse ergibt, „1011“ entspricht der Zahl 1 ·23+0·22+1 ·21+1 ·2°=8+2+1 =11. Die numerische Zahl könnte hierbei für eine Identifizierungsnummer des Batteriemoduls stehen, die beim Produktionsprozess eine gewisse Verödung des Batteriemoduls im Gesamtsystem vorzieht. So könnte es auch sein, dass das letzte Bit angibt, ob sich das Batteriemodul auf der rechten Seite des Gesamtsystems oder auf der rechten Seite des Gesamtsystems relativ zu einer vorgegebenen Orientierungsgröße befindet. Beispielsweise kann das erste Bit bedeuten, ob das Batteriemodul in Serie zu einem anderen Batteriemodul geschaltet ist. Unterschieden sich die ersten Bits dieser zwei in Serie geschalteten Batteriemodule, so kann das System eine Fehlermeldung ausgeben.
Es kann außerdem sein, dass Modul der Batterie-Management-Controller ist oder der Batterie- Management-Controller mit dem Modul verschaltet ist oder das Modul in den Batterie-Management- Controller integriert ist.
So können beispielsweise auch bestehende Batterie-Management-Controller mit einem Modul nachgerüstet werden, so dass den bestehenden Batteriemodulen durch das Modul eine Adresse zugewiesen wird.
Es wird auch ein Modul zum Aufbau eines Batteriesystems für ein Fahrzeug vorgeschlagen, insbesondere ein Steuermodul, wobei das Modul einen Controller und eine Schnittstelle aufweist, wobei die Schnittstelle mindestens zwei Adresskontakte zum Zuweisen einer Adresse zum Modul und einen Controller aufweist, wobei der Controller ausgebildet und eingerichtet ist, eine Belegung der mindestens zwei Adresskontakte zu erkennen und daraus eine Adresse für das Modul abzuleiten.
Ebenso wird ein Kabelbaum mit mehreren Konnektoren zum Konnektieren mehrerer Batteriemodule vorgesehen, wobei die Konnektoren die Adresskontakte der Batteriemodule unterschiedlich belegen.
Ein Kabelbaum ist eine mehrteilige und elektrisch leitfähige Verbindung mit mehreren An- und Abzweigungen. Ein Kabelbaum kann insbesondere die Kabelorganisation bei der Verschaltung mehrerer Bauteile verbessern. Insbesondere können über einen Kabelbaum mehrere Geräte miteinander über dieseiben Leitungen kommunizieren.
An jeder An- und Abzweigung des Kabelbaums kann sich ein Konnektor befinden. Dieser Konnektor kann beispielsweise ein CAN-Konnektor oder auch ein anderer Konnektor sein. Insbesondere können die Kontakte des Konnektors durch die Kabel des Kabelbaums verbunden werden. Insbesondere können mehrere Konnektoren über dieseiben Kabel verbunden sein und miteinander in Kontakt stehen.
Eine unterschiedliche Belegung der Adresskontakte der Batteriemodule kann zu einer einmaligen und eindeutigen Adresse führen und die Identifizierung der Batteriemodule im Gesamtsystem ermöglichen. Die unterschiedliche Belegung kann erreicht werden, indem die Kombination der elektrischen Verbindungen vom Konnektor zu den Ad ress kontakten im System nur ein einziges Mal genutzt wird.
Beispielsweise kann in einem Zusammenschluss von zwei Batteriemodule ein erstes Batteriemodul mit einem Konnektor verbunden werden, bei dem der erste Adressierungspin auf Masse (0) liegt und der zweite Adressierungspin auf 5V liegt (1) und so das Batteriemodul die Adresse „01“ zugewiesen bekommt und ein zweites Batteriemodul mit einem Konnektor verbunden werden, bei dem der erste Adressierungspin auf 5V liegt und der zweite Adressierungspin auf Masse liegt und so das Batteriemodul die Adresse „10“ zugewiesen bekommt. Dann sind die Adresskontakte jedes Batteriemoduls unterschiedlich belegt. Dies ermöglicht eine eindeutige Identifizierung und Adressierung der verschiedenen Batteriemodule.
Der Kabelbaum kann modular, insbesondere erweiterbar, aufgebaut sein. Modular aufgebaut bedeutet, dass sich der gesamte Kabelbaum aus Abschnitten zusammengesetzt werden kann. Jeder Abschnitt besitzt dabei mindestens einen Eingang zu dem ein Abschnitt angepasst werden kann, sowie mindestens zwei Ausgänge, an die weitere Kabelbaumabschnitte angeschlossen werden können. Werden weitere Kabelbaumabschnitte an einen Kabelbaumabschnitt angeschlossen, so wird er erweitern.
Ein modularer Aufbau hat insbesondere den Vorteil, dass nur ein Modell eines Kabelbaumabschnitts produziert werden muss, und dieser eine Abschnitt zu einem gesamten Kabelbaum zusammengesetzt werden kann. Die Länge des Kabelbaums und die Anzahl an Konnektoren kann hierbei frei gewählt werden, so dass nur so viele Kabelbaumabschnitte verbaut werden müssen, wie Konnektoren benötigt werden.
Der Kabelbaum kann die Adressierungspins der Konnektoren teilweise auf dasselbe elektrische Potential, insbesondere dieselbe Masse, legen.
Dies ermöglicht, dass die Adressierungspins auf eine gemeinsame Verbindung zugreifen können.
Beispielsweise können die Konnektoren auf eine gemeinsame Masseleitung zugreifen, so dass alle Module oder Batterie-Management-Controller auf derselben Masse liegen. Dies kann zuverlässig elektrische Überschläge verhindern und bildet zudem eine gemeinsame Grundlage für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Batterie-Management-Controllern.
Der Kabelbaum kann in den Hochvoltkabelbaum integriert sein und/oder parallel zu diesem ausgebildet sein und/oder mit diesem Verknüpft sein.
Im Hochvoltkabelbaum werden die verschiedenen Batteriemodule zur einer Gesamtbatterie mit einer Gesamtspannung und einer Gesamtkapazität zusammengeschaltet. Beispielsweise können zwei 400V Batteriemodule in Serie zu einer 800V Batterie zusammengeschaltet werden. Der Kabelbaum zur Kommunikation zwischen den Batteriemodulen kann parallel zu dem Hochvoltkabelbaum ausgebildet sein, so dass bei einer vorgegebenen Hochvolttopologie der Kabelbaum und der Hochvoltkabelbaum zusammen konfektioniert sind und Verwechslungen zwischen der Hochvolttopologie und den Kommunikationsanschlüssen vermieden werden. Der Kabelbaum kann beispielsweise durch Kabelbinder parallel zum Hochvoltkabelbaum verlegt werden, so dass jedem Konnektor für die Batterie-Management-Controllerschnittstelle und den Verbindern für die Hochvolttopologie ein räumlich adäquater Zusammenhang besteht, der sicherstellt, dass jedem Batteriemodul sowohl der ordnungsgemäße Konnektor als auch der ordnungsgemäße Batterieverbinder zugeordnet wird.
Grundsätzlich wird die Hochvolttopologie innerhalb des Gesamtbatteriesystems über den Hochvoltkabelbaum festgelegt. Der Kabelbaum zur Kommunikation zwischen den Batteriemodulen kann daher auch in den Hochvoltkabelbaum integriert sein, so dass die Kommunikationsleitungen und die Stromleitungen parallel zueinander liegen. Dadurch können Verwechslungen vermieden werden. Durch die Nutzung eines integrierten Kabelbaums in den Hochvoltkabelbaum kann gewährleistet sein, dass die Hochvolttopologie konsistent mit der Adresszuweisung an die Batteriemodule ist. Damit werden fehlerhafte Konfigurationen vermieden.
Es ist ebenso ein Batteriesystem mit mindestens einem Batteriemodul und einem Kabelbaum vorgesehen, wobei die Batteriemodule mit dem Kabelbaum in einer zentralen Steuereinheit zusammengeführt werden.
Ein Batteriesystem ist die Zusammenschaltung mehrerer Batteriemodule. Diese Zusammenschaltung erfolgt beispielsweise mit einem Kabelbaum. An dem Kabelbaum können Konnektoren angeschlossen sein, die wiederum die Adresskontakte der Batteriemodule belegen. Hierdurch können den kontaktierten Batteriemodulen von den jeweiligen Batterie-Management- Controllern Adressen zugewiesen werden.
Die verschiedenen Packs können mit einer zentralen Steuereinheit verbunden werden. Diese zentrale Steuereinheit kann beispielsweise erkennen welche Batterieadressen im Batteriesystem vergeben sind. Die zentrale Steuereinheit kann des Weiteren die Kommunikation zwischen den Batteriemodulen regeln oder mit den einzelnen Batteriemodulen kommunizieren.
Beispielsweise kann die zentrale Steuereinheit auch über ein Master/Slave-System den Batteriemodule bestimmte Rollen in der Gesamttopologie zuordnen.
Die zentrale Steuereinheit kann die verschiedenen Adressen der Batteriemodule des Batteriesystems einer Gesamttopologie zuordnen.
Die Gesamttopologie gibt die gesamte Verschaltung der Batteriemodule mit einer Gesamtkapazität und einer Gesamtspannung wieder.
Dies hat den Vorteil, dass die zentrale Steuereinheit anhand der Gesamttopologie auf ihren jeweiligen Betriebsmodus schließen kann. Desweiten können durch die Informationen der Gesamttopologie auch Plausibilitätsbetrachtungen durchgeführt werden, die das Batteriesystem vor Fehlbedienungen schützen.
Beispielsweise kann die zentrale Steuereinheit anhand der Adressen erkennen, ob Batteriemodule in Serie verschaltet sind. Beispielsweise kann in der zentralen Steuereinheit hinterlegt sein, dass Batterien in Serie verschaltet sind, wenn das erste Adressbit 1 ist.
Wird beispielsweise in der Adresse die Position des Batteriemoduls mittransportiert, so kann die zentrale Steuereinheit in Serie geschaltete Batteriemodule erkennen. Beispielsweise kann ein Batteriemodul mit der Adresse „1011“ in Serie zum Batteriemodul mit der Adresse „0011“ geschaltet sein. Anhand dieser Zuordnung kann die zentrale Steuereinheit die Batteriemodule mit den Adressen „1011“ und „0011“ als Einheit verwalten.
Die zentrale Steuereinheit kann in einem Batteriemodul oder eigenständig ausgebildet sein und/oder die zentrale Steuereinheit kann durch das Modul gebildet werden.
Das hat den Vorteil, dass eine Kommunikationsschnittstelle zu bereits bestehende Batteriesystemen nachgerüstet werden kann. Insbesondere können aber auch bereits vorhandene Batteriemodule und Batterie-Management-Controller ressourcenschonend die Rolle eines zentralen Steuersystems übernehmen und Aufgaben, Kommunikation und Hierarchien im Batteriesystem überwachen.
Das Batteriesystem, insbesondere der Konnektor, kann bei einem Einbau eines Batteriemoduls in das Batteriesystem dem Batteriemodul die Adresse entsprechend der Belegung der Adressierungskontakte des Konnektors zuweisen und insbesondere bei einem Wechsel oder einem Ersetzen eines Batteriemoduls dem neuen Batteriemodul dieselbe Adresse zuweisen.
Da der Konnektor die Ad resskontakte des Batteriemoduls belegt, kann bei einem Wechsel die Kommunikation des Batteriemoduls über die Adresse des alten Batteriemoduls aufgenommen werden.
Dies hat den Vorteil, dass die Topologie und der Aufbau des Batteriesystems unabhängig vom genutzten Batteriecontroller sind. Insbesondere kann es so bei einem Wechsel eines Batteriemoduls auch keine doppelten Adressen geben, da die Information zur Adressierung im Konnektor hinterlegt ist. Das Anlernen der Batteriemodule ist durch die Belegung der Konnektoren sichergestellt. Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einer zentralen Steuereinheit und mindestens einem Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Bei dem Verfahren kann die zentrale Steuereinheit mit dem Batteriemodul über die zugewiesene Adresse kommunizieren und/oder bei der Kommunikation mit dem Batteriemodul die zugewiesene Adresse mitsenden und/oder das Batteriemodul durch die zugewiesene Adresse identifizieren.
Dies hat den Vorteil, dass die Kommunikationsbefehle über einen allen Batteriemodul gemeinen Kommunikationsanschluss versendet und empfangen werden können, jedoch nur ein spezifiziertes beziehungsweise adressiertes Batteriemodul, aktiv die Kommunikationsbefehle ausführt.
Beispielsweise kann das zentrale Steuergerät über ein globales Kommando überden CAN Bus die Adressen der angeschlossenen Batteriemodule erfragen. Die Antworten der einzelnen Batteriemodule können dann im zentralen Steuergerät verarbeitet werden und beispielsweise registriert werden. Beispielsweise können dann in einem regelmäßigen Abstand von den verschiedenen Adressen die Batteriemodulspannungen angefragt werden. Beispielsweis können die Batteriemodule bei der Kommunikation mit dem Steuergerät ihre Adresse mitsenden, so dass eine Zuordnung im zentralen Steuergerät möglich ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls;
Figur 2 eine tabellarische Darstellung verschiedener Adresskontaktbelegungen;
Figur 3 einen schematischen Aufbau eines Batteriesystems;
Figur 4 einen schematischen Aufbau eines 2s4p Batteriesystems;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Plausibilitätsbetrachtung;
Figur 6 mögliche Konnektoren; Figur 7 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Konnektors;
Figur 8 eine schematische Darstellung der Kommunikation zwischen einem Batteriemodul und einer zentralen Steuereinheit; und
Figur 9 schematische Darstellung eines modularen Kabelbaums.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 ist schematisch ein Batteriemodul 1 gezeigt. Das Batteriemodul 1 umfasst eine Batteriezelle 16, einen Batterie-Management-Controller BMC, sowie eine Batterie-Management- Controllerschnittstelle BMCS.
Die Batterie-Management-Controllerschnittstelle BMCS weist vier Ad ress kontakte 12 auf. Ferner weist der Batterie-Management-Controller einen Mikrokontroller pC auf, in welchem Daten und Informationen verarbeitet werden können. Die Ad ress kontakte 12 sind mit den Adressierungspins 14 eines Konnektors 10 verbunden (hier nicht gezeigt). Durch die Belegung der Adressierungspins 14 werden drei Ad ress kontakte 12 auf Masse gelegt. Ein Adresskontakt 12 bleibt dabei unbelegt. Der unbelegte Adresskontakt wird vom Mikrocontroller pC als „1“ interpretiert, die Ad ress kontakte 12, die auf Masse liegen, werden als „0“ interpretiert. Somit weist der Batterie-Management- Controller dem Batteriemodul die Adresse „1000“ zu.
In Figur 2 sind tabellarisch die verschiedenen Belegungsmöglichkeiten der Ad resskontakte 12 eines Batteriemoduls 1 mit vier Ad ress kontakten 12 gezeigt. Diese Tabelle kann beispielsweise in einem Speicher der Batterie-Management-Controllers BMC abgespeichert werden und als sogenannte Look-Up Tabelle genutzt werden. Anhand des zum Batterie-Management-Controllers BMC verbundenen Konnektors 10 und dessen Belegung, weist der Batterie-Management-Controllers BMC dem Batteriemodul 1 die entsprechende Adresse zu erkennt seine Rolle im Gesamtsystem.
Die Ad ress kontakte 12 sind in der Tabelle absteigend nummeriert und beginnen beim Adresskontakt Nr. 4 ADR4 bis hin zum Adresskontakt Nr.1 ADR1 . Die Spalte „Dec“ gibt die Dezimalzahl an, die der binären Adresse entspricht. So ist beispielsweise „1111 “= 1 ·23+1 ·22+1 ·21+1 ·2°=8+4+2+1 =15. Die Spalte „ECU type“ gibt die Art der elektronischen Steuereinheit (Electric Control Unit, ECU) wieder. So sind beispielsweise neben Batterie- Management-Systemen BMS auch sogenannte „Vehicle Interface Boxen“ VIB vorgesehen, wie beispielsweise eine zentrale Steuereinheit ZS.
In der Spalte „ECU sub type“ wird die Rolle des Batteriemoduls 1 spezifiziert. Wird das Batteriemodul 1 mit einem „1111 “ Konnektor 10 verbunden, so ist es ein einzelnes Batteriemodul 1 , mit eigener Steuerung („Standalone“). Wird ein Batterie-Management-Controller BMC mit dem Konnektor („Stecker“) „0000“ verbunden, so erkennt er, dass der die Rolle einer zentralen Steuereinheit ZS übernimmt („VIC“) und beispielswiese ein 400V Batteriesystem steuert.
Das Batteriesystem 3 kann beispielsweise dadurch spezifiziert sein, dass die Batteriemodule 1 einfach seriell und x-fach parallel verschaltet sind (1sXp). Wird der Batterie-Management-Controller BMC mit einem „1000“ Konnektor 10 verbunden, so erkennt er beispielsweise, dass er ein 800V Batteriesystem 3 steuert, wobei zwei Batteriemodule 1 in Serie geschaltet sind und diese zwei Batteriemodule 1 mit anderen x Batteriemodulpaaren parallelgeschaltet sind (2sXp).
Wird der Batterie-Management-Controller BMC beispielsweise mit einem „0110“ Konnektor 10 verbunden, so erkennt er seine Rolle als „Slave“, ist also einer anderen Steuereinheit untergeordnet. Mit der Adresse können auch verschiedene Identifikatoren assoziiert werden, welche in der Spalte „Pack ID“ aufgeführt sind. Beispielsweise kann zentralen Steuergeräten ZS und Standalone-Batteriemodulen die Pack ID 0 zugewiesen werden. #
Andere Batteriemodule 1 mit dem ECU sub type „Slave“ können dann anhand ihrer binären Adresse aufsteigend durchnummeriert werden. Die Spalte „Pack Name“ gibt den Namen des jeweiligen Batteriemoduls an Die jeweils erste Ziffer bei dem „Pack Name“ gibt die Position innerhalb eines seriellen Batteriesystemaufbaus an, die zweite Ziffer gibt die Position innerhalb eines parallel geschalteten Batteriesystemaufbaus an.
Dadurch ist es möglich die jeweiligen Slave-teilnehmer eindeutig zu identifizieren, sowie eine Definition der Gesamttopologie im zentralen Steuergerät ZS zu erhalten.
Allein durch die Verwendung von vierdedizierten Adressierungspins kann man wie in der Tabelle gezeigt ohne großen Aufwand eine kostengünstige und stabile Adressierung der Batteriemodule 1 vornehmen wobei man zusätzlich durch das sogenannte integrierte 4 Bit Coding Konzept die Möglichkeit hat viele weitere Informationen aus dem System zu ziehen bzw. zu belegen. Zudem erleichtert die Packadressierung durch die Konnektorkonfiguration das Variantenmanagement zwischen verschiedenen Batteriesystemlösungen. Da mit einer zentralen Steuereinheit ZS unterschiedliche Kunden mit unterschiedlich gewünschten Hochvolttopologien bedient werden sollen, muss mit dieser Lösung in der Produktion keine Unterscheidung für den Einsatz der zentralen Steuereinheit ZS gemacht werden. Das erleichtert den logistischen Aufwand.
Durch das aufgezeigte Adressierungskonzept ist man zudem der Lage, sehr viele unterschiedliche Hochvolttopologien eines Gesamtsystems ohne kostenintensive Neuausrichtung oder Programmierung oder Hardwareänderungen auf dem zentralen Steuergerät ZS zu konfigurieren.
Die Anordnung von Batteriemodulen 1 in einem Batteriesystems 3 ist schematisch in Figur 3 gezeigt. Hier ist auf der y-Achse der Seriellindex, also die erste Ziffer des „Pack Namen“ angegeben. Auf der x-Achse ist der Parallelindex, also die zweite Ziffer des „Pack Namen“, angegeben. In derxy-Ebene sind verschiedene Batteriezellen angeordnet. In den jeweiligen Batteriezellen ist die Polarität mit +/- gekennzeichnet. In der ersten Reihe der Bezeichner steht die zugewiesene Adresse, die zweite Reihe gibt den Pack Namen an. Die dritte Zeile gibt die jeweilige ID an. Alle Bezeichner wurden der Tabelle aus Figur 2 entnommen. Es ist gut zu erkennen, dass Batteriemodule 1 mit demselben Parallelindex nebeneinander platziert sind, während Batteriemodule 1 mit demselben Seriellindex übereinander angeordnet sind.
Figur 4 zeigt den schematischen Aufbau eines 2s4p Batteriesystems 3. Von den Batteriemodulen 1 mit den IDs 0 bis 3, sowie 7 bis 10 sind jeweils zwei seriell über den HV Kabelbaum 22 miteinander verschaltet, so dass sich die Spannung beider Batteriemodule 1 summiert. Insgesamt sind vier seriell verschaltete Batteriemodulpaare nochmals parallel verschaltet, so dass sich die Kapazität aller Batteriemodulpaare summiert. Die Batteriemodule sind zusätzlich über einen Kabelbaum 20 mit Konnektoren (nicht gezeigt) mit einer VIB verbunden. Der VIB ist über den Konnektor die Adresse „1000“ zugewiesen worden, so dass die VIB die Rolle der zentralen Steuereinheit ZS des 800 V Systems mit 2s4p Topologie übernimmt.
Wird eines der Batteriemodule 1 ausgetauscht und durch ein neues Batteriemodul 1 ersetzt, dann bekommt es über den Konnektor die Adresse und die Eigenschaften des vorherigen Batteriemodule 1 zugewiesen, so dass ein problemloser Tausch und eine Wartung der Batteriemodule möglich sind, wobei nur ein einfaches Anstecken der jeweiligen Konnektoren 10 zur Zuweisung der jeweiligen Adresse notwendig ist. In Figur 5 ist eine mögliche Plausibilitätsbetrachtung gezeigt, die vor einer Fehlbedienung des Batteriesystems 3 schützen kann. Insbesondere werden auftretende Kommunikationsfehler sowie der Missbrauch des Batteriesystems durch die unzulässige Verschaltung von Batteriemodule erkannt und plausibilisiert. In Figur 5A sind die Batteriemodule 1 zwar korrekt verschaltet, da die Parallelindizes der Batteriemodul 1 übereinstimmen. Jedoch ist der zentralen Steuereinheit ZS eine Adresse „0000“ zugewiesen worden, die ein Batteriesystem 3 steuert in dem die Batteriemodule nicht seriell verschaltet sind. Diese Diskrepanz zwischen der Information der zentralen Steuereinheit ZS und der Informationen über die Topologie der Batteriezellen können zu einer Fehlermeldung führen, welche auf die fehlende Verschaltung hinweist und so die Batteriezellen vor Schaden schützen. In Figur 5B ist der zentralen Steuereinheit ZS zwar die korrekte Adresse für eine serielle Schaltung der beiden Batteriemodule 1 zugewiesen worden. Jedoch stimmen die Parallelindizes der beiden verknüpften Batteriemodule 1 nicht überein. Dies kann vom zentralen Steuergerät ZS als möglicherweise fehlerhafte Schaltung interpretiert werden, so dass eine Fehlermeldung ausgegeben wird. Insgesamt kann das System prüfen, ob die angegebene Topologie der zentralen Steuereinheit ZS mit den Informationen der Batteriemodule 1 übereinstimmen.
In Figur 6 sind mögliche Ausführungsformen des Konnektors 10 gezeigt. Der Konnektor 10 in Figur 6A ist ein CAN Konnektor 100, der fünf Adressierungspins 14 aufweist. Die Adressierungspins 14 sind in der Figur dadurch gekennzeichnet, dass sie entweder schwarz oder weiß gefüllt sind. Schraffierte Pins stellen Kommunikationspins da, die für die reine Adressierung nicht benötigt werden und die Funktionalität der CAN Kommunikation sicherstellen. Da verschiedene Pins standartmäßig zur Kommunikation über den CAN Bus genutzt werden, müssen für eine korrekte Adressierung die frei wählbaren Pins des CAN Konnektors gewählt werden. Hier wird angenommen, dass die Pins 2, 4, 5 sowie 8 und 9 bei der CAN Kommunikation frei belegt werden können. Der Pin Nr. 3 ist standardmäßig auf Masse gelegt. Über die CAN Masse können beispielsweise auch die Adressierungspins 14 auf Masse gelegt werden, sofern der Konnektor entsprechend eingerichtet wird. Die auf Masse gelegten Adressierungspins 14 werden dann vom Adresskontakt 12 registriert und vom Batterie-Management-Controller als „0“ interpretiert. Die Ad ress kontakte 14‘ liegen nicht auf Masse und werden daher als „1“ interpretiert.
In Figur 6B ist ein standardmäßiger CAN Konnektor 100 gezeigt, sowie ein Adresskonnektor 102. Der Adresskonnektor 102 ist über eine elektrische Leitung mit dem CAN Konnektor 100 verbunden. So können die Adressierungspins 14 des Adresskonnektors 102 die Masse des CAN Konnektors 100 nutzen. In Figur 6C ist ein kombinierter Konnektor 104 mit 15 Pins zu sehen, von denen die Pins 6 bis 8 sowie 14 und 15 die Adressierungspins 14 sind. Im Konnektor der Figur 6C befinden sich insbesondere Kommunikationspins sowie Adressierungspins 14 und 14‘.
In Figur 7 ist schematisch die Funktionsweise eines Konnektors 10 gezeigt. Überden Konnektor 10 werden die Adresskontakte 14 der Batterie-Management-Controllerschnittstelle belegt. Beispielsweise werden die Adresskontakte 14 mit der Kennzeichnung ADR2 und ADR3 überden Konnektor auf die Masse der zentralen Steuereinheit ZS gelegt. Die Adresskontakte mit den Kennzeichnungen ADR1 und ADR4 bleiben unbelegt. Die unbelegten Adresskontakte 14 werden vom Batterie-Management-Kontroller als „1“ interpretiert. Die belegten Adresskontakte 14 werden vom Batterie-Management-Kontroller als „0“ interpretiert. So ergibt sich im Beispiel 1001 als Adresse für das Batteriemodul 1.
Über die Sende- und Empfangsleitungen (TX und RX) des Kabelbaums 20 können die zentrale Steuereinheit ZS, sowie das Batteriemodul 1 Daten und Informationen austauschen. Beispielsweise kann die zentrale Steuereinheit ZS mit dem spezifischen Batteriemodul 1 kommunizieren, indem es bei der Kommunikation die registrierte Adresse des Batteriemodule 1 verwendet. Das Batteriemodul 1 kann dann in seiner Antwort ebenfalls seine Adresse mitsenden, so dass eine Zuordnung der Antwort zum entsprechenden Batteriemodul 1 möglich ist.
In Figur 8 wird das Kommunikationsschema zwischen Batteriemodul 3 und einer zentralen Steuereinheit ZS verdeutlicht. Gezeigt ist ein 2s2p Batteriesystem 3 mit insgesamt vier Batteriemodule 1. Die zentrale Steuereinheit ZS sendet einen Steuerbefehl beispielsweise „1000:1010:V?“ an das komplette Batteriesystem 3. Die Kommandostruktur kann beispielsweise so aussehen, dass der erste Kommunikationsblock die Absenderadresse enthält, hier „1000“. So kann der Empfänger die Zulässigkeit einer folgenden Anfrage anhand der Systemhierarchie prüfen. Der zweite Kommunikationsblock enthält die Empfängeradresse, hier „1010“. Der Empfängerblock wird von allen Batteriemodulen 1 des Batteriesystems 3 gelesen. Der dritte Block kann die konkrete Anfrage enthalten, hier „Status“.
Nur das Batteriemodul 1 mit der spezifizierten Empfängeradresse verarbeitet den „Status“-Befehl und gibt danach beispielsweise die momentane Temperatur und die momentane Spannung an die zentrale Steuereinheit ZS zurück. Die Rückgabe dieser Informationen erfolgt abermals spezifiziert an die Adresse „1000“ und wird somit nur selektiv im Batteriesystem 3 verarbeitet. Wird das Batteriemodul 1 mit der Adresse 1010 ausgetauscht, so erhält das neue Batteriemodul 1 dieselbe Adresse, da die Adressierungskontakte von den Adressierungspins des Konnektors belegt werden. Somit ist die Kommunikation unabhängig von einer Programmierung des jeweiligen Batteriemoduls 1.
In Figur 9 ist eine schematische Darstellung eines modularen Kabelbaums 20 gezeigt. Jeder Kabelbaumabschnitt 202 hat mindestens einen Eingang und zwei Ausgänge. Dies erlaubt es die verschiedenen Kabelbaumabschnitte 202 miteinander zu verbinden. Durch den Kabelbaum kann man ferner die verschiedenen Adressierungspins der Konnektoren 10 auf dieselbe Masse legen, sofern der Massekontakt durch den Kabelbaum durchgeschleift wird. Je nachdem wie viele Batteriemodule im Batteriesystem verwendet werden sollen, lässt sich ein solcher Kabelbaum leicht erweitern, indem neue Kabelbaumabschnitte angebracht werden. Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezuqszeichenliste
1 Batteriemodul
10 Konnektor
100 CAN Konnektor 102 Adresskonnektor
104 Kombinierter Konnektor
12 Adresskontakt
14 Adressierungspin
16 Batteriezelle 2 Kabelbaum
202 Kabelbaumabschnitt
22 HV Kabelbaum
3 Batteriesystem
4 Modul ID Identifikator
VIB Vehicle Interface Box
BMC Batterie-Management-Controller
BMCS Batterie-Management-Controllerschnittstelle
ZS Zentrale Steuereinheit, zentrales Steuergerät

Claims

Ansprüche
1. Batteriemodul (1) zum Aufbau eines Batteriesystems für ein Fahrzeug, wobei das
Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und einen Batterie-Management-Controller (BMC) mit einer Batterie-Management-Controllerschnittstelle (BMCS) aufweist, wobei die Batterie-Management-Controllerschnittstelle (BMCS) mindestens zwei Ad ress kontakte zum Zuweisen einer Adresse zu dem Batteriemodul aufweist, und der Batterie-Management-Controller (BMC) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Belegung der Adresskontakte zu erkennen und daraus eine Adresse für das Batteriemodul abzuleiten.
2. Batteriemodul (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Adresskontakte durch jeweils einen Adressierungspin mit einem Konnektor kontaktiert werden und auf elektrische Potentiale gelegt werden.
3. Batteriemodul (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen einem Adressierungspin und einem ersten Potential vom
Batterie-Management-Controller (BMC) als logische 0 interpretiert wird, und eine elektrische Verbindung zwischen einem Adressierungspin und einem anderen zweiten Potential oder einem freien Potential als logische 1 interpretiert wird.
4. Batteriemodul (1) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Konnektor ein CAN Konnektor ist, das erste Potential die Masse des CAN
Konnektors ist und die Adressierungspins die frei wählbaren Pins des CAN Konnektors sind.
5. Batteriemodul (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der elektrischen Verbindungen der Adressierungspins des Batterie-Management-Controllers (BMC) als Adresse interpretiert werden.
6. Batteriemodul (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Adresse die Topologie des Batteriemoduls (1) und/oder des Batteriesystems, insbesondere die Rolle des Batteriemoduls in der Topologie des Batteriesystems, codiert ist.
7. Steuermodul (4) zum Aufbau eines Batteriesystems für ein Fahrzeug, insbesondere in Form einer zentralen Steuereinheit (ZS), umfassend einen Controller mit einer Schnittstelle, wobei die Schnittstelle mindestens zwei Ad ress kontakte zum Zuweisen einer Adresse zu dem Steuermodul (4) aufweist, und der Controller ausgebildet und eingerichtet ist, eine Belegung der mindestens zwei Ad ress kontakte zu erkennen und daraus eine Adresse für das Steuermodul (4) abzuleiten.
8. Steuermodul (4) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ad ress kontakte durch jeweils einen Adressierungspin mit einem Konnektor kontaktiert werden und auf elektrische Potentiale gelegt werden.
9. Steuermodul (4) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen einem Adressierungspin und einem ersten Potential vom Controller als logische 0 interpretiert wird, und eine elektrische Verbindung zwischen einem Adressierungspin und einem anderen zweiten Potential oder einem freien Potential als logische 1 interpretiert wird.
10. Steuermodul (4) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Konnektor ein CAN Konnektor ist, das erste Potential die Masse des CAN
Konnektors ist und die Adressierungspins die frei wählbaren Pins des CAN Konnektors sind.
11. Steuermodul (4) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der elektrischen Verbindungen der Adressierungspins des Controllers als Adresse interpretiert werden.
12. Steuermodul (4) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Adresse die Topologie des Batteriesystems, insbesondere die Rolle des Controllers in der Topologie des Batteriesystems, codiert ist.
13. Kabelbaum (2) mit mindestens zwei Konnektoren zum Konnektieren von mindestens zwei Batteriemodulen (1), wobei die Konnektoren die Ad ress kontakte der Batteriemodule (1) unterschiedlich belegen.
14. Kabelbaum (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabelbaum (2) modular, insbesondere erweiterbar, aufgebaut ist.
15. Kabelbaum (2) gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Konnektoren Adressierungspins aufweisen und diese teilweise auf dasselbe elektrische Potential, insbesondere dieselbe Masse, legen.
16. Kabelbaum (2) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabelbaum (2) in einen Hochvoltkabelbaum integriert ist und/oder parallel zu diesem ausgebildet ist und/oder mit diesem verknüpft ist.
17. Batteriesystem (3) mit mindestens einem Batteriemodul (1) bevorzugt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem Kabelbaum (2) bevorzugt gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (1) mit dem Kabelbaum (2) in einer zentralen Steuereinheit (ZS) zusammengeführt werden, bevorzugt mit einem Steuermodul (4) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12.
18. Batteriesystem (3) gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der zentralen Steuereinheit (ZS) die verschiedenen Adressen der Batteriemodule (1) einer Gesamttopologie zugeordnet werden.
19. Batteriesystem (3) gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (ZS) in einem Batteriemodul oder eigenständig ausgebildet ist und/oder die zentrale Steuereinheit (ZS) durch ein Steuermodul (4) gebildet wird.
20. Verfahren zur Kommunikation zwischen einer zentralen Steuereinheit (ZS) und mindestens einem Batteriemodul (1), dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale
Steuereinheit (ZS) mit dem Batteriemodul (1) über die zugewiesene Adresse kommuniziert und/oder das Batteriemodul (1) bei der Kommunikation die zugewiesene Adresse mitsendet und/oder dass die zentrale Steuereinheit (ZS) das Batteriemodul (1) durch die zugewiesene Adresse identifiziert.
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