EP4147325A1 - On-board power system for a motor vehicle, and method for operating an on-board power system - Google Patents

On-board power system for a motor vehicle, and method for operating an on-board power system

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Publication number
EP4147325A1
EP4147325A1 EP21723197.6A EP21723197A EP4147325A1 EP 4147325 A1 EP4147325 A1 EP 4147325A1 EP 21723197 A EP21723197 A EP 21723197A EP 4147325 A1 EP4147325 A1 EP 4147325A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
battery cell
control device
energy supply
connection
Prior art date
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Pending
Application number
EP21723197.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel Ruppert
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.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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 Audi AG filed Critical Audi AG
Publication of EP4147325A1 publication Critical patent/EP4147325A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0084—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to control modules
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    • B60L3/0092—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption with use of redundant elements for safety purposes
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    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the invention relates to an electrical system for a motor vehicle, comprising at least one battery cell unit, a control device and an energy supply device.
  • the invention also relates to a method for operating such an on-board network.
  • Such an on-board network usually has the function of ensuring an energy supply for electrical and electronic components of the motor vehicle.
  • the on-board network comprises at least one or more of the aforementioned battery cell units, whose operating state or operating mode can be monitored and controlled by means of the control device.
  • the energy supply device is usually provided for supplying the control device with electrical energy.
  • the battery cell unit can be designed as a starter battery, for example.
  • a mechanical battery disconnect switch is provided in order to be able to electrically decouple or disconnect the starter battery from the rest of the vehicle electrical system in the event of a traffic accident.
  • a control device in the form of a microcontroller system is provided to control the disconnector.
  • the microcontroller system is supplied with electrical energy from an energy supply device.
  • the energy supply device can draw its electrical energy either from the starter battery or, if the starter battery fails, from an emergency power supply. Consequently a redundant power supply of the control device can be ensured.
  • the battery cell unit can also be used to supply a safety consumer in the vehicle electrical system, such as a brake or a steering system for the motor vehicle.
  • a safety consumer in the vehicle electrical system, such as a brake or a steering system for the motor vehicle.
  • the battery cell unit comprises a first and a second battery cell sub-string, which can be coupled to the safety consumer depending on an operating situation and can thus supply the safety consumer with energy.
  • the battery cell sub-strings are used for the redundant energy supply of the safety consumer.
  • the battery cell units as they are known from the aforementioned prior tech technology, are, however, not suitable for use in a drive battery or high-voltage battery for operating an electric drive of the motor vehicle.
  • An on-board network with a battery cell unit for operating an electric drive of a motor vehicle is known, for example, from EP 3576241 A1.
  • a control unit is assigned to the battery cell unit, by means of which an operating parameter of the battery cell unit, such as, for example, a state of charge or an energy requirement, can be monitored and controlled.
  • the control unit has two different operating modes, namely an active mode and a sleep mode.
  • the control unit is connected to the entire string of the battery cell unit via a step-down converter.
  • the control unit is additionally only connected to a sub-string of the battery cell unit. It is therefore particularly a matter of providing the control unit with different voltage levels by means of the battery cell unit, depending on the set operating mode.
  • the object of the invention is to provide a failure safety for a control device for operating at least one battery cell unit of an on-board network for a motor vehicle, which in particular represents a component of a drive battery of the motor vehicle.
  • an on-board network for a motor vehicle in particular an electric vehicle or hybrid vehicle
  • the on-board network includes at least one, that is to say one or more battery cell units.
  • a battery cell unit usually includes one or more battery cells or galvanic cells, which can be connected to one another in a known manner.
  • the respective battery cell unit is preferably assigned to a drive battery or high-voltage battery of the motor vehicle. For example, several battery cell units can be connected or closed together in a known manner to form the drive battery.
  • the on-board network also includes a control device. With operations is meant in particular a control and monitoring of an operating state of the respective battery cell unit.
  • the control device is preferably assigned to one or more battery cell units, for example connected in parallel.
  • the control device can in particular be implemented as a control circuit with one or more control devices.
  • the on-board network also includes an energy supply device. The design of the energy supply device will be discussed in more detail later on.
  • the battery cell unit described above can be used, for example, by a switchable re battery cell unit or smart cell battery cell must be replaced.
  • the respective battery cell unit comprises an activation line with the galvanic cell and a first semiconductor switch connected electrically in series with it.
  • the battery cell unit also comprises a bridging line connected electrically in parallel to the activation line and having a second semiconductor switch.
  • the control device is then designed accordingly to operate the first and second semiconductor scarf ter in a predetermined switching mode. That is to say, the control device can provide a control signal for switching or switching over the semiconductor switches. Switching operation means that the semiconductor switches can be switched into an switched-on switching state and a switched-off switching state.
  • the respective semiconductor switch In the switched-on switching state, the respective semiconductor switch has very good conductivity, so that a high current flow via the respective semiconductor switch is possible. In the switched-off switching state, the respective semiconductor switch has a high resistance, that is, the respective semiconductor switch provides a high electrical resistance. As a result, no electrical current flow, or only a negligibly small amount, is possible via the respective semiconductor switch.
  • a semiconductor switch is in particular a controllable electronic switch, such as a transistor, a thyristor, combination circuits thereof, in particular with free-wheeling diodes connected in parallel, for example a metal oxide semi conductor field effect transistor (MOSFET), an isolated gate bipolar transistor (IGBT), preferably se meant by an integrated freewheeling diode or the like.
  • MOSFET metal oxide semi conductor field effect transistor
  • IGBT isolated gate bipolar transistor
  • the control device comprises a supply connection for supplying electrical energy in the form of a supply voltage.
  • the control device is usually coupled to the energy supply device via the supply connection.
  • “Coupling” means, in particular, electrical coupling, that is to say an electrically conductive connection.
  • terms such as “connect” or “connect” can also be used as a synonym for the term “couple” in the sense of the invention. That is, the supply voltage will usually provided to the supply connection by means of the energy supply device.
  • the control device can also fail. Since the semiconductor switches are electronic cal switches, this can result in an undefined switching state of the semiconductor switches. As a result of the malfunction of the energy supply device, the battery cell of the battery cell unit can be inadvertently disconnected or the battery cell unit can be short-circuited.
  • the aforementioned supply connection can be coupled to the energy supply device via a first connection line and to the battery cell of at least one of the respective battery cell units depending on an operating status or functionality of the energy supply device.
  • the supply voltage can thus be fed to the supply connection, depending on the operating state of the energy supply device, either via the first connection line, by means of which the control device can be coupled to the energy supply device, or via the second connection line, by means of which the control device can be coupled to the battery cell .
  • the supply voltage can preferably be fed to the energy supply device via the first connection line to the supply connection.
  • the supply voltage can be fed to the supply connection via the second connection line.
  • the malfunction can be detected, for example, as a drop or drop in a voltage in the first connection line.
  • a battery cell voltage voltage which is provided by the battery cell
  • an energy Energy supply device voltage voltage which is provided by means of the energy supply device
  • control device can continue to be supplied with electrical energy even in the event of a malfunction of the energy supply device.
  • the supply voltage is provided directly by the respective battery cell unit, in particular its battery cell. The failure safety of the control device and thus also of the drive battery of the motor vehicle can thus be guaranteed.
  • the invention also includes embodiments which result in additional advantages.
  • the provision of the electrical energy to the control device takes place from different sub-networks of the on-board network.
  • the on-board network comprises a high-voltage network and, as a second sub-network, the on-board network comprises a low-voltage network that is galvanically separated from the high-voltage on-board network.
  • the battery cell unit and the control device are assigned to the high-voltage network, while the energy supply device is assigned to the low-voltage on-board network.
  • the control device can be supplied with the supply voltage from the low-voltage network. In the event of a malfunction, however, the energy is supplied directly from the high-voltage network itself.
  • the high-voltage network and the low-voltage network differ in a known manner, in particular in their voltage level and their respective reference potential or ground potential.
  • a respective (high-voltage) voltage in the high-voltage network such as the supply voltage, can thus be tapped as a reference potential between a supply plus potential and a supply minus potential.
  • the supply voltage can be, for example, 20 VDC (V: volts; DC: direct current - direct current or direct voltage).
  • a respective (low-voltage) voltage in the low-voltage network such as the energy supply device Voltage, on the other hand, can be tapped as a reference potential, for example between a low-voltage plus potential and a low-voltage minus potential or ground potential (GND: Ground).
  • the power supply device voltage can be, for example, 12 VDC.
  • the energy supply device is preferably coupled to the control device via a galvanically isolating converter device, such as a DC / DC converter with electrical isolation.
  • the converter device can be connected, for example, with one end to the energy supply device and another end to the first connection line of the control device.
  • the converter device can particularly preferably also be designed to provide what is known as an up-converter function. The lower energy supply device voltage can thus be converted into the higher supply voltage by means of the converter device.
  • the control device also has an additional converter unit for the aforementioned battery cell voltage. That is, the converter unit is designed to convert the battery cell voltage provided by the battery cell into the supply voltage.
  • the converter unit can, for example, be connected at one end to the battery cell of the battery cell unit and another end to the second connection line of the control device.
  • the converter unit is preferably designed as a DC / DC converter (without galvanic isolation) with an up-converter function.
  • a battery cell for a traction battery only provides a voltage between 2.5 VDC and 4.2 VDC. The battery cell voltage can thus be increased to the supply voltage of, for example, 20 VDC by means of the converter unit.
  • the control device additionally comprises a communication connection for coupling to a communication device that is assigned to the energy supply device.
  • the control device is designed to evaluate a communication signal of the communication device provided via the communication connection. That is to say, the communication device can transmit the operating state to the control device in encoded form in the communication signal.
  • the communication device can, for example, be part of a battery management system of the on-board network.
  • the communication device is preferably designed as a transceiver or transducer (transceiver device). This enables bidirectional signal transmission or communication between the control device and the communication device.
  • the communication can take place, for example, via a BUS communication, that is to say, for example, via a connection to a CAN-BUS of the motor vehicle.
  • the communication device is also advantageously arranged in the aforementioned low-voltage network.
  • the communication device is preferably connected to the communication connection of the control device via a galvanically isolating digital isolator.
  • the control device itself comprises a sensor unit.
  • the sensor unit is designed to detect a voltage provided via the first connection line by means of the energy supply device.
  • the control device is designed to evaluate the detected voltage in accordance with a predetermined evaluation criterion for determining the operating state of the energy supply device.
  • the control device can, for example, check whether the detected voltage is within a predetermined voltage interval. That The voltage interval can be defined by predetermined voltage limit values. If the detected voltage exceeds or falls below one of the respective voltage limit values, conclusions can be drawn about a malfunction of the energy supply device by means of the control device.
  • the sensor unit can comprise, for example, a voltage sensor or a current sensor.
  • the control device comprises an isolating switching unit for the two connecting lines.
  • the control device is designed to switch the isolating switch unit as a function of the operating state of the energy supply device for coupling the first connection line to the supply connection or the second connection line to the supply connection.
  • the respective connection line can thus be activated or deactivated by means of the isolating switch unit.
  • the isolating switch unit can comprise, for example, one or more electronically operated changeover switches.
  • Such a changeover switch can preferably be designed as a relay, or contactor or semiconductor switch.
  • the energy supply source can also be changed automatically from the energy supply device to the battery cell and vice versa.
  • the first and second connection lines are connected to the supply connection in an electrical parallel circuit.
  • the energy supply device is designed to provide a voltage via the first connection line (first connection voltage) in a normal operating state, which voltage increases by a predetermined difference is greater than a voltage which is provided by means of the battery cell via the second connection line (second connection voltage).
  • the energy supply device is designed to provide a first connection voltage which is lower than the second connection voltage.
  • the difference can be selected by a person skilled in the art in accordance with an embodiment of the control device.
  • the difference can preferably be between 0.1 VDC and 1 VDC.
  • the first connection voltage can be, for example, approximately 20 VDC in the normal operating state.
  • the second connection voltage can thus be 19 VDC, for example, in the normal operating state. If there is now a malfunction of the energy supply device, as described above, there is a drop in the energy supply device voltage and thus also in the first connection voltage. In the event of the malfunction, the first connection voltage then preferably has a smaller voltage value than the second connection voltage. For example, the first connection voltage can then be approximately 0 VDC.
  • the parallel connection of the two connection lines to the supply connection now has the advantage that the higher of the two voltages is always automatically made available and fed to the supply connection as the supply voltage.
  • the energy supply is therefore more resistant, in particular, to fluctuations in the first connection voltage or the energy supply device voltage.
  • the control device is designed to operate the semiconductor switches in the normal operating state of the energy supply device in accordance with the predetermined switching operation in a cyclic operation.
  • the control device is designed to switch the semiconductor switch to a predetermined switching state and preferably to hold it in this switching state. That is, each of the semiconductor switches is switched to either the switched-on state or the switched-off state.
  • the switching mode is also dependent on the operational status of the energy supply device. In this way, a defined switching state of the semiconductor switch can be set in the event of a malfunction. Furthermore, the energy consumption of the control device for operating the semiconductor switch can be minimized or reduced.
  • the aforementioned cyclic operation means in particular that the semiconductor switches are switched cyclically according to a predetermined switching pattern. Several switching operations of the semiconductor switch from the switched-on state to the switched-off state and vice versa are therefore provided in succession in time.
  • the control device can, for example, provide a corresponding pulse-width modulated control signal for switching the respective semiconductor switch.
  • the switching pattern can be selected or specified, for example, by a battery management system as a function of an energy requirement of the electric drive of the motor vehicle.
  • the control device comprises a monitoring unit for the battery cell unit.
  • the monitoring unit is designed to detect a monitoring signal comprising at least one physical parameter of the battery cell unit.
  • the control device is then designed to evaluate the respective monitoring signal for determining the operating state of the battery cell unit.
  • the control device is designed to store the respective monitoring signal in a data memory of the control device in the event of a malfunction of the energy supply device. That is to say, the control device additionally has a data memory in order to temporarily store the respective monitoring signal.
  • a respective operating mode or a failure of the battery cell unit can be diagnosed and documented, even if the The energy supply device has malfunctioned.
  • diagnosis or monitoring of the battery cell unit takes place in the aforementioned battery management system of the motor vehicle. As previously described, this is usually deserted in the low-voltage network. If the energy supply device fails, however, the low-voltage electrical system can also fail, so that the battery cell unit can no longer be monitored by the battery management system.
  • a voltage, a current or a temperature of the battery cell unit can be detected or measured as the physical parameter.
  • the monitoring unit can consequently for example also comprise at least one voltage sensor and / or at least one current sensor and / or at least one temperature sensor.
  • the invention also relates to a method for operating an on-board network, as described above.
  • a supply voltage for operating the semiconductor switches in the predetermined switching mode is fed to the control device of the vehicle electrical system via a supply connection.
  • the supply connection is then coupled to the energy supply device via the first connection line and to the respective battery cell of at least one of the respective battery cell units via a second connection line.
  • the invention also includes further developments of the method according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the on-board network according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
  • FIG. 1 A schematic representation of a circuit diagram of the board zes for a motor vehicle with a redundant Energyversor supply for a control device for operating a battery cell unit of the electrical system.
  • the figure shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an on-board network B, as it can be installed in a motor vehicle.
  • the on-board network B comprises two galvanically separated sub-networks, namely initially a low-voltage network or low-voltage on-board network NV and a high-voltage network or high-voltage on-board network HV.
  • the two sub-networks differ in a known manner in terms of their respective reference potentials.
  • the low-voltage on-board network NV includes a low-voltage plus potential NV + and ground potential GND as reference potentials, which can be provided, for example, by a body of the motor vehicle.
  • the high-voltage on-board network HV includes a supply plus potential UV + and a supply minus potential UV- as reference potentials.
  • the high-voltage on-board electrical system HV comprises a battery cell unit 10 for providing electrical energy to drive the motor vehicle and a control device 20 for controlling and monitoring the battery cell unit 10.
  • the battery cell unit 10 can thus be part of the drive battery of the motor vehicle.
  • the battery cell unit 10 can be interconnected in a known manner with one or more further battery cell units, for example by means of a battery cell connection AB. As shown in the figure, the battery cell unit 10 is designed as a so-called SmartCell.
  • the battery cell unit 10 comprises an activation line AL with a battery cell 11 and a first semiconductor switch 12 which is closed with a first end to a positive pole of the battery cell 11. Furthermore, the battery cell unit also comprises a bridging line ÜL with a second semiconductor switch 13. The second semiconductor switch 13 is connected with a first end to a negative pole of the battery cell 11. In addition, the two semiconductor switches 12, 13 are connected directly to one another with a respective second end. In the present case, the semiconductor switches 12, 13 are embodied, for example, as metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET) with a free-wheeling diode connected in parallel.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistors
  • the battery cell unit 10 By designing the battery cell unit 10 as a SmartCell, it is now possible to set a voltage which can be provided to the electric drive via the battery cell connection AB.
  • the first and second semiconductor switches 12, 13 can be operated in a predetermined switching mode. That is to say, the semiconductor switches 12, 13 can be switched alternately or cyclically into an switched-on or activated and into a switched-off or deactivated switching state as a function of an energy requirement of the drive, for example. Simultaneous activation or switching on of the semiconductor switches 12, 13 is thus avoided in the switching mode, since this can lead to a short circuit in the battery cell 11.
  • the operation of the semiconductor switches 12, 13 in the switching mode is a function of the control device 20.
  • the control device 20 comprises a control device 21, which can be designed, for example, as a microcontroller.
  • a so-called gate driver 24 is connected to the control device 21.
  • the gate driver 24 By means of the gate driver 24, the semiconductor switches 12, 13 can be switched over as a function of a corresponding control command from the control device 21.
  • the gate driver 24 preferably has a logic or logic circuit in order to always lock one of the semiconductor switches 12, 13 and thus keep it in the deactivated switching state. Thus, the aforementioned simultaneous switching on of the semiconductor switches 12, 13 can be effectively avoided. Switching, i.e.
  • switching to a defined switching state is usually carried out in MOSFETs by setting the so-called gate voltage of the respective semiconductor switch 12, 13. For example, by setting a gate voltage of 15 VDC, the respective semiconductor switch 12, 13 can be switched to the switched-on state and can thus be switched to be electrically conductive. When a gate voltage of -8 VDC is set, the respective semiconductor switch 12, 13, on the other hand, can be switched to the switched-off or electrically high-resistance switching state.
  • the gate voltage does not refer to the positive supply potential UV + and the negative supply potential UV- of the high-voltage board HV.
  • the control device 20 therefore comprises a galvanically isolated gate converter unit 25, which is connected to the positive supply potential UV + and the negative supply potential UV-.
  • a galvanically separated driver network TN with reference potentials different from the supply plus potential UV + and the supply minus potential UV- is implemented by means of the gate converter unit 25.
  • the driver network TN comprises a positive gate potential G + and negative gate potential G- as reference potentials, between which the respective gate voltage can be tapped.
  • the control device 20 in the present case includes a supply connection V, by means of which the control device 20 is connected to the supply plus potential UV + and the supply minus potential UV-.
  • a supply voltage UV can be fed to the control device 20 via the supply connection V.
  • the supply voltage UV is usually provided to the supply connection V via the low-voltage on-board network NV.
  • the low-voltage on-board network NV comprises a power supply device 30, which in the present case is designed, for example, as a DC / DC converter to which the low-voltage plus potential NV + and the ground potential GND are connected.
  • a voltage not defined in more detail below, which can be tapped between the low-voltage plus potential NV + and the ground potential GND, can thus be converted into a power supply device voltage UE.
  • the energy supply device voltage UE can be, for example, 12 VDC.
  • the energy supply device 30 is connected, as shown in the figure, to a first connection line A1 of the control device 20 via a galvanically isolated converter device 31.
  • the first connection line A1 is in turn connected directly to the supply connection V.
  • An energy supply device voltage UE generated by means of the energy supply device 30 can thus be converted into a first connection voltage UA1, which can be tapped in the first connection line A1.
  • the first connection voltage UA1 can then be fed to the supply connection V as the supply voltage.
  • the first connection voltage UA1 can be 20 V, for example.
  • the converter device 31 can in the present case, for example, be designed as a galvanically isolated step-up converter for switching the energy supply device voltage UE into the first connection voltage UA1.
  • the first connection line in the present case additionally a free-wheeling diode is switched.
  • the control device 21 is connected to the supply connection via a converter unit 22.
  • the converter unit 22 is designed as a DC voltage down converter.
  • the supply voltage UV present at the supply connection V can thus be reduced to a control device voltage US for making available to the control device 21.
  • the control unit voltage US can be, for example, 5 VDC in normal operation of the Energyver supply device 30.
  • the energy supply of the control device 20 from the low-voltage on-board network NV can no longer be guaranteed.
  • the malfunction can be, for example, a complete failure of the energy supply device 30.
  • the malfunction can also be a temporarily limited or short-term fluctuation in the energy supply device voltage UE.
  • the malfunction there is thus a dip or drop in the energy supply device voltage UE in comparison to an amount of the energy supply device voltage UE in the normal operating state. Consequently, there is also a drop in the first connection voltage UA1, so that the control device 20 can no longer be provided with the full supply voltage of, for example, 20 VDC.
  • the control unit 21, the gate driver 24 and the gate converter 25, and an undefined switching state of the semiconductor switches 12, 13 can arise.
  • a redundant energy supply is provided directly from the high-voltage on-board network HV in the present case.
  • the energy supply source is provided by the battery cell 11 of the battery cell unit 10.
  • the battery cell 11 (each with its plus and
  • Minus pole connected via a further converter unit 23 to a second connection line A2.
  • the second connection line A2 is then connected directly to the supply connection V in an electrical parallel circuit to the first connection line A1.
  • a battery cell voltage UB generated by means of the battery cell 11 can thus be converted into a second connection voltage UA2, which can be tapped off in the second connection line A2.
  • a typical value for the battery cell voltage UB is usually between 2.5 VDC and 4.2 VDC. Therefore, the converter unit 23 can in the present case, for example, be designed as a DC voltage boost converter.
  • the battery cell voltage UB can thus be stepped up into the second connection voltage UA2.
  • the second connection voltage UA2 can then be fed to the supply connection V as the supply voltage UV.
  • the second connection voltage UA2 in normal operation of the energy supply device 30, a slightly smaller voltage amount is selected or set than a voltage amount of the first connection voltage UA1.
  • the second connection voltage UA2 can be 19.5 VDC.
  • the supply voltage UV can be automatically provided either by means of the first or the second connection line A1, A2.
  • the energy source for supplying the control device 20 can be switched over or changed particularly quickly. As a result, even slight fluctuations or voltage drops in the low-voltage on-board network NV can be easily compensated for.
  • the control device 20 not only has the function of controlling the battery cell unit 10, but is an additional one also responsible for monitoring operating parameters of the battery cell unit 10.
  • the control device 20 in the present case comprises a voltage sensor 26, a current sensor 27 and a temperature sensor 28, which are each individually connected to the control device 21.
  • a respective physical parameter of the battery cell unit 10 can thus be measured and provided to the control device in the form of a monitoring signal for evaluation.
  • the battery cell voltage UB can be measured as a physical parameter using the voltage sensor 26.
  • Using the current sensor 27, a current provided by the battery cell unit 10 can be measured as a physical parameter.
  • a temperature can be measured as a physical parameter.
  • the control device can, for example, check whether the respective physical parameter is in a desired value range or not. A malfunction of the battery cell unit 10 can thus be inferred.
  • An operating mode of the battery cell unit 10 is thus preferably determined by evaluating the monitoring signal or signals by means of the control device 21.
  • the specific operating mode is also preferably transmitted to a battery management system of the motor vehicle, for example as an operating mode signal.
  • the battery management system is usually deserted in the low-voltage on-board network NV.
  • the battery management system is exemplified by a communication device 40 in the low-voltage on-board network NV.
  • the control device 20 additionally includes a communication line K or a communication connection, which in the present case is connected directly to the control device 21.
  • the communication device 40 is now connected to the communication line K via a digital converter 41 or digital isolator with electrical isolation.
  • the communication device 40, the digital converter 41 and the control device 21 can preferably be designed for the bidirectional transmission of signals. Consequently for example, a control command can also be provided to the control device 20 by the battery management system.
  • the control device 20 preferably comprises a data memory not shown in the figure.
  • the respective operating mode signal can thus be temporarily stored in the data memory in the form of operating data until, for example, communication with the communication device 40 is possible again.
  • the battery cell unit 10 can still be diagnosed even if the communication connection with the low-voltage on-board network NV fails.
  • the control device 20 can comprise, for example, a disconnection unit in the form of a changeover switch, by means of which, depending on the functionality of the energy supply device 30, either the first connection line can be electrically conductively coupled to the supply connection or the second connection line can be electrically conductively coupled to the supply connection.
  • the control device 21 of the control device 30 can, for example, monitor the first connection voltage UA1.
  • the operating state of the energy supply device 30 can also be communicated to the control device 21 of the control device 20 via the communication device 40.
  • a corresponding method for operating the on-board network B can include the following steps (not shown).
  • the functionality that is to say the operating state of the energy supply device 30, as described above, is first checked. If the control device 21 determines that the energy supply device 30 is in normal operation is located, the control device 21 can control the isolating switch unit for electrically conductive connection of the first connection line A1 to the supply connection V. As a result, the supply voltage UV can be fed to the control device 20 by means of the energy supply device 30.
  • control device 21 can instead control the isolating switch unit for electrically isolating the first connection line A1 and the supply connection V and for electrically connecting the second connection line A2 and the supply connection V.
  • the supply voltage UV for operating the control device 20 can thus be made available by means of the battery cell 11.

Abstract

The invention relates to an on-board power system (B) for a motor vehicle. The motor vehicle in this case comprises at least one battery cell unit (10), in the form of what is known as a smart cell. The on-board power system (B) additionally comprises a control device (20) in order to operate the battery cell unit (10). In order to be able to be supplied with electrical energy, the control device (20) comprises a supply connection (V) for the delivery of a supply voltage (UV). The supply voltage (UV) is usually delivered in this case by way of an energy supply device (30) of the on-board power system (B) that is able to be coupled to the control device (20) via a first connecting line (A1). In order to allow a redundant energy supply to the control device (20), a second connecting line (A2) is also provided in addition to the first connecting line (A1) and is able to be used to couple a battery cell (11) of the respective battery cell unit (10) to the supply connection (V). The supply voltage (UV) is thus able to be delivered either via the first connecting line (A1) or via the second connecting line (A2) depending on the operating state of the energy supply device (30).

Description

Bordnetz für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Bord netzes On-board network for a motor vehicle and a method for operating an on-board network
BESCHREIBUNG: DESCRIPTION:
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigs tens eine Batteriezelleneinheit, eine Steuereinrichtung und eine Energiever sorgungseinrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Bordnetzes. The invention relates to an electrical system for a motor vehicle, comprising at least one battery cell unit, a control device and an energy supply device. The invention also relates to a method for operating such an on-board network.
Ein solches Bordnetz hat in der Regel die Funktion eine Energieversorgung von elektrischen und elektronischen Komponenten des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten. Dazu umfasst das Bordnetz wenigstens eine oder mehrere der zuvor genannten Batteriezelleneinheiten, deren Betriebszustand oder Betriebsmodus mittels der Steuereinrichtung überwacht und gesteuert wer den kann. Zur Versorgung der Steuereinrichtung mit elektrischer Energie ist üblicherweise die Energieversorgungseinrichtung vorgesehen. Such an on-board network usually has the function of ensuring an energy supply for electrical and electronic components of the motor vehicle. For this purpose, the on-board network comprises at least one or more of the aforementioned battery cell units, whose operating state or operating mode can be monitored and controlled by means of the control device. The energy supply device is usually provided for supplying the control device with electrical energy.
Wie zum Beispiel in der US 2011/0210605 A1 offenbart, kann die Batteriezel- leneinheit beispielsweise als Starterbatterie ausgestaltet sein. Um die Starterbatterie bei einem Verkehrsunfall von dem Rest des Bordnetzes elektrisch entkoppeln oder trennen zu können, ist ein mechanischer Batte rietrennschalter vorgesehen. Zum Ansteuern des Trennschalters ist ein Steuereinrichtung in Form eines Mikrocontrollersystems vorgesehen. Das Mikrocontrollersystem wird dabei von einer Energieversorgungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt. Die Energieversorgungseinrichtung kann ihre elektrische Energie dabei entweder von der Starterbatterie oder bei Ausfall der Starterbatterie von einer Notstromversorgung beziehen. Somit kann eine redundante Energieversorgung der Steuereinrichtung sicherge stellt werden. As disclosed in US 2011/0210605 A1, for example, the battery cell unit can be designed as a starter battery, for example. In order to be able to electrically decouple or disconnect the starter battery from the rest of the vehicle electrical system in the event of a traffic accident, a mechanical battery disconnect switch is provided. A control device in the form of a microcontroller system is provided to control the disconnector. The microcontroller system is supplied with electrical energy from an energy supply device. The energy supply device can draw its electrical energy either from the starter battery or, if the starter battery fails, from an emergency power supply. Consequently a redundant power supply of the control device can be ensured.
Gemäß der DE 102017208030 A1 kann die Batteriezelleneinheit auch zur Versorgung eines Sicherheitsverbrauchers des Bordnetzes, wie beispiels weise einer Bremse oder einer Lenkung für das Kraftfahrzeug, eingesetzt werden. Um eine zuverlässige Energieversorgung des Sicherheitsverbrau chers gewährleisten zu können, umfasst die Batteriezelleneinheit dabei einen ersten und einen zweiten Batteriezellenteilstrang, welche in Abhängigkeit von einer Betriebssituation mit dem Sicherheitsverbraucher koppelbar sind und somit den Sicherheitsverbraucher mit Energie versorgen können. Hierbei werden also die Batteriezellenteilstränge zur redundanten Energieversor gung des Sicherheitsverbrauchers genutzt. Die Batteriezelleneinheiten, wie sie aus dem vorgenannten Stand der Tech nik bekannt sind, sind jedoch für den Einsatz in einer Antriebsbatterie oder Hochvoltbatterie zum Betreiben eines elektrischen Antriebs des Kraftfahr zeugs nicht geeignet. Ein Bordnetz mit einer Batteriezelleneinheit zum Betreiben eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs ist beispielsweise aus der EP 3576241 A1 bekannt. Dabei ist der Batteriezelleneinheit eine Steuereinheit zugeordnet, mittels welcher ein Betriebsparameter der Batteriezelleneinheit, wie bei spielsweise ein Ladezustand, oder ein Energiebedarf, überwacht und ge- steuert werden kann. Die Steuereinheit weist dabei zwei verschiedene Be triebsmodi nämlich einen aktiven Modus und einen Schlafmodus auf. Für den Betrieb im dem aktiven Modus ist die Steuereinheit über einen Abwärtswand ler an den gesamten Strang der Batteriezelleneinheit angeschlossen. Für den Betrieb im dem Schlafmodus ist die Steuereinheit hingegen zusätzlich nur an einen Teilstrang der Batteriezelleneinheit angeschlossen. Es geht also insbesondere darum, der Steuereinheit je nach eingestelltem Betriebs modus unterschiedliche Spannungsniveaus mittels der Batteriezelleneinheit bereitzustellen. Eine redundante Energieversorgung der Steuereinheit ist hierbei jedoch nicht vorgesehen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausfallsicherheit für eine Steuereinrich tung zum Betreiben wenigstens einer Batteriezelleneinheit eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug, welche insbesondere eine Komponente einer Antriebs- batterie des Kraftfahrzeugs darstellt, bereitzustellen. According to DE 102017208030 A1, the battery cell unit can also be used to supply a safety consumer in the vehicle electrical system, such as a brake or a steering system for the motor vehicle. In order to be able to ensure a reliable energy supply for the safety consumer, the battery cell unit comprises a first and a second battery cell sub-string, which can be coupled to the safety consumer depending on an operating situation and can thus supply the safety consumer with energy. In this case, the battery cell sub-strings are used for the redundant energy supply of the safety consumer. The battery cell units, as they are known from the aforementioned prior tech technology, are, however, not suitable for use in a drive battery or high-voltage battery for operating an electric drive of the motor vehicle. An on-board network with a battery cell unit for operating an electric drive of a motor vehicle is known, for example, from EP 3576241 A1. A control unit is assigned to the battery cell unit, by means of which an operating parameter of the battery cell unit, such as, for example, a state of charge or an energy requirement, can be monitored and controlled. The control unit has two different operating modes, namely an active mode and a sleep mode. For operation in the active mode, the control unit is connected to the entire string of the battery cell unit via a step-down converter. For operation in the sleep mode, however, the control unit is additionally only connected to a sub-string of the battery cell unit. It is therefore particularly a matter of providing the control unit with different voltage levels by means of the battery cell unit, depending on the set operating mode. However, a redundant power supply for the control unit is not provided here. The object of the invention is to provide a failure safety for a control device for operating at least one battery cell unit of an on-board network for a motor vehicle, which in particular represents a component of a drive battery of the motor vehicle.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprü che gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhän gigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung, sowie die Figuren offen- bart. The object is achieved by the subjects of the independent patent claims. Advantageous further developments of the invention are disclosed in the dependent claims, the following description and the figures.
Dazu ist, wie eingangs beschrieben, ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, ins besondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, vorgesehen. Das Bord netz umfasst wenigstens eine, also eine oder mehrere Batteriezelleneinhei- ten. Eine solche Batteriezelleneinheit umfasst üblicherweise eine oder meh rere Batteriezellen oder galvanische Zellen, die in bekannter Weise mitei nander verschaltet sein können. Bevorzugt ist die jeweilige Batteriezellenein heit einer Antriebsbatterie oder Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs zuge ordnet. Zum Beispiel können also mehrere Batteriezelleneinheit in bekannter Weise zu der Antriebsbatterie zusammengeschaltet oder zusammenge schlossen werden. Zum Betreiben der jeweiligen Batteriezelleneinheit um fasst das Bordnetz zudem eine Steuereinrichtung. Mit Betrieben ist insbe sondere ein Steuern und Überwachen eines Betriebszustands der jeweiligen Batteriezelleneinheit gemeint. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung einer oder mehreren, zum Beispiel parallel geschalteten, Batteriezelleneinheiten zuge ordnet. Die Steuereinrichtung kann insbesondere als Steuerschaltung mit einem oder mehreren Steuergeräten realisiert sein. Um die Steuereinrichtung für das Betreiben der Batteriezelleneinheit mit elektrischer Energie zu ver sorgen, umfasst das Bordnetz zudem noch eine Energieversorgungseinrich- tung. Auf die Ausgestaltung der Energieversorgungseinrichtung wird im spä teren Verlauf noch einmal näher eingegangen. For this purpose, as described above, an on-board network for a motor vehicle, in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, is provided. The on-board network includes at least one, that is to say one or more battery cell units. Such a battery cell unit usually includes one or more battery cells or galvanic cells, which can be connected to one another in a known manner. The respective battery cell unit is preferably assigned to a drive battery or high-voltage battery of the motor vehicle. For example, several battery cell units can be connected or closed together in a known manner to form the drive battery. To operate the respective battery cell unit, the on-board network also includes a control device. With operations is meant in particular a control and monitoring of an operating state of the respective battery cell unit. The control device is preferably assigned to one or more battery cell units, for example connected in parallel. The control device can in particular be implemented as a control circuit with one or more control devices. In order to provide the control device for operating the battery cell unit with electrical energy, the on-board network also includes an energy supply device. The design of the energy supply device will be discussed in more detail later on.
In modernen Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen kann die zuvor be schriebene Batteriezelleneinheit, jedoch beispielsweise durch eine schaltba- re Batteriezelleneinheit oder Smartcell Batteriezelle ersetzt werden. Demen- sprechend umfasst die jeweilige Batteriezelleneinheit eine Aktivierungslei tung mit der galvanischen Zelle und einem dazu elektrisch in Reihe geschal teten ersten Halbleiterschalter. Weiterhin umfasst die Batteriezelleneinheit auch eine zu der Aktivierungsleitung elektrisch parallel geschaltete Überbrü ckungsleitung mit einem zweiten Halbleiterschalter. Die Steuereinrichtung ist dann entsprechend ausgebildet, den ersten und den zweiten Halbleiterschal ter in einem vorbestimmten Schaltbetrieb zu betreiben. Das heißt, die Steu ereinrichtung kann ein Steuersignal zum Schalten oder Umschalten der Halbleiterschalter bereitstellen. Mit Schaltbetrieb ist dabei gemeint, dass die Halbleiterschalter in einen eingeschalten Schaltzustand und einen ausge schalteten Schaltzustand schaltbar sind. Im eingeschalteten Schaltzustand weist der jeweilige Halbleiterschalter dabei eine sehr gute Leitfähigkeit auf, sodass ein hoher Stromfluss über den jeweiligen Halbleiterschalter möglich ist. In dem ausgeschalteten Schaltzustand ist der jeweilige Halbleiterschalter hochohmig, das heißt, der jeweilige Halbleiterschalter stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit. Dadurch ist kein beziehungsweise nur ein vernachlässigbar geringer elektrischer Stromfluss über den jeweiligen Halb leiterschalter möglich. Mit Halbleiterschalter ist insbesondere ein steuerbarer elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, insbesondere mit parallel geschalteten Freilaufdioden, beispielsweise ein Metall oxid semi conductor field effect transistor (MOSFET), ein isolated gate bipolar transistor (IGBT), vorzugswei se mit einer integrierten Freilaufdiode oder dergleichen gemeint. In modern electric vehicles or hybrid vehicles, the battery cell unit described above can be used, for example, by a switchable re battery cell unit or smart cell battery cell must be replaced. Accordingly, the respective battery cell unit comprises an activation line with the galvanic cell and a first semiconductor switch connected electrically in series with it. Furthermore, the battery cell unit also comprises a bridging line connected electrically in parallel to the activation line and having a second semiconductor switch. The control device is then designed accordingly to operate the first and second semiconductor scarf ter in a predetermined switching mode. That is to say, the control device can provide a control signal for switching or switching over the semiconductor switches. Switching operation means that the semiconductor switches can be switched into an switched-on switching state and a switched-off switching state. In the switched-on switching state, the respective semiconductor switch has very good conductivity, so that a high current flow via the respective semiconductor switch is possible. In the switched-off switching state, the respective semiconductor switch has a high resistance, that is, the respective semiconductor switch provides a high electrical resistance. As a result, no electrical current flow, or only a negligibly small amount, is possible via the respective semiconductor switch. With a semiconductor switch is in particular a controllable electronic switch, such as a transistor, a thyristor, combination circuits thereof, in particular with free-wheeling diodes connected in parallel, for example a metal oxide semi conductor field effect transistor (MOSFET), an isolated gate bipolar transistor (IGBT), preferably se meant by an integrated freewheeling diode or the like.
Damit die Halbleiterschalter nun mittels der Steuereinrichtung in dem Schalt betrieb schaltbar sind, umfasst die Steuereinrichtung einen Versorgungsan schluss zum Zuführen von elektrischer Energie in Form einer Versorgungs spannung. Üblicherweise ist die Steuereinrichtung dabei über den Versor- gungsanschluss mit der Energieversorgungseinrichtung gekoppelt. Mit „Kop peln“ ist dabei insbesondere ein elektrisches Koppeln, also ein elektrisch leitendes Verbinden gemeint. Somit können als Synonym für den Begriff „koppeln“ im Sinne der Erfindung auch Begriffe wie „verbinden“ oder „ an schließen“ verwendet werden. Das heißt, die Versorgungsspannung wird üblicherweise mittels der Energieversorgungseinrichtung an den Versor gungsanschluss bereitgestellt. So that the semiconductor switches can now be switched in the switching mode by means of the control device, the control device comprises a supply connection for supplying electrical energy in the form of a supply voltage. The control device is usually coupled to the energy supply device via the supply connection. “Coupling” means, in particular, electrical coupling, that is to say an electrically conductive connection. Thus, terms such as “connect” or “connect” can also be used as a synonym for the term “couple” in the sense of the invention. That is, the supply voltage will usually provided to the supply connection by means of the energy supply device.
Bei einer Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung, wie zum Beispiel einem Ausfall, kann es somit aber auch zu einem Ausfall der Steu ereinrichtung kommen. Da es sich bei den Halbleiterschaltern um elektroni sche Schalter handelt, kann sich dadurch ein Undefinierter Schaltzustand der Halbleitschalter einstellen. Somit kann es aufgrund der Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung zu einem ungewollten Wegschalten der Bat- teriezelle der Batteriezelleneinheit oder zu einem ungewollten Kurzschluss der Batteriezelleneinheit kommen. In the event of a malfunction of the energy supply device, such as a failure, however, the control device can also fail. Since the semiconductor switches are electronic cal switches, this can result in an undefined switching state of the semiconductor switches. As a result of the malfunction of the energy supply device, the battery cell of the battery cell unit can be inadvertently disconnected or the battery cell unit can be short-circuited.
Um dies zu vermeiden, ist in der Erfindung nun vorgesehen, die Steuerein richtung redundant über Versorgungsspannung zu versorgen. Dabei wird der vorgenannte Versorgungsanschluss in Abhängigkeit von einem Betriebszu stand oder einer Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinrichtung über eine erste Anschlussleitung mit der Energieversorgungseinrichtung und über eine zweite Anschlussleitung mit der Batteriezelle von zumindest einer der jeweiligen Batteriezelleneinheiten koppelbar. Somit ist die Versorgungsspan- nung dem Versorgungsanschluss in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung entweder über die erste Anschlusslei tung, mittels welcher die Steuereinrichtung mit der Energieversorgungsein richtung koppelbar ist, oder über die zweite Anschlussleitung, mittels welcher die Steuereinrichtung mit der Batteriezelle koppelbar ist, zuführbar. In order to avoid this, the invention now provides for the control device to be supplied redundantly via supply voltage. The aforementioned supply connection can be coupled to the energy supply device via a first connection line and to the battery cell of at least one of the respective battery cell units depending on an operating status or functionality of the energy supply device. The supply voltage can thus be fed to the supply connection, depending on the operating state of the energy supply device, either via the first connection line, by means of which the control device can be coupled to the energy supply device, or via the second connection line, by means of which the control device can be coupled to the battery cell .
Bevorzugt ist die Versorgungsspannung dabei in einem Normalbetriebszu stand der Energieversorgungseinrichtung über die erste Anschlussleitung an den Versorgungsanschluss zuführbar. Bei einer Funktionsstörung der Ener gieversorgungseinrichtung ist die Versorgungsspannung dabei hingegen über die zweite Anschlussleitung an den Versorgungsanschluss zuführbar. Die Funktionsstörung kann zum Beispiel als Einbruch oder Abfall einer Spannung in der ersten Anschlussleitung festgestellt werden. Zum Zuführen der Versorgungsspannung kann also entweder eine Batteriezellenspannung (Spannung welche mittels der Batteriezelle bereitgestellt ist) oder eine Ener- gieversorgungseinrichtungsspannung (Spannung welche mittels der Ener gieversorgungseinrichtung bereitgestellt ist) genutzt werden. In a normal operating state, the supply voltage can preferably be fed to the energy supply device via the first connection line to the supply connection. In the event of a malfunction of the energy supply device, however, the supply voltage can be fed to the supply connection via the second connection line. The malfunction can be detected, for example, as a drop or drop in a voltage in the first connection line. To supply the supply voltage, either a battery cell voltage (voltage which is provided by the battery cell) or an energy Energy supply device voltage (voltage which is provided by means of the energy supply device) can be used.
Somit ergibt sich der Vorteil, dass die Steuereinrichtung auch bei einer Funk- tionsstörung der Energieversorgungseinrichtung weiter mit elektrischer Ener gie versorgt werden kann. Die Versorgungsspannung wird dabei direkt von der jeweiligen Batteriezelleneinheit, insbesondere deren Batteriezelle, bereit gestellt. Somit kann die Ausfallsicherheit der Steuereinrichtung und somit auch der Antriebsbatterie des Kraftfahrzeugs gewährleistet werden. This results in the advantage that the control device can continue to be supplied with electrical energy even in the event of a malfunction of the energy supply device. The supply voltage is provided directly by the respective battery cell unit, in particular its battery cell. The failure safety of the control device and thus also of the drive battery of the motor vehicle can thus be guaranteed.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzli che Vorteile ergeben. The invention also includes embodiments which result in additional advantages.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bereitstel- len der elektrischen Energie an die Steuereinrichtung dabei aus unterschied lichen Teilnetzen des Bordnetzes erfolgt. Als erstes Teilnetz umfasst das Bordnetz dabei ein Hochvoltnetz und als zweites Teilnetz umfasst das Bord netz dabei ein von dem Hochvoltbordnetz galvanisch getrenntes Nieder voltnetz. Die Batteriezelleneinheit und die Steuereinrichtung sind dabei dem Hochvoltnetz zugeordnet, während die Energieversorgungseinrichtung dem Niedervoltbordnetz zugeordnet ist. Somit kann Steuereinrichtung im Normal betriebszustand also aus dem Niedervoltnetz mit der Versorgungsspannung versorgt werden. Bei einer Funktionsstörung erfolgt die Energieversorgung hingegen direkt aus dem Hochvoltnetz selbst. In one embodiment of the invention it is provided that the provision of the electrical energy to the control device takes place from different sub-networks of the on-board network. As a first sub-network, the on-board network comprises a high-voltage network and, as a second sub-network, the on-board network comprises a low-voltage network that is galvanically separated from the high-voltage on-board network. The battery cell unit and the control device are assigned to the high-voltage network, while the energy supply device is assigned to the low-voltage on-board network. Thus, in the normal operating state, the control device can be supplied with the supply voltage from the low-voltage network. In the event of a malfunction, however, the energy is supplied directly from the high-voltage network itself.
Das Hochvoltnetz und das Niedervoltnetz unterscheiden sich dabei in be kannter Weise insbesondere in ihrem Spannungsniveau und ihrem jeweiligen Bezugspotential oder Massepotential. Eine jeweilige (Hochvolt-)Spannung in dem Hochvoltnetz, wie zum Beispiel die Versorgungsspannung, ist somit zum Beispiel zwischen einem Versorgungspluspotential und einem Versor gungsminuspotential als Bezugspotential abgreifbar. Die Versorgungsspan nung kann beispielsweise 20 VDC (V: Volt; DC: direct current - Gleichstrom oder Gleichspannung) betragen. Eine jeweilige (Niedervolt-)Spannung in dem Niedervoltnetz, wie zum Beispiel die Energieversorgungseinrichtungs- Spannung, ist hingegen beispielsweise zwischen einen Niedervoltpluspoten tial und einem Niedervoltminuspotential oder Erdungspotential (GND: Ground) als Bezugspotential abgreifbar. Die Energieversorgungseinrich tungsspannung kann zum Beispiel 12 VDC betragen. The high-voltage network and the low-voltage network differ in a known manner, in particular in their voltage level and their respective reference potential or ground potential. A respective (high-voltage) voltage in the high-voltage network, such as the supply voltage, can thus be tapped as a reference potential between a supply plus potential and a supply minus potential. The supply voltage can be, for example, 20 VDC (V: volts; DC: direct current - direct current or direct voltage). A respective (low-voltage) voltage in the low-voltage network, such as the energy supply device Voltage, on the other hand, can be tapped as a reference potential, for example between a low-voltage plus potential and a low-voltage minus potential or ground potential (GND: Ground). The power supply device voltage can be, for example, 12 VDC.
Um die Energieübertragung zwischen dem Hochvoltnetz und dem Nieder voltnetz zu ermöglichen, ist die Energieversorgungseinrichtung bevorzugt über eine galvanisch isolierende Wandlereinrichtung, wie zum Beispiel einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit galvanischer Trennung mit der Steuereinrichtung gekoppelt. Die Wandlereinrichtung kann dazu zum Beispiel mit einem Ende an die Energieversorgungseinrichtung und einem anderen Ende an die ersten Anschlussleitung der Steuereinrichtung ange schlossen sein. Besonders bevorzugt kann die Wandlereinrichtung in diesem Zusammenhang auch ausgebildet sein, eine sogenannte Aufwärtswand ler- funktion bereitzustellen. Somit kann die niedrigere Energieversorgungsein richtungsspannung mittels der Wandlereinrichtung in die höhere Versor gungsspannung gewandelt werden. In order to enable energy to be transmitted between the high-voltage network and the low-voltage network, the energy supply device is preferably coupled to the control device via a galvanically isolating converter device, such as a DC / DC converter with electrical isolation. For this purpose, the converter device can be connected, for example, with one end to the energy supply device and another end to the first connection line of the control device. In this context, the converter device can particularly preferably also be designed to provide what is known as an up-converter function. The lower energy supply device voltage can thus be converted into the higher supply voltage by means of the converter device.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung noch eine zusätzliche Wandlereinheit für die vorgenannte Batteriezellenspannung aufweist. Das heißt, die Wandlereinheit ist ausgebil det, die von der Batteriezelle bereitgestellte Batteriezellenspannung in die Versorgungsspannung zu wandeln. Dazu kann die Wandlereinheit zum Bei spiel mit einem Ende an die Batteriezelle der Batteriezelleneinheit und einem anderen Ende an die zweite Anschlussleitung der Steuereinrichtung ange schlossen sein. Bevorzugt ist die Wandlereinheit als DC/DC-Wandler (ohne galvanische Trennung) mit einer Aufwärtswandlerfunktion ausgebildet. Übli cherweise stellt eine Batteriezelle für eine Antriebsbatterie nämlich nur eine Spannung zwischen 2,5 VDC und 4,2 VDC bereit. Somit kann die Batterie- Zellenspannung mittels der Wandlereinheit in die Versorgungsspannung von beispielsweise 20 VDC hochgesetzt werden. In a further embodiment of the invention it is provided that the control device also has an additional converter unit for the aforementioned battery cell voltage. That is, the converter unit is designed to convert the battery cell voltage provided by the battery cell into the supply voltage. For this purpose, the converter unit can, for example, be connected at one end to the battery cell of the battery cell unit and another end to the second connection line of the control device. The converter unit is preferably designed as a DC / DC converter (without galvanic isolation) with an up-converter function. Usually, a battery cell for a traction battery only provides a voltage between 2.5 VDC and 4.2 VDC. The battery cell voltage can thus be increased to the supply voltage of, for example, 20 VDC by means of the converter unit.
In den folgenden Ausführungsformen sind nun verschiedene Möglichkeiten zum Bestimmen des jeweiligen Betriebszustands der Energieversorgungs- einrichtung realisiert. Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorge sehen, dass die Steuereinrichtung zusätzlich noch einen Kommunikations anschluss zum Koppeln mit einer Kommunikationseinrichtung, die der Ener gieversorgungseinrichtung zugeordnet ist, umfasst. Um den Betriebszustand zu bestimmen, ist die Steuereinrichtung ausgebildet, ein über den Kommuni kationsanschluss bereitgestelltes Kommunikationssignal der Kommunikati onseinrichtung auszuwerten. Das heißt, die Kommunikationseinrichtung kann der Steuereinrichtung den Betriebszustand kodiert in dem Kommunikations signal übermitteln. In the following embodiments, there are now various options for determining the respective operating status of the energy supply facility realized. For this purpose, in one embodiment of the invention it is provided that the control device additionally comprises a communication connection for coupling to a communication device that is assigned to the energy supply device. In order to determine the operating state, the control device is designed to evaluate a communication signal of the communication device provided via the communication connection. That is to say, the communication device can transmit the operating state to the control device in encoded form in the communication signal.
Die Kommunikationseinrichtung kann dabei beispielsweise Teil eines Batte riemanagementsystems des Bordnetzes sein. Bevorzugt ist die Kommunika tionseinrichtung als Transceiver oder Transducer (Sende- Empfangseinrichtung) ausgebildet. Somit ist eine bidirektionale Signalüber- tragung oder Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung und der Kom munikationseinrichtung ermöglicht. Die Kommunikation kann zum Beispiel über eine BUS-Kommunikation, also zum Beispiel über eine Anbindung an einen CAN-BUS des Kraftfahrzeugs, erfolgen. In vorteilhafter Weise ist die Kommunikationseinrichtung ebenfalls in dem vorgenannten Niedervoltnetz angeordnet. Um die Signalübertragung zwischen der Kommunikationsein richtung und der Steuereinrichtung zu ermöglichen, ist die Kommunikations einrichtung bevorzugt über einen galvanisch isolierenden Digitalisolator an den Kommunikationsanschluss der Steuereinrichtung angeschlossen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zum Bestimmen des Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung vorgesehen, dass die Steuereinrichtung selbst eine Sensoreinheit umfasst. Die Sensoreinheit ist ausgebildet, eine über die erste Anschlussleitung mittels der Energieversor gungseinrichtung bereitgestellte Spannung zu erfassen. Die Steuereinrich- tung ist ausgebildet, die erfasste Spannung gemäß einem vorbestimmten Auswertekriterium zum Bestimmen des Betriebszustands der Energieversor gungseinrichtung auszuwerten. Gemäß dem vorbestimmten Auswertekriteri um kann die Steuereinrichtung beispielsweise überprüfen, ob die erfasste Spannung innerhalb eines vorbestimmten Spannungsintervalls liegt. Das Spannungsintervall kann dabei durch vorbestimmte Spannungsgrenzwerte festgelegt sein. Über- oder unterschreitet die erfasste Spannung einen der jeweiligen Spannungsgrenzwerte, kann mittels der Steuereinrichtung somit auf eine Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung rückgeschlos- sen werden. Zum Erfassen oder Messen der Spannung, welche mittels der ersten Anschlussleitung bereitgestellt ist, kann die Sensoreinheit kann bei spielsweise einen Spannungssensor oder einen Stromsensor umfassen. The communication device can, for example, be part of a battery management system of the on-board network. The communication device is preferably designed as a transceiver or transducer (transceiver device). This enables bidirectional signal transmission or communication between the control device and the communication device. The communication can take place, for example, via a BUS communication, that is to say, for example, via a connection to a CAN-BUS of the motor vehicle. The communication device is also advantageously arranged in the aforementioned low-voltage network. In order to enable the signal transmission between the communication device and the control device, the communication device is preferably connected to the communication connection of the control device via a galvanically isolating digital isolator. In a further embodiment of the invention, for determining the operating state of the energy supply device, it is provided that the control device itself comprises a sensor unit. The sensor unit is designed to detect a voltage provided via the first connection line by means of the energy supply device. The control device is designed to evaluate the detected voltage in accordance with a predetermined evaluation criterion for determining the operating state of the energy supply device. According to the predetermined evaluation criterion, the control device can, for example, check whether the detected voltage is within a predetermined voltage interval. That The voltage interval can be defined by predetermined voltage limit values. If the detected voltage exceeds or falls below one of the respective voltage limit values, conclusions can be drawn about a malfunction of the energy supply device by means of the control device. For detecting or measuring the voltage which is provided by means of the first connection line, the sensor unit can comprise, for example, a voltage sensor or a current sensor.
In den folgenden Ausführungsformen sind nun verschiedene Möglichkeiten realisiert, wie die Versorgungsspannung in Abhängigkeit von dem Betriebs zustand der Energieversorgungseinrichtung entweder über die erste oder die zweite Anschlussleitung zuführbar ist. Dazu in einer weiteren Ausführungs form der Erfindung vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Trenn schalteinheit für die beiden Anschlussleitungen umfasst. Die Steuereinrich- tung ist ausgebildet, die Trennschalteinheit in Abhängigkeit von dem Be triebszustand der Energieversorgungseinrichtung zum Koppeln der ersten Anschlussleitung mit dem Versorgungsanschluss oder der zweiten An schlussleitung mit dem Versorgungsanschluss zu schalten. Mittels der Trennschalteinheit kann somit die jeweilige Anschlussleitung aktiviert oder deaktiviert werden. Anders ausgedrückt, kann zwischen den Anschlusslei tungen aktiv umgeschaltet oder gewechselt werden. Die Trennschalteinheit kann dazu beispielsweise einen oder mehrere elektronisch betreibbare Wechselschalter umfassen. Bevorzugt kann ein solcher Wechselschalter als Relais, oder Schütz oder Halbleiterschalter ausgebildet sein. In the following embodiments, various possibilities are now implemented as to how the supply voltage can be supplied either via the first or the second connection line as a function of the operating state of the energy supply device. For this purpose, in a further embodiment of the invention, it is provided that the control device comprises an isolating switching unit for the two connecting lines. The control device is designed to switch the isolating switch unit as a function of the operating state of the energy supply device for coupling the first connection line to the supply connection or the second connection line to the supply connection. The respective connection line can thus be activated or deactivated by means of the isolating switch unit. In other words, you can actively switch or change between the connection lines. For this purpose, the isolating switch unit can comprise, for example, one or more electronically operated changeover switches. Such a changeover switch can preferably be designed as a relay, or contactor or semiconductor switch.
Zusätzlich oder alternativ zu dem aktiven Umschalten mittels der Trenn schalteinheit kann das Wechseln der Energieversorgungsquelle von der Energieversorgungseinrichtung zur Batteriezelle und umgekehrt auch auto matisch erfolgen. Dazu ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die erste und zweite Anschlussleitung in einer elektrischen Parallelschaltung an den Versorgungsanschluss angeschlossen sind. Zudem ist die Energieversorgungseinrichtung ausgebildet, in einem Normalbetriebs zustand eine Spannung über die erste Anschlussleitung bereitzustellen (ers te Anschlussspannung), welche um einen vorbestimmten Differenzbetrag größer ist als eine Spannung, welche mittels der Batteriezelle über die zweite Anschlussleitung (zweite Anschlussspannung) bereitgestellt ist. Bei einer Funktionsstörung ist die Energieversorgungseinrichtung hingegen ausgebil det, eine erste Anschlussspannung bereitzustellen, welche kleiner ist als die zweite Anschlussspannung. Der Differenzbetrag kann dabei von einen Fachmann entsprechend einer Ausgestaltung der Steuereinrichtung gewählt werden. Bevorzugt kann der Differenzbetrag zwischen 0,1 VDC und 1 VDC liegen. Die erste Anschlussspannung kann im Normalbetriebszustand zum Beispiel in etwa 20 VDC betragen. Somit kann die zweite Anschlussspan- nung im Normalbetriebszustand zum Beispiel 19 VDC betragen. Liegt nun eine Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung vor, kommt es, wie eingangs beschrieben, zu einem Einbruch der Energieversorgungsein richtungsspannung und somit auch der ersten Anschlussspannung. Vor zugsweise weist die erste Anschlussspannung bei der Funktionsstörung dann einen kleineren Spannungsbetrag auf als die zweite Anschlussspan nung. Zum Beispiel kann die erste Anschlussspannung dann in etwa 0 VDC betragen. In addition or as an alternative to the active switchover by means of the isolating switching unit, the energy supply source can also be changed automatically from the energy supply device to the battery cell and vice versa. For this purpose, it is provided in a further embodiment of the invention that the first and second connection lines are connected to the supply connection in an electrical parallel circuit. In addition, the energy supply device is designed to provide a voltage via the first connection line (first connection voltage) in a normal operating state, which voltage increases by a predetermined difference is greater than a voltage which is provided by means of the battery cell via the second connection line (second connection voltage). In the event of a malfunction, on the other hand, the energy supply device is designed to provide a first connection voltage which is lower than the second connection voltage. The difference can be selected by a person skilled in the art in accordance with an embodiment of the control device. The difference can preferably be between 0.1 VDC and 1 VDC. The first connection voltage can be, for example, approximately 20 VDC in the normal operating state. The second connection voltage can thus be 19 VDC, for example, in the normal operating state. If there is now a malfunction of the energy supply device, as described above, there is a drop in the energy supply device voltage and thus also in the first connection voltage. In the event of the malfunction, the first connection voltage then preferably has a smaller voltage value than the second connection voltage. For example, the first connection voltage can then be approximately 0 VDC.
Durch die Parallelschaltung der beiden Anschlussleitungen an den Versor- gungsanschluss ergibt sich nun der Vorteil, dass automatisch immer die höhere der beiden Spannungen dem Versorgungsanschluss als die Versor gungsspannung bereitgestellt und zugeführt wird. Somit ist die Energiever sorgung insbesondere auch gegenüber Schwankungen in der ersten An schlussspannung oder der Energieversorgungseinrichtungsspannung resis- tenter. The parallel connection of the two connection lines to the supply connection now has the advantage that the higher of the two voltages is always automatically made available and fed to the supply connection as the supply voltage. The energy supply is therefore more resistant, in particular, to fluctuations in the first connection voltage or the energy supply device voltage.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine vorteilhafte Ausge staltung des Schaltbetriebs umgesetzt. Dabei ist die Steuereinrichtung aus gebildet ist, in dem Normalbetriebszustand der Energieversorgungseinrich- tung die Halbleiterschalter gemäß dem vorbestimmten Schaltbetrieb in einem Taktbetrieb zu betreiben. Bei der Funktionsstörung der Energieversorgungs einrichtung ist die Steuereinrichtung hingegen ausgebildet, die Halbleiter schalter in einen vorbestimmten Schaltzustand zu schalten und bevorzugt in diesem Schaltzustand zu halten. Das, heißt, jeder der Halbleiterschalter ist entweder in den eingeschalteten Zustand oder den ausgeschalteten Zustand geschaltet. Somit ist der Schaltbetrieb also ebenfalls von dem Betriebszu stand der Energieversorgungseinrichtung abhängig. Dadurch kann im Fall der Funktionsstörung ein definierter Schaltzustand der Flalbleiterschalter eingestellt werden. Weiterhin kann auch der Energieverbrauch der Steuer einrichtung zum Betreiben der Flalbleiterschalter minimiert oder reduziert werden. In a further embodiment of the invention, an advantageous configuration of the switching operation is implemented. In this case, the control device is designed to operate the semiconductor switches in the normal operating state of the energy supply device in accordance with the predetermined switching operation in a cyclic operation. In the event of a malfunction of the energy supply device, on the other hand, the control device is designed to switch the semiconductor switch to a predetermined switching state and preferably to hold it in this switching state. That is, each of the semiconductor switches is switched to either the switched-on state or the switched-off state. Thus, the switching mode is also dependent on the operational status of the energy supply device. In this way, a defined switching state of the semiconductor switch can be set in the event of a malfunction. Furthermore, the energy consumption of the control device for operating the semiconductor switch can be minimized or reduced.
Mit dem vorgenannten Taktbetrieb ist dabei insbesondere gemeint, dass die Flalbleiterschalter gemäß einem vorbestimmten Schaltmuster zyklisch ge schaltet werden. Es sind also zeitlich nacheinander mehrere Schaltvorgänge der Flalbleiterschalter von dem eingeschalteten Zustand in den ausgeschal teten Zustand und umgekehrt vorgesehen. Dazu kann die Steuereinrichtung beispielsweise ein entsprechendes pulsweitmoduliertes Steuersignal zum Schalten des jeweiligen Flalbleiterschalters bereitstellen. Das Schaltmuster kann dabei zum Beispiel von einem Batteriemanagementsystem in Abhän gigkeit von einem Energiebedarf des elektrischen Antriebs des Kraftfahr zeugs gewählt oder vorgegeben sein. Um die Batteriezelleneinheit in Bezug auf ihre Funktionsfähigkeit zu überwa chen, ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Überwachungseinheit für die Batteriezelleneinheit umfasst. Die Überwachungseinheit ist ausgebildet, ein Überwachungssignal umfassend wenigstens einen physikalischen Parameter der Batteriezellen- einheit zu erfassen. Die Steuereinrichtung ist dann ausgebildet, das jeweilige Überwachungssignal zum Bestimmen des Betriebszustands der Batteriezel leneinheit auszuwerten. Zudem ist die Steuereinrichtung ausgebildet, bei der Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung das jeweilige Überwa chungssignal in einem Datenspeicher der Steuereinrichtung zu speichern. Das heißt die Steuereinrichtung weist zusätzlich einen Datenspeicher auf, um das jeweilige Überwachungssignal zwischenzuspeichern. The aforementioned cyclic operation means in particular that the semiconductor switches are switched cyclically according to a predetermined switching pattern. Several switching operations of the semiconductor switch from the switched-on state to the switched-off state and vice versa are therefore provided in succession in time. For this purpose, the control device can, for example, provide a corresponding pulse-width modulated control signal for switching the respective semiconductor switch. The switching pattern can be selected or specified, for example, by a battery management system as a function of an energy requirement of the electric drive of the motor vehicle. In order to monitor the functionality of the battery cell unit, a further embodiment of the invention provides that the control device comprises a monitoring unit for the battery cell unit. The monitoring unit is designed to detect a monitoring signal comprising at least one physical parameter of the battery cell unit. The control device is then designed to evaluate the respective monitoring signal for determining the operating state of the battery cell unit. In addition, the control device is designed to store the respective monitoring signal in a data memory of the control device in the event of a malfunction of the energy supply device. That is to say, the control device additionally has a data memory in order to temporarily store the respective monitoring signal.
Somit kann beispielsweise ein jeweiliger Betriebsmodus oder ein Ausfalls der Batteriezelleneinheit diagnostiziert und dokumentiert werden, selbst wenn die Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung eingetreten ist. Übli cherweise erfolgt die Diagnose oder das Überwachen der Batteriezellenein heit nämlich in dem vorgenannten Batteriemanagementsystem des Kraft fahrzeugs. Dieses ist, wie zuvor beschrieben, in der Regel in dem Nieder- voltnetz verödet. Beim Ausfall der Energieversorgungseinrichtung kann es jedoch auch zum Ausfall des Niedervoltbordnetzes kommen, sodass eine Überwachung der Batteriezelleneinheit durch das Batteriemanagementsys tem nicht mehr möglich ist. Als der physikalische Parameter kann beispielsweise eine Spannung, ein Strom oder eine Temperatur der Batteriezelleneinheit erfasst oder gemessen werden. Somit kann die Überwachungseinheit folglich beispielsweise auch wenigstens einen Spannungssensor und/oder wenigstens ein Stromsensor und/oder wenigstens einen Temperatursensor umfassen. Thus, for example, a respective operating mode or a failure of the battery cell unit can be diagnosed and documented, even if the The energy supply device has malfunctioned. Usually the diagnosis or monitoring of the battery cell unit takes place in the aforementioned battery management system of the motor vehicle. As previously described, this is usually deserted in the low-voltage network. If the energy supply device fails, however, the low-voltage electrical system can also fail, so that the battery cell unit can no longer be monitored by the battery management system. For example, a voltage, a current or a temperature of the battery cell unit can be detected or measured as the physical parameter. Thus, the monitoring unit can consequently for example also comprise at least one voltage sensor and / or at least one current sensor and / or at least one temperature sensor.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes, wie es zuvor beschrieben wurde. Dabei wird der Steuereinrichtung des Bordnetzes über einen Versorgungsanschluss eine Versorgungsspannung für das Betreiben der Halbleiterschalter in dem vorbestimmten Schaltbetrieb zugeführt. Der Versorgungsanschluss wird dann in Abhängigkeit von dem zuvor beschriebenen Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung über die erste Anschlussleitung mit der Energieversorgungseinrichtung und über eine zweite Anschlussleitung mit der jeweiligen Batteriezelle von zu mindest einer der jeweiligen Batteriezelleneinheit gekoppelt. The invention also relates to a method for operating an on-board network, as described above. In this case, a supply voltage for operating the semiconductor switches in the predetermined switching mode is fed to the control device of the vehicle electrical system via a supply connection. Depending on the operating state of the energy supply device described above, the supply connection is then coupled to the energy supply device via the first connection line and to the respective battery cell of at least one of the respective battery cell units via a second connection line.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bordnetzes beschrieben wor den sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben. The invention also includes further developments of the method according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the on-board network according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschrie benen Ausführungsformen. Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Figur: The invention also encompasses the combinations of the features of the described embodiments. Exemplary embodiments of the invention are described below. The only figure shows:
Fig. eine schematische Darstellung eines Schaltplans des Bordnet zes für ein Kraftfahrzeug mit einer redundanten Energieversor gung für eine Steuereinrichtung zum Betreiben einer Batterie zelleneinheit des Bordnetzes. Fig. A schematic representation of a circuit diagram of the board zes for a motor vehicle with a redundant Energieversor supply for a control device for operating a battery cell unit of the electrical system.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispie len stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschrie benen Merkmale der Erfindung ergänzbar. The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that further develop the invention in each case also independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.
In der Figur bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente. In the figure, the same reference symbols denote functionally identical elements.
Die Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bordnetzes B, wie es in ein Kraftfahrzeug eingebaut sein kann. Das Bordnetz B umfasst dabei zwei galvanisch getrennte Teilnetze, nämlich zu nächst ein Niedervoltnetz oder Niedervoltbordnetz NV und ein Hochvoltnetz oder Hochvoltbordnetz HV. Die beiden Teilnetze unterscheiden sich dabei in bekannter Weise durch ihre jeweiligen Bezugspotentiale. Das Niedervolt bordnetz NV umfasst als Bezugspotentiale vorliegend ein Niedervoltpluspo tential NV+ und Erdungspotential GND, welches zum Beispiel durch eine Karosserie des Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein kann. Das Hochvoltbord netz HV umfasst als Bezugspotentiale vorliegend ein Versorgungspluspoten tial UV+ und ein Versorgungsminuspotential UV-. Das Hochvoltbordnetz HV umfasst eine Batteriezelleinheit 10 zum Bereitstel len von elektrischer Energie für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs und eine Steuereinrichtung 20 zum Steuern und Überwachen der Batteriezelleinheit 10. Die Batteriezelleneinheit 10 kann somit Teil der Antriebsbatterie des Kraftfahrzeugs sein. Zum Bilden der Antriebsbatterie kann die Batteriezel leinheit 10 zum Beispiel mittels eines Batteriezellenanschlusses AB in be kannter Weise mit einer oder mehreren weiteren Batteriezelleneinheiten zusammengeschaltet sein. Die Batteriezelleneinheit 10 ist, wie in der Fig. gezeigt, als sogenannte SmartCell ausgebildet. Das heißt, die Batteriezel- leneinheit 10 umfasst eine Aktivierungsleitung AL mit einer Batteriezelle 11 und einem mit einem ersten Ende an einen Pluspol der Batteriezelle 11 an geschlossenen ersten Halbleiterschalter 12. Weiterhin umfasst die Batterie zelleneinheit noch eine Überbrückungsleitung ÜL mit einem zweiten Halb leiterschalter 13. Der zweite Halbleiterschalter 13 ist dabei mit einem ersten Ende an einen Minuspol der Batteriezelle 11 angeschlossen. Zudem sind die beiden Halbleiterschalter 12, 13 mit einem jeweiligen zweiten Ende direkt aneinander angeschlossen. Vorliegend sind die Halbleiterschalter 12, 13 beispielhaft als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) mit einer parallel geschalteten Freilaufdiode ausgebildet. The figure shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an on-board network B, as it can be installed in a motor vehicle. The on-board network B comprises two galvanically separated sub-networks, namely initially a low-voltage network or low-voltage on-board network NV and a high-voltage network or high-voltage on-board network HV. The two sub-networks differ in a known manner in terms of their respective reference potentials. The low-voltage on-board network NV includes a low-voltage plus potential NV + and ground potential GND as reference potentials, which can be provided, for example, by a body of the motor vehicle. The high-voltage on-board network HV includes a supply plus potential UV + and a supply minus potential UV- as reference potentials. The high-voltage on-board electrical system HV comprises a battery cell unit 10 for providing electrical energy to drive the motor vehicle and a control device 20 for controlling and monitoring the battery cell unit 10. The battery cell unit 10 can thus be part of the drive battery of the motor vehicle. To form the drive battery, the battery cell unit 10 can be interconnected in a known manner with one or more further battery cell units, for example by means of a battery cell connection AB. As shown in the figure, the battery cell unit 10 is designed as a so-called SmartCell. That is, the battery cell unit 10 comprises an activation line AL with a battery cell 11 and a first semiconductor switch 12 which is closed with a first end to a positive pole of the battery cell 11. Furthermore, the battery cell unit also comprises a bridging line ÜL with a second semiconductor switch 13. The second semiconductor switch 13 is connected with a first end to a negative pole of the battery cell 11. In addition, the two semiconductor switches 12, 13 are connected directly to one another with a respective second end. In the present case, the semiconductor switches 12, 13 are embodied, for example, as metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET) with a free-wheeling diode connected in parallel.
Durch die Ausgestaltung der Batteriezelleneinheit 10 als SmartCell ist es nun möglich, eine Spannung welche über den Batteriezellenanschlusses AB an den elektrischen Antrieb bereitgestellt werden kann, einzustellen. Dazu kön nen der erste und zweite Halbleiterschalter 12, 13 in einem vorbestimmten Schaltbetrieb betrieben werden. Das heißt, die Halbleiterschalter 12, 13 können zum Beispiel in Abhängigkeit von einem Energiebedarf des Antriebs abwechselnd oder zyklisch in einen eingeschalteten oder aktivierten und in einen ausgeschalteten oder deaktivierten Schaltzustand versetzt werden. Ein gleichzeitiges Aktivieren oder Einschalten der Halbleiterschalter 12, 13 wird somit in dem Schaltbetrieb vermieden, da es dabei zu einem Kurzschluss der Batteriezelle 11 kommen kann. By designing the battery cell unit 10 as a SmartCell, it is now possible to set a voltage which can be provided to the electric drive via the battery cell connection AB. For this purpose, the first and second semiconductor switches 12, 13 can be operated in a predetermined switching mode. That is to say, the semiconductor switches 12, 13 can be switched alternately or cyclically into an switched-on or activated and into a switched-off or deactivated switching state as a function of an energy requirement of the drive, for example. Simultaneous activation or switching on of the semiconductor switches 12, 13 is thus avoided in the switching mode, since this can lead to a short circuit in the battery cell 11.
Das Betreiben der Halbleiterschalter 12, 13 in dem Schaltbetrieb ist eine Funktion der Steuereinrichtung 20. Dazu umfasst die Steuereinrichtung 20 ein Steuergerät 21, welches zum Beispiel als Mikrokontroller ausgebildet sein kann. An dem Steuergerät 21 ist ein sogenannter Gate-Treiber 24 an geschlossen. Mittels des Gate-Treibers 24 können die Halbleiterschalter 12, 13 in Abhängigkeit von einem entsprechenden Steuerbefehl des Steuerge- räts 21 umgeschaltet werden. Bevorzugt weist der Gate-Treiber 24 dabei eine Logik oder Logikschaltung auf, um immer jeweils einen der Halbleiter schalter 12, 13 zu verriegeln und somit in dem deaktivierten Schaltzustand zu halten. Somit kann das vorgenannte gleichzeitige Einschalten der Halb leiterschalter 12, 13 effektiv vermieden werden. Das Umschalten, also Schal- ten in einen definierten Schaltzustand, erfolgt bei MOSFETs üblicherweise durch Einstellen der sogenannten Gatespannung des jeweiligen Halbleiter schalters 12, 13. Zum Beispiel kann durch Einstellen einer Gatespannung von 15 VDC der jeweilige Halbleiterschalter 12, 13 in den eingeschalteten Schaltzustand und somit elektrisch sehr gut leitfähig geschaltet werden. Bei Einstellen einer Gatespannung von -8 VDC kann der jeweilige Halbleiter schalter 12, 13 hingegen in den ausgeschalteten oder elektrisch hochohmi gen Schaltzustand geschaltet werden. The operation of the semiconductor switches 12, 13 in the switching mode is a function of the control device 20. For this purpose, the control device 20 comprises a control device 21, which can be designed, for example, as a microcontroller. A so-called gate driver 24 is connected to the control device 21. By means of the gate driver 24, the semiconductor switches 12, 13 can be switched over as a function of a corresponding control command from the control device 21. The gate driver 24 preferably has a logic or logic circuit in order to always lock one of the semiconductor switches 12, 13 and thus keep it in the deactivated switching state. Thus, the aforementioned simultaneous switching on of the semiconductor switches 12, 13 can be effectively avoided. Switching, i.e. switching to a defined switching state, is usually carried out in MOSFETs by setting the so-called gate voltage of the respective semiconductor switch 12, 13. For example, by setting a gate voltage of 15 VDC, the respective semiconductor switch 12, 13 can be switched to the switched-on state and can thus be switched to be electrically conductive. When a gate voltage of -8 VDC is set, the respective semiconductor switch 12, 13, on the other hand, can be switched to the switched-off or electrically high-resistance switching state.
Die Gatespannung bezieht sich in der Regel nicht auf das Versorgungsplus- potential UV+ und das Versorgungsminuspotential UV- des Hochvoltbordnet zes HV. Zum Bereitstellen der Gatespannung umfasst die Steuereinrichtung 20 deshalb eine galvanisch getrennte Gatewandlereinheit 25, die an das das Versorgungspluspotential UV+ und das Versorgungsminuspotential UV- angeschlossen ist. Mittels der Gatewandlereinheit 25 ist ein galvanisch ge- trenntes Treibernetz TN mit zu dem Versorgungspluspotential UV+ und dem Versorgungsminuspotential UV- verschiedenen Bezugspotentialen, realisiert. Als Bezugspotentiale umfasst das Treibernetz TN ein Gatepluspotential G+ und Gateminuspotential G- zwischen welchen die jeweilige Gatespannung abgreifbar ist. As a rule, the gate voltage does not refer to the positive supply potential UV + and the negative supply potential UV- of the high-voltage board HV. To provide the gate voltage, the control device 20 therefore comprises a galvanically isolated gate converter unit 25, which is connected to the positive supply potential UV + and the negative supply potential UV-. A galvanically separated driver network TN with reference potentials different from the supply plus potential UV + and the supply minus potential UV- is implemented by means of the gate converter unit 25. The driver network TN comprises a positive gate potential G + and negative gate potential G- as reference potentials, between which the respective gate voltage can be tapped.
Um das zuvor beschriebene Steuern der Batteriezelleneinheit 10 realisieren zu können, ist eine elektrische Energieversorgung für die Steuereinrichtung 20 und insbesondere das vorgenannte Steuergerät 21 vorzusehen. Dazu umfasst die Steuereinrichtung 20 vorliegend einen Versorgungsanschluss V, mittels welchem die Steuereinrichtung 20 an das Versorgungspluspotential UV+ und das Versorgungsminuspotential UV- angeschlossen ist. Über den Versorgungsanschluss V ist der Steuereinrichtung 20 eine Versorgungs spannung UV zuführbar. In order to be able to implement the previously described control of the battery cell unit 10, an electrical energy supply is to be provided for the control device 20 and in particular the aforementioned control device 21. For this purpose, the control device 20 in the present case includes a supply connection V, by means of which the control device 20 is connected to the supply plus potential UV + and the supply minus potential UV-. A supply voltage UV can be fed to the control device 20 via the supply connection V.
Üblicherweise wird die Versorgungsspannung UV über das Niedervoltbord netz NV an den Versorgungsanschluss V bereitgestellt. Dazu umfasst das Niedervoltbordnetz NV eine Energieversorgungseinrichtung 30, die vorlie gend beispielhaft als DC/DC-Wandler ausgebildet ist, welcher das Nieder- voltpluspotential NV+ und das Erdungspotential GND angeschlossen ist. Mittels des DC/DC-Wandlers kann somit eine im Folgenden nicht näher definierte Spannung, die zwischen dem Niedervoltpluspotential NV+ und das Erdungspotential GND abgreifbar ist, in eine Energieversorgungseinrich tungsspannung UE gewandelt werden. In einem Normalbetrieb der Energie- Versorgungseinrichtung 30 kann die Energieversorgungseinrichtungsspan nung UE beispielsweise 12 VDC betragen. The supply voltage UV is usually provided to the supply connection V via the low-voltage on-board network NV. For this purpose, the low-voltage on-board network NV comprises a power supply device 30, which in the present case is designed, for example, as a DC / DC converter to which the low-voltage plus potential NV + and the ground potential GND are connected. By means of the DC / DC converter, a voltage, not defined in more detail below, which can be tapped between the low-voltage plus potential NV + and the ground potential GND, can thus be converted into a power supply device voltage UE. In normal operation of the energy supply device 30, the energy supply device voltage UE can be, for example, 12 VDC.
Zum Bereitstellen der Energieversorgungseinrichtungsspannung UE an die Steuereinrichtung 20 ist die Energieversorgungseinrichtung 30 , wie in der Fig. gezeigt, über eine galvanisch getrennten Wandlereinrichtung 31 an eine erste Anschlussleitung A1 der Steuereinrichtung 20 angeschlossen. Die erste Anschlussleitung A1 ist wiederrum direkt an den Versorgungsanschluss V angeschlossen. Somit kann eine mittels der Energieversorgungseinrich tung 30 erzeugte Energieversorgungseinrichtungsspannung UE in eine erste Anschlussspannung UA1, welche in der ersten Anschlussleitung A1 abgreif bar ist, gewandelt werden. Die erste Anschlussspannung UA1 kann an schließend als die Versorgungsspannung dem Versorgungsanschluss V zugeführt werden. In dem Normalbetrieb der Energieversorgungseinrichtung 30 kann die erste Anschlussspannung UA1 zum Beispiel 20 V betragen. Demensprechend kann die Wandlereinrichtung 31 vorliegend beispielsweise als galvanisch isolierter Aufwärtswandler zum Flochsetzen der Energiever sorgungseinrichtungsspannung UE in die erste Anschlussspannung UA1 ausgebildet sein. Um zu vermeiden, dass auch von der Steuereinrichtung 20 elektrische Energie an das Niedervoltbordnetz übertragen wird, ist in die erste Anschlussleitung vorliegend zusätzlich noch eine Freilaufdiode ge schaltet. To provide the energy supply device voltage UE to the control device 20, the energy supply device 30 is connected, as shown in the figure, to a first connection line A1 of the control device 20 via a galvanically isolated converter device 31. The first connection line A1 is in turn connected directly to the supply connection V. An energy supply device voltage UE generated by means of the energy supply device 30 can thus be converted into a first connection voltage UA1, which can be tapped in the first connection line A1. The first connection voltage UA1 can then be fed to the supply connection V as the supply voltage. In normal operation of the energy supply device 30, the first connection voltage UA1 can be 20 V, for example. Accordingly, the converter device 31 can in the present case, for example, be designed as a galvanically isolated step-up converter for switching the energy supply device voltage UE into the first connection voltage UA1. In order to avoid that electrical energy is also transmitted from the control device 20 to the low-voltage on-board network, the first connection line in the present case additionally a free-wheeling diode is switched.
Zum Bereitstellen der Versorgungsspannung UV an das Steuergerät 21, ist das Steuergerät 21 über eine Wandlereinheit 22 an den Versorgungsan schluss angeschlossen. Die Wandlereinheit 22 ist vorliegend als Gleich- spannungs-Abwärtswandler ausgebildet. Somit kann die an dem Versor gungsanschluss V anliegende Versorgungsspannung UV in eine Steuerge rätspannung US zum Bereitstellen an das Steuergerät 21 herabgesetzt wer- den. Die Steuergerätspannung US kann im Normalbetrieb der Energiever sorgungseinrichtung 30 beispielsweise 5 VDC betragen. To provide the supply voltage UV to the control device 21, the control device 21 is connected to the supply connection via a converter unit 22. In the present case, the converter unit 22 is designed as a DC voltage down converter. The supply voltage UV present at the supply connection V can thus be reduced to a control device voltage US for making available to the control device 21. The control unit voltage US can be, for example, 5 VDC in normal operation of the Energiever supply device 30.
Kommt es nun aber zu einer Funktionsstörung in dem Niedervoltbordnetz NV und somit zu einer Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung 30, kann die Energieversorgung der Steuereinrichtung 20 aus dem Niedervolt bordnetz NV nicht mehr gewährleistet werden. Bei der Funktionsstörung kann es sich zum Beispiel um einen vollständigen Ausfall der Energieversor gungseinrichtung 30 handeln. Alternativ kann die Funktionsstörung auch eine temporär begrenzte oder kurzzeitige Schwankung der Energieversorgungs- einrichtungsspannung UE sein. Durch die Funktionsstörung ergibt sich somit im Vergleich zu einem Betrag der Energieversorgungseinrichtungsspannung UE im Normalbetriebszustand ein Einbruch oder Abfall der Energieversor gungseinrichtungsspannung UE. Folglich kommt es auch zu einem Abfall der ersten Anschlussspannung UA1 , sodass der Steuereinrichtung 20 nicht mehr die volle Versorgungsspannung von beispielsweise 20 VDC bereitgestellt werden kann. Dadurch steht nun nicht mehr ausreichend elektrische Energie zum Versorgen des Steuergeräts 21, des Gatetreibers 24 und des Gate wandlers 25 zur Verfügung und es kann sich ein Undefinierter Schaltzustand der Flalbleiterschalter 12, 13 einstellen. Somit kann es zum Beispiel zum ungewünschten Überbrücken der Batteriezelle 11 kommen oder die Batterie zelleneinheit 10 kann zu weiteren Batteriezelleneinheiten der Antriebsbatterie kurzgeschlossen werden. Um beim Ausfall der Energieversorgungseinrichtung 30 eine solche Wirkket te an Ereignissen zu vermeiden, ist vorliegend eine redundante Energiever sorgung direkt aus dem Hochvoltbordnetz HV vorgesehen. Die Energiever sorgungsquelle ist dabei durch die Batteriezelle 11 der Batteriezelleneinheit 10 bereitgestellt. Dazu ist die Batteriezelle 11 (jeweils mit ihrem Plus- undIf, however, there is a malfunction in the low-voltage on-board network NV and thus a malfunction of the energy supply device 30, the energy supply of the control device 20 from the low-voltage on-board network NV can no longer be guaranteed. The malfunction can be, for example, a complete failure of the energy supply device 30. Alternatively, the malfunction can also be a temporarily limited or short-term fluctuation in the energy supply device voltage UE. As a result of the malfunction, there is thus a dip or drop in the energy supply device voltage UE in comparison to an amount of the energy supply device voltage UE in the normal operating state. Consequently, there is also a drop in the first connection voltage UA1, so that the control device 20 can no longer be provided with the full supply voltage of, for example, 20 VDC. As a result, there is no longer sufficient electrical energy to supply the control unit 21, the gate driver 24 and the gate converter 25, and an undefined switching state of the semiconductor switches 12, 13 can arise. Thus, for example, there may be an undesired bridging of the battery cell 11 or the battery cell unit 10 can be short-circuited to other battery cell units of the drive battery. In order to avoid such a chain of events in the event of a failure of the energy supply device 30, a redundant energy supply is provided directly from the high-voltage on-board network HV in the present case. The energy supply source is provided by the battery cell 11 of the battery cell unit 10. For this purpose, the battery cell 11 (each with its plus and
Minuspol) über eine weitere Wandlereinheit 23 an eine zweite Anschlusslei tung A2 angeschlossen. Die zweite Anschlussleitung A2 ist dann direkt in einer elektrischen Parallelschaltung zu der ersten Anschlussleitung A1 eine an den Versorgungsanschluss V angeschlossen. Somit kann eine mittels der Batteriezelle 11 erzeugte Batteriezellenspannung UB in eine zweite An schlussspannung UA2, welche in der zweiten Anschlussleitung A2 abgreifbar ist, gewandelt werden. Ein typischer Wert für die Batteriezellenspannung UB liegt in der Regel zwischen 2,5 VDC und 4,2 VDC. Deshalb kann die Wand lereinheit 23 vorliegend zum Beispiel als Gleichspannungs-Aufwärtswandler ausgebildet sein. Somit kann die Batteriezellenspannung UB in die zweite Anschlussspannung UA2 hochgesetzt werden. Die zweite Anschlussspan nung UA2 kann anschließend als die Versorgungsspannung UV dem Ver sorgungsanschluss V zugeführt werden. Für die zweite Anschlussspannung UA2 ist dabei im Normalbetrieb der Energieversorgungseinrichtung 30 ein geringfügig kleinerer Spannungsbe trag gewählt oder eingestellt als ein Spannungsbetrag der ersten Anschluss spannung UA1. Zum Beispiel kann die zweite Anschlussspannung UA2 19,5 VDC betragen. Dadurch kann je nach Betriebszustand (Normalbetrieb oder Funktionsstörung) der Energieversorgungseinrichtung 30 die Versor gungsspannung UV automatisch entweder mittels der ersten oder der zwei ten Anschlussleitung A1, A2 bereitgestellt werden. Somit kann in dem Bord netz B die Energiequelle zum Versorgen der Steuereinrichtung 20 besonders schnell umgeschaltet oder gewechselt werden. Dadurch können auch gering- fügige Schwankungen oder Spannungseinbrüche in dem Niedervoltbordnetz NV einfach ausgeglichen werden. Minus pole) connected via a further converter unit 23 to a second connection line A2. The second connection line A2 is then connected directly to the supply connection V in an electrical parallel circuit to the first connection line A1. A battery cell voltage UB generated by means of the battery cell 11 can thus be converted into a second connection voltage UA2, which can be tapped off in the second connection line A2. A typical value for the battery cell voltage UB is usually between 2.5 VDC and 4.2 VDC. Therefore, the converter unit 23 can in the present case, for example, be designed as a DC voltage boost converter. The battery cell voltage UB can thus be stepped up into the second connection voltage UA2. The second connection voltage UA2 can then be fed to the supply connection V as the supply voltage UV. For the second connection voltage UA2, in normal operation of the energy supply device 30, a slightly smaller voltage amount is selected or set than a voltage amount of the first connection voltage UA1. For example, the second connection voltage UA2 can be 19.5 VDC. As a result, depending on the operating state (normal operation or malfunction) of the energy supply device 30, the supply voltage UV can be automatically provided either by means of the first or the second connection line A1, A2. Thus, in the on-board network B, the energy source for supplying the control device 20 can be switched over or changed particularly quickly. As a result, even slight fluctuations or voltage drops in the low-voltage on-board network NV can be easily compensated for.
Wie eingangs beschrieben, hat die Steuereinrichtung 20 jedoch nicht nur die Funktion der Steuerung der Batteriezelleneinheit 10, sondern ist zusätzlich auch zum Überwachen von Betriebsparametern der Batteriezelleneinheit 10 zuständig. Dazu umfasst die Steuereinrichtung 20 vorliegend einen Span nungssensor 26, einen Stromsensor 27 und einen Temperatursensors 28, welche jeweils einzeln an das Steuergerät 21 angeschlossen sind. Mittels der genannten Sensoren kann somit ein jeweiliger physikalischen Parameter der Batteriezelleneinheit 10 gemessen und an das Steuergerät in Form eines Überwachungssignals zum Auswerten bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann mittels dem Spannungssensor 26 die Batteriezellenspannung ÜB als physikalischen Parameter gemessen werden Mittels des Stromsensors 27 kann ein von der Batteriezelleinheit 10 bereitgestellter Strom als physikali scher Parameter gemessen werden. Schließlich kann mittels des Tempera tursensors 28 eine Temperatur als physikalischer Parameter gemessen werden. Bei dem anschließenden Auswerten kann das Steuergerät zum Beispiel überprüfen, ob der jeweilige physikalische Parameter in einem ge- wünschten Wertebereich liegt oder nicht. Somit kann auf eine Fehlfunktion der Batteriezelleneinheit 10 rückgeschlossen werden. Bevorzugt wird durch das Auswerten des oder der Überwachungssignale mittels des Steuergeräts 21 somit ein Betriebsmodus der Batteriezelleneinheit 10 bestimmt. Um jede Batteriezelleneinheit 10 einzeln und auch mehrere Batteriezellen einheiten, die gemeinsam die Antriebsbatterie bilden, insgesamt überwachen zu können, wird der bestimmte Betriebsmodus zum Beispiel als Betriebsmo dussignal zudem bevorzugt an ein Batteriemanagementsystem des Kraft fahrzeugs übermittelt. Das Batteriemanagementsystem ist üblicherweise im Niedervoltbordnetz NV verödet. Vorliegend ist das Batteriemanagementsys tem beispielhaft durch eine Kommunikationseinrichtung 40 in dem Nieder voltbordnetz NV dargestellt. Zum Übermitteln des Betriebsmodussignal um fasst die Steuereinrichtung 20 zusätzlich eine Kommunikationsleitung K oder einen Kommunikationsanschluss, welche vorliegend direkt an dem Steuerge- rät 21 angeschlossen ist. Die Kommunikationseinrichtung 40 ist nun über einen Digitalwandler 41 oder digitalen Isolator mit galvanischer Trennung an die Kommunikationsleitung K angeschlossen. Vorzugweise können die Kommunikationseinrichtung 40, der Digitalwandler 41 und das Steuergerät 21 zum bidirektionalen Übertragen von Signalen ausgebildet sein. Somit kann beispielsweise auch von dem Batteriemanagementsystem ein Steuer befehl an die Steuereinrichtung 20 bereitgestellt werden. As described above, the control device 20 not only has the function of controlling the battery cell unit 10, but is an additional one also responsible for monitoring operating parameters of the battery cell unit 10. For this purpose, the control device 20 in the present case comprises a voltage sensor 26, a current sensor 27 and a temperature sensor 28, which are each individually connected to the control device 21. By means of the sensors mentioned, a respective physical parameter of the battery cell unit 10 can thus be measured and provided to the control device in the form of a monitoring signal for evaluation. For example, the battery cell voltage UB can be measured as a physical parameter using the voltage sensor 26. Using the current sensor 27, a current provided by the battery cell unit 10 can be measured as a physical parameter. Finally, by means of the temperature sensor 28, a temperature can be measured as a physical parameter. During the subsequent evaluation, the control device can, for example, check whether the respective physical parameter is in a desired value range or not. A malfunction of the battery cell unit 10 can thus be inferred. An operating mode of the battery cell unit 10 is thus preferably determined by evaluating the monitoring signal or signals by means of the control device 21. In order to be able to monitor each battery cell unit 10 individually and also several battery cell units, which together form the drive battery, the specific operating mode is also preferably transmitted to a battery management system of the motor vehicle, for example as an operating mode signal. The battery management system is usually deserted in the low-voltage on-board network NV. In the present case, the battery management system is exemplified by a communication device 40 in the low-voltage on-board network NV. To transmit the operating mode signal, the control device 20 additionally includes a communication line K or a communication connection, which in the present case is connected directly to the control device 21. The communication device 40 is now connected to the communication line K via a digital converter 41 or digital isolator with electrical isolation. The communication device 40, the digital converter 41 and the control device 21 can preferably be designed for the bidirectional transmission of signals. Consequently For example, a control command can also be provided to the control device 20 by the battery management system.
Um bei der Funktionsstörung des Niedervoltnetzes, die Batteriezelleneinheit 10 auch weiterhin überwachen zu können, umfasst das Steuergerät 20 be vorzugt einen in der Fig. nicht dargestellten Datenspeicher. In dem Daten speicher kann somit bei Vorliegen der Funktionsstörung das jeweilige Be triebsmodussignal in Form von Betriebsdaten zwischengespeichert werden, solange bis beispielsweise eine Kommunikation mit der Kommunikationsein- richtung 40 wieder möglich ist. Somit bleibt die Batteriezelleneinheit 10 auch bei Ausfall der Kommunikationsverbindung mit dem Niedervoltbordnetz NV weiter diagnostizierbar. In order to be able to continue to monitor the battery cell unit 10 in the event of a malfunction in the low-voltage network, the control device 20 preferably comprises a data memory not shown in the figure. In the event of a malfunction, the respective operating mode signal can thus be temporarily stored in the data memory in the form of operating data until, for example, communication with the communication device 40 is possible again. Thus, the battery cell unit 10 can still be diagnosed even if the communication connection with the low-voltage on-board network NV fails.
Alternativ zu dem in der Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel kann anstelle des automatischen Auswählens der Energieversorgungsquelle auch ein aktives Umschalten auf die jeweilige Energieversorgungsquelle erfolgen. Dazu kann die Steuereinrichtung 20 beispielsweise eine Trenneinheit in Form eines Wechselschalters umfassen, mittels dem in Abhängigkeit von der Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinrichtung 30 entweder die erste Anschlussleitung elektrisch leitend mit dem Versorgungsanschluss gekoppelt oder die zweite Anschlussleitung mit dem Versorgungsanschluss elektrisch leitend gekoppelt werden kann. Zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinrichtung 30 kann das Steuergerät 21 der Steuerein richtung 30 dabei beispielsweise die erste Anschlussspannung UA1 überwa- chen. Alternativ kann der Betriebszustand der Energieversorgungseinrich tung 30 auch über die Kommunikationseinrichtung 40 an das Steuergerät 21 der Steuereinrichtung 20 mitgeteilt werden. As an alternative to the exemplary embodiment shown in the figure, an active switchover to the respective energy supply source can also take place instead of the automatic selection of the energy supply source. For this purpose, the control device 20 can comprise, for example, a disconnection unit in the form of a changeover switch, by means of which, depending on the functionality of the energy supply device 30, either the first connection line can be electrically conductively coupled to the supply connection or the second connection line can be electrically conductively coupled to the supply connection. To determine the functionality of the energy supply device 30, the control device 21 of the control device 30 can, for example, monitor the first connection voltage UA1. Alternatively, the operating state of the energy supply device 30 can also be communicated to the control device 21 of the control device 20 via the communication device 40.
Gemäß diesem alternativen Ausführungsbeispiel des Bordnetzes B kann ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des Bordnetzes B folgende Schrit te umfassen (nicht gezeigt). Es wird in einem Entscheidungsschritt zunächst die Funktionsfähigkeit, also der Betriebszustand der Energieversorgungsein richtung 30, wie zuvor beschrieben, überprüft. Stellt das Steuergerät 21 fest, dass sich die Energieversorgungseinrichtung 30 in einem Normalbetrieb befindet, kann die Steuereinrichtung 21 die Trennschalteinheit zum elektrisch leitenden Verbinden der ersten Anschlussleitung A1 mit dem Versorgungs anschluss V ansteuern. Dadurch kann die Versorgungsspannung UV mittels der Energieversorgungseinrichtung 30 der Steuereinrichtung 20 zugeführt werden. Wird bei dem Überprüfen hingegen festgestellt, dass die Energie versorgungseinrichtung 30 eine Funktionsstörung aufweist, kann das Steu ergerät 21 stattdessen die Trennschalteinheit zum elektrischen Trennen der ersten Anschlussleitung A1 und dem Versorgungsanschluss V und zum elektrisch leitenden Verbinden der zweiten Anschlussleitung A2 und dem Versorgungsanschluss V ansteuern. Somit kann die Versorgungsspannung UV zum Betreiben der Steuereinrichtung 20 mittels der Batteriezelle 11 be reitgestellt werden. According to this alternative exemplary embodiment of the on-board network B, a corresponding method for operating the on-board network B can include the following steps (not shown). In a decision step, the functionality, that is to say the operating state of the energy supply device 30, as described above, is first checked. If the control device 21 determines that the energy supply device 30 is in normal operation is located, the control device 21 can control the isolating switch unit for electrically conductive connection of the first connection line A1 to the supply connection V. As a result, the supply voltage UV can be fed to the control device 20 by means of the energy supply device 30. If, on the other hand, the check reveals that the energy supply device 30 has a malfunction, the control device 21 can instead control the isolating switch unit for electrically isolating the first connection line A1 and the supply connection V and for electrically connecting the second connection line A2 and the supply connection V. The supply voltage UV for operating the control device 20 can thus be made available by means of the battery cell 11.
Insgesamt zeigen die Beispiele also, wie eine redundante Energieversorgung in einer SmartCell für ein Elektrofahrzeug bereitgestellt werden kann. Overall, the examples show how a redundant energy supply can be provided in a SmartCell for an electric vehicle.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: PATENT CLAIMS:
1. Bordnetz (B) für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine Batte riezelleneinheit (10), eine Steuereinrichtung (20), und eine Energiever- sorgungseinrichtung (30), dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Batteriezelleneinheit (10) eine Aktivierungsleitung (AL) mit einer Batteriezelle (11) und einem dazu elektrisch in Reihe geschalteten ersten Halbleiterschalter (12) sowie eine zu der Aktivierungsleitung (AL) elektrisch parallel geschaltete Überbrückungsleitung (ÜL) mit einem zweiten Halbleiterschalter (13) umfasst, und die Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Halbleiterschalter (12, 13) in einem vorbestimmten Schaltbetrieb zu be treiben, und die Steuereinrichtung (20) einen Versorgungsanschluss (V) zum Zuführen einer Versorgungsspannung (UV) aufweist, wobei der Versorgungsanschluss (V) in Abhängigkeit von einem Betriebszu stand der Energieversorgungseinrichtung (30) über eine erste An schlussleitung (A1) mit der Energieversorgungseinrichtung (30) und über eine zweite Anschlussleitung (A2) mit der Batteriezelle (11) von zumindest einer der jeweiligen Batteriezelleneinheiten (10) koppelbar ist. 1. On-board network (B) for a motor vehicle, comprising at least one battery cell unit (10), a control device (20), and an energy supply device (30), characterized in that the respective battery cell unit (10) has an activation line (AL) a battery cell (11) and a first semiconductor switch (12) connected electrically in series with it, as well as a bridging line (ÜL) connected electrically in parallel to the activation line (AL) with a second semiconductor switch (13), and the control device (20) is designed, to drive the first and the second semiconductor switch (12, 13) in a predetermined switching mode, and the control device (20) has a supply connection (V) for supplying a supply voltage (UV), the supply connection (V) depending on an operating mode The energy supply device (30) is connected to the energy supply device (30) via a first connection line (A1) and can be coupled to the battery cell (11) of at least one of the respective battery cell units (10) via a second connection line (A2).
2. Bordnetz (B) nach Anspruch 1, wobei das Bordnetz (B) ein Hoch voltnetz (HV) und ein davon galvanisch getrenntes Niedervoltnetz (NV) umfasst, und die Batteriezelleneinheit (10) und die Steuereinrichtung2. On-board network (B) according to claim 1, wherein the on-board network (B) comprises a high-voltage network (HV) and a low-voltage network (NV) which is galvanically separated therefrom, and the battery cell unit (10) and the control device
(20) dem Hochvoltnetz (HV) zugeordnet sind und die Energieversor gungseinrichtung (30) dem Niedervoltnetz (NV) zugeordnet ist. (20) are assigned to the high-voltage network (HV) and the energy supply device (30) is assigned to the low-voltage network (NV).
3. Bordnetz (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (20) eine Wandlereinheit (23) aufweist, die ausgebil det ist, eine von der Batteriezelle (11) bereitgestellte Batteriezellen spannung (UB) in die Versorgungsspannung (UV) zu wandeln. 3. On-board electrical system (B) according to one of the preceding claims, wherein the control device (20) has a converter unit (23) which is ausgebil det, a battery cell voltage (UB) provided by the battery cell (11) into the supply voltage (UV) walk.
4. Bordnetz (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (20) einen Kommunikationsanschluss (K) zum Kop peln mit einer Kommunikationseinrichtung (40), die der Energieversor gungseinrichtung (30) zugeordnet ist, aufweist und die Steuereinrich- tung (20) ausgebildet ist, ein über den Kommunikationsanschluss (K) bereitgestelltes Kommunikationssignal zum Bestimmen des Betriebszu stands der Energieversorgungseinrichtung (30) auszuwerten. 4. Vehicle electrical system (B) according to one of the preceding claims, wherein the control device (20) has a communication connection (K) for coupling with a communication device (40) which is assigned to the energy supply device (30) and the control device ( 20) is designed to evaluate a communication signal provided via the communication connection (K) in order to determine the operating status of the energy supply device (30).
5. Bordnetz (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (20) eine Sensoreinheit umfasst, welche ausgebildet ist, eine über die erste Anschlussleitung (A1) mittels der Energieversor gungseinrichtung (30) bereitgestellte Spannung zu erfassen und die Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist, die erfasste Spannung gemäß einem vorbestimmten Auswertekriterium zum Bestimmen des Betriebs- zustande der Energieversorgungseinrichtung (30) auszuwerten. 5. Vehicle electrical system (B) according to one of the preceding claims, wherein the control device (20) comprises a sensor unit which is designed to detect a voltage provided via the first connection line (A1) by means of the energy supply device (30) and the control device (20 ) is designed to evaluate the detected voltage in accordance with a predetermined evaluation criterion for determining the operating state of the energy supply device (30).
6. Bordnetz (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (20) eine Trennschalteinheit für die beiden An schlussleitungen (A1, A2) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist, die Trennschalteinheit in Abhängigkeit von dem Be triebszustand der Energieversorgungseinrichtung (30) zum Koppeln der ersten Anschlussleitung (A1) mit dem Versorgungsanschluss (V) oder der zweiten Anschlussleitung (A2) mit dem Versorgungsanschluss (V) zu schalten. 6. Vehicle electrical system (B) according to one of the preceding claims, wherein the control device (20) comprises an isolating switch unit for the two connection lines (A1, A2), the control device (20) being designed to operate the isolating switch unit as a function of the operating state of the To switch the energy supply device (30) for coupling the first connection line (A1) to the supply connection (V) or the second connection line (A2) to the supply connection (V).
7. Bordnetz (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Anschlussleitung (A1 , A2) in einer elektrischen Paral lelschaltung an den Versorgungsanschluss (V) angeschlossen sind, und die Energieversorgungseinrichtung (30) in einem Normalbetrieb ausgebildet ist, eine Spannung (UA1) über die erste Anschlussleitung7. On-board power supply (B) according to one of the preceding claims, wherein the first and second connection lines (A1, A2) are connected in an electrical parallel circuit to the supply connection (V), and the energy supply device (30) is designed in normal operation, a Voltage (UA1) via the first connection line
(A1) bereitzustellen, welche größer ist als eine Spannung (UA2), wel che mittels der Batteriezelle (11) über die zweite Anschlussleitung (A2) bereitgestellt ist, und die Energieversorgungseinrichtung (30) bei einer Funktionsstörung ausgebildet ist, eine Spannung (UA1) über die erste Anschlussleitung (A1) bereitzustellen, welche kleiner ist als eine Span nung (UA2), welche mittels der Batteriezelle (11) über die zweite An schlussleitung (A2) bereitgestellt ist. 8. Bordnetz (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die(A1), which is greater than a voltage (UA2), which is provided by means of the battery cell (11) via the second connection line (A2), and the energy supply device (30) is designed in the event of a malfunction, a voltage (UA1) about the first Provide connection line (A1) which is lower than a voltage (UA2) which is provided by means of the battery cell (11) via the second connection line (A2). 8. electrical system (B) according to any one of the preceding claims, wherein the
Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist, in einem Normalbetrieb der Energieversorgungseinrichtung (30) die Halbleiterschalter (12, 13) ge mäß dem vorbestimmten Schaltbetrieb in einem Taktbetrieb zu betrei ben und die Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist, bei einer Funktions- Störung der Energieversorgungseinrichtung (30), die HalbleiterschalterControl device (20) is designed to operate the semiconductor switches (12, 13) in normal operation of the energy supply device (30) according to the predetermined switching operation in a cyclic operation and the control device (20) is designed to operate in the event of a malfunction of the energy supply device ( 30), the semiconductor switches
(12, 13) in einen vorbestimmten Schaltzustand zu schalten. (12, 13) to switch to a predetermined switching state.
9. Bordnetz (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (20) eine Überwachungseinheit (26, 27, 28) für die Batteriezelleneinheit (10) umfasst, die ausgebildet ist, ein Überwa chungssignal umfassend wenigstens einen physikalischen Parameter der Batteriezelleneinheit (10) zu erfassen und die Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist, das jeweilige Überwachungssignal zum Bestimmen eines Betriebszustands der Batteriezelleneinheit (10) auszuwerten und bei Vorliegen einer Funktionsstörung der Energieversorgungseinrich tung (30) in einem Datenspeicher der Steuereinrichtung (20) zu spei chern. 9. Vehicle electrical system (B) according to one of the preceding claims, wherein the control device (20) comprises a monitoring unit (26, 27, 28) for the battery cell unit (10), which is designed to have a monitoring signal comprising at least one physical parameter of the battery cell unit ( 10) and the control device (20) is designed to evaluate the respective monitoring signal for determining an operating state of the battery cell unit (10) and to store it in a data memory of the control device (20) in the event of a malfunction of the energy supply device (30).
10. Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes (B), wobei das Bordnetz (B) wenigstens eine Batteriezelleneinheit (10), eine Steuereinrichtung (20), und eine Energieversorgungseinrichtung (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Batteriezelleneinheit (10) eine Aktivierungsleitung (AL) mit einer Batteriezelle (11) und einem dazu elektrisch in Reihe geschalteten ersten Halbleiterschalter (12) sowie eine zu der Aktivierungsleitung (AL) elektrisch parallel geschaltete Überbrückungsleitung (ÜL) mit einem zweiten Halbleiterschalter (13) umfasst, und die Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Halbleiterschalter (12, 13) in einem vorbestimmten Schaltbetrieb zu be- treiben, und die Steuereinrichtung (20) einen Versorgungsanschluss (V) zum Zuführen einer Versorgungsspannung (UV) aufweist, wobei die Versorgungsspannung (UV) dem Versorgungsanschluss (V) in Ab hängigkeit von einem Betriebszustand der Energieversorgungseinrich- tung (30) über eine erste Anschlussleitung (A1) mittels der Energiever sorgungseinrichtung (30) oder über eine zweite Anschlussleitung (A2) mittels der Batteriezelle (11) von zumindest einer der jeweiligen Batte riezelleneinheiten (10) zugeführt wird. 10. A method for operating an on-board network (B), the on-board network (B) having at least one battery cell unit (10), a control device (20), and an energy supply device (30), characterized in that the respective battery cell unit (10) has an activation line (AL) with a battery cell (11) and a first semiconductor switch (12) connected electrically in series therewith and a bridging line (ÜL) with a second semiconductor switch (13) connected electrically in parallel to the activation line (AL), and the control device (20 ) is designed to operate the first and the second semiconductor switch (12, 13) in a predetermined switching mode drive, and the control device (20) has a supply connection (V) for supplying a supply voltage (UV), the supply voltage (UV) to the supply connection (V) depending on an operating state of the energy supply device (30) via a first connection line (A1) by means of the Energiever supply device (30) or via a second connection line (A2) by means of the battery cell (11) from at least one of the respective battery cell units (10).
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