WO2013045324A2 - Kommunikationsschnittstelle zur systemüberwachung der energieversorgung in elektro- und hybridfahrzeugen - Google Patents

Kommunikationsschnittstelle zur systemüberwachung der energieversorgung in elektro- und hybridfahrzeugen Download PDF

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WO2013045324A2
WO2013045324A2 PCT/EP2012/068414 EP2012068414W WO2013045324A2 WO 2013045324 A2 WO2013045324 A2 WO 2013045324A2 EP 2012068414 W EP2012068414 W EP 2012068414W WO 2013045324 A2 WO2013045324 A2 WO 2013045324A2
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Dieter Thoss
Thorsten Huck
Stoyan Todorov
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y04S40/12—Systems for electrical power generation, transmission, distribution or end-user application management characterised by the use of communication or information technologies, or communication or information technology specific aspects supporting them characterised by data transport means between the monitoring, controlling or managing units and monitored, controlled or operated electrical equipment

Definitions

  • the invention relates to a communication interface and to a device and a method for monitoring at least one electronic energy module, for example at least one energy store, energy generator and / or energy converter.
  • lithium-ion batteries i.e., energy storage devices
  • fuel cells i.e., energy converters
  • solar cells i.e., power generators
  • the challenge is to ensure a safe and reliable power supply to the vehicle.
  • a management system is used which, for example, controls and controls the state of charge of a battery as a cell. This requires balancing the state of charge by selectively discharging or transferring charge to other cells so that the cell voltages are always within the specified range.
  • several hundred cells are connected in series, which must be connected via a serial communication interface with the central management system.
  • serial interfaces for example SPI, serial peripheral interface
  • SPI serial peripheral interface
  • the SPI interface describes between a mas- ter formed module and at least one designed as a slave block bidirectional, synchronous and serial data transmission.
  • An SPI interface used in this case comprises at least three lines between the master and a slave, as a rule these are two data lines and one clock line. With several slaves, each of these blocks requires an additional selection or select line from the master. Due to the large number of cells or modules, the application of the SPI interface in the form of a bus topology is not suitable due to the high number of pins due to the required select lines.
  • the proposed interface also allows, for example, the implementation of a daisy-chain topology, in which blocks are arranged in a chain in accordance with their arrangement of the power lines between the cells.
  • the use of the SPI interface in the daisy-chain topology creates high latencies, which is why such devices can not be used efficiently.
  • This field bus network system comprises a master unit and a plurality of slave units connected by a ring topology field bus.
  • a data message is sent by the master unit to a slave unit.
  • a slave unit has a first counter device and a second counter device.
  • a count of the first counter means is used for indicating a number of required forwarding steps via interposed slave units in the ring topology to that slave unit for which the data message is intended.
  • a count of the second counter means is used to indicate a number of forwarding steps via intermediate slave units in the ring topology.
  • the slave units modify the count of the first counter device with a first predetermined algorithm. Based on the modified count of the first counter means, the slave units determine whether they are intended to receive the data message.
  • a battery management or also the monitoring of fuel cells is possible by way of example.
  • communication interfaces are used for data transmission between integrated circuits.
  • These circuits for example intelligent sensors, are provided as components of monitoring components for controlling and thus monitoring electrical energy modules and / or energy cells, for example batteries as possible electrical energy stores or fuel cells as energy converters.
  • Such communication interfaces can be used in an annular communication arrangement.
  • the intended for communication device for use in a battery management for data transmission between the monitoring devices and / or the integrated circuits as logic devices has a small number of pins, so that even at high data rates, a simple and cost-effective implementation on such logic devices, eg Mikrocon - controller, ASIC (application specific integrated circuit) or FPGA (field programmable gate array), can be done.
  • ASIC application specific integrated circuit
  • FPGA field programmable gate array
  • With at least one communication interface as a component of a device for battery management is a data transfer between the monitoring devices for controlling and / or monitoring of electrical energy modules, eg. Energy storage, energy generators and / or energy converters, which are also referred to as electrical energy cells, possible.
  • a monitoring module which is assigned to an electrical energy module, has a communication interface and an integrated circuit.
  • such a monitoring module has a control module with at least one sensor module for detecting at least one operating parameter of the electrical energy module.
  • a voltage applied to the electric power module, a current flowing through the electric power module, a state of charge, a resistance and / or a temperature of the electric power module are detected and thus monitored.
  • Values of the at least one detected operating parameter are transmitted by the monitoring module via the communication interface and the annular communication arrangement to the higher-level control unit, the received values are further processed and analyzed, whereby values of operating parameters of several electrical energy modules can also be evaluated in connection and / or across ,
  • control unit may issue instructions for manipulating at least one electrical power module, i. H. of at least one energy storage, power generator and / or energy converter, provide and on the annular
  • Communication device to at least one monitoring module, which is associated with the at least one electric power module, transmit targeted.
  • Such commands are received by the communication interface and transmitted to at least one actuator module.
  • the actuator module can in turn influence an operation of the at least one electrical energy module by controlling the at least one operating parameter.
  • an error response can be accelerated and thus a security of the at least one electrical energy module can be substantially increased.
  • Data exchange between participants of the device for the management of electrical energy modules based on a ring-shaped communication arrangement is possible in vehicles, for example motor vehicles, which have electrical energy modules described.
  • a vehicle may have at least one electric motor to which electrical energy can be supplied from at least one electric power module.
  • a vehicle, in which an electric motor is designed to drive the vehicle may be formed as a hybrid or electric vehicle.
  • For driving such vehicles are usually used as electrical energy modules lithium-ion batteries or fuel cells.
  • a described device according to the invention for controlling at least one electric power module can be used, which can also be referred to as a management system, eg. Battery Management System (BMS).
  • BMS Battery Management System
  • the device is designed to monitor, for example, the state of charge of each electrical energy module as at least one operating parameter.
  • a serial connection of subscribers or nodes and thus of components of a serial, annular configuration is provided in which a latency is minimized.
  • data transmission may be from subscriber to subscriber with a delay of one bit duration per subscriber, whereby data packets which may contain messages may be transmitted between the subscribers with very little latency.
  • Subscribers of this communication arrangement are used to monitor electrical energy modules.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an example of an arrangement known from the prior art for monitoring cells or modules, for example battery modules.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention. Embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement 2 for monitoring a plurality of battery modules 8, which is known from the prior art.
  • This arrangement 2 comprises a control unit 6 designed as a master and a plurality of monitoring units 10 designed as slaves.
  • each monitoring unit 10 is assigned to a battery module 8.
  • Each monitoring unit 10 here comprises a module for monitoring operating parameters.
  • each monitoring unit 10 is assigned a serial peripheral interface 12 with a shift register 14. All components of the assembly 2, d. H. the control unit 6 and the
  • Monitoring units 10 are connected in series one behind the other and here connected to each other via at least three lines 16, 18, 20.
  • a first line 16 MOSI, master out slave in
  • a second line 18 MISO, master in slave out
  • MISO master in slave out
  • Monitoring unit 10 is provided to the control unit 6.
  • a third line 20 (CLK, Clock) is provided for transmitting a clock signal and / or for synchronizing the components of the device 2. With a fourth line not shown here, the components of the arrangement 2 can be activated.
  • An object of the monitoring units 10 is the monitoring of the battery modules 8 connected in series.
  • the monitoring units 10 communicate via the serial interfaces 12 with the central control unit 6 provided as the host controller.
  • a daisy-chain arrangement 2 is used for most of the monitoring modules 10.
  • each monitoring unit 10 communicates such a chain-like arrangement 2 with its neighbors without an optocoupler or isolator, whereby only the last monitoring unit 10 of the arrangement 2 must be connected to the control unit 6, which has a microcontroller and fulfills a function of a control unit.
  • the arrangement 2 thus has no closed ring topology. The failure of a single monitoring unit 10 can lead to failure of the entire assembly 2 here.
  • FIG. 30 An embodiment of a device 30 according to the invention for controlling at least one electric power module 36 is shown schematically in FIG.
  • the at least one electrical energy module 36 can be designed as an electrical energy store, electrical energy generator and / or electrical energy converter and can also be referred to as an electrical energy cell.
  • This device 30 includes as a participant a control unit 34, which is designed as a master, and a plurality of monitoring modules 46, which are designed here as slaves. All participants of the device 30 are connected to each other in series via signal lines 38 of an annular communication arrangement 40. In each case, a signal line 38 is connected between two adjacent subscribers of the device 30.
  • each monitoring module 46 is associated with an embodiment of a communication interface 42 according to the invention, which is designed for transmitting data via signal lines 38 in the serial, annular communication arrangement 40 and a time shift and / or delay of a received signal by a fixed value, here at least one bit, with a 1-bit shift register 44 generated.
  • the control unit 34 is also assigned in the present embodiment, such a communication interface for a serial, annular communication assembly 40, which is not shown in Figure 2.
  • Each subscriber is connected via a communication interface 42 with its neighboring subscriber.
  • each monitoring module 46 comprises a control module, which is for controlling and thus for controlling and / or regulating and therefore also for monitoring at least one operating parameter of an associated electrical energy module 36 is formed. It is envisaged that each electrical energy module 36 is assigned such a monitoring module 46.
  • a communication interface 42 which is assigned to a monitoring module 46, is connected to the monitoring module 46 as an external component.
  • a communication interface 42 it is also possible for a communication interface 42 to be designed as a component of a monitoring module 46 and to be integrated in it.
  • each energy module 36 is assigned a communication interface 42 in addition to the monitoring module 46 10. It can or can the
  • Monitoring module 46 and / or the communication interface 42 to be connected to the power module 36. It is also possible for the monitoring module 46 and / or the communication interface 42 to be or can be designed as component (s) of the energy module 36. In this case, as shown in Fig. 2, each power module 36 is a monitoring device
  • control modules 46 control the electric power modules 36, taking into account the commands provided.
  • a communication section 42 according to the invention for a serial, circular communication arrangement 40 offers, in contrast to serial peripheral interfaces 12, as used in the prior art, a shortening of the latencies for communication with a high number of subscribers transmitting signals.
  • Each subscriber has only one signal line 38 to a preceding neighbor and a signal line 38 to a downstream arranged th neighbors in the annular communication arrangement 40 on.
  • this can save on pins, which reduces the costs for the assembly and connection technology.
  • the reduced pin number reduces the risk of default accordingly.
  • each participant is higher or lower than its upstream or following neighbor by the voltage of the electrical energy module 36 it monitors.
  • adjacent monitoring modules 46 as subscribers are at different potentials, which are dependent on potential differences of adjacent energy modules 36 to be monitored.
  • the monitoring modules 46 have no separate supply services, but draw their energy directly from the monitored electrical energy module 36. Since the electrical energy modules 36 are connected in series, they work with a different potential. In an embodiment, therefore, the device 30 may be formed as a closed ring with optocoupler, transformer and / or capacitor.
  • the subscribers can have a capacitor in the order of 1 nF and a protective resistor in the
  • each participant may have an input protection diode. Since signals are constantly being transmitted, the input protection diodes of each subscriber always clamp the continuously transmitted signals to a correct level.
  • the device 30 can be dispensed with otherwise customary optocouplers or input stages between participants.
  • the serial, ring-shaped communication arrangement 40 used offers a possibility of issuing soft interrupts (interrupt requests) by means of the slaves provided.
  • Monitoring Modules 46 In order to be able to receive information and / or interrupt requests from the slaves when the master is idle, ie when it has no messages to send, the master continuously sends so-called empty frames. By sending the empty frames, which are also referred to as idle frames, there is thus a query (polling) of the slaves. Each slave can occupy an empty frame and transmit its data and / or at least one request as a so-called "soft interrupt" and thus as an interruption of the software in response to the query.
  • a monitoring module 46 of the control unit 34 as a host controller can signal a dangerous situation without the control unit 34 provided as master having to query a status of the monitoring modules 46 as further subscribers of the communication arrangement 40 by means of continuous calls (polling) ,
  • a reaction time of at least one subscriber, usually the control unit 34 as a master, to an error can be significantly improved even in an unfavorable operating situation.
  • the use of the communication interfaces 42 and the serial, annular communication arrangement 40 for connecting the participants of the device 30 also offers the possibility of ensuring the security of the device 30 for the management of electrical energy modules 32.
  • By the permanent synchronization of the subscribers in the serial, annular communication arrangement 40 allows a phase rain loop (PLL, phase-locked loop) as a component of a subscriber continues to monitor (watchdog) a function of at least one participant of the device 30. If the control unit 34 is a defective example as a participant and outputs no data signal on a communication interface 42 can in the Monitoring modules 36 as slaves do not synchronize, causing a phase locked loop as a component of an affected participant disengages. An evaluation of the signal, the device 30 in case of failure in a safety mode (fail-safe mode) pass.
  • the communication interface 42 and the device 40 can be used for electrical energy modules 36, usually for batteries and / or accumulators of hybrid and electric vehicles and fuel cells.
  • the communication arrangement 40 of the device 30 provides a minimal number of pines through the ring topology with point-to-point connections between subscribers.
  • the control unit 34 acts as a host controller as a master, whereby no Busarbitr réelle is required.
  • the trained as monitoring blocks 46 slaves may have application-specific integrated circuits (ASICs) as circuits that are controlled by a microcontroller as logic of the control unit 34.
  • the control unit 34 as a master transmits a continuous data stream via the signal lines 38 of the annular communication arrangement 40.
  • the control unit 34 inserts and / or modifies a bit associated with the at least one monitoring module 46 by modifying the continuous data stream and thus provides the at least one monitoring module 46 with an interrupt command. Due to the possibility of continuous synchronization of the participants, the monitoring modules 46 as slaves require no further system clock. Thus, a line-coded data transmission takes place via the signal lines 38, providing a clock for the subscribers.
  • the inventive device 30 for controlling at least one electric power module 36, d. H. of at least one electrical energy store, energy generator and / or energy converter accordingly has as participants a control unit 34 as master and at least one monitoring module 46 as slave. As a rule, a monitoring module 46 is assigned to an electrical energy module 36. All participants of the institution 30, d. H. the control unit 34 and the at least one monitoring module 46, communication interfaces 42 are assigned, via which they are connected in series in the annular communication arrangement 40.

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Abstract

Die Erfindung betriffteine Kommunikationsschnittstelle (42) für einen Überwachungsbaustein (46), der einem elektrischen Energiemodul (36) zugeordnet ist, wobei vorgesehen ist, dass mindestens ein Überwachungsbaustein (46) und eine Kontrolleinheit (34) als Teilnehmer einer Einrichtung (30) zum Kontrollieren von mindestens einem elektrischen Energiemodul (36) ausgebildet sind, wobei die Teilnehmer der Einrichtung (30) miteinander in einer ringförmigen Kommunikationsanordnung (40) seriell verbunden sind, wobei die Kommunikationsschnittstelle (42) den mindestens einen Überwachungsbaustein (46) mit einem benachbarten Teilnehmer verbindet.

Description

Beschreibung
Titel
Kommunikationsschnittstelle zur Systemüberwachung der Energieversorgung in Elektro- und Hvbridfahrzeugen
Die Erfindung betrifft eine Kommunikationsschnittstelle sowie eine Einrichtung und ein Verfahren zur Überwachung von mindestens einem elektronischen Energiemodul, bspw. mindestens einem Energiespeicher, Energieerzeuger und/oder Energiewandler.
Stand der Technik
In Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen kommen häufig Lithium-Ionen- Batterien (d. h. Energiespeicher) oder auch Brennstoffzellen (d. h. Energiewandler), aber auch Solarzellen (d. h. Energieerzeuger) zum Einsatz. Die Herausforderung besteht darin, eine sichere und zuverlässige Energieversorgung des Fahrzeugs zu gewährleisten. Beispielsweise kann der Einsatz von Lithium-Ionen- Traktionsbatterien in dieser Anwendung problematisch und gefährlich sein, da die Automobilumgebung harte Anforderungen stellt. Deshalb kommt ein Management-System zum Einsatz, das bspw. den Ladezustand einer Batterie als eine Zelle kontrolliert und aussteuert. Dies erfordert den Abgleich des Ladezustands durch selektives Entladen oder Übertragung von Ladung auf andere Zellen, damit die Zellspannungen stets innerhalb des spezifizierten Bereichs liegen. Üblicherweise sind mehrere hundert Zellen in Reihe geschaltet, die über eine serielle Kommunikationsschnittstelle mit dem zentralen Management-System verbunden werden müssen.
In der Kraftfahrzeugtechnik kommen zur Datenübertragung zwischen logischen Bausteinen, die als integrierte Schaltkreise (IC, Integrated Circuit) ausgebildet sein können, in Steuergeräten serielle Schnittstellen, bspw. SPI, Serial Peripheral Interface, zum Einsatz. Die SPI-Schnittstelle beschreibt zwischen einem als Mas- ter ausgebildeten Baustein und mindestens einem als Slave ausgebildeten Baustein eine bidirektionale, synchrone und serielle Datenübertragung. Eine dabei verwendete SPI-Schnittstelle umfasst mindestens drei Leitungen zwischen dem Master und einem Slave, in der Regel sind dies zwei Datenleitungen und eine Taktleitung. Bei mehreren Slaves benötigt jeder dieser Bausteine eine zusätzliche Auswahl- bzw. Selektleitung vom Master. Aufgrund der Vielzahl an Zellen bzw. Modulen eignet sich die Anwendung der SPI-Schnittstelle in Form einer Bustopologie aufgrund der hohen Pinanzahl durch die benötigten Selektleitungen nicht. Die vorgesehene Schnittstelle ermöglicht auch bspw. die Umsetzung einer Daisy-Chain-Topologie, bei der Bausteine entsprechend ihrer Anordnung der Energieleitungen zwischen den Zellen kettenförmig angeordnet sind. In der Anwendung der SPI-Schnittstelle in der Daisy-Chain-Topologie, entstehen hohe Latenzzeiten, weshalb derartige Vorrichtungen nicht effizient genutzt werden können.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Feldbus-Netzwerksystems mit Ringtopologie ist in der Druckschrift DE 10 2006 046 841 A1 beschrieben. Dieses Feldbus- Netzwerksystem weist eine Master-Einheit und eine Mehrzahl von Slave- Einheiten auf, die durch einen Feldbus in Ringtopologie verbunden sind. Dabei wird durch die Master-Einheit an eine Slave-Einheit eine Datenbotschaft gesendet. Es ist vorgesehen, dass eine Slave-Einheit eine erste Zählereinrichtung und eine zweite Zählereinrichtung aufweist. Dabei wird ein Zählerstand der ersten Zählereinrichtung zum Anzeigen einer Anzahl von erforderlichen Weiterleitungs- schritten über zwischengeschaltete Slave-Einheiten in der Ringtopologie bis zu jener Slave-Einheit, für die die Daten botschaft bestimmt ist, verwendet. Ein Zählerstand der zweiten Zählereinrichtung wird zum Anzeigen einer Anzahl von erfolgten Weiterleitungsschritten über zwischengeschaltete Slave-Einheiten in der Ringtopologie verwendet. Die Slave-Einheiten modifizieren beim Empfang der Datenbotschaft den Zählerstand der ersten Zählereinrichtung mit einem ersten vorgegebenen Algorithmus. Anhand des modifizierten Zählerstands der ersten Zählereinrichtung ermitteln die Slave-Einheiten, ob sie zum Empfang der Datenbotschaft bestimmt sind.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund werden eine Kommunikationsschnittstelle mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 , eine Einrichtung gemäß Patentanspruch 2 und ein Verfahren nach Patentanspruch 6 vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Be- Schreibung.
Mit der im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Einrichtung, die mindestens eine erfindungsgemäße Kommunikationsschnittstelle umfasst, ist beispielhaft ein Batteriemanagement oder auch die Überwachung von Brennstoffzellen möglich. Dabei werden Kommunikationsschnittstellen zur Datenübertragung zwischen integrierten Schaltkreisen verwendet. Diese Schaltkreise, bspw. intelligente Sensoren, sind als Komponenten von Überwachungsbausteinen zur Kontrolle und somit zur Überwachung von elektrischen Energiemodulen und/oder Energiezellen, bspw. Batterien als mögliche elektrische Energiespeicher oder Brennstoffzellen als Energiewandler, vorgesehen. Derartige Kommunikationsschnittstellen können in einer ringförmigen Kommunikationsanordnung eingesetzt werden. Die zur Kommunikation vorgesehene Einrichtung für den Einsatz bei einem Batteriemanagement zur Datenübertragung zwischen den Überwachungsbausteinen und/oder den integrierten Schaltkreisen als Logikbausteine weist eine geringe Anzahl an Pins auf, so dass auch bei hohen Datenraten eine einfache und kostengünstige Implementierung auf derartigen Logikbausteinen, bspw. Mikrocon- troller, ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) oder FPGA (Feld programmierbare Gatter-Anordnung), erfolgen kann. Mit mindestens einer Kommunikationsschnittstelle als Komponente einer Einrichtung zum Batteriemanagement ist eine Datenübertragung zwischen den Überwachungsbausteinen zur Kontrolle und/oder Überwachung von elektrischen Energiemodulen, bspw. Energiespeichern, Energieerzeugern und/oder Energiewandlern, die auch als elektrische Energiezellen bezeichnet werden, möglich. Dabei weist ein Überwachungsbaustein, der einem elektrischen Energiemodul zugeordnet ist, eine Kommunikationsschnittstelle und einen integrierten Schaltkreis auf.
In weiterer Ausgestaltung weist ein derartiger Überwachungsbaustein ein Kon- trollmodul mit mindestens einem Sensormodul zum Erfassen von zumindest einem Betriebsparameter des elektrischen Energiemoduls auf. Als Betriebspara- meter kann eine Spannung, die an dem elektrischen Energiemodul anliegt, ein durch das elektrische Energiemodul fließender Strom, ein Ladezustand, ein Widerstand und/oder eine Temperatur des elektrischen Energiemoduls erfasst und somit überwacht werden. Werte des zumindest einen erfassten Betriebsparame- ters werden von dem Überwachungsbaustein über die Kommunikationsschnittstelle und die ringförmige Kommunikationsanordnung an die übergeordnete Kontrolleinheit übermittelt, die empfangenen Werte werden weiterverarbeitet und analysiert, wobei Werte von Betriebsparametern mehrerer elektrischer Energiemodule auch im Zusammenhang und/oder übergreifend ausgewertet werden können.
Auf Grundlage einer Auswertung der Werte, die von der Kontrolleinheit durchgeführt wird, kann die Kontrolleinheit Befehle zur Manipulation von mindestens einem elektrischen Energiemodul, d. h. von mindestens einem Energiespeicher, Energieerzeuger und/oder Energiewandler, bereitstellen und über die ringförmige
Kommunikationsanordnung an mindestens einen Überwachungsbaustein, der dem mindestens einen elektrischen Energiemodul zugeordnet ist, gezielt übermitteln. Derartige Befehle werden von der Kommunikationsschnittstelle empfangen und an mindestens ein Aktormodul übermittelt. Das Aktormodul kann unter Berücksichtigung des Befehls wiederum eine Funktionsweise des mindestens einen elektrischen Energiemoduls durch Ansteuerung des mindestens einen Betriebsparameters beeinflussen.
Mit der Bereitstellung eines Interrupt-Befehls und somit eines Befehls zur Unter- brechung eines Programms von mindestens einem Überwachungsbaustein an die Kontrolleinheit, die üblicherweise einen Mikrocontroller aufweist, kann eine Fehlerreaktion beschleunigt und damit eine Sicherheit des mindestens einen elektrischen Energiemoduls wesentlich erhöht werden. Eine Anwendung der mindestens einen Kommunikationsschnittstelle für einen
Datenaustausch zwischen Teilnehmern der Einrichtung zum Management von elektrischen Energiemodulen auf Basis einer ringförmigen Kommunikationsanordnung ist in Fahrzeugen, bspw. Kraftfahrzeugen, möglich, die beschriebene elektrische Energiemodule aufweisen. Dabei kann ein derartiges Fahrzeug zu- mindest einen elektrischen Motor aufweisen, dem aus mindestens einem elektrischen Energiemodul elektrische Energie zugeführt werden kann. Ein Fahrzeug, bei dem ein elektrischer Motor zum Antreiben des Fahrzeugs ausgebildet ist, kann als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Zum Antreiben von derartigen Fahrzeugen werden als elektrische Energiemodule üblicherweise Lithium- Ionen-Batterien oder Brennstoffzellen verwendet.
Zum sicheren und zuverlässigen Betreiben von elektrischen Energiemodulen kann eine beschriebene erfindungsgemäße Einrichtung zum Kontrollieren von mindestens einem elektrischen Energiemodul eingesetzt werden, die auch als Managementsystem, bspw. Batterie-Managementsystem (BMS), bezeichnet werden kann. Die Einrichtung ist dazu ausgebildet, als mindestens einen Betriebsparameter bspw. den Ladezustand jedes elektrischen Energiemoduls zu überwachen.
Im Rahmen der Erfindung wird demnach eine serielle Verbindung von Teilneh- mern oder Knoten und somit von Komponenten einer seriellen, in Ausgestaltung ringförmigen Kommunikationsanordnung bereitgestellt, bei der eine Latenzzeit minimiert ist. Bei dieser Kommunikationsanordnung kann eine Datenübertragung von Teilnehmer zu Teilnehmer mit einer Verzögerung von einer Bitdauer pro Teilnehmer erfolgen, wodurch Datenpakete, die Nachrichten enthalten können, zwischen den Teilnehmern mit sehr geringer Latenz übertragen werden können.
Teilnehmer dieser Kommunikationsanordnung werden zum Überwachen von elektrischen Energiemodulen verwendet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be- Schreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, oh- ne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes Beispiel für eine Anordnung zum Überwachen von Zellen oder Modulen, bspw. Batteriemodulen. Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Ausführungsform der Erfindung
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung 2 zum Überwachen von mehreren Batteriemodulen 8, die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Diese Anordnung 2 umfasst eine als Master ausgebildete Kontrolleinheit 6 sowie mehrere als Slaves ausgebildete Überwachungseinheiten 10. Dabei ist jede Überwachungseinheit 10 einem Batteriemodul 8 zugeordnet. Jede Überwachungseinheit 10 umfasst hier ein Modul zur Überwachung von Betriebsparametern. Außerdem ist jeder Überwachungseinheit 10 eine serielle periphere Schnittstelle 12 mit einem Schieberegister 14 zugeordnet. Sämtliche Komponenten der Anordnung 2, d. h. die Kontrolleinheit 6 sowie die
Überwachungseinheiten 10 sind hintereinander in Reihe geschaltet und hier über mindestens drei Leitungen 16, 18, 20 miteinander verbunden. Dabei ist eine erste Leitung 16 (MOSI, Master out Slave in) zur Übertragung von Daten der Kontrolleinheit 6 an die Überwachungseinheit 10 vorgesehen. Eine zweite Leitung 18 (MISO, Master in Slave out) ist zur Übertragung von Daten von zumindest einer
Überwachungseinheit 10 an die Kontrolleinheit 6 vorgesehen. Eine dritte Leitung 20 (CLK, Clock) ist zur Übertragung eines Taktsignals und/oder zur Synchronisierung der Komponenten der Anordnung 2 vorgesehen. Mit einer hier nicht gezeigten vierten Leitung können die Komponenten der Anordnung 2 aktiviert wer- den.
Eine Aufgabe der Überwachungseinheiten 10 ist die Überwachung der in Reihe geschalteten Batteriemodule 8. Bei der Anordnung 2 nach dem Stand der Technik kommunizieren die Überwachungseinheiten 10 über die seriellen Schnittstel- len 12 mit der als Host-Controller vorgesehenen zentral übergeordneten Kontrolleinheit 6. Ist eine lange Kette von Überwachungseinheiten 10 mit integrierten Schaltkreisen vorgesehen, wird für die meisten Uberwachungsbausteine 10 eine Daisy-Chain-Anordnung 2 genutzt. Dabei kommuniziert jede Überwachungseinheit 10 einer derartigen kettenartigen Anordnung 2 mit seinem Nachbarn ohne Optokoppler oder Isolator, wodurch nur die letzte Überwachungseinheit 10 der Anordnung 2 mit der Kontrolleinheit 6, die einen Mikrocontroller aufweist und eine Funktion einer Steuereinheit erfüllt, verbunden werden muss. Die Anordnung 2 weist somit keine geschlossene Ringtopologie auf. Der Ausfall einer einzelnen Überwachungseinheit 10 kann hier zum Ausfall der kompletten Anordnung 2 führen.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung 30 zum Kontrollieren von mindestens einem elektrischen Energiemodul 36 ist in Figur 2 schematisch dargestellt. Das mindestens eine elektrische Energiemodul 36 kann als elektrischer Energiespeicher, elektrischer Energieerzeuger und/oder elektrischer Energiewandler ausgebildet sein und auch als elektrische Energiezelle bezeichnet werden. Diese Einrichtung 30 umfasst als Teilnehmer eine Kontrolleinheit 34, die als Master ausgebildet ist, sowie mehrere Überwachungsbausteine 46, die hier als Slaves ausgebildet sind. Sämtliche Teilnehmer der Einrichtung 30 sind über Signalleitungen 38 einer ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 miteinander seriell verbunden. Dabei ist jeweils zwischen zwei benachbarten Teilnehmern der Einrichtung 30 einer Signalleitung 38 geschaltet.
Zur Verbindung mit benachbarten Teilnehmern ist jedem Überwachungsbaustein 46 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kommunikationsschnittstelle 42 zugeordnet, die zur Übertragung von Daten über Signalleitungen 38 in der seriellen, ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 ausgebildet ist und eine zeitliche Verschiebung und/oder Verzögerung eines empfangenen Signals um einen festen Wert, hier zumindest um ein Bit, mit einem 1 -Bit-Schieberegister 44, erzeugt. Der Kontrolleinheit 34 ist in der vorliegenden Ausführungsform ebenfalls eine derartige Kommunikationsschnittstelle für eine serielle, ringförmige Kommunikationsanordnung 40 zugeordnet, die jedoch in Figur 2 nicht dargestellt ist. Jeder Teilnehmer ist über eine Kommunikationsschnittstelle 42 mit seinem benachbarten Teilnehmer verbunden.
Weiterhin umfasst jeder Uberwachungsbaustein 46 ein Kontrollmodul, das zum Kontrollieren und somit zum Steuern und/oder zum Regeln und demnach auch zum Überwachen mindestens eines Betriebsparameters eines zugeordneten elektrischen Energiemoduls 36 ausgebildet ist. Es ist vorgesehen, dass jedem elektrischen Energiemodul 36 ein derartiger Überwachungsbaustein 46 zugeordnet ist. In der anhand von Figur 2 gezeigten Ausführungsform ist eine Kommuni- 5 kationsschnittstelle 42, die einem Überwachungsbaustein 46 zugeordnet ist, als externe Komponente mit dem Überwachungsbaustein 46 verbunden. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Kommunikationsschnittstelle 42 als Komponente eines Überwachungsbausteins 46 ausgebildet und in diesen integriert sein kann. Üblicherweise ist jedem Energiemodul 36 neben dem Überwachungsbaustein 46 10 eine Kommunikationsschnittstelle 42 zugeordnet. Dabei kann oder können der
Überwachungsbaustein 46 und/oder die Kommunikationsschnittstelle 42 mit dem Energiemodul 36 verbunden sein. Es ist auch möglich, dass der Überwachungsbaustein 46 und/oder die Kommunikationsschnittstelle 42 als Komponente/n des Energiemoduls 36 ausgebildet sein kann oder können. In diesem Fall, wie in Fil s gur 2 dargestellt ist, sind in jedes Energiemodul 36 ein Überwachungsbaustein
46 und eine Kommunikationsschnittstelle 42 integriert.
Werte von Betriebsparametern der elektrischen Energiemodule 36, die von Kontrollmodulen der einzelnen Überwachungsbausteine 46 ermittelt werden, werden
20 über die Signalleitungen 38 der ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 an die Kontrolleinheit 34 übermittelt und von einem hier nicht gezeigten Mikrocon- troller der Kontrolleinheit 34 ausgewertet. Auf Grundlage ermittelter Werte von Betriebsparametern der elektrischen Energiemodule 36 werden von der Kontrolleinheit 34 Befehle zum Ansteuern der elektrischen Energiemodule 36 ermittelt
25 und über die Signalleitungen 38 der Kommunikationsanordnung 40 an die Überwachungsbausteine 46 übermittelt, wobei die Kontrollmodule 46 die elektrischen Energiemodule 36 unter Berücksichtigung der bereitgestellten Befehle ansteuern.
Die hier vorgestellte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kommunikations- 30 schnittsteile 42 für eine serielle ringförmige Kommunikationsanordnung 40 bietet im Unterschied zu seriellen peripheren Schnittstellen 12, wie sie beim Stand der Technik verwendet werden, bei einer Kommunikation mit einer hohen Anzahl von Teilnehmern eine Verkürzung der Latenzzeiten für zu übertragende Signale.
35 Jeder Teilnehmer weist nur eine Signalleitung 38 zu einem voranstehend angeordneten Nachbarn und eine Signalleitung 38 zu einem nachfolgend angeordne- ten Nachbarn in der ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 auf. Im Unterschied zur SPI-Schnittstelle 12 (Figur 1 ) können dadurch Pins eingespart werden, wodurch die Kosten für die Aufbau- und Verbindungstechnik reduziert werden. Außerdem wird durch die reduzierte Pinanzahl das Ausfallrisiko entspre- chend verringert.
Bei dem Einsatz einer Ringtopologie für die Kommunikationsanordnung 40 wird beachtet, dass jeder Teilnehmer um die Spannung des elektrischen Energiemoduls 36, das er überwacht, höher oder tiefer als sein voranstehend oder nachfol- gend angeordneter Nachbar liegt. Somit kann mit der ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 auch berücksichtigt werden, dass benachbarte Überwachungsbausteine 46 als Teilnehmer auf unterschiedlichen Potentialen liegen, die von Potentialdifferenzen benachbarter, zu überwachender Energiemodule 36 abhängig sind.
Die Überwachungsbausteine 46 weisen keine separate Versorgungleistungen auf, sondern beziehen ihre Energie direkt aus dem zu überwachenden elektrischen Energiemodul 36. Da die elektrischen Energiemodule 36 in Reihe geschaltet sind, arbeiten diese mit einem unterschiedlichen Potential. In Ausgestaltung kann daher die Einrichtung 30 als geschlossener Ring mit Optokoppler, Transformator und/oder Kondensator ausgebildet sein.
Durch Verwendung der seriellen, ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 als Teil der erfindungsgemäßen Einrichtung 30 können die Teilnehmer über einen Kondensator in der Größenordnung von 1 nF und einen Schutzwiderstand in der
Größenordnung von 300 Ohm in einzelnen Signalleitungen 38 verbunden werden. Außerdem kann jeder Teilnehmer eine Eingangsschutzdiode aufweisen. Da ständig Signale übertragen werden, klemmen die Eingangsschutzdioden jedes Teilnehmers die kontinuierlich übertragenen Signale immer auf einen richtigen Pegel. Somit kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung 30 auf ansonsten übliche Optokoppler oder Eingangsstufen zwischen Teilnehmern verzichtet werden.
Im Unterschied zum Stand der Technik bietet die verwendete serielle, ringförmige Kommunikationsanordnung 40 eine Möglichkeit zum Absetzen von Soft- Interrupts (Unterbrechungsanfragen) durch die als Slaves vorgesehenen Über- wachungsbausteine 46. Um im Leerlauf des Masters, d. h. dieser hat keine zu versendende Botschaften vorliegen, Informationen und/oder Unterbrechungsanfragen von den Slaves empfangen zu können, sendet der Master kontinuierlich sog. Leerrahmen. Durch das Versenden der Leerrahmen, die auch als Idleframes bezeichnet werden, erfolgt somit eine Abfrage (Polling) der Slaves. Jeder Slave kann einen Leerrahmen belegen und seine Daten und/oder wenigstens eine Anforderung als sog. "Soft-Interrupt" und somit als Unterbrechung der Software, als Antwort auf die Abfrage übertragen. Mit zumindest einem versendeten Soft- Interrupt kann ein Überwachungsbaustein 46 der Kontrolleinheit 34 als Host- Controller eine gefährliche Situation signalisieren, ohne dass die als Master vorgesehene Kontrolleinheit 34 einen Zustand der Überwachungsbausteine 46 als weitere Teilnehmer der Kommunikationsanordnung 40 durch kontinuierliche Aufrufe (Polling) abfragen muss. Eine Reaktionszeit mindestens eines Teilnehmers, üblicherweise der Kontrolleinheit 34 als Master, auf einen Fehler kann auch in einer ungünstigen Betriebssituation deutlich verbessert werden.
Durch die Übertragung einer Taktinformation über die Signalleitungen 38 wird sichergestellt, dass sämtliche Überwachungsbausteine 46 der Einrichtung 30 synchron zur Kontrolleinheit 34 arbeiten. Dies eröffnet u. a. die Möglichkeit, über einen Sende- bzw. Broadcast-Befehl ein zeitgleiches Abtasten von Analog- und/oder Digital-Kanälen der Teilnehmer zu veranlassen. Aufgrund der diversen Spannungsschwankungen in der Einrichtung 30 erleichtert sich durch die zeitsynchrone Abtastung von Signalen durch die Teilnehmer die Auswertung der Informationen zu Betriebsparametern der elektrischen Energiemodule 36 in der Kontrolleinheit 34.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kommunikationsschnittstellen 42 und der seriellen, ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 zum Verbinden der Teilnehmer der Einrichtung 30 bietet ferner die Möglichkeit, die Sicherheit der Einrichtung 30 zum Management von elektrischen Energiemodulen 32. Durch die permanente Synchronisation der Teilnehmer in der seriellen, ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 ermöglicht eine Phasenregenschleife (PLL, phase looked loop) als Komponente eines Teilnehmers weiterhin eine Überwachung (Watchdog) einer Funktion von mindestens einem Teilnehmer der Einrichtung 30. Sofern die Kontrolleinheit 34 als ein Teilnehmer beispielsweise defekt ist und kein Datensignal auf einer Kommunikationsschnittstelle 42 ausgibt, kann in den Überwachungsbausteinen 36 als Slaves keine Synchronisation erfolgen, wodurch eine Phasenregelschleife als Komponente eines betroffenen Teilnehmers ausrastet. Über eine Auswertung des Signals kann die Einrichtung 30 im Fehlerfall in einen Sicherheitsbetrieb (Fail-Safe-Mode) übergehen.
Die Kommunikationsschnittstelle 42 sowie die Einrichtung 40 können für elektrische Energiemodule 36, üblicherweise für Batterien und/oder Akkumulatoren von Hybrid- und Elektrofahrzeugen sowie Brennstoffzellen, verwendet werden.
Weiterhin bietet die Kommunikationsanordnung 40 der Einrichtung 30 durch die Ringtopologie mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den Teilnehmern eine minimale Pinanzahl. Die Kontrolleinheit 34 als Host Controller agiert dabei als Master, wodurch keine Busarbitrierung erforderlich ist. Die als Überwachungsbausteine 46 ausgebildeten Slaves können anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) als Schaltkreise aufweisen, die von einem Mikrocontroller als Logik der Kontrolleinheit 34 gesteuert werden. Die Kontrolleinheit 34 als Master sendet über die Signalleitungen 38 der ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 einen kontinuierlichen Datenstrom. Dabei ist es möglich, dass die Kontrolleinheit 34 durch Modifikation des kontinuierlichen Datenstroms ein dem mindestens einen Überwachungsbaustein 46 zugeordnetes Bit einfügt und/oder modifiziert und somit dem mindestens einen Überwachungsbaustein 46 einen Interrupt-Befehl bereitstellt. Durch die Möglichkeit der kontinuierlichen Synchronisation der Teilnehmer benötigen die Überwachungsbausteine 46 als Slaves keinen weiteren Systemtakt. Somit erfolgt über die Signalleitungen 38 eine leitungsko- dierte Datenübertragung unter Bereitstellung eines Takt für die Teilnehmer.
Die erfindungsgemäße Einrichtung 30 zum Kontrollieren von mindestens einem elektrischen Energiemodul 36, d. h. von mindestens einem elektrischen Energiespeicher, Energieerzeuger und/oder Energiewandler, weist demnach als Teil- nehmer eine Kontrolleinheit 34 als Master und mindestens einen Überwachungsbaustein 46 als Slave auf. Dabei ist in der Regel einem elektrischen Energiemodul 36 ein Überwachungsbaustein 46 zugeordnet. Sämtlichen Teilnehmern der Einrichtung 30, d. h. der Kontrolleinheit 34 und dem mindestens eine Überwachungsbaustein 46, sind Kommunikationsschnittstellen 42 zugeordnet, über die diese in der ringförmigen Kommunikationsanordnung 40 seriell miteinander verbunden sind.

Claims

Ansprüche
1 . Kommunikationsschnittstelle für einen Überwachungsbaustein (46), der einem elektrischen Energiemodul (36) zugeordnet ist, wobei vorgesehen ist, dass mindestens ein Überwachungsbaustein (46) und eine Kontrolleinheit (34) als Teilnehmer einer Einrichtung (30) zum Kontrollieren von mindestens einem elektrischen Energiemodul (36) ausgebildet sind, wobei die Teilnehmer der Einrichtung (30) miteinander in einer ringförmigen Kommunikationsanordnung (40) seriell verbunden sind, wobei die Kommunikationsschnittstelle (42) den mindestens einen Überwachungsbaustein (46) mit einem benachbarten Teilnehmer verbindet.
2. Einrichtung zum Kontrollieren von mindestens einem elektrischen Energiemodul (36), die als Teilnehmer eine Kontrolleinheit (34) und mindestens einen Überwachungsbaustein (46) aufweist, der dem mindestens einen elektrischen Energiemodul (36) zugeordnet ist und eine Kommunikationsschnittstelle (42) nach Anspruch 1 aufweist, wobei die Teilnehmer miteinander in einer ringförmigen Kommunikationsanordnung (40) seriell verbunden sind, wobei der mindestens eine Überwachungsbaustein (46) über die Kommunikationsschnittstelle (42) mit einem benachbarten Teilnehmer verbunden ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Kontrolleinheit (34) als Master ausgebildet ist und einen integrierten Schaltkreis umfasst, und bei der der mindestens eine Überwachungsbaustein (46) als Slave ausgebildet ist und einen integrierten Schaltkreis umfasst.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der zwei benachbarte Teilnehmer miteinander über einen Kondensator, einen Schutzwiderstand, Optokoppler und/oder Transformator verbunden sind.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der der mindestens eine Überwachungsbaustein (36) dazu ausgebildet ist, zumindest einen Betriebs- Parameter des zugeordneten elektrischen Energiemoduls (36) zu kontrollieren und/oder den Messwert zu erfassen.
Verfahren zum Überwachen von mindestens einem elektrischen Energiemodul (36) mit einer Einrichtung (30), die als Teilnehmer eine Kontrolleinheit (34) und mindestens einen Überwachungsbaustein (46) aufweist, der dem mindestens einen elektrischen Energiemodul (36) zugeordnet wird und eine Kommunikationsschnittstelle (42) aufweist, wobei die Teilnehmer miteinander in einer ringförmigen Kommunikationsanordnung (40) seriell verbunden werden, und wobei der mindestens eine Überwachungsbaustein (46) über die Kommunikationsschnittstelle (42) mit einem benachbarten Teilnehmer verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem von der Kontrolleinheit (34) ein kontinuierlicher Datenstrom gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Kontrolleinheit (34) von dem mindestens einen Überwachungsbaustein (46) ein Interrupt-Befehl mittels Modifikation des kontinuierlichen Datenstroms, bspw. durch Einfügen und/oder Modifizieren eines dem mindestens einen Überwachungsbaustein (46) zugeordneten Bits, bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, das für mindestens ein elektrisches Energiemodul (32), bspw. für mindestens einen elektrischen Energiespeicher, Energieerzeuger und/oder Energiewandler, durchgeführt wird, das als Batterie oder Brennstoffzelle ausgebildet ist.
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