WO2023030799A1 - Kontrollvorrichtung für ein batteriesystem - Google Patents

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WO2023030799A1
WO2023030799A1 PCT/EP2022/071605 EP2022071605W WO2023030799A1 WO 2023030799 A1 WO2023030799 A1 WO 2023030799A1 EP 2022071605 W EP2022071605 W EP 2022071605W WO 2023030799 A1 WO2023030799 A1 WO 2023030799A1
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WO
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data
control device
micro
master
cell
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PCT/EP2022/071605
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lars Weller
Joachim Buck
Yannick Schwarz
Original Assignee
Elringklinger Ag
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Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q9/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom

Definitions

  • the present invention relates to a control device for a battery system that has a number of storage cells and/or modules that are connected to a control device and also to one another.
  • a known control unit architecture and control unit communication therefore have fundamental disadvantages that set technical limits to free scalability and a large increase in a pack with regard to the number of elementary memory cells contained therein.
  • sampling rates of the cell sensors must be increasingly throttled in order to be able to handle data traffic of the control unit communication at all. This inevitably reduces the accuracy of algorithms for determining a particular cell state.
  • each subgroup each having a micro-master to which all cell monitoring circuits of the subject fending subgroup are connected and each cell monitoring circuit CSC is designed to evaluate cell voltages and temperatures by connected sensors for each storage cell, these cell monitoring circuits CSC being designed to send the monitoring data to a micro-master and each micro-master to evaluate and Filtering of all evaluation data of the connected cell monitoring circuits CSC is trained .
  • each micro-master is connected to a battery management system with the control unit.
  • an approach according to the invention reduces a data volume from one to a subsequent stage of the interconnection or .
  • Networking to the extent required in each case, since only relevant information is passed on, e.g. B. significant deviations from an average value.
  • This pre-processing of the data volumes with evaluation and filtering allows a total number of elementary storage cells to be significantly increased even when monitoring each individual cell in a battery system, without an associated battery management system BMS being overloaded by a flood of data.
  • very large battery systems can advantageously be flexibly implemented with free spatial distribution.
  • a division into a type of subgroups when networking via data lines with upstream filtering of the data volumes via micro-master serves to equalize and also enables these subgroups to be connected in a largely flexible manner, even with different sizes, to form a battery system that is centrally monitored and controlled in all operating states.
  • the cell monitoring circuits are designed as slaves for sending the monitoring data to the associated micro-master via a data line.
  • this data line between the cell monitoring circuits for sending the monitoring data to the micro-master is designed as a ring line.
  • this loop is bidirectional, so that u. a. a simple interruption of the data line does not lead to a complete failure of data transmission.
  • a potential separation of the data or Bus lines is realized at a low-voltage level compared to the high-voltage level of the respective memory cells and their interconnection. Preferably, this separation takes place in the cell monitoring circuits. Alternatively or additionally, in one embodiment of the invention, an isolation barrier between the high-voltage and the low-voltage level is created, which is within the micro-master.
  • a cell monitoring circuit CSC represents a rigid microelectronic circuit
  • the micro-masters can also advantageously be updated, preferably by importing updated software from outside.
  • the control device is designed hierarchically as a number of signal and data processing devices that are connected to one another and are distributed over separate levels, so to speak, to sub-entities.
  • the controller is now scalable in a way and a respective size of a Battery system designed to be adaptable in a way that would never be technically feasible using known approaches.
  • a largely free number of differently structured subgroups can be managed and monitored by the control device, since one micromaster is provided for each subgroup of interconnected memory cells for electrical adaptation and for reducing the data to a minimum.
  • the memory cells can be elementary memory cells, or else a group of permanently connected elementary memory cells.
  • the data line for sending the monitoring data to the micro-master is advantageously designed as a bidirectional ring bus.
  • a two-wire bus is preferably provided here, which can be used in particular as an unshielded twisted pair or UTP line is formed.
  • this embodiment of the invention thus includes the use of a master unit which, in the form of the battery management system BMS, transmits pre-filtered data from an upstream level in the form of a micro-master for each module comprising a specific number of electrical storage cells correspondingly reduced data rate gets fed to a robust bus for processing.
  • the battery management system BMS is part of a high-voltage distribution box via plugs for high voltage and for low voltage with at least connected to a unit of memory cells.
  • their electrical interconnection with one another can be configured as desired as a mixture of series and parallel circuits in order to produce a predetermined voltage level for a target current.
  • the high-voltage distributor box is always connected via separate connections or Plugs for high-voltage and low-voltage connected to this interconnection of elementary storage cells on the high-voltage side and data communication on the low-voltage side.
  • this separation via plugs enables a quick replacement in the event of a defect, but on the other hand it also allows almost any configuration of units with variations in type, structure and wiring to be connected to the high-voltage distributor box without overloading the battery management system BMS due to an excessive amount of data from the respective units .
  • FIG. 1 a diagram of an exemplary embodiment of a control device for a battery system
  • FIG. 2 the exemplary embodiment from FIG. 1 in a modification for expanding the battery system
  • FIG. 3 the exemplary embodiment from FIG. 2 in a modification to illustrate a further type of expansion of the battery system
  • FIG. 4 an alternative representation of a battery system.
  • the same reference symbols are always used for the same elements or method steps throughout the various illustrations of the drawing. Without restricting the invention, only one use of exemplary embodiments of the invention is shown and described below against the background of use in a passenger vehicle in the form of a car. However, it is obvious to the person skilled in the art that an adjustment of a control device described below to other vehicles, such as airplanes or ships with an electric motor drive, as well as to stationary applications, e.g. B. for power supply is possible.
  • FIG. 1 shows a diagram of an exemplary embodiment of a battery system 1 with a control device 2, which is now available as a solution to the problem described of decreasing accuracy and reliability of a control device 2
  • Cell monitoring is described with increasing numbers of elementary cells 3 or modules Mod in a battery system 1 .
  • a development and production effort is reduced at the same time, even when adapting to battery systems 1 with different structures and/or dimensions.
  • the battery system 1 has a high-voltage distribution box or HVJB 4 externally separate plugs eHV plug for high voltage HV and eLV plug for low voltage LV or . data lines on .
  • the high-voltage distributor box 4 also contains the values for temperature and charge of connected elementary storage cells 4 via a bus System is connected, also housed the measuring shunt SHN and contactors MSW for both polarities of the high-voltage level, as well as at least one fuse F against electrical overload.
  • the high-voltage distribution box 4 is connected to an electrical unit 5 via separate HV plugs for high voltage HV and LV plugs for low voltage LV across a physical boundary.
  • the unit 5 is formed from an electrical series connection of eight modules Mod 1 to Mod 8 in this case, for example.
  • the modules Mod i shown here can also be elementary storage cells 4, each of which has its own cell monitoring circuit CSCI for determining the temperature and voltage of a relevant module Mod i.
  • a j eder cell monitoring circuit CSC is designed as a fixed circuit s in the form of a semiconductor chip and is used for a de defined collection of specified data from sensors connected to it, such. B. voltage and temperature.
  • these measurement data are now transmitted to a micro-master 7 as the higher-level controller of the unit 5, here via an ISO-SPI bus.
  • the bus 6 is shown here in a simplified manner in a star structure, but in reality it is in the form of a ring bus, as will be shown below.
  • this data from the eight cell monitoring circuits CSC1-CSC8 of this unit 5 are filtered with the aim of data reduction and preprocessed to concentrate on a few significant or important data.
  • a cell monitoring circuit CSC represents a rigid circuit that only provides predetermined data u . a. from sensors collects and forwards .
  • a micro-master 7 forms a preprocessing entity with its own software, which is interposed in a chain of data forwarding from the cell monitoring circuits CSCI to a battery management system BMS as the actual control unit within the control device 2.
  • every Mikro-Master 7 can also be updated.
  • both parts ie high-voltage distribution box 4 and unit 5 are separate units that are connected to one another via plugs. In the event of a defect, these parts can also be quickly replaced independently of one another.
  • FIG. 2 is a modification of the exemplary embodiment of FIG. 1 for extending the battery system 1 .
  • FIG. 2 is a modification of the exemplary embodiment of FIG. 1 for extending the battery system 1 .
  • FIG. 2 is a modification of the exemplary embodiment of FIG. 1 for extending the battery system 1 .
  • data lines have been connected.
  • the units 5 form subgroups of interconnected storage cells 3 or, in another exemplary embodiment, of modules Mod, with each subgroup 5 each having a micro-master 7 for evaluating cell voltages and temperature by connected sensors that are connected to j respective cell monitoring circuits CSC are connected.
  • the micro-master 7 is designed to evaluate and filter all data from the eight cell monitoring circuits CSC here and is connected via a data line 8 to a battery management system BMS.
  • pre-processing of the respective measurement data of each CSC in the associated micro-masters 7 of each of the two units 5 advantageously does not lead to a duplication of the data due to filtering with a focus on deviations or other predefined abnormalities. Due to the pre-processing of all measurement data, only data filtered out as relevant and/or pre-processed are forwarded to the battery management system BMS in the still only one control device 2 for processing, and thus a significantly reduced amount of data.
  • FIG. 3 shows the exemplary embodiment from FIG. 2 in a modification to show a further type of expansion of the battery system 1 .
  • the high-voltage distribution box 4 j described in relation to FIG. 1 and retained unchanged the physical limit, a parallel connection of two units 5 has been connected via the separate plug HV plug, LV plug for high voltage HV and low voltage LV.
  • the pre-processing of the respective measurement data of each cell monitoring circuit CSC in the associated micro-masters 7 of each of the two units 5 does not result in a proportional increase in the amount of data that has to be forwarded to the battery management system BMS and processed there.
  • FIG. 4 shows an alternative representation of a battery system 1 emphasizing an internal structure of the bus 8 with a scalable number of ring bus systems 6 within the control device 2 from the battery management system BMS to a respective cell monitoring circuit CSC of an elementary storage cell 3 in a simplified representation . Therefore, in this representation, each type of electrical connection of the modules to provide a predetermined voltage level and a current at external terminals or Poles of the battery system 1 disregarded and hidden for reasons of clarity.
  • each cell monitor circuit CSC contains an isolation threshold for separating the high-voltage level HV from an adjacent low-voltage level LV and is embodied beyond this isolation threshold indicated by a dash-dot line as a slave with two ports Port A, Port B.
  • 36 cell monitoring circuits CSC are connected to a micro-master 7 with a two-wire data line for data transmission, which is designed as a bidirectional ring bus 6 to increase reliability. This arrangement forms a subgroup 5 . For reasons of clarity, only the first and the last module Mod with the associated cell monitoring circuit CSC are shown.
  • the micro-masters 7 each filter and reduce the sensor data continuously received from the 36 connected cell monitoring circuits CSC with current values for temperature and voltage.
  • the micro-masters 7 are connected to the battery management system BMS via an ISO SPI data line 8, so to speak, as the head of their respective subgroup 5.
  • the use of several micro-masters 7 makes it possible to keep the sampling rate of the sensors in the form of the cell monitoring circuits CSC high, since several micro-masters 7 then pre-filter the many data points and only transmit aggregated values to the battery management system BMS as the system master.
  • the battery management system BMS now only processes aggregated values in a significantly reduced data volume, but on the basis of a very high sampling of numerous measuring points. This results in a high degree of accuracy and reliability of the respective cell states determined by algorithms and their updating.
  • the isolation barrier is relocated from the area of the cell monitoring circuits CSC to the micro-master 7 . That's through the thinner Dash-dot line L indicated in FIG. This step significantly reduces the number of decoupling elements required for the galvanic isolation between the high-voltage level HV and the low-voltage level LV.
  • An adaptation of the high-voltage distributor box 4 to a changed number of subgroups 5 and/or changes within the subgroups 5 is not necessary due to the coupling of the battery management system BMS to the micro-master 7 via the bus 8.
  • a number of software-carrying components is reduced to the micro-master 7 and the battery management system BMS.
  • the development and subsequent administration and maintenance of the control device 2 described is facilitated by proprietary software for importing updates of the respective software to the components mentioned.
  • the control device 2 described is characterized in that the battery management system BMS cannot be overloaded due to an excessive amount of data from the respective subgroups 5 .
  • Preprocessing by the micro-master 7 in each subgroup 5 effectively reduces the numerous measurement data to essential data, which are then forwarded to the battery management system BMS with a control device as the master pC for processing.
  • an approach according to the invention can be applied to a high-voltage battery system 1 in which subgroups 5 of interconnected storage cells 4 and/or modules Mod made up of a number of storage cells 4 are provided.
  • the architecture described above is freely scalable without any significant changes if the subgroups 5 are interconnected freely.
  • the Functionality of the battery management system BMS of the HVJB is located outside of the interconnected subgroups 5 and is connected to the interconnected subgroups 5 in a modular structure via plugs HV plug, LV plug for high voltage and low voltage.
  • PRCH Precharge resistor / pre-charge resistor high-voltage battery system control device battery cell / elementary storage cell high-voltage distributor box, HVJB subgroup / unit of electrically interconnected storage cells 3 or modules Mod j e with CSC ring bus micro-master bus

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontrollvorrichtung mit einem Steuergerät für ein Batteriesystem, das eine Anzahl von Speicherzellen aufweist, die mit einem Steuergerät und auch miteinander verschaltet sind, wobei den Speicherzellen jeweils ein Zellüberwachungsschaltkreis mit angeschlossenen Sensoren angeordnet ist. Um Nachteile bei der Skalierbarkeit sowie einer möglichst genauen Kontrolle und Überwachung auch eines großen Batteriesystems, wird vorgeschlagen, dass innerhalb des Batteriesystems (1) Untergruppen (5) von miteinander verschalteten Speicherzellen (4) und/oder Modulen (Mod) vorgesehen sind, jede Untergruppe (5) jeweils eine Mikro-Master (7) aufweist, an den alle Zellüberwachungsschaltkreise (CSC) der betreffenden Untergruppe (5) angeschlossen sind, der Mikro-Master (7) zur Auswertung und Filterung aller Daten der Zellüberwachungsschaltkreise (CSC) ausgebildet und zum Datentransfer an ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit dem Steuergerät angeschlossen ist.

Description

Kontroll orrichtung für ein Batteriesystem
Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Kontrollvorrichtung für ein Batteriesystem, das eine Anzahl von Speicherzellen und/oder Modulen aufweist , die mit einem Steuergerät und auch miteinander verschaltet sind .
Aktuell finden Batteriesysteme mit immer größer werdenden Stückzahlen Einzug in den Markt für Antriebe , insbesondere für moderne Automobile vom Personen- bis zum Nutz- bzw . Lastfahrzeug, aber auch in stationären Anwendungen . Aus dem Stand der Technik ist dabei bekannt , dass die Batteriesysteme aufgrund sehr unterschiedlicher Anforderungen an ihre elektrische Leistung sehr verschieden auf der Basis elementarer Batteriezellen aufgebaut sind . Um bei einem neuen Anwendungs fall eine komplette Neukonstruktion zu vermeiden, wurden skalierbare HV- Batterien entwickelt , für die in den letzten Jahren einige Cell-to-Pack Technologien, kurz CTP, als Mittel auch zur Optimierung der Leistungsdichte eines Batteriepacks vorgeschlagen wurden . Dieser Trend wird durch einen Cell-to-Chass is Ansatz kurz CTC, fortgesetzt werden, bei denen Batterie-Zellen in einem Chassis direkt statt in einem Fahrzeugboden in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind . Hierdurch entfal len zumindest teilweise schwere Gehäuse und Untergehäuse für eine Zusammenfassung elementarer Batteriezellen in Module , so dass in den gleichen Bauraum vergleichsweise mehr Batterie- Zellen mit einer entsprechenden Verschaltung passen . Durch die genannten Ansätze wachsen die Batteriemodule zu sog . Packs heran, wobei auch eine Anzahl von Hochvolt-Komponenten, wie z . B . Schütze , für ein aus mehreren Packs bestehendes Batteriesystem optimiert und damit insgesamt deutlich gesenkt werden . Die vorliegende Erfindung hat das Ziel , Nachteile durch eine Kontrollvorrichtung in einem Batteriesystem der genannten Art zu mildern, die sich im Rahmen der vorstehend ski z z ierten Technologietrends insbesondere hinsichtlich einer Steuergerätearchitektur bzw . deren Komplexität ergeben .
Aktuell ist eine Überwachung der Zellen in einem Pack z . B . über einen CAN-Bus realisiert , wie auch eine Anbindung eines Pack-Controllers mit einem Batteriemanagementsystem BMS über einen CAN-Bus geregelt ist . Eine bekannte Steuergerätearchitektur und Steuergeräte-Kommunikation tragen damit prinzipielle Nachteile in sich, die einer freien Skalierbarkeit sowie einer starken Vergrößerung eines Packs hinsichtlich einer Anzahl darin enthaltender elementarer Speicherzellen technische Grenzen setzt . Bei sehr hohen Anzahlen von Speicherzellen innerhalb eines Batteriesystems müssen Abtastraten der Zellsensorik zunehmend gedrosselt werden, um einen Datenverkehr der Steuergeräte-Kommunikation überhaupt noch bewältigen zu können . Damit sinkt zwangsläufig eine Genauigkeit von Algorithmen zur Bestimmung eines j eweiligen Zell zustands .
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst , dass innerhalb des Batteriesystems Untergruppen von miteinander verschalteten Speicherzellen und/oder Modulen vorgesehen sind, j ede Untergruppe j eweils einen Mikro-Master aufweist , an den alle Zell- überwachungsschaltkreise der betref fenden Untergruppe angeschlossen sind und j eder Zellüberwachungsschaltkrei s CSC zur Auswertung von Zellspannungen und Temperaturen durch angeschlossene Sensoren j e Speicherzelle ausgebildet ist, wobei diese Zellüberwachungsschaltkreise CSC zum Versand der Uberwa- chungsdaten an einen Mikro-Master ausgebildet sind und j eder Mikro-Master zur Auswertung und Filterung aller Auswertungsdaten der angeschlossenen Zellüberwachungsschaltkreise CSC ausgebildet ist . Zum Datentrans fer ist j eder Mikro-Master an ein Batteriemanagementsystem mit dem Steuergerät angeschlossen .
Ein erfindungsgemäßer Ansatz reduziert trotz hoher Abtastraten einer an j eder Zelle und/oder j edem Modul vorgesehenen Zellsensorik und einer damit fortlaufend genauen Überwachung eines j eden Zustands eine Datenmenge durch Auswertungen und Filterungen in den j eweiligen Mikro-Mastern von einer auf eine nachfolgende Stufe der Verschaltung bzw . Vernetzung auf ein j eweils erforderliches Maß , da nur noch relevante Informationen weitergegeben werden, also z . B . signi fikante Abweichungen von einem Durchschnittswert . Durch diese Vorverarbeitung der Datenmengen mit Auswertung und Filterung kann eine Gesamtzahl von elementaren Speicherzellen sogar bei Überwachung j eder Einzel-Zelle in einem Batteriesystem deutlich erhöht werden, ohne dass ein zugehöriges Batteriemanagementsystem BMS durch eine Datenflut überlastet werden würde . Diesem Ansatz folgend können vorteilhafterweise sehr große Batteriesysteme bei freier räumlicher Verteilung flexibel realisiert werden . Eine Aufteilung in eine Art von Untergruppen bei Vernetzung über Datenleitungen mit vorgeschalteter Filterung der Datenmengen über Mikro-Master dient einer Entzerrung und ermögl icht zudem eine weitgehend flexible Verschaltung dieser Untergruppen auch bei unterschiedlichen Größen zu einem in allen Betriebs zuständen zentral kontrollierten und gesteuerten Batteriesystem .
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche . Demnach sind die Zellüberwachungsschaltkreise als Slaves zum Versand der Überwachungsdaten über eine Datenleitung an den zugehörigen Mikro-Master ausgebildet . In einer Aus führungs form der Erfindung ist diese Datenleitung zwischen den Zellüberwachungsschaltkreisen zum Versand der Überwachungsdaten an den Mikro-Master als Ringleitung ausgebildet . Vorteilhafterweise ist diese Ringleitung bidirektional ausgebildet , so dass u . a . eine einfache Unterbrechung der Datenleitung nicht zu einem kompletten Aus fall der Datenweiterleitung führt .
Besonders bevorzugt ist , dass in einer Aus führungs form der Erfindung in j edem der Module eine Potentialtrennung der Daten- bzw . Busleitungen auf einer Niederspannungsebene gegenüber der Hochvolt-Ebene der j eweiligen Speicherzellen und deren Verschaltung verwirklicht ist . Vorzugsweise findet diese Trennung in den Zellüberwachungsschaltkreisen statt . Alternativ oder zusätzlich ist in einer Aus führungs form der Erfindung eine Isolationsbarriere zwischen der Hochvolt- und der Niedervolt- Ebene geschaf fen, die innerhalb der Mikro-Master liegt .
Während ein Zellüberwachungsschaltkreis CSC eine starre Mikroelektronik-Schaltung darstellt , der als Slave lediglich vorbestimmte Daten u . a . von Sensoren an oder in den elementaren Speicherzellen sammelt und weiterleitet , stellt ein Mikro-Master als Zwischenschicht eine vorteilhafterweise mit eigener Software ausgestattete Daten-vorverarbeitende Instanz dar, die in einer Kette der Datenweiterleitung von den Zellüberwachungsschaltkreisen CSCs zu dem Batteriemanagementsystem BMS als dem eigentlichen Steuergerät zwischengeschaltet ist . Damit sind neben dem Batteriemanagementsystem BMS mit oder in dem eigentlichen Steuergerät vorteilhafterweise auch die Mikro- Master update- fähig, vorzugsweise durch Einspielen einer aktualisierten Software von Extern . So ist die Kontrollvorrichtung erfindungsgemäß als eine über getrennte Ebenen hinweg quasi auf Unter- Instanzen verteilte Anzahl von miteinander verbundenen Einrichtungen der Signal- und Datenverarbeitung hierarchisch ausgebildet . Durch Einführung einer Zwischenebene mit Mikro-Master-Einheiten ist die Kontrollvorrichtung nun in einer Weise skalierbar und eine j eweilige Größe eines Batteriesystems anpassbar aufgebaut , wie es nach bekannten Ansätzen technisch nie realisierbar wäre . Auch kann so eine weitgehend freie Anzahl unterschiedlich aufgebauter Untergruppen durch die Kontrollvorrichtung verwaltet und überwacht werden, da j e ein Mikro-Master j e Untergruppe aus miteinander verschalteten Speicherzellen für eine elektrische Anpassung sowie eine Reduktion der Daten auf ein Mindestmaß vorgesehen ist . Bei den Speicherzellen kann es sich dabei um elementare Speicherzellen, oder auch um eine Gruppe fest verschalteter elementarer Speicherzellen handeln .
Vorteilhafter Weise ist die Datenleitung zum Versand der Uber- wachungsdaten an den Mikro-Master als bidirektionaler Ringbus ausgeführt . Bevorzugt ist hier ein zweiardiger Bus vorgesehen, der insbesondere als ungeschirmte Twisted Pair- bzw . UTP- Leitung ausgebildet ist .
In einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung findet auf der zweiardigen Datenleitung das isoSPI-Protokoll Anwendung . Hierdurch wird eine Potentialtrennung insbesondere in j edem der Module verwirklicht . Durch diese Potentialtrennung der Datenleitungen gegenüber der Hochvolt-Ebene werden al le Komponenten der Signalverarbeitung schützt . Diese Aus führungs form der Erfindung umfasst als vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung damit die Verwendung einer Master-Einheit , welche in Form des Batterie Management-Systems BMS vorfilterte Daten einer vorgeschalteten Ebene in Form j e eines Mikro-Masters j e Modul aus einer bestimmten Anzahl elektrischer Speicherzellen mit entsprechend reduzierter Datenrate auf einem robusten Bus zur Verarbeitung zugeführt bekommt .
In einer Aus führungs form der Erfindung ist das Batteriemanagementsystem BMS als Bestandteil einer Hochvoltvertei lerbox über Stecker für Hochspannung und für Niederspannung mit mindestens einer Einheit von Speicherzellen verbunden . Bei mehreren Einheiten von Speicherzellen kann deren elektrische Verschaltung untereinander zur Darstellung einer vorgegebenen Spannungsebene bei einem Sollstrom als Mischung von Serien- und Parallelschaltungen beliebig ausgestaltet sein . Die Hochvoltverteilerbox ist stets über getrennte Anschlüsse bzw . Stecker für Hochvolt und Niedervolt an diese Verschaltung aus elementaren Speicherzellen auf der Hochvoltseite sowie eine Datenkommunikation auf Niedervoltseite angeschlossen . Diese Trennung über Stecker ermöglicht einerseits einen schnellen Austausch im Fall eines Defektes , andererseits aber auch einen Anschluss fast beliebiger Konfigurationen von Einheiten mit Variationen in Art , Aufbau und Verschaltung an die Hochvoltverteilerbox ohne Überlastung des Batteriemanagementsystems BMS durch eine zu hohe Datenmenge aus den j eweiligen Einheiten .
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Aus führungs formen unter Bezugnahme auf Aus führungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert . Darin zeigen in schematischer Darstellung :
Figur 1 : ein Diagramm eines Aus führungsbeispiels einer Kontrollvorrichtung für ein Batteriesystem;
Figur 2 : das Aus führungsbeispiel von Figur 1 in einer Abwandlung zur Erweiterung des Batteriesystems ;
Figur 3 : das Aus führungsbeispiel von Figur 2 in einer Abwandlung zur Darstellung einer weiteren Art der Erweiterung des Batteriesystems und
Figur 4 : eine alternative Darstellung eines Batteriesystems . Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugs zeichen verwendet . Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Aus führungsbei spielen der Erfindung vor dem Hintergrund eines Einsatzes in einem Perso- nen-Fahrzeug in Form eines Autos dargestellt und beschrieben . Es ist aber für den Fachmann of fensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung einer nachstehend beschriebenen Kontrollvorrichtung auf sonstige Fahrzeuge , wie Flugzeuge oder Schi f fe mit elektro-motorischem Antrieb, sowie auch auf stationäre Einsätze z . B . zur Stromversorgung möglich ist .
Nach dem Stand der Technik sind einer freien Skalierbarkeit von Batteriesystemen sowie einer starken Vergrößerung eines Packs hinsichtlich einer Anzahl darin enthaltender elementarer Speicherzellen u . a . auch durch bekannte Kontrollvorrichtungen technische Grenzen gesetzt . Bei einem Batteriesystem mit einer sehr hohen Anzahl von Speicherzellen müssen Abtastraten der Zellsensorik zunehmend gedrosselt werden, um einen Datenverkehr in einem Batteriemanagement-System überhaupt noch bewältigen zu können . Mit einer über eine steigende Anzahl von zu überwachenden Speicherzellen zwangsläufig reduzierten Abtastrate sinken prinzipiell auch Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Algorithmen, die auf Basis eben dieses Abtastdaten zur Bestimmung und Fortschreibung eines j eweiligen Zustands einer j eweiligen Zell verwendet werden . Die Basiswerte für Zellladezustand SOG und Zell-Alterung SOH werden fortschreitenden ungenauer .
Figur 1 stellt ein Diagramm eines Aus führungsbeispiels eines Batteriesystems 1 mit einer Kontrollvorrichtung 2 dar, das nun als Lösung des beschriebenen Problems sinkender Genauigkeit und Zuverlässigkeit einer Kontrollvorrichtung 2 zur Zellüberwachung bei immer größer werdenden Anzahlen von elementaren Zellen 3 oder Module Mod in einem Batteriesystem 1 beschrieben wird . Bei einer erfindungsgemäßen Lösung wird zugleich ein Entwicklungs- und Fertigungsaufwand auch bei Anpassung auf unterschiedlich auf gebaute und/oder dimens ionierte Batteriesysteme 1 gemindert .
Das Batteriesystem 1 weist an einer Hochvoltverteilerbox bzw . HVJB 4 nach außen hin getrennte Stecker eHV-Plug für Hochspannung HV und eLV-Plug für Niederspannung LV bzw . Datenleitungen auf . In der Hochvoltverteilerbox 4 sind neben einem auf der Niederspannungsebene LV betriebenen Batteriemanagement-System BMS , die mit analogen Ansteuerungen von Schützen MSW und der Verarbeitung der Werte eines Mess-Shunts SHN auch die Werte für Temperatur und Ladung von angeschlossenen elementaren Speicherzellen 4 über ein Bus-System verbunden ist , auch der Mess-Shunt SHN und Schütze MSW für beide Polaritäten der Hochspannungsebene untergebracht , sowie mindestens eine Sicherung F gegen eine elektrische Überlastung .
In diesem Aus führungsbeispiel ist die Hochvoltverteilerbox 4 über getrennte Stecker HV-Plug für Hochspannung HV und LV-Plug für Niederspannung LV über eine physikalische Grenze hinweg mit einer elektrischen Einheit 5 verbunden . Die Einheit 5 ist aus einer elektrischen Reihenschaltung aus hier exemplarisch acht Modulen Mod 1 bis Mod 8 gebildet . Diese der hier dargestellten Module Mod i können auch elementare Speicherzellen 4 sein, die j eweils über einen eigenen Zellüberwachungsschalt- kreis CSCi zur Bestimmung von Temperatur und Spannung eines betref fenden Moduls Mod i verfügen . Ein j eder Zellüberwachungs- schaltkreis CSC ist als unveränderlicher Schaltkrei s in Form eines Halbleiterchips ausgeführt und dient einer de finierten Sammlung vorgegebener Daten von daran angeschlossenen Sensoren, wie z . B . Spannung und Temperatur . Über einen Bus 6 werden diese Messdaten nun an einem Mikro-Master 7 als übergeordnetem Controller der Einheit 5 übermittelt , hier über einen ISO-SPI Bus . Der Bus 6 ist hier vereinfacht in einer Sternstruktur dargestellt , ist aber in der Realität als Ringbus ausgeführt , wie nachfolgend noch dargestellt . In dem Mikro-Master 7 werden diese Daten der acht Zellüberwachungsschaltkreise CSC1 - CSC8 dieser Einheit 5 mit dem Ziel einer Datenreduktion gefiltert und einer Konzentration auf wenige signi fikante oder wichtige Daten vorverarbeitet . Damit gelangen also nicht alle von den Zellüberwachungsschaltkreisen CSC1 - CSC8 ermittelten Daten aller Module der Einheit 5 über die über Stecker realisierte Niederspannungs-Schnittstelle aus der Einheit 5 über einen CAN- , K115- oder K130c-Bus hin zu einem Batteriemanagement- System BMS . Diese Vorverarbeitung und Filterung in dem Mikro- Master 7 führt zu einem deutlich reduzierten Datenaufkommen und einer stark gesenkten Belastung des Batteriemanagement- Systems BMS .
Ein Zellüberwachungsschaltkreis CSC stellt eine starre Schaltung dar, die lediglich vorbestimmte Daten u . a . von Sensoren sammelt und weiterleitet . Ein Mikro-Master 7 bildet hingegen eine vorverarbeitende Instanz mit eigener Software , die in einer Kette der Datenweiterleitung von den Zellüberwachungsschaltkreisen CSCi zu einem Batteriemanagementsystem BMS als dem eigentlichen Steuergerät innerhalb der Kontrollvorrichtung 2 zwischengeschaltet ist . Neben dem Batteriemanagementsystem BMS ist auch j eder Mikro-Master 7 update- fähig .
Durch den beschriebenen Aufbau sind beide Teile , al so Hoch- voltverteilerbox 4 und Einheit 5 , separate Einheiten, die über Stecker miteinander verbunden sind . Im Falle eines Defektes sind diese Teile damit voneinander unabhängig auch schnell austauschbar . Der eigentliche Vorteil dieses Aufbaus wird aber anhand der Abbildung von Figur 2 deutlich, die eine Abwandlung des Aus führungsbeispiels von Figur 1 zur Erweiterung des Batteriesystems 1 darstellt . Dazu ist an die zu Figur 1 beschriebene Hochvoltverteilerbox 4 j enseits einer durch eine gestrichelte Linie angedeuteten physikalischen Grenze eine Serienschaltung von hier exemplarisch zwei intern gleich aufgebauten Einheiten 5 über getrennte Stecker HV-Plug, LV-Plug für Hochspannung HV und Niederspannung LV bzw . Datenleitungen angeschlossen worden .
Innerhalb des Batteriesystems 1 bilden die Einheiten 5 Untergruppen von miteinander verschalteten Speicherzellen 3 oder in einem anderen Aus führungsbeispiel aus Modulen Mod, wobei j ede Untergruppe 5 j eweils einen Mikro-Master 7 zur Auswertung von Zellspannungen und Temperatur durch angeschlossene Sensoren aufweist , die an j eweiligen Zellüberwachungsschaltkreisen CSC angeschlossen sind . Der Mikro-Master 7 ist zur Auswertung und Filterung aller Daten der hier acht Zellüberwachungsschalt- kreise CSC ausgebildet und über eine Datenleitung 8 an ein Batteriemanagementsystem BMS angeschlossen . Eine Vorverarbeitung der j eweiligen Messdaten j eder CSC in den zugehörigen Mikro-Mastern 7 j eder der beiden Einheiten 5 führt hier durch eine Filterung mit Fokussierung auf Abweichungen oder sonstige vordefinierte Auf fälligkeiten j edoch vorteilhafterweise nicht zu einer Verdoppelung der Daten . Durch die Vorverarbeitung aller Messdaten werden an das Batteriemanagementsystem BMS in der weiterhin nur einen Kontrollvorrichtung 2 nur als relevant herausgefilterte und/oder vorverarbeitete Daten zur Bearbeitung weitergeleitet und damit eine deutlich reduzierte Datenmenge .
Figur 3 zeigt das Aus führungsbeispiel von Figur 2 in einer Abwandlung zur Darstellung einer weiteren Art der Erweiterung des Batteriesystems 1 . Hier ist an die zu Figur 1 beschriebene und unverändert beibehaltene Hochvoltverteilerbox 4 j enseits der physikalischen Grenze eine Parallelschaltung zweier Einheiten 5 über die getrennten Stecker HV-Plug, LV-Plug für Hochspannung HV und Niederspannung LV angeschlossen worden . Wiederum bietet die Vorverarbeitung der j eweiligen Messdaten j edes Zellüberwachungsschaltkreises CSC in den zugehörigen Mikro-Mastern 7 j eder der beiden Einheiten 5 zu keiner proportionalen Erhöhung des Datenaufkommens , das an das Batteriemanagementsystem BMS weitergeleitet und dort verarbeitet werden muss . Auch hier ist damit weiterhin nur ein Batteriemanagementsystem BMS als Mikro-Controller in der Kontrollvorrichtung 2 für das in beschriebener Art erweiterte Batteriesystem 1 erforderlich, was selbstverständlich auch für umfangreichere Erweiterungen sowie Mischungen aus seriellen und parallelen Verschaltungen von Einheiten 5 gilt . Die Einheiten 5 s ind dazu auch selber u . a . hinsichtlich einer Anzahl von Zellen 3 oder Module Mod unterschiedlich aufgebaut , so dass hier zum Optimierung einer Raumausnutzung neue Freiheitsgrade geschaf fen werden .
Figur 4 zeigt eine alternative Darstellung eines Batteriesystems 1 unter Betonung einer internen Struktur des Buses 8 mit einer skalierbaren Anzahl von Ringbus-Systemen 6 innerhalb der Kontrollvorrichtung 2 von dem Batteriemanagementsystem BMS bis zu einem j eweiligen Zellüberwachungsschaltkreis CSC einer elementaren Speicherzelle 3 hin in einer vereinfachten Darstellung . Daher bleibt in dieser Darstellung j ede Art der elektrischen Verschaltung der Module zur Bereitstellung einer vorbestimmten Spannungsebene sowie eines Stroms an externen Klemmen bzw . Polen des Batteriesystems 1 unberücksichtigt und aus Gründen der Übersichtlichkeit ausgeblendet .
In diesem Aus führungsbeispiel sind sechs elementare Zellen 3 mit einem Zellüberwachungsschaltkreis CSC zu j e einem Modul Mod verschaltet . Jeder Zellüberwachungsschaltkreis CSC beinhaltet eine I solationsschwelle zur Trennung von der Hochvoltebene HV von einer angrenzenden Niedervoltebene LV und ist j enseits dieser durch eine Strich-Punkt-Linie angedeuteten Isolationsschwelle als Slave mit zwei Ports Port A, Port B ausgebildet . An einen Mikro-Master 7 werden 36 Zellüberwa- chungsschaltkreise CSC mit einer zweiardigen Datenleitung zur Datenübertragung angeschlossen, die zur Erhöhung einer Ausfallsicherheit als bidirektionaler Ringbus 6 ausgeführt ist . Diese Anordnung bildet eine Untergruppe 5 . Auf Gründen der Übersichtlichkeit sind nur j eweils das erste und das letzte Modul Mod mit zugehörigem Zellüberwachungsschaltkreis CSC dargestellt . Die Mikro-Master 7 führen j eweils eine Fi lterung und Reduktion der von den j e 36 angeschlossenen Zellüberwachungs- schaltkreisen CSC kontinuierlich erhaltenen Sensordaten mit aktuellen Werten für Temperatur und Spannung durch .
Die Mikro-Master 7 sind quasi als Kopf ihrer j eweil igen Untergruppe 5 über eine ISO SPI-Datenleitung 8 an das Batteriemanagementsystem BMS angeschlossen . Der Einsatz von mehreren Mikro-Master 7 ermöglicht es , die Abtastrate der Sensorik in Form der Zellüberwachungsschaltkreise CSC hochzuhalten, da nachfolgend mehrere Mikro-Master 7 die vielen Datenpunkte vorfiltern und lediglich aggregierte Werte an das Batteriemanagementsystem BMS als System-Master übermitteln . Das Batteriemanagementsystem BMS verarbeitet nun nur noch aggregierte Werte in deutlich reduziertem Datenumfang, aber auf Basis einer sehr hohen Abtastung zahlreicher Messstellen . Daraus ergibt sich eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der durch Algorithmen bestimmten j eweiligen Zell zustände sowie deren Fortschreibung .
In einem weiteren Aus führungsbeispiel ist die I solationsbarriere aus dem Bereich der Zellüberwachungsschaltkreise CSC hin in die Mikro-Master 7 verlagert . Das ist durch die dünnere Strich-Punkt-Linie L in Figur 4 angedeutet . Durch diesen Schritt wird eine benötigte Anzahl von Entkopplungselementen für die galvanische Trennung zwischen Hochvoltebene HV und Niedervoltebene LV deutlich gesenkt .
Eine Anpassung der Hochvoltverteilerbox 4 an eine geänderte Anzahl von Untergruppen 5 und/oder Änderungen innerhalb der Untergruppen 5 ist durch die Kopplung des Batteriemanagementsystems BMS an die Mirco-Master 7 über den Bus 8 nicht erforderlich . Eine Anzahl softwaretragender Komponenten ist auf die Mikro-Master 7 und das Batteriemanagementsystem BMS reduziert . Die Entwicklung sowie eine nachfolgende Administrierung sowie Pflege der beschriebenen Kontrollvorrichtung 2 wird durch eine proprietäre Software zum Einspielen von Updates der j eweiligen Software auf die genannten Komponenten erleichtert .
Bei flexibler Anpassbarkeit an beliebig in Untergruppen 5 aufgebaute Batteriesysteme 1 ist die beschriebene Kontrollvorrichtung 2 dadurch gekennzeichnet , dass keine Überlastung des Batteriemanagementsystems BMS durch eine zu hohe Datenmenge aus den j eweiligen Untergruppen 5 auftreten kann . Eine Vorverarbeitung durch den j e einen Mikro-Master 7 j e Untergruppe 5 wird eine ef fektive Reduzierung der zahlreichen Mes sdaten auf wesentliche Daten erzielt , die dann an das Batteriemanagementsystem BMS mit einem Steuergerät als Master pC zur Verarbeitung weitergeleitet werden .
Wie schon Eingangs dargestellt , so ist ein erfindungsgemäßer Ansatz auf ein Hochvolt-Batteriesystems 1 anwendbar , bei dem Untergruppen 5 von miteinander verschalteten Speicherzellen 4 und/oder aus einer Anzahl von Speicherzellen 4 auf gebauten Modulen Mod vorgesehen sind . Ohne wesentliche Änderungen ist die vorstehend beschriebene Architektur bei freier Wahl einer Verschaltung der Untergruppen 5 miteinander frei skalierbar . Die Funktionalität des Batteriemanagementsystems BMS der HVJB befindet sich außerhalb der miteinander verschalteten Untergruppen 5 und ist über Stecker HV-Plug, LV-Plug für Hochspannung und Niederspannung an die miteinander verschalteten Untergruppen 5 in einem modularen Aufbau angeschlossen .
Bezugs z ei chenl i s te
BMS Batterie Management-System
CSC Cell Supervision Circuit / Zellüberwachungsschalt- kreis eHV-Plug externer Stecker für Hochspannung an der HVJB eLV-Plug externer Stecker für Niederspannung an der HVJB
F Sicherung
Mod Modul
MSW Hochvolt-Schütz
SHN Shunt
HV Hochspannungsseite
HV-Plug Stecker für Hochspannung
L alternative I solationsbarriere
LV Niederspannungsseite
LV-Plug Stecker für Niederspannung
PRCH Precharge resistor / Vorladewiderstand Hochvolt-Batteriesystem Kontrollvorrichtung Batteriezelle / elementare Speicherzelle Hochvoltverteilerbox, HVJB Untergruppe / Einheit aus elektrisch miteinander ver- schalteten Speicherzellen 3 oder Modulen Mod j e mit CSC Ringbus Mikro-Master Bus

Claims

Ansprüche Kontrollvorrichtung für ein Batteriesystem, das eine Anzahl von Speicherzellen und/oder Modulen aufweist, die mit einem Steuergerät und auch miteinander verschaltet sind, wobei den Speicherzellen jeweils ein Zellüberwa- chungsschaltkreis mit angeschlossenen Sensoren angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Batteriesystems (1) Untergruppen (5) von miteinander verschalteten Speicherzellen (4) und/oder Modulen (Mod) vorgesehen sind, ede Untergruppe (5) jeweils einen Mikro-Master (7) aufweist, an den alle Zellüberwachungsschaltkreise (CSC) der betreffenden Untergruppe (5) angeschlossen sind, der Mikro-Master (7) zur Auswertung und Filterung aller Daten der Zellüberwachungsschaltkreise (CSC) ausgebildet und zum Datentransfer an ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit dem Steuergerät angeschlossen ist. Kontrollvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellüberwachungsschaltkreise (CSCs) als Slaves zum Versand der Uberwachungsda- ten über eine Datenleitung (6) an den zugehörigen Mikro- Master (7) ausgebildet sind. Kontrollvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenleitung (6) zwischen den Zellüberwachungsschaltkreisen (CSC) zum Versand der Uberwachungsdaten an den Mikro-Master (7) als Ringleitung ausgebildet ist. Kontrollvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenleitung (6) als bidirektionaler Ringbus ausgebildet ist. Kontrollvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Module (Mod) eine Potentialtrennung der Daten- bzw. Busleitungen (6) auf einer Niederspannungsebene (LV) gegenüber der Hochvolt-Ebene (HV) der jeweiligen Speicherzellen (3) und deren Verschaltung verwirklicht ist, vorzugsweise in den Zellüberwachungsschaltkreisen (CSC) . Kontrollvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolationsbarriere (L) zwischen der Hochvolt-Ebene (HV) und der Niedervolt-Ebene (LV) vorgesehen ist, die innerhalb der Mikro-Master (7) liegt. Kontrollvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro-Master (7) das Batteriemanagementsystem (BMS) und das Steuergerät update-fähig ausgebildet sind. Kontrollvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro-Master (7) über eine ISO SPI-Datenleitung (8) an ein Batteriemanagementsystem (BMS) angeschlossen sind. Kontrollvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (BMS) als Bestandteil einer Hochvoltverteilerbox (4) über Stecker (HV-Plug) für Hochspannung (HV) und (LV- Plug) für Niederspannung (LV) mit mindestens einer Einheit (5) verbunden ist.
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