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DE102014200096A1 - Batteriemanagementsystem zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer Batterie und Batteriesystem mit einem solchen Batteriemanagementsystem - Google Patents

Batteriemanagementsystem zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer Batterie und Batteriesystem mit einem solchen Batteriemanagementsystem Download PDF

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DE102014200096A1
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DE
Germany
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battery
management system
battery management
separating device
data
Prior art date
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Pending
Application number
DE102014200096.3A
Other languages
English (en)
Inventor
Stefan Benz
Joerg Schneider
Karsten Haug
Stefan Butzmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to CN201480072519.9A priority patent/CN105874680B/zh
Priority to PCT/EP2014/079424 priority patent/WO2015104201A1/de
Priority to US15/110,137 priority patent/US20160336770A1/en
Priority to KR1020167017872A priority patent/KR102329913B1/ko
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem (1) zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren, eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batterie, welches eine Steuergeräteeinheit (2), eine Mehrzahl von jeweils wenigstens einer Batteriezelle zuzuordnenden Zellüberwachungseinheiten (3), ein Kommunikationssystem (5) zum Senden und/oder Empfangen von Daten und eine Trenneinrichtung (4) zur galvanischen Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung umfasst, wobei die Trenneinrichtung (4) ausgebildet ist, Daten zu empfangen. Die Trenneinrichtung (4) umfasst dabei eine Auswerteeinheit, welche seitens der Trenneinrichtung (4) empfangene Daten hinsichtlich eines Erfordernisses zur Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung auswertet.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriesystem mit einer nachladbaren, eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batterie und einem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem (1) zum Überwachen und Regeln des Betriebs der Batterie.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren, eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batterie, welches eine Steuergeräteeinheit, eine Mehrzahl von jeweils wenigstens einer Batteriezelle zuzuordnenden Zellüberwachungseinheiten, ein Kommunikationssystem zum Senden und/oder Empfangen von Daten und eine Trenneinrichtung zur galvanischen Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung umfasst, wobei die Trenneinrichtung ausgebildet ist, Daten zu empfangen.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer nachladbaren, eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batterie und einem Batteriemanagementsystem zum Überwachen und Regeln des Betriebs der Batterie.
  • Stand der Technik
  • Batteriemanagementsysteme sind im Stand der Technik beispielsweise aus der Druckschrift WO 2010/118039 A1 bekannt. Eingangs genannte Batteriemanagementsysteme werden dabei in Batteriesystemen, die eine Batterie mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen, insbesondere nachladbarer Lithium-Ionen-Zellen, umfasst, insbesondere zum Überwachen und Regeln des Betriebs der Batterie eingesetzt. Der Betrieb einer Batterie eines Batteriesystems umfasst dabei insbesondere den Entladevorgang einer Batterie, das heißt insbesondere die Nutzung einer solchen Batterie mit einem entsprechenden elektrischen Verbraucher, sowie den Ladevorgang einer Batterie, das heißt das Nachladen einer Batterie. Das Batteriemanagementsystem sichert dabei üblicherweise den zuverlässigen Betrieb unter Berücksichtigung von an die Batterie zu stellenden Sicherheits-, Leistungs- und/oder Lebensdaueranforderungen.
  • Bei bislang bekannten Batteriemanagementsystemen werden insbesondere die Zellspannungen der Batteriezellen von mehreren Zellüberwachungseinheiten, sogenannten Cell Supervising Circuits (CSCs), als Messwerte erfasst und über einen Kommunikations-Bus an eine zentrale Steuergeräteeinheit, die sogenannte Battery Control Unit (BCU), übertragen. Des Weiteren können von einem Stromsensor gemessene Ströme als weitere Messwerte an die Steuergeräteeinheit übertragen werden. Durch Auswerten der Messwerte bestimmt die Battery Control Unit Batterieeigenschaften, wie unter anderem den Ladezustand einzelner Batteriezellen, welcher auch als State of Charge (SOC) bezeichnet wird, sowie die Alterung einzelner Batteriezellen, die auch als State of Health (SOH) bezeichnet wird.
  • Darüber hinaus umfassen derartige Batteriemanagementsysteme üblicherweise Schaltschütze als Trenneinrichtung zur galvanischen Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung. Eine solche Trenneinrichtung ist dabei ausgebildet, Ansteuerungssignale als Daten zu empfangen, wobei die Ansteuerung der Trenneinrichtung ebenfalls durch die Steuergeräteeinheit erfolgt. Insbesondere ist der Steuergeräteeinheit die Aufgabe zugewiesen, über die Ansteuerung der Trenneinrichtung einzelne Batteriezellen oder eine Gruppe von Batteriezellen, wie insbesondere einzelne Batteriemodule, von den Polanschlüssen der Batterie elektrisch zu trennen, wenn erfasste Messwerte auf einen sicherheitskritischen Zustand dieser Batteriezellen hinweisen. Ein solches Abtrennen von Batteriezellen ist von großer Bedeutung, um größere Schäden sowohl von der Batterie als auch von einer von der Batterie gespeisten elektrischen Verbrauchereinrichtung beziehungsweise einer die Batterie nachladenden Ladeeinrichtung fernzuhalten.
  • Insbesondere im Hinblick auf diesen sicherheitsrelevanten Aspekt besteht dabei der fortwährende Bedarf, Batteriemanagementsysteme und Batteriesysteme mit Batteriemanagementsystemen weiter zu verbessern.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein im Hinblick auf den sicheren Betrieb eines Batteriesystems verbessertes Batteriemanagementsystem bereitzustellen, welches vorteilhafterweise bei Vorliegen eines Erfordernisses zur Trennung der Batterie von einer an der Batterie angeschlossenen Verbraucher- und/oder Ladeeinrichtung hinsichtlich eines frühzeitigen Trennens verbessert ist. Darüber hinaus soll das Batteriemanagementsystem vorteilhafterweise hinsichtlich einer zuverlässigeren Erkennung von sicherheitskritischen Zuständen der Batteriezellen verbessert sein.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Batteriemanagementsystem zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren, eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batterie vorgeschlagen, welches eine Steuergeräteeinheit, eine Mehrzahl von jeweils wenigstens einer Batteriezelle zuzuordnenden Zellüberwachungseinheiten, ein Kommunikationssystem zum Senden und/oder Empfangen von Daten und eine Trenneinrichtung zur galvanischen Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung umfasst, wobei die Trenneinrichtung ausgebildet ist, Daten zu empfangen, und die Trenneinrichtung eine Auswerteeinheit umfasst, welche seitens der Trenneinrichtung empfangene Daten hinsichtlich eines Erfordernisses zur Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung auswertet. Durch die Auswerteeinheit ist die Trenneinrichtung vorteilhafterweise quasi mit einer „Intelligenz“ ausgestattet, wodurch die Funktionalität der Trenneinrichtung vorteilhafterweise erweitert und/oder erweiterbar ist. Die Trenneinrichtung des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems ist somit vorteilhafterweise eine in deren Funktionsumfang erweiterte Batterie Disconnect Unit (BDU).
  • Von der Trenneinrichtung des Batteriemanagementsystems empfangene Daten sind insbesondere analoge und/oder digitalisierte Messgrößen und/oder Steuerungssignale. Insbesondere ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Auswerteeinheit der Trenneinrichtung ausgebildet ist, eine zusätzliche Sicherheitsüberprüfung durchführen zu können und somit die Sicherheit eines Batteriesystems mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem weiter zu erhöhen. Insbesondere ist die Auswerteeinheit gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ausgebildet, Auswertungsergebnisse der Steuergeräteeinheit zu verifizieren, sodass vorteilhafterweise nur bei einem verifizierten Vorliegen eines Erfordernisses zur Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung die Trenneinrichtung die Batterie von einer angeschlossenen Verbraucher- und/oder Ladeeinrichtung galvanisch trennt.
  • Vorteilhafterweise ist die Trenneinrichtung durch Auswertung von empfangenen Daten selbst in der Lage, ein Trennen der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung auszulösen, vorzugsweise ohne dass ein entsprechendes Auslöse- und/oder Ansteuerungssignal von der Steuergeräteeinheit an die Trenneinrichtung gesendet wird. Vorzugsweise umfasst die Trenneinrichtung ferner Schaltelemente, vorzugsweise Schaltschütze, welche vorteilhafterweise durch ein Öffnen den Hochspannungskreis zwischen Batterie und Verbrauchereinrichtung beziehungsweise zwischen Batterie und Ladeeinrichtung unterbrechen. Ein Öffnen der Schaltelemente wird dabei vorzugsweise durch ein an das jeweilige Schaltelement gesendetes Ansteuerungssignal ausgelöst, wobei die Trenneinrichtung vorteilhafterweise ausgebildet ist, das Ansteuerungssignal zu generieren. Vorteilhafterweise ist bei einer derartigen vorteilhaften Ausgestaltung der sicherheitskritische Pfad innerhalb des Batteriemanagementsystems verkürzt, da Daten direkt an die Trenneinrichtung übertragen werden können und nicht der längere Signalpfad über die Steuergeräteeinheit erforderlich ist. Darüber hinaus ist die Steuergeräteeinheit vorteilhafterweise mit ausschließlich nicht sicherheitskritischer Funktionalität ausführbar. Hierdurch vereinfachen sich vorteilhafterweise die an die Steuergeräteeinheit gestellten Absicherungsanforderungen sowie der damit verbundene Absicherungsaufwand, wodurch vorteilhafterweise Kosten einsparbar sind.
  • Die Steuergeräteeinheit des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems ist vorzugsweise eine zentrale Steuergeräteeinheit, insbesondere eine sogenannte Batterie Control Unit (BCU). Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Steuergeräteeinheit ausgebildet ist, zentrale Steueraufgaben auszuführen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Steuergeräteeinheit über das Kommunikationssystem mit den Zellüberwachungseinheiten zum Empfang von Daten verbunden ist und von den Zellüberwachungseinheiten erfasste Betriebsparameter, insbesondere Batteriezellspannungen und/oder Batteriezelltemperaturen, empfängt. Die empfangenen Daten werden dabei von der Steuergeräteeinheit ausgewertet. Im Rahmen der Auswertung werden insbesondere Batterieeigenschaften, wie beispielsweise der Ladezustand von Batteriezellen (SOC; SOC: State of Charge) und/oder der Alterungszustand von Batteriezellen (SOH; SOH: State of Health) bestimmt. Darüber hinaus weist die Steuergeräteeinheit vorzugsweise eine Kommunikationsschnittstelle auf, über welche die Steuergeräteeinheit mit weiteren Steuergeräteeinheiten, welche nicht zu dem Batteriemanagementsystem gehören, kommunizieren kann. Da insbesondere eine Verwendung des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems in in Hybrid-, Plug-In-Hybrid oder Elektrofahrzeugen eingesetzten Batteriesystemen vorgesehen ist, kann die Steuergeräteeinheit des Batteriemanagementsystems über die Kommunikationsschnittstelle vorteilhafterweise mit Fahrzeugsteuergeräten, wie beispielsweise einer sogenannten Vehicle Control Unit (VCU), kommunizieren. Eine VCU übernimmt dabei Funktionalitäten, wie die Koordination des Antriebmomentes, das Lademanagement und/oder die Kontrolle über Fahrzeugzustände, wie beispielsweise „Laden“, „Fahren“ oder „Parken“.
  • Die Zellüberwachungseinheiten des erfindungsgemäßen Batteriesystems sind vorzugsweise insbesondere zur Übernahme von sensorischen Funktionen, wie insbesondere zum Erfassen von Batteriezellspannungen und/oder von Batteriezelltemperaturen, und/oder zur Durchführung des Ladungsausgleichs zwischen den Batteriezellen ausgebildet. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Zellüberwachungseinheiten sogenannte Cell Supervision Circuits (CSC) sind.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Trenneinrichtung des Batteriemanagementsystems eine Steuereinrichtung, welche ausgebildet ist, eine Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung der Auswerteeinheit auszulösen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, Schaltelemente der Trenneinrichtung, insbesondere Schaltschütze, anzusteuern, vorzugsweise derart, dass die Schaltelemente durch ein von der Steuereinrichtung generiertes Ansteuerungssignal öffnen und somit ein galvanisches Trennen der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung vollzogen wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit der Trenneinrichtung der Steuereinrichtung der Trenneinrichtung das Vorliegen eines kritischen Betriebszustandes signalisiert, wobei ein kritischer Betriebszustand mittels der Auswerteeinrichtung detektiert wird. Hierzu können insbesondere seitens der Trenneinrichtung empfangene Messwerte mittels einer Komparatoreinheit mit vordefinierten Grenzwerten verglichen werden, wobei ein Überschreiten und/oder ein Unterschreiten eines vordefinierten Grenzwertes einen kritischen Betriebszustand der Batterie kennzeichnen kann.
  • Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems ist die Trenneinrichtung über das Kommunikationssystem mit den Zellüberwachungseinheiten verbunden, insbesondere direkt mit den Zellüberwachungseinheiten verbunden, wobei die Trenneinrichtung ausgebildet ist, von den Zellüberwachungseinheiten erfasste Betriebsparameter, insbesondere erfasste Batteriezellspannungen und/oder Batteriezelltemperaturen, als Daten zu empfangen. Durch diese bevorzugte direkte Kommunikation zwischen den Zellüberwachungseinheiten und der Trenneinrichtung, das heißt insbesondere zwischen Komponenten zur Zellspannungsmessung und/oder Temperaturmessung und Schaltelementen zur galvanischen Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder Ladeeinrichtung, ist vorteilhafterweise ein kurzer sicherheitskritischer Pfad realisiert, insbesondere da von den Zellüberwachungseinheiten erfasste Betriebsparameter nicht über die Steuergeräteeinheit des Batteriemanagementsystems an die Trenneinrichtung übertragen werden.
  • Vorteilhafterweise ist das Kommunikationssystem des Batteriemanagementsystems ein serielles BUS-System, vorzugsweise ein CAN-Bussystem. Daten werden dabei innerhalb des Batteriemanagementsystems vorteilhafterweise unter Nutzung des CAN-Protokolls übertragen. Eine Übertragung unter Nutzung des CAN-Protokolls ist vorteilhafterweise besonders zuverlässig und wenig störanfällig.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems umfasst das Batteriemanagementsystem wenigstens eine Strommesseinrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms der Batterie, wobei die wenigstens eine Strommesseinrichtung mit der Trenneinrichtung verbunden ist und die Trenneinrichtung ausgebildet ist, von der wenigstens einen Strommesseinrichtung gemessene Ströme als Daten zu empfangen. Beispielsweise kann die Strommessung unter Nutzung eines Shunts realisiert werden. Die Anbindung der wenigstens einen Strommesseinrichtung an die Trenneinrichtung kann insbesondere über einen sogenannten LIN-Bus (LIN: Local Interconnect Network) erfolgen. Eine Anbindung der entsprechenden Strommesseinrichtung an die Steuergeräteeinheit des Batteriemanagementsystems, wie bislang üblich, kann bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Batteriemanagementsystems vorteilhafterweise entfallen. Durch die direkte Kommunikation zwischen der Trenneinrichtung und der wenigstens einen Strommesseinrichtung ist vorteilhafterweise ein kurzer sicherheitskritischer Pfad realisiert. Die Sicherheit beim Betrieb einer Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem ist hierdurch vorteilhafterweise weiter erhöht.
  • Vorteilhafterweise ist die Trenneinrichtung ferner ausgebildet, wenigstens ein Crash-Signal als Daten zu empfangen. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Einsatz des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems in einem in einem Fahrzeug eingesetzten Batteriesystem. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass eine Steuergeräteeinheit des Fahrzeugs durch Auswerten von von Crash-Sensoren erfassten Messgrößen ein Crash-Signal erzeugt, beispielsweise ein Crash-Signal, welches zur Auslösung von KFZ-Rückhaltesystemen genutzt wird, und dieses Signal an die Trenneinrichtung gesendet wird. Die Trenneinrichtung weist hierzu vorzugsweise eine gesonderte Kommunikationsschnittstelle auf. Vorzugsweise wird das Crash-Signal von der Auswerteeinheit der Trenneinrichtung als Crash-Signal erkannt, wobei bei Empfang eines Crash-Signals vorteilhafterweise eine Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung ausgelöst wird, vorzugsweise durch Ansteuerung von Schaltschützen der Trenneinrichtung.
  • Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemanagementsystem ein weiteres Kommunikationssystem auf, wobei die Trenneinrichtung über das weitere Kommunikationssystem mit den Zellüberwachungseinheiten verbunden ist. Vorzugsweise ist die Trenneinrichtung zudem über das erste Kommunikationssystem mit den Zellüberwachungseinheiten verbunden. Das weitere Kommunikationssystem wird dabei vorteilhafterweise zur redundanten Übertragung von sicherheitsrelevanten Informationen genutzt, insbesondere zur Übertragung von von den Zellüberwachungseinheiten erfassten Batteriezellspannungen und/oder Batteriezelltemperaturen, vorzugsweise von kritischen Batteriezellspannungen und/oder kritischen Batteriezelltemperaturen. Durch das weitere Kommunikationssystem ist vorteilhafterweise die Systemsicherheit weiter erhöht. Vorteilhafterweise ist zudem eine ASIL-Dekomposition (vgl. ISO 26262) ermöglicht. Das weitere Kommunikationssystem ist vorteilhafterweise als serielles BUS-System realisiert.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass das weitere Kommunikationssystem eine die Zellüberwachungseinheit miteinander verbindende Kommunikationsleitung ist, wobei Daten von den Zellüberwachungseinheiten über die Kommunikationsleitung unter Nutzung des Daisy-Chain-Prinzips an die Trenneinrichtung übertragen werden. Das weitere Kommunikationssystem ist dabei vorzugsweise als eine Daisy-Chain-Alarm-Line ausgebildet, über welche vorzugsweise sämtliche sicherheitsrelevanten Informationen zwischen den Zellüberwachungseinheiten und der Trenneinrichtung übertragen werden können.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems ist die Trenneinrichtung ferner ausgebildet, unter Nutzung empfangener Daten ein HV-Interlock-Signal (HV: High Voltage) zu generieren und/oder zu überwachen. Hierdurch kann vorteilhafterweise direkt Einfluss auf die Steuerung der Schaltelement der Trenneinrichtung (Schützsteuerung) genommen werden. Das HV-Interlock-Signal ist vorteilhafterweise ein Signal, welches zum Trennen des Hochspannungskreises zwischen Batterie und Verbraucher- und/oder Ladeeinrichtung genutzt wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Batteriemanagementsystem teilweise an einen Hochspannungskreis und teilweise an einen Niederspannungskreis angeschlossen ist, wobei die Steuergeräteeinheit ausschließlich an dem Niederspannungskreis angeschlossen ist. Dadurch, dass die Steuergeräteeinheit bei dieser Ausgestaltung ausschließlich auf Niederspannungspotential (LV-Potential; LV: Low Voltage) betrieben wird, ist vorteilhafterweise eine kostengünstigere Realisierung der Steuergeräteeinheit ermöglicht. Eine derartige vorteilhafte Ausgestaltung wird ohne Sicherheitseinbußen vorteilhafterweise dadurch realisiert, dass nicht die Steuergeräteeinheit zur Ansteuerung der Trenneinrichtung des Batteriemanagementsystems genutzt wird. Da die Trenneinrichtung des Batteriemanagementsystems erfindungsgemäß durch die Auswerteeinheit eine eigene Intelligenz aufweist, ist die Trenneinrichtung vorteilhafterweise ausgebildet, empfangene Daten auszuwerten und vorteilhafterweise die ausgewerteten Daten zum Ansteuern von Schaltschützen der Trenneinrichtung zu nutzen, vorzugsweise durch eine Steuereinrichtung der Trenneinrichtung.
  • Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Batteriesystem mit einer nachladbaren, eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batterie und einem Batteriemanagementsystem zum Überwachen und Regeln des Betriebs der Batterie vorgeschlagen, wobei das Batteriemanagementsystem des Batteriesystems ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem ist.
  • Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 in einem Blockschaltbild eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem; und
  • 2 in einem Blockschaltbild eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem.
  • In 1 und 2 ist jeweils als Blockschaltbild ein Batteriemanagementsystem 1 zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren, eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batterie dargestellt. Das Batteriemanagementsystem umfasst dabei eine Steuergeräteeinheit 2, mehrere Zellüberwachungseinheiten 3 (in 1 und 2 sind jeweils drei Zellüberwachungseinheiten 3 dargestellt), eine Trenneinrichtung 4 zur galvanischen Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung, ein Kommunikationssystem 5 und eine Strommesseinrichtung 6. Insbesondere ist eine Verwendung der in 1 und 2 dargestellten Batteriemanagementsysteme 1 in in Elektrofahrzeugen eingesetzten Batteriesystemen vorgesehen.
  • Wie in 1 und 2 durch die unterschiedlichen Schraffuren kenntlich gemacht, ist das Batteriemanagementsystem 1 teilweise an einen Hochspannungskreis (Schraffur von links unten nach rechts oben) und teilweise an einen Niederspannungskreis (Schraffur von links oben nach rechts unten) angeschlossen. Die Steuergeräteeinheit 2 ist dabei jeweils vorteilhafterweise ausschließlich an den Niederspannungskreis angeschlossen.
  • Die Steuergeräteeinheit 2 des in 1 und 2 jeweils dargestellten Batteriemanagementsystems 1 ist vorzugsweise als Batterie Control Unit ausgebildet. Die Steuergeräteeinheit 2 ist über einen CAN-Bus 9 mit einer Fahrzeugsteuergeräteeinrichtung 10 zum Austausch von Daten verbunden. Diese Fahrzeugsteuergeräteeinrichtung 10 kann insbesondere eine sogenannte Vehicle Control Unit (VCU) sein, welche insbesondere Funktionalitäten, wie die Koordination des Antriebsmomentes, das Lademanagement und/oder die Kontrolle über Fahrzeugzustände, wie Laden, Fahren, Parken usw., ausübt. Vorteilhafterweise können von den Zellüberwachungseinheiten 3 bereitgestellte Daten oder von der Trenneinrichtung 4 bereitgestellte Daten von der Steuergeräteeinheit 2 empfangen und von dieser verarbeitet werden. Insbesondere können diese Daten von der Steuergeräteeinheit 2 über den CAN-Bus 9 an die weitere Fahrzeugsteuergeräteeinrichtung 10 gesendet werden.
  • Die Zellüberwachungseinheiten 3 des Batteriemanagementsystems 1 sind vorzugsweise Cell Supervision Circuits (CSC), welche insbesondere ausgebildet sind, Betriebsparameter einer Batterie, insbesondere Batteriezellspannungen und/oder Batteriezelltemperaturen, zu erfassen und darüber hinaus weitergehende Funktionen auszuführen, insbesondere ein sogenanntes Cell-Balancing.
  • Die Trenneinrichtung 4 des Batteriemanagementsystems 1 ist vorzugsweise eine weiterentwickelte Batterie Disconnect Unit (BDU), welche insbesondere ausgebildet ist, über Schaltelemente, vorzugsweise über Schaltschütze, den Hochspannungskreis zwischen einer Batterie und einer Verbrauchereinrichtung und/oder einer Ladeeinrichtung zu unterbrechen. Die Trenneinrichtung 4 umfasst in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils eine Auswerteeinheit (in den Figuren nicht explizit dargestellt), welche insbesondere als Mikrocontrollerschaltung ausgebildet sein kann. Darüber hinaus umfasst die Trenneinrichtung 4 eine Steuereinrichtung (in den Figuren nicht explizit dargestellt), insbesondere ein Steuergerät, welches zum Ansteuern der Schaltelemente der Trenneinrichtung (in den Figuren nicht explizit dargestellt) ausgebildet ist.
  • Wie in 1 und 2 schematisch dargestellt, sind die Zellüberwachungseinheiten 3 und die Steuergeräteeinheit 2 sowie die Zellüberwachungseinheiten 3 und die Trenneinrichtung 4 über ein Kommunikationssystem 5 zum Senden und/oder Empfangen von Daten miteinander verbunden. Das Kommunikationssystem 5 ist vorzugsweise als CAN-Bussystem ausgebildet. Über das Kommunikationssystem 5 können die Steuergeräteeinheit 2 und die Trenneinrichtung 4 jeweils mit den Zellüberwachungseinheiten 3 Daten austauschen. Insbesondere ist die Trenneinrichtung 4 ausgebildet, über das Kommunikationssystem 5 Daten von den Zellüberwachungseinheiten zu empfangen, insbesondere von den Zellüberwachungseinheiten 3 erfasste Betriebsparameter, wie insbesondere Batteriezellspannungen und/oder Batteriezelltemperaturen.
  • Die Strommesseinrichtung 6 des Batteriemanagementsystems 1, welche vorzugsweise als Shunt ausgebildet ist, ist mit der Trenneinrichtung 4 verbunden, vorzugsweise über einen LIN-Bus 11. Die Trenneinrichtung 4 ist dabei ausgebildet, von der Strommesseinrichtung 6 gemessene Ströme als Daten zu empfangen.
  • Die Trenneinrichtung 4 ist des Weiteren ausgebildet, ein über die Signalleitung 7 gesendetes Crash-Signal als Daten zu empfangen und auszuwerten, um bei Bedarf ein galvanisches Trennen der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung auszulösen. Ferner ist die Trenneinrichtung 4 vorteilhafterweise ausgebildet, ein HV-Interlock-Signal zu überwachen, welches der Trenneinrichtung über die Signalleitung 8 bereitgestellt wird.
  • Sämtliche über das Kommunikationssystem 5, über die Signalleitung 7, über die Signalleitung 8 und/oder von der Strommesseinrichtung 6 über den LIN-Bus 11 eingehenden Daten werden vorteilhafterweise von der Auswerteeinheit der Trenneinrichtung 4 hinsichtlich eines Erfordernisses zur Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung ausgewertet. Insbesondere erfolgt seitens der Auswerteinheit der Trenneinrichtung 4 eine Auswertung von über das Kommunikationssystem 5 empfangenen Betriebsparametern, wie empfangenen Batteriezellspannungen und/oder Batteriezelltemperaturen, dahingehend, ob ein kritischer Betriebszustand vorliegt. Hierzu können empfangene Betriebsparameter insbesondere Schwellwertvergleichen unterzogen werden, um festzustellen, ob Betriebsparameter vorgegebene untere Grenzwerte und/oder obere Grenzwerte überschreiten beziehungsweise unterschreiten. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit der Trenneinrichtung 4 vorteilhafterweise ausgebildet, die von der Strommesseinrichtung 6 gemessenen Ströme hinsichtlich kritischer Werte auszuwerten. Ferner ist die Auswerteeinheit vorteilhafterweise ausgebildet, ein über die Signalleitung 7 empfangenes Signal dahingehend auszuwerten, ob aufgrund eines erfolgten Fahrzeug-Crashs eine Trennung der Batterie von einer Verbrauchereinrichtung und/oder einer Ladeeinrichtung erforderlich ist.
  • Die Steuereinrichtung der Trenneinrichtung 4 ist vorteilhafterweise ausgebildet, eine Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Auswertung der Auswerteeinheit auszulösen. Die Steuereinrichtung ist dabei vorteilhafterweise ausgebildet, die Schaltelemente der Trenneinrichtung zum Trennen der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung derart anzusteuern, dass diese Öffnen. Der Hochspannungskreis wird durch das Öffnen des Schaltelementes beziehungsweise der Schaltelemente vorteilhafterweise unterbrochen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung der Trenneinrichtung 4 ausgebildet, ein Steuersignal zu generieren, wobei die Schaltelemente bei Empfang des Steuersignals öffnen.
  • Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel um ein weiteres Kommunikationssystem 12 erweitert. Das weitere Kommunikationssystem 12 ist dabei vorzugsweise ein Feldbus. Das weitere Kommunikationssystem 12 wird dabei zur redundanten Übertragung von von den Zellüberwachungseinheiten 3 erfassten Daten, insbesondere von sicherheitsrelevanten Informationen, an die Trenneinrichtung 4 genutzt. Das heißt, dass die Trenneinrichtung 4 sowohl über das Kommunikationssystem 5 als auch über das weitere Kommunikationssystem 12 Daten von den Zellüberwachungseinheiten 3 empfängt. Die Übertragung von erfassten Daten von den Zellüberwachungseinheiten 3 an die Trenneinrichtung 4 erfolgt in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel unter Nutzung des sogenannten Daisy-Chain-Prinzips. Das heißt, dass eine der Zellüberwachungseinheiten 3 (in 2 die unterste Zellüberwachungseinheit) direkt mit der Trenneinrichtung 4 verbunden ist und die weiteren Zellüberwachungseinheiten 3 dabei jeweils mit einer weiteren Zellüberwachungseinheit 3 (in 2 jeweils mit der entsprechend höher angeordneten Zellüberwachungseinheit) verbunden sind. Daten werden dabei jeweils von einer Zellüberwachungseinheit 3 an die nächste Zellüberwachungseinheit 3 übertragen und von der letzten Zellüberwachungseinheit 3 schließlich an die Trenneinrichtung 4.
  • Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschreibend.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2010/118039 A1 [0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ISO 26262 [0018]

Claims (11)

  1. Batteriemanagementsystem (1) zum Überwachen und Regeln des Betriebs einer nachladbaren, eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batterie, welches eine Steuergeräteeinheit (2), eine Mehrzahl von jeweils wenigstens einer Batteriezelle zuzuordnenden Zellüberwachungseinheiten (3), ein Kommunikationssystem (5) zum Senden und/oder Empfangen von Daten und eine Trenneinrichtung (4) zur galvanischen Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung umfasst, wobei die Trenneinrichtung (4) ausgebildet ist, Daten zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (4) eine Auswerteeinheit umfasst, welche seitens der Trenneinrichtung (4) empfangene Daten hinsichtlich eines Erfordernisses zur Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung auswertet.
  2. Batteriemanagementsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (4) eine Steuereinrichtung umfasst, welche ausgebildet ist, eine Trennung der Batterie von einer Verbraucher- und/oder einer Ladeeinrichtung in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung der Auswerteeinheit auszulösen.
  3. Batteriemanagementsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (4) über das Kommunikationssystem (5) mit den Zellüberwachungseinheiten (3) verbunden ist, wobei die Trenneinrichtung (4) ausgebildet ist, von den Zellüberwachungseinheiten (3) erfasste Betriebsparameter als Daten zu empfangen.
  4. Batteriemanagementsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem (5) ein serielles Bussystem ist.
  5. Batteriemanagementsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (1) wenigstens eine Strommesseinrichtung (6) zum Messen eines elektrischen Stroms der Batterie umfasst, wobei die wenigstens eine Strommesseinrichtung (6) mit der Trenneinrichtung (4) verbunden ist und die Trenneinrichtung (4) ausgebildet ist, von der wenigstens einen Strommesseinrichtung (6) gemessene Ströme als Daten zu empfangen.
  6. Batteriemanagementsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (4) ausgebildet ist, wenigstens ein Crash-Signal als Daten zu empfangen.
  7. Batteriemanagementsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein weiteres Kommunikationssystem (12), wobei die Trenneinrichtung (4) über das weitere Kommunikationssystem (12) mit den Zellüberwachungseinheiten (3) verbunden ist.
  8. Batteriemanagementsystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Kommunikationssystem eine die Zellüberwachungseinheiten (3) miteinander verbindende Kommunikationsleitung (12) ist, wobei Daten von den Zellüberwachungseinheiten (3) über die Kommunikationsleitung (12) unter Nutzung des Daisy-Chain-Prinzips an die Trenneinrichtung (4) übertragen werden.
  9. Batteriemanagementsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (4) ausgebildet ist, unter Nutzung empfangener Daten ein HV-Interlock-Signal zu generieren und/oder zu überwachen.
  10. Batteriemanagementsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (1) teilweise an einen Hochspannungskreis und teilweise an einen Niederspannungskreis angeschlossen ist, wobei die Steuergeräteinheit (2) ausschließlich an den Niederspannungskreis angeschlossen ist.
  11. Batteriesystem mit einer nachladbaren, eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batterie und einem Batteriemanagementsystem (1) zum Überwachen und Regeln des Betriebs der Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (1) ein Batteriemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.
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