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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum automatischen Auslesen und Validieren von Daten eines Zellmoduls eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug mit einem Anschlusselement zur Stromversorgung.
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Aus der
US 11,548,404 B2 ist eine Batteriewartungsvorrichtung zur Durchführung von Wartungsarbeiten an Batteriepaketen von Elektrofahrzeugen bekannt. Das Batteriewartungsgerät umfasst mehrere Lasten zur Verbindung mit einem Batteriepaket zum Entladen des Batteriepaketes. Zudem weist die Batteriewartungsvorrichtung Ladeschaltkreise zum Laden des Batteriepaktes auf. Für eine Kommunikation mit den Ladeschaltkreisen im Batteriepack und Schaltkreisen des Elektrofahrzeuges sind Eingangs-/Ausgangsschaltkreise vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum automatischen Auslesen und Validieren von Daten eines Zellmoduls eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Vorrichtung zum, insbesondere automatischen, Auslesen und Validieren von Daten eines Zellmoduls eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug mit einem Anschlusselement zur Stromversorgung umfasst erfindungsgemäß:
- - eine Hauptplatine mit einem Mikrocontroller, welcher mit dem Anschlusselement zur Stromversorgung gekoppelt ist, und einem ersten Schnittstellenchip für eine Kommunikation mit zumindest einer Messelektronik des Zellmoduls, wobei der Mikrocontroller mit dem ersten Schnittstellenchip verbunden ist,
- - eine auf der Hauptplatine angeordnete Aufsteckplatine mit einem zweiten Schnittstellenchip für eine Kommunikation mit einer Messelektronik des Zellmoduls, wobei der Mikrocontroller mit dem zweiten Schnittstellenchip verbunden ist und
- - eine Trennplatine mit zwei Trennelementen zur galvanischen Trennung bis zur einer elektrischen Gleichspannung bis 1500 Volt, wobei ein Trennelement zur galvanischen Trennung einer Verbindung des ersten Schnittstellchips von einem Adapter-Anschlusselement ausgebildet ist und ein weiteres Trennelement zur galvanischen Trennung bei einer erfassten Gefährdung einer Verbindung des zweiten Schnittstellenchips von dem Adapter-Anschlusselement ausgebildet ist.
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Mittels einer derart ausgebildeten Vorrichtung ist es vergleichsweise einfach möglich, Daten von elektrochemischen Einzelzellen des Zellmoduls, wie beispielsweise eine Zellspannung und/oder eine Temperatur über die Messelektronik des Zellmoduls zu erfassen.
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Die Vorrichtung ermöglicht eine Diagnose der elektrochemischen Einzelzellen in einer Produktion, zur Befundung, zur Nacharbeit und/oder bei einer Wiederaufbereitung eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere in Form einer sogenannten Hochvoltbatterie. Eine solche Diagnose ist unerlässlich für eine frühzeitige Fehlerkennung in Bezug auf eine Einzelzelle, zur Erkennung von Ausschuss und zur Kostensenkung.
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Insbesondere ist mittels der Vorrichtung eine Schnelldiagnose hinsichtlich der Einzelzellen bei unbekanntem Zustand des Zellmoduls möglich, wobei mittels der Vorrichtung Wareneingangstests von Zellmodulen in einer Serienproduktion, insbesondere durch Kontrolle von Spannungsdifferenzen, durch Kontrolle einer Sensorik zur Zellüberwachung sowie durch Kontrolle von sogenannten Prozessfenstern der Einzelzellen, zur Fehlerfrüherkennung durchgeführt werden können.
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Mittels der Vorrichtung ist eine im Vergleich schnelle Befundung von Feldausfällen einschließlich einer Visualisierung von Fehlerstellen möglich und mittels der Vorrichtung kann eine Vorbereitung von Zellmodulen für einen Wiederverwendungsprozess durchgeführt werden, beispielsweise in Bezug auf einen Ladungsausgleich, Spannungsdifferenzen, Kontrolle der Sensorik, Kontrolle der Prozessfenster etc.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Ansicht einer Vorrichtung zum Auslesen und Validieren von Daten eines Zellmoduls eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug,
- 2 schematisch eine weitere Ansicht der Vorrichtung,
- 3 schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung,
- 4 schematisch ein Schaltbild der Vorrichtung und
- 5 schematisch ein Ablaufdiagramm zum automatischen Auslesen und Validieren der Daten mittels der Vorrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 3 zeigen jeweils eine Ansicht einer Vorrichtung 1 zum, insbesondere automatischen, Auslesen und Validieren von Daten eines Zellmoduls eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug, wobei es sich bei dem elektrischen Energiespeicher um eine Traktionsbatterie des jeweiligen Fahrzeuges handelt.
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1 zeigt eine Ansicht, 2 eine weitere Ansicht und in 3 ist eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung 1 dargestellt.
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Ein Zellmodul eines solchen elektrischen Energiespeichers, welcher als Hochvoltbatterie bezeichnet wird, umfasst eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschaltete Einzelzellen, insbesondere elektrochemische Einzelzellen. Das Zellmodul oder einzelne Einzelzellen werden üblicherweise mittels einer Sensorik, insbesondere einer Zellüberwachungseinheit, überwacht, wobei insbesondere eine jeweilige Zellspannung und Temperatur der Einzelzellen erfasst wird.
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Solche Zellmodule stellen vergleichsweise komplexe Systeme dar, wobei ohne einen Zugriff auf eine moduleigene Messelektronik, insbesondere die Sensorik der jeweiligen Zellüberwachungseinheit, keine Aussage über einen jeweiligen Zustand der Einzelzellen und der Sensorik getroffen werden kann. Insbesondere weist jedes Zellmodul eine spezifische Messelektronik auf, welche sich in einer Anzahl von Messschnittstellen pro Zellmodul, einer Anzahl von Einzelzellen, einer Anzahl von Temperatursensoren, hinsichtlich Abmessungen, Form und Belegung von Steckern unterscheiden.
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In einer Produktion, einer Befundung und Nacharbeit oder Wiederaufbereitung eines elektrischen Energiespeichers mit zumindest einem Zellmodul ist eine Diagnose der Einzelzellen unerlässlich, insbesondere für eine frühzeitige Fehlererkennung, eine Ausschussreduzierung und Kostensenkung.
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Die im Folgenden beschriebene Vorrichtung 1 ist insbesondere zur Durchführung einer solchen Diagnose vorgesehen.
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Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, wobei an einer ersten Gehäuseseite 2.1 ein Adapter-Anschlusselement 3, insbesondere in Form einer M12-Buchse, angeordnet ist, wobei eine Anzahl der Adapter-Anschlusselemente 3 variieren kann. Dabei kann das Adapter-Anschlusselement 3 auch anders ausgebildet sein, wobei eine Ausbildungsform in Abhängigkeit von einer Bemessungsspannung einer Messanwendung gewählt werden kann.
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Mittels des jeweiligen Adapter-Anschlusselementes 3 ist es möglich, jede Messelektronik zu kontaktieren und eine Verwendung zumindest eines Federkontaktes kann weitestgehend sicherstellen, dass Kontaktpins der Messelektronik vor Beschädigung und/oder Abnutzung weitestgehend geschützt sind.
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An einer in 2 gezeigten zweiten Gehäuseseite 2.2 der Vorrichtung 1 sind zwei Trennelemente T1, T2 angeordnet, welche zur galvanischen Trennung einer Verbindung zwischen einem in 4 beispielhaft und stark vereinfacht dargestellten ersten Schnittstellenchip 51 von dem Adapter-Anschlusselement 2 beziehungsweise zwischen einem in 4 beispielhaft und stark vereinfacht dargestellten zweiten Schnittstellenchip S2 vorgesehen sind.
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In der in 3 gezeigten perspektivischen Ansicht der Vorrichtung 1 ist eine dritte Gehäuseseite 2.3 des Gehäuses 2 der Vorrichtung 1 dargestellt, wobei an der dritten Gehäuseseite 2.3 ein Anschlusselement 4 zur Stromversorgung der Vorrichtung 1 angeordnet ist. Zudem ist das Anschlusselement 4 für einen Datenaustausch zwischen der Vorrichtung 1 und einer übergeordneten, nicht näher dargestellten Instanz, insbesondere einer Auswerteeinheit, ausgebildet.
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In 4 ist ein Schaltbild der Vorrichtung 1 gezeigt.
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Die Vorrichtung 1 weist eine Hauptplatine P1, eine Aufsteckplatine P2 und eine Trennplatine P3 auf, die in dem Gehäuse 2 angeordnet sind.
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Auf der Hauptplatine P1 ist ein Mikrocontroller 5 angeordnet, welcher mit dem Anschlusselement 4, insbesondere signaltechnisch verbunden ist. Zudem ist der Mikrocontroller 5 mit dem ersten Schnittstellenchip S1 und dem zweiten Schnittstellenchip S2 signaltechnisch verbunden.
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Der auf der Hauptplatine P1 angeordnete erste Schnittstellenchip S1 ist zur Kommunikation des Mikrocontrollers 5 mit Messelektroniken, also einer Sensorik, insbesondere zur Erfassung einer Zellspannung einer Einzelzelle des Zellmoduls, vorgesehen.
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Darüber hinaus ist der Mikrocontroller 5 mittels einer ersten Komponente 6 „Eingänge/Ausgänge“, eines CAN-Transceivers 7 und eines Schaltelementes 8 einer elektronischen Schaltung für serielle Schnittstellen mit einer zweiten Komponente 9 „Eingänge/Ausgänge CAN-Bus“, insbesondere in Form eines weiteren Anschlusselementes 4, signaltechnisch verbunden.
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Weiterhin ist eine Anschlusskomponente 10 zur alternativen Stromversorgung für einen stationären Betrieb der Vorrichtung 1, insbesondere des Mikrocontrollers 5 vorgesehen. Die Anschlusskomponente 10 ist mit einer Spannungsregelungseinheit 11 elektrisch verbunden, die wiederum mit dem Mikrocontroller 5, insbesondere elektrisch, verbunden ist.
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Die Aufsteckplatine P2 umfasst den zweiten Schnittstellenchip S2, welcher ebenfalls zur Kommunikation des Mikrocontrollers 5 mit den Messelektroniken, also der Sensorik der Zellüberwachungseinheit, vorgesehen ist. Die Aufsteckplatine P2 wird auf die Hauptplatine P1 aufgesteckt.
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Die Trennelemente T1, T2 sind auf der Trennplatine P3 angeordnet, wobei ein Trennelement T1 dem ersten Schnittstellenchip S1 zugeordnet und ein weiteres Trennelement T2 dem zweiten Schnittstellenchip S2 zugeordnet ist. Mittels der Trennelemente T1, T2 kann eine Verbindung zwischen dem entsprechenden Schnittstellenchip S1, S2 und dem Adapter-Anschlusselement 3 getrennt werden, wobei mittels der Trennelemente T1, T2 eine galvanische Trennung bis zu einer Gleichspannung von 1500 Volt möglich ist. Das heißt, dass mittels der Trennelemente T1, T2 bei einer gegebenenfalls vorliegenden Gefährdung bis zu 1500 Volt die Schnittstellenchips S1, S2 von einer sogenannten Schutzkleinspannung getrennt werden.
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Die Vorrichtung 1 ist mittels des Anschlusselementes 4 mit der übergeordneten Instanz, insbesondere der Auswerteeinheit, beispielsweise in Form eines PC, datentechnisch und energieversorgungstechnisch verbunden.
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Zur Diagnose der Einzelzellen eines Zellmoduls ist dieses, insbesondere über das Adapter-Anschlusselement 3, signaltechnisch mit der Vorrichtung 1 verbunden, wobei auch mehrere Zellmodule signaltechnisch mit der Vorrichtung 1 verbunden sein können. Eine Verbindung zwischen den HV-Polen der Zellmodule ist nicht erforderlich. insbesondere weist jedes Zellmodul eine eigene Messelektronik auf. Diese Messelektronik ist mittels einer Signalverbindung mit einer weiteren Messelektronik eines weiteren Zellmoduls verbunden. Beispielsweise ist eine erste Messelektronik mit der übergeordneten Instanz verbunden, wobei diese, insbesondere automatisch, erkennt, wie viele Messelektroniken angeschlossen sind.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines mittels der Vorrichtung 1 durchgeführten Verfahrens zum Auslesen und Validieren von Daten eines mit der Vorrichtung 1 verbundenen Zellmoduls. Dabei ist bei zu treffenden Entscheidungen ein Ja mit einem J und ein Nein mit einem N gekennzeichnet.
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In einem Ausgangszustand befindet sich die Vorrichtung 1 in einem Bereitschaftsbetrieb B und empfängt in einem ersten Verfahrensschritt V1, insbesondere über eine seiner Schnittstellen eine binäre Messanfrage MA. Die Vorrichtung 1 kann mehrere Schnittstellen zur Verbindung mit einer Mehrzahl von übergeordneten Instanzen aufweisen, wobei es möglich ist, einen Start einer Messung binär, also mittels einer binären Messanfrage, auszulösen.
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In einem zweiten Verfahrensschritt V2 wird durch eine Anfrage an die Schnittstellenchips S1, S2 festgestellt, an welchem Pfad ein Zellmodul erkannt wird.
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In dem zweiten Verfahrensschritt V2 wird durch Senden einer sogenannten Broadcast-Anfrage festgestellt, an welchem Schnittstellenchip S1, S2 eine Messelektronik des mit der Vorrichtung 1 gekoppelten Zellmoduls gefunden werden kann. Wird bei der Überprüfung ermittelt, dass keine Messelektronik, insbesondere keine erfassten Signale, der Messelektronik ermittelt werden kann, wird in einem jeweiligen vierten Verfahrensschritt V4 eine Fehlermeldung F ausgegeben, insbesondere mittels der Auswerteeinheit, also der übergeordneten Instanz.
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Wird hingegen in dem dritten Verfahrensschritt V3 ermittelt, dass eine Messelektronik mit der Vorrichtung 1 signaltechnisch verbunden ist, wird in einem jeweiligen fünften Verfahrensschritt V5 eine Anzahl signaltechnisch verbundener Messschnittstellen der jeweiligen Messelektronik ermittelt. Diese Ermittlung erfolgt mittels des Mikrocontrollers 5.
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Nach der Ermittlung der Anzahl der signaltechnisch mit der Vorrichtung 1 verbundenen Messschnittstellen werden in einem jeweiligen sechsten Verfahrensschritt V6 mittels des Mikrocontrollers 5 automatisch alle verfügbaren Daten der signaltechnisch verbundenen Messschnittstellen des jeweiligen Zellmoduls, insbesondere als Rohdaten, erfasst. Insbesondere werden als Rohdaten die Zellspannungen und Temperaturen der Einzelzellen der Zellmodule von dem Mikrocontroller 5 erfasst.
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Diese Rohdaten werden anschließend in einem siebenten Verfahrensschritt V7 umgerechnet und in einem achten Verfahrensschritt V8 an die Auswerteeinheit übermittelt, welche die Daten auswertet. Beispielsweise werden die Daten mittels einer Software ausgewertet. Dabei erfolgt die Auswertung und eine Bewertung der erfassten Daten in Bezug auf einstellbare Grenzwerte, insbesondere für die Zellspannung und die Temperatur, wobei die Grenzwerte durch einen Nutzer vorgegebenen und eingestellt werden können. Beispielsweise wird eine Rot-Grünbewertung durchgeführt, so dass alle Daten die in einem mittels der Grenzwerte vorgegebenen Akzeptanzbereich liegen, grün angezeigt werden, und die Daten, die außerhalb des jeweiligen Akzeptanzbereiches liegen rot gekennzeichnet werden. Die bereitgestellten Daten können auch zu Überwachungszwecken verwendet und/oder in Echtzeit angezeigt werden.
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In einer möglichen Ausführung können die Daten in der Vorrichtung 1 und/oder mittels der Software in Bezug auf die vorgegebenen Grenzwerte, insbesondere in Bezug auf eine minimale und eine maximale Zellspannung und/oder in Bezug auf eine minimale oder maximale Temperatur, überprüft werden. Diese Überprüfung ist insbesondere erforderlich, um Zellmodule aus einer Nacharbeit oder aus einem Rückbau zu klassifizieren und um feststellen zu können, ob die Einzelzellen der Zellmodule vorgegebene Anforderungen für eine Wiederverwendung in einer Produktionslinie erfüllen, oder um eine vergleichsweise große Anzahl von Zellmodulen auf ihren Zustand hin zu überprüfen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 2.1
- erste Gehäuseseite
- 2.2
- zweite Gehäuseseite
- 2.3
- dritte Gehäuseseite
- 3
- Adapter-Anschlusselement
- 4
- Anschlusselement
- 5
- Mikrocontroller
- 6
- erste Komponente
- 7
- CAN-Transceiver
- 8
- Schaltelement
- 9
- zweite Komponente
- 10
- Anschlusskomponente
- 11
- Spannungsregelungseinheit
- B
- Bereitschaftsbetrieb
- P1
- Hauptplatine
- P2
- Aufsteckplatine
- P3
- Trennplatine
- S1
- erster Schnittstellenchip
- S2
- zweiter Schnittstellenchip
- T1
- Trennelement
- T2
- weiteres Trennelement
- V1 bis V8
- Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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