DE102016211383A1

DE102016211383A1 - Konfigurationseinrichtung, Verfahren, Anordnung, Fortbewegungsmittel und Steuergerät für den Betrieb eines Moduls einer Vielzahl identischer elektrischer Speicherzellen

Info

Publication number: DE102016211383A1
Application number: DE102016211383.6A
Authority: DE
Inventors: Carsten-Stephen Kulkwitz; Hans-Peter Fengler; Thorsten Kroker
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2017-12-28
Also published as: CN107546794B; CN107546794A

Abstract

Es werden eine Konfigurationseinrichtung, ein Verfahren, eine Anordnung sowie ein Fortbewegungsmittel und ein Steuergerät für den Betrieb eines Moduls einer Vielzahl elektrischer Speicherzellen vorgeschlagen, wobei das Batteriemodul eine Vielzahl externer elektrischer Kontakte aufweist. Das Steuergerät umfasst: – eine Vielzahl elektrischer Anschlüsse, deren Positionen zu den Positionen der externen elektrischen Kontakte des Batteriemoduls korrespondieren, – eine Auswerteelektronik, – eine Vielzahl elektrischer Eingänge (Z0–Z12) zwischen den elektrischen Anschlüssen und der Auswerteelektronik und – ein passives elektrisches Netzwerk zwischen den Eingängen (Z0–Z12) und den elektrischen Anschlüssen, wobei das elektrische Netzwerk externe Konfigurationskomponenten aufweist, welche zur Anpassung des Steuergerätes (16) an ein in einer ersten Weise elektrisch konfiguriertes Batteriemodul oder an ein in einer zweiten Weise elektrisch konfiguriertes Batteriemodul eingerichtet sind.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuergerät für den Betrieb eines Moduls einer Vielzahl identischer elektrischer Speicherzellen ("Batteriemodul"), mittels dessen in unterschiedlicher Weise konfigurierte Batteriemodule betrieben werden können. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine "in situ"-Konfiguration des Steuergerätes nach der Montage am Batteriemodul.
Innerhalb der Hochvoltspeichermedien für die Elektrotraktion von Fortbewegungsmitteln nehmen die elektrischen Energiespeicher eine neue Sonderrolle wahr. Sie sollen die Antriebsenergie für die Antriebsaggregate sicher speichern und im Bedarfsfall schnell und effizient zur Verfügung stellen. Aktuell werden hierfür insbesondere Lithium-Ionen-Zellen verwendet, weil diese Technik einen guten Kompromiss zwischen schneller Aufnahmefähigkeit und entsprechender Bereitstellung der Energie bildet. Da diese elektrochemischen Speicher von der bevorzugt im asiatischen Raum angesiedelten Industrie zu vertretbaren Kosten produziert werden können, wird im Rahmen der elektrischen Antriebsenergienutzung häufig ein standardisiertes Batteriekonzept gemäß einem modularen Querbaukasten spezifiziert und umgesetzt. Je nach Anwendungsfall werden unterschiedliche Verschaltungsvarianten unterschiedlicher Batteriemodule benötigt. Während in Hybridfahrzeugen in der Regel nur reine Reihenschaltungen zum Einsatz kommen, sind aufgrund des höheren Strombedarfs die Zellen in reinen Elektrofahrzeugen auch parallel zu einander geschaltet.
Die einzelnen Zellenspannungen müssen permanent überwacht werden. Dazu werden bspw. zwölf in Reihe geschaltete Batteriezellen zu einer Organisationeinheit zusammengefasst. Diese Organisationseinheit enthält einen Mikrocomputer mit einem Speicher und einer Kommunikationsschnittstelle zum übergeordneten Batteriemanagementsystem, auf welches hier nicht weiter eingegangen werden soll. Dieser Mikrocomputer wird durch eine Messeinrichtung ergänzt, die in der Lage ist, zwölf bis 16 in Reihen geschaltete Batteriezellen bezüglich der Zellenspannung zu überwachen. Diese Messeinrichtung ist eine für Reihenschaltungen ausgelegte Spannungsmesseinrichtung, die mittels standardisierter Datenschnittstelle vom Mikrocomputer ausgelesen wird, um die gewonnenen Informationen weiterzuleiten.
Bisweilen werden für jede Modulentwicklung eines jeden Zellenherstellers eigene Elektronikkomponenten verwendet. Das führt dazu, dass die Neuentwicklungen stets im Gesamtverbund mit einem sehr großen personellen und finanziellen Aufwand verbunden sind. Die Integration und Erprobung der Tauglichkeit einer jeden Neuentwicklung bedeutet stets erhebliche Kosten.
Der oben beschriebene Verbund aus einem Mikrocomputer und einer Messeinrichtung (nachfolgend "Steuergerät" genannt) hat entsprechend seines vorgesehenen Einsatzzweckes eine feste Anzahl Messeingänge, welche an die Zellen des Batteriemoduls mittels projektspezifischer Kontaktverbindungen angeschlossen werden müssen. Jeder Messaufnehmer eines Zelleneingangs kann die physikalische Spannung nur gegenüber dessen Vorgänger erfassen, mit anderen Worten also die Potenzialdifferenz ermitteln. Dabei müssen zwingend eine positive Spannung oder maximal –0,3 V gegenüber dem Vorgänger anliegen, da andernfalls das Schaltungsteil an diesem Messeingang zerstört wird.
Diese technische Notwendigkeit hat zur Folge, dass im Falle einer Parallelschaltung von Zellen über die Modulgehäusegrenzen hinaus Kontakte zur Verfügung gestellt werden müssen, um die weiteren in Reihe geschalteten Zellen mit jedem der Eingänge des Messchips zu verbinden. Dabei wird zurzeit davon ausgegangen, dass im Konfigurationsfall der nicht vollständig belegten Messeingänge die oberen (höherwertigen) entsprechend gebrückt werden müssen.
Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise wird Master-Slave-Konzept genannt. Das heißt, plakativ für eine Verschaltung einer Reihenschaltung bestehend aus 6 Paaren von Batteriezellen würde ein Modul über die Modulelektronik verfügen und somit die Zellenspannungen über den 6 Zellenpaaren erfassen. Dagegen würde ein weiteres Modul nur eine Verschaltungslogistik ohne eigene Elektronik aufweisen, welche die 7. Zelle bis hin zur 12. Zelle über diverse Steckverbindungen an die Elektronik mit den ersten sechs Zellen derart verbindet, dass der Messchip an den Eingängen der 7. bis 12. Zelle jetzt geeignete polarisierte Zellenspannungen erfassen und messen kann.
Das Master-Slave-Konzept erhöht den Verdrahtungsaufwand drastisch und hat darüber hinaus eine erhöhte Anfälligkeit bezüglich elektromagnetischer Störeinstrahlung, die meist durch umfangreiche Tests ermittelt und mit individuellen kostenintensiven Maßnahmen reduziert werden muss. Außerdem führt die Störeinstrahlung zu Messungenauigkeiten bezüglich der Zellenspannungen und beeinflusst bzw. verschlechtert die Ladezustandsermittlung. Diese müssen mit einem nicht unerheblichen Aufwand programmiertechnisch kompensiert werden. Abgesehen von dem Verkabelungsmehraufwand, der je nach Parallelschaltung von Zellen erheblich werden kann, fällt ein erhöhtes Planungs- und Umsetzungspotenzial an, welches die Entwicklungskosten für eine Traktionsbatterie nicht unerheblich erhöht. Auf Umsetzungsrisiken durch Fehler der Entwickler soll hier nicht näher eingegangen werden. Diese treten im Tagesgeschäft jedoch zusätzlich auf und sorgen für terminliche Verzögerungen sowie zusätzliche Kosten.
Ein weiterer, nicht unerheblicher Kostenfaktor ist die Vielfalt der Batteriemodulelemente. Weil viele unterschiedliche Batteriemodulvarianten in Abhängigkeit vom Einsatzfall (an dieser Stelle werden die unterschiedlichen Projekte und deren Bauräume gemeint) erforderlich werden, erhalten diese jeweils ihre eigene Bauteilnummer und müssen separat in ausreichender Anzahl als Ersatzteil über mindestens 10 Jahre nach dem Produktionsende vorgehalten werden.
DE 10 2013 001 466 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeug und eine Traktionsbatterie mit einer Ladungsausgleichs-("Balancing-")Funktion.
DE 10 2013 221 379 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs. Ein Batteriepack wird mit Schaltern, Sicherungseinheiten und einem Überspannungsschutz ausgestattet und zur Ladung der Batterie nach einem Verlassen des Fahrzeugs für eine vordefinierte Zeitdauer mit einer externen elektrischen Energiequelle verbunden.
DE 10 2009 036 086 A1 offenbart eine Überwachungselektronik für Batterien mit einer flexiblen Platine. Überwachungsschaltkreise sind vorgesehen und können mittels Leiterbahnen auf einer Flexplatine auf die benötigte Zellenanzahl angepasst oder für diese konfiguriert werden.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Entwicklungsaufwände und die Lagerhaltung für Steuergeräte zum Betrieb unterschiedlich konfigurierter Batteriemodule zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Konfigurationseinrichtung, ein Verfahren, eine Anordnung, ein Fortbewegungsmittel und ein Steuergerät für den Betrieb eines Moduls einer Vielzahl identischer elektrischer Speicherzellen gelöst. Das Steuergerät weist eine Vielzahl elektrischer Anschlüsse auf, deren Positionen zu den Positionen der externen elektrischen Kontakte ("Pole") des Batteriemoduls korrespondieren. Indem die Speicherzellen im Wesentlichen einen zueinander identischen Aufbau aufweisen, ergibt sich ein regelmäßiges Muster für die Position der Pole. Die Vielzahl elektrischer Anschlüsse des Steuergerätes ist derart angeordnet, dass grundsätzlich eine jede mögliche Position eines Pols elektrisch kontaktiert werden kann. Eine Auswerteelektronik ist innerhalb des Steuergeräts vorgesehen und eingerichtet, Messungen elektrischer Kenngrößen ebenso wie Balancing-Vorgänge vorzunehmen. Die Auswerteelektronik ist über eine Vielzahl elektrischer Eingänge elektrisch mit den elektrischen Anschlüssen des Steuergerätes verbunden. Ein passives elektrisches Netzwerk, welches bspw. Schmelzsicherungen, Balancing-Widerstände, Dip-Schalter o. Ä. umfassen kann, ist zwischen den elektrischen Eingängen der Auswerteelektronik und den elektrischen Anschlüssen des Steuergerätes vorgesehen. Das elektrische Netzwerk weist weiter externe Konfigurationskomponenten auf, welche bspw. als Konfigurationskontakte, Konfigurationspads, Zielpositionen für einen Laserbeschuss o. Ä. ausgestaltet sein können. Die Konfigurationskomponenten dienen der Anpassung des Steuergerätes, genauer gesagt, des elektrischen Netzwerkes an unterschiedlich konfigurierte Batteriemodule. Mit anderen Worten kann die Anpassung des Steuergerätes an ein erstes Batteriemodul durch Anpassung des elektrischen Netzwerkes unter Verwendung der Konfigurationskomponenten vorgenommen werden, ohne dass elektrische Bauteile hinzugefügt oder entfernt werden müssen. Ein baugleiches erfindungsgemäßes Steuergerät kann nach einer alternativen Ansprache der Konfigurationskomponenten an ein in einer zweiten Weise konfiguriertes Batteriemodul angepasst werden, ohne elektrische Komponenten hinzufügen oder entfernen zu müssen. Anders ausgedrückt, können die Konfigurationskomponenten zur Trennung oder Schließung elektrischer Kontakte innerhalb des elektrischen Netzwerkes angesprochen werden. Im Ergebnis wird ein vielseitig einsetzbares Steuergerät für den Betrieb und die Überwachung in unterschiedlichster Weise konfigurierter Batteriemodule bereitgestellt, ohne dass die datentechnische Anbindung, die grundsätzliche Automotive-Tauglichkeit und andere Parameter kostspielig und aufwendig getestet werden müssten, nachdem das Steuergerät bzw. ein mit diesem ausgestattetes Batteriemodul in einem anderen Fahrzeugprojekt Verwendung finden soll.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Konfigurationsparameter können zur Anpassung des elektrischen Netzwerkes als Konfigurationskontakte bspw. eingerichtet sein, mittels einer Konfigurationseinrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung temporär elektrisch kontaktiert zu werden, um Einfluss auf das elektrische Netzwerk zu nehmen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Laserbehandlung mittels der Konfigurationseinrichtung erfolgen. Im Ergebnis sorgen die Konfigurationskontakte im Ansprechen auf die Konfiguration dafür, dass elektrische Verbindungen innerhalb des elektrischen Netzwerkes geschlossen oder unterbrochen werden. Grundsätzlich ist auch eine mechanische Trennung elektrischer Verbindungen innerhalb des Netzwerkes möglich. Hierzu können bspw. elektrische Leitungen oder Leiterbahnen mittels der Konfigurationseinrichtung zerstört (z. B. zerkratzt, zerspant, durchbohrt o. Ä.) werden. Aufgrund der einfachen messtechnischen Überprüfung des Ergebnisses durch eine Strommessung bzw. Leitfähigkeitsmessung, bietet sich eine Zerstörung elektrischer Verbindungen durch einen temporären hohen Stromfluss an. Insbesondere können Schmelzsicherungen angesprochen werden. Dies hat den Vorteil, dass verflüssigtes Metall nicht an unvorhergesehene Stellen geraten und unerwünschte elektrische Verbindungen bilden kann.
Das elektrische Netzwerk kann bspw. Widerstände zum Ladungsausgleich zwischen den Speicherzellen (Balancing-Widerstände) und Schmelzsicherungen aufweisen. Die Balancing-Widerstände und die Schmelzsicherungen können im Wesentlichen gleichmäßig und nach einem festen Muster den elektrischen Eingängen der Auswerteelektronik zugeordnet sein. Bspw. kann die Vielzahl der elektrischen Eingänge paarweise über eine jeweilige zusätzliche Schmelzsicherung elektrisch miteinander verbunden sein. Auf diese Weise ermöglichen die Schmelzsicherungen durch Ansprechen eine Trennung des jeweiligen elektrischen Eingangs von einem benachbarten elektrischen Eingang bzw. von einem jeweiligen elektrischen Anschluss des Steuergerätes. Diese Art der Konfiguration ermöglicht eine robuste und zuverlässige Anpassung der elektrischen Verbindung zwischen der Auswerteelektronik und den elektrischen Anschlüssen des Steuergerätes, ohne dass Software oder gar elektrische Komponenten angepasst werden müssten.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von "in unterschiedlicher Weise konfigurierten" Batteriemodulen die Rede ist, kann bspw. die Anzahl jeweils in Reihe geschalteter Speicherzellen und/oder die Anzahl jeweils parallel zueinander geschalteter Speicherzellen eines betrachteten Batteriemoduls gemeint sein. Während die mechanische Konstellation der Speicherzellen in derartigen Batteriemodulen im Wesentlichen identisch ist, insbesondere die Pole der einzelnen Speicherzellen an identischen Positionen angeordnet sind, sorgen Polverbinder unterschiedlicher Anzahlen, Anordnungen und Erstreckung für die jeweilige elektrische Funktion des Batteriemoduls. Diese mechanische Regelmäßigkeit macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, indem Batteriemodule identischer Polpositionsmuster durch jeweils ein erfindungsgemäßes Steuergerät betrieben werden können, nachdem eine erfindungsgemäße Konfiguration des Netzwerkes erfolgt ist.
Die Vielzahl elektrischer Anschlüsse des Steuergerätes kann den im Wesentlichen in zwei geraden Reihen angeordneten Polen entsprechen, deren Abstand zueinander insbesondere durch einen Abstand eines jeweiligen Minuspols und eines korrespondierenden Pluspols einer Speicherzelle bestimmt ist. Der Abstand der geraden Reihen zueinander kann bspw. in einem Bereich zwischen 10 cm und 25 cm, insbesondere in einem Bereich zwischen 15 cm und 20 cm liegen. Der Abstand zwischen einander nächstgelegenen externen elektrischen Anschlüssen des Steuergerätes kann in einem Bereich zwischen 1 cm und 15 cm, insbesondere in einem Bereich zwischen 3 cm und 10 cm liegen.
Das erfindungsgemäße Steuergerät könnte als "Universal-Zellencontroller" oder als Einheits-Zellencontroller bezeichnet werden. Die oben beschriebenen Schmelzsicherungen können bspw. schnellauslösende SMD-Sicherungen sein. Hierbei kann eine Sicherung den Messaufnehmerkontakt mit dem Balancing-Widerstand und dem daran angeschlossenen Messeingang (z. B. eines Analog-Digital-Wandlers) der Auswerteeinheit verbunden sein. Eine zusätzliche Sicherung stellt z. B. eine Verbindung zwischen dem nächsten übergeordneten Nachbarkontakt (elektrischer Anschluss des Steuergerätes) dar. Diese Sicherung bedeutet also einen Kurzschluss, welcher je nach Konfiguration angesprochen (durchtrennt) wird oder beibehalten bleibt.
Ein Kerngedanke der erfindungsgemäßen Zellencontroller besteht darin, dass eine elektrische, nicht jedoch eine mechanische Konfiguration erforderlich ist, um mehrere Zellenkonfigurationen innerhalb eines mechanischen Batteriemodulgehäuses (Komponentengehäuse) betreiben zu können. Das Steuergerät ermöglicht bevorzugt parallel(p)-Reihen (s)-Konfigurationen der folgenden Varianten: 1p12s, 2p6s, 3p4s, 4p3s und 6p2s. Auf diese Weise können die vorgenannten Verschaltungsvarianten/Konfigurationen durch lediglich ein gemeinsam konzipiertes erfindungsgemäßes Steuergerät betrieben werden. Mittels der Konfigurationskomponenten können bspw. die vorgenannten Sicherungen gezielt angesprochen (ausgelöst) werden, um das Steuergerät unmittelbar vor der Montage an die Zellenkonfiguration des Batteriemoduls anzupassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Konfigurationseinrichtung zur Anpassung eines Steuergerätes gemäß dem vorgenannten Erfindungsaspekt zur Verwendung mit einem Batteriemodul einer vordefinierten elektrischen Konfiguration vorgeschlagen. Die Konfigurationseinrichtung weist externe elektrische Kontakte auf, deren Positionen zu den Positionen der externen elektrischen Anschlüsse des Steuergerätes und den Positionen der externen Konfigurationskontakte des Steuergerätes korrespondieren. Mittels der elektrischen Verbindung zu den externen Konfigurationskontakten des Steuergerätes kann die Konfigurationseinrichtung das elektrische Netzwerk des erfindungsgemäßen Steuergerätes verändern. Mittels der elektrischen Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten der Konfigurationseinrichtung und den elektrischen Anschlüssen des Steuergerätes kann die Konfigurationseinrichtung überprüfen, ob die Konfiguration erfolgreich bzw. spezifikationskonform erfolgt ist. Dies schließt nicht aus, dass die elektrischen Kontakte eine anderweitige oder doppelte Verwendung der elektrischen Verbindungen bezüglich Konfiguration und Überprüfung ermöglichen. Zusätzlich ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche eingerichtet ist, die vordefinierte elektrische Konfiguration desjenigen Batteriemoduls zu ermitteln, mit welchem das erfindungsgemäße Steuergerät verwendet werden soll. Überdies kann die Auswerteeinheit eine elektrische Spannung zwischen den elektrischen Kontakten erzeugen, um das Steuergerät an die vordefinierte elektrische Konfiguration anzupassen.
Die Konfigurationseinrichtung kann Schaltelemente aufweisen, mittels welcher sie eingerichtet ist, diejenigen externen elektrischen Kontakte, zwischen welchen sie die elektrische Spannung anlegt, in Abhängigkeit der Konfiguration des Batteriemoduls zu variieren bzw. auszuwählen. Mit anderen Worten kann die Konfigurationseinrichtung nach dem Erkennen der vorliegenden Konfiguration des Batteriemoduls die Schalter zur entsprechenden Beaufschlagung der Konfigurationskomponenten des Steuergerätes definieren.
Um die Auswerteeinheit des Steuergerätes vor einem unerwünschten Energieeintrag während der Konfiguration zu schützen, kann sie eine Kurzschlussbrücke aufweisen, mittels welcher die Vielzahl elektrischer Eingänge der Auswerteeinheit elektrisch (z.B. mit einem unproblematischen Bezugspotenzial wie einer elektrischen Masse) verbindet. Bei einer Beaufschlagung eines der elektrischen Anschlüsse mit einem elektrischen Potenzial erfolgt somit kein Energieeintrag in die Auswerteeinheit und diese bleibt unbeschädigt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Anpassung eines Steuergerätes gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt zur Verwendung mit einem Batteriemodul einer vordefinierten Konfiguration vorgeschlagen. Hierzu wird in einem ersten Schritt die vordefinierte Konfiguration des Batteriemoduls automatisch ermittelt. Dies kann bspw. durch das Einlesen eines Barcodes, eines NFC-Tags oder eines RFID-Tags erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist eine elektrische Messung (bspw. einer Leerlaufspannung, eines Stroms durch einen Referenzwiderstand o. Ä.) zur Identifikation der vordefinierten Konfiguration möglich. Insbesondere die Leerlaufspannung über sämtliche Zellen des Batteriemoduls variiert vergleichsweise eindeutig in Abhängigkeit der gewählten Konfiguration. In Abhängigkeit der erkannten Konfiguration können anschließend elektrische Verbindungen zwischen den Konfigurationskomponenten oder Konfigurationskontakten des Steuergerätes zur Anpassung des Netzwerkes an die vordefinierte Konfiguration geöffnet oder geschlossen werden. Insbesondere erfolgt eine dauerhafte Veränderung des Netzwerkes. Im Falle eines Öffnens der elektrischen Verbindungen kann dies eine reversible, bevorzugt jedoch irreversible Öffnung bedeuten, um eine versehentliche Fehlkonfiguration (z. B. während des Betriebs, während eines Wartungsvorgangs o. Ä.) zu unterbinden.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung vorgeschlagen, welche ein Steuergerät gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt und ein Batteriemodul einer vordefinierten elektrischen Konfiguration aufweist. Hierbei ist das Steuergerät durch Modifizieren eines ursprünglich vorgesehenen elektrischen Netzwerkes, also durch Schließen und/oder Öffnen elektrischer Verbindungen zwischen Konfigurationskomponenten, an die Konfiguration des Batteriemoduls angepasst.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Vielzahl Steuergeräte gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Eine Vielzahl Batteriemodule einer vordefinierten elektrischen Konfiguration ist jeweils mit einem der vorgenannten Steuergeräte elektrisch verknüpft, wobei jedes der Batteriemodule eingerichtet ist, durch eines der Steuergeräte betrieben zu werden. Hierbei korrespondiert die Vielzahl elektrischer Anschlüsse des jeweiligen Batteriemoduls hinsichtlich ihrer jeweiligen Positionen zu den Positionen der externen elektrischen Kontakte des Batteriemoduls. Auf diese Weise ist das Fortbewegungsmittel eingerichtet, die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesem ergebenden Vorteile der vorstehend beschriebenen Erfindungsaspekte in entsprechender Weise zu verwirklichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Übersicht über Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels;
2 eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung;
3–5 Detailansichten von Abschnitten elektrischer Netzwerke zwischen einer Vielzahl externer elektrischer Kontakte eines Batteriemoduls und einer Auswerteeinheit;
6–10 Draufsichten auf die Anschlüsse erfindungsgemäßer Anordnungen unterschiedlicher elektrischer Konfigurationen;
11–15 schematische Darstellungen zur Modifikation eines elektrischen Netzwerkes innerhalb eines erfindungsgemäßen Steuergerätes zur Anpassung an unterschiedliche Konfigurationen eines Batteriemoduls;
16–19 schematische Darstellungen elektrischer Verbindungen zwischen elektrischen Anschlüssen eines jeweiligen Ausführungsbeispiels eines Steuergerätes;
20 eine schematische Darstellung von Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Konfigurationseinrichtung; und
21 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anpassung eines Steuergerätes.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Pkw als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels, welcher über ein Batteriemodul 77 mit Speicherzellen 7 verfügt, über welche ein Inverter 23 eine Traktionsmaschine 24 mit elektrischer Energie versorgt. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergerätes 16 ist für den Betrieb des Batteriemoduls 77 vorgesehen und führt sowohl die Überwachung der Speicherzellen 7 als auch den Ladungsausgleich zwischen den Speicherzellen 7 aus.
2 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung, welche ein elektronisches Steuergerät 16 und eine Vielzahl Speicherzellen 7 aufweist, deren externe elektrische Kontakte 22 an einer gemeinsamen Seite und im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene zueinander angeordnet sind. Das Steuergerät 16 selbst verfügt über einen Steuergeräteanschluss 1 (LV 10 PIN). Ein Hochvoltabdeckungsanschluss 2 ist eingerichtet, eine obere Abdeckung 15 zu arretieren. Eine Hochvoltstromschienenverlängerung 3 dient zum elektrischen Anschluss der dargestellten Anordnung an die elektrische Peripherie. Zwischen den Speicherzellen 7 sind Zellisolationen 4 angeordnet. Ein Temperatursensor 5 überwacht die Temperatur der Anordnung an einem repräsentativen Punkt. An einem Endplattenkörper 11 sind Rohrbuchsen 6 zur Verschraubung angeordnet. Seitenplattenkörper 8 korrespondieren mit Isolationsseiten 9, welche die schmalen Seiten der Speicherzellen 7 flankieren. Zwischen einer jeweils äußersten Speicherzelle 7 und einem Endplattenträger 21 sind eine Isolationsendabdeckung 10 für die Speicherzellen 7 und ein Endplattenträger 21 vorgesehen. Die elektrischen Anschlüsse 22 der Speicherzellen 7 werden durch eine Stromschiene als Zellverbinder 17 elektrisch miteinander verbunden. Eine positive Hochvoltstromschiene 18 und eine negative Hochvoltstromschiene 19 dienen der elektrischen Verbindung der dargestellten Anordnung mit dem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels. Sie werden über einen Stromschienenhalter 20 fixiert.
3 zeigt einen Ausschnitt eines elektrischen Netzwerkes, welches sich zwischen den Eingängen der Auswerteelektronik 29 und den elektrischen Anschlüssen (nicht dargestellt) befindet, welche über die externen elektrischen Anschlüsse in Form von Kontakten K–K4 elektrisch kontaktiert werden. Der Kontakt K0 ist elektrisch mit einer Bezugsmasse Z0 der Auswerteelektronik 29 verbunden. Die übrigen Kontakte K1–K4 sind an einen jeweiligen ersten Anschluss einer jeweiligen Schmelzsicherung S1–S4 angeschlossen, deren jeweiliges zweites Ende mit einem ersten Anschluss eines Balancing-Widerstandes R1–R4 elektrisch verbunden ist. Das jeweilige zweite Ende der Balancing-Widerstände R1–R4 ist mit den elektrischen Eingängen Z1–Z4 der Auswerteelektronik 29 verbunden. Die Balancing-Widerstände R1–R4 sind an ihrem jeweiligen ersten Anschluss durch jeweilige Schmelzsicherungen S12–S34 miteinander verbunden. Entsprechendes gilt für eine Schmelzsicherung S01, welche die Bezugsmasse Z0 und den ersten Anschluss des Balancing-Widerstandes R1 miteinander verbindet. Die ersten Anschlüsse der Balancing-Widerstände R1–R4 sind zudem mit Konfigurationskontakten KK1–KK4 als Beispiele für Konfigurationskomponenten versehen bzw. elektrisch mit diesen identisch.
4 zeigt einen Schritt zur Anpassung des in 3 dargestellten Netzwerkes mittels einer Spannungsquelle 26, welche Bestandteil einer erfindungsgemäßen Konfigurationseinrichtung (nicht dargestellt) sein kann. Die Spannungsquelle 26 wird einerseits an den Konfigurationskontakt KK2 und andererseits an den Kontakt K1 elektrisch angeschlossen. Währenddessen sind die Eingänge Z0–Z4 durch eine Kurzschlussbrücke 25 niederohmig miteinander verbunden, um die Auswerteelektronik 29 zu schützen. Indem ein hoher Strom durch die Schmelzsicherungen S1 und S12 geleitet wird, wird das dargestellte elektrische Netzwerk an eine gegebene Konfiguration eines (nicht dargestellten) Batteriemoduls angepasst, mit welchem die dargestellte Anordnung zukünftig verwendet werden soll.
5 zeigt eine Variante der in 3 dargestellten Anordnung, bei welcher die Schmelzsicherungen S12 bis S34 durch hochohmige Widerstände R12–R34 ersetzt wurden. Zudem entfällt die Schmelzsicherung S01 ersatzlos. Auf diese Weise kann
6 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Batteriemodul 77, bei welchem 12 Zellen als 1p12s-Konfiguration zueinander in Reihe geschaltet sind. Hierzu sind Polverbinder 28 zur elektrischen Verbindung jeweils zweier benachbarter Pole 22 zweier Speicherzellen 7 vorgesehen. Die Positionen der Pole 22 bzw. der Polverbinder 28 korrespondieren mit den Positionen der elektrischen Anschlüsse 27 des Steuergerätes 16. Einzelne der elektrischen Anschlüsse 27 sind elektrisch identisch mit den in 3 bis 5 dargestellten Kontakten K0–K4. Die elektrischen Potenziale der Pole 22 bzw. der Polverbinder 28 sind als Zahlenwerte mit 0 V bis 48 V angegeben.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 77, welches grundsätzlich baugleich zum in 6 dargestellten Batteriemodul 77 ist. Lediglich die paarweise gleichsinnige Orientierung der Zellen 7 und die paarweise Reihenschaltung zu einer 2p6s-Konfiguration und die resultierende Maximalspannung von 24 V unterscheidet das Batteriemodul 77 elektrisch von der in 6 dargestellten Anordnung. Im Vergleich mit 6 fällt zudem auf, dass die Positionen der elektrischen Anschlüsse 27 des Steuergerätes 16 identisch sind. Mit anderen Worten können dieselben elektrischen Anschlüsse 27 zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem Steuergerät 16 und dem Batteriemodul 77 verwendet werden. Lediglich die (nicht dargestellte) elektrische Konfiguration des Netzwerkes zwischen der (nicht dargestellten) Auswerteelektronik und den elektrischen Anschlüssen 27 unterscheidet die Konfiguration des schematisch dargestellten Steuergerätes 16 von derjenigen des in 6 dargestellten Steuergerätes 16. Die maximale Spannung des Batteriemoduls 77 beträgt 24 V
8 zeigt eine weitere Modifikation der in 6 und 7 dargestellten Anordnung, in welcher das Batteriemodul 77 in einer 3p4s-Konfiguration aufgebaut und entsprechend elektrisch kontaktiert ist. Jeweils drei Speicherzellen 7 sind elektrisch gleichsinnig orientiert und mit den anderen in Reihe geschaltet. Die maximale Spannung des Batteriemoduls 77 beträgt 16 V.
Die 9 und 10 zeigen die in den 6 bis 8 dargestellten Batteriemodule 77 in einer 4p3s- bzw. 6p2s-Konfiguration, wodurch sich eine jeweilige Maximalspannung von 12 V bzw. 8 V ergibt. Sämtliche, in den 6 bis 10 dargestellten elektrischen Anschlüsse 27 des erfindungsgemäßen Steuergerätes 16 sind an identischen Positionen angeordnet, weshalb sich die Änderungen an der Hardware auf Konfigurationen des jeweiligen Netzwerkes der dargestellten Steuergeräte beschränken.
Die 11 bis 15 zeigen schematische Darstellungen zur Modifikation der Netzwerke des jeweiligen Steuergerätes 16, welches sich inzwischen den Kontakten K0–K12 und den Anschlüssen Z00–Z12 befindet. Das Netzwerk nach 11 soll auf eine 1p12s-Konfiguration des zugehörigen (nicht dargestellten) Batteriemoduls angepasst werden. Um die reine Reihenschaltung der Batteriezellen abzubilden, werden die die Balancing-Widerstände R_B jeweils miteinander verbindenden Schmelzsicherungen S12–S1112 unter Verwendung (nicht dargestellter) Konfigurationskontakte geschmolzen. Mit anderen Worten wird eine elektrische Verbindung der Eingänge Z00 bis Z12 innerhalb des Netzwerkes jeweils unterbrochen (durch Blitze dargestellt). Entsprechendes gilt für die elektrischen Netzwerke der 12 bis 15, welche in dieser Reihenfolge an eine jeweilige 2p6s-/3p4s-/4p3s- bzw. 6p2s-Konfiguration der zugehörigen Batteriemodule angepasst werden, indem unterschiedliche Kombinationen der Schmelzsicherungen S2–S1112 mittels eines hohen Stroms zum Auslösen bzw. Durchbrennen veranlasst werden.
Die 16 bis 19 zeigen einerseits das Resultat einer jeweiligen in Verbindung mit den 12 bis 15 gezeigten Konfiguration des Netzwerkes, andererseits die Anordnung der elektrischen Brücken 31 (zwischen ungeraden Kontakten) und 32 (zwischen geraden Kontakten) K–K12. Die Kontaktbrücken 31, 32 sind elektrisch identisch mit den Polverbindern 28, welche in den 7 bis 10 dargestellt sind. Hierbei stellt 16 ein an eine 2p6s-Konfiguration angepasstes elektrisches Netzwerk bzw. Steuergerät 16, 17 ein an eine 3p4s-Konfiguration angepasstes elektrisches Netzwerk bzw. Steuergerät 16, 18 ein an eine 4p3s-Konfiguration angepasstes elektrisches Netzwerk bzw. Steuergerät 16 und 19 ein an eine 6p2s-Konfiguration angepasstes elektrisches Netzwerk bzw. Steuergerät 16 dar.
20 zeigt eine schematische Darstellung einer Konfigurationseinrichtung 33 zur Anpassung eines Steuergerätes 16 an ein (nicht dargestelltes) Batteriemodul einer vorgegebenen Konfiguration. Die externen elektrischen Kontakte 34 korrespondieren räumlich zu den Positionen der Pole 22 bzw. der Polverbinder 28 des Batteriemoduls (siehe 6–10). Eine Kurzschlussbrücke 25 ist eingerichtet, während der Konfiguration die Eingänge der Auswerteelektronik 29 des Steuergerätes 16 zum Schutz desselben kurzzuschließen. Die Spannung einer Energiequelle 26 (sh. auch 4) wird über eine Auswerteeinheit 35 paarweise an die externen elektrischen Kontakte 34 gelegt, um die (nicht dargestellten) Schmelzsicherungen in dem elektrischen Netzwerk des jeweiligen (nicht dargestellten) Steuergerätes an die Konfiguration des (nicht dargestellten) Batteriemoduls anzupassen.
21 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anpassung eines Steuergerätes zur Verwendung mit einem Batteriemodul einer vordefinierten Konfiguration. Hierzu wird in Schritt 100 die vordefinierte Konfiguration des Batteriemoduls über einen Barcode und eine elektrische Messung (bspw. durch eine Konfigurationseinrichtung nach 20) ermittelt. In Abhängigkeit der vordefinierten Konfiguration werden in Schritt 200 elektrische Verbindungen zwischen den Konfigurationskomponenten des Steuergerätes zur Anpassung des Netzwerkes an die vordefinierte Konfiguration des Batteriemoduls kontaktiert und elektrische Verbindungen zwischen diesen geöffnet. Alternativ kann in Schritt 200 ein Schließen jeweiliger elektrischer Verbindungen zwischen den Konfigurationskomponenten des Steuergerätes erfolgen.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Steuergeräteanschluss
2: Hochvoltabdeckungsanschluss
3: Hochvoltstromschienenverlängerung
4: Zellisolationen
5: Temperatursensor
6: Rohrbuchsen
7: Vielzahl Speicherzellen
8: Seitenplattenkörper
9: Isolationsseiten
10: Isolationsendabdeckung
11: Endplattenkörper
15: obere Abdeckung
16: elektronisches Steuergerät
17: Zellverbinder
18: positive Hochvoltstromschiene
19: negative Hochvoltstromschiene
20: Stromschienenhalter
21: Endplattenträger
22: externe elektrische Kontakte des Batteriemoduls
23: Inverter
24: Traktionsmaschine
25: Kurzschlussbrücke
26: Konfigurationsspannungsquelle
27: elektrische Anschlüsse des Steuergerätes
28: Polverbinder
29: Auswerteelektronik
30: Anordnung
31, 32: Kontaktbrücken
33: Konfigurationseinrichtung
34: externe elektrische Kontakte der Konfigurationseinrichtung
35: Auswerteeinheit
100, 200: Verfahrensschritte
K: Kontakt
KK: Konfigurationskomponente/Konfigurationskontakt
R12–R34: hoher Widerstand
R_B: Balancing-Widerstand
S: Schmelzsicherung
1p12s: 12 in Reihe geschaltete Speicherzellen
2p6s: 6 in Reihe geschaltete Speicherzellenpaare
3p4s: 4-fache Reihenschaltung von jeweils drei parallel geschalteten Speicherzellen
4p3s: 3-fache Reihenschaltung von jeweils vier parallel geschalteten Speicherzellen
6p2s: 2-fache Reihenschaltung von jeweils sechs parallel geschalteten Speicherzellen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013001466 A1 [0010]
DE 102013221379 A1 [0011]
DE 102009036086 A1 [0012]

Claims

Steuergerät für den Betrieb eines Moduls einer Vielzahl identischer elektrischer Speicherzellen (7), nachfolgend „Batteriemodul (77)“ genannt, wobei das Batteriemodul (77) eine Vielzahl externer elektrischer Kontakte (22) aufweist und das Steuergerät (16) umfasst: – eine Vielzahl elektrischer Anschlüsse (27), deren Positionen zu den Positionen der externen elektrischen Kontakte (22) des Batteriemoduls (77) korrespondieren, – eine Auswerteelektronik (29), – eine Vielzahl elektrischer Eingänge (Z0–Z12) zwischen den elektrischen Anschlüssen (27) und der Auswerteelektronik (29) und – ein passives elektrisches Netzwerk zwischen den Eingängen (Z0–Z12) und den elektrischen Anschlüssen (27), wobei das elektrische Netzwerk externe Konfigurationskomponenten (KK) aufweist, welche zur Anpassung des Steuergerätes (16) an ein in einer ersten Weise elektrisch konfiguriertes Batteriemodul (77) oder an ein in einer zweiten Weise elektrisch konfiguriertes Batteriemodul (77) eingerichtet sind.
Steuergerät nach Anspruch 1, wobei die Konfigurationskontakte (KK1–KK4) eingerichtet sind, zum Zwecke der Anpassung des Steuergerätes (16) – eine elektrische Verbindung mit einander einzugehen und/oder – eine elektrische Sollbruchstelle zwischen einander anzusprechen.
Steuergerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektrische Netzwerk – Widerstände (R_B) zum Ladungsausgleich zwischen den Speicherzellen (7), nachfolgend „Balancing-Widerstände (R_B)“ und – Schmelzsicherungen (S01–S1112) aufweist, wobei – einer Vielzahl der elektrischen Eingänge (Z0–Z12) jeweils mindestens ein Balancing-Widerstand (R_B) und eine Schmelzsicherung (S01–S1112) zugeordnet ist und wobei – die Vielzahl der elektrischen Eingänge (Z0–Z12) paarweise über eine jeweilige zusätzliche Schmelzsicherung (S01–S1112) elektrisch miteinander verbunden sind.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die vordefinierte elektrische Konfiguration durch die Anzahl – in Reihe geschalteter Speicherzellen (7) und – parallel geschalteter Speicherzellen (7) definiert ist.
Steuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl externer elektrischer Anschlüsse (27) des Steuergerätes (16) im Wesentlichen in zwei geraden Reihen angeordnet sind, deren Abstand zueinander insbesondere durch einen Abstand eines jeweiligen Minuspols und eines korrespondierenden Pluspols einer Speicherzelle (7) bestimmt ist.
Steuergerät nach Anspruch 5, wobei – der Abstand der geraden Reihen zueinander in einem Bereich zwischen 10 cm und 25 cm, insbesondere in einem Bereich zwischen 15 cm und 20cm liegt und/oder – ein Abstand zwischen nächstgelegenen externen elektrischen Anschlüssen (27) des Steuergerätes (16) in einem Bereich zwischen 1 cm und 15 cm, insbesondere in einem Bereich zwischen 3 cm und 10cm liegt.
Konfigurationseinrichtung zur Anpassung eines Steuergerätes (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verwendung mit einem Batteriemodul (77) einer vordefinierten elektrischen Konfiguration umfassend – externe elektrische Kontakte (34), deren Positionen zu den Positionen der externen elektrischen Anschlüsse (27) des Steuergerätes (16) und/oder den Positionen der externen Konfigurationskomponenten (KK) des Steuergerätes (16) korrespondieren und – eine Auswerteeinheit (35), welche eingerichtet ist, – die vordefinierte elektrische Konfiguration des Batteriemoduls (77) zu ermitteln und – eine elektrische Spannung zwischen den elektrischen Kontakten (34) zu erzeugen, um das Steuergerät (16) an die vordefinierte elektrische Konfiguration anzupassen.
Konfigurationseinrichtung nach Anspruch 7, wobei die externen elektrischen Kontakte (34), zwischen denen die elektrische Spannung angelegt wird, in Abhängigkeit der vordefinierten elektrischen Konfiguration ausgewählt werden.
Konfigurationseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Konfigurationseinrichtung (33) eine Kurzschlussbrücke (25) aufweist, welche eingerichtet ist, die elektrischen Eingänge (Z0–Z12) des Steuergerätes (16) während einer Konfiguration des Steuergerätes (16) zu überbrücken.
Verfahren zur Anpassung eines Steuergerätes (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verwendung mit einem Batteriemodul (77) einer vordefinierten Konfiguration umfassend die Schritte – Ermitteln (100) der vordefinierten Konfiguration und in Abhängigkeit der vordefinierten Konfiguration – Schließen und/oder – Öffnen (200) elektrischer Verbindungen zwischen den Konfigurationskomponenten (KK) des Steuergerätes (16) zur Anpassung des Netzwerkes an die vordefinierte Konfiguration.
Anordnung umfassend – ein Steuergerät (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6 und – ein Batteriemodul (77) einer vordefinierten elektrischen Konfiguration.
Fortbewegungsmittel umfassend – eine Vielzahl Steuergeräte (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, und – eine Vielzahl Batteriemodule (77) einer vordefinierten elektrischen Konfiguration, wobei – jedes der Batteriemodule (77) eingerichtet ist, durch eines der Steuergeräte (16) betrieben zu werden.