DE102016218614A1 - Energy storage device for a motor vehicle and motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Energiespeichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug (1), umfassend ein zentrales Steuergerät (6) und eine oder mehrere Funktionskomponenten, welche ein Energiespeicher (9) und/oder Energiespeicherzellen (10) des Energiespeichers (9) und/oder eine zur externen Kontaktierung der Energiespeichereinrichtung (2) ausgebildete Anschlusseinrichtung (4) ist oder sind, wobei funktionskomponentenbezogene, aufgrund einer Sicherheitsanforderung wenigstens eine redundant erfasste Eingangsgröße und/oder wenigstens einen redundanten Berechnungsweg erfordernde Steuerfunktionen der Energiespeichereinrichtung (1) ausschließlich durch das Steuergerät (6) realisiert sind.Energy storage device for a motor vehicle (1), comprising a central control unit (6) and one or more functional components, which an energy storage (9) and / or energy storage cells (10) of the energy store (9) and / or for external contacting of the energy storage device (2 ), wherein functional component-related control functions of the energy storage device (1) requiring at least one redundantly detected input variable and / or at least one redundant calculation path are implemented exclusively by the control device (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein zentrales Steuergerät und eine oder mehrere Funktionskomponenten, welche ein Energiespeicher und/oder Energiespeicherzellen des Energiespeichers und/oder eine zur externen Kontaktierung der Energiespeichereinrichtung ausgebildete Anschlusseinrichtung ist oder sind. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.The invention relates to an energy storage device for a motor vehicle, comprising a central control device and one or more functional components, which is or are an energy store and / or energy storage cells of the energy store and / or a connection device designed for external contacting of the energy storage device. In addition, the invention relates to a motor vehicle.

Teilweise oder vollständig elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge weisen zur elektrischen Versorgung ihrer Antriebseinrichtung eine Energiespeichereinrichtung auf, welche neben dem eigentlichen Energiespeicher auch ein zentrales Steuergerät aufweist, das zur Kommunikation der Energiespeichereinrichtung mit den übrigen Fahrzeugkomponenten ausgebildet ist. Typischerweise wird ein solches Steuergerät auch als Batteriemanagementcontroller (BMC) bezeichnet. Zur Steuerung weiterer Funktionskomponenten der Energiespeichervorrichtung, wie dem Energiespeicher, seinen Energiespeicherzellen oder einer Anschlusseinrichtung (Batteriy Junction Box – BJB) sind typischerweise weitere, funktionskomponentenspezifische Steuergeräte vorgesehen.Partially or completely electrically driven motor vehicles have an energy storage device for the electrical supply of their drive device, which in addition to the actual energy store also has a central control device which is designed to communicate the energy storage device with the other vehicle components. Typically, such a controller is also referred to as a battery management controller (BMC). To control further functional components of the energy storage device, such as the energy storage, its energy storage cells or a connection device (Battery Junction Box - BJB) typically further, function component-specific control devices are provided.

Nachdem zunehmend Aspekte der Betriebssicherheit solcher Energiespeichereinrichtungen, die typischerweise zur Bereitstellung hoher Spannungen von mehreren 100 Volt und entsprechend hoher Ströme ausgebildet sind, wurden einzelne, besonders sicherheitsrelevante Steuerfunktionen identifiziert, deren Ausfall durch das Vorsehen besonderer Maßnahmen der funktionalen Sicherheit zu vermeiden ist beziehungsweise deren Ergebnisse entsprechend verlässlich gestaltet sein sollen. Vorgaben für entsprechende Sicherheitsstufen solcher Steuerfunktionen (Automotive Safety Integrety Level – ASIL) sind beispielsweise durch die ISO 26262 normiert. Das zentrale Steuergerät und die komponentenspezifischen Steuergeräte weisen dazu jeweils sowohl mit einer ASIL-Stufe klassifizierte, besonders gesicherte Steuerfunktionen als auch Steuerfunktionen ohne eine solche Einstufung auf. Having increasingly developed aspects of the operational safety of such energy storage devices, which are typically designed to provide high voltages of several 100 volts and correspondingly high currents, individual, particularly safety-relevant control functions have been identified whose failure is to be avoided by providing special measures of functional safety or their results accordingly should be designed reliably. Defaults for corresponding safety levels of such control functions (Automotive Safety Integrity Level - ASIL) are, for example, through the ISO 26262 normalized. The central control unit and the component-specific control units each have both ASIL level classified, particularly secure control functions and control functions without such a classification.

Nachteilig ist daran, dass Modifikationen an einem Steuergerät, welches eine sicherheitsrelevante Steuerfunktion realisiert, sehr aufwendig sind, da entsprechende Änderungen umfangreichen Konzeptions-, Nachweis-, Dokumentations- und Testanforderungen unterliegen. Dies gilt auch bei einer Modifikation nicht sicherheitsrelevanter Steuerfunktionen. Zudem zieht eine Modifikation an einem Steuergerät häufig Änderungen an den anderen Steuergeräten der Energiespeichereinrichtung nach sich, so dass die vorgenannten Anforderungen auch für diese nur mittelbar betroffenen Steuergeräte erfüllt werden müssen. Vor dem Hintergrund des nur begrenzt verfügbaren Expertenwissens für die Entwicklung der betroffenen Steuergeräte und des langwierigen Modifikationsprozesses sind die Wartbarkeit und die Erweiterbarkeit der Energiespeichereinrichtung erheblich behindert.The disadvantage is that modifications to a control unit, which realizes a safety-related control function, are very expensive, since corresponding changes are subject to extensive design, detection, documentation and test requirements. This also applies to a modification of non-safety-related control functions. In addition, a modification to a control unit often entails changes to the other control units of the energy storage device, so that the above requirements also have to be met for these only indirectly affected control units. In view of the limited expertise available for the development of the affected ECUs and the lengthy modification process, the maintainability and extensibility of the energy storage device are significantly hindered.

DE 10 2012 104 322 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Überprüfen von wenigstens zwei Recheneinheiten für ein Kraftfahrzeug, wobei die wenigstens zwei Recheneinheiten jeweils ein Steuerungsmodul zur Steuerung jeweils wenigstens einer Funktion aufweisen und wobei vorzugsweise die eine Recheneinheit als Steuereinheit einer Kraftfahrzeugeinrichtung des Kraftfahrzeugs und die wenigstens eine andere Recheneinheit als Steuergerät für jeweils eine Komponente der Kraftfahrzeugeinrichtung ausgebildet sind, wobei das wenigstens eine Steuergerät miteinander und mit der Steuereinheit verbunden ist und wobei die Steuereinheit eine Funktionsüberwachungseinheit für das wenigstens eine Steuergerät aufweist und das wenigstens eine Steuergerät zusätzlich als Überwachungsmodul für die Funktionsüberwachungseinheit der Steuereinheit ausgebildet sind. DE 10 2012 104 322 A1 discloses a device for checking at least two arithmetic units for a motor vehicle, wherein the at least two arithmetic units each have a control module for controlling at least one function and wherein preferably one arithmetic unit as a control unit of a motor vehicle device of the motor vehicle and the at least one other arithmetic unit as a control device for each a component of the motor vehicle device are formed, wherein the at least one control unit is connected to each other and to the control unit and wherein the control unit has a function monitoring unit for the at least one control unit and the at least one control unit are additionally designed as a monitoring module for the function monitoring unit of the control unit.

DE 10 2011 079 120 A1 offenbart ein Batteriemanagementsystem, mit mindestens einer Zellüberwachungseinheit zur Überwachung von mehreren Batteriezellen von mindestens einem Batteriemodul, wobei die Zellüberwachungseinheit einen Mikrocontroller und einen Begleitchip zur Überwachung von elektrischen Spannungen der von der Zellüberwachungseinheit überwachten Batteriezellen, der eine Funktion aufweist, ein Alarmsignal auszugeben, falls eine Überspannung oder Unterspannung vorliegt, aufweist. DE 10 2011 079 120 A1 discloses a battery management system having at least one cell monitoring unit for monitoring a plurality of battery cells of at least one battery module, the cell monitoring unit issuing a microcontroller and an accompanying chip for monitoring electrical voltages of the battery cells monitored by the cell monitoring unit having a function of issuing an alarm signal if an overvoltage or undervoltage present.

Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Vereinfachung der Wartbarkeit und Erweiterbarkeit von kraftfahrzeugseitigen Energiespeichereinrichtungen anzugeben.The invention is therefore an object of the invention to provide a way to simplify the maintainability and expandability of motor vehicle side energy storage devices.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Energiespeichereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass funktionskomponentenbezogene, aufgrund einer Sicherheitsanforderung wenigstens eine redundant erfasste Eingangsgröße und/oder wenigstens einen redundanten Berechnungsweg erfordernde Steuerfunktionen der Energiespeichereinrichtung ausschließlich durch das Steuergerät realisiert sind.This object is achieved in an energy storage device of the type mentioned fact that functional component-related, due to a security requirement at least one redundantly detected input and / or at least one redundant computation path requiring control functions of the energy storage device are realized exclusively by the controller.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, sämtliche sicherheitsrelevanten Steuerfunktionen im zentralen Steuergerät zu konzentrieren, so dass beim Bedarf einer Modifikation einer Steuerfunktion nur eine Änderung oder Anpassung der Software und/oder der Hardware eines einzigen Steuergeräts erforderlich ist. Eine solche sicherheitsrelevante Steuerfunktion zeichnet sich im erfindungsgemäßen Sinne dadurch aus, dass sie redundant erfasste Eingangsgrößen auswertet und/oder wenigstens eine Berechnung auf mehreren Berechnungswegen, beispielsweise durch eine Recheneinrichtung des Steuergeräts, durchführt. Solche Sicherheitsanforderungen können sich insbesondere aus einer ASIL-Einstufung gemäß der Norm ISO 26262 ergeben. Mithin werden sämtliche auf die Funktionskomponenten, also den Energiespeicher und/oder seine Energiespeicherzellen und/oder die Anschlusseinrichtung, bezogenen Steuerfunktionen durch das zentrale Steuergerät realisiert. Im Falle einer Modifikation einer solchen Steuerfunktion sind erforderliche Konzeptions-, Nachweis-, Dokumentations- und Testanforderungen daher nur hinsichtlich eines einzigen Steuergeräts zu erfüllen, was die Wartbarkeit und die Erweiterbarkeit des Steuergeräts und damit der gesamten Energiespeichereinrichtung erheblich vereinfacht.The invention is based on the consideration of concentrating all safety-relevant control functions in the central control unit, so that if a modification of a control function is required only a change or adaptation of the software and / or the hardware of a single control unit is required. Such a security relevant Control function is characterized according to the invention in that it evaluates redundantly detected input variables and / or performs at least one calculation on a plurality of calculation paths, for example by a computing device of the control unit. Such safety requirements may in particular arise from an ASIL classification according to the Standard ISO 26262 result. Consequently, all control functions relating to the functional components, that is to say the energy store and / or its energy storage cells and / or the connection device, are implemented by the central control unit. In the case of a modification of such a control function required design, detection, documentation and test requirements are therefore only to meet with respect to a single controller, which greatly simplifies the maintainability and expandability of the controller and thus the entire energy storage device.

Die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung kann zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung von wenigstens 60 Volt, bevorzugt wenigstens 100 Volt, ausgebildet sein. Der Energiespeicher der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung kann aus mehreren Energiespeichermodulen gebildet sein, welche die Energiespeicherzellen aufnehmen. Die Energiespeicherzellen sind typischerweise auf Basis von Lithium realisiert. Als weitere redundante Erfassung einer Eingangsgröße und/oder wenigstens einen redundanten Berechnungsweg erfordernde Steuerfunktion kann die Ansteuerung einer energiespeichereinrichtungsseitigen Kühleinrichtung für die Kühlung des Energiespeichers vorgesehen sein. Darüber hinaus kann das zentrale Steuergerät auch wenigstens eine von der Sicherheitsanforderung unabhängige und/oder nicht der Sicherheitsanforderung unterliegende Steuerfunktion realisieren, beispielsweise eine Berechnung des Innenwiderstands des Energiespeichers. Da derartige Steuerfunktionen nicht als sicherheitsrelevant erachtet werden und somit lediglich der allgemeinen Qualitätsüberwachung unterliegen, wird ihre Sicherheitseinstufung auch als QM-Level (Quality Management) bezeichnet.The energy storage device according to the invention can be designed to provide an output voltage of at least 60 volts, preferably at least 100 volts. The energy store of the energy storage device according to the invention can be formed from a plurality of energy storage modules, which receive the energy storage cells. The energy storage cells are typically realized on the basis of lithium. As a further redundant detection of an input variable and / or at least one redundant calculation path requiring control function, the control of an energy storage device side cooling device can be provided for the cooling of the energy storage. In addition, the central control unit can also realize at least one independent of the security requirement and / or not subject to the safety requirement control function, for example, a calculation of the internal resistance of the energy storage. Since such control functions are not regarded as safety-relevant and are therefore subject only to general quality control, their safety rating is also referred to as quality management (QM) level.

Es wird bei der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung bevorzugt, wenn das Steuergerät zur redundanten Erfassung einer jeweiligen Eingangsgröße einen Eingang mit mehreren redundanten, jeweils ein Eingangssignal erhaltenden Eingangskanälen aufweist. Die redundante Erfassung einer einzelnen Eingangsgröße kann sich mithin dadurch auszeichnen, dass für diese Eingangsgröße mehrere, insbesondere auf unterschiedlichem Weg, erfasste Eingangssignale an das zentrale Steuergerät übertragen werden. Durch die Redundanz der Eingangskanäle kann mithin sichergestellt werden, dass bei einem Ausfall eines Eingangskanals immer noch eine Erfassung der Eingangsgrößen möglich ist. Insbesondere kann je nach ASIL-Einstufung der die Eingangsgröße auswertenden Steuerfunktion ein Eingang mit zwei oder drei Eingangskanälen vorgesehen sein. It is preferred in the energy storage device according to the invention, if the controller for redundant detection of a respective input variable has an input with a plurality of redundant, each receiving an input signal input channels. The redundant detection of a single input variable can therefore be distinguished by the fact that several, in particular different ways, detected input signals are transmitted to the central control unit for this input variable. As a result of the redundancy of the input channels, it can thus be ensured that a detection of the input variables is still possible if one input channel fails. In particular, depending on the ASIL classification of the control function evaluating the input variable, an input with two or three input channels can be provided.

Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät zur Durchführung des wenigstens einen redundanten Berechnungswegs wenigstens eine mehrere redundante Prozessorkerne aufweisende Recheneinrichtung aufweisen. Eine solche Recheneinrichtung kann beispielsweise einen Mikrocontroller mit einem Dualcore-Prozessor umfassen. Auf den einzelnen Prozessorkernen können mithin die Eingangssignale unabhängig voneinander ausgewertet werden. Durch einen Vergleich der auf den unterschiedlichen Berechnungswegen mittels der redundanten Prozessorkerne erzielten Ergebnisse kann eine Verifikation eines solchen Ergebnisses im Rahmen der Steuerfunktion erfolgen. Fehlberechnungen können somit reduziert werden. Alternatively or additionally, the controller may have at least one computing device having a plurality of redundant processor cores for performing the at least one redundant computing path. Such a computing device may include, for example, a microcontroller with a dual-core processor. The input signals can therefore be evaluated independently of each other on the individual processor cores. By comparing the results obtained on the different calculation paths by means of the redundant processor cores, a verification of such a result can take place within the scope of the control function. Miscalculations can thus be reduced.

Bevorzugt ist ferner ein jeweiliger Eingangskanal eines jeweiligen Eingangs des Steuergeräts zur Erfassung des Eingangssignals mit einem funktionskomponentenseitig angeordneten Messmittel verbunden. Die Messmittel für eine Eingangsgröße sind insbesondere unterschiedlich ausgebildet, im Falle einer Strommessung beispielsweise einerseits als Shunt und andererseits als Hallsensor. Typischerweise ist von einem Messmittel eine Eingangsleitung zum zentralen Steuergerät geführt. Die Recheneinrichtung kann alternativ oder zusätzlich zur Ausführung der Berechnungswege unter Berücksichtigung der über die Eingangskanäle erhaltenen Eingangssignale ausgebildet sein.Furthermore, a respective input channel of a respective input of the control device for detecting the input signal is preferably connected to a measuring device arranged on the function component side. The measuring means for an input variable are in particular designed differently, in the case of a current measurement, for example, on the one hand as a shunt and on the other hand as a Hall sensor. Typically, an input line is routed to the central control unit by a measuring device. The computing device may be designed as an alternative or in addition to the execution of the calculation paths taking into account the input signals obtained via the input channels.

Unter dem Aspekt der Konzentration der Steuerfunktionen in einem Steuergerät ist es besonders zweckmäßig, wenn das Steuergerät als eine Baueinheit der Energiespeichereinrichtung ausgebildet ist. Dazu kann das Steuergerät ein die Recheneinrichtung aufnehmendes und/oder Anschlüsse und/oder Durchgänge für die Eingangskanäle umfassendes Gehäuse aufweisen.From the aspect of concentrating the control functions in a control unit, it is particularly expedient if the control unit is designed as a structural unit of the energy storage device. For this purpose, the control device can have a housing accommodating the computing device and / or connections and / or passages for the input channels.

Ferner kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät zur externen Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug, insbesondere über ein kraftfahrzeugseitiges Bussystem, ausgebildet ist. Das zentrale Steuergerät kann eine Kommunikationsschnittstelle zu dem Bussystem, beispielsweise einem CAN-Bus, des Kraftfahrzeugs aufweisen. Insbesondere ist das zentrale Steuergerät dazu ausgebildet, die Funktionskomponenten in Abhängigkeit von über die Kommunikationsschnittstelle empfangenen Steuerbefehlen anzusteuern. Das zentrale Steuergerät kann insofern dazu ausgebildet sein, Funktionen eines Batteriemanagementcontrollers zu realisieren. Zu solchen Funktionen gehören beispielsweise die bereits erwähnte Ansteuerung der Kühleinrichtung und die Berechnung des energiespeicherseitigen Innenwiderstands.Furthermore, it can be provided that the control unit is designed for external communication with the motor vehicle, in particular via a bus-side bus system. The central control unit can have a communication interface to the bus system, for example a CAN bus, of the motor vehicle. In particular, the central control unit is designed to control the functional components as a function of control commands received via the communication interface. The central control unit can be designed to realize functions of a battery management controller. Such functions include, for example, the already mentioned control of the cooling device and the Calculation of the energy storage side internal resistance.

Besonders bevorzugt weist die Energiespeichereinrichtung neben dem zentralen Steuergerät wenigstens ein weiteres Steuergerät auf, wobei durch das wenigstens eine weitere Steuergerät funktionskomponentenbezogene, weitere Steuerfunktionen der Energiespeichereinrichtung realisiert sind. Das zentrale Steuergerät kann auch als erstes Steuergerät und das wenigstens eine weitere Steuergerät als zweites Steuergerät bezeichnet werden. Typischerweise realisiert das wenigstens eine weitere Steuergerät nicht den Sicherheitsanforderungen unterliegende und/oder von den Sicherheitsanforderungen unabhängige Steuerfunktionen. Dazu kann das weitere Steuergerät ebenfalls eine Recheneinrichtung und wenigstens einen Eingang aufweisen, wobei diese nicht notwendigerweise redundant ausgeführt sein müssen. Des Weiteren wird es bevorzugt, wenn das zentrale Steuergerät und das wenigstens eine weitere Steuergerät zur Kommunikation untereinander ausgebildet sind. Da sämtliche sicherheitsrelevanten Steuerfunktion durch das zentrale Steuergerät realisiert sind, kann diese Kommunikation insbesondere unabhängig von den Sicherheitsanforderungen, mithin auf QM-Niveau, erfolgen.Particularly preferably, the energy storage device in addition to the central control unit on at least one further control device, wherein functional component-related, further control functions of the energy storage device are realized by the at least one further control device. The central control unit can also be referred to as the first control unit and the at least one further control unit as the second control unit. Typically, the at least one further control device does not implement control functions which are subject to safety requirements and / or which are independent of the safety requirements. For this purpose, the further control device may also have a computing device and at least one input, which need not necessarily be designed to be redundant. Furthermore, it is preferred if the central control device and the at least one further control device are designed to communicate with one another. Since all security-relevant control function are implemented by the central control unit, this communication can be done in particular independently of the security requirements, thus at QM level.

Es kann für jede Funktionskomponente ein die auf diese Fusionskomponente bezogene Steuerfunktionen realisierendes weiteres Steuergerät vorgesehen sein. Mithin kann hinsichtlich der Steuerfunktionen mit QM-Einstufung weiterhin eine verteilte Steuergerätearchitektur bei der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung vorgesehen sein. Ein weiteres Steuergerät kann beispielsweise die nicht sicherheitsrelevanten Funktionen eines herkömmlichen Zellmanagementsteuergeräts (Cell Management Controller – CMC) realisiert, wozu beispielsweise eine Spannungsmessung einer Energiespeicherzelle als Eingangsgröße ausgewertet wird. Hinsichtlich eines der Anschlusseinrichtung zugeordneten weiteren Steuergeräts kann dieses beispielsweise eine Spannung an einem Pluspol (Klemme 30) eines Niederspannungsbordnetzes des Kraftfahrzeugs als Eingangsgröße erfassen.For each functional component, it is possible to provide a further control unit that implements the control functions relating to this fusion component. Consequently, with regard to the control functions with QM classification, a distributed control device architecture can furthermore be provided in the energy storage device according to the invention. A further control unit can realize, for example, the non-safety-related functions of a conventional cell management controller (CMC), for which purpose, for example, a voltage measurement of an energy storage cell is evaluated as an input variable. With regard to a further control device assigned to the connection device, it can, for example, supply a voltage to a positive pole (terminal 30 ) capture a low-voltage electrical system of the motor vehicle as an input.

Typischerweise ist ein jeweiliges weiteres Steuergerät als separate Baueinheit der Energiespeichereinrichtung ausgebildet. Insbesondere ist das wenigstens eine weitere Steuergerät von dem zentralen Steuergerät baulich getrennt. Typically, a respective further control device is designed as a separate structural unit of the energy storage device. In particular, the at least one further control unit is structurally separated from the central control unit.

Auch ein solches Steuergerät kann ein Gehäuse aufweisen, welches insbesondere seine Recheneinrichtung aufnimmt und/oder Anschlüsse und/oder Durchgänge für die Eingänge des weiteren Steuergeräts aufweist.Such a control unit may also have a housing, which accommodates in particular its computing device and / or has connections and / or passages for the inputs of the further control device.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Eingang eines jeweiligen weiteren Steuergeräts mit einem Eingangskanal des zentralen Steuergeräts zur Erfassung des über den Eingangskanal übertragenen Eingangssignals als ein Eingangssignal des weiteren Steuergeräts verbunden ist. Es kann so auf vorteilhafte Weise ein auf Seiten des zentralen Steuergeräts über einen seiner Eingangskanäle erhaltenes Eingangssignal auch für die Durchführung einer nicht sicherheitsrelevanten Steuerfunktion eines weiteren Steuergeräts verwendet werden. Es entfällt so eine zusätzliche Führung von Eingangsleitungen von der Funktionskomponente zum ihr zugeordneten weiteren Steuergerät.In a particularly preferred embodiment, it is provided that at least one input of a respective further control device is connected to an input channel of the central control device for detecting the input signal transmitted via the input channel as an input signal of the further control device. It can be used in an advantageous manner on the part of the central controller via one of its input channels input signal for performing a non-safety-related control function of another control device. It thus eliminates an additional guidance of input lines from the functional component to its associated further control unit.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung, mittels welcher eine zum vollständig oder teilweise elektrischen Antrieb ausgebildete Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs versorgbar ist. Sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesem die zuvor genannten Vorteile erzielt werden können.The object underlying the invention is further achieved according to the invention by a motor vehicle, comprising an energy storage device according to the invention, by means of which a fully or partially electric drive formed drive means of the motor vehicle can be supplied. All embodiments of the energy storage device according to the invention can be analogously transferred to the motor vehicle according to the invention, so that even with this the aforementioned advantages can be achieved.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:Further details and advantages of the invention will become apparent from the embodiment described below and with reference to the drawings. These are schematic representations and show:

1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und 1 a schematic diagram of an embodiment of a motor vehicle according to the invention; and

2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinr ichtung des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs. 2 a schematic diagram of an energy storage device according to the invention of the in 1 shown motor vehicle.

1 ist eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs 1, umfassend eine elektrische Energiespeichereinrichtung 2, mittels welcher eine zum teilweise oder vollständig elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildete Antriebseinrichtung 3 elektrisch versorgbar ist. 1 is a schematic diagram of an embodiment of a motor vehicle 1 comprising an electrical energy storage device 2 , by means of which a partially or completely electric drive of the motor vehicle 1 trained drive device 3 is electrically powered.

Die Energiespeichereinrichtung 2 weist eine Anschlusseinrichtung 4 auf, welche der Antriebseinrichtung 3 eine Ausgangsspannung von wenigstens 100 Volt bereitstellt und zusätzlich mit einem Niedervoltbordnetz 5 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden ist. Die Anschlusseinrichtung 4 kann mithin auch als Battery Junction Box (BJB) aufgefasst werden und weist zusätzlich mehrere Schaltmittel, z.B. Sicherheitsschütze, zum Trennen der Energiespeichereinrichtung 2 von der Antriebseinrichtung 3 auf. Daneben ist energiespeichereinrichtungsseitig ein zentrales Steuergerät 6 vorgesehen, welches über ein Bussystem 7, beispielsweise einen CAN-Bus, des Kraftfahrzeugs 1 mit der Antriebseinrichtung 3 und weiteren, rein schematisch dargestellten Fahrzeugkomponenten 8 kommuniziert. Das zentrale Steuergerät 6 realisiert mithin die Funktion eines Batteriemanagementcontrollers (BMC).The energy storage device 2 has a connection device 4 on which of the drive device 3 provides an output voltage of at least 100 volts, and additionally with a low voltage onboard power supply 5 of the motor vehicle 1 connected is. The connection device 4 can therefore also be understood as a battery junction box (BJB) and also has several switching means, such as safety contactors, for disconnecting the energy storage device 2 from the drive device 3 on. In addition, there is an energy storage device side central control unit 6 provided, which via a bus system 7 , For example, a CAN bus, the motor vehicle 1 with the drive device 3 and further, purely schematically illustrated vehicle components 8th communicated. The central control unit 6 thus realizes the function of a battery management controller (BMC).

2 ist eine Prinzipdarstellung der Energiespeichereinrichtung 2. Diese umfasst ferner einen Energiespeicher 9 mit mehreren Energiespeicherzellen 10 auf Lithium-Ionen-Basis, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine einzige dargestellt ist und die zu Energiespeichermodulen zusammengefasst sind. Die Anschlusseinrichtung 4, der Energiespeicher 9 und Energiespeicherzellen 10 bilden dabei Funktionskomponenten der Energiespeichereinrichtung 2, welchen jeweils ein weiteres Steuergerät 11, 12, 13 zugeordnet ist. Das zentrale Steuergerät 6 und die weiteren Steuergerät 11, 12, 13 sind ferner zur gegenseitigen Kommunikation miteinander verbunden, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung dieser Kommunikation verzichtet wurde. 2 is a schematic diagram of the energy storage device 2 , This further comprises an energy store 9 with several energy storage cells 10 Lithium-ion-based, of which for reasons of clarity, only one is shown and which are combined to form energy storage modules. The connection device 4 , the energy store 9 and energy storage cells 10 form functional components of the energy storage device 2 , which in each case a further control unit 11 . 12 . 13 assigned. The central control unit 6 and the other control unit 11 . 12 . 13 are also connected to each other for mutual communication, for the sake of clarity on a representation of this communication has been omitted.

Das zentrale Steuergerät 6 realisiert eine Vielzahl von sicherheitsrelevanten Steuerfunktionen, die eine ASIL-Einstufung gemäß ISO 26262 aufweisen. Bei einer solchen Steuerfunktion ist vorgesehen, dass die zu ihrer Durchführung auszuwertenden Eingangsgrößen redundant erfasst und durch redundante Berechnungswege entsprechend einer sich aus der ASIL-Einstufung ergebenden Sicherheitsanforderung verarbeitet werden. Das Steuergerät 6 zeichnet sich nun dadurch aus, dass es sämtliche funktionskomponentenbezogenen Steuerfunktionen der Energiespeichereinrichtung 2 realisiert. Mithin kommen den einer jeweiligen Funktionskomponente zugeordneten Steuergeräten 11, 12, 13 nur noch solche funktionskomponentenbezogenen Steuerfunktionen zu, die keine ASIL-Einstufung aufweisen. Solche Steuerfunktionen werden auch als QM-Funktionen bezeichnet, da sich Anforderungen z.B. an ihre Verfügbarkeit lediglich aus den Vorgaben des Qualitätsmanagements ergeben. Insbesondere sind für diese Steuerfunktionen weder redundant erfasste Eingangsgrößen noch redundante Berechnungswege erforderlich. Mit anderen Worten sind sämtliche sicherheitsrelevanten Steuerfunktionen im zentralen Steuergerät 6 konzentriert.The central control unit 6 Realizes a variety of safety-related control functions that meet an ASIL classification according to ISO 26262 exhibit. In the case of such a control function, it is provided that the input variables to be evaluated for their execution are detected redundantly and processed by redundant calculation paths in accordance with a safety requirement resulting from the ASIL classification. The control unit 6 is characterized by the fact that it has all functional component-related control functions of the energy storage device 2 realized. Thus, the control units assigned to a respective functional component come 11 . 12 . 13 only those function component-related control functions that have no ASIL classification. Such control functions are also referred to as QM functions, since requirements such as their availability merely result from the requirements of quality management. In particular, neither redundantly detected input variables nor redundant calculation paths are required for these control functions. In other words, all safety-related control functions are in the central control unit 6 concentrated.

Zur Realisierung der redundanten Erfassung der Eingangsgrößen weist das zentrale Steuergerät 6 mehrere Eingänge 14 auf. Dazu umfasst ein jeweiliger Eingang 14 mehrere Eingangskanäle 15, welche jeweils mit einer Anordnung 16, 17, 18 von einer jeweiligen Funktionskomponente zugeordneten Messmitteln verbunden sind. Die Messmittel einer Anordnung 16, 17, 18 erfassen dabei redundant dieselbe Eingangsgröße, beispielsweise durch unterschiedliche Messtechniken. Im Falle einer Strommessung kann ein Messmittel beispielsweise einen Shunt umfassen und ein anderes Messmittel ein Hallsensor sein. So kann ein Ausfall eines Messmittels bzw. eines Eingangskanals bei der Erfassung der Eingangsgröße kompensiert werden beziehungsweise eine gegenseitige Plausibilisierung und/oder gemeinsame Anwendung erfolgen. Zur Durchführung der redundanten Berechnungswege unter Berücksichtigung der über die Eingangskanäle 15 erhaltenen Eingangssignale ist im zentralen Steuergerät 6 eine Recheneinrichtung 19 mit mehreren Prozessorkernen 20 vorgesehen, beispielsweise ein Dualcore-Prozessor. Fehlberechnungen können mithin vermieden werden, in dem Ergebnisse der unterschiedlichen Berechnungswege verglichen und gegeneinander verifiziert werden. Die Recheneinrichtung 19 ist dabei in einem Gehäuse des zentralen Steuergeräts 6 aufgenommen, welches Gehäuse ferner Anschlüsse bzw. Durchführungen für die Eingangskanäle 15 aufweist. Das Steuergerät 6 ist mithin als separate Baueinheit der Energiespeichereinrichtung 2 ausgebildet.To realize the redundant detection of the input variables, the central control unit 6 several entrances 14 on. This includes a respective entrance 14 several input channels 15 , each with an arrangement 16 . 17 . 18 are connected by a respective functional component associated measuring means. The measuring means of an arrangement 16 . 17 . 18 detect redundantly the same input quantity, for example, by different measurement techniques. In the case of a current measurement, for example, one measuring device may comprise a shunt and another measuring device may be a Hall sensor. Thus, a failure of a measuring means or an input channel in the detection of the input variable can be compensated or carried out a mutual plausibility and / or common application. For carrying out the redundant calculation paths taking into account the via the input channels 15 received input signals is in the central control unit 6 a computing device 19 with multiple processor cores 20 provided, for example, a dual-core processor. Misinterpretations can thus be avoided in which results of the different calculation paths are compared and verified against each other. The computing device 19 is in a housing of the central control unit 6 accommodated, which housing further connections or feedthroughs for the input channels 15 having. The control unit 6 is therefore as a separate unit of the energy storage device 2 educated.

Analog dazu weisen auch die weiteren Steuergeräte 11, 12, 13 jeweils eine Recheneinheit und Eingänge (jeweils nicht gezeigt) auf, um für die Durchführung nicht sicherheitsrelevanter Steuerfunktionen erforderliche Eingangssignale zu erhalten. Dazu sind jedoch weder redundante Eingangskanäle noch redundante Rechenwege der Recheneinrichtung erforderlich. Wie das zentrale Steuergerät 6 sind auch die weiteren Steuergeräte 11, 12, 13 als separate Baueinheiten der Energiespeichereinrichtung 2 ausgebildet und weisen dazu jeweils ein eigenes Gehäuse für die Recheneinrichtung mit Durchführungen bzw. Anschlüssen für Ihre Eingänge auf.Analog also point to the other control devices 11 . 12 . 13 in each case one arithmetic unit and inputs (each not shown) in order to obtain required for the implementation of non-safety-related control functions input signals. However, neither redundant input channels nor redundant calculation paths of the computing device are required for this purpose. Like the central control unit 6 are also the other control devices 11 . 12 . 13 as separate units of the energy storage device 2 formed and each have their own housing for the computing device with bushings or connections for your inputs.

Die zuvor beschriebene Aufteilung der Steuerfunktionen ermöglicht es mithin sicherheitsrelevante funktionskomponentenbezogene Steuerfunktionen, also solche mit einer ASIL-Einstufung, von solchen mit einer QM-Einstufung zu trennen. Besteht der Bedarf einer Modifikation einer nicht sicherheitsrelevanten Steuerfunktion, kann mithin eine entsprechende Anpassung der Software und/oder der Hardware eines der Steuergeräte 11, 12, 13 erfolgen, ohne dabei eine Modifikation am zentralen Steuergerät 6 vornehmen zu müssen. Die Erfüllung besonders aufwändiger Konzeptions-, Nachweis-, Dokumentations- und Testanforderungen, die bei einer Modifikation eines herkömmlichen, sowohl sicherheitsrelevante als auch nicht sicherheitsrelevante Steuerfunktion realisierenden Steuergeräts anfallen, kann so vermieden werden. Außerdem kann die Kommunikation zwischen dem Steuergerät 6 und den Steuergeräten 11, 12, 13 unabhängig von den Sicherheitsanforderungen ausgestaltet werden, da sämtliche sicherheitsrelevanten Steuerfunktionen durch das zentrale Steuergerät 6 realisiert sind. Entsprechende Schnittstellen zwischen den weiteren Steuergeräten 11, 12, 13 und dem Steuergerät 6 benötigen daher keine ASIL-Einstufung.The division of the control functions described above thus makes it possible to separate safety-related function-component-related control functions, ie those with an ASIL classification, from those with a QM classification. If there is a need for a modification of a non-safety-relevant control function, then a corresponding adaptation of the software and / or the hardware of one of the control units can take place 11 . 12 . 13 done without a modification to the central control unit 6 to have to make. The fulfillment of particularly complex design, detection, documentation and test requirements, which are incurred in a modification of a conventional, both safety-related and non-safety-relevant control function realizing controller can be avoided. In addition, communication between the controller 6 and the controllers 11 . 12 . 13 be configured independently of the security requirements, since all safety-related control functions by the central control unit 6 are realized. Appropriate Interfaces between the other control units 11 . 12 . 13 and the controller 6 therefore do not need an ASIL classification.

Vorteilhaft ist zudem, dass durch die weiteren Steuergeräte 11, 12, 13 ausgewertete Eingangsgrößen, welche auch durch das zentrale Steuergerät 6 ausgewertet werden, durch eine Verbindung eines Eingangskanals mit einem Eingang des weiteren Steuergeräts 11, 12, 13 erfasst werden können. Ein von einem Messmittel erzeugtes Eingangssignal kann folglich sowohl dem zentralen Steuergerät 6 als auch den weiteren Steuergeräten 11, 12, 13 bereitgestellt werden. It is also advantageous that by the other control devices 11 . 12 . 13 evaluated input variables, which also by the central control unit 6 be evaluated by connecting an input channel to an input of the other controller 11 . 12 . 13 can be detected. Consequently, an input signal generated by a measuring device can be used both by the central control unit 6 as well as the other control units 11 . 12 . 13 to be provided.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch das Steuergerät 6 herkömmliche zentrale Steuerfunktionen mit einer QM-Einstufung durchführt. Dies betrifft beispielsweise die Berechnung eines Innenwiderstands des Energiespeichers 9, welche typischerweise nicht als sicherheitsrelevant eingestuft ist. Als sicherheitsrelevante, zentrale Steuerfunktionen realisiert der Steuergerät 6 jedoch beispielsweise die Ansteuerung einer dem Energiespeicher 9 zugeordneten Kühleinrichtung 21. It should be noted at this point that even the control unit 6 performs conventional centralized control functions with a QM rating. This applies, for example, to the calculation of an internal resistance of the energy store 9 which is typically not classified as security relevant. The control unit implements safety-relevant, central control functions 6 However, for example, the control of the energy storage 9 associated cooling device 21 ,

Funktionskomponentenbezogene Steuerfunktionen mit ASIL-Einstufung, die durch das Steuergerät 6 realisiert werden, sind bezüglich des Energiespeichers 9 beispielsweise Diagnosefunktionen für eine Abschaltung des Energiespeichers 9 im Falle eines Fehlers. Zur Ermittlung einer solchen Diagnosefunktion erforderliche Eingangsdaten werden vorliegend über die Anordnung 18 von Messmitteln an einem Eingangskanal 15 des Steuergeräts 6 bereitgestellt. Eine nicht sicherheitsrelevante Interlockfunktion für den Energiespeicher 9 wird jedoch durch das weitere Steuergerät 12 realisiert.Function component-related control functions with ASIL rating determined by the controller 6 be realized are with respect to the energy storage 9 For example, diagnostic functions for switching off the energy storage 9 in case of a mistake. To determine such a diagnostic function required input data are present on the arrangement 18 of measuring means on an input channel 15 of the control unit 6 provided. A non-safety-relevant interlock function for the energy storage 9 However, this is due to the additional control unit 12 realized.

Hinsichtlich der Energiespeicherzellen 10 als Funktionskomponente wird beispielsweise eine die Erfassung einer Über- bzw. Unterspannung berücksichtigende Steuerfunktion durch das Steuergerät 6 realisiert, wozu entsprechende redundante Eingangsgrößen durch die Anordnung 17 von energiespeicherzellseitigen Messmitteln bereitgestellt werden. Eine ausschließlich die Zellspannung berücksichtigende Steuerfunktion ist hingegen durch das Steuergerät 13 realisiert.Regarding the energy storage cells 10 As a functional component, for example, a control function taking into account the detection of an overvoltage or undervoltage is performed by the control unit 6 realized, including corresponding redundant input variables through the arrangement 17 provided by energy storage cell side measuring means. On the other hand, a control function which takes into account only the cell voltage is provided by the control unit 13 realized.

Eine sicherheitsrelevante, auf die Anschlusseinrichtung 4 bezogene Steuerfunktion, die durch das Steuergerät 6 realisiert wird, wartet beispielsweise einen durch die Anordnung 16 von Messmitteln erfassten Batteriestrom aus, wohingegen QM-eingestufte Steuerfunktionen, welche die Spannung des Niedervoltbordnetzes 5 an einer Klemme mit der Klemmenbezeichnung 30 messen, durch das Steuergerät 11 realisiert werden.A safety-relevant, on the connection device 4 related control function by the control unit 6 is realized, waiting for example one through the arrangement 16 Battery power detected by measuring means, whereas QM-rated control functions, the voltage of the low-voltage on-board electrical system 5 on a terminal with the terminal designation 30 measure, through the controller 11 will be realized.

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  • ISO 26262 [0028] ISO 26262 [0028]

Claims (10)

Energiespeichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug (1), umfassend ein zentrales Steuergerät (6) und eine oder mehrere Funktionskomponenten, welche ein Energiespeicher (9) und/oder Energiespeicherzellen (10) des Energiespeichers (9) und/oder eine zur externen Kontaktierung der Energiespeichereinrichtung (2) ausgebildete Anschlusseinrichtung (4) ist oder sind, dadurch gekennzeichnet, dass funktionskomponentenbezogene, aufgrund einer Sicherheitsanforderung wenigstens eine redundant erfasste Eingangsgröße und/oder wenigstens einen redundanten Berechnungsweg erfordernde Steuerfunktionen der Energiespeichereinrichtung (1) ausschließlich durch das Steuergerät (6) realisiert sind.Energy storage device for a motor vehicle ( 1 ), comprising a central control unit ( 6 ) and one or more functional components which an energy storage ( 9 ) and / or energy storage cells ( 10 ) of the energy store ( 9 ) and / or for external contacting of the energy storage device ( 2 ) trained connection device ( 4 ) is or are, characterized in that functional component-related, due to a security request at least one redundantly detected input variable and / or at least one redundant calculation path requiring control functions of the energy storage device ( 1 ) exclusively by the control unit ( 6 ) are realized. Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (6) zur redundanten Erfassung einer jeweiligen Eingangsgröße einen Eingang mit mehreren redundanten, jeweils ein Eingangssignal erhaltenden Eingangskanälen (15) und/oder zur Durchführung des wenigstens einen redundanten Berechnungswegs wenigstens eine mehrere redundante Prozessorkerne (20) aufweisende Recheneinrichtung (19) aufweist.Energy storage device according to claim 1, characterized in that the control unit ( 6 ) for redundant detection of a respective input variable, an input with a plurality of redundant input channels each receiving an input signal ( 15 ) and / or for carrying out the at least one redundant calculation path at least one plurality of redundant processor cores ( 20 ) having computing means ( 19 ) having. Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Eingangskanal (15) eines jeweiligen Eingangs des Steuergeräts (6) zur Erfassung des Eingangssignals mit einem funktionskomponentenseitig angeordneten Messmittel verbunden und/oder die Recheneinrichtung (19) zur Ausführung der Berechnungswege unter Berücksichtigung der über die Eingangskanäle (15) erhaltenen Eingangssignale ausgebildet ist. Energy storage device according to claim 2, characterized in that a respective input channel ( 15 ) of a respective input of the control unit ( 6 ) connected to the detection of the input signal to a functional component side arranged measuring means and / or the computing device ( 19 ) for carrying out the calculation paths, taking into account those via the input channels ( 15 ) formed input signals is formed. Energiespeichereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (6) als eine Baueinheit der Energiespeichereinrichtung (2) ausgebildet ist.Energy storage device according to one of the preceding claims, characterized in that the control device ( 6 ) as a structural unit of the energy storage device ( 2 ) is trained. Energiespeichereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (6) zur externen Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug (1), insbesondere über ein kraftfahrzeugseitiges Bussystem (7), ausgebildet ist.Energy storage device according to one of the preceding claims, characterized in that the control device ( 6 ) for external communication with the motor vehicle ( 1 ), in particular via a bus-side bus system ( 7 ), is trained. Energiespeichereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung (2) neben dem zentralen Steuergerät (6) wenigstens ein weiteres Steuergerät (11, 12, 13) aufweist, wobei durch das wenigstens eine weitere Steuergerät (11, 12, 13) funktionskomponentenbezogene, weitere Steuerfunktionen der Energiespeichereinrichtung (1) realisiert sind.Energy storage device according to one of the preceding claims, characterized in that the energy storage device ( 2 ) next to the central control unit ( 6 ) at least one further control device ( 11 . 12 . 13 ), wherein by the at least one further control device ( 11 . 12 . 13 ) functional component-related, further control functions of the energy storage device ( 1 ) are realized. Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Funktionskomponente ein die auf diese Funktionskomponente bezogenen Steuerfunktionen realisierendes weiteres Steuergerät (11, 12, 13) vorgesehen ist.Energy storage device according to claim 6, characterized in that for each functional component, a further control device (FIG. 11 . 12 . 13 ) is provided. Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges weiteres Steuergerät (11, 12, 13) als eine separate Baueinheit der Energiespeichereinrichtung (1) ausgebildet ist. Energy storage device according to claim 6 or 7, characterized in that a respective further control device ( 11 . 12 . 13 ) as a separate structural unit of the energy storage device ( 1 ) is trained. Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Eingang eines jeweiligen weiteren Steuergeräts (11, 12, 13) mit einem Eingangskanal (15) des zentralen Steuergeräts (6) zur Erfassung des über den Eingangskanal (15) übertragenen Eingangssignals als ein Eingangssignal des weiteren Steuergeräts (11, 12, 13) verbunden ist.Energy storage device according to claim 2 and one of claims 6 to 8, characterized in that at least one input of a respective further control device ( 11 . 12 . 13 ) with an input channel ( 15 ) of the central control unit ( 6 ) for detecting the via the input channel ( 15 ) transmitted input signal as an input signal of the further control device ( 11 . 12 . 13 ) connected is. Kraftfahrzeug, umfassend eine Energiespeichereinrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mittels welcher eine zum vollständig oder teilweise elektrischen Antrieb ausgebildete Antriebseinrichtung (3) des Kraftfahrzeugs (1) versorgbar ist.Motor vehicle comprising an energy storage device ( 2 ) according to one of the preceding claims, by means of which a drive device designed for fully or partially electric drive ( 3 ) of the motor vehicle ( 1 ) is available.
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