DE102019206412A1

DE102019206412A1 - Batterieeinheit und Kommunikationsverfahren in einer Batterieeinheit

Info

Publication number: DE102019206412A1
Application number: DE102019206412.4A
Authority: DE
Inventors: Stephan Schmidt; Christian Wick
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-11-05
Also published as: CN111883858A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit (100), umfassend mindestens zwei Batteriemodule (1-3) und ein zentrales Steuergerät (4), die datentechnisch miteinander verbunden sind, wobei die Datenkommunikation zwischen den Batteriemodulen (1-3) und dem zentralen Steuergerät (4) als optische Datenkommunikation ausgebildet ist, wobei jedes Batteriemodul (1-3) und das zentrale Steuergerät (4) mindestens einen optischen Sender (S1-S4, S1'-S4') und mindestens einen optischen Empfänger (E1-E4, E1'-E4') aufweisen, wobei die optischen Sender (S1-S4, S1'-S4') derart ausgebildet sind, dass deren optische Sendeleistung (P) in Abhängigkeit mindestens eines Parameters angepasst wird, sowie ein Kommunikationsverfahren in einer solchen Batterieeinheit (100).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit und ein Kommunikationsverfahren in einer solchen Batterieeinheit.
Eine solche Batterieeinheit umfasst üblicherweise ein Gehäuse, in dem mehrere Batteriemodule angeordnet sind. Die Batteriemodule selbst weisen eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die in Reihe und/oder parallel verschaltet sind. Die Batteriemodule sind dann ebenfalls in Reihe oder parallel verschaltet. Die äußeren Kontakte der Zusammengeschalteten Batteriemodule bilden dann die Batteriepole. Dabei ist es weiter bekannt, den Batteriemodulen Mess- und Steuereinheiten zuzuordnen, die die Zellspannungen und gegebenenfalls die Temperatur der Batteriezellen messen sowie ein Zellenbalancing durchführen können. Dabei sind die Mess- und Steuereinheiten mit einem zentralen Steuergerät der Batterieeinheit verbunden, an die die Messdaten übermittelt werden und von dem Steuerbefehle für ein Zellbalancing empfangen werden. Die Datenverbindung erfolgt dabei beispielsweise über einen CAN-, SPI-, IsoSPI- oder I2C-Bus.
Aufgrund der hohen Ströme in solchen Batterieeinheiten kann es zu Störungen in einer elektrischen Datenkommunikation kommen.
Aus der DE 10 2017 204 138 A1 ist eine Batterieeinheit bekannt, umfassend mindestens zwei Batteriemodule und mindestens zwei Mess- und Steuereinheiten, die mit mindestens einem zentralen Steuergerät datentechnisch verbunden sind. Dabei ist die Datenkommunikation als optische Freiraumkommunikation realisiert, wobei die Mess- und Steuereinheiten jeweils mindestens einen optischen Sender aufweisen und das zentrale Steuergerät mindestens einen optischen Empfänger aufweist, wobei die optische Freiraumkommunikation zwischen den Mess- und Steuereinheiten und dem zentralen Steuergerät jeweils direkt unter Ausschluss der weiteren Mess- und Steuereinheiten erfolgt.
Der Vorteil der direkten optischen Freiraumkommunikation ist deren Robustheit gegen elektromagnetische Störungen sowie der Entfall aufwendiger Verkabelungen. Der Vorteil gegenüber einer Freiraumkommunikation in Form einer daisy-chain-Kommunikation oder einem ähnlichen Ansatz, der auf einer Kommunikation zwischen den Mess- und Steuereinheiten beruht, ist, dass diese erheblich schneller ist, insbesondere wenn die Anzahl der Batteriemodule steigt. Auch das Daten-Handling ist einfacher.
Allerdings ist die zuverlässige technische Implementierung nicht einfach.
Aus der DE 10 2009 058 879 A1 ist ein elektrisches Energiespeichersystem eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs bekannt, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Komponenten und Datenübertragungseinrichtungen zur Übertragung von Datensignalen von und/oder zu wenigstens einer der Komponenten, wobei die Datenübertragungseinrichtungen wenigstens eine Übertragungsstrecke für elektromagnetische Strahlung zur Datensignalübertragung umfassen. Vorzugsweise ist dabei wenigstens eine Übertragungsstrecke als Lichtwellenleiter zur optischen Datensignalübertragung ausgebildet.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Batterieeinheit zu schaffen, bei der die Kommunikation verbessert ist, sowie ein Kommunikationsverfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Batterieeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Kommunikationsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Batterieeinheit umfasst mindestens zwei Batteriemodule und ein zentrales Steuergerät, die datentechnisch miteinander verbunden sind, wobei die Datenkommunikation zwischen den Batteriemodulen und dem zentralen Steuergerät als optische Datenkommunikation ausgebildet ist, wobei jedes Batteriemodul und das zentrale Steuergerät mindestens einen optischen Sender und mindestens einen optischen Empfänger aufweisen, wobei die Sender derart ausgebildet sind, dass deren optische Sendeleistung in Abhängigkeit mindestens eines Parameters angepasst wird. Somit ist es möglich, die elektrische Energie zum Betrieb der Kommunikation so gering wie möglich auszulegen, bei der noch ein sicherer Betrieb der Kommunikation möglich ist, wobei durch die Anpassbarkeit der Sendeleistung auf Änderungen reagiert werden kann. Neben der Energiespannung führt dies auch zu einer längeren Lebensdauer von Sender und Empfänger. Der Sender ist beispielsweise als Laserdiode oder LED ausgebildet. Der Empfänger ist beispielsweise als Fotodiode oder als Fotowiderstand ausgebildet. Die Anpassung der optischen Sendeleistung erfolgt über eine Anpassung der elektrischen Parameter (vorzugsweise des Stromes) des optischen Senders.
In einer Ausführungsform sind die Batteriemodule und das zentrale Steuergerät in einer unidirektionalen oder einer bidirektionalen Ring-Struktur (auch als Daisy-Chain bezeichnet) datentechnisch verbunden. Dies stellt eine sehr robuste Datenverbindung dar, wobei die bidirektionale Ring-Struktur insbesondere bei vielen Teilnehmern schneller ist, dafür etwas mehr schaltungstechnischen Aufwand benötigt.
In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Parameter eine Empfangsleistung an einem Empfänger eines benachbarten Kommunikations-Teilnehmers (Batteriemodul oder zentrales Steuergerät). Anschaulich übermittelt der Empfänger, ob die Empfangsleistung ausreichend ist, sodass der Sender seine Sendeleistung anpassen kann. Ist die Empfangsleistung beispielsweise zu gering, wird die Sendeleistung erhöht und umgekehrt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Parameter die Sendeleistung selbst. Anschaulich wird ein Teil der Sendeleistung abgezweigt und ausgewertet. Somit weiß der Sender, wieviel Sendeleistung (optisch) der Sender tatsächlich aussendet.
In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Parameter eine Temperatur. Hierdurch kann dem Effekt entgegengewirkt werden, dass die optische Leistung des Senders bei tiefen Temperaturen niedriger ist. Alternativ oder ergänzend kann der Parameter auch eine Lebenszeit des Senders sein. Somit kann eine Alterung des Senders kompensiert werden. Alternativ oder ergänzend kann der Parameter auch eine Betriebsdauer und/oder eine Anzahl von Betriebszyklen des Senders sein.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Batteriemodule und/oder das Steuergerät derart ausgebildet, die eingestellte Sendeleistung abzuspeichern. Hierdurch wird sichergestellt, dass die während des Betriebes erlernte Adaption nicht verloren geht. Die Abspeicherung kann dabei lokal und/oder zentral stattfinden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die optische Datenübertragung mindestens teilweise fasergeführt ausgebildet. Dies erlaubt eine sichere Datenübertragung auch bei schwierigen räumlichen Anordnungen der Batteriemodule.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Batteriemodule und das zentrale Steuergerät jeweils mindestens zwei Sender und zwei Empfänger auf, wobei die Batterieeinheit derart ausgebildet ist, dass eine empfangene Empfangsleistung unmittelbar vom Empfangs-Teilnehmer an den Sende-Teilnehmer zurückübertragen wird. Dies erlaubt eine sehr schnelle Adaption der Sendeleistung des Senders.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Sende-Teilnehmer derart ausgebildet, die Sendeleistung automatisch zu erhöhen, wenn dieser keine zurückübertragene Empfangsleistung vom Empfangs-Teilnehmer empfängt. Somit wird sichergestellt, dass es zu keiner Unterbrechung der Kommunikation aufgrund einer zu geringen Sendeleistung kommt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass bei Erreichen einer maximalen Sendeleistung eines Senders oder bei Erreichen eines Schwellwertes knapp vor der maximalen Sendeleistung ein Warn- oder Diagnosesignal generiert wird, um so auf den bald notwendigen Ersatz des Senders hinzuweisen.
Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Batterieeinheit ist der Einsatz als Traktionsbatterie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Batterieeinheit in einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Teildarstellung einer Batterieeinheit in einer zweiten Ausführungsform,
3 eine schematische Teildarstellung einer Batterieeinheit in einer dritten Ausführungsform und
4 eine Darstellung der elektrischen Leistung eines Senders über der Zeit einer vierten Ausführungsform.

In der 1 ist schematisch eine Batterieeinheit 100 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Batterieeinheit 100 weist beispielsweise drei Batteriemodule 1-3 sowie ein zentrales Steuergerät 4 (auch als BMC Batterie Management Controller bezeichnet) auf. Die Batteriemodule 1-3 weisen jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die nicht weiter dargestellt sind. Die Batteriezellen 1-3 sind miteinander elektrisch verschaltet, was ebenfalls aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt ist. Die Batteriemodule 1-3 weisen Sensoren auf, um Messgrößen innerhalb der Batteriemodule 1-3 wie beispielsweise Spannung, Strom und/oder Temperatur der Batteriezellen zu erfassen. Weiter weisen die Batteriemodule 1-3 Steuergeräte (auch als CMC Cell Modul Controller bezeichnet) auf, die die Batteriezellen beispielsweise für ein Zell-Balancing ansteuern können und die Messgrößen an das zentrale Steuergerät 4 übermitteln können. Die nicht dargestellten Steuergeräte der Batteriemodule 1-3 steuern auch diese Datenkommunikation, d.h. das Übermitteln der Messgrößen sowie das Empfangen und Umsetzen von Steuerbefehlen des zentralen Steuergerätes 4.
Die Batteriemodule 1-3 bilden mit dem zentralen Steuergerät 4 eine bidirektionale Ring-Struktur für die Datenkommunikation aus. Hierzu weisen die Batteriemodule 1-3 und auch das zentrale Steuergerät 4 jeweils zwei optische Sender S1-S4, S1'-S4' sowie zwei optische Empfänger E1-E4, E1'-E4' auf. Die eine Kommunikationsrichtung geht beispielsweise von S1 nach E2', S2 nach E3', S3 zu E4' und von S4 zu E1'. Die andere Kommunikationsstrecke geht dann über S1', E4, S4', E3, S3', E2, S2' nach E1.
Zwischen dem Sender S1' und dem Empfänger E4, dem Sender S4 und dem Empfänger E1', dem Sender S3 und dem Empfänger E4' sowie dem Sender S4' und dem Empfänger E3 sind optische Fasern 5 angeordnet. Dabei sei angemerkt, dass sämtliche Kommunikationsstrecken fasergeführt ausgebildet sein können, aber auch alle als Freiraum-Kommunikation ausgebildet sein können.
Die optischen Sender S1-S4, S1'-S4' sind beispielsweise als Laserdiode oder LED ausgebildet, wobei diese derart ausgebildet sind, dass deren optische Leistung veränderbar ist. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Erhöhung des Stromes durch die LED. Die Anpassung der optischen Sendeleistung erfolgt nun derart, dass eine möglichst niedrige Sendeleistung eingestellt wird, bei der die Empfangsqualität noch ausreichend gut ist. Dies soll nun beispielhaft anhand der Kommunikation zwischen dem ersten Batteriemodul 1 und dem zweiten Batteriemodul 2 erläutert werden. Das erste Batteriemodul 1 übermittelt mittels des optischen Senders S1 Daten an das zweite Batteriemodul 2, wobei die Daten am Empfänger E2' empfangen werden, die dann mittels des Senders S2 weitergeleitet werden sollen (gegebenenfalls mit weiteren Daten des zweiten Batteriemoduls 2). In dem zweiten Batteriemodul 2 wird nun die Empfangsleistung am Empfänger E2' ausgewertet und über den Sender S2' an das erste Batteriemodul 1 zurückübermittelt. Anhand dieser Information weiß nun das erste Batteriemodul 1, ob die Sendeleistung vom Sender S1 zu groß, zu klein oder genau richtig ist. Entsprechend wird die Sendeleistung angepasst, sodass bei minimaler elektrischer Leistung eine sichere Kommunikation möglich ist. Somit können z.B. Alterungseffekte, Verschmutzungen etc. kompensiert werden.
In der 2 sind nun das erste Batteriemodul 1 und das zweite Batteriemodul 2 in einer alternativen Ausführungsform dargestellt, wo nur eine unidirektionale Ring-Struktur vorgesehen ist. Entsprechend weist das erste Batteriemodul 1 nur einen optischen Sender S1 und einen optischen Empfänger E1 auf. Gleiches gilt für das zweite Batteriemodul 2. In diesem Fall kann das zweite Batteriemodul 2 die ermittelte Empfangsleistung P(E2) nicht direkt an das erste Batteriemodul 1 zurückübermitteln, sondern übermittelt diese über den Ring zurück an das erste Batteriemodul 1. Dies hat zur Folge, dass die Anpassung der Sendeleistung etwas langsamer ist. Der Vorteil gegenüber der Ausführungsform gemäß 1 ist, dass weniger Bauteile benötigt werden. Vorzugsweise beginnt das erste Batteriemodul 1 dabei mit der maximalen Sendeleistung, die dann nach dem Erhalt der Empfangsleistung P(E2) nach unten angepasst wird.
In der 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt. Dabei wird ein Teil P' der optischen Sendeleistung P des optischen Senders S1 ausgekoppelt, um daraus auf die optische Sendeleistung P zu schließen. Die Auskopplung kann beispielsweise mittels Reflexionen oder Strahlteilen erfolgen. Dabei kann zusätzlich je nach Ausbildung (uni- oder bidirektional) die Empfangsleistung am zweiten Batteriemodul 2 an das erste Batteriemodul 1 übermittelt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrische Leistung P_el über die Lebenszeit kontinuierlich zu erhöhen, um so Alterungseffekte des optischen Senders und Empfängers zu kompensieren, so dass die optische Sendeleistung ausreichend ist. Diese Erhöhung kann wie in 4 dargestellt linear oder gestuft sein. Auch andere Kurvenverläufe sind möglich. Dabei existiert vorzugsweise ein Schwellwert P_g (z.B. 90 % von der maximalen Leistung Pmax), bei dessen Erreichen ein Warnsignal generiert wird. Der Vorteil dieser Variante ist, dass keine Messergebnisse zur Adaption der Sendeleistung benötigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017204138 A1 [0004]
DE 102009058879 A1 [0007]

Claims

Batterieeinheit (100), umfassend mindestens zwei Batteriemodule (1-3) und ein zentrales Steuergerät (4), die datentechnisch miteinander verbunden sind, wobei die Datenkommunikation zwischen den Batteriemodulen (1-3) und dem zentralen Steuergerät (4) als optische Datenkommunikation ausgebildet ist, wobei jedes Batteriemodul (1-3) und das zentrale Steuergerät (4) mindestens einen optischen Sender (S1-S4, S1'-S4') und mindestens einen optischen Empfänger (E1-E4, E1'-E4') aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender (S1-S4, S1'-S4') derart ausgebildet sind, dass deren optische Sendeleistung (P) in Abhängigkeit mindestens eines Parameters angepasst wird.
Batterieeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (1-3) und das zentrale Steuergerät (4) in einer unidirektionalen oder einer bidirektionalen Ring-Struktur datentechnisch verbunden sind.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter eine Empfangsleistung an einem Empfänger eines benachbarten Kommunikations-Teilnehmers ist.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter eine ermittelte Sendeleistung (P) des Senders ist.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter eine Temperatur und/oder eine Lebenszeit (t) des Senders (S1-S4, S1'-S4') und/oder eine Betriebszeit und/oder eine Anzahl von Betriebszyklen des Senders (S1-S4, S1'-S4') ist.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (1-3) und/oder das zentrale Steuergerät (4) derart ausgebildet sind, die eingestellte Sendeleistung abzuspeichern.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Datenübertragung mindestens teilweise fasergeführt ausgebildet ist.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (1-3) und das zentrale Steuergerät (4) jeweils mindestens zwei Sender (S1-S4, S1'-S4') und zwei Empfänger (E1-E4, E1'-E4') aufweisen, wobei die Batterieeinheit (100) derart ausgebildet ist, dass eine empfangene Empfangsleistung unmittelbar vom Empfangs-Teilnehmer an den Sende-Teilnehmer zurückübertragen wird.
Batterieeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sende-Teilnehmer derart ausgebildet ist, die Sendeleistung automatisch zu erhöhen, wenn dieser keine zurückübertragene Empfangsleistung vom Empfangs-Teilnehmer empfängt.
Kommunikationsverfahren in einer Batterieeinheit (100), mittels mindestens zweier Batteriemodule (1-3) und einem zentralen Steuergerät (4), die datentechnisch mittels einer optischen Datenkommunikation miteinander kommunizieren, wobei jedes Batteriemodul (1-3) und das zentrale Steuergerät (4) mindestens einen optischen Sender (S1-S4, S1'-S4') und einen optischen Empfänger (E1-E4, E1'-E4') aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Sendeleistung (P) der optischen Sender in Abhängigkeit mindestens eines Parameters angepasst wird.