DE102020102175A1

DE102020102175A1 - Verfahren zur dynamischen Netzwerkadresskonfiguration von Kommunikationsschaltungen mehrerer Batteriezellen eines Batteriesystems eines Kraftfahrzeugs sowie Batteriesystem und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020102175A1
Application number: DE102020102175.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Hinterberger; Christoph Hartmann; Christian Endisch; Tobias Buchberger; Ulrich Margull; Christian Hanzl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-01-29
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2021-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Netzwerkadresskonfiguration von Kommunikationsschaltungen (19) mehrerer Batteriezellen (12) eines Batteriesystems (11) eines Kraftfahrzeugs (10), wobei die Batteriezellen (12) in einer elektrischen Verschaltung (13) ihrer Zellpole (28) mittels elektrischer Leitungen (13') zu einer Serienschaltung (15) aus mehrere Zellgruppen (14) verbunden sind, innerhalb welcher jeweils einige der Batteriezellen (12) parallel verschaltet sind, und ihre Kommunikationsschaltungen (19) mittels einer Signalleitung (24) als eine Daisy-Chain (25) hintereinander an eine zentrale Steuerschaltung (21) angeschlossen sind, die einen Initialbefehl (26) zur Selbstvergabe einer jeweiligen Netzwerkadresse (23) über die Signalleitung (24) an die erste Batteriezelle (12) der ersten Zellgruppe (14) aussendet und sich dann nacheinander die Kommunikationsschaltungen (19) der Batteriezellen (12) jeweils selbst eine eindeutige Netzwerkadresse (23) zuteilen und mittels eines Konfigurationsbefehls (27) die in der Daisy-Chain (25) jeweils nachfolgende Kommunikationsschaltung (19) zur Selbstvergabe einer Netzwerkadresse (23) auffordern. Damit die selbstvergebene Netzwerkadresse (23) eine Einbauposition in dem Batteriesystem (11) wiederspiegelt, können Schalterstellungen von Schalteranordnungen (32) ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um in einem Batteriesystem den Kommunikationsschaltungen mehrerer Batteriezellen jeweils dynamisch eine Netzwerkadresse zuzuordnen. Diese dynamische Netzwerkkonfiguration kann beispielsweise bei einem Start des Batteriesystems oder bei der erstmaligen Inbetriebnahme erfolgen, ohne dass hierzu die Kommunikationsschaltungen zuvor eine feste Netzwerkadresse zugeordnet bekommen haben müssen. Zu der Erfindung gehören auch ein Batteriesystem, dass gemäß dem Verfahren betrieben werden kann, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.
In einem Kraftfahrzeug kann für einen elektrischen Fahrantrieb ein Batteriesystem bereitgestellt sein, in welchem elektrische Energie zum Betreiben des Fahrantriebs gespeichert sein und/oder in welchem bei einer Rekuperation die aus dem Fahrantrieb zurückgewonnene elektrische Energie gespeichert werden kann. Ein solches Batteriesystem kann zum Speichern der elektrischen Energie Batteriezellen aufweisen, von denen jede in einem Gehäuse beispielsweise eine elektrochemische oder galvanische Zelle sowie an dem Gehäuse elektrische Zell-Pole zum Kontaktieren der jeweiligen galvanischen Zelle aufweisen kann. Eine Batteriezelle kann schaltbar ausgestaltet sein, in welchem Fall sie dann als Smart-Cell bezeichnet ist. Eine schaltbare Batteriezelle kann eine Schalteranordnung aus Schaltelementen aufweisen, die durch eine Controller-Schaltung der Batteriezelle selbst geschaltet werden kann. Hierdurch kann sich die Batteriezelle selbst in ein elektrisches Verschaltungsnetz der Batteriezellen zuschalten oder von diesem wegschalten oder die beiden Zell-Pole elektrisch überbrücken. Um die Schaltzustände dieser Schalteranordnungen der Batteriezellen zu koordinieren, können die Batteriezellen jeweils mit einer Kommunikationsschaltung ausgestattet sein, über welche jede Batteriezelle aus einer zentralen Steuerschaltung des Batteriesystems Schaltbefehle empfangen kann. Die Kommunikationsschaltungen können hierzu über ein oder mehrere Datennetzwerke oder ein oder mehrere Kommunikationsnetzwerke (z.B. CAN - Controller Area Network) mit der Steuerschaltung verschaltet sein. Für die Kommunikation zwischen Steuerschaltung einerseits und den Kommunikationsschaltungen der unterschiedlichen Batteriezellen andererseits kann eine Adressvergabe notwendig sein, um jeder Kommunikationsschaltung eine eindeutige Netzwerkadresse oder eine ID (Identifikationsnummer, Netzwerk-ID) zuzuordnen, über welche die zentrale Steuerschaltung die einzelnen Kommunikationsschaltungen bei der Kommunikation adressieren oder identifizieren kann.
Die zentrale Steuerschaltung und die Kommunikationsschaltungen der unterschiedlichen Batteriezellen können zusätzlich für das Übertragen einfacher Signale mittels einer zusätzlichen Signalleitung verbunden sein. Eine mögliche Kopplung der Kommunikationsschaltungen über eine solche Signalleitung ist die sogenannte Daisy-Chain. Hierbei ist die Steuerschaltung über die Signalleitung mit einer ersten der Kommunikationsschaltungen verschaltet, von welcher aus dann die Signalleitung zur nächsten Kommunikationsschaltung weitergeführt ist und so weiter, sodass alle Kommunikationsschaltungen entlang der Signalleitung hintereinander verschaltet sind.
Eine Vergabe einer Netzwerkadresse kann hier dadurch erfolgen, dass die zentrale Steuerschaltung einen Initialbefehl zur Selbstvergabe einer jeweiligen Netzwerkadresse über die Signalleitung an die erste Batteriezelle in der Daisy-Chain aussendet. Damit kann sich die Kommunikationsschaltung dieser ersten Batteriezelle eine eigene Netzwerkadresse vergeben in dem Wissen, dass sie die erste Kommunikationsschaltung in der Daisy-Chain ist. Danach kann diese Kommunikationsschaltung über die Signalleitung einen Konfigurationsbefehl zu der in der Daisy-Chain nachfolgenden Kommunikationsschaltung (also zur nächsten Batteriezelle) aussenden und damit die nächste Kommunikationsschaltung zur Selbstvergabe einer eigenen Netzwerkadresse auffordern. Hierbei kann die Kommunikationsschaltung ihre eigene bereits selbst vergebene Netzwerkadresse z.B. über den Kommunikationsbus mitteilen, wodurch dann die nachfolgende Kommunikationsschaltung diese Netzwerkadresse bereits kennt und beispielsweise durch inkrementieren eines Zählers sich selbst eine neue, eindeutige Netzwerkadresse vergeben kann.
Diese Form der Selbstvergabe von Netzwerkadressen berücksichtigt allerdings nicht die elektrische Verschaltung der Batteriezellen untereinander, also deren Position in der elektrischen Verschaltung der Batteriezellen. Die Netzwerkadresse sagt also nichts über diese Position aus.
Die Batteriezellen eines Batteriesystems können nämlich in der batterieinternen elektrischen Verschaltung zu Zellgruppen verschaltet sein, in denen jeweils die darin enthaltenen Batteriezellen der Zellgruppe als Parallelschaltung verschaltet sind, um so die elektrischen Ströme der Batteriezellen der Zellgruppe kombinieren oder zusammenfassen zu können. Solche Zellgruppen (parallel geschalteter Batteriezellen) können dann wiederum in Serie oder Reihe zueinander geschaltet sein, um die elektrischen Spannungen der Zellgruppen aufaddieren oder akkumulieren zu können, wodurch in einem Batteriesystem an einem externen Batterieanschluss eine Batteriespannung von mehr als 60 Volt (Hochvolt-Spannung) bereitgestellt werden kann.
Bei der beschriebenen Selbstvergabe der Netzwerkadressen entlang einer Daisy-Chain ergeben sich keine Netzwerkadressen, welche diese Position einer Batteriezelle innerhalb der Verschaltung erkennbar wird, also die Angabe, in welcher Zellgruppe eine Batteriezelle verschaltet ist. Somit kann eine zentrale Steuerschaltung nicht anhand der dynamisch vergebenen Netzwerkadressen Schaltbefehle für bestimmte Zellgruppen gezielt vorgeben.
Eine Kommunikation innerhalb eines Batteriesystems auf der Grundlage des Daisy-Chain-Prinzips ist beispielsweise in der DE 10 2013 225 243 A1 beschrieben.
Aus der DE 10 2014 214 996 A1 ist bekannt, dass Batteriezellen untereinander verschaltet sein können und hierbei Schaltelemente dieser Verschaltung über eine Koppelschaltung miteinander gekoppelt sein können, um die Menge der möglichen Kombinationen an Schaltzuständen dieser Schaltelemente einzuschränken, sodass beispielsweise ein Kurzschluss zwischen den Batteriezellen verhindert ist, wie er durch ungünstige Schaltzustände dieser Schaltelemente ansonsten erreicht werden könnte. Die Koppelschaltung kann hierbei logische Verknüpfungen von Schaltsignalen vorsehen, beispielsweise ein logisches UND oder ein logischen ODER.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Batteriesystem die Netzwerkadressen von Kommunikationsschaltungen, von denen jeweils eine in einer der Batteriezellen des Batteriesystems angeordnet ist, automatisiert und dynamisch, das heißt insbesondere nach einer Montage des Batteriesystems, vergeben zu können.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Die Erfindung geht also davon aus, dass in dem Batteriesystem jede Batteriezelle eine eigene Kommunikationsschaltung aufweist und die Kommunikationsschaltungen dieser Batteriezellen für eine Kommunikation mit einer zentralen Steuerschaltung eingerichtet sind. Hierzu kann in dem Batteriesystem ein Datennetzwerk eingerichtet sein.
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zur dynamischen Netzwerkadresskonfiguration für Kommunikationsschaltungen bereitgestellt, von denen jede jeweils in einer Batteriezelle eines Batteriesystems eines Kraftfahrzeugs eingebaut oder angeordnet ist. Über eine solche Kommunikationsschaltung kann eine Batteriezelle beispielsweise Schaltbefehle aus einer zentralen Steuereinheit oder Steuerschaltung empfangen, die die Batteriezellen durch die Übermittlung eines gewünschten Schalterzustands mit Schaltanforderungen ansteuert, damit diese Batteriezellen jeweils einen Schaltzustand mittels ihrer eingebauten oder integrierten Schalteranordnung einstellen. Jede Batteriezelle stellt somit eine Smart-Cell dar. Für die Übertragung der Schaltbefehle und/oder für die Übertragung von Sensordaten können die Kommunikationsschaltungen der Batteriezellen an das besagte Datennetzwerk oder Kommunikationsnetzwerk, z.B. den erwähnten CAN-Bus, angeschlossen sein. Für die Kommunikation über ein solches Datennetzwerk ist eine eindeutige Netzwerkadresse für jede Kommunikationsschaltung notwendig. Das Datennetzwerk kann kabelbasiert oder optisch oder funkbasiert sein. Das Datennetzwerk kann somit drahtgebunden oder drahtlos sein.
Die Batteriezellen sind untereinander in einem elektrischen Verschaltungsnetz oder einer elektrischen Verschaltung ihrer Zell-Pole (Pluspol und Minuspol) mittels elektrischer Leitungen miteinander elektrisch verschaltet. Hierbei sind jeweils einige Batteriezellen zu einer jeweiligen Zellgruppe parallel miteinander verschaltet und diese Zellgruppen wiederum sind zu einer Serienschaltung verschaltet. Somit ist jede Batteriezelle zu genau einer Zellgruppe zugehörig und hat innerhalb der Zellgruppe eine Position inne.
Das Verfahren sorgt nun dafür, dass jede Batteriezelle für ihre Kommunikationsschaltung eine Netzwerkadresse erhält, welche der Zugehörigkeit der Batteriezelle zu einer bestimmten Zellgruppe und der Position innerhalb dieser Zellgruppe entspricht. Anhand der Netzwerkadresse kann also erkannt werden, wo sich die zugehörige Batteriezelle innerhalb der elektrischen Verschaltung der Batteriezellen befindet.
Hierzu sind die Kommunikationsschaltungen der Batteriezellen mittels einer Signalleitung als eine Daisy-Chain hintereinander an die zentrale Steuerschaltung angeschlossen. Die Signalleitung kann von den Leitungen des besagten Datennetzwerks verschieden sein. Die Steuerschaltung sendet für die dynamische Netzwerkadresskonfiguration einen Initialbefehl zur Selbstvergabe einer jeweiligen Netzwerkadresse über diese Signalleitung an die erste Batteriezelle der ersten Zellgruppe aus. Die Signalleitung führt also von der Steuerschaltung zu der ersten Batteriezelle der ersten Zellgruppe. Hiervon ausgehend teilt sich nacheinander die Kommunikationsschaltung jeder Batteriezellen jeweils selbst eine eindeutige Netzwerkadresse zu und fordert mittels eines jeweiligen Kommunikationsbefehls die in der Daisy-Chain nachfolgende Kommunikationsschaltung zur Selbstvergabe einer Netzwerkadresse auf.
Die erste Kommunikationsschaltung vergibt also sich selbst eine Netzwerkadresse und sendet dann den beschriebenen Konfigurationsbefehl über die Signalleitung zu der in der Daisy-Chain nächsten oder nachfolgenden Kommunikationsschaltung, die wiederum in der beschriebenen Weise sich selbst eine Netzwerkadresse vergibt und die nachfolgende Kommunikationsschaltung mittels eines Konfigurationsbefehls zur Selbstvergabe einer Netzwerkadresse auffordert. So vergeben sich nacheinander alle Kommunikationsschaltungen selbst eine eindeutige Netzwerkadresse. Jede Kommunikationsschaltung kann dabei ihre eigenen Netzwerkadresse zusammen mit dem Kommunikationsbefehl der nachfolgenden Kommunikationsschaltung mitteilen, damit diese weiß, von welcher bereits vergebenen Netzwerkadresse sie ausgehen soll. Die Netzwerkadressen können über die Signalleitung oder über das Datennetzwerk signalisiert werden.
Zu beachten ist, dass auch die Steuerschaltung selbst derjenigen Batteriezelle, die sie mittels des Initialbefehls ansteuert, ebenfalls eine initiale Netzwerkadresse vorgeben kann, beispielsweise über das Datennetzwerk. Damit simuliert dann die Steuerschaltung eine Kommunikationsschaltung, die in der Daisy-Chain der unmittelbare Vorgänger der ersten Batteriezelle ist. Damit kann die Kommunikationsschaltung der ersten Batteriezelle genauso programmiert sein wie jede andere Kommunikationsschaltung.
Um diese Netzwerkadressen nun auch gemäß der jeweiligen Position einer Batteriezelle in den Zellgruppen zu vergeben oder eine Korrelation zwischen der Position der Batteriezelle in dem Batteriesystem einerseits und ihrer selbstvergebenen Netzwerkadresse andererseits zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kommunikationsschaltungen der Batteriezellen derselben Zellgruppe durch die Signalleitung unmittelbar hintereinander verbunden sind und erst dann die Signalleitung jeweils zur nächsten Zellgruppe geführt ist. Die Signalleitung verbindet also nacheinander alle Signalleitungen derselben Zellgruppe. Von da ausgehend ist dann die Signalleitung zur nächsten Zellgruppe geführt, innerhalb welcher sie dann ebenfalls nacheinander alle Kommunikationsschaltungen verbindet, bevor sie zur nächsten Zellgruppe geführt ist.
Bei der Selbstvergabe der Netzwerkadressen wählt hierbei die Kommunikationsschaltung der ersten Batteriezelle der jeweiligen Zellgruppe eine Netzwerkadresse, welche sie als erste Batteriezelle der Zellgruppe identifiziert. Die Kommunikationsschaltung dieser ersten Batteriezelle „weiß“ oder erkennt also, dass sie die erste Batteriezelle einer Zellgruppe ist, in welcher bisher noch keine andere Batteriezelle sich eine Netzwerkadresse für ihre Kommunikationsschaltung vergeben hat. Dies wird wie folgt erreicht. Die Batteriezelle stellt innerhalb der elektrischen Verschaltung der Zellgruppe mittels ihrer zelleigenen Schalteranordnung in der Zellgruppe einen vorbestimmten Schaltzustand ein, welcher von den übrigen Batteriezellen derselben Zellgruppe messbar ist. Erkennt oder misst also eine Batteriezelle, dass dieser vorbestimmte Schaltzustand noch nicht in der Zellgruppe vorliegt, so ist diese Batteriezelle die erste in der Zellgruppe. Daraufhin kann sie sich selbst die Netzwerkadresse vergeben, welche sie als erste Batteriezelle der Zellgruppe identifiziert. Den übrigen Batteriezellen derselben Zellgruppe signalisiert dann diese Batteriezelle durch Einstellen des vorbestimmten Schaltzustands, dass in der Zellgruppe bereits eine Batteriezelle (nämlich sie selbst) als die erste Batteriezelle der Zellgruppe sich eine entsprechende Netzwerkadresse bereits vergeben hat. Die Kommunikationsschaltung dieser Batteriezelle teilt dann zusammen mit dem von ihr selbst erzeugten Konfigurationsbefehls der nächsten Kommunikationsschaltung ihre eigene Netzwerkadresse mit. „Zusammen“ meint hierbei, dass die Netzwerkadresse der nächsten Kommunikationsschaltung gleichzeitig mit dem Konfigurationsbefehl (aber separat davon, z.B. über das Datennetzwerk) oder sogar als Bestandteil des Konfigurationsbefehls signalisiert wird. „Gleichzeitig“ meint hierbei, dass die Netzwerkadresse der nächsten Kommunikationsschaltung verfügbar gemacht wird, bevor oder sobald diese den Konfigurationsbefehl erhält.
Jede Kommunikationsschaltung der übrigen Batteriezellen derselben Zellgruppe erkennen also durch Messen des in der Zellgruppe nun eingestellten vorbestimmten Schaltzustands, dass sie zu einer Zellgruppe gehört, in welcher es bereits eine „erste“ Batteriezelle gibt, und wählt dann entsprechend jeweils eine Netzwerkadresse, welche sie als Mitglied dieser Zellgruppe identifiziert. Damit nun auch die Kommunikationsschaltungen innerhalb der Zellgruppe eine eindeutige Netzwerkadresse wählen, teilt jede Kommunikationsschaltung zusammen mit dem von ihr erzeugten Konfigurationsbefehl ihre eigene Netzwerkadresse der jeweils nächsten Kommunikationsschaltung mit. Somit kennt also jede Kommunikationsschaltung die Netzwerkadresse ihrer in der Daisy-Chain unmittelbar vorangegangenen Kommunikationsschaltung. So kann beispielsweise durch Hochzählen oder durch Inkrementieren dieser Netzwerkadresse sichergestellt werden, dass jede Netzwerkadresse eindeutig ist.
Der besagte Konfigurationsbefehl, mittels welcher eine Kommunikationsschaltung die in der Daisy-Chain nachfolgende Kommunikationsschaltung zur Selbstvergabe einer Netzwerkadresse auffordert, kann über die beschriebene Signalleitung selbst oder über ein davon unabhängiges zusätzliches Datennetzwerk, beispielsweise einen Kommunikationsbus, wie beispielsweise eines CAN-Bus (CAN - Controller-Area-Network) übertragen oder versendet werden.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass eine Selbstvergabe von Netzwerkadressen durch Kommunikationsschaltungen von Batteriezellen durchgeführt werden kann und dennoch jede Kommunikationsschaltung dabei herausfinden kann, wo sie elektrisch in der Batteriezelle verschaltet oder verbaut ist, also zu welcher Zellgruppe sie gehört und welche Position sie innerhalb der Zellgruppe inne hat.
Zu beachten ist, dass die der hier als „Netzwerkadresse“ beschriebenen Daten eine finale, für das Datennetzwerk vorgesehene, d.h. protokollkonforme Adresse darstellen können oder nur als eine Basis für das Herleiten einer eindeutigen, für die Kommunikation im Datennetzwerk geeigneten Adressen genutzt werden können.
Die Signalleitung kann beispielsweise einen Draht oder zwei Drähte vorsehen, um ein Spannungssignal, beispielsweise ein sogenanntes Wake-Up-Signal (Aufwecksignal) zu übertragen. Mit anderen Worten können der Initialbefehl und jeder Konfigurationsbefehl als ein einfacher, vorbestimmter Spannungspegel (z.B. 3 Volt) in der Signalleitung definiert sein.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
In einer Ausführungsform identifiziert sich eine Konfigurationsschaltung als die „erste Batteriezelle“ einer noch unkonfigurierten oder neuen Zellgruppe, falls diese Konfigurationsschaltung den Konfigurationsbefehl von der in der Daisy-Chain vorangehenden Konfigurationsschaltung empfängt und dann in der elektrischen Verschaltung einen von dem besagten vorbestimmten Schaltzustand verschiedenen Schaltzustand misst. Dann ist nämlich erkennbar oder messbar, dass noch keine andere Batteriezelle in dieser Zellgruppe bereits den vorbestimmten Schaltzustand eingestellt hat. Damit muss diese Batteriezelle die „erste Batteriezelle“ einer Zellgruppe sein. Daraufhin wählt diese Kommunikationsschaltung die besagte Netzwerkadresse, welche sie als erste Batteriezelle dieser Zellgruppe identifiziert. Eine solche Netzwerkadresse kann beispielsweise einen vorbestimmten Wert enthalten.
So kann eine Ausführungsform vorsehen, dass jede Netzwerkadresse zweiteilig aufgebaut ist und dabei einen Zellgruppenzähler und einen Positionszähler aufweist. Der Zellgruppenzähler gibt die Ordnungsnummer oder Ordnungszahl der Zellgruppe an, in welcher sich die Kommunikationsschaltung befindet. Der Positionszähler gibt eine Zellposition entlang der Daisy-Chain innerhalb der jeweiligen Zellgruppe an. Es kann sich also um eine Ordnungszahl oder einen Ordnungswert handeln, der aufwärts oder abwärts entlang der Daisy-Chain pro Kommunikationsschaltung gezählt wird. Durch eine solche zweiteilige Netzwerkadresse ergibt sich der Vorteil, dass sich das Batteriesystem erweitern lässt und dann die Netzwerkadressen systematisch weitervergeben werden können.
In einer Ausführungsform kann hierzu die jeweilige Kommunikationsschaltung ausgehend von derjenigen Netzwerkadresse, die sie aus der in der Daisy-Chain vorangehenden Batteriezelle zusammen mit dem Konfigurationsbefehls empfangen hat, für den Fall, dass es sich um die Kommunikationsschaltung der ersten Batteriezelle einer Zellgruppe handelt, zum Bilden ihrer eigenen Netzwerkadresse den Zellgruppenzähler inkrementieren und den Positionszähler zurücksetzen, also beispielsweise auf 0 oder 1 setzen. Dagegen behält die jeweilige Kommunikationsschaltung jeder übrigen Batteriezelle derselben Zellgruppe (also jede Batteriezelle, die nicht die erste Batteriezelle dieser Zellgruppe darstellt) bei der Selbstvergabe der Netzwerkadresse den Zellgruppenzähler bei (Wert des Zellgruppenzählers bleibt also unverändert) und inkrementiert den Positionszähler. Hierdurch ergibt sich jeweils eine Netzwerkadresse, die unmittelbar die Position der jeweiligen Batteriezelle in dem Batteriesystem beschreibt. Muss also durch die zentrale Steuerschaltung in dem Batteriesystem eine Batteriezelle geschaltet werden, die eine vorgegebene Position innerhalb der Verschaltung des Batteriesystems aufweist, so kann die zugehörige Netzwerkadresse unmittelbar aus dieser Position hergeleitet werden (beispielsweise x-te Zellgruppe, y-te Batteriezelle innerhalb dieser Zellgruppe entlang der Daisy-Chain ergibt Netzwerkadresse für die Batteriezelle mit den Koordinaten (x, y)).
Damit die jeweilige erste Batteriezelle jeder Zellgruppe den vorbestimmten elektrischen Schaltzustand in der Parallelschaltung der Zellgruppe einstellt, sieht eine Ausführungsform vor, dass diese Batteriezelle mittels ihrer Schalteranordnung eine vorbestimmte elektrische Zellspannung einstellt, welche von den übrigen Batteriezellen derselben Zellgruppe mittels einer Spannungsmessschaltung gemessen wird. Da alle Batteriezellen der Zellgruppe parallel geschaltet sind, kann beispielsweise durch zuschalten der Batteriezelle in die elektrische Verschaltung dieser Zellgruppe erreichen, dass in der elektrischen Verschaltung die Zellspannung dieser Batteriezelle an den Zell-polen der übrigen Batteriezellen derselben Zellgruppe anliegt. Dies kann von den Batteriezellen mittels einer Spannungsmessschaltung gemessen werden. Damit sind die übrigen Batteriezellen darüber informiert, dass bereits eine erste Batteriezelle in der der Zellgruppe den Schaltzustand eingestellt hat.
Eine Ausführungsform nutzt die Tatsache, dass die Schalteranordnungen der Batteriezellen durch eine Koppelschaltung oder sogenannte Lock-Schaltung logisch miteinander gekoppelt sein können, damit die Schalteranordnungen nicht jede beliebige Kombination von Schaltzuständen einnehmen können, was ansonsten beispielsweise zu einem gegenseitigen Kurzschluss der Batteriezellen führen könnte. Sind also in der jeweiligen Zellgruppe jeweils die Schalteranordnungen der Batteriezellen durch eine Koppelschaltung oder Lock-Schaltung dahingehend logisch miteinander gekoppelt, dass die Schalteranordnungen nur weniger als die maximal mögliche Kombination von Schaltzuständen einnehmen können oder bereitstellen, so sieht eine Ausführungsform vor, dass die Batteriezellen den vorbestimmten Schaltzustand anhand eines Zustands der Koppelschaltung ermitteln. Stellt nämlich die erste Batteriezelle den vorbestimmten Schaltzustand ein, so wird über die Koppelschaltung ein Blockiersignal in den Schalteranordnungen der übrigen Batteriezellen erkennbar oder messbar. Dies kann dazu genutzt werden, beispielsweise ohne eine Spannungsmessung an den Zell-Polen, ebenfalls zu erkennen, dass bereits eine erste Batteriezelle der Zellgruppe sich eine Netzwerkadresse vergeben hat. Durch eine solche Koppelschaltung kann beispielsweise eine sogenannte „Veroderung“ (Kombination über logisch ODER) erreicht werden.
In einer Ausführungsform sind sowohl ein Anfang als auch ein Ende der Signalleitung der Daisy-Chain mit der Steuerschaltung verbunden. Die Steuerschaltung erkennt oder signalisiert einen erfolgreichen Abschluss der Netzwerkadresskonfiguration, falls die in der Daisy-Chain letzte Kommunikationsschaltung über das Ende der Signalleitung die Steuerschaltung kontaktiert. Die Steuerschaltung erkennt somit, dass die Netzwerkadresskonfiguration abgeschlossen ist und jede Kommunikationsschaltung eine eindeutige Netzwerkadresse aufweist. Danach kann beispielsweise ein Betrieb des Batteriesystems beginnen, in welchem Steuerbefehle der Steuerschaltung mittels der Netzwerkadressen an die Kommunikationsschaltungen der Batteriezellen versendet oder ausgesendet werden.
In einer Ausführungsform wird die Korrektheit der elektrischen Verschaltung der Batteriezellen und/oder die Korrektheit einer Funktionalität der Schalteranordnungen durch die zentrale Steuerschaltung überprüft, indem die Netzwerkadressen, die die Batteriezellen sich selber vergeben, auf dem Datennetzwerk abgehört werden und die Steuerschaltung bei Abweichungen von einem vorgegebenen, gemäß einem Bauplan zu erwartenden Adressmuster zu einer Fehlerbehandlung eingreift. Insbesondere werden Netzwerkadressen, die gemäß dem Bauplan unmöglich sind, detektiert. Sind beispielsweise gemäß dem Bauplan z.B. Zellgruppen mit N parallel geschalteten Batteriezellen vorgesehen, so muss eine Fehlverschaltung vorliegen, wenn sich eine Batteriezelle eine Netzwerkadresse vergibt, die sie als die (N+1)-te Batteriezelle einer Zellgruppe identifiziert, da es höchsten N Batteriezellen geben sollte. Die Fehlerbehandlung kann beispielsweise das Abschalten des Batteriesystems vorsehen.
Die Erfindung umfasst auch ein Batteriesystem, das gemäß dem Verfahren betrieben werden kann. Bei diesen Batteriesystemen sind also mehrere Batteriezellen vorgesehen, die in einer elektrischen Verschaltung ihrer Zell-Pole mittels elektrischer Leitungen zu einer Serienschaltung aus mehreren Zellgruppen verbunden sind, wobei innerhalb jeder Zellgruppe jeweils einige dieser Batteriezellen enthalten und parallel miteinander verschaltet sind. Jede Batteriezelle des Batteriesystems weist eine Kommunikationsschaltung für eine Datenkommunikation über ein Datennetzwerk mit einer Steuerschaltung des Batteriesystems auf. Diese Kommunikationsschaltungen sind mittels einer Signalleitung als eine Daisy-Chain hintereinander an die Steuerschaltung angeschlossen. Die Steuerschaltung und die Kommunikationsschaltungen sind dazu eingerichtet, die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. In der Steuerschaltung und in jeder Kommunikationsschaltung können hierzu zumindest ein Mikro-Prozessor und/oder zumindest ein Mikro-Controller bereitgestellt sein. Dieser zumindest eine Mikro-Prozessor und/oder zumindest eine Mikro-Controller kann jeweils mit einem Datenspeicher gekoppelt sein, in welchem Programminstruktionen gespeichert sein können, welche bei Ausführen durch den jeweiligen Mikro-Prozessor und/oder Mikro-Controller Verfahrensschritte ausführen, die für die Steuerschaltung und/oder die Kommunikationsschaltung gemäß dem Verfahren vorgesehen sind.
In einer Ausführungsform ist die jeweilige Kommunikationsschaltung auch dazu eingerichtet ist, über das Datennetzwerk Sensordaten zum Steuerschaltung zu schicken und Schaltanforderungen von der Steuerschaltung zu empfangen.
Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Fahrantrieb, der mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems verschaltet oder gekoppelt ist. In dem Kraftfahrzeug kann dieses Batteriesystem beispielsweise mit unkonfigurierten Batteriezellen in Bezug auf die Netzwerkadressen eingebaut werden und bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs kann dann jede Batteriezelle für ihre Kommunikationsschaltung eine eindeutige Netzwerkadresse im Betrieb des Kraftfahrzeugs ermitteln.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems;
2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle, von denen mehrere in dem Batteriesystem von 1 miteinander verschaltet sein können;
3 eine schematische Darstellung einer Verschaltung mehrerer Batteriezellen in dem Batteriesystem;
4 eine Skizze zur Veranschaulichung der Bedeutung einer zweiteiligen Netzwerkadresse, wie sie jede Kommunikationsschaltung der Batteriezellen für sich selbst vergeben kann, um mittels der Netzwerkadresse die Position der Batteriezelle innerhalb des Batteriesystems zu signalisieren.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
In 1 ist dargestellt, wie in einem Kraftfahrzeug 10 ein Batteriesystem 11 angeordnet sein kann, mittels welchem beispielsweise ein elektrischer Fahrantrieb des Kraftfahrzeugs 10 mit elektrischer Energie versorgt werden kann und/oder für eine Rekuperation von Energie aus dem Fahrantrieb ein Energiespeicher bereitgestellt werden kann. Zum Speichern der Energie kann das Batteriesystem 11 eine Vielzahl von Batteriezellen 12 aufweisen, von den hier beispielhaft Batteriezellen 12 dargestellt sind. Durch eine elektrische Verschaltung 13 der Batteriezellen 12 ergeben sich Zellgruppen 14 (in 1 jeweils eine Zeile aus Batteriezellen 12), innerhalb welchen die Batteriezellen 12 jeweils parallel zueinander verschaltet sind. Die Zellgruppen 14 können durch die Verschaltung 13 zu einer Serienschaltung 15 verschaltet sein, die zwischen elektrischen Batterieanschlüssen oder Batteriepolen 16 (einem Plus-Pol HV+ und einem Minus-Pol HV-) geschaltet sein können, sodass sich einzelne elektrische Zellspannungen 17, wie sie in jeder Zellgruppe 14 durch deren Batteriezellen 12 erzeugt wird, zu einer Batteriespannung zwischen den Batteriepolen 16 aufaddieren. Jede Batteriezelle 12 zeichnet sich also durch eine Zugehörigkeit zu einer der Zellgruppen 14 und einer Position innerhalb der jeweiligen Zellgruppe 14 aus. In 1 ist dies durch Koordinaten 18 ausgedrückt, von denen die erste die Zellgruppe 14 identifiziert und die zweite Koordinate die Position innerhalb der Zellgruppe. Die Batteriezelle 12 mit den Koordinaten 1, 2 stellt also die Batteriezelle 12 der Zellgruppe 1 dar und befindet sich an der Position 2 (jeweils gezählt von 0 an).
Jede Batteriezelle 12 kann eine Kommunikationsschaltung 19 und eine Controller-Schaltung 20 aufweisen. Die Controller-Schalter 20 kann beispielsweise auf einem Mikro-Controller beruhen. Mittels der Kommunikationsschaltung 19 kann die Controller-Schaltung 20 mit einer zentralen Steuerschaltung 21 Daten austauschen oder kommunizieren. Die zentrale Steuerschaltung 21 kann beispielsweise das an sich bekannte Batteriemanagement-System des Batteriesystems 11 sein. Die Kommunikation kann beispielsweise über ein Datennetzwerk 22 erfolgen, bei dem es sich beispielsweise um einen CAN-Bus (CAN - Controller-Area-Network) handeln kann. Das Datennetzwerk 22 kann auch ein Funknetzwerk sein, das beispielsweise auf Wifi oder Bluetooth basieren kann, oder ein optisches Netzwerk.
Der Übersichtlichkeit halber ist in 1 nur für eine Batteriezelle 12 die Anordnung mit der Kommunikationsschaltung 19 und der Controller-Schaltung 20 dargestellt.
Für die Kommunikation über das Datennetzwerk 22 kann für jede Kommunikationsschaltung 19 eine individuelle Netzwerkadresse 23 notwendig sein.
Die Netzwerkadresse 23 kann hierbei die Position der jeweiligen Batteriezelle 12, in welcher die zugehörigen Kommunikationsschaltung 19 eingebaut ist, angeben oder wiederspiegeln. Mit anderen Worten kann die Netzwerkadresse 23 die Koordinaten 18 der Batteriezelle 12 signalisieren oder ausdrücken.
Hierzu ist es allerdings nicht bei dem Batteriesystem 11 notwendig, dass die Netzwerkadresse 23 in der Kommunikationsschaltung 19 gespeichert wird, bevor die jeweilige Batteriezelle 12 in das Batteriesystem 11 eingebaut wird. Vielmehr kann vorgesehen sein, dass bei der Montage oder beim Zusammenbau der Batteriezelle 12 die Kommunikationsschaltungen 19 der Batteriezellen 12 unkonfiguriert oder ohne Netzwerkadresse 23 sind, sodass jede der Batteriezellen 12 gleich aufgebaut oder konfiguriert sein kann. Erst bei Inbetriebnahme des Batteriesystems 11 kann eine dynamische Netzwerkadresskonfiguration zur Vergabe einer jeweiligen individuellen Netzwerkadresse 23 für jede Kommunikationsschaltung 19 erfolgen.
Hierzu können die Kommunikationsschaltungen 19 der Batteriezellen 12 durch eine Signalleitung 24 zu einer Daisy-Chain miteinander verschaltet sein, das heißt die Kommunikationsschaltungen 19 können durch die Signalleitung 24 hintereinander geschaltet sein.
Die Verschaltung 13 kann auf der Grundlage von elektrischen Leitungen 13' bewirkt sein wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Die Signalleitung 24 kann beispielsweise ein Draht oder eine Zweidrahtleitung sein.
Im Folgenden wird erläutert, wie ausgehend von einem Signal als einem Initialbefehl 26, den die Steuerschaltung 21 über die Signalleitung 24 an die erste der Kommunikationsschaltungen 19 in der Daisy-Chain 25 aussenden kann, jede Kommunikationsschaltung 19 sich selbst eine Netzwerkadresse 23 erzeugen oder zuteilen kann, die eindeutig ist und zudem die Koordinaten 18 der Batteriezelle 12, in welcher sie sich befindet, wiedergibt oder repräsentiert.
Nachdem die erste Kommunikationsschaltung 19 den Initialbefehl 26 empfangen hat, kann sie sich selbst eine Netzwerkadresse 23 zuteilen und dann der jeweils nächsten Kommunikationsschaltung 19 in der Daisy-Chain 25 ein Signal als einen Konfigurationsbefehl 27 über die Signalleitung 24 aussenden, damit die nächste Kommunikationsschaltung 19 in der Daisy-Chain 25 sich wiederum eine eigene, individuelle Netzwerkadresse 23 zuteilt. Der Übersichtlichkeit halber ist dies in 1 nur für eine einzelne Batteriezelle 12 veranschaulicht.
Wenn ein Konfigurationsbefehl 27 ausgesendet wird, wird auch jeweils die Netzwerkadresse 23 der erzeugenden Kommunikationsschaltung z.B. in einer Nachricht m (message) über das Datennetzwerk signalisiert, z.B. als Broadcast-Nachricht.
Wie innerhalb einer Batteriezelle 12 eine Kommunikationsschaltung 19 feststellen kann, in welcher Zellgruppe 14 und an welcher Position innerhalb der Zellgruppe 14 sich die Batteriezelle 12 befindet, ist im Folgenden anhand von 2, 3 und 4 beschrieben.
2 zeigt eine einzelne Batteriezelle 12, von welcher Zell-Pole 28 (ein Plus-Pol + und ein Minus-Pol -) mit den Leitungen 13' der Verschaltung 13 in an sich bekannter Weise verschaltet sein können. In jeder Batteriezelle 12 kann in an sich bekannter Weise eine galvanische Zelle 29 zum Speichern der elektrischen Energie in der Batteriezelle 12 vorgesehen sein. Die Controller-Schaltung 20 kann mittels einer Messschaltung 30 Messsignale 31 erzeugen. Die Messschaltung 30 kann insbesondere auch eine Spannungsmessschaltung 30' umfassen. Mittels der Spannungsmessschaltung 30' kann beispielsweise eine zwischen den Zell-Polen 28 anliegende elektrische Spannung erfasst werden.
Die Batteriezelle 12 kann des Weiteren eine Schalteranordnung 32 aufweisen, mittels welcher in der Batteriezelle 12 ein Verschaltungszustand der Zell-Pole 28 untereinander sowie der Zell-Pole 28 mit der galvanischen Zelle 29 eingestellt werden kann. Zum Zuschalten der galvanischen Zelle 29 kann ein Aktivschalter 33 vorgesehen sein, zum Überbrücken der galvanischen Zelle 29 und zum Kurzschließen der Zell-Pole 28 kann ein Bypass-Schalter 34 vorgesehen sein. Für ein Spannungsbalancing kann ein Balancing-Schalter 35 zum Verbinden der galvanischen Zelle 29 mit einem Balancing-Wiederstand 36 vorgesehen sein. Das Steuern der Schaltzustände der Schalter 32 kann durch die Controller-Schaltung 20 erfolgen. Diese kann hierzu Schaltbefehle 37 mittels der Kommunikationsschaltung 19 aus Datennetzwerk 22 empfangen. Die Schaltbefehle 37 können beispielsweise von der Steuerschaltung 21 aufgegeben oder erzeugt werden.
Aufgrund der Parallelschaltung der Batteriezellen 12 einer Zellgruppe 14 liegt zwischen den Zell-Polen 28 aller Batteriezellen derselben Zellgruppe 14 dieselbe Zellspannung 17 an. Wird also eine Batteriezelle 12 zugeschaltet, das heißt ihre galvanische Zelle 29 mittels des Aktivschalters 33 zwischen die Zell-Pole 28 geschaltet, so kann dies von den übrigen Batteriezellen 12 derselben Zellgruppe 14 mittels deren jeweiliger Spannungsmessschaltung 30' gemessen werden.
3 veranschaulicht, wie die Schalteranordnungen 32 der Batteriezellen 12 derselben Zellgruppe 14 durch eine sogenannte Lock-Schaltung oder Koppelschaltung 40 miteinander logisch verknüpft sein kann, sodass die Schaltzustände der Schalteranordnungen 32 der Batteriezellen 12 derselben Zellgruppe 14 nicht beliebige Kombinationen einnehmen können, sondern die Schaltstellungen oder Schaltzustände der Schalteranordnungen 32 miteinander verknüpft oder logisch verbunden sind. Beispielsweise kann die beschriebene Veroderung durch die Koppelschaltung 40 erfolgen. Eine Koppelschaltung 40 kann beispielsweise auf der Grundlage von logischen Bausteinen oder logischen Befehlen für einen Mikro-Controller bewirkt oder erzwungen werden. Eine jeweilige Controller-Schaltung 20 jeder Batteriezelle 12 kann zusätzlich oder alternativ zum Messen der Gruppenspannung (Zellspannung 17 der zugeschalteten Batteriezellen 12) auch anhand der Koppelschaltung 40 erkennen, welchen Schaltzustand die jeweilige Schalteranordnung 32 anderer Batteriezellen 12 derselben Zellgruppe 14 aktuell inne hat oder aufweist.
4 veranschaulicht noch einmal, wie die Netzwerkadressen 23 die Koordinaten 18 jeder Batteriezelle 12 repräsentieren. Dargestellt ist, wie für eine ausgewählte Batteriezelle 41 deren Koordinatenwerte 0, 2 der Koordinaten 18 in der Netzwerkadresse 23 zum einen einen Zellgruppenzähler 42 der Zellgruppe 14 und zum anderen einen Positionszähler 43 angeben können. Der Positionszähler 43 kann in der in 4 veranschaulichten Darstellung eine Zellspalte repräsentieren, die sich aus allen Batteriezellen 12 der unterschiedlichen Zellgruppen 14 ergibt, welche dieselbe Position innerhalb der Zellgruppen 14 aufweisen, also beispielsweise für die Batteriezelle 41 die Position mit der Positionsnummer oder dem Wert des Positionszählers 43 mit dem Wert 2.
In Hybrid- und Elektrofahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen und Lastkraftwagen und Bussen, können somit jeweils im Lithium-Ionenbasierten Batteriesystem 11 Sensordaten der Batteriezellen 12 zu einem übergeordneten Steuergerät (Steuerschaltung 21), dem Batterie Management System (BMS) kommuniziert. Mehrere Batteriezellen 12 können in an sich bekannter Weise zu Batteriemodulen zusammengeschlossen sein, welche die Sensordaten der einzelnen Batteriezellen 12 sammeln und diese an das BMS senden. Es gibt auch Ansätze, in denen die Batteriezellen 12 direkt mit dem BMS kommunizieren, wodurch die Anzahl der Kommunikationsteilnehmer erheblich steigt. Als Schnittstelle zwischen BMS und Batteriezellen 12 bzw. Zellmodulen können herkömmliche Bussysteme wie CAN(-FD) oder SPI (serial peripheral interface) verwendet werden, aber auch andere offene und proprietäre kabelgebundene und kabellose Kommunikationsprotokolle können genutzt werden. Die Zuordnung der über diesen Kommunikationskanal an das BMS gesendeten Signale muss nun nicht mehr statisch während der Entwicklung festgelegt werden. Die Software der Controller-Schaltungen 20 der einzelnen Batteriezellen 12 bzw. Zellmodule unterscheidet sich im Betrieb im Kommunikationsstack, da jede Batteriezelle, bzw. jedes Modul, als Sender für bestimmte Botschaften zugeordnet werden. Welche Botschaft gesendet wird, hängt meist von der lokalen Position des Knotens (Kommunikationsschaltung 19) im Batteriesystem 11 ab (vgl. 1). Die Zuordnung von Botschaften zur jeweiligen Kommunikationsschaltung ist durch das hier vorgestellte Verfahren nicht mehr statisch und muss nicht mehr vor Betrieb des Systems festgelegt werden. Sie werden nicht in den Programmcode fest codiert oder über Diagnoseprotokolle parametrisiert. Die Batteriezellen 12 können vielmehr lokal vertauscht werden oder in der Werkstatt jeweils durch eine neue Kommunikationsschaltung im Batterie-Netzwerk ersetzt werden oder es kann eine neue Kommunikationsschaltung 19 hinzukommen.
Die Zuordnung der Kommunikation-Konfiguration zu den Steuergeräten (Kommunikationsschaltungen 19) im Batterie-Netzwerk ist nicht statisch. Jeder Teilnehmer (Kommunikationsschaltung 19) hat eine, vor dem Betrieb in der Software nicht festgelegt Netzwerkadresse oder Botschafts-ID. Werden in der Produktion, bzw. in der Werkstatt, zwei oder mehrere Steuergeräte vertauscht, so besteht daher nicht die Gefahr, dass dies nicht erkannt wird und die logische lokale Zuordnung im Batteriesystem vom BMS falsch interpretiert wird. In der Produktion muss kein Steuergerät im Batterie-Netzwerk mit der korrekten Software bespielt sein oder parametrisiert werden, damit es im Betrieb die richtigen Botschaften sendet bzw. Netzwerk-Adressen korrekt vergeben werden. Jedes Steuergerät (Kommunikationsschaltung 19), welches im Batteriesystem ausgetauscht wird, kann mit einer nichtkonfigurierten Software bespielt sein. Dies bietet den Vorteil, dass alle Batteriezellen mit genau der gleichen Software programmiert werden können.
Denn das Batteriesystem 11 besteht aus verschalteten Smart Cells (Batteriezellen 12), welche mit einem oder mehreren Schalterelementen (Schalteranordnung 32) bestück sind (siehe 2), etwa über einen Schalter 34 zum Überbrücken der Batteriezelle 12 und/oder mit einem Schalter 33, mit welchem die galvanische Zelle 29 vom Leistungspfad getrennt werden kann (siehe 2).
Wie in 3 gezeigt, kann das Ansteuerungssignal für Schalter 33, 34 von parallel verschalteten Batteriezellen 12 mittels einer Koppelschaltung 40 verodert sein. Sobald daher eine Batteriezelle 12 z.B. ihren Bypassschalter 34 schließt, werden durch die Koppelschaltung 40 in derselben Zellgruppe 14 die Bypassschalter 34 der parallelen Batteriezellen 12 ebenfalls geschlossen. Das Ansteuerungssignal der Bypassschalter 34 wird von der jeweiligen Smart Cell (Batteriezelle 12) rückgelesen. Dadurch kann eine Batteriezelle 12 feststellen, ob sie selbst oder eine parallel verschaltete Batteriezelle 12 den Bypassschalter 34 geschlossen hat. Schließt eine Batteriezelle 12 ihren Aktiv-Schalter 33, so liegt die Spannung Uout ihrer galvanischen Zelle 29 bis auf einen vorbekannten Verlustanteil am Ausgang der Batteriezelle 12 (d.h. zwischen den Zellpolen 28) an (siehe 2), welche der Zellspannung der jeweiligen Batteriezelle 12 entspricht und durch einen Spannungssensor (Spannungsmessschaltung 30') gemessen wird. Uout liegt nicht ganz an, da ein Teil der Spannung etwa über den Aktivschalter abfällt, da dieser in der Praxis nicht ideal ist. Sobald eine Batteriezelle 12 ihren Aktivschalter 34 schließt, liegt die Spannung Uout auch an den parallel verschalteten Batteriezellen an (siehe 3).
Für das im Folgenden vorgestellte Verfahren sind die Batteriezellen 12, wie in 1 gezeigt, als Daisy-Chain 25 seriell durch die Signalleitung 24 verschaltet werden. Diese Daisy Chain 25 dient dazu, ein logisches elektrisches Signal von einer Batteriezelle 12 zur nächsten zu schalten. Die Daisy-Chain 25 startet und endet im BMS (Steuerschaltung 21). Des Weiteren sind die Batteriezellen 12 durch einen oder mehrere Kommunikationssysteme, z.B. einem CAN Bus oder allgemein Datennetzwerk 22, untereinander und mit dem BMS verbunden (siehe 1). Jeder Batteriezelle 12 wird durch das vorgestellte Verfahren eine systemweit eindeutige zweidimensionale ID vergeben, der als Grundlage für eine eindeutige Netzwerkadresse 23 verwendet wird. Die ID liefert Informationen oder Koordinaten 18 über die logische Anordnung einer Batteriezelle 12 im Batterieverbund oder der Verschaltung 13 im Batteriesystem 11. Diese ID wird genutzt um die Botschafts-IDs oder allgemein die Netzwerkadresse 23 einer Batteriezelle 12 zu konfigurieren.
Das Verfahren zur Netzwerkadresskonfiguration und Selbsttest des Batteriesystems 11 sieht bevorzugt wie folgt aus:

1) Das BMS signalisiert über die Daisy Chain an die erste Batteriezelle 12, dass die Netzwerkadresskonfiguration startet (Initialbefehl 26).
2) Die erste Batteriezelle 12 geht in einen Konfigurationszustand über und hört den Kommunikationsbus (Datennetzwerk 22) auf eine statisch festgelegte Botschaft m ab. Diese Botschaft enthält zwei Signale, erstens die ID der aktuellen Zellreihe (Zellgruppe) und zweitens die ID der aktuellen Zellspalte (Position innerhalb der Zellgruppe). Das BMS gibt somit eine ID für die erste Batteriezelle vor. Da die allererste Batteriezelle bestenfalls genau wie alle anderen Batteriezelle im Batteriesystem verfährt, gibt das BMS eine ID vor, aus der die erste valide Netzwerkadresse hergeleitet werden kann. Beispiel 1: Die ID der allerersten Zelle soll 1_1 sein (in diesem Beispiel wird also nicht bei 0 sondern bei 1 angefangen), dann schickt das BMS die ID 0_1 und die erste Batteriezelle berechnet durch Auswertung der Schalter (es wird der vorbestimmte Schaltzustand detektiert), dass sie die ID 1_1 für ihre Netzwerkadresse verwenden muss. Beispiel 2 (prototypisch implementiert, wobei Zellgruppe und Zellposition jeweils durch eine 8-Bit Zahl repräsentiert werden): Die erste Batteriezelle soll die ID 0_0 bekommen. Das BMS sendet die ID -1_-1 (vorzeichenbehaftete Darstellung) bzw. 255_255. (unsigned byte), was letztendlich ja das gleiche ist. Durch inkrementieren der Zellgruppe und Rücksetzen der Zellposition auf 0 ergibt sich die ID 0_0 bei der allerersten Batteriezelle.
3) Das BMS 21 sendet somit die Botschaft m mit einer initialen ID für die Zellspalte und Zellreihe.
4) Die erste Batteriezelle 12 erkennt die initialen ID und legt seine eigene ID z.B. als 0_0 fest (s.o.).
5) Die erste Batteriezelle 12 schließt entweder den Bypass oder den Aktivschalter 33, 34. Je nachdem welcher Schalter 33, 34 im unten beschriebenen Punkt 9 genutzt wird. Es wird hierdurch ein vorbestimmter Schaltzustand in der Zellgruppe 14 der Batteriezelle 12 eingestellt.
6) Die erste Batteriezelle 12 leitet das Konfigurationssignal über die Daisy Chain weiter.
7) Die aktuell zu konfigurierende Batteriezelle 12 hört den Kommunikationsbus nach der Botschaft m.
8) Die zuletzt konfigurierte Batteriezelle 12 sendet seine eignen IDs für Zellreihe x und Zellspalte y in der Botschaft m auf den Bus.
9) Die aktuell zu konfigurierende Batteriezelle 12 überprüft entweder, ob der Aktivschalter 33 oder ob der Bypassschalter 34 von mindestens einer parallelen Batteriezelle 12 bereits geschossen ist (also in der eigenen Zellgruppe 14 der vorbestimmte Schaltzustand bereits hergestellt wurde), und schließt anschließend den entsprechenden Schalter. War bereits mindestens ein Schalter 33, 34 geschlossen, lag also der vorbestimmte Schaltzustand bereits vor, so setzt die Batteriezelle 12 ihre eigene ID als x_(y+1) fest (x der Zellgruppenzähler 42, y der Positionszähler 43). War noch kein Schalter 33, 34 geschlossen (vorbestimmte Schaltzustand lag noch nicht vor), so legt sie ihre eigene ID als (x+1)_0 fest.
10) Die Batteriezelle 12 schließt ihre Konfiguration ab, d.h. sie beendet ihre Selbstvergabe der Netzwerkadresse 23, und signalisiert der nächsten Batteriezelle 12 in der Daisy Chain den Konfigurationsbeginn mittels des Signals, das den Konfigurationsbefehl 27 darstellt.
11) Wiederhole die Punkt 7 bis 10 bis die Daisy Chain 25 wieder beim BMS ankommt. Zum Punkt 9 muss erwähnt werden, dass alle Batteriezellen 12 im Batteriesystem 11 dieselbe Methode benutzen können, d.h. entweder lesen alle Batteriezellen 12 jeweils das Ansteuerungssignal des Bypassschalters 33 ein oder alle Batteriezellen 12 lesen die Spannung Uout an den Ausgangsklemmen oder Zellepolen 28 ein.

Sind die Punkte 1 bis 11 abgeschlossen, so ist die Netzwerkadresskonfiguration beendet. Jede Batteriezelle 12 hat nun ihre eigene eindeutige ID, mit welcher der jeweilige Kommunikationsstack mit einer Netzwerkadresse 23 initialisiert werden kann.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass nicht jede Smart Cell oder Batteriezelle 12 einzeln parametrisiert bzw. programmiert werden muss. Jede Smart Cell 12 kann mit der gleichen Software in Betrieb genommen. Erst bei Anwendung des hier vorgestellten Verfahren werden die einzelnen Smart Cells voll automatisch individualisiert. Dadurch können Zeit und Kosten für die Konfiguration der Smart Cells 12 reduziert werden. Muss eine Batteriezelle für eine neue ausgetauscht oder mehrere Batteriezellen 12 des Batteriesystems 11 untereinander ausgewechselt werden, so kann das Batteriesystem 12 einfach und schnell rekonfiguriert werden. Da die Smart Cells 12 nicht manuell mit einer ID versehen werden müssen, sondern sich das Batteriesystem 11 selbst konfiguriert, sinkt das Fehlerpotential durch menschliches Versagen. Das hier vorgestellte Verfahren dient implizit als Selbsttest der Batteriearchitektur. Ist die Anzahl der seriell und parallel verschalteten Batteriezellen 12 dem BMS bekannt, so kann dieses durch Abhören des Kommunikationsnetzwerks 22 auf die gesendeten Netzwerkadressen überprüfen, ob die Verschaltung der Batteriezellen 12 korrekt ist und ob die Bypass- bzw. Active-Schalter 33, 34 aller Batteriezellen 12 in Ordnung sind. Da die zuletzt konfigurierte Batteriezelle 12 immer ihre eigene zweidimensionale ID auf dem Kommunikationsbus sendet, kann das BMS mithören und bei Abweichung den Kommunikationsprozess unterbrechen.
Die hier vorgestellte Idee kann in der technischen Umsetzung drei technische Elemente nutzen:

a) Die Smart Cells können untereinander und mit dem BMS kommunizieren.
b) Die Smart Cells und das BMS werden durch das Daisy Chain Prinzip logisch miteinander verbunden, wobei die Daisy Chain beim BMS startet und endet.
c) Alle Smart Cells sind mit einem Bypass-Schalter 34 (oder Active-Schalter 33) bestückt. Bei Verwendung von Bypass-Schaltern 34 muss die Ansteuerung der Bypassschalter 34 von parallel verschalteten Smart Cells logisch verodert werden.

Die Umsetzung von Punkt a ist durch einen seriellen Kommunikationsbus, wie beispielsweise den CAN Bus, umsetzbar. Für Punkt b benötigt es eine Verbindung zwischen den Steuergeräten um ein Signal zu übertragen, etwa durch eine elektrische, elektromagnetische, oder optische Leitung zwischen den einzelnen Komponenten. Die logische Veroderung der Bypassschalter Ansteuerung kann beispielweise über eine gemeinsame elektrische Verbindung zwischen parallelen Batteriezellen 12 realisiert werden. Über einen Pull-Up bzw. Pull-Down Widerstand zieht wird die gemeinsame Leitung auf das Potential gezogen, welches die Bypassschalter 33 öffnet. Schaltet mindestens eine Batteriezelle 12 diese Leitung auf das Potential, welches die Schalter schließt, schließen alle Bypass-Schalter 33 nahezu gleichzeitig. Werden stattdessen die Active-Schalter 34 für das hier vorgestellte Konzept verwendet, so müssen lediglich die Ausgangsklemmen der Smart Cell 12 von parallelen Batteriezellen 12 miteinander elektrisch verbunden werden. Schließt mindestens eine Smart Cell 12 ihren Active Schalter 34, so können die parallelen Smart Cells 12 das Potential Uout (siehe 2 und 3) der geschalteten Smart Cell 12 messen.
In dieser Idee muss die Daisy-Chain 25 nicht als Kommunikationsmedium für Schaltbefehle 37 und Sensordaten dienen, sondern vielmehr als Signalleitung (z.B. Wake-Up Signalleitung), um die einzelnen Batteriezellen 12 zeitlich nacheinander aufzuwecken. Sobald eine Batteriezelle 12 initialisiert und konfiguriert wurde (Netzwerkadresse 23 ermittelt), wird die jeweils nächste Batteriezelle 12 in der Daisy-Chain 25 aufgeweckt. Außerdem beruht das vorgestellte Konzept auf Batteriezellen 12, welche mit Schaltern 33, 34 zum Abschalten und/oder Überbrücken der Batteriezellen 12 versehen sind, welche für unser Konzept vorteilhaft sind.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Verfahren zur dynamischen Netzwerkadresskonfiguration und ein Selbsttest der elektrischen Verschaltung von Batteriezellen in einem Batteriesystem bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013225243 A1 [0008]
DE 102014214996 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur dynamischen Netzwerkadresskonfiguration von Kommunikationsschaltungen (19) mehrerer Batteriezellen (12) eines Batteriesystems (11) eines Kraftfahrzeugs (10), wobei die Batteriezellen (12) - in einer elektrischen Verschaltung (13) ihrer Zellpole (28) mittels elektrischer Leitungen (13') zu einer Serienschaltung (15) aus mehrere Zellgruppen (14) verbunden sind, wobei innerhalb jeder Zellgruppe (14) jeweils einige der Batteriezellen (12) enthalten und parallel miteinander verschaltet sind, und - die Kommunikationsschaltungen (19) der Batteriezellen (12) mittels einer Signalleitung (24) als eine Daisy-Chain (25) hintereinander an eine zentrale Steuerschaltung (21) angeschlossen sind und - die Steuerschaltung (21) einen Initialbefehl (26) zur Selbstvergabe einer Netzwerkadresse (23) über die Signalleitung (24) an die erste Batteriezelle (12) der ersten Zellgruppe (14) aussendet und dieser eine initiale Netzwerkadresse (23) vorgibt und sich dann nacheinander die Kommunikationsschaltungen (19) der Batteriezellen (12) jeweils a) selbst eine eindeutige Netzwerkadresse (23) zuteilen und b) mittels eines Konfigurationsbefehls (27) die in der Daisy-Chain (25) jeweils nachfolgende Kommunikationsschaltung (19) zur Selbstvergabe einer Netzwerkadresse (23) auffordern, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Kommunikationsschaltungen (19) der Batteriezellen (12) derselben Zellgruppe (14) durch die Signalleitung (24) unmittelbar hintereinander verbunden sind und die Signalleitung (24) dann jeweils zur nächsten Zellgruppe (14) geführt ist und bei der Selbstvergabe ihrer Netzwerkadresse (23) die jeweilige Kommunikationsschaltung (19) der ersten Batteriezelle (12) der jeweiligen Zellgruppe (14) eine Netzwerkadresse (23) wählt, welche sie als erste Batteriezelle (12) dieser Zellgruppe (14) identifiziert, und sie zusätzlich innerhalb der elektrischen Verschaltung (13) der Zellgruppe (14) mittels einer zelleigenen Schalteranordnung (32) in der Zellgruppe (14) einen vorbestimmten Schaltzustand einstellt, welcher von den übrigen Batteriezellen (12) derselben Zellgruppe (14) erfasst wird, und sie zusammen mit dem von ihr erzeugten Konfigurationsbefehl (27) ihre eigene Netzwerkadresse (23) der nächsten Kommunikationsschaltung (19) mitteilt und jede Kommunikationsschaltung (19) der übrigen Batteriezellen (12) derselben Zellgruppe (14) durch das Erfassen des in der Zellgruppe (14) eingestellten vorbestimmten Schaltzustands erkennt, dass sie zu der Zellgruppe (14) gehört, und jeweils eine Netzwerkadresse (23) wählt, welche sie als Mitglied der Zellgruppe (14) identifiziert, und zusammen mit dem von ihr erzeugten Konfigurationsbefehl (27) ihre eigene Netzwerkadresse (23) der jeweils nächsten Kommunikationsschaltung (19) mittei lt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für den Fall, dass eine Kommunikationsschaltung (19) den Konfigurationsbefehl (27) der jeweils vorangehenden Kommunikationsschaltung (19) empfängt und dann in der elektrischen Verschaltung (13) einen von dem vorbestimmten Schaltzustand verschiedenen Schaltzustand misst, sich diese Kommunikationsschaltung (19) als erste Batteriezelle (12) einer noch unkonfigurierten Zellgruppe (14) identifiziert und eine Netzwerkadresse (23) wählt, welche sie als erste Batteriezelle (12) dieser Zellgruppe (14) identifiziert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Netzwerkadresse (23) zweiteilig mit einem Zellgruppenzähler (42) und einem Positionszähler (43) der Zellposition innerhalb der jeweiligen Zellgruppe (14) aufgebaut ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ausgehend von der jeweiligen zusammen mit den Konfigurationsbefehlen (27) empfangenen Netzwerkadresse (23) der vorangehenden Batteriezelle (12) die jeweilige Kommunikationsschaltung (19) der ersten Batteriezelle (12) der jeweiligen Zellgruppe (14) zum Bilden ihrer Netzwerkadresse (24) den Zellgruppenzähler (42) inkrementiert und den Positionszähler (43) zurücksetzt und die jeweilige Kommunikationsschaltung (19) jeder übrigen Batteriezelle (12) derselben Zellgruppe (14) den Zellgruppenzähler (42) beibehält und den Positionszähler (43) inkrementiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige erste Batteriezelle (12) jeder der Zellgruppen (14) als den vorbestimmten elektrischen Schaltzustand in der Parallelschaltung der Zellgruppe (14) eine vorbestimmte elektrische Zellspannung (17) einstellt, welche von den übrigen Batteriezellen (12) derselben Zellgruppe (14) mittels einer Spannungsmessschaltung (30') gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der jeweiligen Zellgruppe (14) jeweils die Schalteranordnungen (32) der Batteriezellen (12) durch eine Koppelschaltung (40) dahingehend logisch miteinander gekoppelt sind, dass die Schalteranordnungen (32) nur weniger als eine maximal mögliche Kombination von Schaltzuständen bereitstellen und die Batteriezellen (12) den vorbestimmten Schaltzustand anhand eines Zustands der Koppelschaltung (40) ermitteln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl ein Anfang als auch ein Ende der Signalleitung (24) mit der Steuerschaltung (21) verbunden sind und die Steuerschaltung (21) einen erfolgreichen Abschluss der Netzwerkadresskonfiguration signalisiert, falls die in der Daisy-Chain (25) letzte Kommunikationsschaltung (19) über das Ende der Signalleitung (24) die Steuerschaltung (21) kontaktiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Korrektheit der elektrischen Verschaltung der Batteriezellen (12) und/oder die Korrektheit einer Funktionalität der Schalteranordnungen (32) überprüft wird, indem die Netzwerkadressen (23), die die Batteriezellen (12) sich vergeben, auf dem Datennetzwerk (22) abgehört werden und die Steuerschaltung (21) bei einer Abweichung von einem vorgegebenen, gemäß einem Bauplan zu erwartenden Adressmuster zu einer vorbestimmten Fehlerbehandlung eingreift.
Batteriesystem (11) mit mehreren Batteriezellen (12), die in einer elektrischen Verschaltung (13) ihrer Zellpole (28) mittels elektrischer Leitungen (13') zu einer Serienschaltung (15) aus mehrere Zellgruppen (14) verbunden sind, innerhalb welcher jeweils einige der Batteriezellen (12) enthalten und parallel miteinander verschaltet sind, und jede Batteriezelle (12) eine Kommunikationsschaltung (19) für eine Datenkommunikation über ein Datennetzwerk (22) mit einer Steuerschaltung (21) des Batteriesystems (11) aufweist und die Kommunikationsschaltungen (19) mittels einer Signalleitung (24) als eine Daisy-Chain (25) hintereinander an die Steuerschaltung (21) angeschlossen sind, wobei die Steuerschaltung (21) und die Kommunikationsschaltungen (19) dazu eingerichtet sind, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Batteriesystem (11) nach Anspruch 9, wobei die jeweilige Kommunikationsschaltung (19) dazu eingerichtet ist, über das Datennetzwerk (22) Sensordaten zur Steuerschaltung (21) zu schicken und Schaltanforderungen (37) von der Steuerschaltung (21) zu empfangen.
Kraftfahrzeug (10) mit einem elektrischen Fahrantrieb, der mit einem Batteriesystem (11) nach Anspruch 9 oder 10 gekoppelt ist.