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Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine Batteriezelleneinheit, eine Steuereinrichtung und eine Energieversorgungseinrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Bordnetzes.
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Ein solches Bordnetz hat in der Regel die Funktion eine Energieversorgung von elektrischen und elektronischen Komponenten des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten. Dazu umfasst das Bordnetz wenigstens eine oder mehrere der zuvor genannten Batteriezelleneinheiten, deren Betriebszustand oder Betriebsmodus mittels der Steuereinrichtung überwacht und gesteuert werden kann. Zur Versorgung der Steuereinrichtung mit elektrischer Energie ist üblicherweise die Energieversorgungseinrichtung vorgesehen.
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Wie zum Beispiel in der
US 2011/0210605 A1 offenbart, kann die Batteriezelleneinheit beispielsweise als Starterbatterie ausgestaltet sein. Um die Starterbatterie bei einem Verkehrsunfall von dem Rest des Bordnetzes elektrisch entkoppeln oder trennen zu können, ist ein mechanischer Batterietrennschalter vorgesehen. Zum Ansteuern des Trennschalters ist ein Steuereinrichtung in Form eines Mikrocontrollersystems vorgesehen. Das Mikrocontrollersystem wird dabei von einer Energieversorgungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt. Die Energieversorgungseinrichtung kann ihre elektrische Energie dabei entweder von der Starterbatterie oder bei Ausfall der Starterbatterie von einer Notstromversorgung beziehen. Somit kann eine redundante Energieversorgung der Steuereinrichtung sichergestellt werden.
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Gemäß der
DE 10 2017 208 030 A1 kann die Batteriezelleneinheit auch zur Versorgung eines Sicherheitsverbrauchers des Bordnetzes, wie beispielsweise einer Bremse oder einer Lenkung für das Kraftfahrzeug, eingesetzt werden. Um eine zuverlässige Energieversorgung des Sicherheitsverbrauchers gewährleisten zu können, umfasst die Batteriezelleneinheit dabei einen ersten und einen zweiten Batteriezellenteilstrang, welche in Abhängigkeit von einer Betriebssituation mit dem Sicherheitsverbraucher koppelbar sind und somit den Sicherheitsverbraucher mit Energie versorgen können. Hierbei werden also die Batteriezellenteilstränge zur redundanten Energieversorgung des Sicherheitsverbrauchers genutzt.
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Die Batteriezelleneinheiten, wie sie aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannt sind, sind jedoch für den Einsatz in einer Antriebsbatterie oder Hochvoltbatterie zum Betreiben eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs nicht geeignet.
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Ein Bordnetz mit einer Batteriezelleneinheit zum Betreiben eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs ist beispielsweise aus der
EP 3 576 241 A1 bekannt. Dabei ist der Batteriezelleneinheit eine Steuereinheit zugeordnet, mittels welcher ein Betriebsparameter der Batteriezelleneinheit, wie beispielsweise ein Ladezustand, oder ein Energiebedarf, überwacht und gesteuert werden kann. Die Steuereinheit weist dabei zwei verschiedene Betriebsmodi nämlich einen aktiven Modus und einen Schlafmodus auf. Für den Betrieb im dem aktiven Modus ist die Steuereinheit über einen Abwärtswandler an den gesamten Strang der Batteriezelleneinheit angeschlossen. Für den Betrieb im dem Schlafmodus ist die Steuereinheit hingegen zusätzlich nur an einen Teilstrang der Batteriezelleneinheit angeschlossen. Es geht also insbesondere darum, der Steuereinheit je nach eingestelltem Betriebsmodus unterschiedliche Spannungsniveaus mittels der Batteriezelleneinheit bereitzustellen. Eine redundante Energieversorgung der Steuereinheit ist hierbei jedoch nicht vorgesehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausfallsicherheit für eine Steuereinrichtung zum Betreiben wenigstens einer Batteriezelleneinheit eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug, welche insbesondere eine Komponente einer Antriebsbatterie des Kraftfahrzeugs darstellt, bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung, sowie die Figuren offenbart.
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Dazu ist, wie eingangs beschrieben, ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, vorgesehen. Das Bordnetz umfasst wenigstens eine, also eine oder mehrere Batteriezelleneinheiten. Eine solche Batteriezelleneinheit umfasst üblicherweise eine oder mehrere Batteriezellen oder galvanische Zellen, die in bekannter Weise miteinander verschaltet sein können. Bevorzugt ist die jeweilige Batteriezelleneinheit einer Antriebsbatterie oder Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs zugeordnet. Zum Beispiel können also mehrere Batteriezelleneinheit in bekannter Weise zu der Antriebsbatterie zusammengeschaltet oder zusammengeschlossen werden. Zum Betreiben der jeweiligen Batteriezelleneinheit umfasst das Bordnetz zudem eine Steuereinrichtung. Mit Betrieben ist insbesondere ein Steuern und Überwachen eines Betriebszustands der jeweiligen Batteriezelleneinheit gemeint. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung einer oder mehreren, zum Beispiel parallel geschalteten, Batteriezelleneinheiten zugeordnet. Die Steuereinrichtung kann insbesondere als Steuerschaltung mit einem oder mehreren Steuergeräten realisiert sein. Um die Steuereinrichtung für das Betreiben der Batteriezelleneinheit mit elektrischer Energie zu versorgen, umfasst das Bordnetz zudem noch eine Energieversorgungseinrichtung. Auf die Ausgestaltung der Energieversorgungseinrichtung wird im späteren Verlauf noch einmal näher eingegangen.
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In modernen Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen kann die zuvor beschriebene Batteriezelleneinheit, jedoch beispielsweise durch eine schaltbare Batteriezelleneinheit oder Smartcell Batteriezelle ersetzt werden. Demensprechend umfasst die jeweilige Batteriezelleneinheit eine Aktivierungsleitung mit der galvanischen Zelle und einem dazu elektrisch in Reihe geschalteten ersten Halbleiterschalter. Weiterhin umfasst die Batteriezelleneinheit auch eine zu der Aktivierungsleitung elektrisch parallel geschaltete Überbrückungsleitung mit einem zweiten Halbleiterschalter. Die Steuereinrichtung ist dann entsprechend ausgebildet, den ersten und den zweiten Halbleiterschalter in einem vorbestimmten Schaltbetrieb zu betreiben. Das heißt, die Steuereinrichtung kann ein Steuersignal zum Schalten oder Umschalten der Halbleiterschalter bereitstellen. Mit Schaltbetrieb ist dabei gemeint, dass die Halbleiterschalter in einen eingeschalten Schaltzustand und einen ausgeschalteten Schaltzustand schaltbar sind. Im eingeschalteten Schaltzustand weist der jeweilige Halbleiterschalter dabei eine sehr gute Leitfähigkeit auf, sodass ein hoher Stromfluss über den jeweiligen Halbleiterschalter möglich ist. In dem ausgeschalteten Schaltzustand ist der jeweilige Halbleiterschalter hochohmig, das heißt, der jeweilige Halbleiterschalter stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit. Dadurch ist kein beziehungsweise nur ein vernachlässigbar geringer elektrischer Stromfluss über den jeweiligen Halbleiterschalter möglich. Mit Halbleiterschalter ist insbesondere ein steuerbarer elektronischer Schalter, wie beispielsweise ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, insbesondere mit parallel geschalteten Freilaufdioden, beispielsweise ein Metall oxid semi conductor field effect transistor (MOSFET), ein isolated gate bipolar transistor (IGBT), vorzugsweise mit einer integrierten Freilaufdiode oder dergleichen gemeint.
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Damit die Halbleiterschalter nun mittels der Steuereinrichtung in dem Schaltbetrieb schaltbar sind, umfasst die Steuereinrichtung einen Versorgungsanschluss zum Zuführen von elektrischer Energie in Form einer Versorgungsspannung. Üblicherweise ist die Steuereinrichtung dabei über den Versorgungsanschluss mit der Energieversorgungseinrichtung gekoppelt. Mit „Koppeln“ ist dabei insbesondere ein elektrisches Koppeln, also ein elektrisch leitendes Verbinden gemeint. Somit können als Synonym für den Begriff „koppeln“ im Sinne der Erfindung auch Begriffe wie „verbinden“ oder „anschließen‟ verwendet werden. Das heißt, die Versorgungsspannung wird üblicherweise mittels der Energieversorgungseinrichtung an den Versorgungsanschluss bereitgestellt.
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Bei einer Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung, wie zum Beispiel einem Ausfall, kann es somit aber auch zu einem Ausfall der Steuereinrichtung kommen. Da es sich bei den Halbleiterschaltern um elektronische Schalter handelt, kann sich dadurch ein undefinierter Schaltzustand der Halbleitschalter einstellen. Somit kann es aufgrund der Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung zu einem ungewollten Wegschalten der Batteriezelle der Batteriezelleneinheit oder zu einem ungewollten Kurzschluss der Batteriezelleneinheit kommen.
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Um dies zu vermeiden, ist in der Erfindung nun vorgesehen, die Steuereinrichtung redundant über Versorgungsspannung zu versorgen. Dabei wird der vorgenannte Versorgungsanschluss in Abhängigkeit von einem Betriebszustand oder einer Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinrichtung über eine erste Anschlussleitung mit der Energieversorgungseinrichtung und über eine zweite Anschlussleitung mit der Batteriezelle von zumindest einer der jeweiligen Batteriezelleneinheiten koppelbar. Somit ist die Versorgungsspannung dem Versorgungsanschluss in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung entweder über die erste Anschlussleitung, mittels welcher die Steuereinrichtung mit der Energieversorgungseinrichtung koppelbar ist, oder über die zweite Anschlussleitung, mittels welcher die Steuereinrichtung mit der Batteriezelle koppelbar ist, zuführbar.
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Bevorzugt ist die Versorgungsspannung dabei in einem Normalbetriebszustand der Energieversorgungseinrichtung über die erste Anschlussleitung an den Versorgungsanschluss zuführbar. Bei einer Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung ist die Versorgungsspannung dabei hingegen über die zweite Anschlussleitung an den Versorgungsanschluss zuführbar. Die Funktionsstörung kann zum Beispiel als Einbruch oder Abfall einer Spannung in der ersten Anschlussleitung festgestellt werden. Zum Zuführen der Versorgungsspannung kann also entweder eine Batteriezellenspannung (Spannung welche mittels der Batteriezelle bereitgestellt ist) oder eine Energieversorgungseinrichtungsspannung (Spannung welche mittels der Energieversorgungseinrichtung bereitgestellt ist) genutzt werden.
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Somit ergibt sich der Vorteil, dass die Steuereinrichtung auch bei einer Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung weiter mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Die Versorgungsspannung wird dabei direkt von der jeweiligen Batteriezelleneinheit, insbesondere deren Batteriezelle, bereitgestellt. Somit kann die Ausfallsicherheit der Steuereinrichtung und somit auch der Antriebsbatterie des Kraftfahrzeugs gewährleistet werden.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bereitstellen der elektrischen Energie an die Steuereinrichtung dabei aus unterschiedlichen Teilnetzen des Bordnetzes erfolgt. Als erstes Teilnetz umfasst das Bordnetz dabei ein Hochvoltnetz und als zweites Teilnetz umfasst das Bordnetz dabei ein von dem Hochvoltbordnetz galvanisch getrenntes Niedervoltnetz. Die Batteriezelleneinheit und die Steuereinrichtung sind dabei dem Hochvoltnetz zugeordnet, während die Energieversorgungseinrichtung dem Niedervoltbordnetz zugeordnet ist. Somit kann Steuereinrichtung im Normalbetriebszustand also aus dem Niedervoltnetz mit der Versorgungsspannung versorgt werden. Bei einer Funktionsstörung erfolgt die Energieversorgung hingegen direkt aus dem Hochvoltnetz selbst.
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Das Hochvoltnetz und das Niedervoltnetz unterscheiden sich dabei in bekannter Weise insbesondere in ihrem Spannungsniveau und ihrem jeweiligen Bezugspotential oder Massepotential. Eine jeweilige (Hochvolt-)Spannung in dem Hochvoltnetz, wie zum Beispiel die Versorgungsspannung, ist somit zum Beispiel zwischen einem Versorgungspluspotential und einem Versorgungsminuspotential als Bezugspotential abgreifbar. Die Versorgungsspannung kann beispielsweise 20 VDC (V: Volt; DC: direct current - Gleichstrom oder Gleichspannung) betragen. Eine jeweilige (Niedervolt-)Spannung in dem Niedervoltnetz, wie zum Beispiel die Energieversorgungseinrichtungsspannung, ist hingegen beispielsweise zwischen einen Niedervoltpluspotential und einem Niedervoltminuspotential oder Erdungspotential (GND: Ground) als Bezugspotential abgreifbar. Die Energieversorgungseinrichtungsspannung kann zum Beispiel 12 VDC betragen.
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Um die Energieübertragung zwischen dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz zu ermöglichen, ist die Energieversorgungseinrichtung bevorzugt über eine galvanisch isolierende Wandlereinrichtung, wie zum Beispiel einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit galvanischer Trennung mit der Steuereinrichtung gekoppelt. Die Wandlereinrichtung kann dazu zum Beispiel mit einem Ende an die Energieversorgungseinrichtung und einem anderen Ende an die ersten Anschlussleitung der Steuereinrichtung angeschlossen sein. Besonders bevorzugt kann die Wandlereinrichtung in diesem Zusammenhang auch ausgebildet sein, eine sogenannte Aufwärtswandlerfunktion bereitzustellen. Somit kann die niedrigere Energieversorgungseinrichtungsspannung mittels der Wandlereinrichtung in die höhere Versorgungsspannung gewandelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung noch eine zusätzliche Wandlereinheit für die vorgenannte Batteriezellenspannung aufweist. Das heißt, die Wandlereinheit ist ausgebildet, die von der Batteriezelle bereitgestellte Batteriezellenspannung in die Versorgungsspannung zu wandeln. Dazu kann die Wandlereinheit zum Beispiel mit einem Ende an die Batteriezelle der Batteriezelleneinheit und einem anderen Ende an die zweite Anschlussleitung der Steuereinrichtung angeschlossen sein. Bevorzugt ist die Wandlereinheit als DC/DC-Wandler (ohne galvanische Trennung) mit einer Aufwärtswandlerfunktion ausgebildet. Üblicherweise stellt eine Batteriezelle für eine Antriebsbatterie nämlich nur eine Spannung zwischen 2,5 VDC und 4,2 VDC bereit. Somit kann die Batteriezellenspannung mittels der Wandlereinheit in die Versorgungsspannung von beispielsweise 20 VDC hochgesetzt werden.
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In den folgenden Ausführungsformen sind nun verschiedene Möglichkeiten zum Bestimmen des jeweiligen Betriebszustands der Energieversorgungseinrichtung realisiert. Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zusätzlich noch einen Kommunikationsanschluss zum Koppeln mit einer Kommunikationseinrichtung, die der Energieversorgungseinrichtung zugeordnet ist, umfasst. Um den Betriebszustand zu bestimmen, ist die Steuereinrichtung ausgebildet, ein über den Kommunikationsanschluss bereitgestelltes Kommunikationssignal der Kommunikationseinrichtung auszuwerten. Das heißt, die Kommunikationseinrichtung kann der Steuereinrichtung den Betriebszustand kodiert in dem Kommunikationssignal übermitteln.
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Die Kommunikationseinrichtung kann dabei beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems des Bordnetzes sein. Bevorzugt ist die Kommunikationseinrichtung als Transceiver oder Transducer (Sende-Empfangseinrichtung) ausgebildet. Somit ist eine bidirektionale Signalübertragung oder Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung und der Kommunikationseinrichtung ermöglicht. Die Kommunikation kann zum Beispiel über eine BUS-Kommunikation, also zum Beispiel über eine Anbindung an einen CAN-BUS des Kraftfahrzeugs, erfolgen. In vorteilhafter Weise ist die Kommunikationseinrichtung ebenfalls in dem vorgenannten Niedervoltnetz angeordnet. Um die Signalübertragung zwischen der Kommunikationseinrichtung und der Steuereinrichtung zu ermöglichen, ist die Kommunikationseinrichtung bevorzugt über einen galvanisch isolierenden Digitalisolator an den Kommunikationsanschluss der Steuereinrichtung angeschlossen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zum Bestimmen des Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung vorgesehen, dass die Steuereinrichtung selbst eine Sensoreinheit umfasst. Die Sensoreinheit ist ausgebildet, eine über die erste Anschlussleitung mittels der Energieversorgungseinrichtung bereitgestellte Spannung zu erfassen. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, die erfasste Spannung gemäß einem vorbestimmten Auswertekriterium zum Bestimmen des Betriebszustands der Energieversorgungseinrichtung auszuwerten. Gemäß dem vorbestimmten Auswertekriterium kann die Steuereinrichtung beispielsweise überprüfen, ob die erfasste Spannung innerhalb eines vorbestimmten Spannungsintervalls liegt. Das Spannungsintervall kann dabei durch vorbestimmte Spannungsgrenzwerte festgelegt sein. Über- oder unterschreitet die erfasste Spannung einen der jeweiligen Spannungsgrenzwerte, kann mittels der Steuereinrichtung somit auf eine Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung rückgeschlossen werden. Zum Erfassen oder Messen der Spannung, welche mittels der ersten Anschlussleitung bereitgestellt ist, kann die Sensoreinheit kann beispielsweise einen Spannungssensor oder einen Stromsensor umfassen.
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In den folgenden Ausführungsformen sind nun verschiedene Möglichkeiten realisiert, wie die Versorgungsspannung in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung entweder über die erste oder die zweite Anschlussleitung zuführbar ist. Dazu in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Trennschalteinheit für die beiden Anschlussleitungen umfasst. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, die Trennschalteinheit in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung zum Koppeln der ersten Anschlussleitung mit dem Versorgungsanschluss oder der zweiten Anschlussleitung mit dem Versorgungsanschluss zu schalten. Mittels der Trennschalteinheit kann somit die jeweilige Anschlussleitung aktiviert oder deaktiviert werden. Anders ausgedrückt, kann zwischen den Anschlussleitungen aktiv umgeschaltet oder gewechselt werden. Die Trennschalteinheit kann dazu beispielsweise einen oder mehrere elektronisch betreibbare Wechselschalter umfassen. Bevorzugt kann ein solcher Wechselschalter als Relais, oder Schütz oder Halbleiterschalter ausgebildet sein.
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Zusätzlich oder alternativ zu dem aktiven Umschalten mittels der Trennschalteinheit kann das Wechseln der Energieversorgungsquelle von der Energieversorgungseinrichtung zur Batteriezelle und umgekehrt auch automatisch erfolgen. Dazu ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die erste und zweite Anschlussleitung in einer elektrischen Parallelschaltung an den Versorgungsanschluss angeschlossen sind. Zudem ist die Energieversorgungseinrichtung ausgebildet, in einem Normalbetriebszustand eine Spannung über die erste Anschlussleitung bereitzustellen (erste Anschlussspannung), welche um einen vorbestimmten Differenzbetrag größer ist als eine Spannung, welche mittels der Batteriezelle über die zweite Anschlussleitung (zweite Anschlussspannung) bereitgestellt ist. Bei einer Funktionsstörung ist die Energieversorgungseinrichtung hingegen ausgebildet, eine erste Anschlussspannung bereitzustellen, welche kleiner ist als die zweite Anschlussspannung. Der Differenzbetrag kann dabei von einen Fachmann entsprechend einer Ausgestaltung der Steuereinrichtung gewählt werden. Bevorzugt kann der Differenzbetrag zwischen 0,1 VDC und 1 VDC liegen. Die erste Anschlussspannung kann im Normalbetriebszustand zum Beispiel in etwa 20 VDC betragen. Somit kann die zweite Anschlussspannung im Normalbetriebszustand zum Beispiel 19 VDC betragen. Liegt nun eine Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung vor, kommt es, wie eingangs beschrieben, zu einem Einbruch der Energieversorgungseinrichtungsspannung und somit auch der ersten Anschlussspannung. Vorzugsweise weist die erste Anschlussspannung bei der Funktionsstörung dann einen kleineren Spannungsbetrag auf als die zweite Anschlussspannung. Zum Beispiel kann die erste Anschlussspannung dann in etwa 0 VDC betragen.
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Durch die Parallelschaltung der beiden Anschlussleitungen an den Versorgungsanschluss ergibt sich nun der Vorteil, dass automatisch immer die höhere der beiden Spannungen dem Versorgungsanschluss als die Versorgungsspannung bereitgestellt und zugeführt wird. Somit ist die Energieversorgung insbesondere auch gegenüber Schwankungen in der ersten Anschlussspannung oder der Energieversorgungseinrichtungsspannung resistenter.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Schaltbetriebs umgesetzt. Dabei ist die Steuereinrichtung ausgebildet ist, in dem Normalbetriebszustand der Energieversorgungseinrichtung die Halbleiterschalter gemäß dem vorbestimmten Schaltbetrieb in einem Taktbetrieb zu betreiben. Bei der Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung ist die Steuereinrichtung hingegen ausgebildet, die Halbleiterschalter in einen vorbestimmten Schaltzustand zu schalten und bevorzugt in diesem Schaltzustand zu halten. Das, heißt, jeder der Halbleiterschalter ist entweder in den eingeschalteten Zustand oder den ausgeschalteten Zustand geschaltet. Somit ist der Schaltbetrieb also ebenfalls von dem Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung abhängig. Dadurch kann im Fall der Funktionsstörung ein definierter Schaltzustand der Halbleiterschalter eingestellt werden. Weiterhin kann auch der Energieverbrauch der Steuereinrichtung zum Betreiben der Halbleiterschalter minimiert oder reduziert werden.
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Mit dem vorgenannten Taktbetrieb ist dabei insbesondere gemeint, dass die Halbleiterschalter gemäß einem vorbestimmten Schaltmuster zyklisch geschaltet werden. Es sind also zeitlich nacheinander mehrere Schaltvorgänge der Halbleiterschalter von dem eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand und umgekehrt vorgesehen. Dazu kann die Steuereinrichtung beispielsweise ein entsprechendes pulsweitmoduliertes Steuersignal zum Schalten des jeweiligen Halbleiterschalters bereitstellen. Das Schaltmuster kann dabei zum Beispiel von einem Batteriemanagementsystem in Abhängigkeit von einem Energiebedarf des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs gewählt oder vorgegeben sein.
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Um die Batteriezelleneinheit in Bezug auf ihre Funktionsfähigkeit zu überwachen, ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Überwachungseinheit für die Batteriezelleneinheit umfasst. Die Überwachungseinheit ist ausgebildet, ein Überwachungssignal umfassend wenigstens einen physikalischen Parameter der Batteriezelleneinheit zu erfassen. Die Steuereinrichtung ist dann ausgebildet, das jeweilige Überwachungssignal zum Bestimmen des Betriebszustands der Batteriezelleneinheit auszuwerten. Zudem ist die Steuereinrichtung ausgebildet, bei der Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung das jeweilige Überwachungssignal in einem Datenspeicher der Steuereinrichtung zu speichern. Das heißt die Steuereinrichtung weist zusätzlich einen Datenspeicher auf, um das jeweilige Überwachungssignal zwischenzuspeichern.
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Somit kann beispielsweise ein jeweiliger Betriebsmodus oder ein Ausfalls der Batteriezelleneinheit diagnostiziert und dokumentiert werden, selbst wenn die Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung eingetreten ist. Üblicherweise erfolgt die Diagnose oder das Überwachen der Batteriezelleneinheit nämlich in dem vorgenannten Batteriemanagementsystem des Kraftfahrzeugs. Dieses ist, wie zuvor beschrieben, in der Regel in dem Niedervoltnetz verortet. Beim Ausfall der Energieversorgungseinrichtung kann es jedoch auch zum Ausfall des Niedervoltbordnetzes kommen, sodass eine Überwachung der Batteriezelleneinheit durch das Batteriemanagementsystem nicht mehr möglich ist.
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Als der physikalische Parameter kann beispielsweise eine Spannung, ein Strom oder eine Temperatur der Batteriezelleneinheit erfasst oder gemessen werden. Somit kann die Überwachungseinheit folglich beispielsweise auch wenigstens einen Spannungssensor und/oder wenigstens ein Stromsensor und/oder wenigstens einen Temperatursensor umfassen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes, wie es zuvor beschrieben wurde. Dabei wird der Steuereinrichtung des Bordnetzes über einen Versorgungsanschluss eine Versorgungsspannung für das Betreiben der Halbleiterschalter in dem vorbestimmten Schaltbetrieb zugeführt. Der Versorgungsanschluss wird dann in Abhängigkeit von dem zuvor beschriebenen Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung über die erste Anschlussleitung mit der Energieversorgungseinrichtung und über eine zweite Anschlussleitung mit der jeweiligen Batteriezelle von zumindest einer der jeweiligen Batteriezelleneinheit gekoppelt.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bordnetzes beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Figur:
- Fig. eine schematische Darstellung eines Schaltplans des Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einer redundanten Energieversorgung für eine Steuereinrichtung zum Betreiben einer Batteriezelleneinheit des Bordnetzes.
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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.
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In der Figur bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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Die Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bordnetzes B, wie es in ein Kraftfahrzeug eingebaut sein kann. Das Bordnetz B umfasst dabei zwei galvanisch getrennte Teilnetze, nämlich zunächst ein Niedervoltnetz oder Niedervoltbordnetz NV und ein Hochvoltnetz oder Hochvoltbordnetz HV. Die beiden Teilnetze unterscheiden sich dabei in bekannter Weise durch ihre jeweiligen Bezugspotentiale. Das Niedervoltbordnetz NV umfasst als Bezugspotentiale vorliegend ein Niedervoltpluspotential NV+ und Erdungspotential GND, welches zum Beispiel durch eine Karosserie des Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein kann. Das Hochvoltbordnetz HV umfasst als Bezugspotentiale vorliegend ein Versorgungspluspotential UV+ und ein Versorgungsminuspotential UV-.
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Das Hochvoltbordnetz HV umfasst eine Batteriezelleinheit 10 zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs und eine Steuereinrichtung 20 zum Steuern und Überwachen der Batteriezelleinheit 10. Die Batteriezelleneinheit 10 kann somit Teil der Antriebsbatterie des Kraftfahrzeugs sein. Zum Bilden der Antriebsbatterie kann die Batteriezelleinheit 10 zum Beispiel mittels eines Batteriezellenanschlusses AB in bekannter Weise mit einer oder mehreren weiteren Batteriezelleneinheiten zusammengeschaltet sein. Die Batteriezelleneinheit 10 ist, wie in der Fig. gezeigt, als sogenannte SmartCell ausgebildet. Das heißt, die Batteriezelleneinheit 10 umfasst eine Aktivierungsleitung AL mit einer Batteriezelle 11 und einem mit einem ersten Ende an einen Pluspol der Batteriezelle 11 angeschlossenen ersten Halbleiterschalter 12. Weiterhin umfasst die Batteriezelleneinheit noch eine Überbrückungsleitung ÜL mit einem zweiten Halbleiterschalter 13. Der zweite Halbleiterschalter 13 ist dabei mit einem ersten Ende an einen Minuspol der Batteriezelle 11 angeschlossen. Zudem sind die beiden Halbleiterschalter 12, 13 mit einem jeweiligen zweiten Ende direkt aneinander angeschlossen. Vorliegend sind die Halbleiterschalter 12, 13 beispielhaft als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) mit einer parallel geschalteten Freilaufdiode ausgebildet.
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Durch die Ausgestaltung der Batteriezelleneinheit 10 als SmartCell ist es nun möglich, eine Spannung welche über den Batteriezellenanschlusses AB an den elektrischen Antrieb bereitgestellt werden kann, einzustellen. Dazu können der erste und zweite Halbleiterschalter 12, 13 in einem vorbestimmten Schaltbetrieb betrieben werden. Das heißt, die Halbleiterschalter 12, 13 können zum Beispiel in Abhängigkeit von einem Energiebedarf des Antriebs abwechselnd oder zyklisch in einen eingeschalteten oder aktivierten und in einen ausgeschalteten oder deaktivierten Schaltzustand versetzt werden. Ein gleichzeitiges Aktivieren oder Einschalten der Halbleiterschalter 12, 13 wird somit in dem Schaltbetrieb vermieden, da es dabei zu einem Kurzschluss der Batteriezelle 11 kommen kann.
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Das Betreiben der Halbleiterschalter 12, 13 in dem Schaltbetrieb ist eine Funktion der Steuereinrichtung 20. Dazu umfasst die Steuereinrichtung 20 ein Steuergerät 21, welches zum Beispiel als Mikrokontroller ausgebildet sein kann. An dem Steuergerät 21 ist ein sogenannter Gate-Treiber 24 angeschlossen. Mittels des Gate-Treibers 24 können die Halbleiterschalter 12, 13 in Abhängigkeit von einem entsprechenden Steuerbefehl des Steuergeräts 21 umgeschaltet werden. Bevorzugt weist der Gate-Treiber 24 dabei eine Logik oder Logikschaltung auf, um immer jeweils einen der Halbleiterschalter 12, 13 zu verriegeln und somit in dem deaktivierten Schaltzustand zu halten. Somit kann das vorgenannte gleichzeitige Einschalten der Halbleiterschalter 12, 13 effektiv vermieden werden. Das Umschalten, also Schalten in einen definierten Schaltzustand, erfolgt bei MOSFETs üblicherweise durch Einstellen der sogenannten Gatespannung des jeweiligen Halbleiterschalters 12, 13. Zum Beispiel kann durch Einstellen einer Gatespannung von 15 VDC der jeweilige Halbleiterschalter 12, 13 in den eingeschalteten Schaltzustand und somit elektrisch sehr gut leitfähig geschaltet werden. Bei Einstellen einer Gatespannung von -8 VDC kann der jeweilige Halbleiterschalter 12, 13 hingegen in den ausgeschalteten oder elektrisch hochohmigen Schaltzustand geschaltet werden.
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Die Gatespannung bezieht sich in der Regel nicht auf das Versorgungspluspotential UV+ und das Versorgungsminuspotential UV- des Hochvoltbordnetzes HV. Zum Bereitstellen der Gatespannung umfasst die Steuereinrichtung 20 deshalb eine galvanisch getrennte Gatewandlereinheit 25, die an das das Versorgungspluspotential UV+ und das Versorgungsminuspotential UVangeschlossen ist. Mittels der Gatewandlereinheit 25 ist ein galvanisch getrenntes Treibernetz TN mit zu dem Versorgungspluspotential UV+ und dem Versorgungsminuspotential UV- verschiedenen Bezugspotentialen, realisiert. Als Bezugspotentiale umfasst das Treibernetz TN ein Gatepluspotential G+ und Gateminuspotential G- zwischen welchen die jeweilige Gatespannung abgreifbar ist.
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Um das zuvor beschriebene Steuern der Batteriezelleneinheit 10 realisieren zu können, ist eine elektrische Energieversorgung für die Steuereinrichtung 20 und insbesondere das vorgenannte Steuergerät 21 vorzusehen. Dazu umfasst die Steuereinrichtung 20 vorliegend einen Versorgungsanschluss V, mittels welchem die Steuereinrichtung 20 an das Versorgungspluspotential UV+ und das Versorgungsminuspotential UV- angeschlossen ist. Über den Versorgungsanschluss V ist der Steuereinrichtung 20 eine Versorgungsspannung UV zuführbar.
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Üblicherweise wird die Versorgungsspannung UV über das Niedervoltbordnetz NV an den Versorgungsanschluss V bereitgestellt. Dazu umfasst das Niedervoltbordnetz NV eine Energieversorgungseinrichtung 30, die vorliegend beispielhaft als DC/DC-Wandler ausgebildet ist, welcher das Niedervoltpluspotential NV+ und das Erdungspotential GND angeschlossen ist. Mittels des DC/DC-Wandlers kann somit eine im Folgenden nicht näher definierte Spannung, die zwischen dem Niedervoltpluspotential NV+ und das Erdungspotential GND abgreifbar ist, in eine Energieversorgungseinrichtungsspannung UE gewandelt werden. In einem Normalbetrieb der Energieversorgungseinrichtung 30 kann die Energieversorgungseinrichtungsspannung UE beispielsweise 12 VDC betragen.
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Zum Bereitstellen der Energieversorgungseinrichtungsspannung UE an die Steuereinrichtung 20 ist die Energieversorgungseinrichtung 30 , wie in der Fig. gezeigt, über eine galvanisch getrennten Wandlereinrichtung 31 an eine erste Anschlussleitung A1 der Steuereinrichtung 20 angeschlossen. Die erste Anschlussleitung A1 ist wiederrum direkt an den Versorgungsanschluss V angeschlossen. Somit kann eine mittels der Energieversorgungseinrichtung 30 erzeugte Energieversorgungseinrichtungsspannung UE in eine erste Anschlussspannung UA1, welche in der ersten Anschlussleitung A1 abgreifbar ist, gewandelt werden. Die erste Anschlussspannung UA1 kann anschließend als die Versorgungsspannung dem Versorgungsanschluss V zugeführt werden. In dem Normalbetrieb der Energieversorgungseinrichtung 30 kann die erste Anschlussspannung UA1 zum Beispiel 20 V betragen. Demensprechend kann die Wandlereinrichtung 31 vorliegend beispielsweise als galvanisch isolierter Aufwärtswandler zum Hochsetzen der Energieversorgungseinrichtungsspannung UE in die erste Anschlussspannung UA1 ausgebildet sein. Um zu vermeiden, dass auch von der Steuereinrichtung 20 elektrische Energie an das Niedervoltbordnetz übertragen wird, ist in die erste Anschlussleitung vorliegend zusätzlich noch eine Freilaufdiode geschaltet.
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Zum Bereitstellen der Versorgungsspannung UV an das Steuergerät 21, ist das Steuergerät 21 über eine Wandlereinheit 22 an den Versorgungsanschluss angeschlossen. Die Wandlereinheit 22 ist vorliegend als Gleichspannungs-Abwärtswandler ausgebildet. Somit kann die an dem Versorgungsanschluss V anliegende Versorgungsspannung UV in eine Steuergerätspannung US zum Bereitstellen an das Steuergerät 21 herabgesetzt werden. Die Steuergerätspannung US kann im Normalbetrieb der Energieversorgungseinrichtung 30 beispielsweise 5 VDC betragen.
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Kommt es nun aber zu einer Funktionsstörung in dem Niedervoltbordnetz NV und somit zu einer Funktionsstörung der Energieversorgungseinrichtung 30, kann die Energieversorgung der Steuereinrichtung 20 aus dem Niedervoltbordnetz NV nicht mehr gewährleistet werden. Bei der Funktionsstörung kann es sich zum Beispiel um einen vollständigen Ausfall der Energieversorgungseinrichtung 30 handeln. Alternativ kann die Funktionsstörung auch eine temporär begrenzte oder kurzzeitige Schwankung der Energieversorgungseinrichtungsspannung UE sein. Durch die Funktionsstörung ergibt sich somit im Vergleich zu einem Betrag der Energieversorgungseinrichtungsspannung UE im Normalbetriebszustand ein Einbruch oder Abfall der Energieversorgungseinrichtungsspannung UE. Folglich kommt es auch zu einem Abfall der ersten Anschlussspannung UA1, sodass der Steuereinrichtung 20 nicht mehr die volle Versorgungsspannung von beispielsweise 20 VDC bereitgestellt werden kann. Dadurch steht nun nicht mehr ausreichend elektrische Energie zum Versorgen des Steuergeräts 21, des Gatetreibers 24 und des Gatewandlers 25 zur Verfügung und es kann sich ein undefinierter Schaltzustand der Halbleiterschalter 12, 13 einstellen. Somit kann es zum Beispiel zum ungewünschten Überbrücken der Batteriezelle 11 kommen oder die Batteriezelleneinheit 10 kann zu weiteren Batteriezelleneinheiten der Antriebsbatterie kurzgeschlossen werden.
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Um beim Ausfall der Energieversorgungseinrichtung 30 eine solche Wirkkette an Ereignissen zu vermeiden, ist vorliegend eine redundante Energieversorgung direkt aus dem Hochvoltbordnetz HV vorgesehen. Die Energieversorgungsquelle ist dabei durch die Batteriezelle 11 der Batteriezelleneinheit 10 bereitgestellt. Dazu ist die Batteriezelle 11 (jeweils mit ihrem Plus- und Minuspol) über eine weitere Wandlereinheit 23 an eine zweite Anschlussleitung A2 angeschlossen. Die zweite Anschlussleitung A2 ist dann direkt in einer elektrischen Parallelschaltung zu der ersten Anschlussleitung A1 eine an den Versorgungsanschluss V angeschlossen. Somit kann eine mittels der Batteriezelle 11 erzeugte Batteriezellenspannung UB in eine zweite Anschlussspannung UA2, welche in der zweiten Anschlussleitung A2 abgreifbar ist, gewandelt werden. Ein typischer Wert für die Batteriezellenspannung UB liegt in der Regel zwischen 2,5 VDC und 4,2 VDC. Deshalb kann die Wandlereinheit 23 vorliegend zum Beispiel als Gleichspannungs-Aufwärtswandler ausgebildet sein. Somit kann die Batteriezellenspannung UB in die zweite Anschlussspannung UA2 hochgesetzt werden. Die zweite Anschlussspannung UA2 kann anschließend als die Versorgungsspannung UV dem Versorgungsanschluss V zugeführt werden.
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Für die zweite Anschlussspannung
UA2 ist dabei im Normalbetrieb der Energieversorgungseinrichtung
30 ein geringfügig kleinerer Spannungsbetrag gewählt oder eingestellt als ein Spannungsbetrag der ersten Anschlussspannung
UA1 . Zum Beispiel kann die zweite Anschlussspannung
UA2 19,5 VDC betragen. Dadurch kann je nach Betriebszustand (Normalbetrieb oder Funktionsstörung) der Energieversorgungseinrichtung
30 die Versorgungsspannung UV automatisch entweder mittels der ersten oder der zweiten Anschlussleitung
A1,
A2 bereitgestellt werden. Somit kann in dem Bordnetz
B die Energiequelle zum Versorgen der Steuereinrichtung
20 besonders schnell umgeschaltet oder gewechselt werden. Dadurch können auch geringfügige Schwankungen oder Spannungseinbrüche in dem Niedervoltbordnetz
NV einfach ausgeglichen werden.
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Wie eingangs beschrieben, hat die Steuereinrichtung 20 jedoch nicht nur die Funktion der Steuerung der Batteriezelleneinheit 10, sondern ist zusätzlich auch zum Überwachen von Betriebsparametern der Batteriezelleneinheit 10 zuständig. Dazu umfasst die Steuereinrichtung 20 vorliegend einen Spannungssensor 26, einen Stromsensor 27 und einen Temperatursensors 28, welche jeweils einzeln an das Steuergerät 21 angeschlossen sind. Mittels der genannten Sensoren kann somit ein jeweiliger physikalischen Parameter der Batteriezelleneinheit 10 gemessen und an das Steuergerät in Form eines Überwachungssignals zum Auswerten bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann mittels dem Spannungssensor 26 die Batteriezellenspannung UB als physikalischen Parameter gemessen werden Mittels des Stromsensors 27 kann ein von der Batteriezelleinheit 10 bereitgestellter Strom als physikalischer Parameter gemessen werden. Schließlich kann mittels des Temperatursensors 28 eine Temperatur als physikalischer Parameter gemessen werden. Bei dem anschließenden Auswerten kann das Steuergerät zum Beispiel überprüfen, ob der jeweilige physikalische Parameter in einem gewünschten Wertebereich liegt oder nicht. Somit kann auf eine Fehlfunktion der Batteriezelleneinheit 10 rückgeschlossen werden. Bevorzugt wird durch das Auswerten des oder der Überwachungssignale mittels des Steuergeräts 21 somit ein Betriebsmodus der Batteriezelleneinheit 10 bestimmt.
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Um jede Batteriezelleneinheit 10 einzeln und auch mehrere Batteriezelleneinheiten, die gemeinsam die Antriebsbatterie bilden, insgesamt überwachen zu können, wird der bestimmte Betriebsmodus zum Beispiel als Betriebsmodussignal zudem bevorzugt an ein Batteriemanagementsystem des Kraftfahrzeugs übermittelt. Das Batteriemanagementsystem ist üblicherweise im Niedervoltbordnetz NV verortet. Vorliegend ist das Batteriemanagementsystem beispielhaft durch eine Kommunikationseinrichtung 40 in dem Niedervoltbordnetz NV dargestellt. Zum Übermitteln des Betriebsmodussignal umfasst die Steuereinrichtung 20 zusätzlich eine Kommunikationsleitung K oder einen Kommunikationsanschluss, welche vorliegend direkt an dem Steuergerät 21 angeschlossen ist. Die Kommunikationseinrichtung 40 ist nun über einen Digitalwandler 41 oder digitalen Isolator mit galvanischer Trennung an die Kommunikationsleitung K angeschlossen. Vorzugweise können die Kommunikationseinrichtung 40, der Digitalwandler 41 und das Steuergerät 21 zum bidirektionalen Übertragen von Signalen ausgebildet sein. Somit kann beispielsweise auch von dem Batteriemanagementsystem ein Steuerbefehl an die Steuereinrichtung 20 bereitgestellt werden.
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Um bei der Funktionsstörung des Niedervoltnetzes, die Batteriezelleneinheit 10 auch weiterhin überwachen zu können, umfasst das Steuergerät 20 bevorzugt einen in der Fig. nicht dargestellten Datenspeicher. In dem Datenspeicher kann somit bei Vorliegen der Funktionsstörung das jeweilige Betriebsmodussignal in Form von Betriebsdaten zwischengespeichert werden, solange bis beispielsweise eine Kommunikation mit der Kommunikationseinrichtung 40 wieder möglich ist. Somit bleibt die Batteriezelleneinheit 10 auch bei Ausfall der Kommunikationsverbindung mit dem Niedervoltbordnetz NV weiter diagnostizierbar.
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Alternativ zu dem in der Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel kann anstelle des automatischen Auswählens der Energieversorgungsquelle auch ein aktives Umschalten auf die jeweilige Energieversorgungsquelle erfolgen. Dazu kann die Steuereinrichtung 20 beispielsweise eine Trenneinheit in Form eines Wechselschalters umfassen, mittels dem in Abhängigkeit von der Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinrichtung 30 entweder die erste Anschlussleitung elektrisch leitend mit dem Versorgungsanschluss gekoppelt oder die zweite Anschlussleitung mit dem Versorgungsanschluss elektrisch leitend gekoppelt werden kann. Zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit der Energieversorgungseinrichtung 30 kann das Steuergerät 21 der Steuereinrichtung 30 dabei beispielsweise die erste Anschlussspannung UA1 überwachen. Alternativ kann der Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung 30 auch über die Kommunikationseinrichtung 40 an das Steuergerät 21 der Steuereinrichtung 20 mitgeteilt werden.
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Gemäß diesem alternativen Ausführungsbeispiel des Bordnetzes B kann ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des Bordnetzes B folgende Schritte umfassen (nicht gezeigt). Es wird in einem Entscheidungsschritt zunächst die Funktionsfähigkeit, also der Betriebszustand der Energieversorgungseinrichtung 30, wie zuvor beschrieben, überprüft. Stellt das Steuergerät 21 fest, dass sich die Energieversorgungseinrichtung 30 in einem Normalbetrieb befindet, kann die Steuereinrichtung 21 die Trennschalteinheit zum elektrisch leitenden Verbinden der ersten Anschlussleitung A1 mit dem Versorgungsanschluss V ansteuern. Dadurch kann die Versorgungsspannung UV mittels der Energieversorgungseinrichtung 30 der Steuereinrichtung 20 zugeführt werden. Wird bei dem Überprüfen hingegen festgestellt, dass die Energieversorgungseinrichtung 30 eine Funktionsstörung aufweist, kann das Steuergerät 21 stattdessen die Trennschalteinheit zum elektrischen Trennen der ersten Anschlussleitung A1 und dem Versorgungsanschluss V und zum elektrisch leitenden Verbinden der zweiten Anschlussleitung A2 und dem Versorgungsanschluss V ansteuern. Somit kann die Versorgungsspannung UV zum Betreiben der Steuereinrichtung 20 mittels der Batteriezelle 11 bereitgestellt werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele also, wie eine redundante Energieversorgung in einer SmartCell für ein Elektrofahrzeug bereitgestellt werden kann.
