WO2013010832A2 - Batteriemanagementsystem und dazugehöriges verfahren zur bestimmung eines ladezustands einer batterie, batterie mit batteriemanagementsystem und kraftfahrzeug mit batteriemanagementsystem - Google Patents

Batteriemanagementsystem und dazugehöriges verfahren zur bestimmung eines ladezustands einer batterie, batterie mit batteriemanagementsystem und kraftfahrzeug mit batteriemanagementsystem Download PDF

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WO2013010832A2
WO2013010832A2 PCT/EP2012/063346 EP2012063346W WO2013010832A2 WO 2013010832 A2 WO2013010832 A2 WO 2013010832A2 EP 2012063346 W EP2012063346 W EP 2012063346W WO 2013010832 A2 WO2013010832 A2 WO 2013010832A2
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WO
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battery
management system
battery management
cell monitoring
units
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PCT/EP2012/063346
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WO2013010832A3 (de
Inventor
Stefan Butzmann
Original Assignee
Sb Limotive Germany Gmbh
Sb Limotive Company Ltd.
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery management system having a controller and a plurality of cell monitoring units, a method for determining the state of charge of a battery, a battery with the
  • batteries with lithium-ion technology are suitable. They are characterized among others by high energy density and low self-discharge. By definition, exist
  • Lithium-ion batteries made of two or more lithium-ion cells, the
  • Lithium-ion cells can be connected by parallel or serial connection to modules, and then to batteries.
  • a module consists of six or more cells.
  • Cell Supervision Circuit which are each assigned to a plurality of battery cells 14 or battery modules.
  • CSC Cell Supervision Circuit
  • the battery cells 14 are grouped into battery modules, the exact
  • the battery management system 1 1 can be connected to battery cells 14 or
  • Battery modules in a common housing housed.
  • the battery modules can each have their own housing.
  • a better scalability can be achieved.
  • the battery cells 14 are monitored by the plurality of cell monitoring units 16.
  • a cell monitoring unit 16 includes measurement electronics that monitors the voltage and other parameters.
  • the information obtained by the cell monitoring unit 16 information is sent via a communication bus 19, such as a CAN bus, to a central control unit 15, which evaluates the data of all battery cells 14 and corrective action in case of deviations from defined parameters or, if necessary, the contactors 17, 18 opens and the battery system 10 turns off.
  • the control unit 15 has a low-voltage side or a
  • low-voltage side part 22 with a microcontroller 23 and a high-voltage side or a high-voltage side part 24 with a microcontroller 25 on.
  • the low-voltage side 22 and the high-voltage side 24 are connected to each other via a galvanic isolation 29.
  • the low-voltage side 22 is with a
  • Hall sensor 27 connected to measure the battery current
  • High-voltage side 24 is connected to a shunt 26 for measuring the battery current.
  • the control unit 15 communicates with the vehicle electronics by means of
  • the electrical connections 12, 13 are used for power supply for example, a motor vehicle and / or recharging the battery.
  • the data of the cell monitoring units 16 are evaluated both on the high-voltage side 24 and on the low-voltage side 22 of the control unit 15 in two redundant microcontrollers 23, 25 and compared.
  • the high-voltage side is evaluated both on the high-voltage side 24 and on the low-voltage side 22 of the control unit 15 in two redundant microcontrollers 23, 25 and compared.
  • Microcontroller 25 uses the total voltage of the pack, that is, all the battery modules and the total current, which is measured for example by means of the shunt 26.
  • the low-voltage side microcontroller 23 measures the voltage of the individual battery cells 14 and the current that is determined, for example, via the Hall sensor 27.
  • the Hall sensor 27 typically, on the
  • the low-voltage side of the control unit also calculates the state of charge of the battery pack (SOC) .
  • SOC state of charge of the battery pack
  • a battery which is constructed from a plurality of battery modules, wherein the battery modules are monitored by means of a central battery management system.
  • a disadvantage of the battery management systems of the prior art is that to achieve a high ASIL level, a complex and complex programming of the controller and a high computational effort are required. This causes high costs. Furthermore, a lot of data is on the
  • a battery management system according to independent claim 1 is provided.
  • a battery management system has a control unit and one or more cell monitoring units for monitoring in each case a plurality of battery cells of at least one battery module of a battery.
  • the cell monitoring units each have a microcontroller, which is connected to the control unit by a first communication connection, and measuring electronics for detecting one or more physical measured variables from the battery cells.
  • the measuring electronics everyone
  • Cell monitoring unit is at least partially redundant, so that in the cell voltage monitoring unit, a physical measured variable, in particular an electrical voltage can be detected several times by means of several measuring units. Furthermore, each cell monitoring unit has means for current detection, and the microcontroller is adapted to a
  • An advantage of the battery management system according to the invention is that the required effort to be controlled of the controller is significantly reduced, whereby the calculations in the microcontrollers of the controller are significantly simplified. When using several battery modules, this is particularly advantageous, since the control unit no longer has to synchronize and reassemble the data of all cell monitoring units as conventionally. But even with only one
  • Cell monitoring unit is advantageous, the calculation effort is reduced overall. For example, the controller no longer needs to collect, synchronize, and evaluate data from the cell monitor and a current sensor. This is also achieved because the scope of the
  • the control unit less Values are evaluated.
  • the data rate on the bus is also significantly reduced. In particular, the required data for calculating the state of charge no longer has to run via the bus.
  • the state of charge is first determined in modules using at least one of the cell monitoring units according to the invention.
  • the invention is not limited to a particular bus system.
  • the first communication connection may be a CAN bus.
  • the microcontrollers of the one or more cell monitoring units each have a plausibility function for performing a plausibility check of acquired measurement data.
  • the microcontroller each have a processing and output function for generating and outputting information about the acquired measurement data to the
  • Control unit For example, this can further reduce the data rate on the bus.
  • combined results can be generated during processing, with only the results being output to the control unit.
  • the microcontroller also each have an alarm function for generating an alarm signal, if a detected measured value assumes a critical value, in particular an overvoltage value or undervoltage value. As a result, the safety can be increased in a favorable manner.
  • Cell monitoring unit is used, so that increased functional safety is present and, for example, an ASIL C / D level is easier to reach.
  • the costs for the cell monitoring units are also well scalable for different ASIL levels, a so-called "downgrade" is easy to accomplish.
  • inexpensive measuring units can be used, but this does not necessarily mean that the ASIL level is lower.
  • the plurality of measuring units in a cell monitoring unit each have a min-max measuring unit
  • the min-max measuring unit is adapted to determine a minimum and a maximum voltage value and to discard intermediate voltage values.
  • the cell monitoring units are designed in such a way that at least one of the several measuring units can output data directly to the control unit without an intermediate circuit with the microcontroller.
  • Min-Max data is sufficient to perform or complete a plausibility check.
  • the battery management system has a second communication connection, in particular a second one
  • Control unit connects.
  • the first communication connection connects the microcontroller of the cell monitoring units with a low-voltage side of the control unit and the second communication connection in each case at least one measuring unit in each cell monitoring unit of the one or more
  • Cell monitoring units connects to a high-voltage side of the controller.
  • a second redundant measuring unit the voltage to the
  • High-voltage side of the control unit transmitted, in the control unit, the data of the low-voltage side and the high-voltage side are plausibility.
  • the microcontrollers are configured to receive voltage values from at least one of the measuring units, to calculate the state of charge based on the outputted voltage values, and to output the state of charge, a minimum voltage and a maximum voltage, and a detected temperature.
  • the microcontrollers are configured to receive voltage values from at least one of the measuring units, to calculate the state of charge based on the outputted voltage values, and to output the state of charge, a minimum voltage and a maximum voltage, and a detected temperature.
  • a battery is provided with the battery management system according to the invention.
  • the battery is a
  • the battery management system monitors a battery connected to a drive system of the motor vehicle.
  • FIG. 2 shows a battery with a battery management system according to an embodiment of the invention
  • Figure 3 shows components of a battery and a cell monitoring unit according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 4 components of a battery and a cell monitoring unit according to yet another embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a battery with a battery management system 21 according to an embodiment of the invention.
  • the battery management system 21 has a redundant topology for monitoring the battery cells 14. More precisely, the measuring electronics are designed redundantly, and the microcontroller 25, 23 in the control unit 15th be by means of two separate communication links 19, 35th
  • a first communication link 19 may be the communication line of a CAN bus.
  • a second communication link 35 has
  • the one group of measuring units which in the exemplary embodiment is a cell voltage measuring unit 32 designed as CVM (English: “Cell Voltage Monitor”), communicates directly with the high-voltage side via the microcontroller 33 24 of the CVM (English: “Cell Voltage Monitor”), communicates directly with the high-voltage side via the microcontroller 33 24 of the CVM (English: “Cell Voltage Monitor”), communicates directly with the high-voltage side via the microcontroller 33 24 of the
  • Control unit or with the low-voltage side microcontroller 23 whereas another group of CVM designed as
  • Cell voltage measuring units 42 communicates directly with the high-voltage side or with the high-voltage side microcontroller 25 of the controller 15.
  • the cell monitoring units 31 each have a current sensor (not shown).
  • the microcontroller is designed in each case from the cell voltage measuring unit 32
  • measuring units 43 on the high-voltage side strand as measuring units 43 optionally CVM or
  • Min-max measuring units are used. More precisely, according to FIG. 3, measurement units 31 can be used for the design of the cell monitoring unit 31, which only report the minimum and the maximum voltage of all assigned cells to the control unit or the microcontroller 33 in the cell voltage measurement unit 31.
  • the min-max measuring units 34 compare the state of an assigned battery cell 14 with the state of the upstream cell 14. Thus, in determining the maximum voltage of all battery cells 14, the higher voltage of the two battery cells
  • Measuring unit only the highest voltage value to the control unit. Similarly, the minimum voltage of all cells 14 is determined. However, the calculation 38 of the state of charge SOC is the same as in
  • the microcontroller 33 takes place in the microcontroller 33, and the microcontroller 33 also gives only the battery module-based SOC and a minimum and a maximum voltage and a temperature over the
  • the second communication connection 35 is dispensed with, and the cell monitoring unit 31 transmits, by means of the microcontroller 33, in total only the state of charge of the
  • Figure 2 used other components that are used in a different topology again.
  • the microcontroller 33 can advantageously the
  • a battery system is presented with which a hardware-based redundant system is created in a favorable manner, which reduces the expense for the software-based plausibility check in the control unit and reduces the data rate. Due to the use of modified components in the cell voltage monitoring unit and due to the particular topology of the cell voltage measuring units, the cost of the
  • Battery management system can be reduced.
  • the costs are in particular scalable for different ASIL levels.

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Abstract

Es wird ein Batteriemanagementsystem (21) offenbart, das aufweist: ein Steuergerät (15) und eine oder mehrere Zellüberwachungseinheiten (31) zur Überwachung von jeweils mehreren Batteriezellen (14) von mindestens einem Batteriemodul einer Batterie, wobei die Zellüberwachungseinheiten (31) jeweils einen Mikrocontroller (33) aufweisen, der durch eine erste Kommunikationsverbindung (19) mit dem Steuergerät (15) verbunden ist, sowie eine Messelektronik zur Erfassung von einer oder mehreren Messgrößen aus den Batteriezellen (14). Ferner ist die Messelektronik jeder Zellüberwachungseinheit (31) zumindest teilweise redundant ausgebildet, so dass in der Zellüberwachungseinheit (31) eine Messgröße, insbesondere eine elektrische Spannung, mittels mehreren Messeinheiten (32, 34, 42, 43) mehrmals erfasst werden kann, und jede Zellüberwachungseinheit (31) weist Mittel zur Stromerfassung auf. Der Mikrocontroller (33) ist dazu ausgebildet, einen Ladezustand zu berechnen. Ferner wird ein Verfahren zur Überwachung einer Batterie bereitgestellt. Außerdem werden eine Batterie mit einem Batteriemanagementsystem und ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriemanagementsystem offenbart.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriemanagementsystem und dazugehöriges Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie, Batterie mit Batteriemanagementsystem und Kraftfahrzeug mit Batteriemanagementsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem, das ein Steuergerät und mehrere Zellüberwachungseinheiten aufweist, ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, eine Batterie mit dem
Batteriemanagementsystem sowie ein Kraftfahrzeug mit dem
Batteriemanagementsystem.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, wie zum Beispiel bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich deren Zuverlässigkeit,
Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Für solche Aufgaben sind insbesondere Batterien mit Lithium-Ionen-Technologie geeignet. Sie zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung aus. Definitionsgemäß bestehen
Lithium-Ionen-Batterien aus zwei oder mehr Lithium-Ionen-Zellen, die
miteinander verschaltet sind. Lithium-Ionen-Zellen können durch parallele oder serielle Verschaltung zu Modulen, und dann zu Batterien verschaltet werden. Typischerweise besteht ein Modul aus sechs oder mehr Zellen. Bei einer Batterie ist die Überwachung der Zellspannungen sowie der Ströme und der Temperatur hinsichtlich Über- oder Unterschreitung bestimmter
Grenzwerte ein wesentlicher Sicherheitsfaktor. ISO-Normen, insbesondere ISO 26262: Funktionale Sicherheit von E/E Systemen in KFZ, erfordern es, ein gewisses Sicherheitsniveau ASIL (Englisch:„automotive safety integrity level") zu erreichen.
Im Folgenden wird anhand von Figur 1 ein beispielhaftes Batteriesystem 10 gemäß dem Stand der Technik beschrieben, das ein Batteriemanagementsystem 1 1 mit einem zentralen Steuergerät 15 aufweist, welches mit mehreren
Zellüberwachungseinheiten 16 (Englisch:„Cell Supervision Circuit"; CSC) kommuniziert, die jeweils mehreren Batteriezellen 14 oder Batteriemodulen zugeordnet sind. Im Folgenden kann je nach Zusammenhang die Gesamtheit der in Batteriemodule angeordneten Batteriezellen 14 mit oder ohne das
dazugehörige Batteriemanagementsystem 1 1 als Batterie bezeichnet werden. Die Batteriezellen 14 sind in Batteriemodule gruppiert, wobei die genaue
Aufteilung der Batteriezellen 14 in die Batteriemodule in Figur 1 nicht gezeigt ist. Das Batteriemanagementsystem 1 1 kann mit Batteriezellen 14 oder
Batteriemodulen in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht gezeigt) untergebracht sein. Die Batteriemodule können jeweils ein eigenes Gehäuse aufweisen. Mittels einer Anordnung der Batteriezellen 14 in Batteriemodule kann eine bessere Skalierbarkeit erreicht werden. Um die ordnungsgemäße Funktion der
Batteriezellen 14 zu überwachen, werden die Batteriezellen 14 durch die mehreren Zellüberwachungseinheiten 16 überwacht. Dabei sind typisch erweise einer Zellüberwachungseinheit 16 jeweils zwei Batteriemodule zugeordnet. Eine Zellüberwachungseinheit 16 beinhaltet eine Messelektronik, die die Spannung und weitere Parameter überwacht. Die mittels der Zellüberwachungseinheit 16 gewonnenen Informationen werden über einen Kommunikationsbus 19, beispielsweise einen CAN-Bus, an ein zentrales Steuergerät 15 gesendet, das die Daten aller Batteriezellen 14 auswertet und bei Abweichungen von definierten Parametern korrigierend eingreift oder notfalls die Schütze 17, 18 öffnet und das Batteriesystem 10 abschaltet.
Das Steuergerät 15 weist eine Niedervoltseite beziehungsweise ein
niedervoltseitiges Teil 22 mit einem Mikrocontroller 23 und eine Hochvoltseite beziehungsweise ein hochvoltseitiges Teil 24 mit einem Mikrocontroller 25 auf. Die Niedervoltseite 22 und die Hochvoltseite 24 sind über eine galvanische Trennung 29 miteinander verbunden. Die Niedervoltseite 22 ist mit einem
Hall-Sensor 27 zum Messen des Batteriestroms verbunden, wobei die
Hochvoltseite 24 mit einem Shunt 26 zur Messung des Batteriestroms verbunden ist. Das Steuergerät 15 kommuniziert mit der Fahrzeugelektronik mittels des
Busses 28. Die elektrischen Anschlüsse 12, 13 dienen zur Energieversorgung für beispielsweise ein Kraftfahrzeug und/oder zur Wiederaufladung der Batterie.
Um die ordnungsgemäße Funktion der Batteriezellen 14 zu überwachen, werden bei dem Batteriemanagementsystem 1 1 typischerweise je zwei Module durch eine Zellüberwachungseinheit 16 überwacht. Um eine ausreichende funktionale Sicherheit für das Batteriesystem 10 zu gewährleisten, werden die Daten der Zellüberwachungseinheiten 16 sowohl auf der Hochvoltseite 24 als auch auf der Niedervoltseite 22 des Steuergerätes 15 in zwei redundanten Mikrocontrollern 23, 25 ausgewertet und miteinander verglichen. Der hochvoltseitige
Mikrocontroller 25 verwendet dabei die Gesamtspannung des Packs, das heißt aller Batteriemodule sowie den Gesamtstrom, der beispielsweise mittels des Shunts 26 gemessen wird. Der niedervoltseitige Mikrocontroller 23 misst die Spannung der einzelnen Batteriezellen 14 sowie den Strom, der beispielsweise über den Hall-Sensor 27 ermittelt wird. Typischerweise wird auf der
Niedervoltseite des Steuergeräts auch der Ladezustand (SOC) (Englisch:„State of Charge") des Batteriepacks berechnet. Dazu werden durch das Steuergerät 15 zeitgleich Strom- und Spannungswerte der Batteriezellen abgefragt, die für die Berechnung des Ladezustands relevant sind.
Aus der DE 10 2009 046 567 A1 ist eine Batterie bekannt, die aus mehreren Batteriemodulen aufgebaut ist, wobei die Batteriemodule mittels eines zentralen Batteriemanagementsystems überwacht werden. Nachteilig an den Batteriemanagementsystemen des Standes der Technik ist, dass zum Erreichen eines hohen ASIL-Levels eine aufwendige und komplexe Programmierung des Steuergeräts und ein hoher Rechenaufwand erforderlich sind. Dies verursacht hohe Kosten. Ferner laufen viele Daten über den
Kommunikationsbus, so dass eine große Bandbreite beansprucht wird und dieser an seine Kapazitätsgrenzen stoßen kann. Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Batteriemanagementsystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt.
Erfindungsgemäß weist ein Batteriemanagementsystem ein Steuergerät und eine oder mehrere Zellüberwachungseinheiten zur Überwachung von jeweils mehreren Batteriezellen von mindestens einem Batteriemodul einer Batterie auf. Die Zellüberwachungseinheiten weisen jeweils einen Mikrocontroller, der durch eine erste Kommunikationsverbindung mit dem Steuergerät verbunden ist, sowie eine Messelektronik zur Erfassung von einer oder mehreren physikalischen Messgrößen aus den Batteriezellen auf. Die Messelektronik jeder
Zellüberwachungseinheit ist zumindest teilweise redundant ausgebildet, so dass in der Zellspannungsüberwachungseinheit eine physikalische Messgröße, insbesondere eine elektrische Spannung, mittels mehreren Messeinheiten mehrmals erfasst werden kann. Ferner hat jede Zellüberwachungseinheit Mittel zur Stromerfassung, und der Mikrocontroller ist dazu ausgebildet, einen
Ladezustand zu berechnen. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems ist, dass der erforderliche zu steuernde Aufwand des Steuergeräts erheblich reduziert ist, wodurch die Berechnungen in den Mikrocontrollern des Steuergeräts maßgeblich vereinfacht werden. Bei Verwendung von mehreren Batteriemodulen macht sich dies besonders vorteilhaft bemerkbar, da das Steuergerät nicht mehr wie herkömmlich die Daten aller Zellüberwachungseinheiten synchronisieren und wieder zusammensetzen muss. Aber auch schon bei lediglich einer
Zellüberwachungseinheit ist vorteilhaft der Berechnungsaufwand insgesamt reduziert. So muss das Steuergerät beispielsweise nicht mehr Daten aus der Zellüberwachungseinheit und einem Stromsensor sammeln, synchronisieren und auswerten. Dies wird auch deswegen erreicht, da der Aufgabenbereich des
Mikrocontrollers der Zellüberwachungseinheit erfindungsgemäß gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft erweitert ist. So wird erfindungsgemäß ermöglicht, bereits in der Zellüberwachungseinheit den Ladezustand zu berechnen, was aufgrund der redundant vorhandenen Messelektronik zuverlässig und sicher mit Erreichung eines aufgrund der hohen funktionalen Sicherheit hohen ASI L-Levels durchgeführt werden kann. Im Unterschied dazu sollen im Steuergerät weniger Werte ausgewertet werden. Die Datenrate auf dem Bus ist ebenfalls maßgeblich reduziert. So müssen insbesondere die benötigten Daten zur Berechnung des Ladezustands nicht mehr über den Bus laufen.
Insgesamt wird daher vorteilhaft eine alternative Topologie zur Überwachung der Zellen geschaffen, welche ein hohes ASIL-Level bei geringerem zu steuerndem Aufwand hat, dabei die Datenrate im Bus reduziert und Kosten für Messeinheiten senkt.
Ferner wird ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie gemäß dem unabhängigen Anspruch 10 geschaffen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Ladezustand zunächst modulweise unter Verwendung von mindestens einer der erfindungsgemäßen Zellüberwachungseinheiten bestimmt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Die Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes Bussystem beschränkt. Die erste Kommunikationsverbindung kann ein CAN-Bus sein.
Bevorzugt wird in den Zellüberwachungseinheiten jeweils eine
Zellspannungsmesseinheit mit einer zweiten parallel geschaltet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung haben die Mikrocontroller der einen oder mehreren Zellüberwachungseinheiten jeweils eine Plausibilitätsfunktion zur Durchführung einer Plausibilisierung von erfassten Messdaten.
Dadurch wird vorteilhaft die Plausibilisierung der Daten im Steuergerät vereinfacht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Ausführungsform haben die Mikrocontroller jeweils eine Verarbeitungs- und Ausgabefunktion zur Generierung und Ausgabe von Informationen über die erfassten Messdaten an das
Steuergerät. Beispielsweise kann dadurch die Datenrate auf dem Bus weiter reduziert werden. Insbesondere können bei der Verarbeitung zusammengefasste Resultate erzeugt werden, wobei lediglich die Resultate an das Steuergerät ausgegeben werden. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung haben die Mikrocontroller ferner jeweils eine Alarmfunktion zur Generierung eines Alarmsignals, falls ein erfasster Messwert einen kritischen Wert, insbesondere einen Überspannungswert oder Unterspannungswert, annimmt. Dadurch kann auf günstige Weise die Sicherheit erhöht werden.
Es wird erfindungsgemäß eine an sich sichere Hardware-redundante
Zellüberwachungseinheit verwendet, so dass eine erhöhte funktionale Sicherheit vorhanden ist und beispielsweise ein ASIL-C/D-Level leichter erreichbar ist. Die Kosten beispielsweise für die Zellüberwachungseinheiten sind auch gut für unterschiedliche ASIL-Level skalierbar, ein sogenanntes„downgrade" ist einfach zu bewerkstelligen.
Es können vorteilhaft kostengünstige Messeinheiten verwendet werden, was aber nicht automatisch zu einem geringeren ASIL-Level führen muss.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weisen die mehreren Messeinheiten in einer Zellüberwachungseinheit jeweils eine als Min-Max-Messeinheit
ausgebildete Messeinheit auf, wobei die Min-Max-Messeinheit zum Ermitteln eines minimalen und eines maximalen Spannungswertes und zum Verwerfen von dazwischenliegenden Spannungswerten eingerichtet ist.
Ferner sind gemäß einer Ausführungsform die Zellüberwachungseinheiten derart gestaltet, dass mindestens eine der mehreren Messeinheiten Daten direkt, ohne eine Zwischenschaltung mit dem Mikrocontroller, an das Steuergerät ausgeben kann.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn Min-Max-Messeinheiten verwendet werden, die von Haus aus nur zwei Datenwerte ausgeben. Bei geringer Streuung der Spannungswerte können daraus bereits hinreichend zuverlässige Rückschlüsse auf den Zustand der Zellen gezogen werden, beziehungsweise die Min-Max-Daten sind hinreichend, um eine Plausibilisierung durchzuführen oder zu vervollständigen.
Gemäß einer Weiterbildung weist das Batteriemanagementsystem dabei eine zweite Kommunikationsverbindung, insbesondere eine zweite
Kommunikationsleitung auf, die die Zellüberwachungseinheiten und das
Steuergerät verbindet.
Dies ist eine besonders vorteilhafte Variante, da eine exklusive Leitung zur Verfügung steht, was eine erhöhte Sicherheit bedeutet, wobei eine Leitung ausreicht, die Leitung einfach ausgeführt und infolgedessen auch kostengünstig ist.
Es wird bevorzugt, dass die erste Kommunikationsverbindung die Mikrocontroller der Zellüberwachungseinheiten mit einer Niedervoltseite des Steuergeräts verbindet und die zweite Kommunikationsverbindung jeweils mindestens eine Messeinheit in jeder Zellüberwachungseinheit der einen oder mehreren
Zellüberwachungseinheiten mit einer Hochvoltseite des Steuergeräts verbindet. Dabei kann vorteilhaft eine zweite redundante Messeinheit die Spannung an die
Hochvoltseite des Steuergeräts übertragen, wobei im Steuergerät die Daten der Niedervoltseite und der Hochvoltseite plausibilisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Mikrokontroller dazu eingerichtet, aus mindestens einer von den Messeinheiten Spannungswerte zu empfangen, den Ladezustand basierend auf die ausgegebenen Spannungswerte zu berechnen, und den Ladezustand, eine minimale Spannung und eine maximale Spannung, und eine erfasste Temperatur auszugeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform die modulweise bestimmten Ladezustände von den
Zellüberwachungseinheiten an ein zentrales Steuergerät des entsprechenden Batteriemanagementsystems übermittelt. Die Ladezustände können vorteilhaft in dem Steuergerät weiter verarbeitet werden. Ferner wird erfindungsgemäß eine Batterie mit dem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem geschaffen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Batterie eine
Lithium-Ionen-Batterie.
Außerdem wird ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen
Batteriemanagementsystem geschaffen. Das Batteriemanagementsystem überwacht eine Batterie, die mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Batterie mit einem Batteriemanagementsystem gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Batterie mit einem Batteriemanagementsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 Komponenten einer Batterie und einer Zellüberwachungseinheit gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und
Figur 4 Komponenten einer Batterie und einer Zellüberwachungseinheit gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 2 ist eine Batterie mit einem Batteriemanagementsystem 21 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Das Batteriemanagementsystem 21 weist eine redundante Topologie zur Überwachung der Batteriezellen 14 auf. Genauer gesagt ist die Messelektronik redundant ausgelegt, und die MikroController 25, 23 in dem Steuergerät 15 werden mittels zweier separater Kommunikationsverbindungen 19, 35
angesteuert.
Eine erste Kommunikationsverbindung 19 kann die Kommunikationsleitung eines CAN-Busses sein. Eine zweite Kommunikationsverbindung 35 weist
beispielsweise eine sogenannte Daisy-Chain-Topologie auf. Wie in Figur 2 gezeigt, sind somit zwei Gruppen von Messeinheiten definiert: Die eine Gruppe von Messeinheiten, welche in dem Ausführungsbeispiel eine als CVM (Englisch: „Cell Voltage Monitor") ausgebildete Zellspannungsmesseinheit 32 ist, kommuniziert über den MikroController 33 direkt mit der Hochvoltseite 24 des
Steuergeräts beziehungsweise mit dem niedervoltseitigen Mikrocontroller 23, wohingegen eine andere Gruppe von als CVM ausgebildete
Zellspannungsmesseinheiten 42 direkt mit der Hochvoltseite beziehungsweise mit dem hochvoltseitigen Mikrocontroller 25 des Steuergeräts 15 kommuniziert.
Es sind zwei oder mehr Zellüberwachungseinheiten 31 mit jeweils einem Paar aus einer niedervoltseitigen Zellspannungsmesseinheit 32 und einer
hochvoltseitigen Zellspannungsmesseinheit 42 vorhanden. Außerdem weisen die Zellüberwachungseinheiten 31 jeweils einen Stromsensor (nicht gezeigt) auf. Der Mikrocontroller ist jeweils dazu ausgelegt, aus der Zellspannungsmesseinheit 32
Spannungswerte zu empfangen und Stromwerte von dem Stromsensor zu empfangen, und basierend darauf den Ladezustand und eine minimale und eine maximale Spannung auszugeben. Ferner gibt er einen gemessenen
Temperaturwert aus.
Gemäß einer anderen Ausführungsform, die in Figur 3 gezeigt ist, können auf dem hochvoltseitigen Strang als Messeinheiten 43 wahlweise CVM oder
Min-Max-Messeinheiten verwendet werden. Genauer gesagt, gemäß Figur 3 kann für die Ausgestaltung der Zellüberwachungseinheit 31 auf Messeinheiten zurückgegriffen werden, die nur die minimale und die maximale Spannung aller zugewiesenen Zellen an das Steuergerät oder den Mikrocontroller 33 in der Zellspannungsmesseinheit 31 melden. Die Min-Max-Messeinheiten 34 vergleichen dabei den Zustand einer zugewiesenen Batteriezelle 14 mit dem Zustand der vorgeschalteten Zelle 14. So kann bei der Ermittlung der maximalen Spannung aller Batteriezellen 14 die höhere Spannung der beiden Batteriezellen
14 an die nächste Messeinheit 34 übermittelt werden, wo sie wieder mit der Batteriezelle 14 verglichen werden. Am Ende kommuniziert die letzte
Messeinheit nur den höchsten Spannungswert an das Steuergerät. Analog wird auch die minimale Spannung aller Zellen 14 ermittelt. Die Berechnung 38 des Ladezustands SOC findet jedoch genauso wie gemäß
Figur 2 in dem MikroController 33 statt, und der MikroController 33 gibt ebenfalls lediglich den Batteriemodul-basierten SOC sowie eine minimale und eine maximale Spannung sowie eine Temperatur über die
Kommunikationsverbindung 19 aus, wodurch die beispielsweise als CAN-Bus ausgelegte Kommunikationsverbindung 19 nur mit einer geringen Datenmenge beansprucht wird.
Gemäß dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird auf die zweite Kommunikationsverbindung 35 verzichtet, und die Zellüberwachungseinheit 31 sendet, durch den Mikrocontroller 33, insgesamt nur noch den Ladezustand des
Batteriemoduls, minimale und maximale Spannung sowie die Temperatur an das Steuergerät, und zwar auf direkte Weise. Es werden im Vergleich zu
beispielsweise Figur 2 andere Bauteile verwandt, die in nochmals veränderter Topologie eingesetzt werden. Der Mikrocontroller 33 kann vorteilhaft die
Plausibilisierung der Messdaten und die Berechnung des Modul-Ladezustands vornehmen.
Zusammenfassend wird ein Batteriesystem vorgestellt, mit dem auf günstige Weise ein Hardware-basiertes redundantes System geschaffen wird, das den Aufwand für die Software-basiert Plausibilisierung im Steuergerät reduziert und die Datenrate verringert. Aufgrund der Verwendung von modifizierten Bauteilen in der Zellspannungsüberwachungseinheit und aufgrund der besonderen Topologie der Zellspannungsmesseinheiten können die Kosten für das
Batteriemanagementsystem verringert werden. Die Kosten sind insbesondere für verschiedene ASIL-Level skalierbar.
Ein Fachmann erkennt, dass die Erfindung auf vielerlei Art und Weise variiert werden kann, ohne den Rahmen der Patentansprüche zu verlassen. Obwohl die Erfindung in der Beschreibung im Wesentlichen in Zusammenhang mit einer Spannungserfassung und Stromerfassung erklärt wird, sind auch andere Kombinationen möglich. Beispielsweise eine Erfassung des Widerstands und des Stroms.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriemanagementsystem (21 ), aufweisend:
ein Steuergerät (15), und eine oder mehrere Zellüberwachungseinheiten (31 ) zur Überwachung von jeweils mehreren Batteriezellen (14) von mindestens einem Batteriemodul einer Batterie, die Zellüberwachungseinheiten (31 ) jeweils aufweisend einen Mikrocontroller (33), der durch eine erste
Kommunikationsverbindung (19) mit dem Steuergerät (15) verbunden ist, sowie eine Messelektronik zur Erfassung von einer oder mehreren
Messgrößen aus den Batteriezellen (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronik jeder Zellüberwachungseinheit (31 ) zumindest teilweise redundant ausgebildet ist, so dass in der Zellüberwachungseinheit (31 ) eine Messgröße, insbesondere eine elektrische Spannung, mittels mehreren Messeinheiten (32, 34, 42, 43) mehrmals erfasst werden kann, und jede Zellüberwachungseinheit (31 ) Mittel zur Stromerfassung aufweist und der Mikrocontroller (33) dabei jeweils ausgebildet ist, einen Ladezustand zu berechnen.
2. Batteriemanagementsystem (21 ) nach Anspruch 1 , wobei die Mikrocontroller (33) der einen oder mehreren Zellüberwachungseinheiten (31 ) jeweils eine Plausibilitätsfunktion zur Durchführung einer Plausibilisierung von erfassten Messdaten aufweisen.
3. Batteriemanagementsystem (21 ) gemäß Anspruch 2, wobei die
Mikrocontroller (33) jeweils eine Verarbeitungs- und Ausgabefunktion aufweisen zur Generierung und Ausgabe von Informationen über die erfassten Messdaten an das Steuergerät (15).
4. Batteriemanagementsystem (21 ) nach Anspruch 3, wobei die Mikrocontroller (33) ferner jeweils eine Alarmfunktion aufweisen zur Generierung eines Alarmsignals, falls ein erfasster Messwert einen kritischen Wert, insbesondere einen Überspannungswert oder Unterspannungswert annimmt.
Batteriemanagementsystem (21 ) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die mehreren Messeinheiten jeweils eine als
Min-Max-Messeinheit (34) ausgebildete Messeinheit zum Ermitteln eines minimalen und eines maximalen Spannungswertes und zum Verwerfen von dazwischenliegenden Spannungswerten aufweisen.
Batteriemanagementsystem (21 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zellüberwachungseinheiten (31 ) derart gestaltet sind, dass mindestens eine der mehreren Messeinheiten (32, 34, 42, 43) Daten direkt, ohne eine Zwischenschaltung mit dem Mikrocontroller (33), an das Steuergerät (15) ausgeben kann.
Batteriemanagementsystem (21 ) gemäß Anspruch 6, ferner aufweisend eine zweite Kommunikationsverbindung (35), insbesondere eine zweite
Kommunikationsleitung, die die Zellüberwachungseinheiten (31 ) und das Steuergerät (15) miteinander verbindet.
Batteriemanagementsystem (21 ) gemäß Anspruch 7, wobei die erste Kommunikationsverbindung (19) die Mikrocontroller (33) der
Zellüberwachungseinheiten (31 ) mit einer Niedervoltseite (22) des
Steuergeräts (15) verbindet und die zweite Kommunikationsverbindung (35) jeweils mindestens eine Messeinheit (32, 34, 42, 43) in jeder
Zellüberwachungseinheit (31 ) der einen oder mehreren
Zellüberwachungseinheiten (31 ) mit einer Hochvoltseite (24) des
Steuergeräts (15) verbindet.
Batteriemanagementsystem (21 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrocontroller (33) dazu eingerichtet sind, aus mindestens einer von den Messeinheiten (32, 34, 42, 43) Spannungswerte zu empfangen, den Ladezustand basierend auf die ausgegebenen
Spannungswerte zu berechnen, und den Ladezustand, eine minimale Spannung und eine maximale Spannung, und eine erfasste Temperatur auszugeben.
10. Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, bei dem der Ladezustand zunächst modulweise unter Verwendung von mindestens einer der in den vorhergehen Ansprüchen beschriebenen einer oder mehreren Zellüberwachungseinheiten (31 ) bestimmt wird.
1 1 . Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die modulweise bestimmten
Ladezustände von den Zellüberwachungseinheiten (31 ) an das Steuergerät (15) übermittelt werden.
12. Batterie mit einem Batteriemanagementsystem (21 ) nach einem der
Ansprüche 1 bis 9.
13. Kraftfahrzeug mit einem Batteriemanagementsystem (21 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die von dem Batteriemanagementsystem (21 ) zu überwachende Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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