WO2013064322A2 - Batteriemanagementeinheit mit einer vielzahl von überwachungs-ic chips - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a battery management unit with a plurality of monitoring IC chips, a battery with the inventive
  • Battery management unit and a motor vehicle with a battery according to the invention are battery management unit and a motor vehicle with a battery according to the invention.
  • Lithium-ion or nickel-metal hydride technology used, which have a large number of series-connected electrochemical battery cells.
  • the battery management unit is used to monitor the battery and, in addition to safety monitoring, should ensure the longest possible service life. For this purpose, the voltage of each individual battery cell is measured together with the battery current and the battery temperature and a
  • State estimation for example, the state of charge or the
  • Performance of the battery so know the maximum off or recordable electrical power. If this capacity is exceeded, the aging of the battery can be greatly accelerated.
  • Battery management units comprise a plurality of series-connected monitoring IC (integrated circuit) chips, which under can perform other voltage measurements and are connected in the form of a daisy chain to an internal bus, which allows communication between the individual monitoring IC chips, without requiring galvanic isolation or the use of high-voltage electronics.
  • the monitoring IC chips are here with their supply voltages, which of the monitored
  • Battery cells or battery modules are supplied, in a voltage chain and communicate with each other such that each monitoring IC chip only communicates with a neighboring monitoring IC chip and the communication data, which come from monitoring IC chips, which have a higher voltage level, at the respective deeper in voltage level monitoring IC
  • Chip passes through.
  • the base monitoring IC chip is connected via a second bus to a control unit, which receives the passed on data about this.
  • a galvanic isolation is usually made between the base monitoring IC chip and the controller.
  • the monitoring IC chips are usually placed in the vicinity of their associated battery modules and the connections for communication via the first, internal bus and the second, external bus realized by the installation of wiring harnesses.
  • Modular principle either as a base monitoring IC chip at the lower end of the voltage chain - ie with an interface for external communication with the control unit and an interface to another monitoring IC chip in a voltage chain - or as a monitoring IC chip in the daisy -Chain can be configured.
  • the second bus which is used for external communication to the controller, usually a standardized and non-proprietary bus, which is suitable for communication with a microcontroller included in the controller.
  • a protocol is usually used, which is not intended for EMC reasons, to be run over a longer distance across a cable.
  • a battery management unit having a plurality of
  • Each of the monitoring IC chips is configured to detect at least one operating variable of at least one battery cell.
  • each of the monitoring IC chips is connected to a first bus.
  • the battery management unit further includes a
  • the Basic monitoring IC chip which is also connected to the first bus.
  • the base monitoring IC chip is configured to communicate with each of the monitoring IC chips via the first bus.
  • Battery management unit a control unit.
  • the base monitoring IC chip and the controller are connected to a second bus and configured to communicate with each other via the second bus.
  • the base monitoring IC chip and the control unit are arranged on a common circuit board.
  • the base monitoring IC chip may be configured to operate over the first bus using a first bus protocol and via the second bus at
  • a second bus protocol to communicate, which differs from the first.
  • the first bus protocol which is the internal communication between each monitoring IC chip and the
  • Basic monitoring IC chip and the controller is used, typically one used, which is standardized and is not designed to be run over a longer distance on a cable.
  • Examples include an SPI (Serial Peripheral Interface) bus or a l 2 C (Inter-Integrated Circuit) bus.
  • SPI Serial Peripheral Interface
  • l 2 C Inter-Integrated Circuit
  • Such a protocol generates a high degree of radiation in terms of EMC, since often high data rates without a differential bus are transmitted.
  • the protocol typically used is sensitive to electromagnetic radiation because the data is transmitted single-ended. If, in this case, additional interference signals originating from an external interference source are applied to a cable of the second bus, this can lead to the second bus protocol no longer being understood by the connected components.
  • Characterized in that the base monitoring IC chip and the control unit are arranged on a common circuit board, and the second bus can be arranged on the circuit board, that it is protected against electromagnetic radiation and radiation.
  • the base monitoring IC chip is not designed to detect an operating variable of a battery cell or a battery module. This has the advantage that no measuring cables from a battery cell or a battery module must be routed to the circuit board comprising the basic monitoring IC chip.
  • the base monitoring IC chip is thus not like the remaining variety of
  • Surveillance IC chips associated with individual battery cells or individual battery modules but only serves to collect the data derived from the monitoring IC chips communication data and their forwarding to the
  • Control unit Only the wiring harness for the internal communication of the first bus must be routed to the circuit board including the base monitoring IC chip and the control unit.
  • monitoring IC chips are connected to the first bus in a daisy-chain topology.
  • a galvanic isolation unit can be arranged, which separates the base monitoring IC chip and the control unit from each other galvanically.
  • Each of the monitoring IC chips may in particular be designed to
  • the base monitoring IC chip is configured as a master on the first bus and each of the monitoring IC chips on the first bus is configured as a slave.
  • a power supply unit may be arranged, which is designed to supply a supply voltage for the base monitoring IC chip.
  • the base monitoring IC chip may be configured to detect at least one further operating variable of a battery comprising the battery cells, in particular a battery current or a battery total voltage.
  • Another aspect of the invention relates to a battery, preferably a
  • Lithium-ion battery with a battery management unit according to the invention and a motor vehicle with a battery according to the invention.
  • FIG. 2 and 3 a battery management unit according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a battery management unit according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a battery management unit according to the prior art, which is part of a total of 100 designated battery.
  • the battery management unit comprises a plurality of monitoring IC chips 12, which in one
  • Each of the monitoring IC chips 12 is configured to measure a voltage which is applied to a battery module 10 assigned to it, wherein a battery module 10 has a predetermined number of battery cells, for example six to twelve battery cells, includes (shown in Figure 1 only schematically).
  • the battery module 10 may also comprise only one battery cell, in which case the monitoring cell chip 12 associated with the battery cell measures the individual voltage across the battery cell.
  • the plurality of battery modules 10 are connected in series. Each battery module 10 supplies a supply voltage to its associated monitoring IC chip 12, so that the plurality of monitoring IC chips 12 in an ascending
  • Each monitoring IC chip 12 receives via the internal bus 14 data from a monitoring IC chip 12 which is possibly superior to it in the voltage chain and supplies the received data, together with data generated by itself, to the adjacent monitoring IC chip 12 through which is located lower in the tension chain.
  • a base monitoring IC chip 16 Arranged at the lower end of the voltage chain is a base monitoring IC chip 16, which receives all transmitted data originating from the monitoring IC chips 12 and via an external bus
  • control unit 18 which is likewise connected to the external bus 20 and comprises one or two microcontrollers.
  • Each monitoring IC chip 12 is arranged on a separate printed circuit board, which is arranged in the vicinity of its associated battery module 10.
  • the internal bus 14 uses a differential protocol which, in terms of robustness and electromagnetic compatibility, is chosen so that the cables of the internal bus 14 can be routed over a longer distance and over several printed circuit boards without the communication on the internal bus 14 is disturbed.
  • a bus protocol is used on the external bus 20, which
  • Single ended is transmitted and optimized for communication with a microcontroller.
  • a protocol is in terms of electromagnetic
  • a galvanic isolation unit 24 separates the base monitoring IC chip 16 and a first part of the external bus 20 on the one hand and a second part of the external bus 20 and the control unit 18 on the other hand from each other.
  • a voltage supply of the first part of the external bus 20 is also provided.
  • FIG. 2 shows a battery management unit according to a first embodiment of the invention. In contrast to that shown in FIG.
  • the battery management unit according to the invention a common circuit board 22, on which the base monitoring IC chip 16 and the controller 18 are arranged.
  • Base monitoring IC chip 16 is not assigned to a battery module 10. Rather, only the remaining monitoring IC chips 12 are each associated with a battery module 10 whose voltage they measure. Since no battery module is assigned to the base monitoring IC chip 16, it is not necessary to lead measuring cables from a battery module to the printed circuit board 22 of the control unit.
  • the base monitoring IC chip 16 which is at the lower end of the voltage chain formed by the plurality of monitoring IC chips 12 arranged in a daisy-chain topology, receives the one of the plurality of
  • Monitoring IC chips 12 passed data through the internal bus 14 and sends them via the external bus 20 to the controller 18.
  • the external Bus 20 are arranged on the circuit board so that it is protected against electromagnetic radiation and radiation.
  • the external bus 20 may be laid over a continuous ground plane of the printed circuit board 22, whereby it is protected against electromagnetic coupling. The connection between the on the circuit board 22 arranged base monitoring IC chip 16 to the first to
  • Battery voltage measurement used module 10 is given by the wiring harness of the internal bus 14, which has better EMC characteristics than the external bus 20th
  • a galvanic isolation unit 24 is arranged on the printed circuit board 22, which galvanically isolates the base monitoring IC chip 16 and the control unit 18 from each other.
  • the base monitoring IC chip 16 may be configured as a master on the first bus 14 and each of the monitoring IC chips 12 as a slave.
  • the battery management unit according to the first embodiment of the invention can also be designed such that the control unit 18 detects further measured variables which are relevant for the assessment of the proper functioning of the battery 100, as shown in FIG.
  • An ammeter 26 detects a battery current flowing through the battery 100.
  • Voltage measuring unit 28 measures a total voltage of the battery 100. Both measuring devices 26, 28 transmit their measured data to the control unit 18 via galvanic separation units 30, 32. The relevant measured variables correspond to variables which are galvanically connected to the battery 100.
  • FIG. 4 shows a battery management unit according to a second embodiment of the invention, which differs from the embodiment shown in FIG. 3 in that the measurement data determined by the measurement units 26, 28 are transmitted to the base monitoring IC chip 16. Because of that
  • Control unit 18 is electrically isolated, eliminating the need for additional galvanic separation of the measuring units 26, 28, as implemented by the galvanic separation units 30, 32 in Figure 3 in this case. This is advantageous because these galvanic separations are always associated with a high cost, which has an effect on the cost of the battery management unit.
  • the base monitoring IC chip 16 is not associated with a battery module 10 and does not perform voltage measurement of a battery module 10, it typically has unused measurement inputs that are used to measure other parameters that are also associated with the potential of the battery voltage can be. These measured values can then be sent via the external bus 20 and via the already existing galvanic separation unit 24 to the
  • Control unit 18 are transmitted. Typically, the as
  • Base monitoring IC chip 16 used six to twelve blocks
  • NTC negative temperature coefficient
  • Matching circuits are measured using these unused inputs. This eliminates the typically required for these measurements galvanic separations and the required digitization of the measured values.

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Abstract

Es wird eine Batteriemanagementeinheit mit einer Vielzahl von Überwachungs-IC Chips (12) beschrieben, wobei jeder der Überwachungs-IC Chips (12) dazu ausgebildet ist, mindestens eine Betriebsgröße mindestens einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls (10), welches eine vorbestimmte Anzahl von Batteriezellen umfasst, zu erfassen, und an einen ersten Bus (14) angeschlossen ist. Die Batteriemanagementeinheit umfasst des Weiteren einen Basis-Überwachungs-IC Chip (16), welcher ebenfalls an den ersten Bus (14) angeschlossen und dazu ausgebildet ist, über den ersten Bus (14) mit jedem der Überwachungs-IC Chips (12) zu kommunizieren, sowie ein Steuergerät (18), wobei der Basis-Überwachungs-IC Chip (16) und das Steuergerät (18) an einen zweiten Bus (20) angeschlossen und dazu ausgebildet sind, über den zweiten Bus (20) miteinander zu kommunizieren. Der Basis-Überwachungs-IC Chip (16) und das Steuergerät (18) sind auf einer gemeinsamen Leiterplatte (22) angeordnet.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriemanagementeinheit mit einer Vielzahl von Überwachungs-IC Chips
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriemanagementeinheit mit einer Vielzahl von Überwachungs-IC Chips, eine Batterie mit der erfindungsgemäßen
Batteriemanagementeinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie.
Stand der Technik
Insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden heute Batterien in
Lithium-Ionen- oder Nickel-Metallhydrid-Technologie eingesetzt, die eine große Anzahl in Serie geschalteter elektrochemischer Batteriezellen aufweisen. Eine
Batteriemanagementeinheit wird zur Überwachung der Batterie eingesetzt und soll neben einer Sicherheitsüberwachung eine möglichst hohe Lebensdauer gewähren. Dazu wird die Spannung jeder einzelnen Batteriezelle zusammen mit dem Batteriestrom und der Batterietemperatur gemessen und eine
Zustandsschätzung (beispielsweise des Ladezustandes oder des
Alterungszustandes der Batterie) vorgenommen. Um die Lebensdauer zu
maximieren, ist es hilfreich, jederzeit die aktuell gegebene maximale
Leistungsfähigkeit der Batterie, also die maximal abgeb- oder aufnehmbare elektrische Leistung, zu kennen. Wird diese Leistungsfähigkeit überschritten, kann die Alterung der Batterie stark beschleunigt werden.
Um eine genaue Messung der Spannung jeder einzelnen Batteriezelle oder zumindest der Spannung jedes Batteriemoduls, welches eine vorbestimmte Anzahl von
Batteriezellen umfasst, zu ermöglichen, sind aus dem Stand der Technik
Batteriemanagementeinheiten bekannt, welche eine Vielzahl von hintereinander geschalteten Überwachungs-IC (integrated circuit) Chips umfassen, welche unter anderem Spannungsmessungen ausführen können und in Form einer Daisy-Chain an einen internen Bus angeschlossen sind, welcher eine Kommunikation zwischen den einzelnen Überwachungs-IC Chips ermöglicht, ohne galvanische Trennungen oder den Einsatz von Hochvoltelektronik erforderlich zu machen. Die Überwachungs-IC Chips liegen hierbei mit ihren Versorgungsspannungen, welche von den zu überwachenden
Batteriezellen oder Batteriemodulen geliefert werden, in einer Spannungskette und kommunizieren untereinander derart, dass jeder Überwachungs-IC Chip nur mit einem benachbarten Überwachungs-IC Chip kommuniziert und die Kommunikationsdaten, welche von Überwachungs-IC Chips stammen, welche ein höheres Spannungsniveau aufweisen, an den jeweils tiefer im Spannungsniveau liegenden Überwachungs-IC
Chip durchreicht.
Am hinsichtlich des Spannungsniveaus tiefstliegenden Ende des
Kommunikationsbusses wird ein Basis-Überwachungs-IC Chip angeordnet, welcher ebenfalls an den ersten Kommunikationsbus angeschlossen ist und welcher
Nachrichten von jedem der Überwachungs-IC Chips empfangen kann. Außerdem ist der Basis-Überwachungs-IC Chip über einen zweiten Bus mit einem Steuergerät verbunden, welches über diesen die weitergereichten Daten empfängt. Zwischen dem Basis-Überwachungs-IC Chip und dem Steuergerät wird gewöhnlicherweise eine galvanische Trennung vorgenommen.
Die Überwachungs-IC Chips werden gewöhnlich in der Nähe der ihnen zugeordneten Batteriemodule platziert und die Verbindungen für die Kommunikation über den ersten, internen Bus sowie den zweiten, externen Bus durch den Einbau von Kabelbäumen realisiert.
Aus dem Stand der Technik sind IC Chips bekannt, welche nach dem
Baukastenprinzip entweder als Basis-Überwachungs-IC Chip am unteren Ende der Spannungskette - also mit einer Schnittstelle zur externen Kommunikation mit dem Steuergerät sowie einer Schnittstelle zu einem weiteren Überwachungs-IC Chip in einer Spannungskette -, oder auch als Überwachungs-IC Chip in der Daisy-Chain konfiguriert werden können.
Während der erste Bus, welcher zur internen Kommunikation zwischen den einzelnen Überwachungs-IC Chips verwendet wird, gewöhnlich auf reduzierte EMV
(elektromagnetische Verträglichkeit)-Abstrahlung und eine erhöhte EMV-Einstrahlungsfestigkeit ausgelegt ist, ist der zweite Bus, welcher für externe Kommunikation zum Steuergerät verwendet wird, gewöhnlich ein genormter und nicht proprietärer Bus, der zur Kommunikation mit einem vom Steuergerät umfassten Mikrocontroller geeignet ist. Hierbei wird gewöhnlich ein Protokoll verwendet, welches aus EMV-Gesichtspunkten nicht dazu gedacht ist, über eine längere Distanz hinweg über ein Kabel geführt zu werden.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß wird eine Batteriemanagementeinheit mit einer Vielzahl von
Überwachungs-IC Chips bereitgestellt. Unter IC Chips werden auch integrierte
Schaltkreise oder Mikrochips verstanden. Jeder der Überwachungs-IC Chips ist dazu ausgebildet, mindestens eine Betriebsgröße mindestens einer Batteriezelle zu erfassen. Außerdem ist jeder der Überwachungs-IC Chips an einen ersten Bus angeschlossen. Die Batteriemanagementeinheit umfasst des Weiteren einen
Basis-Überwachungs-IC Chip, welcher ebenfalls an den ersten Bus angeschlossen ist. Der Basis-Überwachungs-IC Chip ist dazu ausgebildet, über den ersten Bus mit jedem der Überwachungs-IC Chips zu kommunizieren. Außerdem umfasst die
Batteriemanagementeinheit ein Steuergerät. Der Basis-Überwachungs-IC Chip und das Steuergerät sind an einen zweiten Bus angeschlossen und dazu ausgebildet, über den zweiten Bus miteinander zu kommunizieren. Der Basis-Überwachungs-IC Chip und das Steuergerät sind dabei auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet.
Der Basis-Überwachungs-IC Chip kann dazu ausgebildet sein, über den ersten Bus unter Verwendung eines ersten Busprotokolls und über den zweiten Bus unter
Verwendung eines zweiten Busprotokolls zu kommunizieren, der sich vom ersten unterscheidet. Typischerweise wird als erstes Busprotokoll, welches der internen Kommunikation zwischen den einzelnen Überwachungs-IC Chips und der
Weiterleitung von deren Daten an den Basis-Überwachungs-IC Chip dient, ein solches verwendet, welches ermöglicht, dass die zum ersten Bus gehörigen Kabel über längere
Distanz zwischen verschiedenen Leiterplatten, welche einzelnen Batteriezellen oder Batteriemodulen zugeordnet sind, geführt werden, und welches derart gewählt ist, dass es generell EMV-beständig und hinreichend robust gegenüber Störeinstrahlung ist. Es handelt sich hierbei oft um differentielle, nicht genormte Protokolle. Hingegen wird als zweites Busprotokoll, welches der externen Kommunikation zwischen dem
Basis-Überwachungs-IC Chip und dem Steuergerät dient, typischerweise ein solches verwendet, welches genormt ist und nicht dazu ausgelegt ist, über eine längere Distanz auf einem Kabel geführt zu werden. Beispiele hierfür sind ein SPI (Serial Peripheral Interface)-Bus oder ein l2C (Inter-Integrated Circuit)-Bus. Ein solches Protokoll erzeugt bezüglich der EMV einen hohen Abstrahlungsgrad, da oft hohe Datenraten ohne differentiellen Bus übertragen werden. Andererseits ist das typischerweise verwendete Protokoll empfindlich gegen elektromagnetische Einstrahlung, da die Daten Single ended übertragen werden. Wenn sich hierbei auf ein Kabel des zweiten Busses additive Störsignale legen, die von einer externen Störquelle stammen, kann dies dazu führen, dass das zweite Busprotokoll von den angeschlossenen Komponenten nicht mehr verstanden wird. Dadurch, dass der Basis-Überwachungs-IC Chip und das Steuergerät auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind, kann auch der zweite Bus derart auf der Leiterplatte angeordnet werden, dass er gegen elektromagnetische Einstrahlung und Abstrahlung geschützt ist.
Bevorzugt ist, dass der Basis-Überwachungs-IC Chip nicht dazu ausgebildet ist, eine Betriebsgröße einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls zu erfassen. Dies hat den Vorteil, dass keine Messkabel von einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul zu der den Basis-Überwachungs-IC Chip umfassenden Leiterplatte geführt werden müssen. Der Basis-Überwachungs-IC Chip ist somit nicht wie die restliche Vielzahl von
Überwachungs-IC Chips einzelnen Batteriezellen oder einzelnen Batteriemodulen zugeordnet, sondern dient lediglich der Sammlung der von den Überwachungs-IC Chips stammenden Kommunikationsdaten und deren Weiterleitung an das
Steuergerät. Lediglich der Kabelbaum für die interne Kommunikation des ersten Busses muss zu der den Basis-Überwachungs-IC Chip und das Steuergerät umfassenden Leiterplatte geführt werden.
Bevorzugt ist außerdem, dass wenigstens einige der Überwachungs-IC Chips an den ersten Bus in einer Daisy-Chain-Topologie angeschlossen sind.
Auf der Leiterplatte kann eine galvanische Trennungseinheit angeordnet sein, welche den Basis-Überwachungs-IC Chip und das Steuergerät voneinander galvanisch trennt.
Jeder der Uberwachungs-IC Chips kann insbesondere dazu ausgebildet sein,
Spannung einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls zu erfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Basis-Überwachungs-IC Chip am ersten Bus als Master konfiguriert ist und jeder der Überwachungs-IC Chips am ersten Bus als Slave konfiguriert ist.
Auf der Leiterplatte kann eine Spannungsversorgungseinheit angeordnet sein, welche dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung für den Basis-Überwachungs-IC Chip zu liefern.
Der Basis-Überwachungs-IC Chip kann dazu ausgebildet sein, mindestens eine weitere Betriebsgröße einer die Batteriezellen umfassenden Batterie zu erfassen, insbesondere einen Batteriestrom oder eine Batteriegesamtspannung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, bevorzugt eine
Lithium-Ionen-Batterie, mit einer erfindungsgemäßen Batteriemanagementeinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Batteriemanagementeinheit nach dem Stand der Technik,
Figur 2 und 3 eine Batteriemanagementeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
Figur 4 eine Batteriemanagementeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine Batteriemanagementeinheit nach dem Stand der Technik, welche Teil einer insgesamt mit 100 bezeichneten Batterie ist. Die Batteriemanagementeinheit umfasst eine Vielzahl von Überwachungs-IC Chips 12, welche in einer
Daisy-Chain-Topologie an einen internen Bus 14 angeschlossen sind. Jeder der Überwachungs-IC Chips 12 ist dazu ausgebildet, eine Spannung zu messen, welche an einem ihm zugeordneten Batteriemodul 10 anliegt, wobei ein Batteriemodul 10 eine vorbestimmte Anzahl von Batteriezellen, beispielsweise sechs bis zwölf Batteriezellen, umfasst (in Figur 1 lediglich schematisch dargestellt). Das Batteriemodul 10 kann auch nur eine Batteriezelle umfassen, in welchem Fall der der Batteriezelle zugeordnete Überwachungs-IC Chip 12 die Einzelspannung an der Batteriezelle misst. Die Vielzahl von Batteriemodulen 10 ist in Reihe geschaltet. Jedes Batteriemodul 10 liefert eine Versorgungsspannung an den ihm zugeordneten Überwachungs-IC Chip 12, so dass sich die Vielzahl von Überwachungs-IC Chips 12 in einer aufsteigenden
Spannungskette befinden.
Jeder Überwachungs-IC Chip 12 empfängt über den internen Bus 14 Daten von einem ihm gegebenenfalls in der Spannungskette übergeordneten Überwachungs-IC Chip 12 und reicht die empfangenen Daten zusammen mit Daten, welche von ihm selbst erzeugt werden, an den benachbarten Überwachungs-IC Chip 12 durch, welcher in der Spannungskette tiefer gelegen ist. Am unteren Ende der Spannungskette ist ein Basis-Überwachungs-IC Chip 16 angeordnet, welcher alle durchgereichten Daten, die von den Überwachungs-IC Chips 12 stammen, empfängt und über einen externen Bus
20, an den er angeschlossen ist, an ein Steuergerät 18 weiterreicht, welches ebenfalls an den externen Bus 20 angeschlossen ist und ein oder zwei Mikrocontroller umfasst. Jeder Überwachungs-IC Chip 12 ist auf einer eigenen Leiterplatine angeordnet, welche in der Nähe des ihm zugeordneten Batteriemoduls 10 angeordnet ist.
Der interne Bus 14 verwendet ein differentielles Protokoll, welches in Hinblick auf Robustheit und elektromagnetische Verträglichkeit so gewählt ist, dass die Kabel des internen Busses 14 über eine längere Distanz und über mehrere Leiterplatinen hinweg geführt sein können, ohne dass die Kommunikation auf dem internen Bus 14 gestört wird. Hingegen wird auf dem externen Bus 20 ein Busprotokoll verwendet, welches
Single ended übertragen wird und für eine Kommunikation mit einem Mikrocontroller optimiert ist. Ein solches Protokoll ist in Hinblick auf die elektromagnetische
Verträglichkeit störanfälliger und insbesondere nicht dazu ausgelegt, über eine längere Distanz eines Kabels übertragen zu werden.
Eine galvanische Trennungseinheit 24 trennt den Basis-Überwachungs-IC Chip 16 und einen ersten Teil des externen Busses 20 einerseits und einen zweiten Teil des externen Busses 20 und das Steuergerät 18 andererseits voneinander. In der galvanischen Trennungseinheit 24 ist außerdem eine Spannungsversorgung des ersten Teils des externen Busses 20 vorgesehen. Figur 2 zeigt eine Batteriemanagementeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten
Batteriemanagementeinheit nach dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Batteriemanagementeinheit eine gemeinsame Leiterplatte 22 auf, auf welcher der Basis-Überwachungs-IC Chip 16 und das Steuergerät 18 angeordnet sind. Der
Basis-Überwachungs-IC Chip 16 ist keinem Batteriemodul 10 zugeordnet. Vielmehr sind lediglich die übrigen Überwachungs-IC Chips 12 jeweils einem Batteriemodul 10 zugeordnet, deren Spannung sie messen. Dadurch, dass dem Basis-Überwachungs-IC Chip 16 kein Batteriemodul zugeordnet ist, ist es nicht erforderlich, Messkabel von einem Batteriemodul auf die Leiterplatte 22 des Steuergeräts zu führen.
Der Basis-Uberwachungs-IC Chip 16, welcher am unteren Ende der Spannungskette liegt, welche durch die Vielzahl der in einer Daisy-Chain-Topologie angeordneten Überwachungs-IC Chips 12 gebildet wird, empfängt die von der Vielzahl von
Überwachungs-IC Chips 12 durchgereichten Daten über den internen Bus 14 und sendet diese über den externen Bus 20 an das Steuergerät 18. Dadurch, dass der Basis-Überwachungs-IC Chip 16 und das Steuergerät 18 auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind, kann der externe Bus 20 derart auf der Leiterplatte angeordnet werden, dass er gegen elektromagnetische Einstrahlung und Abstrahlung geschützt ist. Beispielsweise kann der externe Bus 20 über einer durchgehenden Masselage der Leiterplatte 22 verlegt werden, wodurch er vor elektromagnetischer Einkopplung geschützt wird. Die Verbindung zwischen dem auf der Leiterplatte 22 angeordneten Basis-Überwachungs-IC Chip 16 zum ersten zur
Batteriespannungsmessung verwendeten Modul 10 ist durch den Kabelbaum des internen Busses 14 gegeben, welcher bessere EMV-Eigenschaften aufweist als der externe Bus 20.
Eine galvanische Trennungseinheit 24 ist auf der Leiterplatte 22 angeordnet, welche den Basis-Überwachungs-IC Chip 16 und das Steuergerät 18 voneinander galvanisch trennt.
Bei der in Figur 2 dargestellten Konfiguration kann der Basis-Überwachungs-IC Chip 16 an dem ersten Bus 14 als Master und jeder der Überwachungs-IC Chips 12 als Slave konfiguriert sein. Die Batteriemanagementeinheit gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung kann auch derart ausgestaltet sein, dass das Steuergerät 18 weitere Messgrößen erfasst, welche für die Einschätzung der ordnungsgemäßen Funktionsweise der Batterie 100 relevant sind, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. Ein Strommessgerät 26 erfasst einen durch die Batterie 100 fließenden Batteriestrom. Eine
Spannungsmesseinheit 28 misst eine Gesamtspannung der Batterie 100. Beide Messgeräte 26, 28 übermitteln ihre Messdaten über galvanische Trennungseinheiten 30, 32 an das Steuergerät 18. Die relevanten Messgrößen entsprechen Größen, welche galvanisch mit der Batterie 100 verbunden sind.
Figur 4 zeigt eine Batteriemanagementeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, welche sich von der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die durch die Messeinheiten 26, 28 ermittelten Messdaten dem Basis-Überwachungs-IC Chip 16 übermittelt werden. Dadurch, dass der
Basis-Überwachungs-IC Chip 16 durch die galvanische Trennungseinheit 24 vom
Steuergerät 18 galvanisch getrennt ist, entfällt in diesem Fall die Notwendigkeit einer zusätzlichen galvanischen Trennung der Messeinheiten 26, 28, wie sie durch die galvanischen Trennungseinheiten 30, 32 in Figur 3 umgesetzt wurde. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil diese galvanischen Trennungen stets mit einem hohen Aufwand verbunden sind, welcher sich auf die Kosten der Batteriemanagementeinheit auswirkt.
Dadurch, dass der Basis-Überwachungs-IC Chip 16 nicht einem Batteriemodul 10 zugeordnet ist und keine Spannungsmessung eines Batteriemoduls 10 durchführt, verfügt er typischerweise über ungenutzte Messeingänge, welche für die Messung anderer Parameter, welche auch mit dem Potential der Batteriespannung verbunden sind, genutzt werden können. Diese Messwerte können dann über den externen Bus 20 und über die schon vorhandene galvanische Trennungseinheit 24 an das
Steuergerät 18 übertragen werden. Typischerweise können die als
Basis-Überwachungs-IC Chip 16 verwendeten Bausteine sechs bis zwölf
Batteriespannungen und zwei bis sechs Temperaturen über NTC (negative temperature coefficient)-Messfühler messen und besitzen meistens noch einen frei verfügbaren Eingang, an welchem eine Spannung gemessen werden kann. Die nicht genutzten Eingänge stehen somit mit entsprechender Beschaltung zur Messung von anderen Spannungen zur Verfügung. Somit können andere Parameter, welche durch das Steuergerät 18 bestimmt werden müssen, mit entsprechenden
Anpassungsschaltungen mit Hilfe dieser ungenutzten Eingänge gemessen werden. Hierdurch entfallen die für diese Messungen üblicherweise notwendigen galvanischen Trennungen sowie die erforderliche Digitalisierung der Messwerte.

Claims

Ansprüche
Batteriemanagementeinheit mit einer Vielzahl von Uberwachungs-IC Chips (12), wobei jeder der Überwachungs-IC Chips (12) dazu ausgebildet ist, mindestens eine Betriebsgröße mindestens einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls (10), welches eine vorbestimmte Anzahl von Batteriezellen umfasst, zu erfassen, und an einen ersten Bus (14) angeschlossen ist, mit einem Basis-Überwachungs-IC Chip (16), welcher ebenfalls an den ersten Bus (14) angeschlossen und dazu ausgebildet ist, über den ersten Bus (14) mit jedem der Überwachungs-IC Chips (12) zu kommunizieren, und mit einem Steuergerät (18), wobei der Basis-Überwachungs-IC Chip (16) und das Steuergerät (18) an einen zweiten Bus (20) angeschlossen und dazu ausgebildet sind, über den zweiten Bus (20) miteinander zu kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Basis-Überwachungs-IC Chip (16) und das Steuergerät (18) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (22) angeordnet sind.
Batteriemanagementeinheit nach Anspruch 1 , wobei der
Basis-Überwachungs-IC Chip (16) dazu ausgebildet ist, über den ersten Bus (14) unter Verwendung eines ersten Busprotokolls und über den zweiten Bus (20) unter Verwendung eines zweiten Busprotokolls zu kommunizieren.
Batteriemanagementeinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Bus (20) derart auf der Leiterplatte (22) angeordnet ist, dass er gegen
elektromagnetische Einstrahlung und Abstrahlung geschützt ist.
Batteriemanagementeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Basis-Überwachungs-IC Chip (16) nicht dazu ausgebildet ist, eine Betriebsgröße einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls (10) zu erfassen.
5. Batteriemanagementeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einige der Überwachungs-IC Chips (12) an den ersten Bus (14) in einer Daisy-Chain-Topologie angeschlossen sind. 6. Batteriemanagementeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Leiterplatte (22) eine galvanische Trennungseinheit (24) angeordnet ist, welche den Basis-Überwachungs-IC Chip (16) und das Steuergerät (18) voneinander galvanisch trennt.
Batteriemanagementeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder der Überwachungs-IC Chips (12) dazu ausgebildet ist, eine Spannung einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls (10) zu erfassen.
Batteriemanagementeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Basis-Überwachungs-IC Chip (16) an dem ersten Bus (14) als Master konfiguriert ist und wobei jeder der Überwachungs-IC Chips (12) an dem ersten Bus (14) als Slave konfiguriert ist.
Batteriemanagementeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Leiterplatte (22) eine Spannungsversorgungseinheit (24) angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung für den Basis-Überwachungs-IC Chip (16) zu liefern.
10. Batteriemanagementeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Basis-Überwachungs-IC Chip (16) dazu ausgebildet ist, mindestens eine weitere Betriebsgröße einer die Batteriezellen (10) umfassenden Batterie (100) zu erfassen, insbesondere einen Batteriestrom oder eine Batteriegesamtspannung.
Batterie (100) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (10) und einer
Batteriemanagementeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche
12. Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisches Kraftfahrzeug, umfassend eine Batterie nach Anspruch 1 1 .
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