WO2015121082A1 - Batteriemanagementsystem für eine batterie mit mehreren batteriezellen und verfahren - Google Patents

Batteriemanagementsystem für eine batterie mit mehreren batteriezellen und verfahren Download PDF

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WO2015121082A1
WO2015121082A1 PCT/EP2015/051893 EP2015051893W WO2015121082A1 WO 2015121082 A1 WO2015121082 A1 WO 2015121082A1 EP 2015051893 W EP2015051893 W EP 2015051893W WO 2015121082 A1 WO2015121082 A1 WO 2015121082A1
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voltage
battery
measuring
management system
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PCT/EP2015/051893
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Patrick Kaupp
Thomas SCHAEDLICH
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery management system for a battery having a plurality of battery cells connected in series, wherein the
  • Battery management system one battery control unit, several battery control units
  • Low-voltage measuring devices with each of which the voltage of one or more battery cells can be measured, and at least one of the following components: one or more
  • High-voltage measuring devices for a voltage across several or all battery cells, at least one current measuring device, with which a current from or through the battery is measurable, and at least one measuring module comprising a high-voltage measuring device and a current measuring device. Furthermore, the invention relates to a battery and a method for measuring a plurality of low voltages of either individual battery cells or groups of multiple battery cells by means of a plurality
  • High-voltage voltage measuring device High voltage voltages are included
  • Low-voltage measuring devices can no longer be measured without further measures.
  • high-voltage voltage here voltages are referred to, which goes beyond the voltage of one or a few series-connected battery cells; according to a common, general definition these are
  • Battery management system for electric and hybrid vehicles in particular for use with lithium-ion cells, in addition to low voltages such as single cell voltages and other system voltages, typically high-voltage, such as
  • Battery control unit measured and corresponding measurement data isolated or galvanically separated via a digital bus to a low voltage part of the battery control unit to be transmitted.
  • Single-cell voltages of individual battery cells or other measured variables, such as temperatures of the individual cells or their control electronics, are determined by independent cell sizes.
  • Measurement equipment measured and corresponding measurement data to the
  • the battery controller typically monitors the cell voltage of each individual cell, the total voltage of the battery, and the current flowing through the series connection of the battery cells. The whole system off
  • Cell voltage measurements typically use dedicated integrated circuits (ICs) that measure the voltage of an associated cell. Such an IC may be provided for each cell, but typically the cell voltages of several cells are measured with an IC, for example between 6 and 16 cells per IC. This can save the cost of ICs.
  • ICs dedicated integrated circuits
  • Voltage values are digitized and transmitted via a special bus system, in which the voltage measuring devices interface with each other via an interface Chain are connected and form part of the bus system, transmitted to the receiver of the data.
  • a bus system is generally referred to as a "daisy-chain.”
  • the bus does not only run inside one or more ICs, but in many cases only one current sensor is required to measure the current through the series connection of the battery cells Thickness passes through all the cells, unless the cells are connected in parallel in several strands in parallel, then several current sensors can be provided.
  • the current sensors are in the prior art via another interface or another bus to the
  • Receiver of its data such as the battery control unit required or the high voltage is measured directly from the receiver, such as the battery control unit.
  • This constellation in the prior art makes the more difficult
  • WO2013 / 007617 discloses two separate buses for two different strings of voltage measuring devices.
  • FIG. 1 A battery string of battery cells connected in series, for example, up to 120 units, is monitored by modular cell measurement modules, one each
  • Low-voltage measuring device include. These measuring modules measure the
  • the measured values are transmitted to the battery control unit via a common bus.
  • Topology of the bus interface is executed according to the prior art in the daisy chain principle.
  • Cell measuring modules connected to the battery control unit.
  • the others Cell measuring modules are each connected to their predecessors with the chain (series connection principle). Due to the voltage offset between the individual battery cells within their series connection, a special circuit, which carries out the necessary level conversion, in each of the
  • a circuit part with an interface for high-voltage voltage signals is provided in the battery control device.
  • the signals with high-voltage potential are transformed into further-processable low-voltage signals, filtered and then into a
  • the digital signal is galvanically isolated via a separator (e.g., capacitive, inductive or optical) and applied to the
  • US 2013/0175976 discloses electrically isolating or galvanically isolating a CAN bus from a battery control system.
  • Battery cells of the battery can be determined to send several signals via several different bus systems to the corresponding measuring devices. This requires several different commands with different protocols, which means increased implementation effort as well as increased computational complexity during execution. This applies equally to the commands for the transmission of measurement signals from the measuring devices to the battery control device.
  • the invention relates to a battery management system, the one
  • Signal transmission device the signals, for example, measurement signals and control signals, not only from low-voltage measuring devices, but also from the high-voltage measuring device and / or a
  • Current measuring device for measuring current flowing through the battery and / or a measuring module with a high-voltage sensor and a low-voltage measuring device can be transmitted to the battery control unit.
  • the signal transmission device is a series circuit of a plurality
  • Measuring devices carried out which can be referred to as a daisy chain bus.
  • data from and to the battery control unit pass through at least one of the measuring devices and are forwarded to an adjacent measuring device.
  • the low voltage meters and the high voltage meter (s) are connected to the same bus.
  • all measuring devices are connected to each other and to the battery control unit via a single bus. Because only one bus is required, the overall cabling effort of the measuring devices is reduced. It also results in an improved scalability, without having to
  • Interfaces cause extra work.
  • Other measuring devices can For example, be easily connected to the bus or be extended by more members of the series connection.
  • Advantageously, further simplifies the galvanic isolation of the battery control device, as a multiple electrical isolation of the battery control unit of the signals from
  • the battery control device is particularly preferred from the invention.
  • Signal transmission device galvanically isolated or insulated executed.
  • the subdivision is facilitated in groups of measuring devices.
  • the detection of high voltage system voltages may be e.g. inexpensively on various subcomponents of the battery management system, such as the battery control unit, a contactor box, a fuse box or the like. Are outsourced.
  • a high-voltage measuring device which is arranged in particular in a measuring module, equipped with a high-voltage low-voltage converter.
  • measurement signals associated with or based on a high voltage potential can be converted into low voltage signals that match the voltages of a low voltage measurement device, the
  • Signal transmission device and / or the battery control unit are compatible.
  • the high-voltage measurement can be easily transferred to various components that can perform a low-voltage measurement in particular and in each case communicate with the signal transmission device.
  • a measuring module according to this embodiment, the possibility arises, the battery management system by more
  • the high-voltage low-voltage converter is preferably designed as a resistance voltage divider, preferably with high-resistance resistors, which also under High voltage does not allow high current to flow, so the
  • this has a high-voltage measuring device, which is set up to measure the high-voltage voltage before a disconnecting relay for disconnecting the battery from its power consumers, and a further high-voltage measuring device with which a high-voltage voltage can be measured according to this isolating relay.
  • a high-voltage measuring device which is set up to measure the high-voltage voltage before a disconnecting relay for disconnecting the battery from its power consumers, and a further high-voltage measuring device with which a high-voltage voltage can be measured according to this isolating relay.
  • Such an embodiment of the battery management system serves, for example, to check whether such a disconnect relay operates without interference. This can be achieved, for example, by comparing activation signals of the isolating relays with measurement results of the two high-voltage voltage measuring devices.
  • the battery management system comprises at least one voltage measuring chip, which has a communication module, which is set up to
  • the communication module of other components of the signal transmission device To operate communication via the signal transmission device.
  • the communication module of other components of the signal transmission device is particularly preferred.
  • Voltage measuring chips galvanically isolated and / or electrically isolated. This makes it possible that the voltage measuring chip is used on different battery cells, which compared to the potential of the
  • Signal transmission device can be at other potentials. It is also conceivable to use this voltage measuring chip for high-voltage measurements, wherein a high-voltage low-voltage converter for
  • Voltage reduction can be provided.
  • a voltage measuring chip can form the core of a high-voltage measuring device.
  • Voltage measuring chip in a separate module run which is functionally independent and / or spatially separated from the voltage measuring chip or even from the voltage measuring device, which includes the voltage measuring chip.
  • the galvanic isolation on the voltage measuring chip is conceivable in another alternative, the galvanic
  • the unit comprising the galvanic isolation or the isolation makes, a
  • the voltage measuring chip can, possibly in various embodiments, be arranged at any point of the signal transmission device, including the position which is logically closest to the battery control device.
  • a high-voltage measuring device has the same voltage measuring chip with which at least one individual low-voltage measuring device is also equipped. This can avoid being a special
  • a voltage measuring chip is understood to mean an integrated circuit which comprises a voltage measuring function.
  • the voltage measuring chip has the interface to the signal transmission device, so that the
  • High-voltage voltage measuring device with the battery control device and the low-voltage measuring devices can communicate; this also applies if the high-voltage measuring device is part of a measuring module.
  • a battery management system is proposed, which has a measuring module, which has a
  • Measuring module is adapted to transmit measurement signals by means of an interface via the signal transmission device, wherein the
  • the measuring module is configured to receive measuring signals from the current measuring device and from the
  • the measuring module has only one
  • the interface to the signal transmission device is particularly preferred same interface, which also low voltage measuring devices of the
  • Such a measurement module may be conventional in an existing battery management system
  • the measuring module that does not have a high-voltage measuring device.
  • both current through the battery and a high voltage can be measured, which reduces the cabling for communication.
  • the measuring module or at least parts thereof can be designed as a single integrated circuit or as a chip. It is also conceivable to realize the measuring module with more than one chip.
  • the measuring module has at least two current measuring devices, with which current can be measured, which flows through the battery. In this way, an increased safety of the battery can be achieved with the battery management system, since it can be recognized by the redundancy of at least two current measuring devices on the basis of different values, whether they work correctly.
  • a measuring module according to one of the embodiments described above comprises a temperature measuring device.
  • the measuring module has one or more voltage measuring devices for all
  • System voltages measured within the battery management system can be achieved, for example, via multi-purpose analog inputs of integrated circuits such as
  • Such input is preceded by a high voltage low voltage converter, eg a voltage divider, with which high voltage can be divided down to a voltage suitable for detection by the input.
  • a voltage divider is preferably designed high-impedance, so that the high-voltage no drives large currents through the voltage divider.
  • Hochvolttens low-voltage converter may be provided, each by means of a respective connection switch with a
  • Voltage measuring device are connectable. In each case only one voltage to be measured is connected to a voltage measuring device. It can be provided a single voltage measuring device for all voltages to be measured.
  • the voltage measuring devices may e.g. Be part of a microcontroller or DSP or ASIC. Switching the
  • Voltage divider can be done via multi-purpose outputs of a microcontroller or DSPs or ASICs.
  • the measurement module comprises a communication component that is used for direct
  • Communication component e.g. working with a potential that does not have that
  • Such a communication component requires electrical isolation or galvanic isolation to the battery control device or to the signal transmission device. Because galvanic separation in the
  • Measuring module is present anyway, the relocation is such
  • the measuring module has a voltage supply device which is electrically connected or connectable to the poles of the battery.
  • the measuring module can be supplied with the high-voltage of the battery.
  • Such a connection to the power supply can additionally be used to detect the high-voltage voltage of the battery.
  • the measuring module has a differential measuring input for a voltage drop across a measuring resistor with which a current of the battery can be measured.
  • This measuring resistor is preferably made very low impedance and particularly preferably has a resistance of less than 100 ⁇ .
  • the accuracy of the voltage measurement lies in the
  • a battery which comprises a battery management system according to one of the above-described
  • a high-voltage voltage of the battery which may be a voltage across a plurality or all of the battery cells, is further carried out by means of a high-voltage voltage measuring device.
  • High voltage voltage measuring device are about the same
  • Embodiments of this method may be performed by means of embodiments of the battery management system described above, wherein the features relating to these embodiments may correspond to the features of embodiments of this method.
  • Figure 1 is a schematic circuit diagram of a
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of a first embodiment of the battery management system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic circuit diagram of a second embodiment of the battery management system according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic circuit diagram of a third embodiment of the battery management system according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic circuit diagram of a measuring module for a
  • High voltage and a current of the battery which may form part of a battery management system according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic circuit diagram of a current measuring device which can form part of a measuring module or a part of the battery management system which is independent of it.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a battery management system 1 according to the prior art.
  • the battery management system 1 includes
  • Battery control device 2 which with a first signal transmission device 3 with a high-voltage measuring device 4, via a further
  • Voltage measuring means 8 is connected, which in each case one, or as shown in Figure 1, in each case a plurality of individual cells 9 of the battery 10th
  • the signal transmission device 7 is a bus system with daisy-chained subscribers in which a plurality of low-voltage measuring devices 8 can communicate with the battery control device 2 via the same bus, by means of data
  • the signal transmission device 7 has a
  • Separator 1 by means of which the potential of the battery control device 2 can be separated from the potentials of the low-voltage measuring devices 8.
  • the signal transmission devices 3 and 5 each have such a separation device 1 1.
  • the battery control device 2 has three
  • the high-voltage measuring device 4 is connected to the poles 18 and 19 in the battery 10 to measure their voltage can.
  • the current measuring device 6 is arranged in a current path 21 from the battery post 19 to an intermediate circuit 26, so that it can measure current flowing through the current path 21.
  • a respective relay 22 In the current paths 20 and 21 from the poles 18 and 19 to the intermediate circuit 26 is a respective relay 22 and
  • the relays 22 and 23 can via control lines
  • FIG. 2 shows schematically the structure of a battery management system according to the invention in a first embodiment. This embodiment is similar in some respects to the prior art battery management system 1
  • High-voltage measuring device 4 can communicate with facilities that further process their data, the high-voltage sensor 4 is integrated into the bus 7 to the low-voltage measuring devices 8.
  • the high-voltage voltage measuring device is in this embodiment in the
  • Battery controller 2 integrated so that it has a high voltage part 28 and a low voltage part 29.
  • High-voltage measuring device 4 to be measured voltages are shown only schematically and without connection to the battery 10.
  • the high-voltage voltage measuring device 4 can measure several high-voltage voltages, which may differ from the voltage across all battery cells 9; these can be, for example, voltages across parts of the battery 10 or voltages in their periphery.
  • Between the high voltage part 28 and the low voltage part 29 of the battery control device 2 is a
  • Separator 1 1 for the galvanic isolation of the high-voltage part 28 of the low voltage part 29 is arranged, which is a galvanic
  • Separation point in the signal transmission device 7 causes.
  • the illustrated battery management system 1 includes.
  • the low-voltage measuring devices 8 can also measure a temperature of one or more battery cells 9 in addition to the voltage of one or more battery cells 9.
  • FIG. 3 schematically shows a second embodiment of the battery management system 1 according to the invention, which largely matches the embodiment shown in FIG. In the following, only differences to this embodiment will be discussed. Identical features and components are designated by the same reference numerals. In contrast to the embodiment shown in Figure 2 is the
  • High-voltage measuring device 4 separated from the battery control unit 2 and executed as a separate unit. This allows for greater flexibility in the distribution of the components, e.g. in an electric vehicle, which can save cable length in cabling.
  • FIG. 3 shows the poles of the battery 18 and 19 and the connection paths 20 and 21 connected thereto. Connected to these connection paths 20 and 21 is the high voltage voltage measuring device 4, so that it can measure the voltage between its potentials.
  • FIG. 4 schematically shows a third embodiment of the invention
  • FIG. 4 the embodiment of FIG. 4 has a measuring module 46 which can measure both a high-voltage voltage and a current of the battery 10.
  • This measuring module 46 is preferably arranged in a position in the battery management system 1, which has a current measuring device 6 according to the prior art. In contrast to the prior art, however, the measuring module in the
  • Signal transmission device 7 integrated, which signals from the
  • the measuring module 46 is preferably the link in the chain of linked Participants in the signal transmission by the signal transmission device 7, which in relation to the data transmission closest to the
  • Battery control unit 2 is arranged. Through the measuring module 46, current flows from the pole 19, which is conducted via the current connection path 21 through the measuring module 46, so that it is available to the current measuring device for measurement. Alternatively, the module 46 may of course also be arranged in the current conducting path 20. In order for the high-voltage measuring device, which forms part of the measuring module 46, to be able to measure the voltage between the poles 18 and 19 of the battery 10, the measuring module 46 is connected via a
  • Voltage measuring connection 47 connected to the battery 18 and 19, the current does not flow through the measuring module 46.
  • relays 22 and 23 may be connected via control lines 24 and 25, respectively, of the
  • Battery control unit 2 are actuated to disconnect a DC link 26 from the battery 10.
  • FIG. 5 shows schematically the structure of a measuring module 46.
  • the measuring module 46 is, as also shown in Figure 4, arranged in the Stromleitpfad 21, so that current from the battery via the Stromleitpfad 21 through the
  • the current measuring device 6 can flow.
  • the current measuring device 6 preferably consists of two separate current sensors, which operate redundantly. In this way, it can be determined whether one of the current sensors is malfunctioning. It is conceivable to use even more current sensors to increase the redundancy.
  • the current sensors forward their measurement data to an interface 17, which they further via the signal transmission device 7
  • Components of the battery management system 1 can send.
  • the battery management system 1 Components of the battery management system 1 can send.
  • Signal transmission device 7 is a concatenated bus system, which is also referred to as a daisy chain.
  • the interface 17 may be signals via an optional galvanic isolation 1 1 and via a
  • Signal transmission path 7a the interface 17, for example, with a central control unit, e.g. of a vehicle, connects.
  • a central control unit e.g. of a vehicle
  • Measuring module 46 one or more temperature sensors 48, the
  • Corresponding measurement data can be transmitted to the interface 17, which can forward it via the signal transmission device 7. Further the measuring module 46 has one or more
  • Measuring lines 47 and 51 connected to the potentials of the poles 18 and 19 of the battery 10.
  • the voltage measuring line 51 runs within the measuring module 46, since the potential of the pole 19 on the current transmission path
  • the current transmission path 20 can also pass through the measuring module 46, so that the voltage measuring line is connected to the pole 18, wherein the measuring line 47 is correspondingly connected to the pole 19.
  • High voltage voltage measuring devices 4 transmit their data to the
  • the measuring module 46 has a
  • Power supply device 49 which uses a voltage for supplying the measuring module 46, which is applied between the voltage measuring line 47 and the current transmission path 21 and 20 respectively. Since these are the tension of
  • Battery 10 which is typically a high voltage voltage through the series connection of the battery cells 9, has the
  • the components are interface 17, galvanic isolator 1 1,
  • FIG. 6 schematically shows the internal structure of a measuring module 46
  • Measuring module 46 includes a measuring resistor 60, which in the
  • Power supply line 21 is arranged.
  • the measuring resistor 60 may also be arranged in the current-carrying path 20.
  • a voltage which is typically proportional to the current flow is formed over the latter. This voltage can be via an optional
  • Filter 61 are supplied to the measuring module IC 50.
  • the filter 61 can remove spurious frequencies from the signal.
  • several measuring resistors 60 and optionally also several can be supplied to the measuring module IC 50.
  • Measuring module ICs 50 may be arranged.
  • this can be different from a measurement via a measuring resistor Use measuring principle.
  • the measurement module IC 50 includes an interface via which it communicates with the
  • Signal transmission transmission device 7 can communicate.
  • the current measuring device 6 can be inserted into the concatenated bus system of the signal transmission device 7.
  • the measuring module 46 preferably has an internal power supply 63.
  • the measuring module IC 50 may in addition to measuring the voltage across the measuring resistor 60 a
  • Voltage measuring line 47 connected to the battery 18.
  • the current measuring line 47 connects the measuring module 46 to the pole 19 of the battery 10.
  • the voltage of the pole 18 or 19 can be supplied to the measuring module IC 50 via a filter 64 be supplied.
  • the supply of this voltage can be interrupted by means of a switching device 65, wherein this switching device 65 is switchable by means of the measuring module ICs 50 via a control line 66.
  • the filter 64 may, for example, disturbing frequency components of the
  • the filter 64 may be preceded by a voltage divider 67, with which the voltage of the battery 10, over the
  • Voltage measuring line 47 reaches the measuring module 46, a
  • Voltage level can be lowered, which is processable by the filter 64 and the measuring module IC 50. Beside the thus provided potential of the
  • Batteriepols 18 is the measuring module IC 50, the potential of the Stromleitpfads 21 available, which abuts the connection of the measuring resistor 60 in the direction of the battery 19 as a potential of this battery 19.
  • the measuring module 46 in the current conducting path 20 and to provide the potential of the battery pole 19 at the voltage measuring line 47.
  • further high-voltage voltages of the battery or of its periphery can be measured.
  • further voltage dividers 67 and further switching devices 65 may be provided, wherein the latter can also be used to switch between the individual voltages to be measured. This can be up to date Voltages to be measured are switched off and one to be measured
  • Voltages are switched to the filter 64 and routed to the measurement module IC 50.

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Abstract

Die vorliegende Erfindungbetrifft ein Batteriemanagementsystem für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen in Reihenschaltung, umfassend ein Batteriesteuergerät, mehrere Niederspannungsmesseinrichtungen, mit denen jeweils die Spannung einer oder mehrerer Batteriezellen messbar ist, sowie eine oder mehrere Hochvoltspannungsmesseinrichtungen für eine Spannung über mehrere oder alle Batteriezellen, und/oder wenigstens eine Strommesseinrichtung, mit der ein Strom von der oder durch die Batterie messbar ist, und/oder wenigstens ein Messmodul, das eine Hochvoltspannungsmesseinrichtung und eine Strommesseinrichtung umfasst, gekennzeichnet durch eine Signalübertragungseinrichtung, mit der Signale von Niederspannungsmesseinrichtungen und wenigstens einer von der Hochvoltspannungsmesseinrichtung und/oder der Strommesseinrichtung und/oder dem Messmodul zu dem Batteriesteuergerät übertragbar sind.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriemanagementsvstem für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und Verfahren
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen in Reihenschaltung, wobei das
Batteriemanagementsystem ein Batteriesteuergerät, mehrere
Niederspannungsmesseinrichtungen, mit denen jeweils die Spannung einer oder mehrerer Batteriezellen messbar ist, sowie wenigstens eine von folgenden Komponenten aufweist: eine oder mehreren
Hochvoltspannungsmesseinrichtungen für eine Spannung über mehrere oder alle Batteriezellen, wenigstens eine Strommesseinrichtung, mit der ein Strom von der oder durch die Batterie messbar ist, und wenigstens ein Messmodul, das eine Hochvoltspannungsmesseinrichtung und eine Strommesseinrichtung umfasst. Weiter betrifft die Erfindung eine Batterie und ein Verfahren zur Messung von mehreren Niederspannungen von entweder einzelnen Batteriezellen oder Gruppen von mehreren Batteriezellen mittels mehreren
Niederspannungsmesseinrichtungen und zur Messung einer Hochvoltspannung von mehreren oder allen Batteriezellen mit einer
Hochvoltspannungsmesseinrichtung. Hochvoltspannungen sind mit
Niederspannungsmesseinrichtungen nicht mehr ohne weitere Maßnahmen messbar. Als Hochvoltspannung werden hier Spannungen bezeichnet, die über die Spannung von einer oder wenigen in Reihe geschalteten Batteriezellen hinausgeht; gemäß einer gängigen, allgemeinen Definition sind dies
Gleichspannungen über 60V und Wechselspannungen über 25V. Der Begriff ist im Bereich elektrischer Fahrzeuge gebräuchlich. Geringere Spannungen werden in dieser Patentanmeldung als Niederspannungen bezeichnet. Im Stand der Technik werden beispielsweise in einem
Batteriemanagementsystem für Elektro- und Hybridfahrzeuge, insbesondere für den Einsatz mit Lithium-Ionen-Zellen, neben Niederspannungen wie etwa Einzelzellenspannungen auch weitere Systemspannungen, typischerweise Hochvoltspannungen, wie beispielsweise
- Hochvoltspannung von mehreren oder allen Batteriezellen,
- Zwischenkreisspannungen,
- Bordnetzspannungen von Ladegeräten,
- Systemspannungen von Niederspannungs-Hochvoltspannungs-DC-DC-
Wandlern, gemessen und von einem Mikroprozessorsystem überwacht. Es können
Spannungen aus einem Hochvoltspannungsteil der Batterie bzw. daran angeschlossenen Systemen über einen Hochvoltspannungsteil des
Batteriesteuergeräts gemessen und entsprechende Messdaten isoliert bzw. galvanisch getrennt über einen digitalen Bus an einem Niederspannungsteil des Batteriesteuergeräts übertragen werden. Einzelzellenspannungen von einzelnen Batteriezellen oder andere Messgrößen, wie etwa Temperaturen der Einzelzellen oder deren Steuerelektroniken, werden von eigenständigen Zellgrößen-
Messeinrichtungen gemessen und entsprechende Messdaten an das
Batteriesteuergerät übermittelt. Diese Übermittlung findet im Stand der Technik üblicherweise über eine isolierte bzw. galvanisch getrennte
Niedervoltschnittstelle statt.
Das Batteriesteuergerät überwacht üblicherweise die Zellspannung jeder einzelnen Zelle, die Gesamtspannung der Batterie und den Strom, der durch die Reihenschaltung der Batteriezellen fließt. Das Gesamtsystem aus
Batteriesteuergerät und Überwachungseinrichtungen wird als
Batteriemanagementsystem bezeichnet. Für die Zellspannungsmessungen werden typischerweise speziell integrierte Schaltungen (ICs) eingesetzt, die die Spannung einer zugeordneten Zelle messen. Es kann ein solcher IC für jede Zelle vorgesehen sein, typischerweise werden jedoch die Zellspannungen mehrerer Zellen mit einem IC gemessen, beispielsweise zwischen 6 und 16 Zellen je IC. Dadurch lassen sich die Kosten für ICs einsparen. Die gemessenen
Spannungswerte werden digitalisiert und über ein spezielles Bussystem, bei dem die Spannungsmesseinrichtungen über eine Schnittstelle miteinander in einer Kette verbunden sind und einen Teil des Bussystems bilden, zum Empfänger der Daten übertragen. Ein solches Bussystem wird allgemein als„Daisy-Chain" bezeichnet. Der Bus verläuft nicht nur im Inneren eines oder mehrerer ICs. Für die Messung des Stroms durch die Reihenschaltung der Batteriezellen ist in vielen Fällen nur ein Stromsensor erforderlich, da dieser Strom ohnehin in gleicher Stärke durch alle Zellen fließt, es sei denn, dass die Zellen in mehreren Strängen zueinander parallel geschaltet sind. Dann können auch mehrere Stromsensoren vorgesehen sein. Die Stromsensoren sind nach dem Stand der Technik über eine andere Schnittstelle bzw. einen anderen Bus an den
Empfänger der Stromwerte angeschlossen
In einem Batterieüberwachungssystem, bei dem die Zellspannungs- und
Stromwerte von demselben Empfänger, etwa einem Batteriesteuergerät, verarbeitet werden, sind daher für das Batteriesteuergerät zwei verschiedene
Schnittstellen vorzusehen. Für die Messung der Hochvoltspannung ist entweder ein weiterer Spannungssensor und somit eine dritte Schnittstelle zu dem
Empfänger von dessen Daten, etwa dem Batteriesteuergerät, erforderlich oder die Hochvoltspannung wird direkt vom Empfänger, etwa dem Batteriesteuergerät, gemessen. Diese Konstellation im Stand der Technik erschwert die
Synchronisation der möglichst gleichzeitigen Abtastung von
Einzelspannungswerten, dem Hochvoltspannungswert und von Stromwerten (falls erforderlich). . Beispielsweise offenbart die WO2013/007617 zwei separate Busse für zwei verschiedene Stränge von Spannungsmesseinrichtungen.
Die Architektur eines Batteriemanagementsystems nach dem Stand der Technik ist in Figur 1 vereinfacht dargestellt. Ein Batteriestrang aus miteinander in Reihe geschalteten Batteriezellen, beispielsweise bis zu 120 Stück, wird von modularen Zellenmessmodulen überwacht, die jeweils eine
Niederspannungsmesseinrichtung umfassen. Diese Messmodule messen die
Spannung von jeder einzelnen Zelle und erfassen die Temperatur einer
Batteriezelle und/oder deren zugeordneter Elektronik. Die Messwerte werden über einen gemeinsamen Bus an das Batteriesteuergerät übermittelt. Die
Topologie der Bus-Schnittstelle ist nach dem Stand der Technik im Daisy-Chain- Prinzip ausgeführt. Ein Zellenmessmodul, das sich am Ende der Kette von
Zellenmessmodulen befindet, ist unmittelbar, d.h., nicht über weitere
Zellenmessmodule, mit dem Batteriesteuergerät verbunden. Die weiteren Zellenmessmodule sind jeweils mit ihren Vorgängern mit der Kette verbunden (Reihenschaltungsprinzip). Aufgrund des Spannungsversatzes zwischen den einzelnen Batteriezellen innerhalb von deren Reihenschaltung ist ein spezieller Schaltkreis, der die notwendige Pegelumsetzung vornimmt, in jedes der
Zellenmessmodule integriert.
Um die Systemspannungen zu messen, ist in dem Batteriesteuergerät ein Schaltungsteil mit einer Schnittstelle für Hochvoltspannungssignale vorgesehen. Die Signale mit Hochvoltspannungspotential werden in weiterverarbeitbare Niederspannungssignale transformiert, gefiltert und anschließend in ein
Digitalsignal gewandelt. Das Digitalsignal wird über eine Trenneinrichtung (z.B. kapazitiv, induktiv oder optisch) galvanisch getrennt und an den
Niederspannungsteil des Batteriesteuergerätes übertragen und dort verarbeitet. In Summe ergeben sich mehrere Schnittstellen zum Batteriesteuergerät, die erforderlich sind, um alle notwendigen Systemgrößen zu erfassen. Erheblicher Aufwand entsteht zusätzlich bei der zeitsynchronen Erfassung aller
Systemgrößen zur algorithmischen Weiterverarbeitung. Nach dem Stand der Technik ist es auch bekannt, einen Analog-Digital-Wandler eines Mikrocontrollers zu verwenden, der das Batteriesteuergerät darstellt oder ein Teil davon ist, um Spannungen oder Ströme von Batteriezellen oder der ganzen Batterie messen. Die US 2006/0170389 offenbart etwa, zur Messung mehrerer Spannungen von Batteriezellen einen A/D-Wandler mit einem
Multiplexer einzusetzen. Die US 2013/0175976 offenbart, einen CAN-Bus von einem Batteriesteuersystem elektrisch zu isolieren bzw. galvanisch zu trennen.
Bisher war es erforderlich, für jede Messung, mit der der Zustand aller
Batteriezellen der Batterie bestimmt werden kann, mehrere Signale über mehrere verschiedene Bussysteme zu den entsprechenden Messeinrichtungen zu senden. Dazu sind mehrere verschiedene Befehle mit verschiedenen Protokollen erforderlich, was erhöhten Aufwand bei der Implementierung wie auch erhöhten Rechenaufwand bei der Ausführung bedeutet. Dies gilt in gleichem Maße auch für die Befehle zur Übertragung von Messsignalen von den Messeinrichtungen zu dem Batteriesteuergerät.
Offenbarung der Erfindung Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriemanagementsystem, das eine
Signalübertragungseinrichtung aufweist, die Signale, beispielsweise Messsignale und Steuersignale, nicht nur von Niederspannungsmesseinrichtungen, sondern auch von der Hochvoltspannungsmesseinrichtung und/oder einer
Strommesseinrichtung zur Messung von Strom, der durch die Batterie fließt, und/oder eines Messmoduls mit einer Hochvoltspannungsmesseinrichtung und einer Niederspannungsmesseinrichtung zu dem Batteriesteuergerät übertragen werden können.
Somit ist für diese Messperipherie nur noch eine einzige Schnittstelle an dem Batteriesteuergerät erforderlich. Entsprechend ist es möglich, in allen
angeschlossenen Messsystemen die Messung in allen Messeinrichtungen mit nur einem gemeinsamen Triggersignal zu aktivieren. Es ist nur ein
Softwareprotokoll erforderlich, mit dem, Triggersignale gesendet bzw. Messdaten von Messeinrichtungen abgefragt und die Messdaten übertragen werden können. Es können auch Messdaten von einem einzelnen angeschlossenen Messsystem abgefragt werden. Eine Synchronisation der Befehle des Batteriesteuergeräts, z.B. über Synchronisationskommandos wie nach dem Stand der Technik, ist nicht mehr erforderlich. Die genannten Komponenten weisen, soweit sie in dem Batteriemanagementsystem vorhanden sind, funktionskompatible Schnittstellen zu der Signalübertragungseinrichtung auf.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Batteriemanagementsystems ist die Signalübertragungseinrichtung als eine Reihenschaltung von mehreren
Messeinrichtungen ausgeführt, was als Daisy-Chain-Bus bezeichnet werden kann. Dabei durchlaufen Daten von und zu dem Batteriesteuergerät wenigstens eine der Messeinrichtungen und werden zu einer benachbarten Messeinrichtung weitergeleitet. Insbesondere sind die Niederspannungsmesseinrichtungen und die Hochvoltspannungsmesseinrichtung(en) an denselben Bus angeschlossen. Vorzugsweise sind alle Messeinrichtungen über einen einzigen Bus miteinander und mit dem Batteriesteuergerät verbunden. Weil nur ein Bus erforderlich ist, verringert sich insgesamt der Verkabelungsaufwand der Messeinrichtungen. Es ergibt sich außerdem eine verbesserte Skalierbarkeit, ohne dass an den
Schnittstellen ein Mehraufwand entsteht. Weitere Messeinrichtungen können beispielsweise einfach an den Bus angeschlossen werden bzw. dieser um weitere Glieder der Reihenschaltung erweitert werden. Vorteilhaft wird weiter die galvanische Trennung des Batteriesteuergeräts vereinfacht, da eine mehrfache galvanische Trennung des Batteriesteuergeräts von den Signalen von
verschiedenen Bussen nicht mehr erforderlich ist. Besonders bevorzugt ist jedoch das Batteriesteuergerät von der erfindungsgemäßen
Signalübertragungseinrichtung galvanisch getrennt bzw. isoliert ausgeführt. Zudem wird so die Unterteilbarkeit in Gruppen von Messeinrichtungen erleichtert. Die Erfassung von Hochvoltsystemspannungen kann z.B. unaufwendig auf verschiedene Subkomponenten des Batteriemanagementsystems, etwa das Batteriesteuergerät, eine Schützbox, eine Sicherungsbox oder dgl. ausgelagert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems ist eine Hochvoltspannungsmesseinrichtung, die insbesondere in einem Messmodul angeordnet ist, mit einem Hochvoltspannungs-Niederspannungs-Wandler ausgestattet. Mit der Hochvoltspannungs-Niederspannungs-Wandler können Messsignale, die mit einem Hochvoltspannungspotential verbunden sind oder auf diesem basieren, in Niederspannungssignale umgewandelt werden, die mit den Spannungen einer Niederspannungsmesseinrichtung, der
Signalübertragungseinrichtung und/oder des Batteriesteuergeräts kompatibel sind. Durch einen solchen Hochvoltspannungs-Niederspannungs-Wandler kann die Hochvoltspannungsmessung unkompliziert auf verschiedene Komponenten verlagert werden, die insbesondere eine Niederspannungsmessung durchführen können und insbesondere jeweils mit der Signalübertragungseinrichtung kommunizieren können. Durch ein Messmodul gemäß dieser Ausführungsform ergibt sich die Möglichkeit, das Batteriemanagementsystem um weitere
Hochvoltspannungsmesseinrichtungen bzw.
Gesamtspannungsmesseinrichtungen in dem Messmodul zu erweitern, ohne dass weitere Einrichtungen zur galvanischen Trennung benötigt werden. Solche weiteren Hochvoltspannungsmesseinrichtungen können beispielsweise weitere Systemspannungen innerhalb des Batteriemanagementsystems messen. Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass das Batteriesteuergerät ausschließlich
Niederspannungskomponenten erfordert, was eine deutlich kompaktere
Ausführungsform des Batteriesteuergeräts ermöglicht. Der Hochvoltspannungs- Niederspannungs-Wandler ist bevorzugt als Widerstands-Spannungsteiler ausgeführt, bevorzugt mit hochohmigen Widerständen, die auch unter Hochvoltspannung keinen hohen Strom fließen lassen, sodass der
Energieverbrauch gering bleibt.
In weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems weist dieses eine Hochvoltspannungsmesseinrichtung, die zur Messung der Hochvoltspannung vor einem Trennrelais zum Abtrennen der Batterie von ihren Stromverbrauchern eingerichtet ist, sowie eine weitere Hochvoltspannungsmesseinrichtung auf, mit der eine Hochvoltspannung nach diesem Trennrelais messbar ist. Eine solche Ausgestaltung des Batteriemanagementsystems dient beispielsweise der Überprüfung, ob ein solches Trennrelais störungsfrei arbeitet. Dies kann beispielsweise durch Vergleich von Ansteuersignalen der Trennrelais mit Messergebnissen der beiden Hochvoltspannungsmesseinrichtungen erreicht werden. In einer weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems umfasst das Batteriemanagementsystem wenigstens einen Spannungsmesschip, welcher ein Kommunikationsmodul aufweist, welches dazu eingerichtet ist,
Kommunikation über die Signalübertragungseinrichtung zu betreiben. Besonders bevorzugt ist das Kommunikationsmodul von anderen Komponenten des
Spannungsmesschips galvanisch getrennt und/oder elektrisch isoliert. Dadurch wird ermöglicht, dass der Spannungsmesschip an verschiedenen Batteriezellen eingesetzt wird, welche im Vergleich zu dem Potential der
Signalübertragungseinrichtung auf anderen Potentialen liegen können. Es ist auch denkbar, diesen Spannungsmesschip für Hochvoltmessungen einzusetzen, wobei ein Hochvoltspannungs-Niederspannungs-Wandler zur
Spannungsreduzierung vorgesehen sein kann. Insbesondere kann ein solcher Spannungsmesschip den Kern einer Hochvoltspannungsmesseinrichtung bilden. Ein für Hochvoltspannung geeigneter Spannungsmesseingang des
Spannungsmesschips ist ebenfalls denkbar. Alternativ ist es weiter denkbar, die galvanische Trennung zwischen der Signalübertragungseinrichtung und dem
Spannungsmesschip in einem eigenen Modul auszuführen, welches von dem Spannungsmesschip bzw. sogar von der Spannungsmesseinrichtung, die den Spannungsmesschip umfasst, funktionell unabhängig und/oder räumlich getrennt ist. Statt einer integrierten Ausführung der galvanischen Trennung auf dem Spannungsmesschip ist in einer weiteren Alternative denkbar, die galvanische
Trennung in einem anderen integrierten Schaltkreis zu realisieren oder eine diskrete Schaltung dafür aufzubauen. Vorzugsweise umfasst die Einheit, die die galvanische Trennung bzw. die Isolierung leistet, eine
Kommunikationsschnittstelle, die zur Kommunikation mit der
Signalübertragungseinrichtung geeignet ist. Dies gilt für alle in diesem Absatz beschriebenen Varianten bzw. Alternativen. Der Spannungsmesschip kann, denkbarerweise in verschiedenen Ausführungsformen, an jeder beliebigen Stelle der Signalübertragungseinrichtung angeordnet sein, einschließlich der dem Batteriesteuergerät logisch am nächsten gelegenen Position.
In einer weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems weist eine Hochvoltspannungsmesseinrichtung den gleichen Spannungsmesschip auf, mit dem auch wenigstens eine einzelne Niederspannungsmesseinrichtung ausgestattet ist. Dadurch kann vermieden werden, dass ein spezieller
Spannungsmesschip für die Hochvoltspannungsmesseinrichtung entwickelt werden muss, welche in deutlich geringeren Stückzahlen als die
Niederspannungsmesseinrichtungen hergestellt wird. Die Anpassung der unterschiedlichen Spannungsniveaus kann durch einen Hochvoltspannungs- Niederspannungs-Wandler erreicht werden. Unter einem Spannungsmesschip wird ein integrierter Schaltkreis verstanden, der eine Messfunktion für eine Spannung umfasst. Außerdem weist der Spannungsmesschip die Schnittstelle zu der Signalübertragungseinrichtung auf, sodass das die
Hochvoltspannungsmesseinrichtung mit dem Batteriesteuergerät und den Niederspannungsmesseinrichtungen kommunizieren kann; dies gilt auch, wenn die Hochvoltspannungsmesseinrichtung Teil eines Messmoduls ist. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Batteriemanagementsystem vorgeschlagen, das ein Messmodul aufweist, welches eine
Hochvoltspannungsmesseinrichtung und eine Strommesseinrichtung aufweist, mit welcher Strom messbar ist, der durch die Batterie fließt, wobei das
Messmodul dazu eingerichtet ist, Messsignale mittels einer Schnittstelle über die Signalübertragungseinrichtung zu übertragen, wobei die
Hochvoltspannungsmesseinrichtung, wenigstens Teile der Strommesseinrichtung und die Schnittstelle auf einem Chip integriert sind. Das Messmodul ist dazu eingerichtet, Messsignale von der Strommesseinrichtung und von der
Hochvoltspannungsmesseinrichtung über die Signalübertragungseinrichtung zu übertragen. Vorzugsweise weist das Messmodul nur eine
Kommunikationsschnittstelle zu der Signalübertragungseinrichtung auf. Die Schnittstelle zur Signalübertragungseinrichtung ist besonders bevorzugt die gleiche Schnittstelle, die auch Niederspannungsmesseinrichtungen des
Batteriemanagementsystems aufweisen, so dass eine Kommunikation mit diesen sowie mit dem Batteriesteuergerät möglich ist. Ein solches Messmodul kann in einem bestehenden Batteriemanagementsystem ein herkömmliches
Strommessmodul ersetzen, das keine Hochvoltspannungsmesseinrichtung aufweist. Somit kann mit demselben Modul sowohl Strom durch die Batterie als auch eine Hochvoltspannung gemessen werden, was den Verkabelungsaufwand für die Kommunikation vermindert. Das Messmodul oder zumindest Teile davon können als ein einziger integrierter Schaltkreis bzw. als Chip ausgeführt sein. Denkbar ist auch, das Messmodul mit mehr als einem Chip zu realisieren.
Derartige integrierte Lösungen verringern den Verkabelungsaufwand und erfordern nur wenig Raum, was kostengünstig ist. Außerdem ergibt sich eine hohe Zuverlässigkeit. Um den durch die Batterie fließenden Strom messen zu können, verläuft durch das Messmodul eine batteriestromführende Leitung.
In einer weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems weist das Messmodul wenigstens zwei Strommesseinrichtungen auf, mit denen Strom gemessen werden kann, der durch die Batterie fließt. Auf diese Weise kann eine erhöhte Sicherheit der Batterie mit dem Batteriemanagementsystem erreicht werden, da durch die Redundanz von wenigstens zwei Strommesseinrichtungen an Hand unterschiedlicher Werte erkannt werden kann, ob diese korrekt arbeiten.
In einer weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems umfasst ein Messmodul nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eine Temperaturmesseinrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems weist das Messmodul eine oder mehrere Spannungsmesseinrichtungen für alle
Systemspannungen auf, die innerhalb des Batteriemanagementsystems gemessen werden. Solche Systemspannungen können beispielsweise über Vielzweck-Analog-Eingänge von integrierten Schaltkreisen wie etwa
MikroControllern oder DSPs oder speziellen ASICs oder dgl. gemessen werden. Vorzugsweise ist einem solchen Eingang ein Hochvoltspannungs- Niederspannungs-Wandler, z.B. ein Spannungsteiler, vorgeschaltet, mit dem Hochvoltspannung auf eine Spannung heruntergeteilt werden kann, die zur Erfassung mit dem Eingang geeignet ist. Ein solcher Spannungsteiler ist vorzugsweise hochohmig ausgeführt, so dass die Hochvoltspannung keine großen Ströme durch den Spannungsteiler treibt. Es können mehrere
Hochvoltspannungs-Niederspannungs-Wandler vorgesehen sein, die jeweils mittels eines jeweiligen Verbindungsschalters mit einer
Spannungsmesseinrichtung verbindbar sind. Es wird jeweils nur eine zu messende Spannung mit einer Spannungsmesseinrichtung verbunden. Es kann eine einzige Spannungsmesseinrichtung für alle zu messenden Spannungen vorgesehen sein. Die Spannungsmesseinrichtungen können z.B. Teil eines MikroControllers oder DSPs oder ASICs sein. Das Umschalten des
Spannungsteilers kann über Vielzweck-Ausgänge eines Mikrocontrollers bzw. DSPs bzw. ASICs erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems umfasst das Messmodul eine Kommunikationskomponente, die zur direkten
Kommunikation mit dem Batteriesteuergerät ungeeignet ist, da diese
Kommunikationskomponente z.B. mit einem Potential arbeitet, das nicht zu dem
Potential des Batteriesteuergeräts bzw. der Signalübertragungseinrichtung passt. Beispielsweise erfordert eine solche Kommunikationskomponente eine elektrische Isolation bzw. galvanische Trennung zu dem Batteriesteuergerät bzw. zu der Signalübertragungseinrichtung. Da galvanische Trennung in dem
Messmodul ohnehin vorhanden ist, ist die Verlagerung eine solchen
Kommunikationskomponente in das Messmodul vorteilhaft, da die galvanische Trennung bzw. Isolation nicht noch einmal separat erforderlich ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems weist das Messmodul eine Spannungsversorgungseinrichtung auf, welche mit den Polen der Batterie elektrisch verbunden oder verbindbar ist. So kann das Messmodul mit der Hochvoltspannung der Batterie versorgt werden. Ein solcher Anschluss zur Stromversorgung kann zusätzlich zur Erfassung der Hochvoltspannung der Batterie mitgenutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Batteriemanagementsystems weist das Messmodul einen differenziellen Messeingang für einen Spannungsabfall an einem Messwiderstand auf, mit dem ein Strom der Batterie messbar ist. Dieser Messwiderstand ist vorzugsweise sehr niederohmig ausgeführt und weist besonders bevorzugt einen Widerstand von weniger als 100 μΩ auf.
Beispielsweise liegt die Genauigkeit der Spannungsmessung in der
Größenordnung von ± 1 %. In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterie vorgeschlagen, die ein Batteriemanagementsystem nach einer der vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen aufweist.
In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit welchem mehrere Niederspannungen, insbesondere
Einzelspannungen, von mehreren Batteriezellen jeweils einzeln gemessen werden können, wozu mehrere Niederspannungsmesseinrichtungen eingesetzt werden. Gemäß dem Verfahren wird weiter eine Hochvoltspannung der Batterie, die eine Spannung über mehrere oder alle Batteriezellen sein kann, mittels einer Hochvoltspannungsmesseinrichtung vorgenommen. Die Signale von den Niederspannungsmesseinrichtungen und Signale der
Hochvoltspannungsmesseinrichtung werden über dieselbe
Signalübertragungseinrichtung zu einem Batteriesteuergerät übertragen.
Ausführungsformen dieses Verfahrens können mittels Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Batteriemanagementsystems durchgeführt werden, wobei das Vorgehen betreffende Merkmale dieser Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsformen dieses Verfahrens korrespondieren können.
Zeichnungen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein schematischer Schaltplan eines
Batteriemanagementsystems nach dem Stand der Technik,
Figur 2 ein schematischer Schaltplan einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems,
Figur 3 ein schematischer Schaltplan einer zweiten Ausführungsform des Batteriemanagementsystems nach der Erfindung,
Figur 4 einen schematischen Schaltplan einer dritten Ausführungsform des Batteriemanagementsystems nach der Erfindung, Figur 5 einen schematischen Schaltplan eines Messmoduls für eine
Hochvoltspannung und einen Strom der Batterie, welches einen Teil eines Batteriemanagementsystems nach der Erfindung bilden kann, und
Figur 6 einen schematischen Schaltplan einer Strommesseinrichtung, welche einen Teil eines Messmoduls oder einen von diesem unabhängigen Teil des Batteriemanagementsystems bilden kann.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Batteriemanagementsystems 1 nach dem Stand der Technik. Das Batteriemanagementsystem 1 umfasst ein
Batteriesteuergerät 2, welches mit einer ersten Signalübertragungseinrichtung 3 mit einer Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4, über eine weitere
Signalübertragungsverbindung 5 mit einer Strommesseinrichtung 6 und über eine dritte Signalübertragungseinrichtung 7 mit mehreren
Spannungsmesseinrichtungen 8 verbunden ist, welche jeweils eine, oder wie in Figur 1 dargestellt, jeweils mehrere einzelne Zellen 9 der Batterie 10
überwachen. Bei der Signalübertragungseinrichtung 7 handelt es sich um ein Bussystem mit in Reihenschaltung verketteten Teilnehmern (Daisy-Chain), bei dem über denselben Bus mehrere Niederspannungsmesseinrichtungen 8 mit dem Batteriesteuergerät 2 kommunizieren können, indem Daten eine
Niederspannungsmesseinrichtung durchlaufen und zu einer benachbarten Niederspannungsmesseinrichtung weitergeleitet werden. Um das
Batteriesteuergerät 2 vor hohen Spannungen von
Niederspannungsmesseinrichtungen 8 zu schützen, welche in der
Reihenschaltung der einzelnen Batteriezellen Spannung mit einem hohes Potential messen, weist die Signalübertragungseinrichtung 7 eine
Trenneinrichtung 1 1 auf, mittels der das Potential des Batteriesteuergeräts 2 von den Potentialen der Niederspannungsmesseinrichtungen 8 getrennt werden kann. Auch die Signalübertragungseinrichtungen 3 und 5 weisen jeweils eine solche Trenneinrichtung 1 1 auf. Das Batteriesteuergerät 2 weist drei
Schnittstellen 13, 15 und 17 auf, die typischerweise unterschiedliche Busse mit verschiedenen Protokollen bedienen. Die Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4 ist mit den Polen 18 und 19 in der Batterie 10 verbunden, um deren Spannung messen zu können. Die Strommesseinrichtung 6 ist in einem Strompfad 21 von dem Batteriepol 19 zu einem Zwischenkreis 26 angeordnet, so dass sie über den Strompfad 21 fließenden Strom messen kann. In den Strompfaden 20 und 21 von den Polen 18 bzw. 19 zu dem Zwischenkreis 26 ist jeweils ein Relais 22 bzw.
23 angeordnet, mit dem der Stromfluss über die Strompfade 20 bzw. 21 unterbrochen werden kann. Die Relais 22 bzw. 23 können über Steuerleitungen
24 bzw. 25 mittels des Batteriesteuergeräts 2 geschaltet werden, um die Batterie 10 von dem Zwischenkreis 26 zu trennen. An den Zwischenkreis 26 sind typischerweise Verbraucher angeschlossen, die von der Batterie 10 versorgt werden.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Batteriemanagementsystems nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform. Diese Ausführungsform ähnelt in mancher Hinsicht dem Batteriemanagementsystem 1 nach dem Stand der
Technik, das in Bezug auf Figur 1 beschrieben wurde. Gleiche Komponenten und Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden bis auf Unterschiede nicht noch einmal gesondert beschrieben. Es sei auf die
Ausführungen zu Figur 1 verwiesen. Der Hauptunterschied zum Stand der Technik ist der Wegfall der Bussysteme 3 und 5. Damit die
Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4 mit Einrichtungen kommunizieren kann, die deren Daten weiterverarbeiten, ist die Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4 in den Bus 7 zu den Niederspannungsmesseinrichtungen 8 eingebunden. Die Hochvoltspannungsmesseinrichtung ist in dieser Ausführungsform in das
Batteriesteuergerät 2 integriert, so dass dieses einen Hochvoltspannungsteil 28 und einen Niederspannungsteil 29 aufweist. Die Anschlussleitungen der
Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4 an zu messende Spannungen sind nur schematisch und ohne Verbindung bis zur Batterie 10 dargestellt. Vorzugsweise kann die Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4 mehrere Hochvoltspannungen messen, welche von der Spannung über alle Batteriezellen 9 abweichen können; diese können beispielsweise Spannungen über Teile der Batterie 10 oder Spannungen in deren Peripherie sein. Zwischen dem Hochvoltspannungsteil 28 und dem Niederspannungsteil 29 des Batteriesteuergeräts 2 ist eine
Trenneinrichtung 1 1 zur galvanischen Trennung des Hochvoltspannungsteils 28 von dem Niederspannungsteil 29 angeordnet, welche eine galvanische
Trennstelle in der Signalübertragungseinrichtung 7 bewirkt. Dadurch ist ein Mikroprozessor 27, der Daten von der Signalübertragungseinrichtung 7 verarbeitet, galvanisch von den Spannungsmesseinrichtungen 8 und der Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4 getrennt. Eine Strommesseinrichtung kann ebenso wie weitere denkbare Komponenten ebenfalls von dem
dargestellten Batteriemanagementsystem 1 umfasst sein. Im Unterschied zu der Ausführungsform in Figur 1 können die Niederspannungsmesseinrichtungen 8 neben der Spannung von einer oder mehreren Batteriezellen 9 auch eine Temperatur von einer oder mehreren Batteriezellen 9 messen.
Figur 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems 1 , welches zu großen Teilen mit der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform übereinstimmt. Es wird im Folgenden nur auf Unterschiede zu dieser Ausführungsform eingegangen. Gleiche Merkmale und Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Im Unterschied zu der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist die
Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4 von dem Batteriesteuergerät 2 getrennt und als separate Einheit ausgeführt. Dies ermöglicht eine höhere Flexibilität bei der Verteilung der Komponenten, z.B. in einem Elektrofahrzeug, was Kabellänge bei der Verkabelung einsparen kann. In Figur 3 sind die Pole der Batterie 18 und 19 und die daran angeschlossenen Verbindungspfade 20 und 21 dargestellt. An diese Verbindungspfade 20 und 21 ist die Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4 angeschlossen, so dass sie die Spannung zwischen deren Potentialen messen kann.
Figur 4 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform des
Batteriemanagementsystems 1 , welches in wesentlichen Teilen mit den in den
Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen übereinstimmt. Es wird nur auf Unterschiede zu diesen Ausführungsformen eingegangen. Gleiche Merkmale und Komponenten haben dieselben Bezugsziffern. Anders als in den
vorangehend beschriebenen Ausführungsformen weist die Ausführungsform der Figur 4 ein Messmodul 46 auf, welches sowohl eine Hochvoltspannung, als auch einen Strom der Batterie 10 messen kann. Dieses Messmodul 46 wird bevorzugt in einer Position in dem Batteriemanagementsystem 1 angeordnet, die gemäß dem Stand der Technik eine Strommesseinrichtung 6 innehat. Im Unterschied zum Stand der Technik ist jedoch das Messmodul in die
Signalübertragungseinrichtung 7 eingebunden, welche Signale von den
Spannungsmesseinrichtungen 8 zu dem Batteriesteuergerät 2 überträgt. Dabei ist das Messmodul 46 vorzugsweise das Glied in der Kette von verketteten Teilnehmern an der Signalübertragung durch die Signalübertragungseinrichtung 7, das in Bezug auf die Datenübertragung am nächsten zu dem
Batteriesteuergerät 2 angeordnet ist. Durch das Messmodul 46 fließt Strom von dem Pol 19, der über den Stromverbindungspfad 21 durch das Messmodul 46 geleitet wird, sodass er der Strommesseinrichtung zur Messung zur Verfügung steht. Alternativ kann das Modul 46 selbstverständlich auch in dem Stromleitpfad 20 angeordnet sein. Damit die Hochvoltspannungsmesseinrichtung, die einen Teil des Messmoduls 46 bildet, die Spannung zwischen den Polen 18 und 19 der Batterie 10 messen kann, ist das Messmodul 46 über eine
Spannungsmessverbindung 47 mit dem Batteriepol 18 bzw. 19 verbunden, dessen Strom nicht durch das Messmodul 46 fließt. Wie im Stand der Technik können Relais 22 und 23 über Steuerleitungen 24 bzw. 25 von dem
Batteriesteuergerät 2 betätigt werden, um einen Zwischenkreis 26 von der Batterie 10 zu trennen.
Figur 5 zeigt schematisch den Aufbau eines Messmoduls 46. Das Messmodul 46 ist, wie auch in Figur 4 dargestellt, in dem Stromleitpfad 21 angeordnet, so dass Strom von der Batterie über den Stromleitpfad 21 durch die
Strommesseinrichtung 6 fließen kann. Die Strommesseinrichtung 6 besteht vorzugsweise aus zwei separaten Stromsensoren, die redundant arbeiten. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob einer der Stromsensoren fehlerhaft arbeitet. Denkbar ist, noch mehr Stromsensoren einzusetzen, um die Redundanz zu erhöhen. Die Stromsensoren leiten ihre Messdaten an eine Schnittstelle 17 weiter, die sie über die Signalübertragungseinrichtung 7 zu weiteren
Komponenten des Batteriemanagementsystems 1 senden kann. Bei der
Signalübertragungseinrichtung 7 handelt es sich um ein verkettetes Bussystem, welches auch als Daisy-Chain bezeichnet wird. Die Schnittstelle 17 kann Signale über eine optionale galvanische Trennung 1 1 und über einen
Signalübertragungspfad 7a senden, der die Schnittstelle 17 beispielsweise mit einem zentralen Steuergerät, z.B. eines Fahrzeugs, verbindet. Die Verbindung
7a bildet vorzugsweise einen Teil der Signalübertragungseinrichtung 7, wodurch ein angeschlossenes zentrales Steuergerät ebenfalls Teil des verketteten Bussystems der Signalübertragungseinrichtung 7 ist. Weiter weist das
Messmodul 46 einen oder mehrere Temperatursensoren 48 auf, die die
Temperatur des Messmoduls 46 oder von Komponenten davon messen können.
Entsprechende Messdaten können an die Schnittstelle 17 übertragen werden, welche sie über die Signalübertragungseinrichtung 7 weitersenden kann. Weiter weist das Messmodul 46 eine oder mehrere
Hochvoltspannungsmesseinrichtungen 4 auf. Diese ist bzw. sind mit
Messleitungen 47 bzw. 51 an die Potentiale der Pole 18 und 19 der Batterie 10 angeschlossen. Die Spannungsmessleitung 51 verläuft dabei innerhalb des Messmoduls 46, da das Potential des Pols 19 auf dem Stromübertragungspfad
21 intern zur Verfügung steht. Alternativ kann auch der Stromübertragungspfad 20 durch das Messmodul 46 verlaufen, sodass die Spannungsmessleitung mit dem Pol 18 verbunden ist, wobei die Messleitung 47 entsprechend mit dem Pol 19 verbunden ist. Die eine oder die mehreren
Hochvoltspannungsmesseinrichtungen 4 übertragen ihre Daten an die
Schnittstelle 17, von wo aus sie über die Signalübertragungseinrichtung 7 bzw. 7a weitergeleitet werden können. Weiter weist das Messmodul 46 eine
Spannungsversorgungseinrichtung 49 auf, die zur Versorgung des Messmoduls 46 eine Spannung verwendet, die zwischen der Spannungsmessleitung 47 und dem Stromübertragungspfad 21 bzw. 20 anliegt. Da diese die Spannung der
Batterie 10 ist, welche durch die Reihenschaltung der Batteriezellen 9 typischerweise eine Hochvoltspannung ist, weist die
Spannungsversorgungseinrichtung 49 entsprechende
Spannungsverringerungsmittel auf. Vorzugsweise sind die Komponenten Schnittstelle 17, galvanische Trenneinrichtung 1 1 ,
Hochvoltspannungsmesseinrichtung 4, Temperaturmesseinrichtungen 48 und wenigstens Teile der Strommesseinrichtung 6 als integrierter Schaltkreis 50 ausgeführt, welcher im folgenden als Messmodul-IC 50 bezeichnet wird. Figur 6 zeigt schematisch den internen Aufbau eines Messmoduls 46. Das
Messmodul 46 umfasst einen Messwiderstand 60, der in der
Stromführungsleitung 21 angeordnet ist. Alternativ kann der Messwiderstand 60 auch in dem Stromführungspfad 20 angeordnet sein. Bei Stromfluss durch den Messwiderstand 60 entsteht über diesen eine Spannung, die zu dem Stromfluss typischerweise proportional ist. Diese Spannung kann über einen optionalen
Filter 61 dem Messmodul-IC 50 zugeführt werden. Der Filter 61 kann störende Frequenzen aus dem Signal entfernen. Innerhalb der des Messmoduls 46 können auch mehrere Messwiderstände 60 und optional auch mehrere
Messmodul-ICs 50 angeordnet sein.
In einer nicht dargestellten, allgemeineren Ausführungsform des Messmoduls 46 kann dieses statt einer Messung über einen Messwiderstand ein anderes Messprinzip verwenden. Nur als ein Beispiel kann eine Messung eines
Magnetfelds, das mit dem Stromfluss zusammenhängt, zur Bestimmung der Stärke des Stromflusses vorgenommen werden. Das Messmodul-IC 50 umfasst eine Schnittstelle, über welche es mit der
Signalübertragungsübertragungseinrichtung 7 kommunizieren kann. Auf diese Weise kann die Strommesseinrichtung 6 in das verkettete Bussystem der Signalübertragungseinrichtung 7 eingefügt werden. Weiter weist das Messmodul 46 vorzugsweise eine interne Stromversorgung 63 auf. Das Messmodul-IC 50 kann zusätzlich zur Messung der Spannung über den Messwiderstand 60 eine
Hochvoltspannung 10 messen. Dazu ist das Messmodul 46 über die
Spannungsmessleitung 47 mit dem Batteriepol 18 verbunden. In der alternativen Variante, in der der Messwiderstand 60 in dem Stromleitpfad 20 angeordnet ist, verbindet die Strommessleitung 47 das Messmodul 46 mit dem Pol 19 der Batterie 10. Die Spannung des Pols 18 bzw. 19 kann dem Messmodul-IC 50 über einen Filter 64 zugeführt werden. Die Zuführung dieser Spannung kann mittels einer Schalteinrichtung 65 unterbrochen werden, wobei diese Schalteinrichtung 65 mittels des Messmodul-ICs 50 über eine Steuerleitung 66 schaltbar ist. Der Filter 64 kann beispielsweise störende Frequenzanteile aus der
Batteriespannung 10 entfernen. Solche Störspannungen können beispielsweise von Verbrauchern induziert werden. Dem Filter 64 kann ein Spannungsteiler 67 vorgeschaltet sein, mit dem die Spannung der Batterie 10, die über die
Spannungsmessleitung 47 zu dem Messmodul 46 gelangt, auf ein
Spannungsniveau gesenkt werden kann, welches von dem Filter 64 und dem Messmodul-IC 50 verarbeitbar ist. Neben dem so bereitgestellten Potential des
Batteriepols 18 steht dem Messmodul-IC 50 das Potential des Stromleitpfads 21 zur Verfügung, welches an dem Anschluss des Messwiderstand 60 in Richtung des Batteriepols 19 als Potential dieses Batteriepols 19 anliegt. Alternativ ist denkbar, das Messmodul 46 in dem Stromleitpfad 20 anzuordnen und an der Spannungsmessleitung 47 das Potential des Batteriepols 19 bereitzustellen. Da somit die Potentiale beider Batteriepole 18 und 19 verfügbar sind, ist eine genaue Messung der Hochvoltspannung möglich. Neben der Messung der Hochvoltspannung der Batterie 10 über alle Batteriezellen 9 können weitere Hochvoltspannungen der Batterie oder von deren Peripherie gemessen werden. Dazu können weitere Spannungsteiler 67 und weitere Schalteinrichtungen 65 vorgesehen sein, wobei letztere auch dazu verwendet werden können, zwischen den einzelnen zu messenden Spannungen umzuschalten. Dazu können aktuell nicht zu messende Spannungen ausgeschaltet und eine zu messende
Spannungen auf den Filter 64 geschaltet und zu dem Messmodul-IC 50 geleitet werden.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriemanagementsystem (1 ) für eine Batterie (10) mit mehreren
Batteriezellen (9) in Reihenschaltung, umfassend ein Batteriesteuergerät (2), mehrere Niederspannungsmesseinrichtungen (8), mit denen jeweils die Spannung einer oder mehrerer Batteriezellen (9) messbar ist, sowie
eine oder mehrere Hochvoltspannungsmesseinrichtungen (4) für eine Spannung über mehrere oder alle Batteriezellen (9), und/oder wenigstens eine Strommesseinrichtung (6), mit der ein Strom von der oder durch die Batterie (10) messbar ist, und/oder
wenigstens ein Messmodul (46), das eine
Hochvoltspannungsmesseinrichtung (4) und eine
Strommesseinrichtung (6) umfasst,
gekennzeichnet durch
eine Signalübertragungseinrichtung (7), mit der Signale von Niederspannungsmesseinrichtungen (8) und wenigstens einer von der Hochvoltspannungsmesseinrichtung (4) und/oder der Strommesseinrichtung (6) und/oder dem Messmodul (46) zu dem Batteriesteuergerät (2) übertragbar sind.
2. Batteriemanagementsystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Niederspannungsmesseinrichtungen (8) und wenigstens eine von einer Hochvoltspannungsmesseinrichtung (4), einer Strommesseinrichtung
(6) und einem Messmodul (46) mittels der Signalübertragungseinrichtung
(7) in einer Kettenschaltung (Daisy-Chain) in einem einzigen Bus zusammengeschaltet sind, wobei das Batteriemanagementsystem dazu eingerichtet ist, dass Daten, die mittels der Signalübertragungseinrichtung übertragen werden, durch wenigstens eine Komponente der
Reihenschaltung laufen und danach zu einer benachbarten Komponente weitergeleitet werden.
3. Batteriemanagementsystem (1 ) nach einem Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochvoltspannungsmesseinrichtung (4), insbesondere in einem Messmodul (46), einen Hochvoltspannungs- Niederspannungs-Wandler (67) aufweist.
Batteriemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (1 ) wenigstens einen Spannungsmesschip (50) mit einem
Kommunikationsmodul (17) umfasst, wobei das Kommunikationsmodul (17) zur Kommunikation über die Signalübertragungseinrichtung (7) eingerichtet ist und der Spannungsmesschip (50) insbesondere eine Trenneinrichtung (1 1 ) zur galvanischen Trennung und/oder elektrischen Isolierung des Kommunikationsmoduls (17) von der Signalübertragungseinrichtung (7) aufweist.
Batteriemanagementsystem (1 ) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Hochvoltspannungsmesseinrichtung (4) einen gleichen
Spannungsmesschip wie eine Niederspannungsmesseinrichtung (8) aufweist.
Batteriemanagementsystem (1 ) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Batteriemanagementsystem (1 ) ein Messmodul (46) aufweist,
das eine Hochvoltspannungsmesseinrichtung (4) und eine
Strommesseinrichtung (6) aufweist, wobei das Messmodul (46) dazu eingerichtet ist, Messsignale mittels einer Schnittstelle (17) über die
Signalübertragungseinrichtung (7) zu übertragen,
wobei die Hochvoltspannungsmesseinrichtung (4), wenigstens Teile der
Strommesseinrichtung (6) und die Schnittstelle (17) auf einem Chip
(50) integriert sind.
Batteriemanagementsystem (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmodul (46) eine weitere Strommesseinrichtung (6) zur zweifachen Messung desselben durch die Batterie (10) fließenden Stroms aufweist.
Batteriemanagementsystem (1 ) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmodul (46) eine Kommunikationskomponente umfasst, die zur Kommunikation mit dem Batteriesteuergerät (2) mittels eines Signals eingerichtet ist, wobei zwischen der Kommunikationskomponente und der
Signalübertragungseinrichtung (7) und/oder dem Batteriesteuergerät (2) eine galvanische Trennung und/oder elektrische Isolation wirksam ist, die
Teil des Messmoduls (46) ist.
Batterie (10) mit einem Batteriemanagementsystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zur Messung von Niederspannungen von einer oder mehreren Batteriezellen (9) einer Batterie mittels Niederspannungsmesseinrichtungen (8) und zur Messung einer Hochvoltspannung der Batterie (10) mit wenigstens einer Hochvoltspannungsmesseinrichtung (4) für eine
Spannung über mehrere oder alle Batteriezellen (9), bei dem Signale von den Niederspannungsmesseinrichtungen (8) und Signale der
Hochvoltspannungsmesseinrichtung (4) Über dieselbe
Signalübertragungseinrichtung (7) zu einem Batteriesteuergerät (2) übertragen werden.
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