Titel

Batteriemanagementsystem, Batterie, Kraftfahrzeug mit Batteriemanagementsystem sowie Verfahren zur Überwachung einer Batterie

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem, eine Batterie mit dem Batteriemanagementsystem, ein Kraftfahrzeug mit dem

Batteriemanagementsystem sowie ein Verfahren zu Überwachung einer Batterie. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Batteriemanagementsystem sowie ein dazugehöriges Verfahren zur Ermittlung und Auswertung von mindestens einer

Messgröße aus Batteriezellen oder Batteriemodulen.

Stand der Technik Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, wie zum Beispiel bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich deren Zuverlässigkeit,

Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.

Für solche Aufgaben sind insbesondere Batterien mit Lithium-Ionen-Technologie geeignet. Sie zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung aus. Definitionsgemäß bestehen Lithium-Ionen- Batterien aus zwei oder mehreren Lithium-Ionen-Zellen, die miteinander verschaltet sind. Lithium-Ionen-Zellen können durch parallele oder serielle

Verschaltung zu Modulen, und dann zu Batterien verschaltet werden.

Typischerweise besteht ein Modul aus sechs oder mehr Zellen. Aus der DE102009046567 A1 ist eine Batterie bekannt, die aus mehreren Batteriemodulen aufgebaut ist, wobei die Batteriemodule mittels eines zentralen Batteriemanagementsystems überwacht werden. Wie in Figur 1 dargestellt ist, kann ein herkömmliches Batteriesystem 10 ein

Batteriemanagementsystem 1 1 mit einem zentralen Steuergerät 15 aufweisen, welches mit mehreren Zellüberwachungseinheiten 16 (englisch:„Cell Supervision Circuit"; CSC) kommuniziert, die jeweils mehreren Batteriezellen 14 oder Batteriemodulen zugeordnet sind. Im Folgenden kann je nach Zusammenhang die Gesamtheit der in Batteriemodulen angeordneten Batteriezellen 14 mit oder ohne das dazugehörige Batteriemanagementsystem 1 1 als Batterie bezeichnet werden. Die Batteriezellen 14 sind in Batteriemodule gruppiert, wobei die genaue Aufteilung der Batteriezellen in die Batteriemodule in Figur 1 nicht gezeigt ist. Das Batteriemanagementsystem 1 1 kann mit Batteriezellen 14 oder

Batteriemodulen in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht gezeigt) untergebracht sein. Die Batteriemodule können jeweils ein eigenes Gehäuse aufweisen. Mittels einer Anordnung der Batteriezellen 14 in Batteriemodule kann eine bessere Skalierbarkeit erreicht werden. Um die ordnungsgemäße Funktion der

Batteriezellen 14 zu überwachen, werden die Batteriezellen durch die mehreren CSCs 16 überwacht. Dabei sind typischerweise einer CSC 16 jeweils zwei

Batteriemodule zugeordnet. Eine CSC 16 beinhaltet eine Messelektronik, die die Spannung und weitere Parameter überwacht. Die mittels der CSC 16

gewonnenen Informationen werden über einen Kommunikationsbus 18, beispielsweise einen CAN-Bus, an ein zentrales Steuergerät 15 gesendet, das die Daten aller Batteriezellen 14 auswertet und bei Abweichungen von definierten

Parametern korrigierend eingreift oder notfalls die Schütze 17, 19 öffnet und das Batteriesystem 10 abschaltet.

Das Steuergerät 15 weist eine Niedervoltseite beziehungsweise ein

niedervoltseitiges Teil 22 mit einem Mikrocontroller 23 und eine Hochvoltseite beziehungsweise ein hochvoltseitiges Teil 24 mit einem Mikrocontroller 25 auf. Die Niedervoltseite 22 und die Hochvoltseite 24 sind über eine galvanische Trennung 29 miteinander verbunden. Die Niedervoltseite 22 ist mit einem Hall- Sensor 27 zum Messen des Batteriestroms verbunden, wobei die Hochvoltseite 24 mit einem Shunt 26 zur Messung des Batteriestroms verbunden ist. Das

Steuergerät 15 kommuniziert mit der Fahrzeugelektronik mittels des Busses 28. Die elektrischen Anschlüsse 12, 13 dienen zur Energieversorgung für beispielsweise ein Kraftfahrzeug und/oder zur Wiederaufladung der Batterie.

Eine weitere Topologie zur Zellüberwachung ist in Figur 2 dargestellt. Hier übertragen die CSCs 16 ihre Informationen über eine Daisy-Chain 32. Eine CSC

16 leitet dabei ihr Datenpaket an die Nächste, die ihre Informationen hinzufügt und wiederum an die nächste CSC 16 weitergibt. In jeder CSC 16 ist eine Zellspannungsmesseinheit 21 (CVM) angeordnet. Der Strang aus den in Daisy- Chain-Topologie angeordneten CSCs 16 ist wiederum mit dem Steuergerät 15 verbunden.

Die Überwachung der Zellspannungen sowie der Ströme und der Temperatur hinsichtlich Über- oder Unterschreitung bestimmter Grenzwerte ist ein wesentlicher Sicherheitsfaktor in einem Batteriesystem. ISO-Normen, insbesondere ISO 26262: Funktionale Sicherheit von E/E Systemen in KFZ, erfordern es, ein gewisses Sicherheitsniveau ASIL (englisch:„automotive safety integrity level") zu erreichen.

Um eine funktionale Sicherheit für das Batteriesystem 10 zu gewährleisten, werden die Daten der CSCs 16 sowohl auf der Hochvoltseite 24 als auch auf der

Niedervoltseite 22 des Steuergerätes 15 in den zwei redundanten

MikroControllern 23, 25 ausgewertet und miteinander verglichen. Der

hochvoltseitige Mikrocontroller 25 verwendet dabei die Gesamtspannung des Packs, das heißt aller Batteriemodule sowie den Gesamtstrom, der

beispielsweise mittels des Shunts 26 gemessen wird. Der niedervoltseitige

Mikrocontroller 23 misst die Spannung der einzelnen Batteriezellen 14 sowie den Strom, der beispielsweise über den Hall-Sensor 27 ermittelt wird.

Strom und Spannung müssen zum selben Zeitpunkt abgefragt werden, um plausible Werte errechnen zu können. Um die Werte der Hochvoltseite 24 und der Niedervoltseite 22 vergleichen zu können, müssen auch diese Daten parallel ermittelt werden. Um eine synchrone Datenbasis zu erhalten, werden daher durch das Steuergerät 15 zeitgleich Anfragen über den Kommunikationsbus 18 an die CSCs 16, Hall-Sensoren 27 und den Shunt 26 gesendet, die dann idealerweise zeitgleich zurückgemeldet werden. Zur Erfüllung eines hohen ASIL-Levels hat das Steuergerät zahlreiche

Sicherungs- und Kontrollfunktionen, die unter anderem eine Selbstüberwachung des Steuergeräts 15 beinhalten. Ferner überwacht das Steuergerät die CSCs 16. Um den hohen ASIL-Level zu halten, muss das Steuergerät 15 aufwendig programmiert werden, um die Plausibilität der CSC-Daten berechnen zu können und so die notwendige funktionale Sicherheit zu gewährleisten. Die Daten werden sowohl für den hochvoltseitigen Mikrocontroller 25 als auch für den niedervoltseitigen Mikrocontroller 23 des Steuergerätes 15 durch dieselben CSCs 16 erfasst. Das Steuergerät muss beide Mikrocontroller 23, 25 miteinander synchronisieren.

Die Synchronisation der Daten stellt jedoch ein Problem dar, welches nur mit hohem Aufwand zu beheben ist. So meldet die Messelektronik Daten nie genau synchron zurück, sodass Werte unterschiedlicher Zeitpunkte, beispielsweise die Spannung aus einer CSC 16 mit dem Strom aus dem Shunt 26 beziehungsweise aus den Hall-Sensoren 27, miteinander verrechnet werden. Darüber hinaus werden diese Werte noch mit asynchronen Werten verglichen, wenn ein

Vergleich der im hochvoltseitigen Mikrocontroller 25 errechneten Werte mit den im niedervoltseitigen Mikrocontroller 23. errechneten Werten durchgeführt wird. Die daraus resultierenden Abweichungen müssen mit hohem Rechenaufwand im

Steuergerät 15 korrigiert werden, was einen hohen Software-Aufwand nach sich zieht. Es müssen sehr komplexe Rechenmodelle zur Plausibilisierung der Sicherheit des Systems angewandt werden, die aufwendig programmiert werden müssen. Bekannte Topologien zur Überwachung von Batteriezellen erfordern eine hohe funktionale Sicherheit und somit ein hohes ASIL-Level und daher einen nicht geringen Software-Aufwand.

Offenbarung der Erfindung Es werden ein Batteriemanagementsystem sowie ein dazugehöriges Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 10 geschaffen.

Erfindungsgemäß weist ein Batteriemanagementsystem mehrere erste

Messeinheiten zur Erfassung einer Messgröße auf, die jeweils mindestens einem Batteriemodul der Batterie zugeordnet sind. Ferner weist das

Batteriemanagementsystem ein Steuergerät mit einem ersten Mikrocontroller und einem zweiten Mikrocontroller und eine erste Kommunikationsverbindung zur Übermittlung von Daten zwischen den ersten Messeinheiten und dem

Steuergerät auf sowie mehrere zweite Messeinheiten zur Erfassung der

Messgröße aus den Batteriemodulen der Batterie, zusätzlich zu der Erfassung der Messgröße durch die ersten Messeinheiten. Eine zweite

Kommunikationsverbindung dient zur Übermittlung von Daten zwischen den zweiten Messeinheiten und dem Steuergerät. Der erste Mikrocontroller ist dazu eingerichtet, von den ersten Messeinheiten erfasste Messdaten auszuwerten, und der zweite Mikrocontroller ist dazu eingerichtet, von den zweiten

Messeinheiten erfasste Messdaten unabhängig von dem ersten Mikrocontroller auszuwerten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung einer Batterie umfasst grundsätzlich: Erfassen einer Messgröße aus Messungen an Batteriezellen oder Batteriemodulen der Batterie, wobei Messeinheiten verwendet werden, die in unterschiedlichen Gruppen derart angeordnet sind, dass die Messgröße für jeweils eines oder mehrere Batteriemodule mehrmals und unabhängig voneinander ermittelt wird. Es wird somit ein Verfahren geschaffen, bei dem in einem ersten Schritt Informationen aus Batteriezellen oder Batteriemodulen mittels des ersten erfindungsgemäßen Strangs aus ersten Messeinheiten gewonnen werden, und in einem zweiten Schritt die erforderlichen Messungen mittels Verwendung von anderen Geräten, nämlich mittels des

erfindungsgemäßen zweiten Strangs aus zweiten Messeinheiten wiederholt oder zeitgleich ausgeführt werden. Jedoch erfolgen die Messungen der beiden Stränge bevorzugt zeitgleich, oder die Stränge werden zumindest zeitgleich angesteuert.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems ist, dass der Software-Aufwand reduziert werden kann und Schwierigkeiten bei der

Synchronisation der Daten entfallen, da zwei unabhängig voneinander agierende CSC-Stränge zur Verfügung stehen. Es wird ein Batteriemanagementsystem mit erhöhter Hardware-Redundanz geschaffen, bei dem die CSCs vorteilhaft angeordnet sind. Ferner wird damit eine erhöhte funktionale Sicherheit bereitgestellt, wobei Redundanzen bezüglich der CSCs, des

Kommunikationsbusses und den MikroControllern im Steuergerät geschaffen werden. Eine Synchronisation zwischen einem hochvoltseitigen Mikrocontroller und einem niedervoltseitigen Mikrocontroller ist nicht mehr oder nur noch minimal erforderlich, wodurch eine einfachere Programmierung des Steuergerätes ausreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ferner der erste Mikrocontroller dazu eingerichtet, die Auswertung der von den ersten Messeinheiten erfassten Messdaten unabhängig von dem zweiten Mikrocontroller vorzunehmen. Dadurch kann die Sicherheit weiter erhöht werden.

Die Kommunikation der separaten CSC-Stränge mit dem Steuergerät kann wahlweise über CAN und CAN, das heißt mittels eines CAN-Busses sowohl hochvoltseitig als auch niedervoltseitig, über CAN und Daisy-Chain, über Daisy- Chain und CAN oder über Daisy-Chain und Daisy-Chain laufen.

Dadurch wird eine erhöhte Flexibilität bereitgestellt. Die Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes Kommunikationssystem beschränkt, sondern kann vielmehr je nach Bedarf und Anwendungsfall geeignet angepasst werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die ersten Messeinheiten und/oder die zweiten Messeinheiten jeweils über einen zwischengeschalteten Zellüberwachungs-Mikrocontroller an die erste beziehungsweise die zweite Kommunikationsverbindung angeschlossen.

Dadurch kann vorteilhaft weiterhin ein hohes ASIL-Level gewährleistet und die funktionale Sicherheit weiter erhöht werden.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist jeweils eine der ersten

Messeinheiten in einer ersten Zellüberwachungseinheit angeordnet, wobei eine der zweiten Messeinheiten in einer zweiten, zu der ersten

Zellüberwachungseinheit unterschiedlichen Zellüberwachungseinheit angeordnet ist, derart dass die erste und die zweite Zellüberwachungseinheit jeweils mit denselben Batteriemodulen der Batterie gekoppelt sind. Diese Anordnung liefert eine erhöhte Symmetrie und kann daher beispielsweise den Programmieraufwand verringern.

Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel sind jeweils eine der ersten Messeinheiten zusammen mit einer der zweiten Messeinheiten in einer

Zellüberwachungseinheit angeordnet, wobei die Zellüberwachungseinheit zusätzliche zu der von den ersten und zweiten Messeinheiten überwachten Messgröße mindestens eine weitere physikalische Messgröße der Batteriezellen oder Batteriemodule erfasst.

Bei diesem vorteilhaften Beispiel kann eine sehr kompakte Bauweise erreicht werden, bei der eine Hardware-Redundanz selektiv auf bestimmte wichtige Parameter beschränkt wird. Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste

Mikrocontroller auf einer Niedervoltseite des Steuergeräts angeordnet, und der zweite Mikrocontroller ist auf einer Hochvoltseite des Steuergeräts angeordnet, die galvanisch voneinander getrennt sind. Ein Vorteil davon ist, dass eine Hochvolt-Überwachung einfacher ausgelegt werden kann, da die Hochvoltseite keine Bestimmung des Ladezustands (englisch:"state of Charge" (SOC) mehr aufweist, sondern lediglich eine

Sicherheitsfunktion übernimmt.

Ferner wird erfindungsgemäß eine Batterie mit einem

Batteriemanagementsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche geschaffen.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Batterie eine Lithium-Ionen- Batterie.

Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen

Batteriemanagementsystem geschaffen, wobei die zu überwachende Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Bevorzugt ist die Messgröße einer elektrische Spannung. Damit kann vorteilhaft in Kombination mit einer Strommessung von Stromsensoren des

Batteriemanagementsystems sowohl die Batteriespannung als auch der Ladezustand SOC überwacht werden.

Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Auch wenn die Verwendung der Erfindung für eine Ermittlung von batterieinternen Spannungen besonders vorteilhaft ist, so ist je nach den jeweiligen Erfordernissen auch eine Verwendung zur Ermittlung von anderen Messgrößen, wie beispielsweise einer Temperatur usw. möglich.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Batterie mit einem Batteriemanagementsystem nach dem Stand der Technik,

Figur 2 eine bekannte Daisy-Chain-Topologie,

Figur 3 eine Batterie mit einem Batteriemanagementsystem zur Überwachung von Batteriezellen der Batterie nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Zellen mit einem Strang CSCs je in einem Steuergerät angeordneter Mikrocontroller überwacht werden, und

Figur 4 eine Batterie mit einem Batteriemanagementsystem zur Überwachung von Batteriezellen der Batterie gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Zellen mit einer Kombination aus Daisy-Chain und CAN- Bus- Kommunikation überwacht werden.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 3 ist ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 30

Batteriemanagementsystem 31 zur Überwachung der Batteriezellen 14 der Batterie gezeigt. Gemäß der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform ist die Batterie dazu eingerichtet, eine Spannung an den Anschlüssen 12, 13 bereitzustellen und/oder über die Anschlüsse 12, 13 geladen zu werden. Die Batteriezellen 14 können in Batteriemodulen gruppiert sein. Den Batteriezellen 14 beziehungsweise den Batteriemodulen sind CSCs 35, 37 zugeordnet. Die CSCs 35, 37 sind mit den Batteriezellen 14 verbunden und dazu eingerichtet, die Batteriezellen 14 zu überwachen, wobei die Batteriezellen 14 jeweils doppelt überwacht werden in dem Sinne, dass zwei redundante Stränge aus CSCs 35 und aus CSCs 37 vorhanden sind, wie in Figur 3 gezeigt wird. Die CSCs 35, 37 werden von einem Steuergerät 15 ausgelesen und gegebenenfalls angesteuert. Da erfindungsgemäß die Zellmodule parallel von jeweils zwei CSCs 35, 37 überwacht werden, sind eine erhöhte Redundanz und eine daraus folgende erhöhte Funktionssicherheit vorhanden. Dadurch kann einfacher ein höheres ASIL-Level erreicht werden, ohne dass das Steuergerät 15 dazu komplexe Fehlermöglichkeitsberechnungen durchführen muss. Das Steuergerät 15 weist eine Hochvoltseite 24 und eine Niedervoltseite 22 auf, die jeweils mit einem redundanten Mikrocontroller 25, 23 bestückt sind. Die beiden Seiten 24, 22 sind mittels einer Trennung 29 galvanisch voneinander entkoppelt. Im Unterschied zum Stand der Technik arbeitet bei der erfindungsgemäßen Topologie die Hochvoltseite 24 unabhängig von der Niedervoltseite 22. Der eine Strang aus CSCs 35 versorgt den hochvoltseitigen Mikrocontroller 25, der andere Strang aus CSCs 37 parallel den niedervoltseitigen Mikrocontroller 23. Die mit der

Hochvoltseite 24 verbunden CSCs 35 sind mittels einer ersten

Kommunikationsverbindung 34 gekoppelt, wobei die mit der Niedervoltseite 22 verbundenen CSCs 37 mittels einer eigenen, zweiten

Kommunikationsverbindung 36 gekoppelt sind. Die Kommunikation der separaten CSC-Stränge mit dem Steuergerät 15 kann wahlweise über CAN und CAN, das heißt mittels eines CAN-Busses sowohl hochvoltseitig als auch niedervoltseitig, über CAN und Daisy-Chain, über Daisy-Chain und CAN oder über Daisy-Chain und Daisy-Chain laufen. Die Daten der jeweiligen Seiten müssen nicht miteinander synchronisiert werden, da die Erfassung parallel voneinander unabhängig erfolgt. Die Hochvoltseite ist mit einem Shunt 26 ausgestattet, und die Niedervoltseite ist mit einem Hall-Sensor 27 ausgestattet, sodass eine Strommessung unabhängig voneinander erfolgen kann. Eine alternative Ausführungsvariante ist in Figur 4 dargestellt. Gemäß der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist es vorgesehen, zwei unabhängig voneinander agierende Zellspannungsmesseinheiten 44, 42 in einer CSC 45 einzurichten. Der eine Strang versorgt den hochvoltseitigen Mikrocontroller 25 im Steuergerät 15, der andere parallel den niedervoltseitigen Mikrocontroller 23. Vorzugsweise werden dabei Zellspannungsmesseinheiten 44, 42

unterschiedlicher Hersteller eingesetzt. Für die Kommunikation können wieder oben genannte CAN-Daisy-Chain-Kombinationen genutzt werden. Wie in Figur 4 gezeigt, wird je CSC 45 jeweils ein Zellüberwachungs-Mikrocontroller 43 verwendet, der jeweils Daten aus den mit dem niedervoltseitigen Mikrocontroller 23 verbundenen Zellspannungsmesseinheiten 44, 42 empfängt. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird auf die Zellüberwachungs-Mikrocontroller 43 verzichtet.

Ein Fachmann erkennt, dass bei der vorliegenden Erfindung zahlreiche

Variationen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der unabhängigen Ansprüche zu verlassen. Beispielsweise wird in der vorliegenden Beschreibung die Erfindung zwar in Hinblick der Verbindung mit CAN oder Daisy-Chain-Busse beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Stattdessen sind auch andere Kommunikationsverbindungen möglich. Ferner wird zwar darauf hingewiesen, dass die Erfindung bevorzugt mit Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Dies soll jedoch keine Einschränkung des Schutzes darstellen. Stattdessen kann die Erfindung auch auf andere Batteriearten vorteilhaft angewandt werden.