Titel

Bateriesystem und Verfahren zum Betreiben eines Bateriesystems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems.

Stand der Technik

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind verschiedene Batteriesysteme als Strom- und Spannungsquelle für Elektromotoren bekannt. Gemäß einem Ansatz sind zur Erzielung eines gewünschten Strom- und Spannungsmusters mehrere Batteriezellen und/oder Module in Reihe zueinander geschaltet. Bei einer starren Reihenschaltung, welche bei herkömmlichen Systemen noch häufig verbaut wird, gestaltet sich eine Zu- und Abschaltung einzelner Batteriezellen schwierig bis unmöglich. Dies führt insbesondere zu Problemen hinsichtlich einer gewünschten Ausfallsicherheit des Batteriesystems.

Ein wesentliches Problem bei derartigen Systemen entsteht durch den

Kommunikationsaufwand für das sogenannte Balancing der einzelnen

Batteriezellen. Hier muss ein übergeordnetes Steuergerät mit hoher Datenrate mit den Messwerten der einzelnen Batteriezellen versorgt werden und kann anschließend entscheiden, welcher Batteriezelle Energie entnommen wird und welcher nicht. Die hohe Datenrate entsteht aus der Notwendigkeit für alle Batteriezellen nacheinander diese Entscheidung zu treffen, da dies in dem Batteriesystem nicht parallel verarbeitet werden kann.

Dieser Problematik kann dadurch Rechnung getragen werden, indem jeder Zellebene ein Unter- Steuergerät zugeordnet wird. Die Zellebene wird dadurch autonom entscheidungsfähig. D. h., in diesem Fall ist es ausreichend, bspw. den einzelnen Steuergeräten gleichzeitig nur noch eine Einschaltwahrscheinlichkeit vorzugeben, mit der diese eingeschalten sein müssen. Ist die von den

Batteriezellen zur Verfügung gestellte Spannung in Summe zu niedrig, kann das übergeordnete Steuergerät eine Wahrscheinlichkeitsvorgabe erhöhen um weitere Batteriezellen zum Einschalten zu zwingen. Im Gegenzug kann bei verringertem Versorgungsspannungsbedarf, bspw. bei einer geringen Fahrgeschwindigkeit, die Wahrscheinlichkeitsvorgabe herabgesetzt werden, um es schwächeren Batteriezellen zu erlauben, sich auf das Ladeniveau der anderen Batteriezellen zu heben. Eine gattungsgemäße Lehre zum Betreiben eines Batteriesystems geht aus der US 2010/261048 Al hervor.

Eine Schwierigkeit bei dem vorstehend beschriebenen Ansatz ist jedoch weiterhin die sichere Versorgung der einzelnen Unter- Steuergeräte mit Strom. Wegen eines möglichen Ausfalles einer dem Unter- Steuergerät zugeordneten Batteriezelle dürfen sich die Unter- Steuergeräte möglichst nicht aus den zugeordneten Batteriezellen mit Strom versorgen. Eine weitere Schwierigkeit ist die bidirektionale Kommunikation der einzelnen Unter- Steuergeräte mit dem übergeordneten Steuergerät. Zum einen müssen die einzelnen Zellebenen die Vorgaben des übergeordneten Steuergeräts erhalten, zum anderen benötigt das übergeordnete Steuergerät Informationen aus den einzelnen Batteriezellen.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriesystem gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, das der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest tlw. Rechnung trägt. Ferner wird ein Verfahren gemäß Anspruch 7 zum Betreiben eines solchen Batteriesystems vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Unteransprüchen und den Figuren. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Batteriesystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Batteriesystem weist eine Ansteuereinheit, ein Haupt- Steuergerät, mehrere Unter- Steuergeräte sowie mehrere Batteriezellen auf, wobei die Ansteuereinheit zur Datenerfassung von den Unter- Steuergeräten mit den Unter- Steuergeräten in Signalverbindung steht und jedes Unter- Steuergerät zur Datenerfassung von der zugehörigen

Batteriezelle jeweils mit einer Batteriezelle in Signalverbindung steht, und wobei das Haupt- Steuergerät zur Energieversorgung der Unter- Steuergeräte mit den Unter- Steuergeräten elektrisch verbunden ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass die Unter- Steuergeräte durch ein zur Ansteuereinheit separat angeordnetes Haupt- Steuergerät zuverlässig mit Strom und Spannung versorgt werden können und über das Haupt- Steuergerät auf bidirektionale Weise gleichzeitig ein

Informationsaustausche zwischen den Unter- Steuergeräten, dem Haupt- Steuergerät sowie der Ansteuereinheit realisiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit untergeordneten Unter- Steuergeräten und einem übergeordneten Haupt- Steuergerät zur Verfügung gestellt. Zur Energieversorgung der Unter- Steuergeräte kann das Haupt- Steuergerät mit den Unter- Steuergeräten durch ein getaktetes Spannungssignal elektrisch verbunden sein. D.h., das übergeordnete Haupt- Steuergerät kann einen Takt mit einem vordefinierbaren Spannungssignal als Pulsfolge generieren, wodurch die einzelnen Unter- Steuergeräte mit Energie bzw. Strom und

Spannung versorgt werden. Bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass das Haupt- Steuergerät, zur Energieversorgung der Unter- Steuergeräte, mit einem getakteten

Spannungssignal mit einer Frequenz in einem Bereich zwischen 1kHz und lmHz, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 kHz und 200 kHz, mit den Unter- Steuergeräten bzw. mit einem jeweiligen Unter- Steuergerät in

Signalverbindung steht.

Die Unter- Steuergeräte stellen erfindungsgemäß jeweils zusätzlich eine

Stromsenke dar. D. h. die Unter- Steuergeräte entnehmen dem Pulssignal jeweils nicht nur die Eigenversorgung, sondern einen zusätzlichen Strom. Der Strom kann analog mit einer Höhe in einem Bereich zwischen 1 mA undlO mA entnommen werden. Damit kann dem übergeordneten Haupt- Steuergerät zum Beispiel eine Information über den Ladezustand (SOC) der jeweiligen

Batteriezelle mitgeteilt werden. Da dies bei allen Unter- Steuergeräten gleichzeitig durchgeführt werden kann, ist es möglich, durch das übergeordnete Haupt- Steuergerät eine Information über die insgesamt zu Verfügung stehende Ladung bzw. den entsprechenden Strom ohne wesentliche Verzögerungen und insbesondere während eines regulären Betriebs des Batteriesystems zu erlangen. Über die Höhe des gesamten Stromes kann anschließend die

Verfügbarkeit des Gesamtsystems im laufenden Betrieb ermittelt werden.

Erfindungsgemäß steht jedes Unter- Steuergerät jeweils mit einer Batteriezelle in direkter Signalverbindung, insbesondere in elektrischer Verbindung. Unter einer Signalverbindung kann vorliegend insbesondere eine Datenverbindung zum bidirektionalen Datenaustausch verstanden werden. Über die Signalverbindung kann, muss aber kein Strom geführt werden können. Unter der elektrischen Verbindung ist vorliegend eine kabel- oder drahtgebundene, mechanische Verbindung zwischen wenigstens zwei Funktionsbauteilen zu verstehen. Durch die elektrische Verbindung bzw. eine entsprechende Verbindungsleitung oder eine Verbindungsleitungsanordnung können Strom und Spannung, gleichzeitig aber auch Daten übertragen werden.

Unter dem Batteriesystem ist vorzugsweise ein Batteriesystem zur

Leistungsversorgung einer elektrischen Antriebseinheit, insbesondere eines Elektromotors, zum Antreiben des Kraftfahrzeugs zu verstehen, wobei das Kraftfahrzeug entsprechend als reines Elektrofahrzeug oder in Form eines Hybrid- Elektrofahrzeugs ausgestaltet sein kann. Unter einem Kraftfahrzeug kann vorliegend ein Straßenfahrzeug wie ein PKW und ein LKW, ein

Schienenfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Luftfahrzeug und/oder ein Roboter verstanden werden. Darüber hinaus kann das Batteriesystem zur Verwendung in stationären Systemen wie sicherheitsrelevanten Batteriespeichersystemen Verwendung finden.

Die Ansteuereinheit kann in Form einer Ansteuereinheit für eine

Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs ausgestaltet sein. So kann die Ansteuereinheit als Ansteuereinheit bzw. entsprechendes Steuergerät eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs konfiguriert und ausgestaltet sein. Das Haupt- Steuergerät ist in diesem Fall funktionstechnisch nicht direkt dem Elektromotor, sondern den Unter- Steuereinheiten und dadurch den Batteriezellen zugeordnet.

Unter der Datenerfassung kann eine zeitgleiche oder

zeitfolgerichtige Messung und Zählung, gegebenenfalls einschließlich eines Zeitstempels für messbare oder zählbare Daten und Gruppen von

zusammenhängenden Daten, verstanden werden. Das Haupt- Steuergerät kann mit jedem Unter- Steuergerät direkt oder indirekt elektrisch verbunden sein. D. h., zwischen dem Haupt- Steuergerät und den Untersteuergeräten kann jeweils noch wenigstens ein weiteres Funktionsbauteil angeordnet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Batteriesystem das Haupt- Steuergerät zur

Energieversorgung der Unter- Steuergeräte mit den Unter- Steuergeräten durch einen ersten Signalpfad und einen zweiten Signalpfad elektrisch verbunden ist, wobei der erste Signalpfad und der zweite Signalpfad jeweils zur

Energieversorgung der Unter- Steuergeräte konfiguriert und angeordnet sind. Vorliegend wurde herausgefunden, dass eine redundante Auslegung der Strom- bzw. Energieversorgung noch mehr Vorteile mit sich bringt. Dadurch, dass der erste Signalpfad und der zweite Signalpfad jeweils zur Energieversorgung der Unter- Steuergeräte konfiguriert und angeordnet sind, können Versorgung und Kommunikation zwischen dem Haupt- Steuergerät und den Unter- Steuergeräten erweitert gegen Ausfälle geschützt werden. Darüber hinaus kann eine

Plausibilisierung im laufenden Betrieb stattfinden, wenn eine Information des einen Kanals bzw. bspw. des ersten Signalpfads mit einer Information des anderen Kanals bzw. des zweiten Signalpfads überprüft wird. Auch die

Energieversorgung kann auf Redundanz geprüft werden, wenn bspw. die zum Betrieb notwendige Grundstromversorgung über den ersten Signalpfad sichergestellt wird, weitere Pulse - und damit eine analoge Strominformation - aber über den benachbarten zweiten Signalpfad.

Außerdem ist es möglich, dass bei einem Batteriesystem gemäß der

vorliegenden Erfindung für eine Potentialtrennung zwischen dem Haupt- Steuergerät und den Unter- Steuergeräten jeweils ein Kondensator oder eine Spulenanordnung zwischen dem Haupt- Steuergerät und den Unter- Steuergeräten angeordnet ist. Die spannungsbezogene Abtrennung der einzelnen Zellebenen parallel kapazitiv über Kondensatoren weist Vorteile bezüglich einer notwendigen Kapazität der eingesetzten Kondensatoren auf. Gleichwohl kann die Abtrennung auch seriell kapazitiv vorgenommen werden. Dies resultiert in Vorteilen bezüglich der Anzahl und Spannungsfestigkeit der Kondensatoren. Alternativ ist die Abtrennung auch durch induktive Komponenten wie die vorstehend erwähnte Spulenanordnung möglich. Auch hier kann die Abtrennung seriell oder parallel erfolgen. Darüber hinaus sind noch weitere Kopplungsmöglichkeiten wie bspw. über Spartransformatoren möglich.

Unter einer Anordnung eines Funktionsbauteils bzw. einer Funktionsbaugruppe in Form des Kondensators oder der Spulenanordnung zwischen dem Haupt- Steuergerät und den Unter- Steuergeräten ist eine Anordnung eines ersten Funktionsbauteils zwischen dem Haupt- Steuergerät und einem ersten Unter- Steuergerät, eines zweiten Funktionsbauteils zwischen dem Haupt- Steuergerät und einem zweiten Unter- Steuergerät, und eines beliebig weiteren

Funktionsbauteils zwischen dem Haupt- Steuergerät und einem beliebig weiteren Unter- Steuergerät zu verstehen.

Wie vorstehend erwähnt, können die Kondensatoren oder die

Spulenanordnungen bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein. Abhängig von der Architektur und den Ansprüchen an das vorliegende Batteriesystem kann dieses dadurch besonders anpassungsfähig bereitgestellt werden. Entsprechend ist es bei einem

erfindungsgemäßen Batteriesystem möglich, dass die Kondensatoren oder die Spulenanordnungen parallel zueinander geschaltet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend im Detail erläuterten Batteriesystems zur Verfügung gestellt. Im Rahmen des Verfahrens werden die Unter- Steuergeräte durch eine elektrische Verbindung zwischen den Unter- Steuergeräten und dem Haupt- Steuergerät mit Energie versorgt. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriesystem beschrieben worden sind.

Das Verfahren kann automatisch durch ein Computerprogramm durchgeführt sein oder werden. D.h., im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein

Computerprogramm zum Einstellen bzw. Steuern und/oder Regeln des

Batteriesystems bereitgestellt sein, das auf einem Medium gespeichert und/oder installiert zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet ist. Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie bspw. in JAVA, C++ oder C# implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem

Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie ein Steuergerät derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie bspw. dem Internet bereitgestellt werden bzw. sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerprogramm kann sowohl mittels einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Hardware in Form eines Computerprogrammprodukts, oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software- Komponenten und Hardware- Komponenten, realisiert werden bzw. sein.

Weiterhin ist es möglich, dass die Unter- Steuergeräte durch die elektrische Verbindung zwischen den Unter- Steuergeräten und dem Haupt- Steuergerät über ein getaktetes Spannungssignal mit Energie versorgt werden. Auf eine

Energiequelle in Form der Batteriezellen kann dadurch verzichtet werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung kann durch das Haupt- Steuergerät ein einstellbar gepulstes Spannungssignal als Code zum Ermitteln eines Betriebs- und/oder Alterungszustandes der Unter- Steuergeräte an die Unter- Steuergeräte übermittelt werden. Die Anordnung der Pulse ermöglicht es, einzelne Codes digital an die Unter- Steuergeräte bzw. jeweils an eines der Unter- Steuergeräte zu übermitteln. Über den Code bzw. die Codes können bspw. defekte Steuergeräte aufgefordert werden, dies dem Haupt- Steuergerät mitzuteilen. Nachdem über Codes vom übergeordneten Haupt- Steuergerät auch einzelne Unter- Steuergeräte direkt adressiert werden können, können diese auch selektiv einen Strom einprägen und sich so dem übergeordneten Haupt- Steuergerät mitteilen.

Der vorstehend beschriebene Prozess kann relativ zeitaufwändig sein. Bei Versuchen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, hat es sich als Vorteilhaft herausgestellt, dass die Codes vom Haupt- Steuergerät einzeln direkt an die jeweiligen Unter- Steuergeräte übermittelt werden, wobei dies während eines Startvorgangs bzw. eines Hochfahrens des Batteriesystems durchgeführt wird. Nachteilige Wechselwirkungen konnten hierbei nicht festgestellt werden.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den

Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen

Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Batteriesystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Batteriesystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Batteriesystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Batteriesystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig. 5 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Batteriesystems gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 5 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein Batteriesystem la für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Batteriesystem la weist eine Ansteuereinheit 3 in Form eines Motorsteuergeräts für einen Elektromotor 2 des Kraftfahrzeugs, ein Haupt- Steuergerät 4 und mehrere Unter- Steuergeräte 5 auf. Außerdem weist das Batteriesystem mehrere den Unter- Steuergeräten 5 zugeordnete Batteriezellen 6 auf. Die Ansteuereinheit 3 steht zur Datenerfassung von den Unter- Steuergeräten 5 mit den Unter- Steuergeräten 5 in Signalverbindung. Ferner steht jedes Unter- Steuergerät 5 zur Datenerfassung von der zugehörigen Batteriezelle 6 jeweils mit einer Batteriezelle 6 in Signalverbindung. Darüber hinaus ist das Haupt- Steuergerät 4 zur Energieversorgung der Unter- Steuergeräte 5 mit den Unter- Steuergeräten 5 elektrisch verbunden. Das Haupt- Steuergerät 4 ist, zur Energieversorgung der Unter- Steuergeräte 5 mit einem getakteten

Spannungssignal von ca. 100 kHz, mit den Unter- Steuergeräten 5 elektrisch verbunden. Zur Potentialtrennung zwischen dem Haupt- Steuergerät 4 und den Unter- Steuergeräten 5 ist jeweils ein Kondensator 9 zwischen dem Haupt- Steuergerät 5 und den Unter- Steuergeräten 5 angeordnet. Die Kondensatoren 9 sind parallel zueinander geschaltet.

In Fig. 2 ist ein Batteriesystem lb gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. In dem in Fig. 2 dargestellten Batteriesystem lb ist das Haupt- Steuergerät 4 zur Energieversorgung der Unter- Steuergeräte 5 mit den Unter- Steuergeräten 5 durch einen ersten Signalpfad 7 und einen zweiten Signalpfad 8 elektrisch verbunden, wobei der erste Signalpfad 7 und der zweite Signalpfad 8 jeweils zur Energieversorgung der Unter- Steuergeräte 5 konfiguriert und angeordnet sind. Die Kondensatoren 9 sind parallel zueinander geschaltet. In Fig. 3 ist ein Batteriesystem lc gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. In dem in Fig. 3 dargestellten Batteriesystem lc sind die

Kondensatoren 9 in Reihe geschaltet.

Fig. 4 zeigt ein Batteriesystem ld gemäß einer vierten Ausführungsform, in welchem an Stelle der Kondensatoren 9 induktive Spulenanordnungen 10 bereitgestellt sind. Gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform sind die Spulenanordnungen 10 parallel zueinander geschaltet.

In Fig. 5 ist ein Batteriesystem le gemäß einer fünften Ausführungsform dargestellt. In dem in Fig. 5 dargestellten Batteriesystem le sind die

Spulenanordnungen 10 in Reihe geschaltet.

Mit Bezug auf Fig. 1 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestellten Batteriesystems la erläutert, bei welchem die Unter- Steuergeräte 5 durch die elektrische Verbindung zwischen den Unter- Steuergeräten 5 und dem Haupt- Steuergerät 4 mit Energie bzw. Strom und Spannung versorgt werden. Genauer gesagt werden die Unter- Steuergeräte 5 durch die elektrische

Verbindung zwischen den Unter- Steuergeräten 5 und dem Haupt- Steuergerät 4 über ein getaktetes Spannungssignal mit Energie versorgt. Hierbei wird durch das Haupt- Steuergerät 4 ein einstellbar gepulstes Spannungssignal als Code zum Ermitteln eines Betriebszustandes der Unter- Steuergeräte 5 an die Unter- Steuergeräte 5 übermittelt, wobei die Codes vom Haupt- Steuergerät 4 einzeln direkt an die jeweiligen Unter- Steuergeräte 5 übermittelt werden. Da dieser Vorgang relativ viel Zeit in Anspruch nehmen kann, wird dies während eines Startvorgangs des Batteriesystems la bzw. während eines Hochfahrens des Batteriesystems la durchgeführt.

Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere

Gestaltungsgrundsätze zu. D. h., die Erfindung soll nicht auf die zu den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.