ELEKTRISCHES BATTERIEMODUL USING OPTICAL COMMUNICATION

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Batteriemodul.

Elektrische Batteriemodule werden z.B. in Elektrofahrzeugen als Bestandteil einer

Traktionsbatterie eingesetzt. Dabei weist ein Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, wobei dann mehrere Batteriemodule in Reihe und/oder parallel geschaltet werden, um so eine Batterieeinheit mit gewünschter Spannung und Kapazität zu bilden. Die einzelnen Batteriemodule sind dabei datentechnisch mit einem zentralen Steuergerät, dem Batteriemanagement-Steuergerät, verbunden. Die Datenverbindung zwischen den Steuergeräten der Batteriemodule und dem zentralen Batteriemanagement- Steuergerät ist beispielsweise als CAN-Bus ausgebildet. In dem Batteriemodul sind jeweils Gruppen von Batteriezellen Messeinrichtungen zugeordnet, die beispielsweise Spannung und Temperatur der zugeordneten Batteriezellen erfassen und an ein zentrales Steuergerät des Batteriemoduls übermitteln. Dieses zentrale Steuergerät kann auch Steuerbefehle an die Messeinrichtungen übermitteln, damit beispielsweise ein Zell-Balancing durchgeführt wird. Dieses zentrale Steuergerät des Batteriemoduls kann auch als Master bezeichnet werden. Die Datenübertragung zwischen den Messeinrichtungen und dem Master kann dabei elektrisch oder optisch sein.

Aus der DE 10 2009 058 879 A1 ist ein gattungsgemäßes elektrisches Energiespeichersystem eines Elektrofahrzeugs bekannt, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Komponenten und Datenübertragungseinrichtungen zur Übertragung von Datensignalen von und/oder zu wenigstens einer der Komponenten. Dabei umfassen die Datenübertragungseinrichtungen wenigstens eine Übertragungsstrecke für elektromagnetische Strahlung zur Datenübertragung. Vorzugsweise ist wenigstens eine Übertragungsstrecke als Lichtwellenleiter zur optischen Datensignalübertragung ausgebildet, wobei vorzugsweise der Lichtwellenleiter über einen Steckverbinder mit der betroffenen Komponente verbunden ist. Weiter ist auch offenbart, dass mindestens eine Übertragungsstrecke als Optokoppler ausgebildet ist.

Aus der DE 10 2012 202 690 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Datenbussystem und einem elektrischen Hochvoltspeicher bekannt, welcher in das Datenbussystem des Fahrzeugs integriert ist und welches eine Speichermanagementeinheit und zumindest ein Zellmodul aufweist. Dabei ist die Speichermanagementeinheit an das Datenbussystem des Fahrzeugs angeschlossen. Weiter ist dem zumindest einen Zellmodul eine elektronische

Zellüberwachungseinheit zugeordnet, wobei ein optisches Datenbussystem die

Speichermanagementeinheit und die elektrische Zellüberwachungseinheit miteinander verbindet.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein elektrisches Batteriemodul mit einer alternativen Übertragungsstrecke für die Daten zu schaffen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , 7 oder 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das elektrische Batteriemodul weist eine Vielzahl von Batteriezahlen auf, wobei jeweils

Gruppen von Batteriezellen Messeinrichtungen mit einer Datenübertragungseinrichtung zugeordnet sind. Dabei weist das Batteriemodul mindestens einen Master mit einer Schnittstelle zu einem Batteriemanagement-Steuergerät auf, wobei die Datenübertragungseinrichtungen und der mindestens eine Master optische Übertragungsstrecken sind. Dabei umfasst die optische Übertragungsstrecke jeweils einen Lichtleiter, der zwei benachbarten Messeinrichtungen oder einer Messeinrichtung und dem Master zugeordnet ist. Der Vorteil eines solchen Daisy Chain Netzwerks mit geteilten Lichtleitern ist, dass die damit verbundene Datenübertragung ähnlich der elektrischen Datenübertragung ist. Somit kann die Elektronikplatine mit ihrer Logik weitgehend weiterverwendet werden, wobei nur die Wandlung von elektrischen Signalen in optische Signale bzw. umgekehrt realisiert werden muss. Eine Gruppe enthält beispielsweise 4 bis 12 Batteriezellen. Die Schnittstelle des Masters zu dem Bussystem ist vorzugsweise als CAN-Schnittstelle ausgebildet. Alternativ kann diese Schnittstelle auch als FlexRay-Schnittstelle ausgebildet sein. Allerdings kann diese Schnittstelle auch eine Funkschnittstelle oder eine optische Schnittstelle sein. Die Messeinrichtungen können zusätzlich Steuereinheiten aufweisen, um ein Zell-Balancing durchzuführen.

In einer Ausführungsform ist jeweils ein optischer Sender der einen Messeinrichtung und ein optischer Empfänger der anderen Messeinrichtung dem jeweiligen Lichtleiter zugeordnet, wobei dem Master und der letzten Messeinrichtung ein Lichtleiter zugeordnet ist, sodass eine Ring- Struktur entsteht. In einer alternativen Ausführungsform sind jeweils ein optischer Sender und Empfänger der einen Messeinrichtung und jeweils ein optischer Sender und Empfänger der anderen

Messeinrichtung dem jeweiligen Lichtleiter zugeordnet, wobei die Sender und Empfänger der Messeinrichtungen derart ausgebildet sind, jeweils in zwei Lichtleiter Licht einzukoppeln oder auszukoppeln. Hierdurch wird eine offene Kette realisiert, die teilweise schneller als eine Ringstruktur ist.

In einer Ausführungsform weisen die Messeinrichtungen jeweils zwei optische Sender und zwei optische Empfänger auf, wobei jeweils ein Sender und Empfänger einem Lichtleiter zugeordnet sind. Somit lässt sich sehr einfach die Zuordnung zu zwei Lichtleitern realisieren, allerdings erhöht sich die Anzahl der benötigten Bauteile.

In einer alternativen Ausführungsform sind die Sender und Empfänger derart ausgebildet, dass deren Abstrahlcharakteristik und Empfangscharakteristik veränderbar sind, sodass die Anzahl der Bauelemente minimal ist.

In einer Ausführungsform sind die Lichtleiter als Plexiglasscheiben ausgebildet, was besonders unter Kostengründen sehr günstig ist.

In einer alternativen Ausführungsform weist das Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen auf, wobei jeweils Gruppen von Batteriezellen Messeinrichtungen mit einer

Datenübertragungseinrichtung zugeordnet sind, wobei das Batteriemodul mindestens einen Master mit einer Schnittstelle zu einem Batteriemanagement-Steuergerät aufweist, wobei die Datenübertragungseinrichtungen und der mindestens eine Master optische

Übertragungsstrecken umfassen, wobei die Übertragungsstrecken zwischen den

Messeinrichtungen und dem Master als optische Freiraumübertragung ausgebildet sind, wobei die Datenübertragungseinrichtungen derart ausgebildet sind, dass die Messeinrichtungen direkt bidirektional mit dem Master kommunizieren. Hierdurch kann eine extrem schnelle

Kommunikation realisiert werden, die sehr kompakt ist, da auf Lichtleiter komplett verzichtet werden kann.

In einer alternativen Ausführungsform weist das Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen auf, wobei jeweils Gruppen von Batteriezellen Messeinrichtungen mit einer

Datenübertragungseinrichtung zugeordnet sind, wobei das Batteriemodul mindestens einen Master mit einer Schnittstelle zu einem Batteriemanagement-Steuergerät aufweist, wobei die Datenübertragungseinrichtung und der mindestens eine Master optische Übertragungsstrecken umfassen, wobei die Übertragungsstrecken zwischen den Messeinrichtungen und dem Master über einen gemeinsamen Lichtwellenleiter erfolgen, wobei die Messeinrichtungen und der Master als vermaschtes optisches Netz konfiguriert sind. Dies erlaubt eine sehr robuste und schnelle Datenübertragung, da vermaschte Netze im Regelfall selbstheilend sind. Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Messeinrichtungen und der Master als voll vermaschtes optisches Netz konfiguriert sind. Vorzugsweise ist der Lichtleiter für das vermaschte Netz eine Plexiglasscheibe.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Batteriemoduls ist der Einsatz in einer

Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teildarstellung eines Batteriemoduls in einer ersten

Ausführungsform,

Fig. 2 eine schematische Teildarstellung eines Batteriemoduls in einer zweiten

Ausführungsform,

Fig. 3 eine schematische Teildarstellung eines Batteriemoduls in einer dritten

Ausführungsform,

Fig. 4 eine schematische Teildarstellung eines Batteriemoduls in einer vierten

Ausführungsform und

Fig. 5 eine schematische Teildarstellung eines Batteriemoduls in einer fünften

Ausführungsform.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Teil eines Batteriemoduls 100 dargestellt. Das Batteriemodul 100 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 1 auf, die in Reihe geschaltet sind. Zusätzlich können noch Batteriezellen 1 parallel geschaltet sein, was aber aus Übersichtsgründen nicht dargestellt ist. Die Batteriezellen 1 sind gruppenweise unterteilt, wobei beispielsweise eine Gruppe A, B und C existiert, denen jeweils eine Messeinrichtung 2A, 2B und 2C zugeordnet ist. Die

Messeinrichtungen 2A-2C weisen jeweils einen optischen Sender 3 auf, der beispielsweise als LED ausgebildet ist. Des Weiteren weisen die Messeinrichtungen 2A-2C jeweils einen optischen Empfänger 4 auf, die beispielsweise als Fototransistoren ausgebildet sind. Weiter weist das Batteriemodul 100 einen Master 5 auf, der ebenfalls einen optischen Sender 3 und einen optischen Empfänger 4 aufweist. Der Master 5 weist zusätzlich eine Schnittstelle 6 zu einem nicht dargestellten Batteriemanagement-Steuergerät auf. Das Batteriemodul 100 weist mehrere Lichtleiter 7, 8 auf, die beispielsweise als Plexiglasscheiben ausgebildet sind.

Die Lichtleiter 7 sind jeweils derart angeordnet, dass ein optischer Sender 3 des Masters 5 oder einer Messeinrichtung 2A-2B und ein optischer Empfänger 4 einer benachbarten

Messeinrichtung 2A-2C einem Lichtleiter 7 zugeordnet sind. Der optische Sender 3 der letzten Messeinrichtung 2C ist über den Lichtleiter 8 mit dem optischen Empfänger 4 des Masters 5 gekoppelt.

Möchte nun beispielsweise der Master 5 einen Steuerbefehl an die Messeinrichtung 2C übermitteln, so sendet der Master 5 diesen Steuerbefehl mittels seines optischen Senders 3 über den ersten Lichtleiter 7 an die Messeinrichtung 2A. Dort wird der optische Steuerbefehl empfangen und festgestellt, dass dieser für die Messeinrichtung 2C bestimmt ist. Die

Messeinrichtung 2A sendet dann den Steuerbefehl weiter an die Messeinrichtung 2B und diese dann schließlich an die Messeinrichtung 2C. Auf dem gleichen Weg leiten die

Messeinrichtungen 2A-2C ihre Messdaten an den Master 5 weiter. Es existiert also eine Ringstruktur.

In der Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform eines Batteriemoduls 100 dargestellt, wobei die Batteriezellen 1 nicht dargestellt sind. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 können die optischen Sender 3 und die optischen Empfänger 4 der Messeinrichtungen 2A, 2B ihre Sendecharakteristik bzw. ihre Empfangscharakteristik ändern, sodass diese in beide Richtungen senden können und aus beiden Richtungen empfangen können.

In der Fig. 3 ist eine ähnliche Ausführungsform wie in Fig. 2 dargestellt, wobei im Unterschied die beiden Messeinrichtungen 2A, 2B jeweils zwei optische Sender 3 und zwei optische Empfänger 4 aufweisen. Dies benötigt zwar mehr Bauteile, allerdings müssen optische Sender 3 und Empfänger 4 nicht mehr ihre Charakteristik ändern können.

In der Fig. 4 ist eine vierte Ausführungsform für ein Batteriemodul 100 dargestellt, wobei die Übertragungsstrecken zwischen den Messeinrichtungen 2A-2C und dem Master 5 als optische Freiraumübertragung ausgebildet sind, wobei die Kommunikation bidirektional ist. Dabei kann eine Gehäusewand 9 ausgenutzt werden, an der die optischen Signale reflektiert werden. In der Fig. 5 ist schließlich eine fünfte Ausführungsform für ein Batteriemodul 100 dargestellt, wobei die Übertragungsstrecken zwischen den Messeinrichtungen 2A-2C und dem Master 5 über einen gemeinsamen Lichtwellenleiter 10 erfolgen, wobei die Messeinrichtungen 2A-2C und der Master 5 als vermaschtes optisches Netzwerk konfiguriert sind. In einem vermaschten Netz (englisch Mesh) ist jeder Netzwerkknoten mit einem oder mehreren anderen Knoten verbunden. Wenn jeder Knoten mit jedem anderen Knoten verbunden ist, spricht man von einem vollständig vermaschten Netz.

Zur Erläuterung der Betriebsweise soll zunächst davon ausgegangen werden, dass die

Messeinrichtungen 2A-2C und der Master ein vollständig vermaschtes Netz bilden. In diesem Fall kann jede Messeinrichtung 2A-2C direkt mit dem Master 5 kommunizieren und umgekehrt. Vorzugsweise verläuft dabei die Kommunikation mittels eines Hand-Shake-Verfahrens. Dadurch führt der Ausfall einer Messeinrichtung 2A-2C auch nicht zum Totalausfall, sondern nur die defekte Messeinrichtung liefert keine Daten mehr bzw. kann keine Steuerbefehle empfangen.

Wenn nun das Netz nicht vollständig vermascht ist, so muss nur gewährleistet sein, dass eine Messeinrichtung 2A-2C mit zwei oder mehr benachbarten Messeinrichtungen je Seite kommunizieren kann, um so eine defekte Messeinrichtung überspringen zu können.

Versucht beispielsweise die Messeinrichtung 2C, Daten an den Master 5 zu übermitteln, so werden diese Daten auch von den Messeinrichtungen 2B und 2A empfangen, wobei diese erkennen, dass die Daten nicht für sie bestimmt sind. Die Messeinrichtungen 2B, 2A speichern nun die Daten der Messeinrichtung 2C zwischen. Sendet dann der Master 5 ein

Bestätigungssignal an die Messeinrichtung 2C, so wird auch dieses Bestätigungssignal von den Messeinrichtungen 2A, 2B empfangen und die zwischengespeicherten Daten können gelöscht werden. Empfangen diese hingegen nicht das Bestätigungssignal, so können die

Messeinrichtungen 2A und/oder 2B die zwischengespeicherten Daten von der Messeinrichtung 2C erneut versenden und abwarten, ob der Master 5 nun den Empfang bestätigt. Ein solches vermaschtes Netz ist somit sehr robust gegen Ausfälle und Übertragungsprobleme. Dabei ist anzumerken, dass alle Knoten in alle Richtungen übertragen können, wobei die Knoten auch zeitgleich senden dürfen. Der Lichtwellenleiter 10 ist vorzugsweise als Plexiglasscheibe ausgebildet.