DE102014215834A1 - Battery system and method of communication in a battery system - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Batteriesystem und ein Verfahren zur Kommunikation mit einem Batteriesystem (10) mit einem Zellmodul (1) und einer zugehörigen Kommunikationseinheit (3) vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte: – Vordefiniertes Verändern eines Versorgungsstromes und/oder einer Versorgungsspannung der Kommunikationseinheit (3), und – Auswerten der vordefinierten Veränderung als Kommunikationssignal in dem Zellmodul.A battery system and a method for communication with a battery system (10) with a cell module (1) and an associated communication unit (3) are proposed. The inventive method comprises the steps: Predefined change of a supply current and / or a supply voltage of the communication unit (3), and Evaluation of the predefined change as a communication signal in the cell module.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem sowie ein Verfahren zur Kommunikation in einem Batteriesystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Vereinfachungen bezüglich der Hardware zur Kommunikation zwischen einzelnen Zellmodulen sowie zwischen den Zellmodulen und einem übergeordneten Steuergerät innerhalb des Batteriesystems.The present invention relates to a battery system and a method for communication in a battery system. In particular, the present invention relates to simplifications in the hardware for communication between individual cell modules and between the cell modules and a higher-level control unit within the battery system.

Im Stand der Technik ist es bekannt, elektrische Energiespeicher aus einzelnen Modulen zusammenzusetzen, mittels welcher der elektrochemische Energiespeicher in der Lage ist, höhere Spannungen oder höhere Ströme bereitzustellen, als es die einzelnen Speichermodule sind. Zur Kommunikation zwischen den Zellmodulen untereinander bzw. zwischen den Zellmodulen und einer ihnen übergeordneten Steuereinheit werden üblicherweise Steuerleitungen vorgesehen, welche mitunter als „Bus“ ausgestaltet sind. In diesem Zusammenhang wird auf die Druckschrift „V.R.H. Lorentz et al., „Novel cost-efficient contactless distributed monitoring concept for smart battery cells,“ Industrial Electronics (ISIE), 2012 IEEE International Symposium on, 2012, pp. 1342–1347” verwiesen. In den vorgenannten Publikationen werden technische Realisierungen von Batteriesystemen beschrieben, welche aus Batteriezellen mit jeweils einem Zellelektronikmodul aufgebaut sind, welches im Folgenden als „Kommunikationseinheit“ bezeichnet wird. Eine andere, im Stand der Technik verwendete, Bezeichnung ist „smart cell unit (SCU)“. Durch diese wird eine individuelle Steuerung der einzelnen Zellen ermöglicht. Die einzelnen Kommunikationseinheiten der individuellen Zellmodule sind in einer elektrischen Reihenschaltung miteinander verbunden, wie dies in Verbindung mit 1 nachfolgend beschrieben wird. 1 zeigt ein Batteriesystem 10 gemäß dem Stand der Technik. Durch dieses wird eine elektrische Last ZL über Ausgangsklemmen 5, 6 mit elektrischer Energie versorgt. Die Zellmodule 1 des Batteriesystems 10 umfassen jeweils eine Kommunikationseinheit 3, welche elektrisch mit einer elektrochemischen Speicherzelle 4 verbunden ist. Die Kommunikationseinheit 3 ist dabei imstande, die Energieabgabe der elektrochemischen Speicherzelle 4 zu steuern und insbesondere eine Polarität, mit welcher die elektrochemische Speicherzelle 4 innerhalb des Batteriesystems 10 verschaltet wird, zu steuern. Die Kommunikationseinheit 3 wird hierzu mit einer Versorgungsspannung +UV bzw. –UV versorgt. Zur Überwachung der einzelnen Kommunikationseinheiten 3 ist ein Steuergerät 2 vorgesehen, welches im Stand der Technik auch als „central control unit (CCU)“ bezeichnet wird. Über ein Bussystem 11 ist das Steuergerät 2 mit den Kommunikationseinheiten 3 verbunden. Zur Erzeugung einer geregelten Gesamtausgangsspannung des Batteriesystems 10 werden einzelne elektrochemische Speicherzellen 4 mithilfe der Kommunikationseinheiten 3 sowie mithilfe des Steuergerätes 2 entweder in positiver oder negativer Polarität, relativ zum Abgriff der Gesamtausgangsspannung, in die Reihenschaltung eingebracht oder elektrisch von der Reihenschaltung getrennt. Im letzteren Fall wird die Position des jeweiligen Zellmoduls nach außen hin elektrisch überbrückt. Darüber hinaus erfolgt die Ansteuerung des Batteriesystems 10 derart, dass elektrochemische Speicherzellen 4 in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand (state of charge, SOC) und weiteren Zustandsgrößen (z.B. state of health, SOH) aktiviert werden, wodurch ein aktiver Ladungsausgleich (engl. “balancing”) der elektrochemischen Speicherzelle 4 ermöglicht wird. Der Schaltzustand der Kommunikationseinheiten 3 muss in Form von Steuerbefehlen auf der als Bussystem 11 ausgestalteten Kommunikationsverbindung vom Steuergerät 2 zu den Kommunikationseinheiten 3 übertragen werden. Mit herkömmlichen Kommunikationsschnittstellen aktueller Batteriesysteme (z.B. serielle Kommunikationsbussysteme) sind solche Verbindungen sowie Verbindungen zwischen den einzelnen Kommunikationseinheiten 3 nur technisch aufwendig realisierbar, da eine galvanische Trennung der einzelnen elektrochemischen Speicherzellen 4 auch bei Vorhandensein einer Kommunikationsverbindung sichergestellt werden muss. Ebenfalls nachteilig ist der Energieverbrauch von Hardware-Komponenten für derzeitige Kommunikationsschnittstellen, welche den zweckmäßig nutzbaren Anteil des Energieinhalts des Batteriesystems mitunter erheblich reduziert. Insbesondere können Standzeiten verkürzt werden, wenn in Betriebspausen Zellüberwachungsvorgänge und/oder Zellbalancing durchgeführt werden. Die vorgenannten Nachteile treffen auch auf einige bekannte alternative Konzepte zu der in 1 dargestellten Anordnung zu. In the prior art, it is known to assemble electrical energy stores from individual modules, by means of which the electrochemical energy store is able to provide higher voltages or higher currents than the individual memory modules. For communication between the cell modules with each other or between the cell modules and a parent control unit usually control lines are provided, which are sometimes designed as a "bus". In this context, the publication "VRH Lorentz et al.," Novel cost-efficient contactless distributed monitoring concept for smart battery cells, "Industrial Electronics (ISIE), 2012 IEEE International Symposium on, 2012, pp. 1342-1347 " directed. In the aforementioned publications technical implementations of battery systems are described, which are constructed from battery cells, each with a cell electronic module, which is referred to below as "communication unit". Another designation used in the prior art is "smart cell unit (SCU)". This allows individual control of the individual cells. The individual communication units of the individual cell modules are connected together in an electrical series circuit, as in connection with 1 will be described below. 1 shows a battery system 10 according to the prior art. This will cause an electrical load ZL via output terminals 5 . 6 supplied with electrical energy. The cell modules 1 of the battery system 10 each comprise a communication unit 3 which is electrically connected to an electrochemical storage cell 4 connected is. The communication unit 3 is able, the energy output of the electrochemical storage cell 4 and in particular a polarity with which the electrochemical storage cell 4 within the battery system 10 is switched to control. The communication unit 3 is supplied with a supply voltage + UV or -UV. For monitoring the individual communication units 3 is a control unit 2 provided, which is also referred to in the art as "central control unit (CCU)". Via a bus system 11 is the control unit 2 with the communication units 3 connected. To generate a regulated total output voltage of the battery system 10 become single electrochemical storage cells 4 using the communication units 3 as well as with the help of the control unit 2 either in positive or negative polarity, relative to the tap of the total output voltage, introduced into the series circuit or electrically isolated from the series circuit. In the latter case, the position of the respective cell module is electrically bridged to the outside. In addition, the control of the battery system takes place 10 such that electrochemical storage cells 4 depending on their state of charge (SOC) and other state variables (eg state of health, SOH) are activated, whereby an active balancing of the electrochemical storage cell 4 is possible. The switching state of the communication units 3 must be in the form of control commands on the as bus system 11 configured communication link from the controller 2 to the communication units 3 be transmitted. With conventional communication interfaces of current battery systems (eg serial communication bus systems) are such connections as well as connections between the individual communication units 3 only technically complicated feasible, since a galvanic separation of the individual electrochemical storage cells 4 must be ensured even in the presence of a communication connection. Another disadvantage is the energy consumption of hardware components for current communication interfaces, which sometimes significantly reduces the useful portion of the energy content of the battery system. In particular, service lives can be shortened if cell monitoring operations and / or cell balancing are carried out during pauses in operation. The aforementioned disadvantages also apply to some known alternative concepts to those in 1 shown arrangement.

Ähnliche Realisierungen von Batteriesystemen existieren auch in der Form, dass mehrere Batteriezellen zu Modulen mit jeweils einer einzigen zugehörigen Kommunikationseinheit 3 zusammengefasst sind. Die vorliegenden Erläuterungen der Erfindung beziehen sich in diesem Fall entsprechend auf die Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen 4 bzw. auf die Vielzahl der zugehörigen Kommunikationseinheiten 3 anstelle einzelner elektrochemischer Speicherzellen 4 und einzelner Kommunikationseinheiten 3.Similar implementations of battery systems also exist in the form that multiple battery cells to modules, each with a single associated communication unit 3 are summarized. The present explanations of the invention relate in this case corresponding to the plurality of electrochemical storage cells 4 or to the plurality of associated communication units 3 instead of individual electrochemical storage cells 4 and individual communication units 3 ,

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik auszuräumen.It is therefore an object of the present invention to overcome the aforementioned disadvantages of the prior art.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Realisierung einer Kommunikationsschnittstelle gelöst, durch welche von einem zentralen Steuergerät Informationen und Steuerbefehle an alle im Batteriesystem vorhandenen Kommunikationseinheiten gesendet werden können. Die Kommunikation erfolgt dabei über die vorhandene elektrische Verbindung der Kommunikationseinheiten. Im Gegensatz zu den bekannten Realisierungen sind entsprechend keine zusätzlichen Verbindungen (reine Kommunikationsverbindungen) zwischen dem Steuergerät und den Kommunikationseinheiten erforderlich, welche im Stand der Technik häufig als elektrische und/oder optische Leitungen ausgeführt sind. Hingegen ist nur ein sehr geringer schaltungstechnischer Zusatzaufwand für die Kommunikationsschnittstelle erforderlich, wobei vergleichsweise geringe energetische Verluste durch die Durchführung der Kommunikation auftreten. Entsprechend wird ein Verfahren zur Kommunikation in ein Batteriesystem mit einem Zellmodul und einer zugehörigen Kommunikationseinheit vorgeschlagen. Das Batteriesystem kann beispielsweise als ein Verbund mehrerer elektrochemischer Speicherzellen umfassender Zellmodule ausgeführt sein. Die Kommunikationseinheiten können neben ihrer Aufgabe der Durchführung systeminterner Kommunikation auch Steueraufgaben übernehmen, indem sie beispielsweise erhaltene Signale in Steuerbefehle umsetzen. Das Verfahren umfasst zunächst den Schritt eines vordefinierten Veränderns eines Versorgungsstromes einer ersten Kommunikationseinheit. Je nach Ausführung der elektrischen Energieversorgung der Kommunikationseinheit ist auch eine Änderung einer Versorgungsspannung der Kommunikationseinheit möglich. Im Ansprechen auf die Veränderung der Versorgungsgröße wertet das Zellmodul die vordefinierte Veränderung derselben als Kommunikationssignal aus. Mit anderen Worten wird der Versorgungsstrom bzw. die Versorgungsspannung daraufhin untersucht, ob die Veränderung einer vordefinierten Veränderung entspricht oder auf andere betriebsbedingte Umstände zurückzuführen ist. Beispielsweise entsprechend einem vordefinierten Protokoll wird das in der Veränderung realisierte Kommunikationssignal ausgewertet und innerhalb des Zellmoduls zur Veränderung dessen Betriebsweise verwendet. Auf diese Weise können zusätzliche Kommunikationspfade entfallen, was energetische Vorteile, Hardwareeinsparungen und das Vermeiden von Problemen bei der galvanischen Trennung einzelner Zellmodule bedeutet. The above object is achieved by the realization of a communication interface through which information and control commands can be sent to all present in the battery system communication units of a central control unit. The communication takes place via the existing electrical connection of the communication units. In contrast to the known realizations correspondingly no additional connections (pure communication links) between the control unit and the communication units are required, which are often designed in the art as electrical and / or optical lines. On the other hand, only a very small circuitry-related additional expense for the communication interface is required, with relatively low energy losses occur through the implementation of the communication. Accordingly, a method for communication in a battery system with a cell module and an associated communication unit is proposed. The battery system can be designed, for example, as a combination of a plurality of cell modules comprising electrochemical storage cells. In addition to their task of carrying out system-internal communication, the communication units can also assume control tasks by converting, for example, received signals into control commands. The method first comprises the step of predefined changing a supply current of a first communication unit. Depending on the design of the electrical power supply of the communication unit and a change in a supply voltage of the communication unit is possible. In response to the change in the supply size, the cell module evaluates the predefined change thereof as a communication signal. In other words, the supply current or the supply voltage is examined to see whether the change corresponds to a predefined change or is due to other operational circumstances. For example, according to a predefined protocol, the communication signal realized in the change is evaluated and used within the cell module to change its mode of operation. In this way, additional communication paths can be omitted, which means energy advantages, hardware savings and the avoidance of problems in the galvanic separation of individual cell modules.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Das Batteriesystem kann eine Vielzahl elektrisch in Reihe geschaltete, unterschiedlichen Zellmodulen zugeordnete, Kommunikationseinheiten umfassen, welche von ein und demselben Versorgungsstrom gespeist werden. Auf diese Weise können sämtliche Kommunikationseinheiten die vordefinierte Veränderung des Versorgungsstroms detektieren und auswerten. Ähnlich einem Bussystem gelangen so sämtliche von einer zentralen Steuereinheit des Batteriesystems gesandte Informationen an jede Kommunikationseinheit. Selbst wenn eine Information nicht für einen Betrachter der Kommunikationseinheit bestimmt ist, kann diese die Informationen auswerten und somit über den Betriebszustand einer weiteren Kommunikationseinheit (nämlich der adressierten Kommunikationseinheit) erhalten. Zusätzlich erübrigt sich eine Auswahl einer dedizierten Kommunikationsleitung zu einer adressierten Kommunikationseinheit. Die vorgenannten Merkmale machen die Topologie sowie den Betrieb des Batteriesystems einfach, robust und kostengünstig.The battery system may comprise a plurality of communication units, which are electrically connected in series and assigned to different cell modules, which are supplied by one and the same supply current. In this way, all communication units can detect and evaluate the predefined change in the supply current. Similar to a bus system, all information sent by a central control unit of the battery system reaches each communication unit. Even if information is not intended for a viewer of the communication unit, it can evaluate the information and thus obtain information about the operating state of another communication unit (namely the addressed communication unit). In addition, a selection of a dedicated communication line to an addressed communication unit is unnecessary. The aforementioned features make the topology and operation of the battery system simple, robust and inexpensive.

Das vordefinierte Verändern des Versorgungsstroms kann den Schritt eines Kodierens umfassen, um eine Kommunikationseinheit als Empfänger aus einer Vielzahl in Reihe geschalteter Kommunikationseinheiten auszuwählen. Die Codierung kann in einer Art „Header“ eines Datenbündels untergebracht sein. Auf diese Weise kann zu Beginn einer jeden Mitteilung durch jede Kommunikationseinheit ermittelt werden, ob die nachfolgenden Informationen zu interpretieren sind oder beispielsweise ein Energiesparmodus aktiviert werden kann. Auf diese Weise wird der Energieaufwand beim Betrieb des erfindungsgemäßen Batteriesystems verringert. The predefined changing of the supply current may include the step of encoding to select a communication unit as a receiver of a plurality of series connected communication units. The coding can be accommodated in a kind of "header" of a data bundle. In this way it can be determined at the beginning of each message by each communication unit, whether the subsequent information is to be interpreted or, for example, a power-saving mode can be activated. In this way, the energy consumption during operation of the battery system according to the invention is reduced.

Im Ansprechen auf die Auswertung der vordefinierten Veränderung als Kommunikationssignal kann das Zellmodul seine Betriebsweise ändern. Die Änderung der Betriebsweise kann in Abhängigkeit der vordefinierten Veränderung herstellerseitig und/oder durch einen Anwender vordefiniert sein. Mit anderen Worten können die enthaltenen Informationen verwendet werden, um das der Kommunikationseinheit zugeordnete Zellmodul in einen Bypassmodus zu versetzen, es in einer ersten oder in einer zweiten Polarität dem Batteriesystem hinzuzuschalten, oder es in einen Sperrmodus zu versetzen. Selbstverständlich sind andere Betriebsmodi denkbar, welche zur Realisierung eines gewünschten Klemmenverhaltens des Batteriesystems dienen. In response to the evaluation of the predefined change as a communication signal, the cell module can change its mode of operation. The change in the operating mode can be predefined by the user and / or by a user depending on the predefined change. In other words, the contained information may be used to place the cell module associated with the communication unit in a bypass mode, to turn it on in a first or second polarity to the battery system, or to put it in a lock mode. Of course, other operating modes are conceivable, which serve to realize a desired terminal behavior of the battery system.

Die vordefinierten Veränderungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind logisch streng von zeitlichen Schwankungen des Versorgungsstroms bzw. der Versorgungsspannung zu trennen, welche infolge der Regelung der Gesamtausgangsspannung bzw. bedingt durch äußere Einflüsse (z.B. Veränderungen einer Last) auftreten. Zur Unterscheidung von Schwankungen des Stromes durch Regelungsvorgänge und durch äußere Einflüsse von den vordefinierten (zusätzlich erzeugten) Stromvariationen zu Kommunikationszwecken erfolgt die Veränderung der Versorgungsgröße zu Kommunikationszwecken beispielsweise in periodischer Weise und/oder mit einer höheren Geschwindigkeit und/oder einer anderen Flankensteilheit als Variationen durch die Regelung bzw. als üblicherweise auftretende äußere Einflüsse. Die übertragenen Informationen können dann beispielsweise in der Kommunikationseinheit durch eine Filterung von Messwerten des Gesamtstromes von niederfrequenten Schwankungen durch die Regelung der Gesamtausgangsspannung sowie durch andere Störeinflüsse bedingt getrennt werden.The predefined modifications according to the present invention are logically strictly separated from temporal fluctuations of the supply current or the supply voltage, which occur as a result of the regulation of the total output voltage or due to external influences (eg changes in a load). In order to distinguish fluctuations in the current through control processes and by external influences from the predefined (additionally generated) current variations for communication purposes, the change takes place the supply size for communication purposes, for example, in a periodic manner and / or with a higher speed and / or a different slope as variations by the scheme or as commonly occurring external influences. The transmitted information can then be conditionally separated, for example in the communication unit, by a filtering of measured values of the total current from low-frequency fluctuations by the regulation of the total output voltage as well as by other disturbing influences.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriesystem vorgeschlagen, welches ein mehreren Zellmodulen zugeordnetes Steuergerät, wenigstens ein erstes Zellmodul und eine dem Zellmodul zugeordnete Kommunikationseinheit umfasst. Das Steuergerät wird häufig auch als Batteriemanagementsystem (BMS) bezeichnet. Dieses ist eingerichtet, die dem ersten Zellmodul zugeordnete Kommunikationseinheit mit einem Versorgungsstrom zu beaufschlagen und den Versorgungsstrom in vordefinierter Weise zu verändern. Über die vordefinierte Veränderung des Versorgungsstromes sendet das Steuergerät Informationen an die Kommunikationseinheit bzw. mehrere im erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgesehene Kommunikationseinheiten. Wie in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt, können die Kommunikationseinheiten unterschiedlichen Zellmodulen des Batteriesystems zugeordnet sein. Die Kommunikationseinheit ist eingerichtet, die vordefinierte Veränderung des Versorgungsstromes bzw. der Versorgungsspannung als Kommunikationssignal auszuwerten. Mit anderen Worten kann die Kommunikationseinheit die vordefinierte Veränderung der Versorgungsgröße von anderen betriebsbedingten Veränderungen derselben Versorgungsgröße unterscheiden und die Kommunikationssignale auswerten. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.According to a second aspect of the present invention, a battery system is proposed which comprises a control unit assigned to a plurality of cell modules, at least one first cell module and a communication unit assigned to the cell module. The controller is often referred to as a battery management system (BMS). This is set up to apply a supply current to the communication unit assigned to the first cell module and to change the supply current in a predefined manner. Via the predefined change in the supply current, the control unit transmits information to the communication unit or a plurality of communication units provided in the battery system according to the invention. As stated in connection with the method according to the invention, the communication units can be assigned to different cell modules of the battery system. The communication unit is set up to evaluate the predefined change in the supply current or the supply voltage as a communication signal. In other words, the communication unit can distinguish the predefined change in the supply quantity from other operational changes in the same supply variable and evaluate the communication signals. The features, combinations of features as well as the advantages resulting therefrom correspond to those embodied in connection with the first-mentioned aspect of the invention such that, in order to avoid repetition, reference is made to the above statements.

Bevorzugt umfasst das Batteriesystem ein zweites Zellmodul, welches über dieselbe elektrische Leitung wie das erste Zellmodul für den Versorgungsstrom bzw. für die Versorgungsspannung verbunden ist. Insbesondere beim Vorhandensein mehrerer Zellmodule, welche beispielsweise jeweilige Kommunikationseinheiten umfassen können, treten die erfindungsgemäß ermöglichten Vorteile zutage, da die Topologie sowie der energetische Aufwand bei der Kommunikation einfach bzw. gering gehalten werden kann.Preferably, the battery system comprises a second cell module, which is connected via the same electrical line as the first cell module for the supply current or for the supply voltage. In particular, in the presence of a plurality of cell modules, which may include, for example, respective communication units, the advantages provided by the invention become apparent, since the topology and the energy expenditure in the communication can be kept simple or low.

Die Zellmodule können beispielsweise elektrochemische Speicherzellen umfassen, welche auf Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Polymer-Technologie basieren. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Speichertechnologien denkbar. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kommunikationseinheiten der Zellmodule können beispielsweise als Mikrocontroller und/oder als Nanocontroller ausgestaltet sein. Dies ermöglicht eine flexible Programmierung sowie eine kostengünstige Realisierung, da entsprechende Prozessoren als Massenware verfügbar sind.The cell modules may comprise, for example, electrochemical storage cells based on lithium-ion or lithium-polymer technology. Basically, however, other storage technologies are conceivable. The communication units of the cell modules proposed according to the invention can be designed, for example, as a microcontroller and / or as a nanocontroller. This allows a flexible programming and a cost-effective implementation, since appropriate processors are available as mass-produced.

Um die Kommunikation besonders robust zu gestalten, kann das Steuergerät eingerichtet sein, die Veränderung der Versorgungsgröße zeitdiskret, insbesondere digital, durchzuführen. Dies kann zur weiteren Erhöhung der Robustheit wiederholte Signalfolgen umfassen, welche insbesondere zyklisch über die Energieversorgungsleitung der Kommunikationseinheiten gesendet werden. In order to make communication particularly robust, the control unit can be set up to carry out the change in the supply quantity in a discrete-time manner, in particular digitally. This may comprise, for further increasing the robustness, repeated signal sequences, which in particular are transmitted cyclically via the power supply line of the communication units.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:

1 eine schematische Schaltung zur Kommunikation innerhalb eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik; 1 a schematic circuit for communication within a battery system according to the prior art;

2 eine schematische Schaltung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriesystems; und 2 a schematic circuit of an embodiment of a battery system according to the invention; and

3 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 a flowchart illustrating steps of an embodiment of a method according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

2 zeigt ein Batteriesystem 10, welches über Anschlussklemmen 5, 6 eine Last ZL mit elektrischer Energie versorgt. Die Kommunikationseinheiten 3 der dargestellten Zellmodule 1 sind zur Energieversorgung in Reihe geschaltet und werden durch einen Strom IOV durchflossen. Dieser wird einerseits durch den über die Last ZL geführten Strom IL, andererseits durch den parallel zur Last ZL durch eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Steuerimpedanz ZS und einem Feldeffekttransistor T, geleiteten Strom IZS bestimmt. Ein Steuergerät 2 steuert den Feldeffekttransistor T. Das Steuergerät 2 kann auf diese Weise zur Kommunikation mit den Kommunikationseinheiten 3 den Feldeffekttransistor T derart ansteuern, dass die Veränderungen des Stromes IZS über Veränderungen des Stromes IOV die erforderlichen Informationen an die Zellmodule 1 übertragen. Im Ansprechen auf eine Auswertung dieser vordefinierten Veränderungen können die Kommunikationseinheiten 3 die elektrochemischen Speicherzellen 4 in alternativer Weise mit dem Batteriesystem 10 verbinden. Im Vergleich mit der in 1 dargestellten Schaltung ist erkennbar, dass separate Kommunikations- und Energieversorgungsleitungen erfindungsgemäß nicht erforderlich bzw. zusammengefasst sind. Sowohl der Montage-, als auch der Bauteilaufwand kann daher erfindungsgemäß verringert werden. 2 shows a battery system 10 , which has connection terminals 5 . 6 a load ZL supplied with electrical energy. The communication units 3 the illustrated cell modules 1 are connected in series for power supply and are traversed by a current IOV. This is determined on the one hand by the current IL conducted via the load ZL and on the other hand by the current IZS conducted parallel to the load ZL by a series circuit consisting of a control impedance ZS and a field-effect transistor T. A control unit 2 controls the field effect transistor T. The controller 2 This way you can communicate with the communication units 3 the field effect transistor T drive such that the changes in the current IZS via changes in the current IOV the required information to the cell modules 1 transfer. In response to an evaluation of these predefined changes, the communication units 3 the electrochemical storage cells 4 in alternatively, with the battery system 10 connect. In comparison with the in 1 can be seen that separate communication and power supply lines are not required or summarized according to the invention. Both the assembly, as well as the component cost can therefore be reduced according to the invention.

3 zeigt ein Flussdiagramm, veranschaulichend die Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 100 erkennt ein zentrales Steuergerät des Batteriesystems, dass zumindest ein Zellmodul seinen elektrochemischen Energiespeicher in alternativer Weise mit dem Batteriesystem verbinden sollte, um ein gewünschtes elektrisches Klemmenverhalten des Batteriesystems zu unterstützen. Entsprechend verändert das Steuergerät in Schritt 200 eine Versorgungsgröße (einen Versorgungsstrom und/oder eine Versorgungsspannung) der Kommunikationseinheit (EN), welche in Schritt 300 die vordefinierte Veränderung als Kommunikationssignal empfängt und auswertet. Sofern das Kommunikationssignal eine Veränderung des aktuellen Betriebsverhaltens des Zellmoduls anzeigt, wird in Schritt 400 ein Steuersignal durch die Kommunikationseinheit erzeugt, im Ansprechen auf welches die elektrochemische Speicherzelle bzw. die elektrochemischen Speicherzellen des Zellmoduls in einen zweiten Betriebszustand versetzt werden. Beispielsweise können hierzu ein Bypassmodus, ein Sperrmodus und/oder eine Veränderung einer Polarität, mit welcher die elektrochemische Speicherzelle mit dem Batteriesystem verbunden ist, veranlasst werden. Das vorgenannte Verfahren kann durch einen gegenüber dem Stand der Technik verringerten Hardwareaufwand realisiert werden. Bei der Verwendung binärer Codes können robuste und flexibel gestaltete Nachrichten zwischen den Kommunikationseinheiten bzw. zwischen dem zentralen Steuergerät und den Kommunikationseinheiten ausgetauscht werden. Alternativ oder zusätzlich zur Möglichkeit, eine Zelladresse in einen Header einer Nachricht unterzubringen, können jeweils adressierten Zellen zeitliche Abschnitte zugeordnet werden, was auch als „Zeitmultiplexverfahren“ bezeichnet wird. Die Realisierung anderer bekannter Kommunikationsverfahren und -protokolle ist ebenfalls denkbar. Lediglich beispielshaft sei in diesem Zusammenhang auf ein Frequenzmultiplexverfahren verwiesen. 3 shows a flowchart, illustrating the steps of an embodiment of a method according to the invention. In step 100 For example, a central controller of the battery system recognizes that at least one cell module should alternately connect its electrochemical energy storage to the battery system to assist in a desired electrical terminal behavior of the battery system. Accordingly, the controller changes in step 200 a supply quantity (a supply current and / or a supply voltage) of the communication unit (EN), which in step 300 receives and evaluates the predefined change as a communication signal. If the communication signal indicates a change in the current operating behavior of the cell module, in step 400 generates a control signal by the communication unit, in response to which the electrochemical storage cell or the electrochemical storage cells of the cell module are placed in a second operating state. For example, for this purpose, a bypass mode, a blocking mode and / or a change in a polarity, with which the electrochemical storage cell is connected to the battery system, can be caused. The aforementioned method can be realized by a reduced hardware compared to the prior art. When using binary codes, robust and flexibly designed messages can be exchanged between the communication units or between the central controller and the communication units. As an alternative or in addition to the possibility of accommodating a cell address in a header of a message, in each case addressed cells can be assigned time segments, which is also referred to as "time-division multiplexing". The realization of other known communication methods and protocols is also conceivable. By way of example only reference is made in this context to a frequency division multiplex method.

Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.Although the aspects and advantageous embodiments of the invention have been described in detail with reference to the embodiments explained in connection with the accompanying drawings, modifications and combinations of features of the illustrated embodiments are possible for the skilled person, without departing from the scope of the present invention, the scope of protection the appended claims are defined.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „V.R.H. Lorentz et al., „Novel cost-efficient contactless distributed monitoring concept for smart battery cells,“ Industrial Electronics (ISIE), 2012 IEEE International Symposium on, 2012, pp. 1342–1347” [0002] "VRH Lorentz et al.," Novel cost-efficient contactless distributed monitoring concept for smart battery cells, "Industrial Electronics (ISIE), 2012 IEEE International Symposium on, 2012, pp. 1342-1347 " [0002]

Claims (10)

Verfahren zur Kommunikation in einem Batteriesystem (10) mit einem Zellmodul (1) und einer zugehörigen Kommunikationseinheit (3) umfassend die Schritte – vordefiniertes Verändern (200) eines Versorgungsstromes (IOV) und/oder einer Versorgungsspannung der Kommunikationseinheit (3), und – Auswerten (300) der vordefinierten Veränderung als Kommunikationssignal in dem Zellmodul.Method for communication in a battery system ( 10 ) with a cell module ( 1 ) and an associated communication unit ( 3 ) comprising the steps - predefined modification ( 200 ) of a supply current (IOV) and / or a supply voltage of the communication unit ( 3 ), and - Evaluate ( 300 ) of the predefined change as a communication signal in the cell module. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Versorgungsstrom (IOV) und/oder die Versorgungsspannung eine Vielzahl elektrisch in Reihe geschaltete, unterschiedlichen Zellmodulen (1) zugeordnete, Kommunikationseinheiten (3) des Batteriesystem (10) speist.Method according to claim 1, wherein the supply current (IOV) and / or the supply voltage comprise a multiplicity of electrically different cell modules ( 1 ), communication units ( 3 ) of the battery system ( 10 ) feeds. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das vordefinierte Verändern (200) des Versorgungsstromes (IOV) und/oder der Versorgungsspannung den Schritt eines Kodierens umfasst, mittels welchem die Kommunikationseinheit (3) als Empfänger aus einer Vielzahl von Kommunikationseinheiten (3) ausgewählt wird.Method according to one of claims 1 or 2, wherein the predefined changing ( 200 ) of the supply current (IOV) and / or the supply voltage comprises the step of coding, by means of which the communication unit ( 3 ) as a receiver from a plurality of communication units ( 3 ) is selected. Verfahren nach einem der Ansprüche, wobei das Verfahren weiter umfasst – Verändern (400) einer Betriebsweise des Zellmoduls (1) im Ansprechen auf die Auswertung als Kommunikationssignal. Method according to one of the claims, wherein the method further comprises - changing ( 400 ) an operation of the cell module ( 1 ) in response to the evaluation as a communication signal. Verfahren nach einem der Ansprüche, wobei im Ansprechen auf das Kommunikationssignal das Zellmodul (1) elektrisch zwischen einer ersten Polarität und einer zweiten Polarität bezüglich zweier Ausgangsklemmen (5, 6) des Batteriesystems (10) umgeschaltet wird.Method according to one of the claims, wherein in response to the communication signal the cell module ( 1 ) between a first polarity and a second polarity with respect to two output terminals ( 5 . 6 ) of the battery system ( 10 ) is switched. Batteriesystem mit – einem mehreren Zellmodulen (1) zugeordneten Steuergerät (2), – einem ersten Zellmodul (1), und – einer dem Zellmodul (1) zugeordneten Kommunikationseinheit (3) wobei – das Steuergerät (2) eingerichtet ist, die Kommunikationseinheit (3) mit einem Versorgungsstrom (IOV) und/oder einer Versorgungsspannung zu beaufschlagen, und – den Versorgungsstrom (IOV) und/oder die Versorgungsspannung in vordefinierter Weise zu verändern, und – wobei die Kommunikationseinheit (IOV) eingerichtet ist, die vordefinierte Veränderung als Kommunikationssignal auszuwerten. Battery system with - a plurality of cell modules ( 1 ) associated control device ( 2 ), - a first cell module ( 1 ), and - a cell module ( 1 ) associated communication unit ( 3 ) whereby - the control unit ( 2 ), the communication unit ( 3 ) to supply a supply current (IOV) and / or a supply voltage, and - to change the supply current (IOV) and / or the supply voltage in a predefined manner, and - wherein the communication unit (IOV) is set up to evaluate the predefined change as a communication signal , Batteriesystem nach Anspruch 6 umfassend ein zweites Zellmodul (1), welches über eine elektrische Leitung für den Versorgungsstrom (IOV) und/oder die Versorgungsspannung mit dem ersten Zellmodul (1) verbunden ist.Battery system according to claim 6 comprising a second cell module ( 1 ), which via an electrical line for the supply current (IOV) and / or the supply voltage to the first cell module ( 1 ) connected is. Batteriesystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Steuergerät (2) eingerichtet ist, die Veränderung des Versorgungsstromes (IOV) zu kodieren, um die Kommunikationseinheit (3) des ersten Zellmoduls (1) als Empfänger aus einer Vielzahl von Kommunikationseinheiten (3) auszuwählen.Battery system according to claim 6 or 7, wherein the control unit ( 2 ) is arranged to code the change of the supply current (IOV) to the communication unit ( 3 ) of the first cell module ( 1 ) as a receiver from a plurality of communication units ( 3 ). Batteriesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das erste Zellmodul (1) eingerichtet ist, im Ansprechen auf das Verändern des Versorgungsstromes (IOV) und/oder der Versorgungsspannung eine Betriebsweise des Zellmoduls (1) in herstellerseitig vordefinierter Weise zu verändern. Battery system according to one of claims 6 to 8, wherein the first cell module ( 1 ), in response to changing the supply current (IOV) and / or the supply voltage, an operation of the cell module ( 1 ) in the factory predefined way to change. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Steuergerät (2) eingerichtet ist, die Veränderung des Versorgungsstromes (IOV) und/oder der Versorgungsspannung zeitdiskret, insbesondere digital, und/oder wiederholt, insbesondere zyklisch, vorzunehmen.Battery system according to one of claims 6 to 9, wherein the control unit ( 2 ) is arranged, the change in the supply current (IOV) and / or the supply voltage time discrete, in particular digitally, and / or repeatedly, in particular cyclically, make.
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"V.R.H. Lorentz et al., "Novel cost-efficient contactless distributed monitoring concept for smart battery cells," Industrial Electronics (ISIE), 2012 IEEE International Symposium on, 2012, pp. 1342-1347"

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