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DE102019133252A1 - Method for operating a battery system, battery system and cell interconnection for a battery system - Google Patents

Method for operating a battery system, battery system and cell interconnection for a battery system Download PDF

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DE102019133252A1
DE102019133252A1 DE102019133252.4A DE102019133252A DE102019133252A1 DE 102019133252 A1 DE102019133252 A1 DE 102019133252A1 DE 102019133252 A DE102019133252 A DE 102019133252A DE 102019133252 A1 DE102019133252 A1 DE 102019133252A1
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DE
Germany
Prior art keywords
switching
cell
battery
time
battery cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019133252.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Michael Hinterberger
Christoph Hartmann
Christian Endisch
Tobias Buchberger
Ulrich Vögele
Ulrich Margull
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (10), wobei das Batteriesystem (10) ein Kommunikationsnetzwerk (12) und eine Zellverschaltung mit einer Vielzahl elektrisch leitend miteinander verschalteter, schaltbarer Batteriezellen (14) aufweist. Mittels des Kommunikationsnetzwerkes (12) werden Schaltanforderungen (26) von einer zentralen Steuereinrichtung (18) des Batteriesystems (10) an die einzelnen Batteriezellen (14) übermittelt. Hierbei tritt eine bekannte maximale Übertragungslatenz auf. Die zentrale Steuereinrichtung (18) legt unter Berücksichtigung der bekannten maximalen Übertragungslatenz einen Schaltzeitpunkt (ts) für eine jeweilige Schaltanforderung (26) fest, der einen zukünftigen Zeitpunkt zum Ausführen der jeweiligen Schaltanforderung (26) bestimmt, und übermittelt diesen einer jeweiligen Batteriezelle (14). Ein Zellenprozessor (30) der jeweiligen Batteriezelle (14) erkennt den Eintritt des Schaltzeitpunktes (ts) durch Überwachen einer Batteriezellenuhr (20) der jeweiligen Batteriezelle (14) und führt bei Eintritt des Schaltzeitpunktes (ts) die jeweilige Schaltanforderung (26) aus. Dadurch werden Schwankungen zwischen Gesamtübertragungslatenzen zwischen einzelnen Batteriezellen abstrahiert, so dass die Batteriezellen mit einer gewissen Präzision zeitsynchron schalten.The invention relates to a method for operating a battery system (10), the battery system (10) having a communication network (12) and a cell interconnection with a large number of electrically conductive interconnected, switchable battery cells (14). By means of the communication network (12), switching requests (26) are transmitted from a central control device (18) of the battery system (10) to the individual battery cells (14). A known maximum transmission latency occurs here. The central control device (18), taking into account the known maximum transmission latency, defines a switching point in time (ts) for a respective switching request (26), which determines a future point in time for executing the respective switching request (26), and transmits this to a respective battery cell (14) . A cell processor (30) of the respective battery cell (14) recognizes the occurrence of the switching time (ts) by monitoring a battery cell clock (20) of the respective battery cell (14) and executes the respective switching request (26) when the switching time (ts) occurs. As a result, fluctuations between total transmission latencies between individual battery cells are abstracted, so that the battery cells switch time-synchronously with a certain precision.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem zumindest ein Kommunikationsnetzwerk und eine Zellverschaltung mit einer Vielzahl elektrisch leitend miteinander verschalteter, schaltbarer Batteriezellen umfasst, die als Kommunikationsteilnehmer an das Kommunikationsnetzwerk angebunden sind. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein solches Batteriesystem sowie eine Zellverschaltung für ein solches Batteriesystem.The invention relates to a method for operating a battery system, the battery system comprising at least one communication network and a cell interconnection with a plurality of electrically conductive interconnected, switchable battery cells that are connected to the communication network as communication participants. The invention also relates to such a battery system and to a cell interconnection for such a battery system.

Eine Zellverschaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere dazu ausgelegt, elektrische Spannungen in einem Bereich von mehr als 60 Volt, insbesondere in einem Bereich von mehreren 100 Volt, bereitzustellen (entsprechend einer sogenannten Hochvolt-Batterie). Derartige elektrische Spannungen können bereitgestellt sein, indem eine Vielzahl einzelner Batteriezellen in der Zellverschaltung elektrisch miteinander verschaltet sind. In der Regel sind jeweils einige der Batteriezellen zu sogenannten Batteriemodulen verschaltet. Eine Zellverschaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch zur Bereitstellung eines Spannungsbereichs kleiner 60 Volt ausgestaltet sein und beispielsweise mindestens zwei Batteriezellen umfassen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind die einzelnen Batteriezellen bevorzugt als schaltbare Batteriezellen oder sogenannte Smart Cells ausgestaltet, die jeweils einzeln durch eine entsprechende Ansteuerung von Schaltelementen elektrisch leitend in einen Stromkreis der Zellverschaltung hinzu- und aus dem Stromkreis weggeschaltet werden können. Dabei gibt es insbesondere drei mögliche Schalterstellungen: Hinzugeschaltet, überbrückt und weggeschaltet (Stromkreis ist unterbrochen). A cell interconnection within the meaning of the present invention is designed in particular to provide electrical voltages in a range of more than 60 volts, in particular in a range of several 100 volts (corresponding to a so-called high-voltage battery). Such electrical voltages can be provided in that a multiplicity of individual battery cells are electrically connected to one another in the cell interconnection. As a rule, some of the battery cells are each connected to form what are known as battery modules. A cell interconnection within the meaning of the present invention can also be designed to provide a voltage range of less than 60 volts and, for example, comprise at least two battery cells. In connection with the present invention, the individual battery cells are preferably designed as switchable battery cells or so-called smart cells, each of which can be individually connected and disconnected from the circuit in an electrically conductive manner by appropriately activating switching elements. There are three possible switch positions in particular: switched on, bridged and switched off (circuit is interrupted).

Um einen Einsatz (also ein Hinzu- und/oder ein Wegschalten) jeweiliger einzelner Batteriezellen und/oder einzelner Batteriemodule innerhalb des Batteriesystems koordinieren zu können, kann eine zentrale Steuereinrichtung (beispielsweise ein Batteriemanagementsystem oder BMS) vorgesehen sein, die mit den einzelnen Batteriezellen und/oder den Batteriemodulen kommunizieren kann, um Schaltbefehle zu erteilen. Zum Bereitstellen einer Kommunikationsverbindung kann bevorzugt ein Kommunikationsnetzwerk, beispielsweise ein Controller Area Network (CAN gemäß ISO 11898 ), insbesondere ein CAN mit einer flexiblen Datenrate (sog. CAN FD gemäß ISO 11898-1:2015 ), verwendet werden, in welches die Batteriezellen und/oder die Batteriemodule und die zentrale Steuereinrichtung als Kommunikationsteilnehmer eingebunden werden können. Das Kommunikationsnetzwerk kann auch drahtlos oder als ein Drahtlosnetzwerk, beispielsweise funkbasiert, ausgestaltet sein.In order to be able to coordinate the use (i.e. adding and / or disconnecting) of respective individual battery cells and / or individual battery modules within the battery system, a central control device (for example a battery management system or BMS) can be provided which is connected to the individual battery cells and / or or the battery modules can communicate in order to issue switching commands. A communication network, for example a controller area network (CAN according to FIG ISO 11898 ), in particular a CAN with a flexible data rate (so-called CAN FD according to ISO 11898-1: 2015 ), into which the battery cells and / or the battery modules and the central control device can be integrated as communication participants. The communication network can also be wireless or as a wireless network, for example radio-based.

In der zentralen Steuereinrichtung können Zustandsinformationen zu den einzelnen Batteriezellen und/oder den einzelnen Batteriemodulen empfangen werden. Eine Zustandsinformation kann beispielsweise einen Gesundheitszustand (State of Health - SoH) oder einen aktuellen Ladezustand (State of Charge - SoC) einer jeweiligen Batteriezelle beschreiben. In Abhängigkeit von den empfangenen Zustandsinformationen, welche beispielsweise durch Sensoren der einzelnen Batteriezellen erfasst werden können, kann die zentrale Steuereinrichtung dann den Einsatz, also das Zu- und Wegschalten, jeweiliger Batteriemodule und/oder einzelner Batteriezellen innerhalb der Batterie koordinieren.Status information on the individual battery cells and / or the individual battery modules can be received in the central control device. State information can describe, for example, a state of health (SoH) or a current state of charge (SoC) of a respective battery cell. Depending on the received status information, which can be detected by sensors of the individual battery cells, for example, the central control device can then coordinate the use, that is, the switching on and off, of the respective battery modules and / or individual battery cells within the battery.

In diesem Zusammenhang beschreibt die WO 2008/055505 A1 ein Batteriemanagementsystem zum Steuern von Auflade- und Entladevorgängen einer Vielzahl von Batterien. Eine jede der Batterien weist eine Vielzahl an Steuerkreisen (plurality of control circuits) auf, welche batterieindividuell das Laden überwachen und steuern. Diese Einheiten (units) werden durch einen zentralen Mikrocontroller gesteuert, welcher während eines Aufladevorgangs eine Batterie überbrücken kann, sofern diese voll aufgeladen ist, und während eines Entladevorgangs eine Entladung einer Batterie stoppen kann, sofern diese vollständig entladen ist. In nachteiliger Weise kann der zentrale Mikrocontroller lediglich auf aktuelle Batteriezustände reagieren. Eine Einsatzplanung und zukünftige Steuerung der Batterien ist nicht möglich.In this context, describes the WO 2008/055505 A1 a battery management system for controlling the charging and discharging processes of a large number of batteries. Each of the batteries has a plurality of control circuits which monitor and control the charging of the individual batteries. These units are controlled by a central microcontroller, which can bypass a battery during a charging process if it is fully charged, and can stop a battery from discharging during a discharge process if it is completely discharged. Disadvantageously, the central microcontroller can only react to current battery states. It is not possible to plan the use and future control of the batteries.

Die US 2017/0353042 A1 beschreibt ein Batteriesystem mit einer sogenannten Smart Battery und einem Bussystem (communication bus) zum Verteilen oder Zuordnen einer jeweils verfügbaren elektrischen Energie auf einzelne Teile der Smart Battery. Hierbei kann jede Batterie der Smart Battery individuell gesteuert und in Lade- und Entladeprozesse eingebunden werden. Darüber hinaus sind für die Batterien Uhren vorgesehen, welche untereinander und mit einer übergeordneten Uhr synchronisiert werden können. Hierdurch können Sensordaten der Batterien mit Zeitstempeln versehen und gemeinsam abgespeichert werden. Hieraus lässt sich eine rückschauende Statistik über jeweilige Sensordaten erstellen. Es können also Sensordaten mit Zeitstempeln versehen werden, um eine Historie zu erstellen. Eine zukünftige Einsatzplanung der einzelnen Batterien kann auch hier in nachteiliger Weise nicht bereitgestellt werden.The US 2017/0353042 A1 describes a battery system with a so-called smart battery and a bus system (communication bus) for distributing or assigning a respective available electrical energy to individual parts of the smart battery. Each battery in the Smart Battery can be individually controlled and integrated into the charging and discharging processes. In addition, clocks are provided for the batteries, which can be synchronized with one another and with a higher-level clock. In this way, sensor data of the batteries can be provided with time stamps and stored together. From this, retrospective statistics can be created on the respective sensor data. So sensor data can be provided with time stamps in order to create a history. A future application planning of the individual batteries can also not be provided here in a disadvantageous manner.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Batteriesystem der eingangs beschriebenen Art einen zukünftigen Einsatz einzelner Batteriezellen und/oder Batteriezellenmodule zu koordinieren.The invention is based on the object of coordinating future use of individual battery cells and / or battery cell modules in a battery system of the type described at the outset.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Beneficial Further developments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Kommunikation zwischen einem Batteriemanagementsystem oder einer zentralen Steuereinrichtung eines Batteriesystems und jeweiligen weiteren Kommunikationsteilnehmern, insbesondere einzelnen Batteriezellen, mittels eines Kommunikationsnetzwerks der eingangs beschriebenen Art stets einer Übertragungslatenz unterworfen ist. Mit anderen Worten liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass es auf einem jeweiligen Kommunikationspfad zwischen zentraler Steuereinrichtung und einer einzelnen Batteriezelle zu schwankenden Verzögerungen (sog. Jitter) kommen kann, die die Koordination von Schaltvorgängen mehrerer Batteriezellen negativ beeinflussen können.The invention is based on the knowledge that communication between a battery management system or a central control device of a battery system and respective further communication participants, in particular individual battery cells, by means of a communication network of the type described above is always subject to a transmission latency. In other words, the invention is based on the knowledge that fluctuating delays (so-called jitter) can occur on a respective communication path between the central control device and an individual battery cell, which can negatively affect the coordination of switching processes of several battery cells.

Durch die Erfindung ist deshalb ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems bereitgestellt. Das Batteriesystem weist zumindest ein Kommunikationsnetzwerk und eine Zellverschaltung mit einer Vielzahl elektrisch leitend miteinander verschalteter, schaltbarer Batteriezellen auf. Das Batteriesystem kann also ein oder mehrere Kommunikationsnetzwerke aufweisen. Eine jeweilige schaltbare Batteriezelle oder Smart Cell ist dazu ausgebildet, durch Ansteuerung jeweiliger Schaltelemente einzeln elektrisch leitend mit einem Stromkreis der Zellverschaltung, verbunden oder von dieser getrennt zu werden. Eine (zentrale) Systemuhr des Batteriesystems gibt eine absolute Systemzeit für das Batteriesystem vor. Jeweilige mit der Systemuhr synchronisierte Batteriezellenuhren geben jeweilige Zellenzeiten für die Batteriezellen vor. Unter dem Begriff „Uhr“ wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine dem Fachmann geläufige Vorrichtung zum Erfassen oder Protokollieren einer Zeit verstanden. Diese umfasst insbesondere auch einen Zähler oder Timer, insbesondere einen Nanosekundentimer. Auch eine unter der bekannten Bezeichnung Capture Compare Unit geführte Vorrichtung ist in dem Begriff „Uhr“ vorliegend umfasst.The invention therefore provides a method for operating a battery system. The battery system has at least one communication network and a cell interconnection with a multiplicity of switchable battery cells interconnected in an electrically conductive manner. The battery system can therefore have one or more communication networks. A respective switchable battery cell or smart cell is designed to be connected to or separated from a circuit of the cell interconnection in an individually electrically conductive manner by activating respective switching elements. A (central) system clock of the battery system specifies an absolute system time for the battery system. The respective battery cell clocks synchronized with the system clock specify the respective cell times for the battery cells. In connection with the present invention, the term “clock” is understood to mean a device for recording or logging a time that is familiar to a person skilled in the art. In particular, this also includes a counter or timer, in particular a nanosecond timer. A device known as the Capture Compare Unit is also included in the term “clock” in the present case.

Das Batteriesystem weist darüber hinaus eine zentrale Steuereinrichtung auf. Für den Fall, dass mehrere Kommunikationsnetzwerke vorhanden sind, können diese bevorzugt durch die zentrale Steuereinrichtung oder ein zentrales Batteriemanagementsystem logisch miteinander verbunden sein (Batteriemanagementsystem als Gateway). Die zentrale Steuereinrichtung, beispielsweise ein zentraler Mikrocontroller, übermittelt zumindest eine Schaltanforderung mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks an zumindest eine jeweilige Batteriezelle der Vielzahl an Batteriezellen. Die zumindest eine Schaltanforderung beschreibt einen jeweils geforderten Schaltzustand der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle. Ein geforderter Schaltzustand kann beispielsweise sein, dass die zumindest eine jeweilige Batteriezelle elektrisch leitend mit einem Stromkreis der Zellverschaltung verbunden oder von diesem getrennt oder überbrückt ist.The battery system also has a central control device. In the event that several communication networks are present, these can preferably be logically connected to one another by the central control device or a central battery management system (battery management system as gateway). The central control device, for example a central microcontroller, transmits at least one switching request by means of the at least one communication network to at least one respective battery cell of the plurality of battery cells. The at least one switching request describes a respectively required switching state of the at least one respective battery cell. A required switching state can be, for example, that the at least one respective battery cell is connected in an electrically conductive manner to a circuit of the cell interconnection or is separated or bridged from it.

Bei der Übermittlung der zumindest einen Schaltanforderung ergibt sich eine bekannte maximale Übertragungslatenz. Mit anderen Worten gibt es eine maximale Übertragungslatenz oder eine Gesamtübertragungslatenz, die insbesondere im schlechtesten annehmbaren Fall auftreten kann (Worst-Case-Szenario). In der Übertragungslatenz oder in einer Latenzzeit ist insbesondere umfasst: (i) eine Bearbeitungszeit der jeweiligen Schaltanforderung in der zentralen Steuereinrichtung, (ii) eine Verarbeitungszeit der jeweiligen Schaltanforderung in einer Sende-Empfangseinrichtung der zentralen Steuereinrichtung, (iii) Wartezeiten für eine Bus-Arbitrierung, (iv) eine Übertragungsdauer der jeweiligen Schaltanforderung in Abhängigkeit von einer Anzahl an Bits der jeweiligen Schaltanforderung oder Botschaft, (v) eine Signallaufzeit eines die jeweilige Schaltanforderung übertragenden elektrischen Signals, (vi) eine batteriezellenseitige Verarbeitungszeit in einer Sende-Empfangseinrichtung der jeweiligen Batteriezelle und (vii) eine weitere Bearbeitungszeit in der jeweiligen Batteriezelle. Bis auf Punkt (v) der obigen Aufzählung kann bei allen genannten Bestandteilen der Latenzzeit oder bei allen oben genannten einzelnen Verzögerungen ein jeweiliger Jitter oder eine Schwankung auftreten. Diese Schwankung kann für jede Batteriezelle der Verschaltung unterschiedlich ausfallen. Bei Punkt (v) Signallaufzeit tritt in der Regel kein Jitter auf, da eine Länge einer elektrischen Verbindung innerhalb des Kommunikationsnetzwerks sich in der Regel nicht ändert. Die Bearbeitungszeit in der Sende-Empfangseinrichtung der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle kann beispielsweise bei einem Empfang der zumindest einen Schaltanforderung und/oder während einer Dekodierung der jeweiligen Schaltanforderung anfallen.When the at least one switching request is transmitted, there is a known maximum transmission latency. In other words, there is a maximum transmission latency or an overall transmission latency that can occur in particular in the worst-case scenario (worst-case scenario). The transmission latency or a latency period includes in particular: (i) a processing time of the respective switching request in the central control device, (ii) a processing time of the respective switching request in a transceiver of the central control device, (iii) waiting times for bus arbitration , (iv) a transmission duration of the respective switching request as a function of a number of bits of the respective switching request or message, (v) a signal transit time of an electrical signal transmitting the respective switching request, (vi) a processing time on the battery cell side in a transceiver of the respective battery cell and (vii) a further processing time in the respective battery cell. With the exception of point (v) of the above list, a respective jitter or fluctuation can occur with all of the mentioned components of the latency period or with all of the above-mentioned individual delays. This fluctuation can turn out differently for each battery cell in the circuit. At point (v) signal transit time, there is generally no jitter, since the length of an electrical connection within the communication network generally does not change. The processing time in the transceiver device of the at least one respective battery cell can occur, for example, when the at least one switching request is received and / or during a decoding of the respective switching request.

Nach Empfang und Dekodierung der zumindest einen Schaltanforderung führt ein Zellenprozessor der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle die Schaltanforderung aus. Das Ausführen der Schaltanforderung wird realisiert, indem der Zellenprozessor ein Schaltelement der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle ansteuert, wodurch der jeweils geforderte Schaltzustand hergestellt oder eingestellt wird. Bei dem Schaltelement kann es sich beispielsweise um ein Halbleiterbauelement, beispielsweise um einen Feldeffekttransistor (FET), handeln.After receiving and decoding the at least one switching request, a cell processor of the at least one respective battery cell executes the switching request. The switching request is carried out in that the cell processor controls a switching element of the at least one respective battery cell, whereby the respectively required switching state is established or set. The switching element can be, for example, a semiconductor component, for example a field effect transistor (FET).

Erfindungsgemäß legt die zentrale Steuereinrichtung unter Berücksichtigung der bekannten maximalen Übertragungslatenz einen Schaltzeitpunkt für die zumindest eine Schaltanforderung fest und übermittelt diesen der Sende-Empfangseinrichtung mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks. Die Übermittlung des Schaltzeitpunkts kann dabei zusammen mit der Übermittlung der jeweiligen Schaltanforderung erfolgen oder in einer separaten Botschaft. Der Schaltzeitpunkt bestimmt einen zukünftigen Systemzeitpunkt der Systemzeit des Batteriesystems zum Ausführen der zumindest einen Schaltanforderung. Die Schaltzeit oder der Schaltzeitpunkt repräsentiert also eine absolute Systemzeit, zu welcher die Schaltanforderung oder der Schaltbefehl von der jeweiligen Batteriezelle umgesetzt werden soll. Mit anderen Worten wird der absolute Systemzeitpunkt von der zentralen Steuereinrichtung bevorzugt derart gewählt oder festgelegt, dass eine Differenz zwischen dem Schaltzeitpunkt und einem aktuellen Systemzeitpunkt größer ist, als die oben genannte maximale Übertragungslatenz im Worst-Case-Szenario. So kann vermieden werden, dass der Schaltzeitpunkt bereits in der Vergangenheit liegt, wenn eine jeweilige Botschaft in einer Batteriezelle dekodiert wurde.According to the invention, taking into account the known maximum transmission latency, the central control device defines a switching time for the at least one switching request and transmits this to the transceiver by means of the at least one communication network. The switching time can be transmitted together with the transmission of the respective switching request or in a separate message. The switching time determines a future system time of the system time of the battery system for executing the at least one switching request. The switching time or the switching point in time therefore represents an absolute system time at which the switching request or the switching command is to be implemented by the respective battery cell. In other words, the absolute system time is preferably selected or established by the central control device in such a way that a difference between the switching time and a current system time is greater than the above-mentioned maximum transmission latency in the worst-case scenario. In this way it can be avoided that the switching time is already in the past when a respective message has been decoded in a battery cell.

Erfindungsgemäß erkennt der Zellenprozessor den Eintritt des Schaltzeitpunktes durch Überwachen der Batteriezellenuhr der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle, die ja mit der Systemzeit synchronisiert ist, und führt bei dem Eintritt des Schaltzeitpunktes die zumindest eine Schaltanforderung aus. Mit anderen Worten wird der geforderte Schaltzustand erst dann von der jeweiligen Smart Cell oder von dem Zellenprozessor der jeweiligen Smart Cell tatsächlich hergestellt, wenn der Eintritt des Schaltzeitpunktes durch den Zellenprozessor erkannt wurde. Das Überwachen der Batteriezellenuhr durch den Zellenprozessor kann dabei im Rahmen einer zyklischen Abfrage (sogenanntes Polling) erfolgen. Wie weiter unten beschrieben, kann das Überwachen auch interrupt-basiert erfolgen.According to the invention, the cell processor recognizes the occurrence of the switching time by monitoring the battery cell clock of the at least one respective battery cell, which is synchronized with the system time, and executes the at least one switching request when the switching time occurs. In other words, the required switching state is only actually established by the respective smart cell or by the cell processor of the respective smart cell when the occurrence of the switching time has been recognized by the cell processor. The cell processor can monitor the battery cell clock as part of a cyclical query (so-called polling). As described below, monitoring can also be based on interrupts.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass Schwankungen der Übertragungslatenz zwischen den einzelnen Batteriezellen abstrahiert oder unschädlich gemacht werden können. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein zeitlich synchrones oder zeitgleiches Schalten mit einer gegenüber dem Bekannten erhöhten Präzision erreicht werden. Zudem kann eine maximale bekannte Übertragungslatenz auf einem jeweiligen Kommunikationspfad innerhalb des Kommunikationsnetzwerkes abstrahiert oder unschädlich gemacht werden. Mit anderen Worten kann die Umsetzung oder das Ausführen einer jeweiligen Schaltanforderung unabhängig von der genannten Übertragungslatenz und/oder unabhängig von einer Schwankung in der Übertragungslatenz erfolgen. Hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass ein jeweiliger Zellenprozessor einen Speicher aufweist, in dem eingegangene Schaltanforderungen abgespeichert werden können und eine jeweilige eingegangene Schaltanforderung bis zum Eintritt des ihr zugeordneten Schaltzeitpunktes zurückgehalten werden kann. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein jeweiliger Übermittlungszeitpunkt zeitlich von einem jeweils angestrebten Schaltzeitpunkt entkoppelt werden. Ein Einsatz einer jeweiligen Batteriezelle kann also für einen zukünftigen Zeitpunkt geplant werden. Durch die Verwendung geeigneter Uhren kann der Einsatz insbesondere hochaufgelöst im Mikrosekunden- oder Submikrosekundenbereich geplant und durchgeführt werden.The invention has the advantage that fluctuations in the transmission latency between the individual battery cells can be abstracted or rendered harmless. As a result, switching that is synchronous in time or at the same time can advantageously be achieved with greater precision than is known. In addition, a maximum known transmission latency on a respective communication path within the communication network can be abstracted or rendered harmless. In other words, the implementation or execution of a respective switching request can take place independently of the transmission latency mentioned and / or independently of a fluctuation in the transmission latency. For this purpose it can be provided, for example, that a respective cell processor has a memory in which incoming switching requests can be stored and a respective incoming switching request can be withheld until the switching time assigned to it occurs. In this way, a respective transmission time can advantageously be decoupled in time from a respective desired switching time. Use of a respective battery cell can therefore be planned for a future point in time. By using suitable clocks, the use can be planned and carried out in particular with a high resolution in the microsecond or sub-microsecond range.

Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which result in additional advantages.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die zentrale Steuereinrichtung einen jeweiligen Schaltzeitpunkt als einen gemeinsamen Schaltzeitpunkt für eine vorbestimmte Teilgruppe an Batteriezellen festlegt. Mit anderen Worten gilt ein gemeinsamer Schaltzeitpunkt für alle Batteriezellen der vorbestimmten Teilgruppe. Die vorbestimmte Teilgruppe kann dabei während des Betriebes dynamisch zusammengestellt oder ausgewählt sein und zwei, drei, vier, fünf oder allgemein eine beliebige Anzahl an Batteriezellen der Zellverschaltung umfassen. Die vorbestimmte Teilgruppe kann auch alle Batteriezellen der Zellverschaltung umfassen. Die Zellenprozessoren der Batteriezellen der jeweils dynamisch ausgewählten vorbestimmten Teilgruppe führen also jeweilige Schaltanforderungen synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunktes aus. Die jeweiligen Schaltanforderungen können sich dabei unterscheiden oder identisch sein. Jeweilige Schaltanforderungen und/oder der gemeinsame Schaltzeitpunkt können dabei in einer Botschaft zusammengefasst werden oder in separaten Botschaften übermittelt werden. Durch die hier beschriebene Festlegung des Schaltzeitpunkts als gemeinsamen Schaltzeitpunkt für mehrere Batteriezellen ergibt sich der Vorteil, dass jeweilige Schaltanforderungen unabhängig von der Übertragungslatenz im Wesentlichen zeitgleich oder zumindest mit einer höheren zeitlichen Präzision als bei dem Bekannten synchron an mehreren Batteriezellen umgesetzt werden können. Hierdurch kann vorteilhaft beispielsweise eine ungewollte Belastung einer einzelnen Batteriezelle vermieden werden.One embodiment provides that the central control device defines a respective switching point in time as a common switching point in time for a predetermined subgroup of battery cells. In other words, a common switching point in time applies to all battery cells of the predetermined subgroup. The predetermined subgroup can be compiled or selected dynamically during operation and can comprise two, three, four, five or generally any number of battery cells of the cell interconnection. The predetermined subgroup can also include all battery cells of the cell interconnection. The cell processors of the battery cells of the respectively dynamically selected predetermined subgroup thus execute respective switching requests synchronously when the common switching point in time occurs. The respective switching requirements can differ or be identical. The respective switching requests and / or the common switching time can be summarized in a message or transmitted in separate messages. By defining the switching time described here as a common switching time for several battery cells, there is the advantage that respective switching requests can be implemented simultaneously on several battery cells, regardless of the transmission latency, or at least with a higher temporal precision than with the known ones. In this way, for example, undesired loading of an individual battery cell can advantageously be avoided.

Der oben beschriebene Effekt der gleichzeitigen Ausführung jeweiliger Schaltanforderungen bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunkts für mehrere Batteriezellen liegt einer vorteilhaften Weiterbildung zugrunde, nach der die Batteriezellen der vorbestimmten Teilgruppe miteinander zu einer Parallelschaltung elektrisch verschaltet sind. Die Parallelschaltung wird aufgelöst oder überbrückt, indem die Zellenprozessoren der Batteriezellen jeweilige Schaltanforderungen synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunkts ausführen. Mit anderen Worten werden die parallel verschalteten Batteriezellen der Parallelschaltung gleichzeitig von einem Stromkreis der Zellverschaltung weggeschalten, hinzugeschalten, oder überbrückt, indem die Zellenprozessoren der Batteriezellen jeweilige Schaltanforderungen synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunkts ausführen. Etwaige Verzögerungen bei der Übertragung der Schaltanforderungen und/oder weitere Effekte, die sich auf die Übertragungslatenz auswirken, haben keinen Einfluss mehr auf den Ausführungszeitpunkt einer jeweiligen Schaltanforderung. Für den beschriebenen Fall der Parallelschaltung wird besonders deutlich, wie eine ungewollte Belastung einzelner Batteriezellen vermieden werden kann. Soll nämlich beispielsweise eine aus mehreren elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen bestehende Parallelschaltung überbrückt werden, so ist es zur Vermeidung einer ungewollten Belastung oder einer ungewollten Überlastung oder gar eines Kurzschlusses einzelner Batteriezellen notwendig, dass die Batteriezellen tatsächlich alle zum (im Wesentlichen) gleichen Zeitpunkt überbrückt werden. Mit anderen Worten kann durch das synchrone Schalten zum Schaltzeitpunkt vermieden werden, dass es durch gewisse Schalterkombinationen zu Schäden, etwa gegenseitiges kurzschließen von parallel verschalteten Batteriezellen, kommt. Durch die hier beschriebene Ausführungsform ist dies gewährleistet, da die entsprechende Schaltanforderung in allen Batteriezellen synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunkts ausgeführt wird. Im Gegensatz zu dem bekannten gleichzeitigen Wegschalten mehrerer Batteriezellen durch Ansteuern eines gemeinsamen Hauptschützes besteht vorliegend der Vorteil einer erhöhten Flexibilität, da die Batteriezellen der Parallelschaltung ansonsten einzeln angesteuert, also einzeln in die Zellverschaltung eingebracht und einzeln aus der Zellverschaltung getrennt werden können.The above-described effect of the simultaneous execution of respective switching requests when the common switching time occurs for several battery cells is based on an advantageous development, according to which the battery cells of the predetermined subgroup are electrically connected to one another to form a parallel connection. The parallel connection is resolved or bridged by the Cell processors of the battery cells execute respective switching requests synchronously when the common switching time occurs. In other words, the parallel-connected battery cells of the parallel connection are simultaneously disconnected, connected or bridged by a circuit of the cell connection, in that the cell processors of the battery cells execute respective switching requests synchronously when the common switching time occurs. Any delays in the transmission of the switching requests and / or other effects that affect the transmission latency no longer have any influence on the execution time of a respective switching request. In the case of the parallel connection described, it becomes particularly clear how undesired loading of individual battery cells can be avoided. If, for example, a parallel circuit consisting of several electrically interconnected battery cells is to be bridged, then in order to avoid unwanted loading or unwanted overloading or even a short circuit of individual battery cells it is necessary that the battery cells are actually all bridged at (essentially) the same point in time. In other words, synchronous switching at the time of switching can prevent certain switch combinations from causing damage, such as mutual short-circuiting of battery cells connected in parallel. This is ensured by the embodiment described here, since the corresponding switching request is carried out synchronously in all battery cells when the common switching point in time occurs. In contrast to the known simultaneous disconnection of several battery cells by controlling a common main contactor, there is the advantage of increased flexibility, since the battery cells of the parallel connection can otherwise be controlled individually, i.e. individually introduced into the cell interconnection and individually separated from the cell interconnection.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass ein jeweiliger Zellenprozessor einen Speicher aufweist, wobei der Zellenprozessor eingegangene Schaltanforderungen in dem Speicher abspeichert und eine jeweilige eingegangene Schaltanforderung bis zum Eintritt des ihr zugeordneten Schaltzeitpunktes zurückhält. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein jeweiliger Übermittlungszeitpunkt zeitlich von einem jeweils angestrebten Schaltzeitpunkt entkoppelt werden.Another embodiment provides that a respective cell processor has a memory, the cell processor storing incoming switching requests in the memory and holding back a respective incoming switching request until the switching time assigned to it occurs. In this way, a respective transmission time can advantageously be decoupled in time from a respective desired switching time.

Ist beispielsweise eine aktuelle Sendekapazität der zentralen Steuereinrichtung vorhanden, so kann die zentrale Steuereinrichtung jeweilige Schaltanforderungen an die Sende-Empfangseinrichtungen der betroffenen Batteriezellen übermitteln, auch wenn die zugeordneten Schaltzeitpunkte noch weit, insbesondere länger als 100 Mikrosekunden, in der Zukunft liegen. So kann die zentrale Steuereinrichtung die ihr zur Verfügung stehenden Kapazitäten flexibel einteilen.For example, if the central control device has a current transmission capacity, the central control device can transmit respective switching requests to the transmission / reception devices of the battery cells concerned, even if the assigned switching times are far, in particular longer than 100 microseconds, in the future. In this way, the central control device can flexibly allocate the capacities available to it.

Wie oben beschrieben, wird bevorzugt der absolute Schaltzeitpunkt immer derart von der zentralen Steuereinrichtung gewählt, dass eine Schwankung der Übertragungslatenz abgefangen werden kann. Sollte es aber aus irgendeinem Grund doch dazu kommen, dass die jeweilige Schaltanforderung erst nach dem Schaltzeitpunkt von einer Batteriezelle ausgewertet wird (nach der Dekodierung), so kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die jeweilige Batteriezelle (oder ihr Zellenprozessor) die Schaltanforderung schnellstmöglich oder sofort ausführt.As described above, the absolute switching time is preferably always selected by the central control device in such a way that a fluctuation in the transmission latency can be intercepted. However, if for whatever reason the respective switching request is only evaluated by a battery cell after the switching time (after decoding), it can preferably be provided that the respective battery cell (or its cell processor) executes the switching request as quickly as possible or immediately .

Für den Fall, dass die Schaltzeit gleich 0 ist (ts = 0) und/oder wenn die Schaltzeit in dem Moment, in dem die Schaltanforderung bei der Batteriezelle dekodiert wurde, in der Vergangenheit liegt, schaltet die Batteriezelle sofort auf den gewünschten Zustand (wird der geforderte Schaltzustand also sofort hergestellt). Wird z.B. gebraucht, wenn es egal ist ob die Batteriezellen gleichzeitig schalten, Hauptsache sie schalten so schnell wie möglich in den geforderten Schaltzustand.In the event that the switching time is equal to 0 (ts = 0) and / or if the switching time is in the past at the moment when the switching request for the battery cell was decoded, the battery cell immediately switches to the desired state (becomes the required switching status is established immediately). Is used, for example, if it does not matter whether the battery cells switch at the same time, the main thing is that they switch to the required switching state as quickly as possible.

Wie oben beschrieben, sind die Batteriezellenuhren mit der Systemuhr synchronisiert. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Batteriezellenuhren bei Eintritt eines vorbestimmten Synchronisationszeitpunkts und/oder gemäß einem vorbestimmten Synchronisationstakt gemäß einem vorbestimmten Synchronisationsprotokoll mit der Systemuhr des Batteriesystems synchronisiert werden. Verschiedene Synchronisationsprotokolle, die der Fachmann als geeignet identifizieren wird, sind bekannt. Hierzu gehört zum Beispiel das sogenannte TT CAN (Time Triggered CAN ISO 11898-4:2004). Ein weiteres Beispiel bildet das AUTOSAR Time Synchronization over CAN (CanTSyn) Modul. Auch weitere Varianten der bekannten „Time Synchronisation over CAN“ können vom Fachmann bedarfsgerecht gewählt werden.As described above, the battery cell clocks are synchronized with the system clock. One embodiment provides that the battery cell clocks are synchronized with the system clock of the battery system when a predetermined synchronization point in time occurs and / or according to a predetermined synchronization clock according to a predetermined synchronization protocol. Various synchronization protocols are known which those skilled in the art will identify as suitable. This includes, for example, the so-called TT CAN (Time Triggered CAN ISO 11898-4: 2004). Another example is the AUTOSAR Time Synchronization over CAN (CanTSyn) module. Other variants of the well-known “Time Synchronization over CAN” can also be selected by a specialist as required.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird der jeweilige Synchronisationszeitpunkt und/oder der Synchronisationstakt in Abhängigkeit von einer jeweils aktuellen Abweichung zwischen einer jeweiligen Batteriezellenuhr und der Systemuhr bestimmt. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Synchronisation immer dann stattfindet, wenn eine jeweils aktuelle Abweichung einen vorbestimmten Grenzwert erreicht. Mit anderen Worten wird der Synchronisationstakt bevorzugt derart gewählt, dass eine Präzision der Batteriezellenuhren, also deren zeitliche Abweichungen, kleiner sind als ein vorbestimmter Grenzwert. Der Grenzwert kann bevorzugt in Abhängigkeit von Echtzeitanforderungen des Batteriesystems gewählt werden. Bevorzugt liegt der vorbestimmte Grenzwert in einem Bereich zwischen 0 und 50 Mikrosekunden, insbesondere zwischen 20 und 40 Mikrosekunden und ganz besonders bevorzugt bei 30 Mikrosekunden.According to an advantageous development, the respective synchronization time and / or the synchronization clock is determined as a function of a respective current deviation between a respective battery cell clock and the system clock. For example, it can be provided that synchronization always takes place when a current deviation reaches a predetermined limit value. In other words, the synchronization clock is preferably selected in such a way that the precision of the battery cell clocks, that is to say their time deviations, are less than a predetermined limit value. The limit value can preferably be selected as a function of real-time requirements of the battery system. The predetermined limit value is preferably in a range between 0 and 50 microseconds, in particular between 20 and 40 microseconds and very particularly preferably 30 microseconds.

Mit anderen Worten kann der jeweilige Synchronisationszeitpunkt und/oder der Synchronisationstakt in Abhängigkeit von einer maximalen vertretbaren Abweichung einer jeweiligen Batteriezellenuhr zur Systemuhr ausgelegt werden, wobei die maximal vertretbare Abweichung von den Echtzeitanforderungen des Batteriesystems und/oder der Zellverschaltung abhängt.In other words, the respective synchronization time and / or the synchronization clock can be designed as a function of a maximum acceptable deviation of a respective battery cell clock from the system clock, the maximum acceptable deviation depending on the real-time requirements of the battery system and / or the cell interconnection.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in einer Synchronitätsüberwachung eine sich in einem vorgegebenen Zeitintervall oder Probeintervall ergebende Abweichung zwischen der Batteriezellenuhr einer jeweiligen Batteriezelle und der Systemuhr ermittelt wird und für die jeweilige Batteriezelle eine vorbestimmte Schutzmaßnahme ausgelöst wird, wenn eine sich jeweils aktuell ergebende Abweichung eine maximal zulässige Abweichung überschreitet. Mit anderen Worten wird eine Schutzmaßnahme ausgelöst, wenn innerhalb des Probeintervalls eine maximal zulässige Abweichung überschritten wird oder ein maximal zulässiger Drift einer jeweiligen Batteriezellenuhr nicht eingehalten wird. Die vorbestimmte Schutzmaßnahme kann beispielsweise eine Deaktivierung der betroffenen Batteriezelle umfassen. Die Schutzmaßnahme kann auch darin bestehen, einen entsprechenden Hinweis auszugeben.An advantageous development provides that in a synchronicity monitoring a discrepancy between the battery cell clock of a respective battery cell and the system clock is determined in a predetermined time interval or test interval and a predetermined protective measure is triggered for the respective battery cell if a currently occurring discrepancy a exceeds the maximum permissible deviation. In other words, a protective measure is triggered if a maximum permissible deviation is exceeded within the test interval or a maximum permissible drift of a respective battery cell clock is not observed. The predetermined protective measure can include, for example, deactivation of the battery cell concerned. The protective measure can also consist in outputting a corresponding notice.

Ein jeweiliger Zellenprozessor ist bevorzugt dazu ausgebildet, beim Eintritt des jeweiligen Schaltzeitpunkts die Schaltanforderung für „seine“ Batteriezelle mit einer möglichst geringen Latenz auszuführen. Hierzu sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass das Überwachen der Batteriezellenuhr der Batteriezelle in dem Zellenprozessor interrupt-basiert erfolgt. Ein jeweiliger Interrupt kann bevorzugt mit einer hohen Priorität versehen werden. Hierdurch ist zum einen sichergestellt, dass die jeweilige Schaltanforderung mit einer möglichst geringen Latenz ausgeführt wird und zum anderen kann eine Rechenkapazität des jeweiligen Zellenprozessors effizient genutzt werden, da er eben kein zyklisches Überwachen der Batteriezellenuhr (Polling) durchführen muss.A respective cell processor is preferably designed to execute the switching request for “its” battery cell with the lowest possible latency when the respective switching time occurs. For this purpose, an advantageous embodiment provides that the battery cell clock of the battery cell is monitored in the cell processor on an interrupt-based basis. A respective interrupt can preferably be given a high priority. This ensures, on the one hand, that the respective switching request is carried out with the lowest possible latency and, on the other hand, the computing capacity of the respective cell processor can be used efficiently because it does not have to perform cyclical monitoring of the battery cell clock (polling).

Besonders bevorzugt wird ein hardware-basierter Ansatz für das Überwachen gewählt. Beispielsweise kann ein Timer genutzt werden, welcher nach Ablaufen einer eingestellten Zeit einen Digitalen I/O schalten kann (Output-Compare-Modus von Timer), der mit dem Timer verbunden ist. Die jeweilige Batteriezelle stellt also ihren eigenen Timer so ein, dass dieser zum Schaltzeitpunkt abläuft und dann den Schalter schaltet.A hardware-based approach for monitoring is particularly preferred. For example, a timer can be used which, after a set time has elapsed, can switch a digital I / O (output compare mode of timer) that is connected to the timer. The respective battery cell sets its own timer so that it expires at the time of switching and then switches the switch.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Batteriesystem mit zumindest einem Kommunikationsnetzwerk. Mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks sind eine zentrale Steuereinrichtung, eine Systemuhr zum Vorgeben einer absoluten Systemzeit und mehrere elektrisch leitend miteinander verschaltete, schaltbare Batteriezellen, aufweisend jeweilige mit der Systemuhr synchronisierte Batteriezellenuhren und jeweilige Sende-Empfangseinrichtungen, verbunden. Eine jeweilige Batteriezelle weist zumindest ein Schaltelement auf und ist dazu ausgebildet, mittels der Sende-Empfangseinrichtung von der Steuereinrichtung mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks eine Schaltanforderung für das zumindest eine Schaltelement zu empfangen.The invention also relates to a battery system with at least one communication network. By means of the at least one communication network, a central control device, a system clock for specifying an absolute system time and several electrically interconnected, switchable battery cells, having respective battery cell clocks synchronized with the system clock and respective transceiver devices, are connected. A respective battery cell has at least one switching element and is designed to receive a switching request for the at least one switching element by means of the transceiver device from the control device by means of the at least one communication network.

Erfindungsgemäß ist die zentrale Steuereinrichtung dazu ausgebildet, unter Berücksichtigung einer maximalen bekannten Übertragungslatenz des Kommunikationsnetzwerks einen Schaltzeitpunkt für die Schaltanforderung zu erzeugen oder zu berechnen und an die Sende-Empfangseinrichtung zu übermitteln. Der Schaltzeitpunkt bestimmt einen zukünftigen Systemzeitpunkt der Systemzeit zum Ausführen der zumindest einen Schaltanforderung.According to the invention, the central control device is designed to generate or calculate a switching time for the switching request, taking into account a maximum known transmission latency of the communication network, and to transmit it to the transceiver. The switching time determines a future system time of the system time for executing the at least one switching request.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die jeweilige Batteriezelle einen Zellenprozessor aufweist, der dazu ausgebildet ist, den Eintritt des Schaltzeitpunktes durch Überwachen der Batteriezellenuhr der jeweiligen Batteriezelle zu erkennen und bei dem Eintritt des Schaltzeitpunktes die zumindest eine Schaltanforderung auszuführen.Furthermore, it is provided according to the invention that the respective battery cell has a cell processor which is designed to recognize the occurrence of the switching time by monitoring the battery cell clock of the respective battery cell and to execute the at least one switching request when the switching time occurs.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the battery system according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the method according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the battery system according to the invention are not described again here.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Batteriesystems sieht vor, dass in der jeweiligen schaltbaren Batteriezelle jeweils ein elektrische Anschlüsse der Batteriezelle verbindender Zellzweig mit einer galvanischen Zelle und jeweils ein Bypasszweig zum Überbrücken der jeweiligen galvanischen Zelle angeordnet ist, wobei das zumindest eine Schaltelement als ein erstes Schaltelement zum Öffnen und Schließen des Zellzweigs oder als ein zweites Schaltelement zum Öffnen und Schließen des Bypasszweigs ausgebildet ist.A preferred embodiment of the battery system provides that a cell branch connecting electrical connections of the battery cell with a galvanic cell and a bypass branch for bridging the respective galvanic cell are arranged in the respective switchable battery cell, the at least one switching element being a first switching element for opening and closing the cell branch or is designed as a second switching element for opening and closing the bypass branch.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Zellverschaltung für ein Batteriesystem, aufweisend mehrere elektrisch leitend miteinander verschaltete, schaltbare Batteriezellen oder Smart Cells.The invention also relates to a cell interconnection for a battery system, having a plurality of switchable battery cells or smart cells that are interconnected in an electrically conductive manner.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zellverschaltung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Batteriesystems beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zellverschaltung hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the cell interconnection according to the invention which have features as already described in connection with the further developments of the method according to the invention and / or the battery system according to the invention have been described. For this reason, the corresponding developments of the cell interconnection according to the invention are not described again here.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems;
  • 2 eine schematische Darstellung einer einzelnen schaltbaren Batteriezelle;
  • 3 eine schematische Darstellung eines zeitsynchronen Ausführens jeweiliger Schaltanforderungen durch eine Mehrzahl an Batteriezellen; und
  • 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Batteriesystems.
Exemplary embodiments of the invention are described below. This shows:
  • 1 a schematic representation of a battery system;
  • 2 a schematic representation of a single switchable battery cell;
  • 3rd a schematic representation of a time-synchronous execution of respective switching requests by a plurality of battery cells; and
  • 4th a schematic representation of a method for operating a battery system.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that each also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10. Das Batteriesystem 10 weist ein Kommunikationsnetzwerk 12 und eine hier nicht näher beschriebene Zellverschaltung mit einer Vielzahl einzelner Batteriezellen 14 auf. Beispielhaft zeigt 1 neun Batteriezellen 14 (14.1 bis 14.9). Die Batteriezellen 14 sind mittels elektrisch leitender Verbindungen 16 elektrisch leitend miteinander verbunden. Eine zentrale Steuereinrichtung 18 des Batteriesystems 10 ist mittels des Kommunikationsnetzwerks 12 mit den einzelnen Batteriezellen 14 verbunden. Eine jede der Batteriezellen 14 der in 1 gezeigten Ausführungsform weist eine Batteriezellenuhr 20 auf. Eine jeweilige Batteriezellenuhr 20 ist dazu ausgebildet, eine jeweilige Zellenzeit tz (vergleiche hierzu auch 3) für eine jeweilige Batteriezelle 14 bereitzustellen. Die Batteriezellenuhren 20 des Batteriesystems 10 der 1 sind mit einer übergeordneten Systemuhr 22 synchronisiert. Die Systemuhr 22 kann als ein Teil des Batteriesystems 10 oder als Teil einer übergeordneten Einrichtung ausgebildet sein. Die Systemuhr 22 stellt eine absolute oder übergeordnete Systemzeit tSYS (vergleiche hierzu auch 3) für das Batteriesystem bereit. Gemäß einem vorbestimmten Synchronisationsprotokoll können die Batteriezellenuhren 20 mit der Systemuhr 22 synchronisiert werden. 1 shows a schematic representation of a battery system 10 . The battery system 10 has a communication network 12th and a cell interconnection, not described in more detail here, with a large number of individual battery cells 14th on. Exemplarily shows 1 nine battery cells 14th ( 14.1 to 14.9 ). The battery cells 14th are by means of electrically conductive connections 16 electrically connected to each other. A central control device 18th of the battery system 10 is by means of the communication network 12th with the individual battery cells 14th connected. Each of the battery cells 14th the in 1 The embodiment shown has a battery cell clock 20th on. A respective battery cell clock 20th is designed to record a respective cell time tz (see also 3rd ) for a respective battery cell 14th provide. The battery cell clocks 20th of the battery system 10 the 1 are with a higher-level system clock 22nd synchronized. The system clock 22nd can be used as part of the battery system 10 or be designed as part of a higher-level facility. The system clock 22nd represents an absolute or superordinate system time t SYS (see also 3rd ) ready for the battery system. According to a predetermined synchronization protocol, the battery cell clocks 20th with the system clock 22nd be synchronized.

Unter Bezugnahme auf die in Zusammenhang mit 1 bezeichneten und beschriebenen Komponenten zeigt 2 eine schematische Darstellung einer einzelnen Batteriezelle 14, welche mittels des Kommunikationsnetzwerkes 12 mit der zentralen Steuereinrichtung 18 verbunden ist. Die Batteriezelle 14 weist eine Sende-Empfangseinrichtung 24 auf, welche dazu eingerichtet ist, eine durch die zentrale Steuereinrichtung 18 übermittelte Schaltanforderung 26 zu empfangen. Auch eine Übermittlung hier nicht näher beschriebener Sensordaten S aus der Batteriezelle 14 mittels der Sende-Empfangseinheit 24 über das Kommunikationsnetzwerk 12 zu der zentralen Steuereinrichtung 18 hin kann ermöglicht werden. Zwischen Steuereinrichtung 18 und jeweiligen Batteriezellen 14 kann also eine Zwei-Wege-Kommunikation stattfinden.With reference to those related to 1 designated and described components shows 2 a schematic representation of a single battery cell 14th , which by means of the communication network 12th with the central control device 18th connected is. The battery cell 14th has a transceiver 24 which is set up for this purpose, one by the central control device 18th transmitted switching request 26th to recieve. Transmission of sensor data S from the battery cell that is not described in more detail here 14th by means of the sender / receiver unit 24 over the communication network 12th to the central control device 18th can be made possible. Between control device 18th and respective battery cells 14th a two-way communication can take place.

Die Batteriezelle 14 weist als eine schaltbare Batteriezelle in der in 2 gezeigten Ausführungsform einen Zellzweig 27 mit einem ersten Schaltelement 28 und einen Bypasszweig 29 mit einem zweiten Schaltelement 28 auf. Durch entsprechendes Ansteuern der jeweiligen Schaltelemente 28 kann ein Zellenprozessor 30 einen jeweiligen durch die jeweilige Schaltanforderung 26 beschriebenen Schaltzustand herstellen. In der in 2 gezeigten Ausführungsform weist die Batteriezelle 14 darüber hinaus einen Balancing-Schalter 32 sowie einen Balancing-Widerstand 34 auf. Mögliche Schaltzustände, die eine Batteriezelle 14 einnehmen kann, sind beispielsweise ein Zustand A (vergleiche 3), welcher einem aktivierten oder einem elektrisch leitend mit einer Umgebung verbundenem Zustand der Batteriezelle 14 entspricht. Ein weiterer möglicher Zustand B (vergleiche 3) kann einem überbrückten Zustand der Batteriezelle 14 entsprechen. Ein weiterer denkbarer Zustand C (vergleiche 3) kann beispielsweise einem Balancing-Zustand der Batteriezelle 14 entsprechen. Ein weiterer Zustand (nicht gezeigt) kann einem Zustand entsprechen, in dem das erste Schaltelement 28 des Zellzweigs 27 und das zweite Schaltelement 28 des Bypasszweigs 29 geöffnet sind und die Batteriezelle 14 also „hochohmig“ geschaltet ist. Schließlich kann entweder gemeinsam oder getrennt von einer jeweiligen Schaltanforderung 26 mittels des Kommunikationsnetzwerkes 12 ein jeweiliger Schaltzeitpunkt ts (vergleiche 3) von der Steuereinrichtung 18 an die Sende-Empfangseinheit 24 der Batteriezelle 14 übermittelt werden.The battery cell 14th has as a switchable battery cell in the in 2 embodiment shown a cell branch 27 with a first switching element 28 and a bypass branch 29 with a second switching element 28 on. By activating the respective switching elements accordingly 28 can be a cell processor 30th a respective one by the respective switching requirement 26th Establish the switching state described. In the in 2 The embodiment shown has the battery cell 14th in addition, a balancing switch 32 as well as a balancing resistor 34 on. Possible switching states that a battery cell 14th can take are, for example, a state A (cf. 3rd ), which is an activated or an electrically conductive state of the battery cell connected to an environment 14th corresponds to. Another possible state B (compare 3rd ) can lead to a bridged state of the battery cell 14th correspond. Another conceivable state C (compare 3rd ) can, for example, a balancing state of the battery cell 14th correspond. A further state (not shown) can correspond to a state in which the first switching element 28 of the cell branch 27 and the second switching element 28 of the bypass branch 29 are open and the battery cell 14th that is, switched to "high resistance". Finally, either jointly or separately from a respective switching request 26th by means of the communication network 12th a respective switching time ts (compare 3rd ) from the control device 18th to the sender / receiver unit 24 the battery cell 14th be transmitted.

3 zeigt nun unter Bezugnahme auf die in Zusammenhang mit den 1 und 2 bezeichneten und beschriebenen Komponenten eine schematische Darstellung einer zeitsynchronen Ausführung jeweiliger Schaltanforderungen 26 durch Zellenprozessoren 30 von hier beispielhaft dargestellten drei Batteriezellen 14 (14.1 bis 14.3). 3rd FIG. 11 now shows with reference to that in connection with FIGS 1 and 2 designated and described components a schematic representation of a time-synchronous execution of respective switching requests 26th by cell processors 30th three battery cells shown here as an example 14th ( 14.1 to 14.3 ).

Im unteren Bereich der 3 ist eine zeitliche Abfolge von an den jeweiligen Batteriezellen 14 eintreffenden Schaltanforderungen 26 dargestellt. Die Schaltanforderungen 26 treffen nicht gleichzeitig bei allen drei Batteriezellen 14 ein, sondern zeitlich versetzt. So trifft die Schaltanforderung 26 und ein jeweiliger Schaltzeitpunkt ts für die Batteriezelle 14.3 zu einer Zeit t14.3 ein. Die Schaltanforderung 26 und der Schaltzeitpunkt ts für die Batteriezelle 14.2 trifft zu einer Zeit t14.2 ein. Die Schaltanforderung 26 und der Schaltzeitpunkt ts für die Batteriezelle 14.1 trifft zu einer Zeit t14.1 ein. Die Batteriezellenuhren 20 der Batteriezellen 14.1, 14.2 und 14.3 wurden zu einem Synchronisationszeitpunkt tSYNC mit der Systemuhr 22 synchronisiert, sodass die in 3 gezeigte Systemzeit tSYS einer jeweiligen Zellenzeit tZ14.1, tZ14.2, tZ14.3 entspricht. Außerdem zeigt 3 entlang der Systemzeitachse tSYS den gemeinsamen Schaltzeitpunkt ts, zu dem die Schaltanforderungen 26 ausgeführt werden sollen.In the lower area of the 3rd is a time sequence of at the respective battery cells 14th incoming switching requests 26th shown. The switching requirements 26th do not hit all three battery cells at the same time 14th one, but staggered in time. So meets the switching requirement 26th and a respective switching time ts for the battery cell 14.3 at a time t 14.3 a. The switching request 26th and the switching time ts for the battery cell 14.2 arrives at a time t 14.2 . The switching request 26th and the switching time ts for the battery cell 14.1 arrives at a time t 14.1 . The battery cell clocks 20th of the battery cells 14.1 , 14.2 and 14.3 were at a synchronization time t SYNC with the system clock 22nd synchronized so that the in 3rd The system time t SYS shown corresponds to a respective cell time t Z14.1 , t Z14.2 , t Z14.3. Also shows 3rd along the system time axis t SYS the common switching time ts at which the switching requirements 26th should be executed.

Die Ausführung der jeweiligen Schaltanforderungen 26 ist in dem oberen Bereich der 3 schematisch dargestellt. Hier wird gezeigt, wie sich gemäß der entsprechenden Schaltanforderung 26 ein jeweiliger Schaltzustand A, B, C einer jeweiligen der Batteriezellen 14.1 bis 14.3 zum Zeitpunkt ts ändert. Der Zustand der Batteriezelle 14.3 ändert sich zum Zeitpunkt ts von A nach C. Der Zustand der Batteriezelle 14.2 ändert sich zum Schaltzeitpunkt ts von B nach A. Der Schaltzustand der Batteriezelle 14.1 ändert sich schließlich zum Schaltzeitpunkt ts von C nach B. 3 zeigt hierbei natürlich eine nicht ausschließliche und willkürlich gewählte Änderung der jeweiligen Zustände, die nur zur Illustration des beschriebenen Verfahrens dient.The execution of the respective switching requirements 26th is in the upper area of the 3rd shown schematically. Here it is shown how according to the corresponding switching requirement 26th a respective switching state A, B, C of a respective one of the battery cells 14.1 to 14.3 changes at time ts. The condition of the battery cell 14.3 changes from A to C at time ts. The state of the battery cell 14.2 changes from B to A at switching time ts. The switching status of the battery cell 14.1 finally changes at switching time ts from C to B. 3rd naturally shows a non-exclusive and arbitrarily selected change in the respective states, which only serves to illustrate the method described.

4 zeigt unter Bezugnahme auf die in Zusammenhang mit den 1 bis 3 bezeichneten und beschriebenen Komponenten eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Batteriesystems 10. In einem Verfahrensschritt S1 übermittelt eine zentrale Steuereinrichtung 18 des Batteriesystems 10 eine Schaltanforderung 26 mittels eines Kommunikationsnetzwerks 12 an eine jeweilige Batteriezelle 14 einer hier nicht näher beschriebenen Zellverschaltung des Batteriesystems 10. Die Schaltanforderung 26 beschreibt einen geforderten Schaltzustand A, B, C, der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle 14. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die mögliche Anzahl an Schaltzuständen oder Zuständen 2n beträgt, wobei n die Anzahl an Schaltern oder Schaltelemtenten 28 pro Batteriezelle 14 ist. Also bei 2 Schaltern (je einer im Zellzweig 27 und im Bypasszweig 29), gibt es 4 mögliche Zustände. In einem weiteren Verfahrensschritt S2 empfängt eine Sende-Empfangseinrichtung 24 der Batteriezelle 14 die Schaltanforderung 26. In einem Verfahrensschritt S3 führt ein Zellenprozessor 30 der Batteriezelle 14 die Schaltanforderung 26 aus, indem er ein Schaltelement 28 der Batteriezelle 14 ansteuert, wodurch der jeweils geforderte Schaltzustand A, B oder C hergestellt wird. In einem weiteren Verfahrensschritt S4 legt die zentrale Steuereinrichtung 18 unter Berücksichtigung einer bekannten Übertragungslatenz des Kommunikationsnetzwerks 12 (oder Kommunikations-Stacks) einen Schaltzeitpunkt ts für die Schaltanforderung 26 fest. Den festgelegten Schaltzeitpunkt ts übermittelt die zentrale Steuereinrichtung 18 ebenfalls mittels des Kommunikationsnetzwerks 12 der Sende-Empfangseinrichtung 24 der Batteriezelle 14. Der Schaltzeitpunkt ts bestimmt einen zukünftigen Systemzeitpunkt der Systemzeit tSYS des Batteriesystems 10 zum Ausführen der Schaltanforderung 26. In einem Verfahrensschritt S5 erkennt der Zellenprozessor 30 den Eintritt des Schaltzeitpunktes ts und führt bei seinem Eintritt die Schaltanforderung 26 aus. 4th shows with reference to the in connection with the 1 to 3rd designated and described components a schematic representation of a method for operating a battery system 10 . In one process step S1 transmits a central control device 18th of the battery system 10 a switching request 26th by means of a communication network 12th to a respective battery cell 14th a cell interconnection of the battery system not described in detail here 10 . The switching request 26th describes a required switching state A, B, C of at least one respective battery cell 14th . At this point it should be mentioned that the possible number of switching states or states is 2 n , where n is the number of switches or switching elements 28 per battery cell 14th is. So with 2 switches (one each in the cell branch 27 and in the bypass branch 29 ), there are 4 possible states. In a further process step S2 receives a transceiver 24 the battery cell 14th the switching request 26th . In one process step S3 runs a cell processor 30th the battery cell 14th the switching request 26th off by having a switching element 28 the battery cell 14th controls, whereby the respectively required switching state A, B or C is established. In a further process step S4 sets the central control device 18th taking into account a known transmission latency of the communication network 12th (or communication stacks) a switching time ts for the switching request 26th firmly. The central control device transmits the specified switching time ts 18th also by means of the communication network 12th the transceiver 24 the battery cell 14th . The switching time ts determines a future system time of the system time t SYS of the battery system 10 to execute the switching request 26th . In one process step S5 recognizes the cell processor 30th the occurrence of the switching time ts and leads to the switching request when it occurs 26th out.

In einer konkreten Ausführungsform kann das Verfahren folgendermaßen ablaufen: 1) Die zentrale Steuereinrichtung 18 schickt die Schaltzeit ts an die Batteriezelle 14, 2) die Batteriezelle 14 empfängt und dekodiert die Schaltzeit ts, 3) die zentrale Steuereinrichtung 18 schickt die Schaltanforderung 26 an die Batteriezelle 14, 4) die Batteriezelle 14 empfängt und dekodiert die Schaltanforderung 26, 5a) liegt die Schaltzeit ts bereits in der Vergangenheit oder wurde die Schaltzeit ts = 0 gesendet, so schaltet der Zellenprozessor 30 die/den Schalter oder das/die Schaltelement(e) 28 auf den gewünschten Zustand, 5b) liegt die Schaltzeit ts jedoch in der Zukunft, so wartet die Batteriezelle 14 bis zur Schaltzeit ts und schaltet dann die Schalter.In a specific embodiment, the method can run as follows: 1) The central control device 18th sends the switching time ts to the battery cell 14th , 2 ) the battery cell 14th receives and decodes the switching time ts, 3) the central control device 18th sends the switching request 26th to the battery cell 14th , 4th ) the battery cell 14th receives and decodes the switching request 26th , 5a) If the switching time ts is already in the past or if the switching time ts = 0 was sent, the cell processor switches 30th the switch or the switching element (s) 28 to the desired state, 5b), however, if the switching time ts is in the future, the battery cell waits 14th until switching time ts and then switches the switch.

Der Fall ts = 0 kann zum Beispiel genutzt werden, wenn die Schalter 28 nicht synchron schalten müssen, dann schalten sie sofort nach Dekodierung der Schaltanforderung 26.The case ts = 0 can be used, for example, when the switches 28 do not have to switch synchronously, they switch immediately after decoding the switching request 26th .

In kommerziellen Elektrofahrzeugen werden in Lithium-Ionen basierten Batteriesystemen Sensordaten der Batteriezellen zu einem übergeordneten Steuergerät oder einer zentralen Steuereinrichtung, dem Batterie Management System (BMS) kommuniziert. Oftmals werden mehrere Batteriezellen zu sog. Modulen oder Zellmodulen oder Batteriemodulen zusammengeschlossen, welche die Sensordaten der einzelnen Zellen oder Batteriezellen sammeln und diese an das BMS senden. Es gibt auch Ansätze, in denen die Zellen direkt mit dem BMS kommunizieren, wodurch die Anzahl der Kommunikationsteilnehmer erheblich steigt.In commercial electric vehicles in lithium-ion-based battery systems, sensor data from the battery cells is communicated to a higher-level control unit or a central control device, the Battery Management System (BMS). Often several battery cells are combined to form so-called modules or cell modules or battery modules, which collect the sensor data from the individual cells or battery cells and send them to the BMS. There are also approaches in which the cells communicate directly with the BMS, whereby the number of communication participants increases considerably.

Als Schnittstelle zwischen BMS und Zellen bzw. Zellmodulen wird bisweilen hauptsächlich CAN(-FD) verwendet, aber auch immer mehr proprietäre kabelgebundene Kommunikationsprotokolle. Bei diesem Ansatz werden jedoch nur Sensordaten von den Zellen zum BMS kommuniziert. Aktuell gibt es im Fahrzeug keine Zellen, welche durch Elektronik auf Zellebene einzeln gesteuert werden könnten. Das bedeutet, dass heute keine Aktorik auf der Zelle über den Kommunikationspfad vom BMS aktiv angesteuert wird. Hierdurch ergibt sich der Nachteil, dass das kontrollierte Weg- und Hinzuschalten einzelner Batteriezellen ist zum heutigen Stand in Elektro- und Hybridfahrzeugen nicht vorgesehen ist. Zellen werden gemeinsam durch ein Hauptschütz von der Last getrennt. Würde man alle Zellen der Batterie (oder der Zellverschaltung) durch separate kabelgebundene optische oder elektrische Signale steuern, so würde das zu einem erheblichen Zuwachs an Komplexität, Gewicht und Kosten führen, da jede Zelle einzeln mit dem BMS verbunden werden müsste. Das BMS muss bei separaten kabelgebundenen Steuerleitungen in der Lage sein, all diese auch bedienen zu können, sprich, es müsste mit allen Zellen verbunden sein. Dies bedürfte einer Schnittstelle mit hunderten Leitungen, außerdem müsste das BMS über hunderte I/Os verfügen, was auch zu massiven erhöhten Kosten führen würde.As an interface between BMS and cells or cell modules, mainly CAN (-FD) is sometimes used, but more and more proprietary wired communication protocols are also used. With this approach, however, only sensor data is communicated from the cells to the BMS. There are currently no cells in the vehicle that could be individually controlled by electronics at cell level. This means that today no actuators on the cell are actively controlled by the BMS via the communication path. This results in the disadvantage that the controlled disconnection and connection of individual battery cells is currently not provided in electric and hybrid vehicles. Cells are jointly separated from the load by a main contactor. If all cells of the battery (or the cell wiring) were to be controlled by separate wired optical or electrical signals, this would lead to a considerable increase in complexity, weight and costs, since each cell would have to be individually connected to the BMS. With separate wired control lines, the BMS must be able to operate all of these, i.e. it must be connected to all cells. This would require an interface with hundreds of lines, and the BMS would also have to have hundreds of I / Os, which would also lead to massive increased costs.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Batteriesystem verschaltete Smart Cells, welche mit einem oder mehreren Schalterelementen oder Schaltelementen bestückt sind (vgl. 2). Die Zellen sind durch einen oder mehrere Kommunikationssysteme oder Kommunikationsnetzwerke, z.B. einem CAN Bus, untereinander und mit dem BMS verbunden (vgl. 1). Die Stellung der Schalter oder Schaltelemente einer jeden Zelle wird durch das BMS individuell angefordert, wobei die Schalterstellungen oder geforderten Schaltzustände der einzelnen Zellen in einer oder mehreren Botschaften zusammengefasst werden können. In einem weiteren Signal sendet das BMS die sog. Schaltzeit oder den Schaltzeitpunkt ts. Dieses Signal ist entweder mit den Schalterstellungen in einer Botschaft zusammengefasst, oder wird in einer separaten Botschaft versendet. Die Schaltzeit oder der Schaltzeitpunkt repräsentiert eine absolute Systemzeit mit einer Auflösung im Mikrosekunden- (µs-) oder Sub-µs-Bereich, zu welcher die Schaltanforderung(en) von allen Zellen ausgeführt werden soll(en).According to the present invention, the battery system comprises interconnected smart cells, which are equipped with one or more switch elements or switching elements (cf. 2 ). The cells are connected to one another and to the BMS by one or more communication systems or communication networks, e.g. a CAN bus (cf. 1 ). The position of the switches or switching elements of each cell is requested individually by the BMS, whereby the switch positions or required switching states of the individual cells can be summarized in one or more messages. In a further signal, the BMS sends the so-called switching time or the switching time ts. This signal is either combined with the switch positions in a message, or is sent in a separate message. The switching time or the switching time represents an absolute system time with a resolution in the microsecond (µs) or sub-µs range at which the switching request (s) should be carried out by all cells.

Beim Empfang der jeweiligen Botschaft dekodiert jede Zelle die ihr zugewiesenen Daten zur Schaltanforderung und die Schaltzeit. Die gewünschte Schalterstellung wird erst dann von der jeweiligen Smart Cell tatsächlich umgesetzt, wenn die gewünschte Schaltzeit gleich der netzwerksynchronen Systemzeit ist.When the respective message is received, each cell decodes the data assigned to it on the switching request and the switching time. The desired switch position is only actually implemented by the respective smart cell when the desired switching time is the same as the network-synchronous system time.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Realisierung der Schaltanforderungen über einen Kommunikationsbus Gewicht und Kosten gespart werden können, da eine Steuerleitung vom BMS zu jeder einzelnen Zelle hinfällig wird. Die Zellen und das BMS müssen lediglich an einen gemeinsamen Kommunikationsbus angeschlossen werden. Dadurch, dass die Smart Cells nicht sofort beim Empfang der Schaltanforderungen, sondern erst zur Schaltzeit ts schalten, werden Jitter und Verzögerungen auf dem Kommunikationspfad abstrahiert (vgl. 3). Dadurch kann deutlich einfacher gewährleistet werden, dass die Schalter auch tatsächlich im Rahmen der Echtzeitanforderungen synchron schalten. Die notwendigen Echtzeiteigenschaften des Kommunikationskanals können somit deutlich entschärft werden.This has the advantage that by implementing the switching requirements via a communication bus, weight and costs can be saved, since a control line from the BMS to each individual cell is no longer necessary. The cells and the BMS only need to be connected to a common communication bus. Because the smart cells do not switch immediately when the switching request is received, but rather at the switching time ts, jitter and delays on the communication path are abstracted (cf. 3rd ). This makes it much easier to ensure that the switches actually switch synchronously within the real-time requirements. The necessary real-time properties of the communication channel can thus be significantly reduced.

Um eine globale Uhr zu realisieren, braucht es Synchronisationsprotokolle wie zum Beispiel Time Triggered CAN (TTCAN), um die Uhren der einzelnen Busteilnehmer (also die Batteriezellenuhren und die Systemuhr) zu synchronisieren. Die Basis für ein echtzeitfähiges zeitsynchrones Schalten der Smart Cells ist eine globale Uhr auf Batteriesystemebene. Der Präzision der Uhren, also der maximale Unterschied der lokalen Uhr zwischen Smart Cells und zwischen Smart Cells und dem BMS, darf nur einen bestimmten maximalen Wert erreichen, welcher abhängig von den Echtzeitanforderungen des Batteriesystems ist. Das Synchronisationsprotokoll muss also in der Lage sein, in einer gewissen Auflösung genau zu synchronisieren und einen maximalen Drift garantieren zu können.In order to implement a global clock, synchronization protocols such as Time Triggered CAN (TTCAN) are required to synchronize the clocks of the individual bus participants (i.e. the battery cell clocks and the system clock). The basis for real-time, synchronous switching of the smart cells is a global clock at the battery system level. The precision of the clocks, i.e. the maximum difference of the local clock between Smart Cells and between Smart Cells and the BMS, may only reach a certain maximum value, which is dependent on the real-time requirements of the battery system. The synchronization protocol must therefore be able to synchronize precisely with a certain resolution and be able to guarantee maximum drift.

Die Umsetzung der Schaltanforderung und der Schaltzeit ist relativ einfach, da diese einfach als Kommunikationssignale in der Kommunikations-Matrix oder dem Kommunikationsnetzwerk festgelegt werden müssen. Wie diese Signale repräsentiert werden und auf wie viele Botschaften sie aufgeteilt werden ist hier nicht entscheidend. Wichtig ist nur, dass sowohl alle Schaltanforderungen als auch die Schaltzeit bei allen Smart Cells empfangen werden, bevor die Schaltzeit tatsächlich eintritt. Dies kann beispielsweise durch Vergabe von Botschafts-IDs mit hoher Priorität beim CAN Bus umgesetzt werden.The implementation of the switching request and the switching time is relatively simple, since these simply have to be defined as communication signals in the communication matrix or the communication network. How these signals are represented and into how many messages they are divided is not decisive here. It is only important that both all switching requests and the switching time are received by all Smart Cells before the switching time actually occurs. This can be implemented, for example, by assigning message IDs with high priority on the CAN bus.

Die Smart Cells sind bevorzugt dazu in der Lage, zur Schaltzeit mit möglichst geringer Latenz zu schalten, etwa durch Timer-basierte hochpriore Interrupts.The smart cells are preferably able to switch at the switching time with the lowest possible latency, for example by means of timer-based high-priority interrupts.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung zeitlich angekündigte Schaltanforderungen für Smartcell-Energiespeicher basierend auf einer hochgenauen netzwerkweiten Uhr bereitgestellt werden können.Overall, the examples show how switching requirements announced by the invention for smart cell energy storage devices based on a high-precision network-wide clock can be provided.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2008/055505 A1 [0005]WO 2008/055505 A1 [0005]
  • US 2017/0353042 A1 [0006]US 2017/0353042 A1 [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • ISO 11898 [0003]ISO 11898 [0003]
  • ISO 11898-1:2015 [0003]ISO 11898-1: 2015 [0003]

Claims (11)

Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (10), wobei das Batteriesystem (10) zumindest ein Kommunikationsnetzwerk (12) und eine Zellverschaltung mit einer Vielzahl elektrisch leitend miteinander verschalteter, schaltbarer Batteriezellen (14) aufweist, wobei eine Systemuhr (22) eine absolute Systemzeit (tSYS) für das Batteriesystem (10) vorgibt und mit der Systemuhr (22) synchronisierte Batteriezellenuhren (20) jeweilige Zellenzeiten (tz) für die Batteriezellen (14) vorgeben, wobei a. eine zentrale Steuereinrichtung (18) des Batteriesystems (10) zumindest eine Schaltanforderung (26) mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks (12) an zumindest eine jeweilige Batteriezelle (14) der Vielzahl an Batteriezellen (14) übermittelt, wobei sich hierbei eine bekannte maximale Übertragungslatenz ergibt, wobei die zumindest eine Schaltanforderung (26) einen jeweils geforderten Schaltzustand (A, B, C) der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle (14) beschreibt; b. eine Sende-Empfangseinrichtung (24) der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle (14) die zumindest eine Schaltanforderung (26) empfängt, und c. ein Zellenprozessor (30) der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle (14) die Schaltanforderung (26) ausführt, indem er ein Schaltelement (28) der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle (14) ansteuert, wodurch der jeweils geforderte Schaltzustand (A, B, C) hergestellt wird; dadurch gekennzeichnet, dass d. die zentrale Steuereinrichtung (18) unter Berücksichtigung der maximalen bekannten Übertragungslatenz einen Schaltzeitpunkt (ts) für die zumindest eine Schaltanforderung (26) festlegt und der Sende-Empfangseinrichtung (24) mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks (12) übermittelt, wobei der Schaltzeitpunkt (ts) einen zukünftigen Systemzeitpunkt der Systemzeit (tSYS) des Batteriesystems (10) zum Ausführen der zumindest einen Schaltanforderung (26) bestimmt, e. der Zellenprozessor (30) den Eintritt des Schaltzeitpunktes (ts) durch Überwachen der Batteriezellenuhr (20) der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle (14) erkennt und bei dem Eintritt des Schaltzeitpunktes (ts) die zumindest eine Schaltanforderung (26) ausführt.A method for operating a battery system (10), the battery system (10) having at least one communication network (12) and a cell interconnection with a plurality of electrically conductively interconnected, switchable battery cells (14), a system clock (22) having an absolute system time (t SYS ) specifies for the battery system (10) and battery cell clocks (20) synchronized with the system clock (22) specify respective cell times (tz) for the battery cells (14), wherein a. a central control device (18) of the battery system (10) transmits at least one switching request (26) by means of the at least one communication network (12) to at least one respective battery cell (14) of the plurality of battery cells (14), with a known maximum transmission latency resulting here , wherein the at least one switching request (26) describes a respectively required switching state (A, B, C) of the at least one respective battery cell (14); b. a transceiver (24) of the at least one respective battery cell (14) which receives at least one switching request (26), and c. a cell processor (30) of at least one respective battery cell (14) executes the switching request (26) by activating a switching element (28) of the at least one respective battery cell (14), whereby the respectively required switching state (A, B, C) is established becomes; characterized in that d. the central control device (18), taking into account the maximum known transmission latency, defines a switching time (ts) for the at least one switching request (26) and transmits it to the transceiver (24) by means of the at least one communication network (12), the switching time (ts) determines a future system time of the system time (t SYS ) of the battery system (10) for executing the at least one switching request (26), e. the cell processor (30) recognizes the occurrence of the switching time (ts) by monitoring the battery cell clock (20) of the at least one respective battery cell (14) and executes the at least one switching request (26) when the switching time (ts) occurs. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zentrale Steuereinrichtung (18) einen jeweiligen Schaltzeitpunkt (ts) als einen gemeinsamen Schaltzeitpunkt (ts) für eine vorbestimmte Teilgruppe an Batteriezellen (14) festlegt, wobei die Zellprozessoren (30) der Batteriezellen (14) der vorbestimmten Teilgruppe jeweilige Schaltanforderungen (26) synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunktes (ts) ausführen.Procedure according to Claim 1 , wherein the central control device (18) defines a respective switching time (ts) as a common switching time (ts) for a predetermined subgroup of battery cells (14), the cell processors (30) of the battery cells (14) of the predetermined subgroup having respective switching requirements (26 ) execute synchronously when the common switching time (ts) occurs. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Batteriezellen (14) der vorbestimmten Teilgruppe miteinander zu einer Parallelschaltung elektrisch verschaltet sind, wobei die Parallelschaltung aufgelöst wird, indem die Zellenprozessoren (30) der Batteriezellen (14) jeweilige Schaltanforderungen (26) synchron bei Eintritt des gemeinsamen Schaltzeitpunktes (ts) ausführen.Procedure according to Claim 2 , the battery cells (14) of the predetermined subgroup being electrically connected to one another to form a parallel connection, the parallel connection being resolved by the cell processors (30) of the battery cells (14) executing respective switching requests (26) synchronously when the common switching time (ts) occurs . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein jeweiliger Zellenprozessor (30) einen Speicher aufweist, wobei der Zellenprozessor (30) eingegangene Schaltanforderungen (26) in dem Speicher abspeichert und eine jeweilige eingegangene Schaltanforderung (26) bis zum Eintritt des ihr zugeordneten Schaltzeitpunktes (ts) zurückhält.Method according to one of the preceding claims, wherein a respective cell processor (30) has a memory, the cell processor (30) storing incoming switching requests (26) in the memory and a respective incoming switching request (26) up to the occurrence of the switching time (ts) assigned to it ) withholds. Verfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellenuhren (20) bei Eintritt eines vorbestimmten Synchronisationszeitpunkts (tSYNC) und/oder gemäß einem vorbestimmten Synchronisationstakt gemäß einem vorbestimmten Synchronisationsprotokoll mit der Systemuhr (22) des Batteriesystems (10) synchronisiert werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the battery cell clocks (20) are synchronized with the system clock (22) of the battery system (10) when a predetermined synchronization time (t SYNC) occurs and / or according to a predetermined synchronization clock according to a predetermined synchronization protocol. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der jeweilige Synchronisationszeitpunkt (tSYNC) und/oder der Synchronisationstakt in Abhängigkeit von einer jeweils aktuellen Abweichung zwischen einer jeweiligen Batteriezellenuhr (20) und der Systemuhr (22) bestimmt wird.Procedure according to Claim 5 , the respective synchronization time point (t SYNC ) and / or the synchronization clock being determined as a function of a respective current discrepancy between a respective battery cell clock (20) and the system clock (22). Verfahren nach Anspruch 6, wobei in einer Synchronitätsüberwachung eine sich in einem vorgegebenen Zeitintervall ergebende Abweichung der Batteriezellenuhr (20) der jeweiligen Batteriezelle (14) von der Systemuhr (22) ermittelt wird, und für die jeweilige Batteriezelle (14) eine vorbestimmte Schutzmaßnahme ausgelöst wird, wenn eine sich jeweils aktuell ergebende Abweichung eine maximal zulässige Abweichung überschreitet.Procedure according to Claim 6 , whereby a deviation of the battery cell clock (20) of the respective battery cell (14) from the system clock (22) resulting in a predetermined time interval is determined in a synchronicity monitoring, and a predetermined protective measure is triggered for the respective battery cell (14) if a the currently resulting deviation exceeds a maximum permissible deviation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Überwachen der Batteriezellenuhr (20) der zumindest einen jeweiligen Batteriezelle (14) in dem Zellenprozessor (30) interrupt-basiert und/oder hardware-basiert erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the monitoring of the battery cell clock (20) of the at least one respective battery cell (14) in the cell processor (30) is interrupt-based and / or hardware-based. Batteriesystem (10) mit zumindest einem Kommunikationsnetzwerk (12), wobei mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks (12) eine zentrale Steuereinrichtung (18), eine Systemuhr (22) zum Vorgeben einer absoluten Systemzeit (tSYS) und mehrere elektrisch leitend miteinander verschaltete, schaltbare Batteriezellen (14), aufweisend jeweilige mit der Systemuhr (22) synchronisierte Batteriezellenuhren (20) und jeweilige Sende-Empfangseinrichtungen (24), verbunden sind, wobei eine jeweilige Batteriezelle (14) zumindest ein Schaltelement (28) aufweist und dazu ausgebildet ist, mittels der Sende-Empfangseinrichtung (24) von der zentralen Steuereinrichtung (18) mittels des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks (12) eine Schaltanforderung (26) für das zumindest eine Schaltelement (28) zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinrichtung (18) dazu ausgebildet ist, unter Berücksichtigung einer bekannten maximalen Übertragungslatenz des zumindest einen Kommunikationsnetzwerks (12) einen Schaltzeitpunkt (ts) für die Schaltanforderung (26) zu berechnen und an die Sende-Empfangseinrichtung (24) zu übermitteln, wobei der Schaltzeitpunkt (ts) einen zukünftigen Systemzeitpunkt der Systemzeit (tSYS) zum Ausführen der zumindest einen Schaltanforderung (26) bestimmt, wobei die jeweilige Batteriezelle (14) einen Zellenprozessor (30) aufweist, der dazu ausgebildet ist, den Eintritt des Schaltzeitpunktes (ts) durch Überwachen der Batteriezellenuhr (20) der jeweiligen Batteriezelle (14) zu erkennen und bei dem Eintritt des Schaltzeitpunktes (ts) die zumindest eine Schaltanforderung (26) auszuführen.Battery system (10) with at least one communication network (12), wherein by means of the at least one communication network (12) a central control device (18), a system clock (22) for specifying an absolute system time (t SYS ) and several electrically interconnected, switchable Battery cells (14) having respective battery cell clocks (20) synchronized with the system clock (22) and respective transceiver devices (24) are connected, each battery cell (14) having at least one switching element (28) and being designed to do so by means of the transceiver device (24) from the central control device (18) by means of the at least a communication network (12) to receive a switching request (26) for the at least one switching element (28), characterized in that the central control device (18) is designed to set a switching time, taking into account a known maximum transmission latency of the at least one communication network (12) (ts) for the switching request (26) to be calculated and transmitted to the transceiver (24), the switching time (ts) determining a future system time of the system time (t SYS ) for executing the at least one switching request (26), wherein the respective battery cell (14) has a cell processor (30) which is designed to detect the occurrence of the switching time (ts) by monitoring the battery cell clock (20) of the respective battery cell (14) and, when the switching time (ts) occurs, the execute at least one switching request (26). Batteriesystem (10) nach Anspruch 9, wobei in der jeweiligen schaltbaren Batteriezelle (14) jeweils ein elektrische Anschlüsse der Batteriezelle (14) verbindender Zellzweig (27) mit einer galvanischen Zelle und jeweils ein Bypasszweig (29) zum Überbrücken der jeweiligen galvanischen Zelle angeordnet ist, wobei das zumindest eine Schaltelement (28) als ein erstes Schaltelement (28) zum Öffnen und Schließen des Zellzweigs (27) oder als ein zweites Schaltelement (28) zum Öffnen und Schließen des Bypasszweigs (29) ausgebildet ist.Battery system (10) Claim 9 , wherein in the respective switchable battery cell (14) in each case a cell branch (27) connecting electrical connections of the battery cell (14) with a galvanic cell and in each case a bypass branch (29) for bridging the respective galvanic cell is arranged, the at least one switching element ( 28) is designed as a first switching element (28) for opening and closing the cell branch (27) or as a second switching element (28) for opening and closing the bypass branch (29). Zellverschaltung für ein Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, aufweisend mehrere elektrisch leitend miteinander verschaltete, schaltbare Batteriezellen (14).Cell interconnection for a battery system (10) according to one of the Claims 9 or 10 , having a plurality of switchable battery cells (14) that are electrically interconnected to one another.
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