Voltage monitoring circuit for e.g. hybrid vehicle, has separation device and power supply connected with lower voltage-data outputs, where voltage signal is output to extra-low voltage-data output, which is separated from outputs

Die Erfindung betrifft die Spannungsüberwachung von Niederspannungssystemen mehrerer Spannungsversorgungselementen, die in Reihe geschaltet sind.

Um bei Hybridfahrzeugen die notwendige elektrische Leistung bereitstellen zu können, werden mehrere Batterie-Einzelzellen in Serie geschaltet, so dass Gesamtspannungen von mehr als 300 V ergeben. Zur Optimierung der Lebensdauer und der Kapazität der Batterien in Hybridfahrzeugen oder in Elektrofahrzeugen müssen diese Batterien einzeln überwacht und kontrolliert geladen bzw. entladen werden.

Daher werden die einzelnen Zellen gemäß dem Stand der Technik separat oder gruppenweise überwacht, beispielsweise durch Überwachen des Stroms, der durch die Batteriezelle fließt, sowie durch Erfassen der jeweiligen an der Batteriezelle abfallenden Spannung. Ferner wird vorzugsweise die Temperatur der Batteriezellen erfasst.

Da die Batterie Gesamtspannung über dem Kleinspannungsbereich liegt, müssen alle Steuerungs- und Messleitungen, die zu den Batteriezellen führen, galvanisch von dem restlichen 12 V-Bordnetz getrennt sein. In bestehenden Systemen wird daher der Strom über einen induktiven Sensor ermittelt, der die galvanische Trennung zwischen den Batterien, die zur Traktion eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs verwendet werden, und der Bordnetzseite vorsieht. Ferner werden gemäß dem Stand der Technik die Spannungen an den einzelnen Batterien gemessen, indem eine getrennte Ausgleichsschaltung mittels Transformatoren oder Kondensatoren ein Potentialniveau ausgleicht, wobei jedoch lediglich die Gesamtspannungsmessung möglich ist. Ferner werden Einzelzellspannungen über jeweilige Kondensatoren gemessen, die wechselweise an die Einzelzelle und an einen Spannungsmesser angeschlossen sind, so dass die einzelne Batteriespannung zunächst auf den Kondensator übertragen wird, der dann nach Abtrennung von der Niederspannungsquelle an einen Spannungsmesser angeschlossen wird. Üblicherweise umfasst der Spannungsmesser einen Analog-Digital-Wandler auf der Kleinspannungsseite, wobei die Kapazität, die als Flying Capacitor geschaltet ist, die Spannung somit mittelbar an einen Analog-Digital-Wandler überträgt.

Eine derartige Übertragung der Messspannung mittels eines Flying Capacitors ist zum Einen aufwändig und zum Anderen unpräzise, da zeitliche Veränderungen der Batteriespannung nicht berücksichtigt werden können, während die Kapazität mit der Messvorrichtung verbunden ist. Ferner erfordern alle bereits bekannten Ansätze eine komplexe Beschaltung.

Die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung sowie die das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen erlaubt die Erfassung der einzelnen Zellenzustände mit geringem Schaltungsaufwand und bei geringen Kosten. Erfindungsgemäß können Spannungs- und Temperaturerfassungseinrichtungen direkt mit den Zellen verbunden werden, ohne dass eine galvanische Trennung durch induktive Sensoren oder durch geschaltete Kapazitäten notwendig ist. Insbesondere erlaubt die Erfindung, nur eine einzige galvanische Trennung für Messwerte vorzusehen, auch wenn eine Vielzahl von Werten, beispielsweise Spannungswerte und Temperaturwerte für eine Vielzahl von Batterien erfasst werden. Durch die geringe Anzahl an galvanischen Kopplungen wird die Wahrscheinlichkeit eines Defekts der galvanischen Trennung deutlich verringert. Ferner kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren eine galvanische Entkopplung der Datensignale zwischen einem Niederspannungsbereich und einem Kleinspannungsbereich erreicht werden, die auch bei nicht-linearen Übertragungen über die galvanische Trennung hinweg die Messwerte nicht verfälscht.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept besteht darin, Messerfassungseinrichtungen, beispielsweise Analog/Digitalwandler, direkt mit den Niederspannungselementen zu verbinden und die Messerfassungseinrichtungen im Niederspannungsbereich vorzusehen. Die von den Messerfassungseinrichtungen erfassten Daten werden an einem Datenausgang ausgegeben, der sich ebenfalls im Niederspannungsbereich befindet, und werden der galvanischen Trennung zugeführt. Daher lässt sich die Erfassung der Messdaten mit der Aufbereitung der Datenwerte koppeln und die Messwerte werden bei der Übertragung über die galvanische Trennung aufbereitet. Erfindungsgemäß überträgt daher die galvanische Schnittstelle nicht die Messsignale, die sich von Spannungsabgriffen oder Temperatursensoren direkt ergeben, sondern die Daten, die bereits von Messerfassungseinrichtungen erfasst wurden. Erfindungsgemäß wird daher der Niederspannungsbereich von einem Kleinspannungsbereich getrennt, nachdem die von Sensoren oder Abgriffen stammenden Messsignale erfasst wurden. Zur Stromversorgung der Messerfassungseinrichtung in dem Niederspannungsbereich wird vorzugsweise eine Stromversorgung verwendet, die elektrische Leistung von einem Kleinspannungsbereich bezieht, beispielsweise von einem KFZ-Bordnetz, und die diese Leistung über eine galvanische Trennung der Messerfassungseinrichtung und gegebenenfalls über weiteren Einrichtungen innerhalb des Niederspannungsbereichs zuführt.

Die Messerfassungseinrichtung kann die Signale, wie sie von der Messerfassungseinrichtung erfasst wurden, an die Daten zumindest zu einem Teil vorverarbeiten. In gleicher Weise kann die galvanische Trennungseinrichtung, welche die erfassten Signale überträgt, die Daten vorverarbeiten, bevor sie über die galvanische Trennung übertragen werden. Die Aufbereitung der Daten umfasst Pegelwandlung, Verstärkung, Verschiebung um einen Offset, Multiplexing, Analog/Digitalwandlung, Umwandlung in eine Impulsfolge, deren Tastverhältnis und/oder Frequenz die Signalhöhe wiedergibt, Diskretisierung anhand eines Schwellwerts oder anhand mehrerer Schwellwerte und/oder Parallel/Seriell-Wandlung bzw. Seriell/Parallel-Wandlung. Ferner kann die Aufbereitung der erfassten Signale die Umformung in ein vorbestimmtes Datenübertragungsprotokoll umfassen. Insbesondere kann die Aufbereitung, beispielsweise bei der Erfassung durch die Messerfassungseinrichtung auch eine Dämpfung und/oder Filterung umfassen, beispielsweise eine gezielte Dämpfung mittels eines Spannungsteilernetzwerks.

Die von der Messerfassungseinrichtung erfassten Signale umfassen die jeweiligen Potentiale von Potentialabgriffen, die eine Reihenschaltung von Batterien zugeordnet sind. In diesem Fall dient ein Potentialabgriff als Spannungssensor. Ferner kann ein Stromsensor in Form eines Shunt-Widerstands verwendet werden, der in Reihe mit der Batterie-Reihenschaltung geschaltet ist und an dem eine Spannung abfällt, die von der Messerfassungseinrichtung erfasst wird und die proportional zu dem Strom durch den Widerstand und dem Widerstandswerts des Shunt-Widerstands ist. Ferner kann die Messerfassungseinrichtung auch mit einem Temperatursensor verbunden sein, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert, oder an dessen Enden eine Spannung abfällt, die von der Temperatur abhängig ist. Als Temperatursensor eignen sich Halbleiterelemente, NTC- oder PTC-Widerstände oder Thermoelemente bzw. thermoelektrische Generatoren. Zudem können Sensoren vorgesehen sein und mit Niederspannungseingängen der Messerfassungseinrichtung verbunden sein, die weitere Betriebsparameter der Niederspannungsseite, insbesondere Betriebsparameter der Batterien, erfassen und in ein elektrisches Signal umwandeln.

Vorzugsweise umfasst die Messerfassungseinrichtung ein erstes Potentialerfassungselement, welches eine Vielzahl von Niederspannungseingängen aufweist, die mit jeweiligen Verknüpfungsknotenpunkten zwischen zwei Batterien sowie mit den jeweiligen Plus- bzw.

Minuspolen der äußersten Batterien der Batterie-Reihenschaltung verbunden sind und das jeweilige Potential erfassen. Dieses erste Potentialerfassungselement ist dafür vorgesehen, die einzelnen Betriebsparameter der jeweiligen Batterien der Batterie-Reihenschaltung zu erfassen und über die galvanische Trennung zu übertragen. Ferner umfasst die Messerfassungseinrichtung ein zweites Potentialerfassungselement, das die Gesamtspannung der Batterie-Reihenschaltung erfasst, indem es ferner mit dem Verknüpfungspunkt zwischen Shunt-Widerstand und Batterie verbunden ist, um die an dem Shunt-Widerstand abfallende Spannung zu erfassen, und das ferner mit einem oder mehrerer Temperatursensoren verbunden ist, der die Temperatur der in Reihe geschalteten Batterien erfasst. Das zweite Potentialerfassungselement dient somit der Erfassung der gesamten Potentialdifferenz, d. h. der Spannung, die an der Batterie-Reihenschaltung abfällt, der Erfassung der Potentialdifferenz, die sich an dem Shunt-Widerstand ergibt, um daraus den durch die Batterie-Reihenschaltung fließenden Strom zu erfassen, sowie die Spannung am Temperatursensor, um aus dieser Spannung die Temperatur ableiten zu können.

Die galvanische Trennungseinrichtung umfasst vorzugsweise ein Niederspannungs-Versorgungsausgang, der die Messerfassungseinrichtung mit elektrischer Leistung versorgt, die von einem Kleinspannungs-Bereich stammt und von diesen galvanisch entkoppelt ist. Ferner umfasst die galvanische Trennungseinrichtung einen Signaleingang im Niederspannungsbereich sowie einen Signalausgang im Kleinspannungsbereich, der von diesem galvanisch gekoppelt ist und über den Daten vom Niederspannungsbereich in den Kleinspannungsbereich übertragen werden können. Die galvanische Trennungseinrichtung umfasst vorzugsweise einen Kleinspannungs-Ansteuereingang und einen davon galvanisch getrennten Niederspannungs-Ansteuerausgang, zwischen denen Daten, beispielsweise Ansteuerdaten, die vom Kleinspannungsbereich zum Niederspannungsbereich übertragen werden. Diese Daten dienen beispielsweise der Steuerung der Messerfassungseinrichtung, beispielsweise um eine Messung auszulösen oder um einen Messbereich auszuwählen, oder dienen der Ansteuerung von weiteren Einheiten innerhalb des Niederspannungsbereichs.

Vorzugsweise umfasst der Niederspannungsbereich einen Niederspannungs-Ladungsausgleicher, der mit mehreren Potentialabgriffen der in Reihe geschalteten Batterien verbunden ist, und über den Strom von einem Abgriff zu einem anderen gelenkt werden kann, um Ladeströme oder Entladeströme, die dem Leitungsausgleich dienen, zu lenken. Vorzugsweise umfasst der Niederspannungs-Ladungsausgleicher einen Steuereingang, der mit dem Niederspannungs-Ansteuerausgang der galvanischen Trennungseinrichtung verbunden ist, um Ansteuerdaten vom Kleinspannungsbereich zu empfangen. Die galvanische Abtrennung des Niederspannungs-Ladungsausgleichers ermöglicht die Kontrolle vom Kleinspannungsbereich aus, so dass eine Steuervorrichtung, die Daten vom Niederspannungsbereich empfängt und Daten an den Niederspannungsbereich sendet, vollständig im Kleinspannungsbereich vorgesehen werden kann.

Eine derartige Steuervorrichtung ist vorzugsweise als Kleinspannungs-Steuerschaltung vorgesehen, die mit dem Kleinspannungs-Datenausgang der galvanischen Trennungseinrichtung verbunden ist.

Die Kleinspannungs-Steuerschaltung kann ferner weitere Betriebseinrichtungen ansteuern, die inhärent eine galvanische Trennung vorsehen, beispielsweise Relais. Daher kann die Kleinspannungs-Steuerschaltung mit einem Überbrückungs-Schaltelement zur gesteuerten Überbrückung eines Vorwiderstands, der an die Batterie angeschlossen ist, mit einem Abkopplungs-Schaltelement zur gesteuerten Trennung der Batterien von einer Last, sowie mit einem Kühlsystem verbunden sein, das zur Kühlung der Batterien vorgesehen ist. Sowohl das Überbrückungs-Schaltelement als auch das Abkopplungs-Schaltelement können aus dem Kleinspannungsbereich heraus geschaltet bzw. gesteuert werden und können direkt zur direkten Steuerung im Niederspannungsbereich verwendet werden, da diese eine inhärente galvanische Trennung vorsehen, wenn sie beispielsweise als elektromagnetisches Relais ausgebildet sind. Ferner kann das Kühlsystem direkt aus dem Kleinspannungsbereich heraus angesteuert werden, da die Wärmeabfuhr aus den Batterien nur eine thermische, jedoch keine elektrische Kopplung voraussetzt. Ferner kann das Kühlsystem mit einer Relais-geschalteten Stromversorgung ausgerüstet sein, dass Strom von dem Niederspannungsbereich bezieht, sich jedoch von dem Kleinspannungsbereich heraus steuern lässt, wobei das Relais der Stromversorgung die galvanische Trennung vorsieht.

Mit Kleinspannungsbereich wird der Schaltungsbereich bezeichnet, der mit einer geringen Versorgungsspannung arbeitet, beispielsweise 12 oder 14 V. wobei mit Niederspannungsbereich der Spannungsbereich bezeichnet wird, dessen Versorgungsspannung durch die Reihenschaltung der Batterien bestimmt wird und somit eine Gesamtspannung von 300 V oder mehr aufweisen kann. In dieser Beschreibung sowie in den Ansprüchen sind Komponenten mit der Vorsilbe Kleinspannungs- dem Kleinspannungsbereich zugeordnet, und Komponenten mit der Vorsilbe Niederspannungs- sind dem Niederspannungsbereich zugeordnet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt:

1 einen Schaltplan der erfindungsgemäßen Überwachungsschaltung, die an eine Reihenschaltung mehrerer Batterien angeschlossen ist.

In dem in 1 dargestellten Schaltplan sind mehrere Batterien 1.1–1.n in einer Reihenschaltung 1 von Batterien zusammengeschaltet. Mehrere Potentialabgriffe 11.1–11.n+1 erlauben die Erfassung der Potentiale der jeweiligen Knotenpunkte aufeinander folgender Batterien bzw. der beiden End-Knotenpunkte der Reihenschaltung. Die Reihenschaltung der mehreren Batterien 1.1–1.n ist ferner seriell an einen Shunt-Widerstand angeschlossen, der die Batterie 1.n mit dem Minuspol der Niederspannungsversorgung verbindet. Um die Spannung zu erfassen, die an dem Shunt-Widerstand 2 abfällt, und um die Gesamtspannung zu messen, besteht zusätzlich zu den Potentialabgriffen ein Masseanschluss, der über einen Masseabgriff mit der erfindungsgemäßen Überwachungsschaltung 20 verbunden ist. An den Batterien 1 ist ferner ein oder mehrere Temperatursensoren 21 angeordnet, die die Temperatur bzw. Temperaturen der Batterien erfasst und in ein Signal umwandelt, das über eine Temperatursensorverbindung der erfindungsgemäßen Überwachungsschaltung 20 zugeordnet ist. Die Überwachungsschaltung 20 erhält daher die Potentialsignale über Potentialabgriffe, die an jeweilige Verknüpfungspunkte zwischen den Batterien sowie an die Verknüpfungspunkte zwischen den Batterien und dem Pluspol der Niederspannungsversorgung sowie die Verknüpfungspunkte mit dem Minuspol der Spannungsversorgung angeschlossen sind.

Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung mit einem oder mehrerer Temperatursignale über die Temperatursensoranschlüsse 22 versorgt. Die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung 20 umfasst ferner eine Messerfassungseinrichtung, die in der Schaltung von 1 als Potentialerfassungselement 3 und Messsignalerfassungselement 5 realisiert ist. Durch die Aufteilung in zwei getrennte Elemente ergibt sich eine Redundanz sowie eine einfachere Anpassung der jeweiligen Elemente an die zugehörigen Funktionen. Die Messerfassungseinrichtung umfasst daher Niederspannungseingänge, die sich auf das Potentialerfassungselement 3 und das Messsignalerfassungselement 5 aufteilen. Die Niederspannungseingänge des Potentialerfassungselement sind mit den jeweiligen Potentialabgriffen 11.1–11.n+1 verbunden, so dass das Potentialerfassungselement 3 alle Potentiale erfasst, die sich an den Knotenpunkten zweier benachbarter Batterien sowie an den äußersten Polen der Batterie-Reihenschaltung 1 ergeben. Das Potentialerfassungselement 3 ist somit auf die Erfassung der Betriebszustände der einzelnen Batterieelemente fokussiert.

Die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung 20 umfasst ferner das Messsignalerfassungselement 5, welches auf die Betriebsparameter der Batterie-Reihenschaltung als Ganzes fokussiert ist. Daher umfassen die Niederspannungseingänge des Messsignalerfassungselements 5 die Potentialdifferenz am Shunt-Widerstand 2 über zwei Abgriffe der jeweiligen Knotenpunkte, 12 und 11.n+1, das Potential am Verbindungsknotenpunkt der Batterie-Reihenschaltung und dem Pluspol der Niederspannungsversorgung, und somit die Gesamtspannung der Batterie-Reihenschaltung, sowie ein Temperatursignal, das die Temperatur der Batterie-Reihenschaltung als Ganzes wiedergibt. Das Messsignalerfassungselement ist daher über den Temperatursensoranschluss 22 und über den obersten Potentialabgriff 11.1 der Reihenschaltung mit dem Temperatursensor bzw. mit der Batterie-Reihenschaltung verbunden. Das Batterieerfassungselement erfasst somit Signale, die die Gesamtspannung der Batterie-Reihenschaltung, den von der Batterie-Reihenschaltung gelieferten Strom sowie die Temperatur der Batterie-Reihenschaltung betreffen.

Das in der 1 dargestellte Potentialerfassungselement 3 und das Messsignalerfassungselement 5 sind jeweils Analog/Digital-Umwandler, die ein analoges Signal in zeitdiskrete und wertdiskrete Signale umwandelt. Das Potentialerfassungselement 3 und das Messsignalerfassungselement 5 arbeiten beide vollständig im Niederspannungsbereich und umfassen daher jeweilige Niederspannungs-Datenausgänge, die die umgewandelten Daten an die Niederspannungsseite einer galvanischen Trennungseinrichtung 7 liefern. Die an den Niederspannungs-Datenausgängen abgegebenen Daten sind vorzugsweise serielle binäre Daten, die die zugehörigen analogen Daten oder Signale wert- und zeitdiskret wiedergeben. Ferner können die Daten am Niederspannungs-Datenausgang mehr oder minder gerundet sein, beispielsweise auf ganze Voltwerte oder auf geradzahlige Zehntel Voltwerte, und können Diskretisierungsfehler aufweisen, welche jedoch bei einer Steuerung vernachlässigbare Fehler hervorrufen. Zudem können die Daten am Niederspannungs-Datenausgang die Daten am Niederspannungs-Eingang der Messerfassungseinrichtung im Zeitmultiplex wiedergeben. Beispielsweise kann der Niederspannungs-Datenausgang des Potentialerfassungselements zunächst die Daten wiedergeben, die dem Potential am Abgriff 11.1 entsprechen, daraufhin Daten ausgeben, die dem Potential vom Potentialabgriff 11.2 wiedergeben, und so weiter, bis die Daten vom Potentialabgriff 11.n+1 oder 11.n wiedergegeben werden, bis wieder der Potentialabgriff 11.1 erfasst wird. Das vom Potentialerfassungselement 3 erfasste Potential kann in Form einer Spannung wiedergegeben sein, die sich auf ein Referenzpotential bezieht, beispielsweise das Potential am Abgriff 11.n+1 oder der Massenanschluss der Niederspannungsversorgung.

Die galvanische Trennungseinrichtung 7 sieht eine Trennung kapazitive oder induktive Kopplung vor, oder mittels einer optischen Kopplung. Ferner kann die galvanische Trennung mittels eines HF-Sender/Empfänger-Paars ausgeführt werden, beispielsweise mittels Bluetooth-Modulen oder WLAN-Modulen. Die Daten der Messerfassungseinrichtung 3, 5 werden so von einem Kleinspannungs-Datenausgang der galvanischen Trennungseinrichtung 7 an eine daran angeschlossene Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 weitergegeben. Die strichpunktierte Linie 6 zeigt die galvanische Trennung zwischen Niederspannungsbereich (links) und Kleinspannungsbereich (rechts). Die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 liegt vollständig im Kleinspannungsbereich und kann somit von einem KFZ-Bordnetz mit Kleinspannung versorgt werden, beispielsweise 12 oder 14 V. Vorzugsweise umfasst die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung eine programmierbare oder nicht programmierbare Steuereinrichtung mit Algorithmen, die die von der Messerfassungseinrichtung erfassten Daten auswertet und entsprechende Ausgangsdaten, beispielsweise zur Anzeige, ausgibt.

Ferner gibt die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung Steuerdaten an den Kleinspannungs-Ansteuereingang der galvanischen Trennungseinrichtung weiter, die diese in umgekehrter Richtung vom Kleinspannungsbereich in den Niederspannungsbereich bei galvanischer Trennung umsetzt und über einen Niederspannungs-Ansteuerausgang der galvanischen Trennungseinrichtung 7 angeschlossene Steuereinrichtung weitergibt. Diese Steuereinrichtung umfasst vorzugsweise einen Niederspannungs-Ladungsausgleicher 4, wie in 1 dargestellt, der gemäß den Ansteuerdaten, die von der Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 stammen, Ausgleichsströme zwischen den Potentialabgriffen 11.1–11.n+1 herstellt. Daher ist der Niederspannungs-Ladungsausgleicher 4, der Ansteuerungsdaten über seinen Niederspannungs-Ansteuerdateneingang 13.2 erfasst, mit den Potentialabgriffen 11.1–11.n+1 verbunden und weist jeweilige Endstufen auf, um einen Ausgleich des Ladungszustands zwischen den Batterien 1.1–1.n zu erreichen. Erfasst daher die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 einen ungleichen Ladezustand zwischen zwei oder zwischen mehreren Batterien der Batterie-Reihenschaltung 1, beispielsweise durch Auswertung der an den einzelnen Batterien anliegenden Spannung bzw. den zugehörigen Potentialen, dann gibt die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 entsprechende Daten an den Niederspannungs-Ladungsausgleicher 4 über die galvanische Trennungseinrichtung ab. Dieser setzt die Steuerungssignale in einzelne Schaltungszustände oder Durchgangswiderstände seiner Endstufen um, die mit den einzelnen Potentialanschlüssen 11.1–11.n+1 verbunden sind. Die Daten, die der Niederspannungs-Ladungsausgleicher 4 empfängt, können digitale Daten im Zeitmultiplex sein, die sich abwechselnd auf die verschiedenen Batterien 1.1–1.n beziehen, oder können Codes oder Befehle sein, die Informationen über einen Schließ- oder Öffnungsbefehl und die zugehörige Batterie oder den zugehörigen Potentialanschluss umfassen. Soll der Niederspannungs-Ladungsausgleicher 4 besonders einfach zu realisieren sein, so können die von der Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 ausgegebenen Signale auch digitale parallele Signale sein, wobei jedes einzelne Signal der parallelen Signale einem Schaltungselement des Niederspannungs-Ladungsausgleichers zugeordnet ist und dieses über ein Signalniveau eines binären Signals ansteuert.

Zur Spannungsversorgung der Messerfassungseinrichtung, d. h. des Potentialerfassungselements 3 und des Messsignalerfassungselements 5, sowie des Niederspannungs-Ladungsausgleichers umfasst die galvanische Trennungseinrichtung ferner eine galvanisch trennende Spannungsversorgung 8, die Spannung aus dem Kleinspannungsbereich erhält und diese galvanisch getrennt an einen Niederspannungs-Versorgungsausgang 14 weitergibt, beispielsweise mittels eines Zerhackers, eines Transformators und eines Gleichrichters. Die im Niederspannungsbereich vorgesehenen Überwachungsschaltungselemente, d. h. das potentiale Erfassungselement 3, der Niederspannungs-Ladungsausgleicher 4, und das Messsignal-Erfassungselement 5 werden so von dem Niederspannungs-Versorgungsausgang 14 mit Strom versorgt. Die galvanische Trennungseinrichtung und insbesondere die von dieser umfassten Stromversorgung 8 umfasst vorzugsweise eine Standby-Schaltung, mit der sich die Stromentnahme der galvanischen Trennungseinrichtung aus dem Kleinspannungsbereich abschalten lässt. Auf diese Weise wird die Stromversorgung des Kleinspannungsbereichs geschont und vor Überentladung geschützt. Alternativ können die im Niederspannungsbereich zu versorgenden Elemente auch über einen Spannungswandler versorgt werden, der elektrische Leistung aus der Batterie-Reihenschaltung bezieht. Alternativ kann die Spannungsversorgung des Niederspannungsteils auch über die Niederspannungsseite selbst erfolgen. In diesem Fall kann der DC/DC Wandler entfallen. Es muss aber ein intelligenter Wakeup Mechanismus für die Niederspannungselektronik vorgesehen werden.

Die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung kann ferner Betriebseinrichtungen ansteuern, die in der 1 als Überbrückungsschaltelemente 17, 18, ein Abkopplungs-Schaltelement 19 sowie ein Batterie-Kühlsystem 25 umfasst. Diese Betriebseinrichtungen haben gemeinsam, dass sie keine weitergehende galvanische Trennung erfordern, da sie selbst eine inhärente galvanische Trennung vorsehen. In der 1 sind das Überbrückungsschaltelement 17 und 18 sowie das Abkopplungs-Schaltelement 19 durch einen Relais ausgeführt, das inhärent eine galvanische Trennung mit sich bringt. In gleicher Weise ist eine zusätzliche galvanische Trennung für das Batterie-Kühlsystem 25 nicht notwendig, da eine Kühlung der Batterien, d. h. eine Kühlung des Niederspannungsbereichs auch ohne elektrischen Kontakt durchgeführt werden kann, beispielsweise durch Zuführen eines Kühlmediums wie Öl oder Luft. Die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 erfasst neben den einzelnen Spannungen an den einzelnen Batterien auch die Gesamtspannung, den Gesamtstrom sowie die Temperatur und kann dementsprechend die Gesamtsituation der Batterie-Reihenschaltung auswerten um die Batterie mit dem Batterie-Kühlsystem 25 zu kühlen, die Batterie-Reihenschaltung mittels des Abkupplungs-Schaltelements 19 abzukoppeln oder, beispielsweise beim Laden, den Ladenstrom über das Überbrückungsschaltelement 17, 18 zu steuern, indem eine Vorwiderstand 16 zugeschaltet wird, oder nicht. Ferner kann die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung weitere Steuerdaten empfangen, auswerten und/oder weitergeben, die von einer Fahrzeuganbindungsschnittstelle 9 stammen. Die Fahrzeuganbindungsschnittstelle 9 kann in bidirektionaler Weise Eingaben empfangen und Ausgaben nach Außen übermitteln und stellt somit den Kontakt zu externen Bedien- und Anzeige- und Steuerungselementen her. Vorzugsweise besteht eine direkte Verbindung zwischen der Fahrzeuganbindungsschnittstelle 9 und der Niederspannungs-Stromversorgung 8, die diese in einen Standby-Zustand versetzt, oder diesen beendet, um die Niederspannungs-Stromversorgung 8 zu aktivieren.

In der 1 sind die Niederspannungs-Stromversorgung 8 und die Einheit 7 zur galvanisch getrennten Datenübertragung als getrennte Einheiten dargestellt, da sie unterschiedliche Funktionen (Stromversorgung/Datenübertragung) vorsehen. Beide bilden jedoch zusammen die galvanische Trennungseinrichtung, die im einfachsten Fall eine einzige Gleichspannung vom Kleinspannungsbereich galvanisch getrennt in einen Niederspannungsbereich überträgt, und einen einzigen, seriellen Datenstrom vom Niederspannungsbereich in den Kleinspannungsbereich und einen weiteren (Steuerungs-)Datenstrom vom Kleinspannungsbereich in den Niederspannungsbereich überträgt. In diesem Fall müssen die im Niederspannungsbereich vorgesehenen Schaltungen eine entsprechende Seriell-/Parallel-, Parallel-/Seriell- oder Multiplex- bzw. Demultiplex-Umwandlung vorsehen.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, die in 1 dargestellt ist, versorgt die Niederspannungs-Stromversorgung 8 alle Überwachungsschaltungelemente über dieselbe Spannungsversorgung. Ferner überträgt das Datenübertragungselement einen ersten Datenstrom, der von dem Potentialerfassungselement 3 stammt, und einen zweiten Datenstrom, der von dem Messsignal-Erfassungselement 5 stammt, vom Niederspannungsbereich in den Kleinspannungsbereich. Gleichzeitig überträgt das Datenübertragungselement 7 Ansteuerungsdaten von der Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung an den Niederspannungs-Ladungsausgleicher. Auf der Niederspannungsseite werden die Datenströme voneinander physisch getrennt, d. h. mit getrennten Leitungen übertragen, wohingegen die Verbindung zwischen dem Datenübertragungselement 7 und der Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 über eine einzelne Verbindung bzw. über einen einzigen Bus läuft. Die von der Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 direkt angesteuerten Betriebseinrichtungen (Relais 17, 18, 19, Batteriekühlsystem 25) weisen jeweils eine zugehörige Übertragungsleitung auf. Mit der in 1 dargestellten Schaltung können Stromwerte gleichzeitig mit den Spannungswerten erfasst werden, da die Übertragung voneinander getrennt vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung Algorithmen zur Erfassung der Effektivleistung und des Phasenersatzes zwischen der Spannung der Niederspannungsversorgung (Batterien, Reihenschaltung 1) und dem fließenden Strom (der durch den Spannungsabfall am Shunt-Widerstand 2 erfasst wird). Vorzugsweise umfasst die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung einen Speicher, der den Verlauf der erfassten Messwerte, insbesondere der Einzelspannungen der Batterien, der Gesamtspannung und des Stroms zwischenspeichert. Vorzugsweise sind die Kleinspannungs-Einrichtung und die Fahrzeuganbindungs-Schnittstelle 9 sowie das Datenübertragungselement 7 über einen gemeinsamen Datenbus miteinander verbunden.

In der 1 sind alle Batterien in Serienschaltung miteinander verbunden, wobei die Serienschaltung mit einem einzigen Shunt-Widerstand 2 überwacht wird. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung können Untergruppen der Batterien parallel zueinander geschaltet sein, wobei vorzugsweise jede oder zumindest einige der so entstandenen Parallel-Untergruppen über einen zugeordneten Shunt-Widerstand mit weiteren Batterie-Untergruppen verbunden sind. Vorzugsweise erfasst in diesem Fall das Messsignal-Erfassungselement den Spannungsabfall an jedem der Shunt-Widerstände über entsprechende Anschlüsse bzw. Abgriffe. In gleicher Weise können statt dem in 1 dargestellten einzelnen Temperatursensor mehrere Temperatursensoren verwendet werden, beispielsweise ein Temperatursensor pro Batterieelement oder ein Temperatursensor pro Batterie-Untergruppe. In diesem Fall muss das Messsignal-Erfassungselement weitere Verbindungen zu den jeweiligen Temperatursensoren über entsprechende Anschlüsse aufweisen.

In der 2 ist der Temperatursensor mit dem Messsignal-Erfassungselement 5, d. h. mit dem Niederspannungsbereich verbunden und wird von diesem erfasst. Alternativ kann jedoch der Temperatursensor (oder weitere Temperatursensoren, die die Temperaturen der Batterien erfassen) direkt mit der Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 verbunden sein, da die Verbindung zwischen Temperatursensor und Batterie nicht notwendigerweise eine elektrische Verbindung umfasst, sondern lediglich einen wärmeübertragenden Kontakt, so dass die galvanische Trennung zwischen Temperatursensor und Batterie durch dessen Befestigung vorgesehen sein kann.

Die im Niederspannungsbereich der Überwachungsschaltung vorgesehenen Elemente (Potentialerfassungselement 3, Niederspannungs-Ladungsausgleicher 4 und Messsignal-Erfassungselement 5) sind in der 1 über getrennte Busse mit dem Datenübertragungselement der galvanischen Trenneinrichtung verbunden. Alternativ können jedoch einige oder alle dieser Elemente der Überwachungsschaltung über einen gemeinsamen, vorzugsweise bidirektionalen Bus mit dem Datenübertragungselement 7 der galvanischen Trenneinrichtung verbunden sein.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung erfasst die Fahrzeuganbindungsschnittstelle 9 über den externen Bus 23 aktuelle bzw. auch zukünftig zu erwartende Leistungsanforderungen, die von externen Systemen an die Fahrzeuganbindungsschnittstelle 9 übermittelt werden. In diesem Fall werden diese Anforderungen an die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 übertragen, die das Batteriekühlsystem 25 dementsprechend ansteuert.

Die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 umfasst vorzugsweise Steuerungs- und Regelungsalgorithmen in Form von fest verdrahteten Schaltungen, programmierbaren Rechnereinheiten, flüchtigen und/oder nicht-flüchtigen Speichereinheiten, oder eine Kombination hiervon. Vorzugsweise umfasst die Kleinspannungs-Steuerungseinrichtung 10 einen Mikrocontroller sowie einen nicht-flüchtigen Speicher, der Regelungsalgorithmen mittels ablaufbarem Code implementiert, und einem flüchtigen Speicher, der als Arbeitsspeicher für die ablaufenden Kontrollfunktionen dient. Die einzelnen Funktionen werden auf diese Weise als Software- oder Codestücke implementiert.

In der 1 sind die Verbindungen zwischen Niederspannungsversorgung, d. h. Batterie-Reihenschaltung und Überwachungsschaltung 20 als direkte Leitung dargestellt. Als Sicherheitsvorkehrung kann jedoch die Verbindung einen hochohmigen Widerstand umfassen, der im Falle eines Kurzschlusses den Maximalstrom begrenzt, und dessen Widerstandswert gleichzeitig deutlich unter den in Widerstanden der Messerfassungseinrichtung liegt, um die Messergebnisse nicht zu verfälschen. Der hochohmige Widerstand hat einen Widerstandswert von vorzugsweise mindestens 4 kΩ, mindestens 10 kΩ, mindestens 30 kΩ, und vorzugsweise mindestens 47 kΩ. Der Innenwiderstand der Messeinrichtung beträgt vorzugsweise mindestens 1 MΩ, 5 MΩ, 10 MΩ oder vorzugsweise mindestens 20 MΩ.