CN103250300A - 蓄电池系统和用于确定蓄电池模块电压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种具有至少两个模块(24)的蓄电池系统(100)，所述至少两个模块(24)分别包括多个蓄电池单元(10)，其中，每个模块(24)与单元电压获取单元(26)相关联，所述单元电压获取单元(26)经由共同的通信总线(36)与中央的控制装置(38)相连接。设置每个模块(24)附加地包括与中央的控制装置(38)相连接的模块电压获取单元，所述模块电压获取单元被构造为单独地获取所述相关联的模块(24)的电压。此外，本发明涉及一种用于在蓄电池系统(100)中确定蓄电池模块电压的方法，其中，所述单元电压获取单元(26)中的每个单元电压获取单元确定所述单个的蓄电池单元(10)的电压并且将所确定的电压值经由共同的通信总线(36)传输至中央的控制装置(38)，其中，对于每个模块(24)附加地单独地获取模块电压并且将其引入所述中央的控制装置(38)。再者，设置了一种具有蓄电池系统(100)的机动车，其中，所述蓄电池系统(100)与所述机动车的驱动系统相连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓄电池系统、一种用于确定所述蓄电池系统的蓄电池模块电压的方法和一种具有依据本发明的蓄电池系统的机动车。
背景技术
在将来，无论在静态的应用还是在诸如混合动力车辆和电动车辆的车辆中，将应用更多新型的蓄电池系统，对于这种蓄电池系统的可靠性就提出了很高的要求。
这种高要求的背景在于，蓄电池系统的故障可能导致整个系统的故障。例如，在电动车辆中，牵引蓄电池的故障就会导致所谓的“趴窝”。此外，蓄电池的故障还可能带来安全相关的问题。在风力发电设备中例如就采用了蓄电池，以便在强风下通过轮叶调节来防止所述设备受到不被允许的运行状态的影响。
根据现有技术的蓄电池系统的原理电路图如图1所示。整个以100标示的蓄电池系统包括多个蓄电池单元10，它们被整合在模块24中。此外设置了充电和断路装置12，其包括断路开关14、充电开关16和充电电阻18。另外，蓄电池系统100能够包括具有断路开关22的断路装置20。
为了蓄电池系统100的安全运行而强制必需的是，每个蓄电池单元10要在所容许的运行范围(电压范围、温度范围、电流限值)内运转。如果蓄电池单元10超出了该限值，其就必须从蓄电池组合中取出。因此，在蓄电池单元10串联(如图1所示)时，单个蓄电池单元10的故障将导致整个蓄电池系统100故障。
尤其是在混合动力车辆和电动车辆中，采用了锂离子或者镍金属混合技术的蓄电池，这些蓄电池具有多个串联的电化学蓄电池单元。蓄电池管理单元被用来监控这些蓄电池，并且需要在除了安全性监控以外，还要确保尽量长的使用寿命。那么，例如将使用单元电压获取单元。
图2示出了当前的单元电压获取单元的已知的用法。
在图2中示出了一种典型的单元电压获取装置的、由现有技术已知的一种架构。在此，具有其蓄电池单元10的每个模块24与单元电压获取单元26相关联。该所述单元电压获取单元26包括多路转接器28，该多路转接器经由与蓄电池单元10的数量相对应的多个通道30来获取其中每个单独的蓄电池单元10的电压。该多路转接器28经由模数转换器32与网关34相连，该网关34则被耦接到通信总线36上。中央微控制器38被连接到该通信总线36上。因此，经由该中央微控制器38能够获取并且分析单个的蓄电池单元10的电压。该微控制器38能够是蓄电池管理单元的组成部分。
如图2所示，在这里可串联地布置多个具有蓄电池单元10的模块24，该模块分别具有各自的单元电压获取单元26。
此外，多路转接器28具有辅助输入端40，该些辅助输入端可像已知的那样用于通过获取所谓的NTC电阻的电阻值的方式来进行温度测量。
所示出的架构的缺点在于，中央的控制装置38仅与最上面的单元电压获取单元26直接通信并且每个单元电压获取单元26连接在其后。为了将整个单元电压传输至中央的控制装置38，必须通过另外存在于其上的单元电压获取单元来实现。只要至少一个单元电压获取单元26出故障了，那么所有连接在其后的单元电压获取单元的单元电压将不再能够被中央的控制装置38所获取。在极端情况下，当最上面的单元电压获取单元26出故障时，那么将不再能获取任一个蓄电池系统的单元电压。
发明内容
依据本发明提供了一种具有至少两个模块的蓄电池系统，所述至少两个模块分别包括多个蓄电池单元，其中，每个模块与单元电压获取单元相关联并且所述单元电压获取单元中的每个单元电压获取单元被构造为获取相关联的模块的单个的蓄电池单元的电压，并且其中，所述单元电压获取单元经由共同的通信总线串联连接并且与中央的控制装置相连接，其中，每个模块附加地包括模块电压获取单元，所述模块电压获取单元被构造为单独地获取所述相关联的模块的电压。
由此，通过附加地单独测量单个的模块的电压并且(特别地)将其传输至中央的控制装置，将有利地实现对于通过所述单元电压获取单元所测量的单元电压的验证。所述中央的控制装置由此能够将通过所述单元电压获取单元所确定的并且经由所述通信总线数字化地传输的单元电压与通过所述模块电压获取单元所提供的附加的信息作比较。特别地，由此能够确定并且评判通过所述单元电压获取单元所提供的单元电压信息的真实性。如果所述单元电压获取单元的链(Kette)的全部或者部分现在出故障了，那么所述蓄电池系统能够有利地以确定的时间以将详细地描述的应急方式持续地运行。
在本发明的优选的设计方案中设置由模块测量导线来构造所述模块电压获取单元，其中，第一模块测量导线和第二模块测量导线分别与所述相关联的模块的正极和所述相关联的模块的负极相连并且引入所述中央的控制装置。该模块测量导线使得不依赖于所述单元电压测量单元或者所述共同的通信总线的准备运行状态(Betriebsbereitschaft)单独地测量所述模块电压成为可能。通过该设计方案能够以特别简单的方式获取各个模块电压并且将其准备提供给所述中央的控制装置使用。
所述蓄电池单元优选地被构造为锂离子蓄电池单元。此外，在本发明的优选的设计方案中设置每个模块电压获取单元具有模拟的光电耦合器，所述光电耦合器在输入侧与所述模块测量导线相连接并且在输出侧与所述中央的控制装置相连接。这具有如下优点，即输出侧的模块测量导线不再将高的电压引入所述中央的控制装置，这有助于提供系统的安全性。
依据本发明还提出了一种用于在依据本发明所述的蓄电池系统中确定蓄电池模块电压的方法，其中，所述单元电压获取单元中的每个单元电压获取单元确定所述单个的蓄电池单元的电压，并且将所确定的电压值经由所述共同的通信总线传输至所述中央的控制装置，其中，依据本发明，对于每个模块附加地单独获取模块电压并且将其引入所述中央的控制装置。
由此能够以简单的方式验证由所述单元电压获取单元所提供的、关于所述单个的蓄电池单元的电压的信息并且在所述单元电压获取单元故障的情况下有利地实现以确定的时间以应急方式运行所述蓄电池系统。
为此，在依据本发明所述的方法的优选的实施变型中设置在至少一个单元电压获取单元发生故障时测量由所述蓄电池系统所提供的电流强度并且根据(优选地最后)已知的单个的蓄电池单元(优选地直接在所述故障之前)的状态分别借助于所测量的电流估计所述单个的蓄电池单元的充电状态和电压，所述故障能够通过将由共同的通信总线确定的电压值与预先给定的参考电压值作比较来检测得到。
换句话说，根据所述单个的蓄电池单元的最后已知的状态和在该时刻时所测量的电流以及随后连续地测量的所述蓄电池系统的电流来进行对所述单个的蓄电池单元的(充电状态和与之相关的)单元电压的时间上的变化的估计。然而，单单该估计来满足对于可靠性的高要求是不够的，并且因此所述蓄电池系统没有必要立刻停止验证所述估计的信息。然而，因为根据所估计的所述单个蓄电池单元的电压值能够计算所述单个的模块的电压并且将其与依据本发明单独地获取的模块电压作比较，所以即便在至少一个单元电压获取单元发生故障时，关于单个的蓄电池单元的说明(Aussage)具有提高了的可靠性也是可能的，因为单独地获取的模块电压表示附加的信息。最后设置计算所述模块的所估计的电压值与所单独地获取的模块电压的差值并且将该差值的绝对值与预先给定的容差值进行比较。如果所述预先给定的容差值未被超过，那么应急运行是可能的，尽管不存在所述单个的蓄电池单元的电压值而是仅存在所述模块的电压值。
优选地，所提及的方法步骤在至少一个单元电压获取单元故障时持续地重复，以避免整个系统的故障。
只要达到或者超过预先给定的容差值，那么依据本发明将关闭所述蓄电池系统，因为不再能够可靠地满足对于可靠性的要求了。
本发明的又一方面涉及一种机动车，其包括依据本发明的蓄电池系统。
总而言之，通过依据本发明的蓄电池系统或者通过依据本发明的方法能够达到：检验所述蓄电池系统的可靠性并且及时地识别出可能的故障功能，以避免由于不可靠工作的蓄电池系统而引起的间接损害
此外，在至少一个单元电压获取单元故障的情况下，能够以确定的时间持续运行所述蓄电池系统。
附图说明
借助于附图和后续的描述进一步阐述本发明的实施例。其中：
图1示出了根据现有技术的蓄电池系统；
图2示出了根据现有技术的单元电压获取单元的架构；
图3示出了依据本发明的、具有附加的依据第一优选的实施变型的蓄电池模块电压测量装置的蓄电池系统；
图4示出了依据本发明的、具有附加的依据第二优选的实施变型的蓄电池模块电压测量装置的蓄电池系统；以及
图5示出了用于在依据本发明的蓄电池系统中确定蓄电池模块电压的方块图。
具体实施方式
图3示出了依据本发明的第一优选实施变型所述的蓄电池系统100。多个蓄电池单元10被串联连接并且分别被整合在模块24之中。在多路转接器28中，单个的蓄电池单元10的单元电压汇集于此并且经由模数转换器32以及网关34馈入共同的通信总线36之中。通过微控制器38以公知的方法和方式实现了电压分析。
在图3中示例性地示出了两个分别具有多个蓄电池单元10的模块24。然而，未示出的实施例也能够相互串联或者附加地并联连接多个模块24。
模块测量导线42、44、46与每个模块24相关联。该模块测量导线42、44、46量取在各个模块24上施加的电压并且将其引入中央的控制装置，在本实施例中为微控制器38。
由此，该中央的微控制器38同时既从单元电压获取单元26(经由通信总线36)获得关于单个的蓄电池单元10的电压的信息(并且由此也获得作为该单个的蓄电池单元电压10的总和的模块24的电压)，又获得单独地通过模块测量导线42、44、46量取的模块电压。
通过相应的关联和信号的比较能够进行比较和相应的分析，该些信号在通信总线36和模块测量导线42、44、46之上供使用。在此，各个模块电压借助于在模块测量导线42、44、46上量取的电压来确定并且与通过单元电压获取单元26来测量的单元电压作比较。
图4示出了依据本发明的第二优选的实施变型所述的蓄电池系统100。在此，对于每个模块24分别提供两个单独的模块测量导线42和44或者46和48。此外，模块电压经由镇流电阻50转换为与模块电压相对应的电流。由二极管52和晶体管54构成的光电耦合器56之后在输出侧同样用作电流源，其电流与模块电压成比例。该实施变型具有如下优点，即输出侧的模块测量导线58和60不再将高的电压引入中央的控制装置38，这有助于提高系统安全性。
图5示出了依据本发明的蓄电池系统的应急运行方式的流程图，其在检测到至少一个单元电压获取单元的故障(方法步骤S500)之后实施，以依据本发明地避免蓄电池系统的立即关断。根据总归持续地测量的蓄电池系统的电流(方法步骤S501)能够从最后已知的蓄电池单元的状态来估计充电状态和由此引起的单元电压(方法步骤S502)。这样的估计能够在根据出自现有技术已知的算法的帮助下通过数学的近似法来实现。换句话说，确定单个的蓄电池单元的单元电压(基于已知的蓄电池系统的电流强度和最后已知的单元电压)位于确定的间隔内的概率。各个属于一个模块的单元电压的总和随后得出模块电压的估计值(方法步骤S503)，该估计值将与依据本发明单独地测量的模块电压作比较(方法步骤S504)。只要该估计值和测量值之间的差值小于预先给定的容差，那么将保持蓄电池系统的运行(方法步骤S505)并且重复方法步骤S501至S505。否则关闭该蓄电池系统(方法步骤S506)。
Claims (10)
1.一种具有至少两个模块(24)的蓄电池系统，所述至少两个模块(24)分别包括多个蓄电池单元(10)，其中，每个模块(24)与单元电压获取单元(26)相关联并且所述单元电压获取单元(26)中的每个单元电压获取单元被构造为获取相关联的模块(24)的单个的蓄电池单元(10)的电压，并且其中，所述单元电压获取单元(26)经由共同的通信总线(36)串联连接并且与中央的控制装置(38)相连接，其特征在于，每个模块(24)附加地包括模块电压获取单元，所述模块电压获取单元被构造为单独地获取所述相关联的模块(24)的电压。
2.根据权利要求1所述的蓄电池系统，其中，通过模块测量导线(42、44、46)来构造所述模块电压获取单元，其中，第一模块测量导线(44、46)和第二模块测量导线(42、44)分别与所述相关联的模块(24)的正极和所述相关联的模块(24)的负极相连并且被引入所述中央的控制装置(38)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的蓄电池系统，其中，每个模块电压获取单元具有光电耦合器(56)，所述光电耦合器在输入侧与所述模块测量导线(42、44、46、48)相连接并且在输出侧与所述中央的控制装置(38)相连接。
4.根据权利要求3所述的蓄电池系统，其中，通过镇流电阻(50)、二极管(52)和晶体管(54)来构造所述光电耦合器(56)。
5.一种用于在根据前述权利要求中任一项所述的蓄电池系统(100)中确定蓄电池模块电压的方法，其中，所述单元电压获取单元(26)中的每个单元电压获取单元确定单个的蓄电池单元(10)的电压，并且其中，将所确定的电压值经由所述共同的通信总线(36)传输至所述中央的控制装置(38)，其特征在于，对于每个模块(24)附加地单独地获取模块电压并且将其引入所述中央的控制装置(38)。
6.根据权利要求5所述的方法，其具有以下另外的方法步骤：
-通过将由所述共同的通信总线(36)传输的电压值与参考电压值作比较来检测至少一个单元电压获取单元(26)的故障(S500)；
-测量(S501)当前由所述蓄电池系统提供的电流；
-借助于所测量的电流确定(S502)所述单个的蓄电池单元(10)的所述电压；
-借助于所确定的所述单个的蓄电池单元(10)的电压值计算(S503)所述单个的模块(24)的电压；
-确定(S504)所确定的所述模块(24)的电压值与所述单独地获取的模块电压的差值；并且
-将所确定的差值的绝对值与预先给定的容差值作比较(S505)；以及
-只要超过所述预先给定的容差值，则关闭(S506)所述蓄电池系统。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，分别连续地重复所述方法步骤：测量(S501)当前的由所述蓄电池系统所提供的电流、借助于所测量的电流确定(S502)所述单个的蓄电池单元(10)的电压、借助于所确定的所述单个的蓄电池单元(10)的电压值计算(S503)所述单个的模块(24)的电压、确定(S504)所确定的所述模块(24)的电压值与所述单独地获取的模块电压的差值，并且将所确定的差值的绝对值与预先给定容差值作比较(S505)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述重复频率大于0.1Hz。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述重复频率大于10Hz。
10.一种机动车，其具有根据权利要求1至4中任一项所述的蓄电池系统(100)，其中，所述蓄电池系统(100)与所述机动车的驱动系统相连接。
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