CN103781653A - 蓄电池管理系统、具有蓄电池管理系统的蓄电池和机动车以及用于监控蓄电池的方法 - Google Patents

蓄电池管理系统、具有蓄电池管理系统的蓄电池和机动车以及用于监控蓄电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池管理系统(31，41)，其具有多个第一测量单元(42)，该多个第一测量单元分别分配给蓄电池的至少一个蓄电池模块，以获取测量量。此外，蓄电池管理系统(31，41)具有控制装置(15)，该控制装置具有第一微控制器(23)和第二微控制器(25)以及第一通信连接(36)，该第一通信连接用于在多个第一测量单元(42)和控制装置之间传输数据，蓄电池管理系统还具有多个第二测量单元(44)，该多个第二测量单元除了通过多个第一测量单元(42)获取测量量之外，还用于从蓄电池的蓄电池模块获取测量量。第二通信连接(34)用于在多个第二测量单元(44)和控制装置(15)之间传输数据。第一微控制器(23)被设置用于分析由多个第一测量单元(42)获取的测量数据，并且第二微控制器(25)被设置用于独立于第一微控制器(23)分析由多个第二测量单元(44)获取的测量数据。本发明还提供了一种相关的监控蓄电池的方法。此外，公开了一种具有该蓄电池管理系统的蓄电池和具有该蓄电池管理系统的机动车。

Description

蓄电池管理系统、具有蓄电池管理系统的蓄电池和机动车以及用于监控蓄电池的方法
技术领域
本发明涉及蓄电池管理系统、具有该蓄电池管理系统的蓄电池、具有该蓄电池管理系统的机动车以及用于监控蓄电池的方法。特别地，本发明涉及用于确定和分析蓄电池单元或者蓄电池模块的至少一个测量量的蓄电池管理系统以及相关的方法。
背景技术
在将来，无论在例如风力发电设备的静态的应用、在例如混合和电动车辆的车辆中，还是在例如笔记本电脑和移动电话机的消费领域中，都将更多地应用新的蓄电池系统，会提出关于它的可靠性、安全性、效率以及使用寿命的非常高的要求。
具有锂-离子技术的蓄电池对于这些任务是特别合适的。其由于高的能量密度和小的自放电而脱颖而出。根据定义锂-离子蓄电池由两个或者多个彼此连接的锂-离子单元组成。锂-离子单元能够通过并联或者串联连接成模块，然后连接成蓄电池。通常模块由六个或者更多单元组成。
由DE102009046567A1已知一种蓄电池，其由多个蓄电池模块构成，其中，通过中央的蓄电池管理系统监控多个蓄电池模块。
如图1所示，常规的蓄电池系统10能够具有蓄电池管理系统11，该蓄电池管理系统具有中央的控制装置15，该控制装置15与多个单元监控单元16(英语：“Cell Supervision Circuit”；CSC)进行通信，该单元监控单元分别分配给多个蓄电池单元14或者蓄电池模块。下面能够根据上下文把在蓄电池模块中安置的具有或者不具有所属的蓄电池管理系统11的蓄电池单元14的整体称作蓄电池。蓄电池单元14在蓄电池模块中编组，其中，蓄电池单元在蓄电池模块中的精确的划分在图1中未示出。蓄电池管理系统11能够与蓄电池单元14或者蓄电池模块一起放置在公共的壳体(未示出)内。蓄电池模块能够分别具有各自的壳体。通过在蓄电池模块中安置蓄电池单元14，能够实现更好的可扩展性。为了监控蓄电池单元14的正确的功能，通过多个CSC16监控蓄电池单元。在此，通常给CSC16分别分配两个蓄电池模块。CSC16包含测量电子装置，该测量电子装置监控电压和其他的参数。借助CSC16获得的信息通过通信总线18，例如CAN总线，发送到中央的控制装置15，该控制装置分析所有蓄电池单元14的数据并且在参数偏离规定的情况下进行纠正或者在紧急情况下断开保护继电器17、19并且切断蓄电池系统10。
控制装置15具有带有微控制器23的低压侧或者低压侧的部分22和带有微控制器25的高压侧或者高压侧的部分24。低压侧22和高压侧24通过电流的分隔器29彼此连接。低压侧22与霍尔传感器27相连接用于测量蓄电池电流，而高压侧24与分流器26相连接用于测量蓄电池电流。控制装置15借助总线28与车辆电子装置通信。电连接端12、13用于为例如车辆供给能量和／或用于蓄电池的重新充电。
用于单元监控的另一种拓扑结构在图2中示出。这里CSC16通过菊花链32传输它的信息。在这种情况下某个CSC16把它的数据包传递给下一个CSC16，该下一个CSC补充它的信息并且又向下一个CSC16传送。在每个CSC16中安置单元电压测量单元21(CVM)。由安置在菊花链拓扑结构中的CSC16组成的分组又与控制装置15相连接。
关于超过或低于确定的边界值的、对单元电压以及电流和温度的监控是蓄电池系统中的重要的安全因素。ISO标准，特别是ISO26262：要求机动车中的E／E系统的功能安全性达到一定的安全性水平ASIL(英语：“automotive safety integrity level”)。
为了保证蓄电池系统10的功能的安全性，CSC16的数据既在控制装置15的高压侧24也在控制装置15的低压侧22在两个冗余的微处理器23、25内进行分析并且相互比较。在这种情况下高压侧的微处理器25使用包(Pack)的总电压，即所有的蓄电池模块的总电压，以及例如通过分流器26测量到的总电流。低压侧的微处理器23测量单个的蓄电池单元14的电压以及电流，该电流例如通过霍尔传感器27确定。
必须在相同的时间点测试电流和电压，以便能够得到可信的值。为了能够比较高压侧24和低压侧22的值，也必须并行地确定这些数据。因此为了得到同步的数据库，通过控制装置15同时通过通信总线18向CSC16、霍尔传感器27和分流器26发送请求，在理想的情况下随后同时回复这些请求。
为了满足高的ASIL水平，控制装置具有大量的安全和控制功能，此外这些功能包含控制装置15的自监控。控制装置还监控CSC16。为了保持高的ASIL水平，必须耗费地编程控制装置15，以便能够计算CSC数据的可信度并且因此保证必要的功能的安全性。通过同样的CSC16既为控制装置15的高压侧的微处理器25也为低压侧的微处理器23获取数据。控制装置必须使两个微处理器23、25彼此同步。
然而数据的同步是一种只有通过很高的花费才能够解决的问题。测量电子装置从不精确同步地返回消息，以致于不同的时间点的值，例如来自CSC16的电压与来自分流器26或者来自霍尔传感器27的电流彼此结算。此外，当在高压侧的微处理器25中算出的值与在低压侧的微处理器23中算出的值的进行比较时，这些值还与异步的值相比较。由此产生的偏差必须用高的计算花费在控制装置15内进行修正，这导致高的软件花费。必须使用非常复杂的用于系统的安全性的真实性检查的计算模型，该计算模型必须被耗费地编程。已知的用于监控蓄电池单元的拓扑结构需要高的功能安全性以及因此很高的ASIL水平，所以需要不小的软件花费。
发明内容
实现了根据独立权利要求1和10所述的蓄电池管理系统以及相关的方法。
根据本发明的蓄电池管理系统具有多个用于获取测量量的第一测量单元，该多个第一测量单元分别分配给蓄电池的至少一个蓄电池模块。此外，蓄电池管理系统具有控制装置，该控制装置具有第一微控制器和第二微控制器，蓄电池管理系统还具有第一通信连接，该第一通信连接用于在多个第一测量单元和控制装置之间传输数据，蓄电池管理系统还具有多个第二测量单元，该多个第二测量单元除了通过多个第一测量单元获取测量量之外，还用于从蓄电池的蓄电池模块获取测量量。第二通信连接用于在多个第二测量单元和控制装置之间传输数据。第一微控制器被设置用于分析由多个第一测量单元获取的测量数据，并且第二微控制器被设置用于独立于第一微控制器地分析由多个第二测量单元获取的测量数据。
根据本发明的用于监控蓄电池的方法基本上包括：根据对蓄电池的蓄电池单元或者蓄电池模块的测量获取测量量，其中，使用测量单元，该测量单元被这样地安置在不同的组中，以使得多次并且彼此独立地为每个或者多个蓄电池模块确定测量量。因此实现了一种方法，其中，在第一步骤借助根据本发明的由多个第一测量单元组成的第一分组从蓄电池单元或者蓄电池模块获得信息，并且在第二步骤借助其它设备，即借助根据本发明的由多个第二测量单元组成的第二分组重复地或者同时地执行需要的测量。然而，优选地同时进行两个分组的测量，或者至少同时地控制这两个分组。
根据本发明的蓄电池管理系统的优点在于，能够降低软件花费并且消除同步数据的困难，因为提供了两个彼此独立作用的CSC分组供使用。实现了一种具有提高的硬件冗余的蓄电池管理系统，其中，有利地安置了CSC。此外由此提供了提高的功能的安全性，其中，在控制装置内实现了关于CSC、通信总线和微处理器的冗余。高压侧的微控制器和低压侧的微控制器之间的同步不再是需要的或者仅是最小限度的需要的，从而对控制装置的较简单的编程就足够了。
在从属权利要求中说明并且在说明书中描述本发明的有利的改进方案。
根据一种有利的实施方式，第一微控制器还被设置用于独立于第二微控制器地分析由多个第一测量单元获取的测量数据。从而能够进一步地提高安全性。
分开的CSC分组与控制装置的通信能够选择性地通过CAN和CAN，即无论在高压侧还是在低压侧都借助CAN总线、通过CAN和菊花链、通过菊花链和CAN或者通过菊花链和菊花链运行。
从而提供了提高的灵活性。本发明不限于确定的通信系统，相反能够根据需要和应用情况适宜地调整。
根据本发明的一个实施例，多个第一测量单元和／或多个第二测量单元分别通过中间接入的单元监控微控制器连接到第一或者第二通信连接。
从而能够有利地进一步保证高的ASIL水平并且进一步提高功能的安全性。
根据另一个实施例，多个第一测量单元中的每个被安置在第一单元监控单元内，而多个第二测量单元中的每个被安置在与第一单元监控单元不同的第二单元监控单元内，以使得第一和第二单元监控单元分别与蓄电池的相同的蓄电池模块耦合。
该设置提供了提高的对称性并且因此能够例如减小编程花费。
根据另一个实施例，多个第一测量单元中的每个与多个第二测量单元中的每个一起安置在单元监控单元内，其中，单元监控单元除了获取由第一和第二测量单元监控的测量量之外，还获取蓄电池单元或者蓄电池模块的至少另一个物理的测量量。
在这个有利的例子中能够实现非常紧凑的结构方式，其中，硬件冗余被选择性地限制在确定的重要的参数。
根据本发明的再一个另外的实施例，第一微控制器安置在控制装置的低压侧，并且第二微控制器安置在控制装置的高压侧，它们相互电隔离。
其优点在于能够较简单地设置高压监控，因为高压侧不再确定充电状态(英语：“state of charge”(SOC))，而仅接管安全功能。
此外根据本发明实现一种具有根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池管理系统的蓄电池。
根据一个优选的实施例蓄电池是锂-离子蓄电池。
此外，实现一种具有根据本发明的蓄电池管理系统的机动车，其中，待监控的蓄电池与该机动车的驱动系统相连接。
优选地，测量量是电压。由此能够有利地与蓄电池管理系统的电流传感器的电流测量结合，既监控蓄电池电压也监控充电状态SOC。
然而，本发明不限于此。即使本发明的应用对于确定蓄电池内部的电压是特别有利的，根据各自的需求用于确定其他的测量量例如温度等的应用也是可能的。
附图说明
根据附图和后续的说明进一步解释本发明的实施例。其中：
图1示出了具有根据现有技术的蓄电池管理系统的蓄电池；
图2示出了已知的菊花链拓扑结构；
图3示出了根据本发明的一个实施例的具有用于监控蓄电池的蓄电池单元的蓄电池管理系统的蓄电池，其中，在设置在控制装置内的每个微控制器中以分组CSC的方式监控单元；以及
图4示出了根据本发明的另一个实施例的具有用于监控蓄电池的蓄电池单元的蓄电池管理系统的蓄电池，其中，以菊花链和CAN总线通信的组合的方式监控单元。
具体实施方式
在图3中示出了根据本发明的具有用于监控蓄电池的蓄电池单元14的蓄电池管理系统31的蓄电池系统30。根据在图3中示出的实施方式，蓄电池被设置用于在连接端12、13处提供电压和／或通过连接端12、13充电。能够将蓄电池单元14分组成蓄电池模块。给蓄电池单元14或者蓄电池模块分配CSC35、37。CSC35、37与蓄电池单元14相连接并且被设置用于监控蓄电池单元14，其中，蓄电池单元14在这个意义上分别被双重监控，即存在两个由CSC35和CSC37组成的冗余的分组，如图3所示。CSC35、37由控制装置15读取并且在必要时被控制。因为根据本发明单元模块并行地分别由两个CSC35、37监控，所以存在提高的冗余性和由此实现的提高的功能安全性。由此能够更简单地实现更高的ASIL水平，无需控制装置15为此执行复杂的错误可能性计算。控制装置15具有高压侧24和低压侧22，该高压侧和低压侧分别装备有冗余的微控制器25、23。高、低压侧24、22借助分隔器29彼此电流分离。与现有技术不同，在根据本发明的拓扑结构的情况下高压侧24独立于低压侧22工作。其中一个由CSC35组成的分组提供给高压侧的微控制器25，另一个由CSC37组成的分组并行地提供给低压侧的微控制器23。与高压侧24连接的CSC35借助第一通信连接34耦合，而与低压侧22连接的CSC37借助适宜的、第二通信连接36耦合。分开的CSC分组与控制装置15的通信可以选择性地通过CAN和CAN，即无论在高压侧还是在低压侧都借助CAN总线、通过CAN和菊花链、通过菊花链和CAN或者通过菊花链和菊花链运行。每侧的数据不必彼此同步，因为检测彼此并行地独立进行。高压侧装备有分流器26，低压侧装备有霍尔传感器27，以使得彼此能够独立地进行电流测量。
一个可替换的实施变型在图4中示出。根据在图4中示出的实施方式规定，两个彼此独立作用的单元电压测量单元44、42被设置在一个CSC45内。其中一个分组对控制装置15内的高压侧的微控制器25供电，另一个分组并行地对低压侧的微控制器23供电。优选地，在这种情况下使用不同制造商的单元电压测量单元44、42。对于通信能够再次使用上述的CAN-菊花链组合。如图4所示，每个CSC45分别使用单元监控微控制器43，该单元监控微控制器分别从与低压侧的微控制器23连接的单元电压测量单元44、42接收数据。根据另一种实施方式，不使用单元监控微控制器43。
专业人员知晓，在本发明中能够实施大量的改变和修改，而不离开独立权利要求的范围。例如在上述说明中虽然鉴于与CAN或者菊花链总线的连接说明了本发明，但是本发明不限于此。替代地，其他的通信连接也是可能的。此外，虽然指出本发明优选使用锂-离子蓄电池。但是这不应该表示对于保护的任何限制。替代地，本发明也能够有利地使用其他的蓄电池类型。

Claims (11)

1.蓄电池管理系统(31、41)，其具有：
多个第一测量单元(42)，所述多个第一测量单元分别分配给蓄电池的至少一个蓄电池模块，用于获取至少一个测量量，尤其是电压；
控制装置(15)，其具有第一微控制器(23)和第二微控制器(25)；以及
第一通信连接(36)，其用于在所述多个第一测量单元(42)和所述控制装置(15)之间传输数据，
其特征在于，
多个第二测量单元(42)，其除了通过所述多个第一测量单元(44)获取所述测量量之外，还用于从所述蓄电池的所述蓄电池模块获取所述测量量，
第二通信连接(34)，其用于在所述多个第二测量单元(44)和所述控制装置(15)之间传输数据，
其中，所述第一微控制器(23)被设置用于分析由所述多个第一测量单元(42)获取的测量数据并且所述第二微控制器(25)被设置用于独立于所述第一微控制器(23)地分析由所述多个第二测量单元(44)获取的测量数据。
2.根据权利要求1所述的蓄电池管理系统(31、41)，其中，所述第一微控制器(23)被设置用于独立于所述第二微控制器(25)地分析由所述多个第一测量单元(42)获取的测量数据。
3.根据权利要求1所述的蓄电池管理系统(31、41)，其中，所述第一通信连接(36)是CAN总线或者所述第一测量单元(42)根据菊花链结构通过所述第一通信连接(36)耦合，和／或其中所述第二通信连接(34)是CAN总线或者所述第二测量单元(35、31)根据菊花链结构通过所述第二通信连接(34)耦合。
4.根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池管理系统(31、41)，其中，所述第一测量单元(42)和／或所述第二测量单元(44)分别通过单元监控微控制器(43)连接到所述第一或者第二通信连接(34、36)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的蓄电池管理系统(31、41)，其中，所述多个第一测量单元(42)中的每个被安置在第一单元监控单元(37)内并且所述多个第二测量单元(44)中的每个被安置在与所述第一单元监控单元(37)并排的第二单元监控单元(35)内，以使得所述第一和第二单元监控单元(35、37)分别与所述蓄电池的相同的蓄电池模块耦合。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的蓄电池管理系统(31、41)，其中，所述多个第一测量单元(42)中的每个与所述多个第二测量单元(44)中的每个一起安置在单元监控单元(45)内，其中，所述单元监控单元(45)除了获取由所述第一和第二测量单元(44、42)监控的测量量之外，还获取所述蓄电池单元(14)或者所述蓄电池模块的至少另一个物理的测量量。
7.根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池管理系统(31、41)，其中，所述第一微控制器(23)安置在所述控制装置(15)的低压侧(22)并且所述第二微控制器(25)安置在所述控制装置(15)的高压侧(24)，所述低压侧和高压侧相互电隔离。
8.蓄电池，其具有根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池管理系统(31、41)。
9.机动车，其具有根据权利要求1至7中任一项所述的蓄电池管理系统(31、41)，其中，待监控的蓄电池与所述机动车的驱动系统相连接。
10.用于监控蓄电池的方法，其中，根据对所述蓄电池的蓄电池单元(14)或者蓄电池模块的测量获取测量量，尤其是电压，
其特征在于，
使用多个测量单元(44、42)，所述多个测量单元被这样地安置在不同的组中，以使得多次并且彼此独立地为每个或者多个蓄电池模块确定所述测量量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，对于每组测量单元(44、42)将测量结果分别通过单独地分配给所述组的通信连接(34、36)传输到单独地分配给所述组的微控制器(23、25)以进行分析或者处理，以使得对一组测量单元(44、42)的所述测量结果的分析或者处理分别独立于对另一组测量单元(44、42)的所述测量结果的分析或者处理来进行。
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