CN103827685B - 用于确定蓄电池单池的充电状态的蓄电池管理系统和方法、具有蓄电池管理系统的蓄电池和机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定蓄电池的多个蓄电池单池(14)或者多个蓄电池模块的充电状态(SOC)的方法。该方法通过使用多个单池监控单元(16、32)来执行，多个单池监控单元中每个监控多个蓄电池单池(14)中的多个蓄电池单池或者至少一个蓄电池模块，该方法基本上包括下述步骤：通过多个单池监控单元(16、32)测量多个蓄电池单池(14)或者多个蓄电池模块中的相应的电压，并且测量蓄电池的电流，将所测量的电流值传输给多个单池监控单元(16、32)，以及在多个单池监控单元(16、32)的每个中计算相应的被监控的蓄电池单池(14)或者相应的至少一个电池模块的充电状态(SOC)。此外还提供一种用于执行依据本发明的方法的蓄电池管理系统(21、31)。此外，本发明还公开了一种具有用于执行该方法的蓄电池管理系统(21、31)的蓄电池和机动车。

Description

用于确定蓄电池单池的充电状态的蓄电池管理系统和方法、 具有蓄电池管理系统的蓄电池和机动车
技术领域
本发明涉及一种通过使用多个单池监控单元来确定蓄电池的多个蓄电池单池或者多个蓄电池模块的充电状态的方法，多个单池监控单元中的每个监控多个蓄电池单池中的多个蓄电池单池或者至少一个蓄电池模块。此外，本发明还涉及一种相应的用于执行该方法的蓄电池管理系统以及一种蓄电池和一种机动车。
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高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-离子单池组成。锂-离子单池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的单池组成。
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。
在本说明书中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的蓄电池单池的整体称作蓄电池。此外，单池监控单元的概念能够简称为CSC(英语：”Cell SupervisionCircuit”)，而充电状态能够简称为SOC(英语：”State of Charge”)。
下面借助图1对依据背景技术的示例性的蓄电池系统10进行说明，该蓄电池系统包括具有多个蓄电池单池14的蓄电池以及蓄电池管理系统(BMS)11。如在图1中分别通过中断的线条所示，蓄电池系统10具有带有许多蓄电池单池14的蓄电池，以及许多单池监控单元16。多个蓄电池单池14被分组成电池模块，其中，多个蓄电池单池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能够与多个蓄电池单池14或者多个蓄电池模块一起放置在公共的壳体内(未示出)。多个蓄电池模块能够分别具有各自的壳体。通过在多个蓄电池模块中安置多个蓄电池单池14，能够实现更好的可扩展性。为了监控蓄电池单池14的正确的功能，通过多个CSC16监控多个蓄电池单池。CSC16包含测量电子装置，该测量电子装置监控电压和其它的参数。借助CSC16获得的信息通过通信总线35，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池14的数据并且在参数偏离规定的情况下进行纠正性的干涉或者在紧急情况下断开保护继电器17、18并且切断蓄电池系统10。此外，控制装置15还通过总线28与机动车电子装置(未示出)相连接。
为了监控多个蓄电池单池14的正确的功能，在蓄电池管理系统11中通常是每两个模块由一个CSC16进行监控。为了保证蓄电池系统10的充分的功能的安全性，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。低压侧的微控制器23测量单个的蓄电池单池14的电压以及电流，该电流例如是通过霍尔传感器27确定。通常也会在控制装置的低压侧计算蓄电池包的充电状态。此外通过控制装置能够同时查询蓄电池单池的对于计算SOC重要的电流值和电压值。
这种蓄电池系统的缺点是，大量的数据必须通过多条通信导线传输，其中，控制装置和多个单池监控单元连接到该多条通信导线，因此要求高的带宽。这对使用CAN-总线或者其它总线系统的机动车是尤其不利的。
发明内容
提出了一种依据独立权利要求1所述的用于确定蓄电池的多个蓄电池单池或者多个蓄电池模块的充电状态(SOC)的方法。
在该方法中使用多个单池监控单元(CSC)，所述多个单池监控单元中的每个监控所述多个蓄电池单池中多个蓄电池单池或者至少一个蓄电池模块。依据本发明的方法基本上包括下述步骤：通过所述多个单池监控单元测量所述多个蓄电池单池或者所述多个蓄电池模块中的相应的电压，测量所述蓄电池的电流，将所测量的电流值传输给所述多个单池监控单元并且在所述多个单池监控单元的每个中计算相应的被监控的蓄电池单池或者相应的所述至少一个蓄电池模块的SOC。
依据本发明的方法的优点在于，降低了通过通信导线传输的数据率。借此能够在被分成多个蓄电池模块的蓄电池中取消传输在中央的控制装置中计算充电状态所需要的数据，所述多个蓄电池模块与多个单池监控单元相对应。依据本发明的方法的优点在于，当使用全局确定的电流值时，其足以确定单个的电池模块或者蓄电池单池的充电状态。而电压值继续地局部地确定。
此外，依据本发明是以特别简单的方式在没有提高硬件花费的情况下实现所述数据率的降低。与例如也局部地确定电流的方法相比，依据本发明的方法降低了需要的花费：依据本发明使用传统的全局的电流传感器并且全局地测量电流，这也意味着提高了安全性。因此依据本发明能够以巧妙的方式在多个CSC中计算局部的、与蓄电池模块相关的SOC，而该多个CSC无须具有自身的电流传感器，所述自身的电流传感器除了造成高的成本之外还会在控制及可信度测试方面造成相对高的花费。
本发明的优选的改进方案在从属权利要求和说明书中进行描述。
因此在一个特殊的实施方式中规定，向所述多个单池监控单元传输触发信号。在所述多个单池监控单元中根据所述触发信号测量所述电压。借此特别有利地实现电压测量的简单的同步化。
依据该特殊的实施方式的一个优选的改进方案，所述触发信号由监控所述蓄电池的蓄电池管理系统的控制装置通过单独的触发导线发送到所述多个单池监控单元。其中，所述触发导线将所述控制装置与所述单池监控单元连接在一起。通过这种方式简化了所述方法的控制。
依据一个可替换的实施方式将不使用触发导线，并且替代的例如根据电流值的传输来开始执行电压测量。
依据本发明的一个优选的实施方式，响应于所传输的电流值由所述多个单池监控单元获得所述充电状态并且回传给所述控制装置。
尤其优选地，通过所述控制装置的低压侧控制所述方法。其中，尤其能够使用冗余地位于低压侧的微控制器，借此能够在控制装置内实现有效的分工和高的安全等级ASIL(英语：Automotive SafetyIntegrity Level)。
依据一个实施方式规定，所述低压侧查询所述控制装置的高压侧的所述蓄电池电流，或者发动询问，所述询问促使所述高压侧输出所述蓄电池电流的值。
依据一个实施方式规定，依据本方法的对所述多个单池监控单元的控制通过两条单独的通信导线实施。这里优选地，两条通信导线将所述控制装置的所述低压侧和所述高压侧分别与单池监控单元内的另一个微控制器对应地相连接。
在该实施方式中优选地能够使用具有冗余的硬件并且使用冗余的拓扑结构的改进的单池监控单元，以能够借助两个单独的通信导线并行地进行通信。
依据该实施方式的一个改进方案，所述高压侧的所述蓄电池电流通过所述两条通信导线中的一条输出到所述多个单池监控单元。
替换地，所述高压侧将所述电流值告知所述低压侧，然后所述低压侧传输所述电流值。
依据本发明的一个优选的实施方式，所述蓄电池电流借助分流器由安置在所述控制装置的高压侧的微控制器获得。
依据本发明还提供了一种蓄电池管理系统，其具有一个控制装置，至少一个电流传感器和多个单池监控单元，其中，所述蓄电池管理系统被设置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
此外，实现了一种具有依据本发明的蓄电池管理系统的蓄电池，和一种具有依据本发明的蓄电池管理系统的机动车，其中，所监控的蓄电池与所述机动车的驱动总成相连接。
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示出了具有依据本发明的一个实施方式的蓄电池管理系统的蓄电池；
图3示出了依据本发明的另一个实施方式的蓄电池和单池监控单元的部件，其中，在单池监控单元中得到充电状态；以及
图4示出了具有依据在附图3中所示的实施方式的蓄电池管理系统的蓄电池，其中，示出了具有两个单独的通信总线的冗余的拓扑结构。
具体实施方式
在以下的详细的说明书中和附图中相同的参考符号表示相同的或相似的部件。
在图2中示出了由具有依据本发明的一个实施方式的蓄电池管理系统21的蓄电池组成的蓄电池系统20。
蓄电池电流集中地通过控制装置15的高压侧24测量。这些信息被传输给多个CSC16，以用于准确地确定每个模块的SOC38。
蓄电池管理系统21在硬件、软件和／或固件、电子元件和／或数据连接中具有对应的装置，因此其充分地与依据本发明的方法相匹配。该方法应当由控制装置15的低压侧22控制。低压侧22通过触发导线43向多个CSC16发送触发信号39，使得低压侧22保证同时地测量所有的CSC16中的电压。替换地，依据该实施方式的一个变型方案，通过通信总线35，这里是CAN总线发送问询。
并行地，低压侧22询问高压侧24的电流。然后通过通信总线35向多个CSC16传输借助分流器26通过高压侧的微控制器25得到的准确的电流值。多个CSC16于是能够计算对应的SOC38，并且回传给控制装置15，这在附图2中也示出了。蓄电池管理系统31此外还具有报警导线42，该报警导线将多个CSC16与控制装置15连接在一起并且能够用于在出现SOC或电压的危险的值的情况下输出报警信号。然后根据该报警信号进行纠正性的干涉或者断开保护继电器17、18，以切断蓄电池系统20。
附图3示出了具有依据本发明的另一个实施方式的CSC32的蓄电池的部件。CSC32具有微控制器33，在该微控制器中得到蓄电池模块的SOC38，如在附图3中通过参考符号41所示。SOC响应于在CSC31处的电流值的传输而得出。微控制器33接着将该值传输给控制装置。CSC32配置有单池电压测量单元29。CVM-单元(英语：“cell voltage monitor=单池电压监视器”)能够被作为单池电压测量单元使用。CSC32此外还具有第二测量单元34，该第二测量单元能够被构造为CVM或者最小-最大-测量单元，其中，该最小-最大-测量单元只输出蓄电池模块中的最小的和最大的电压。CSC32还能够得到其它的物理量的值，例如温度。总体上，通过通信总线35发送较少的数据37并且在控制装置中的花费也得以下降。因此，数据37依据实施例只包含电池模块-SOC，最小电压、最大电压以及温度。
附图4示出了具有在附图3中示出的实施方式的两个单独的通信总线的冗余的拓扑结构。蓄电池管理系统31的测量电子装置被冗余地设置，每个CSC31具有两个CVM19、29。通过两条单独的通信导线35、36来控制微控制器23、25，通信导线中的每一条与每个CSC的CVM19、29相连接。这两种CVM19|、29的类型能够是相同的或不同的结构类型。此外，通信导线35，36也能够是不同的类型。例如与高压侧耦合的通信导线能够为菊花链式结构。在附图4中示处的拓扑结构优选地适合于执行依据本发明的方法。首先，硬件冗余能够导致控制装置15中的降低的软件花费。此外，通信导线35、36还能够被用于依据本方法控制多个CSC31中的部件。

Claims (10)

1.一种用于通过使用多个单池监控单元(16、32)来确定蓄电池的多个蓄电池单池(14)或者多个蓄电池模块的充电状态(SOC)的方法，所述多个单池监控单元中的每个监控所述多个蓄电池单池(14)中的多个蓄电池单池或者至少一个蓄电池模块，所述方法具有下述步骤：
全局地获得所述蓄电池的电流；
将所测量的电流值传输给所述多个单池监控单元(16、32)；
将触发信号(39)传输给所述多个单池监控单元(16、32)；
根据所述触发信号(39)由所述多个单池监控单元(16、32)测量多个蓄电池单池(14)或多个蓄电池模块的相应的电压；
在所述多个单池监控单元(16、32)的每个中计算相应的被监控的蓄电池单池(14)或者相应的所述至少一个蓄电池模块的充电状态(SOC)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述触发信号(39)由监控所述蓄电池的蓄电池管理系统(21、31)的控制装置(15)通过单独的触发导线(43)发送到所述多个单池监控单元(16、32)，其中，所述触发导线(43)被连接到所述控制装置(15)和所述多个单池监控单元(16、32)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，响应于所传输的电流值由所述多个单池监控单元(16、32)获得所述充电状态并且回传给所述控制装置(15)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，所述方法由所述控制装置(15)的低压侧(22)控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述低压侧(22)查询所述控制装置的高压侧(24)的蓄电池电流。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，通过两条单独的通信导线(35、36)实现所述多个单池监控单元(16、32)的控制。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，由高压侧的微控制器(25)借助分流器(26)获得所述蓄电池电流。
8.一种蓄电池管理系统(21、31)，其具有控制装置(15)、至少一个电流传感器和多个单池监控单元(16、32)，并且所述蓄电池管理系统还被设置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
9.一种蓄电池，其包括根据权利要求8所述的蓄电池管理系统(21、31)。
10.一种机动车，其包括根据权利要求8所述的蓄电池管理系统(21、31)，其中，待监控的蓄电池与所述机动车的驱动总成相连接。
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