CN103975478B - 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、51)，其具有控制装置(15)，该控制装置具有设置在控制装置(15)的低压侧(22)上的第一微控制器(23)和设置在控制装置(15)的高压侧(24)上的第二微控制器(25)，还具有分别分配给蓄电池的至少一个蓄电池模块的多个第一电压测量单元(42)以及用于将多个电压值从第一电压测量单元(42)传送到第一微控制器(23)的第一通信连接(36)。此外，蓄电池管理系统(31、41、51)具有多个第二电压测量单元(32)和用于将电压值从第二电压测量单元(32)传送到第二微控制器(25)的第二通信连接(34)。多个第一或第二电压测量单元(32、42)被这样地构造为多个最小‑最大测量单元(33)，使得其获取分配给相应的最小‑最大测量单元(33)的多个蓄电池模块内的多个蓄电池单池(14)的最小和最大电压值并且摒弃处于其间的电压测量值。此外提供一种用于监控蓄电池的所属的方法。此外公开一种具有蓄电池管理系统的蓄电池和具有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至少一个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的足够的功能的安全性，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在两个冗余的微控制器23、25内进行分析并且相互比较。在这种情况下高压侧的微控制器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。此外，控制装置还监控CSC16，其中，通过同样的CSC16既为控制装置15的高压侧的微控制器25也为低压侧的微控制器23获取数据。
已知的蓄电池管理系统具有的缺点在于，必须耗费地编程控制装置，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以及补偿通常仅相当简单地实施的数据获取的不足。为此必须经常使用非常复杂的计算模型。正如已经介绍的那样，通常使用基于CAN-总线或菊花链的拓扑结构接收数据。在用于监控蓄电池单池的已知的拓扑结构中要求高的功能的安全性并且因此高的ASIL水平和不低的软件花费。除了高的计算花费外，通信总线，优选是CAN总线需要传输大量的数据，使得该总线达到其容量极限。
发明内容
实现了根据独立权利要求1和9所述的蓄电池管理系统以及相关的方法。
根据本发明，蓄电池管理系统具有带有设置在控制装置的低压侧上的第一微控制器和设置在控制装置的高压端上的第二微控制器的控制装置，以及分别分配给蓄电池的至少一个蓄电池模块的多个第一电压测量单元、用于将电压值从多个第一电压测量单元传送到第一微控制器的第一通信连接、多个第二电压测量单元和用于将电压值从多个第二电压测量单元传送到第二微控制器的第二通信连接。该多个第一电压测量单元或多个第二电压测量单元被这样地构造为多个最小-最大测量单元，使得其获取分配给相应的最小-最大测量单元的多个蓄电池模块内的多个蓄电池单池的最小和最大电压值并且摒弃处于其间的电压测量值。
根据本发明的用于监控蓄电池的方法基本上包括以下步骤：借助第一通信拓扑结构获取用于确定多个蓄电池单池或多个蓄电池模块的充电状态的多个电压值；借助独立于第一通信拓扑结构的第二通信拓扑结构并且使用最小-最大测量单元获取多个电压值，以用于监控最大和最小电压。
通过依据本发明的蓄电池管理系统优选地提供一种拓扑结构，通过该拓扑结构减少所需的软件花费和通信总线中的数据率并且同时达到高的ASIL等级。
这尤其通过多个部件的依据本发明的冗余的实施，结合在多个电压测量单元的线路的内部依据本发明地使用多个最小-最大测量单元来实现。因为至少在用于电压获取的多个测量单元的一侧上使用，该些测量单元分别仅传送多个单池的最小和最大电压，所以现在仅还将每个蓄电池模块的两个单池电压传送到例如低压侧的微控制器上并因此明显减少在通信总线上的数据传输。此外，这在通常用于例如机动车上的大量组件的数据交换的CAN-总线上也是有利的。此外，接收微控制器内的计算得到简化，因为仅需还分析两个数值。
蓄电池管理系统的冗余的实施此外以比较少的成本实现，因为成本低廉的多个最小-最大测量单元以有利的方式作为依据本发明的监控拓扑的一部分使用。
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。
依据一个实施例，第一电压测量单元根据第一通信拓扑借助于第一通信连接进行连接并且第二电压测量单元根据与第一通信拓扑不同的第二通信拓扑借助于第二通信连接进行连接。
因为在该实施例中有利地使用两个不同的拓扑，因此进一步提高功能的安全性。
优选并行地使用基于CAN-总线的拓扑和菊花链拓扑。有利地第一通信拓扑能够具有菊花链结构，而第二通信拓扑具有CAN-总线连接，或者相反。
依据本发明的一种有利的改进方案，蓄电池管理系统这样构成，使得第一和第二微控制器彼此独立地工作。
因此冗余同时既在CSC、通信总线上实现，并且也在控制装置内的微控制器上实现。在这种情况下，基于独立的设置此外尤其有利的是，在高压侧的微控制器与低压侧的微控制器之间的同步不再需要或仅还最小地需要。控制装置的编程的复杂性由此能够进一步减少。
依据本发明的一个实施例，低压侧上的第一微控制器与第一电流传感器，尤其是霍尔传感器相连接，其中，高压侧上的第二微控制器与不同于第一电流传感器的第二电流传感器，尤其是具有分流电阻的电流传感器相连接。
在这种有利的实施方式中，此外通过将多个不同的电流测量系统与依据本发明的多个CSC线路相组合提高功能的安全性。
依据另一实施例，低压侧上的第一微控制器被设置用于分析电压并且还具有安全性功能以及高压侧上的第二微控制器被设置用于确定充电状态(SOC)。
在该实施例中尤其有利地实现一种优化的分配，其使高的功能性与同时高的安全水平相一致。
依据本发明另一有利的改进方案，无论是多个第一测量单元还是多个第二测量单元都被构造为最小-最大测量单元。
由此能够进一步节省成本和计算。
依据本发明的一个实施例，蓄电池管理系统具有多个单池监控单元，在该多个单池监控单元中设置多个第一电压测量单元中的相应的一个和多个第二电压测量单元中的相应的一个以及额外的微控制器，其中，单池监控单元的多个电压测量单元耦合到单池监控单元的多个公共的输入端处并且其中，微控制器被设置在单池监控单元内以用于分析相应的单池监控单元的多个电压测量单元中的一个的数据。
在该实施例中，单池监控单元内的微控制器尤其有利地提供另外的分析功能和安全性功能。同时通过特别选择具有多个单池监控单元的设置能够有利于系统的可伸缩性。
此外，依据本发明提供一种具有根据前述权利要求之一所述的蓄电池管理系统的蓄电池。
按照一个优选的实施例，该蓄电池是锂离子蓄电池。
此外提供一种具有依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。
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示出根据本发明的一个实施例的具有利用在低压侧上的多个最小-最大测量单元来监控蓄电池的多个蓄电池单元的蓄电池管理系统的蓄电池；
图4示出根据本发明的另一个实施例的具有利用在高压侧上的多个最小-最大测量单元来监控蓄电池的多个蓄电池单元的蓄电池管理系统的蓄电池；以及
图5示出根据本发明的另一个实施例的具有利用在低压侧上的和在高压侧上的多个最小-最大测量单元来监控蓄电池的多个蓄电池单元的蓄电池管理系统的蓄电池。
具体实施方式
在图3中示出根据本发明的一个实施例的具有用于监控蓄电池的多个蓄电池单元14的蓄电池管理系统31的蓄电池，其中，在蓄电池管理系统31的低压侧上设置最小-最大测量单元33。在此对于蓄电池管理系统11的布置追溯到多个测量单元33，其仅将所分配的所有单池的最小和最大电压报告给控制装置。这些最小-最大测量单元33在此将所分配的蓄电池单池14的状态与前置连接的单池14的状态进行比较。这样在确定所有的蓄电池单池14的最大电压时，能够将两个蓄电池单池14的较高的电压传送到下个测量单元33，在那里又将该较高的电压与单池14进行比较。结束时，最后的测量单元仅将最高的电压值传送到控制装置。类似也确定所有的单池14的最小电压。如图3所示，最小-最大测量单元分别将两个数值继续传送到单池监控微控制器38，后者分析处理两个数值并将结果通过CAN-总线36发送。
高压端的线路装备电压测量单元32。依据该实施例一种依据本发明的变型，该电压测量单元被构造作为电压监控单元CVM(英语：Cell Voltage Monitoring)。该电压监控单元能够附加地监控其他的物理量，例如所分配的蓄电池模块的温度。
具有优点的是在一个CSC内提供两个彼此独立作用的单池电压测量单元32、33供使用。单池电压测量单元32的线路提供给在控制装置15内的高压侧的微控制器25，另一单池电压测量单元并行地提供给低压侧的微控制器23。并行地使用两种不同类型的总线34、36或通信拓扑。这样在控制装置15的一侧上，例如在高压侧24上，能够通过菊花链通信，在另一侧上则通过CAN-总线通信。但本发明并不局限于特定类型的通信总线。
因为用于监控电压的低压侧的线路装备多个最小-最大测量单元33，所以按照简单和成本低廉的方式实现提高的冗余。此外，在此达到足够的功能的安全性，其中多个蓄电池单池14的准确的电压不起作用。首先重要的是，遵守通过最小-最大测量单元33识别的对于单池电压的特定的上限和下限。此外，多个蓄电池单池14的电压值必须彼此处于很窄的范围内，这种情况也很典型并也通过最小-最大测量单元33识别。只要这些数值明显分歧，就存在最后导致断开蓄电池系统10的错误。
在根据图1的实施例中，高压侧24承担SOC的计算，低压侧22承担安全功能。高压侧24独立于低压侧22地工作。通过CSC35的冗余的结构，能够实现高的功能的安全性并因此实现更高的ASIL等级，而无需控制装置15为此进行复杂的错误可能性计算。
在图4中示出根据本发明的另一个实施例的具有用于监控蓄电池的多个蓄电池单元14的蓄电池管理系统41的蓄电池。与图3所示的实施例的区别在于，多个最小-最大测量单元在此是高压侧的，即其中与高压侧的微控制器25连接的线路设置在多个测量单元上。高压侧的线路用于监控电压。
替选地，两个测量单元，即无论是高压侧的还是低压侧的测量单元均由最小-最大测量单元33代替，如图5所示。由此能够节省更多的成本和计算。SOC的计算仅会最小程度地变得不准确，因为多个单池电压彼此处于窄的范围内。即对于计算来说平均值是足够的。只要多个单池电压彼此分歧，就存在导致系统断开的错误。SOC于是不再起作用。
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。虽然指出本发明优选使用锂-离子蓄电池，但是替代地，本发明也能够有利地使用其他的蓄电池类型。

Claims (13)

1.蓄电池管理系统(31、41、51)，其具有：
控制装置(15)，其具有设置在所述控制装置(15)的低压侧(22)上的第一微控制器(23)和设置在所述控制装置(15)的高压侧(24)上的第二微控制器(25)；以及
多个第一电压测量单元(42)，其分别分配给蓄电池的至少一个蓄电池模块，其特征在于用于将多个电压值从所述多个第一电压测量单元(42)传送到所述第一微控制器(23)的第一通信连接(36)；
多个第二电压测量单元(32)；
用于将多个电压值从所述多个第二电压测量单元(32)传送到所述第二微控制器(25)的第二通信连接(34)；
其中，所述多个第一或第二电压测量单元(32、42)被这样地构造为多个最小-最大测量单元(33)，以使得获取分配给相应的最小-最大测量单元(33)的多个蓄电池模块内的多个蓄电池单池(14)的最小和最大电压值并且摒弃处于其间的电压测量值。
2.根据权利要求1所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其中，根据第一通信拓扑借助于所述第一通信连接(36)连接所述多个第一电压测量单元(42)，并且根据与所述第一通信拓扑不同的第二通信拓扑借助于所述第二通信连接(34)连接所述多个第二电压测量单元(32)。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其中，所述第一通信拓扑具有菊花链结构(20)并且所述第二通信拓扑具有CAN-总线连接，或者相反。
4.根据权利要求1或2所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其被这样地构造，以使得所述第一和第二微控制器(23、25)彼此独立地工作。
5.根据权利要求1或2所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其中，低压侧上的所述第一微控制器(23)与第一电流传感器相连接并且高压侧上的所述第二微控制器(25)与不同于第一电流传感器的第二电流传感器相连接。
6.根据权利要求1或2所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其中，低压侧上的所述第一微控制器(23)被设置用于分析电压并且还具有安全性功能，并且高压侧上的所述第二微控制器(25)被设置用于确定充电状态(SOC)。
7.根据权利要求1或2所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其中，无论是多个第一测量单元还是多个第二测量单元(32、42)都被构造为多个最小-最大测量单元(33)。
8.根据权利要求1或2所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其具有多个单池监控单元(35、45、55)，所述单池监控单元分别配备了所述多个第一电压测量单元中的一个和所述多个第二电压测量单元中的一个以及微控制器(38)，其中，单池监控单元(35、45、55)的多个电压测量单元耦合到所述单池监控单元(35、45、55)的多个公共的输入端处，并且其中，所述微控制器(38)被设置在所述单池监控单元(35、45、55)内以用于分析相应的单池监控单元(35、45、55)的所述多个电压测量单元(32、42)中的一个的数据。
9.根据权利要求5所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其中，所述第一电流传感器为霍尔传感器(27)。
10.根据权利要求5所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其中，所述第二电流传感器为具有分流电阻(26)的电流传感器。
11.用于监控蓄电池的方法，其中，确定充电状态(SOC)并且监控多个最小和最大电压的存在，其特征在于，通过使用不同的、彼此独立地工作的多个通信拓扑，以一方面获取用于确定所述充电状态的电压值并且另一方面获取用于监控所述多个最小和最大电压的电压值，其中，至少为获取用于监控所述多个最小和最大电压值的所述电压值使用根据权利要求1所述的多个最小-最大测量单元(33)。
12.蓄电池，其具有根据权利要求1至10之一所述的蓄电池管理系统(31、41、51)。
13.机动车，其具有根据权利要求1至10之一所述的蓄电池管理系统(31、41、51)，其中，待监控的蓄电池与所述机动车的驱动系统相连接。
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