CN104838536B - 蓄电池管理系统和蓄电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监控和调节可再充电的蓄电池、尤其是锂离子蓄电池的运行的调节电路，所述蓄电池包括多个相互连接的蓄电池单元(1)，所述蓄电池单元通过至少一个开关元件(2)电气可解耦地与所述蓄电池的至少一个电极连接端(15)连接，其中所述调节电路具有至少一个蓄电池单元监控装置(3)，所述蓄电池单元监控装置构成为，检测至少一个蓄电池单元(1)的运行参数；并且具有第一控制装置(6)，所述第一控制装置构成为，通过对运行参数的分析确定蓄电池特性，其中第一控制装置(6)通过第一接口(10)与所述蓄电池单元监控装置(3)连接，并且其中调节电路具有第二控制装置(7)，该第二控制装置构成为，驱控至少一个开关元件(2)，并且所述第二控制装置通过第二接口(11)与所述蓄电池单元监控装置(3)连接。此外本发明涉及一种具有按照本发明的调节电路的蓄电池系统。

Description

蓄电池管理系统和蓄电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于监控和调节可再充电的蓄电池、尤其是锂离子蓄电池的运行的调节电路，所述蓄电池包括多个相互连接的蓄电池单元，所述蓄电池单元通过至少一个开关元件电气可解耦地与所述蓄电池的至少一个电极连接端连接，所述调节电路具有至少一个蓄电池单元监控装置，所述蓄电池单元监控装置构成为，检测至少一个蓄电池单元的运行参数；并且具有第一控制装置，该第一控制装置构成为，通过对运行参数的分析确定蓄电池特性，其中第一控制装置通过第一接口与所述蓄电池单元监控装置连接。
此外，本发明涉及一种蓄电池系统，包括可再充电的蓄电池，所述蓄电池包括多个相互连接的蓄电池单元，所述蓄电池单元通过至少一个开关元件电气可解耦地与所述蓄电池的至少一个电极连接端连接；并且包括调节电路，尤其是蓄电池管理系统，用于监控和调节所述蓄电池的运行。
背景技术
在现有技术中特别是在蓄电池管理系统的名称下已知用于监控和调节可再充电的蓄电池的运行的调节电路。在此一方面蓄电池的放电过程，也就是尤其是对具有相应的电气负载的这样的蓄电池的利用，和另一方面蓄电池的充电过程视为蓄电池的运行。在已知的调节电路中，在此检测多个所谓的电池单元监督电路(CSC)的蓄电池单元的蓄电池单元电压作为测量值并且通过通信总线传输到中央控制装置，所谓的蓄电池控制单元(BCU)。此外由电流传感器测量的电流能够作为另外的测量值传输到蓄电池控制单元。蓄电池控制单元通过对测量值的分析确定蓄电池特性，如此外还有各个蓄电池单元的充电状态——其也称为充电状态(SOC)——以及各个蓄电池单元的老化，其也称为健康状态(SOH)。
除此之外在这样的调节电路中给蓄电池控制单元分配如下任务，即如果检测的测量值指示该蓄电池单元危及安全的状态，那么通过电流接触器的驱控将各个蓄电池单元或蓄电池单元组与蓄电池的电极连接端电气隔离。蓄电池单元这样的隔离是非常重要的，以便阻止不仅蓄电池而且由蓄电池供电的电气负载或蓄电池的充电装置的更大的损坏。这特别是因此是也重要的，因为对于这样的蓄电池的用户的危险也可能基于损坏的蓄电池，如锂离子蓄电池，例如燃烧和爆炸危险。
基于安全意义，因此通过诊断尝试实现可靠地检测对于蓄电池单元的安全状态相关的蓄电池参数(例如蓄电池单元电压)并且可靠地通过通信总线传输到蓄电池控制单元。在此存在持续的要求，特别是进一步改善蓄电池参数的传输安全性，以便实现蓄电池单元的危及安全的状态的可靠识别。
另外的诊断系统或者另外的诊断例程的应用在此导致如下缺点，即提高了这样的调节电路的复杂性，特别是这样的调节电路的性能的负载。在通过通信总线到蓄电池控制单元的由蓄电池监督电路检测的蓄电池参数的全部的传输时由于安全意义而必要的冗余会进一步导致另外的缺点，即大幅地耗用通信总线。再者这样的调节电路具有小的可伸缩性作为另外的缺点。
发明内容
在该背景下，本发明的任务在于，改善用于监控和调节可再充电的蓄电池尤其是锂离子蓄电池的运行的调节电路，尤其是关于这样的调节电路的改善的性能以及关于蓄电池单元的危及安全的状态的改善的识别。
为了解决该任务，提出一种用于监控和调节可再充电的蓄电池、尤其是锂离子蓄电池的运行的调节电路，所述蓄电池包括多个相互连接的蓄电池单元，所述蓄电池单元通过至少一个开关元件电气可解耦地与所述蓄电池的至少一个电极连接端连接。按照本发明的调节电路具有至少一个蓄电池单元监控装置，所述蓄电池单元监控装置构成为，检测至少一个蓄电池单元的运行参数；并且具有第一控制装置，所述第一控制装置构成为，通过对运行参数的分析确定蓄电池特性。第一控制装置在此通过第一接口与所述蓄电池单元监控装置连接。再者按照本发明的调节电路具有第二控制装置，分别单个地驱控开关元件，并且所述第二控制装置通过第二接口与所述蓄电池单元监控装置连接。蓄电池单元按照本发明能够单个地或者作为蓄电池单元的分组通过至少一个开关元件可电气解耦，其中蓄电池单元的分组特别是也能够包括全部蓄电池单元。优选地，用于监控和调节可再充电的蓄电池的运行的调节电路是蓄电池管理系统。
蓄电池单元分别单个地或成组地例如以十二个蓄电池单元的组通过开关元件与电极连接端连接，并且该开关元件通过断开实现与电极连接端的电气隔离，该开关元件优选为电流接触器，尤其优选为电气可控的电流接触器。作为蓄电池单元监控装置按照本发明特别是设有所谓的蓄电池单元监督电路。按照一个优选设计方案，该蓄电池单元监督电路具有专用集成电路(ASIC：application-specific integrated circuit)，其构成为，检测蓄电池单元电压。优选地，蓄电池单元监控装置或蓄电池单元监督电路还具有微控制器，该微控制器能够通过隔离器使用第一和/或第二接口传输检测的运行参数。运行参数在此按照本发明特别是蓄电池单元电压、蓄电池单元温度、蓄电池单元电流、临界蓄电池单元电压(也就是说如下电压，该电压不同于通常的电压值，也即是特别是这样的电压，该电压超过最大阈值或者低于最小的阈值)或者配置给这些参数的测量值。优选地，第一接口和第二接口分别构成为通信总线，特别优选地构成为CAN总线(CAN：Controller area network)。
由第一控制装置通过对接收的运行参数的分析确定的蓄电池特性按照本发明特别是蓄电池充电状态(SOC)、蓄电池老化状态(SOH)和/或蓄电池功能状态(SOF：State ofFunction)。有利地第一控制装置还构成为，优选将求取或确定的蓄电池特性转发到上级的控制装置。在按照本发明的调节电路结合在混合动力或电动车中应用的车载蓄电池的应用中，这样的上级的控制装置能够使例如上级的车辆控制装置，该车辆控制装置例如也参与在驱动组件的控制中。
本发明基于如下认识，即能够由此改善用于监控和调节可再充电的蓄电池的运行的调节电路，以使得不应用唯一的中央控制装置，而是应用两个控制装置，其中第一控制装置主管如下功能，该功能与蓄电池的功能安全不相关，其中第二控制装置主管如下功能，该功能与蓄电池的功能安全相关。按照本发明在此设定，第一控制装置确定蓄电池特性并且转发确定的蓄电池特性，特别是转发到另一控制装置或多个控制装置。第二控制装置相比之下驱控一个或多个开关元件，所述开关元件连接在涉及的蓄电池单元与蓄电池电极连接端之间。按照本发明在此特别是设定，第二控制装置在检测临界运行参数特别是临界蓄电池单元电压时发送打开信号到一个或多个开关元件，紧接着这些开关元件断开并且将因此相应的蓄电池单元与电极连接端电气解耦。然而，第二控制装置有利地也构成为，发送关闭信号到一个或多个开关元件，该关闭信号引起开关元件的关闭。
为了通过控制装置(以下一般称为控制装置)履行相应功能有利地设定，蓄电池单元监控装置构成为，通过所述第一接口将检测的运行参数传输到所述第一控制装置并且通过所述第二接口将检测的运行参数传输到所述第二控制装置。由蓄电池单元监控装置传输到第一控制装置的运行参数在此优选为所有蓄电池单元电压测量值，这些蓄电池单元电压测量值通过蓄电池单元监控装置分别在涉及的蓄电池单元上检测。传输到第二控制装置上的运行参数在此优选仅仅是临界蓄电池单元电压的这样的测量值，也就是这样的蓄电池单元电压测量值，其应该视为非典型的，因为这样的蓄电池单元电压测量值不同于通常在无故障的正常运行中出现的电压值。这样的临界蓄电池单元电压那么特别是这样的蓄电池单元电压，该蓄电池单元电压超过限定为最大允许的蓄电池单元电压阈值或低于限定为最小允许的蓄电池单元电压阈值。
按照本发明一个特别优选的设计方案设定，所述第二控制装置构成为，根据接收的运行参数驱控所述至少一个开关元件。优选地，第二控制装置在此构成为，分析运行参数，并且根据接收的运行参数的分析的结果驱控开关元件。由第二控制装置接收的运行参数在此按照本发明特别是蓄电池单元电压。按照一个设计方案变型全部由蓄电池单元监控装置检测的蓄电池单元电压或蓄电池单元电压测量值能够传输到第二控制装置，其中第二控制装置如下分析接收的蓄电池单元电压，即是否在一个或多个蓄电池单元上出现临界蓄电池单元电压。按照本发明另一有利的设计方案变型仅仅临界的蓄电池单元电压测量值传输到第二控制装置，其中第二控制装置构成为，在接收到该临界蓄电池单元电压时通过驱控至少一个开关元件电气隔离涉及的蓄电池单元与蓄电池的至少一个电极连接端。此外提出，第二控制装置构成为，根据检测的电流特别是充电电流驱动至少一个开关元件。有利地由此实现了蓄电池单元在出现不允许的充电电流的情况下可与蓄电池的电极连接端电气隔离，从而蓄电池单元的损坏是可避免的，例如由于太高的充电电流。
按照本发明另一有利的设计方案，所述蓄电池单元监控装置具有至少一个蓄电池单元电压检测装置，所述蓄电池单元电压检测装置构成为，检测至少一个蓄电池单元的蓄电池单元电压作为电压测量值。在此特别是设定，蓄电池单元电压检测装置构成为用于检测蓄电池单元电压的专用集成电路(ASIC)。按照本发明另一有利的设计方案，蓄电池单元电压检测装置或者蓄电池单元监控装置构成为，通过所述第一接口将检测的电压测量值传输到所述第一控制装置，优选使用微控制器。
按照本发明的另一有利的方面设定，所述蓄电池单元监控装置具有蓄电池单元电压监控装置，所述蓄电池单元电压监控装置构成为，检测最大蓄电池单元电压阈值被向上超过和/或最小蓄电池单元电压阈值被向下超过。优选地蓄电池单元电压监控装置一般构成为，检测不同于期望值的蓄电池单元电压值并且根据偏差分离临界蓄电池单元电压与非临界蓄电池单元电压。为了确定这样的极端电压值，蓄电池单元电压监控装置有利地具有比较电路。
有利地，此外所述蓄电池单元电压监控装置构成为，通过所述第二接口将检测的电压阈值偏差传输到所述第二控制装置和/或通过信号传递给所述第二控制装置。优选地，蓄电池单元电压监控装置构成为，在检测到极端电压值的情况下将报警信号作为运行参数发送到第二控制装置并且通过这种方式将电压阈值偏差通过信号传递给第二控制装置。这样的报警信号的接收有利地使得第二控制装置通过相应地对至少一个开关元件的控制来电气解耦至少一个蓄电池单元。
按照本发明的另一有利的方面，所述第二控制装置与电流检测装置连接，其中所述电流检测装置有利地构成为，检测所述蓄电池的充电电流和/或放电电流作为电流测量值并且将检测的电流测量值传输到所述第二控制装置。有利地，第二控制装置还构成为，根据接收的电流测量值驱动至少一个开关元件。特别是第二控制装置构成为，在接收到反常的指示运行干扰的电流测量值的情况下如此驱控单个开关元件或所有开关元件，使得这些开关元件断开并且蓄电池单元与蓄电池的电极连接端电气隔离，从而中断电流。
本发明的另一有利的设计方案设定，所述第一控制装置和所述第二控制装置通过第三接口相互连接，其中所述第一控制装置构成为，通过所述第三接口将数据传输到所述第二控制装置，并且其中所述第二控制装置构成为，通过所述第三接口将数据传输到所述第一控制装置。按照本发明在此设定，第二控制装置构成为，将检测的电流测量值传输到第一控制装置，其中第一控制装置有利地构成为，将接收的电流测量值作为运行参数加入到对运行参数的按照本发明的分析中并且使得接收的电流测量值进入到对蓄电池特性的确定中。有利地第一控制装置此外构成为，将接收的超过最大阈值或低于最小阈值的蓄电池单元电压测量值传输到第二控制装置。由此有利地产生附加的冗余，由此通过第二控制装置能够实现至少一个开关元件的更可靠的驱控，特别是因为第二控制装置能够更可靠地分析是否存在危及安全的状态。对于这样的分析第二控制装置有利地比较由蓄电池单元电压监控装置接收的值与由第一控制装置接收的值。第二控制装置在此有利地利用由第一控制装置接收的值，以便将对由蓄电池单元电压监控装置接收的值进行可信度测试。
本发明还提出一种蓄电池系统，包括可再充电的蓄电池，所述蓄电池包括多个相互连接的蓄电池单元，所述蓄电池单元通过至少一个开关元件电气可解耦地与所述蓄电池的至少一个电极连接端连接；并且包括调节电路，尤其是蓄电池管理系统，用于监控和调节所述蓄电池，其中，所述调节电路是按照本发明的调节电路。尤其是设定，蓄电池系统是构成为用于电动和/或混合动力车辆中的蓄电池系统。
附图说明
本发明另外的有利的细节、特征和设计方案细节结合在附图中示出的实施例进一步阐明。其中：
图1示出了按照本发明的蓄电池系统的一个实施例的示意图。
具体实施方式
在图1中示出的蓄电池系统中多个蓄电池单元1一起连接为一个可再充电的蓄电池。蓄电池单元1在此作为组13通过构成为电流接触器的开关元件2与蓄电池的电极连接端15并因此与电气负载或与用于给蓄电池充电的充电装置可解耦。按照本发明一个未示出的实施变型设定，各个蓄电池单元或更小的蓄电池单元组通过相应的开关元件也可与蓄电池分离，其中优选地在各个蓄电池单元之间设置相应的开关元件并且为了桥接蓄电池单元分别设有相应的设有开关元件的并联电路。
在图1中示出的蓄电池系统具有用于监控可调节可再充电的蓄电池的运行的调节电路。调节电路在此具有第一控制装置6、第二控制装置7、多个蓄电池单元监控装置3(为了更好的清晰性在图1中仅仅示出两个蓄电池单元监控装置3)以及电流检测装置9。蓄电池单元监控装置3在此通过CAN总线作为第一通信接口10与第一控制装置6连接。除此之外，蓄电池单元监控装置3通过第二CAN总线11与第二控制装置7连接。蓄电池单元监控装置3分别构成为，分别检测一组蓄电池单元1的运行参数并且将检测的运行参数通过CAN总线10传输到第一控制装置6并且将检测的运行参数通过CAN总线11传输到第二控制装置7。蓄电池单元电压监控装置3分别包括蓄电池单元电压检测装置4，其构成为检测一组蓄电池单元1的各个蓄电池单元1的蓄电池单元电压作为电压测量值。蓄电池单元电压检测装置4为此具有相应构成的专用集成电路(ASIC)，其在图1中未明确示出。通过蓄电池单元电压检测装置4的在图1中同样未明确示出的微控制器将通过蓄电池单元电压检测装置4检测的蓄电池单元电压测量值使用CAN总线10传输到第一控制装置6。
蓄电池单元监控装置3再者分别具有蓄电池单元电压监控装置5，该蓄电池单元电压监控装置构成为，检测超过最大的蓄电池单元电压阈值以及低于最小的蓄电池单元电压阈值。蓄电池单元电压监控装置5在此有利地分别构成为比较器并且调整检测的蓄电池单元电压测量值与预定的最大和最小蓄电池单元电压值。如果蓄电池单元电压监控装置5确定超过最大的蓄电池单元电压测量值以及低于最小的蓄电池单元电压测量值，那么蓄电池单元电压监控装置5发送报警信号到第二控制装置7。
在图1中示出的调节电路的第一控制装置6构成为，通过CAN总线10接收蓄电池单元电压测量值并进行分析。除此之外，第一控制装置6构成为，通过另一CAN总线12接收第二控制装置7的电流测量值。这些电流测量值由电流检测装置9检测并且传输到第二控制装置7，该第二控制装置将电流测量值转送到第一控制装置6。第一控制装置6分析处理接收的蓄电池单元电压测量值和接收的电流测量值作为运行参数并且基于分析确定蓄电池特性，例如蓄电池的充电状态、蓄电池的老化以及蓄电池的功能状态。确定的蓄电池特性能够由第一控制装置6传输到上级控制装置8，在此为上级的车辆控制系统。如果控制装置6根据检测的运行参数确定了临界的功能状态例如因为接收的蓄电池单元电压测量值超过最大阈值，那么控制装置6发送警告信号到第二控制装置7。
第二控制装置7构成为，通过CAN总线11运行参数从蓄电池单元监控装置3或从蓄电池单元电压监控装置5接收并且通过另外的CAN总线12从第一控制装置6接收数据。根据接收的运行参数第二控制装置7能够驱控电流接触器2，以便如此中断在蓄电池单元1与蓄电池的电极连接端15之间的电气连接。作为运行参数，第二控制装置7在此从蓄电池单元电压监控装置5在超过最大允许的蓄电池单元电压或在低于最小允许的蓄电池单元电压时接收警告信号。从第一控制装置6接收的警告信号在此用于由蓄电池单元电压监控装置5传输的警告信号的可信度测试。按照本发明的调节电路的一个保守的设计，特别是也能够设定，如果或者多个蓄电池单元电压监控装置5中之一或者第一控制装置6传输警告信号到第二控制装置7，那么第二控制装置驱控电流接触器2用于中断电气连接。
在附图中示出的以及结合该附图阐明的实施例用于本发明的阐述而不限于该阐述。

Claims (11)

1.用于监控和调节可再充电的蓄电池的运行的调节电路，所述蓄电池包括多个相互连接的蓄电池单元(1)，所述蓄电池单元通过至少一个开关元件(2)电气可解耦地与所述蓄电池的至少一个电极连接端(15)连接，所述调节电路具有至少一个蓄电池单元监控装置(3)，所述蓄电池单元监控装置构成为，检测至少一个蓄电池单元(1)的运行参数；并且所述调节电路具有第一控制装置(6)，所述第一控制装置构成为，通过对运行参数的分析来确定蓄电池特性，其中所述蓄电池特性包括蓄电池充电状态和蓄电池老化状态并且其中所述第一控制装置(6)通过第一接口(10)与所述蓄电池单元监控装置(3)连接，其特征在于第二控制装置(7)，该第二控制装置构成为，分析所述运行参数并且根据所述分析的结果驱控所述至少一个开关元件(2)，使得电流从至少一个电极连接端中断，并且所述第二控制装置通过第二接口(11)与所述蓄电池单元监控装置(3)连接。
2.根据权利要求1所述的调节电路，其特征在于，所述可再充电的蓄电池是锂离子蓄电池。
3.根据权利要求1或2所述的调节电路，其特征在于，所述蓄电池单元监控装置(3)构成为，通过所述第一接口(10)将检测的运行参数传输到所述第一控制装置(6)并且通过所述第二接口(11)将检测的运行参数传输到所述第二控制装置(7)。
4.根据权利要求1或2所述的调节电路，其特征在于，所述蓄电池单元监控装置(3)具有蓄电池单元电压检测装置(4)，所述蓄电池单元电压检测装置构成为，检测所述至少一个蓄电池单元(1)的蓄电池单元电压作为电压测量值。
5.根据权利要求4所述的调节电路，其特征在于，所述蓄电池单元电压检测装置(4)构成为，通过所述第一接口(10)将检测的电压测量值传输到所述第一控制装置(6)。
6.根据权利要求1或2所述的调节电路，其特征在于，所述蓄电池单元监控装置(3)具有蓄电池单元电压监控装置(5)，所述蓄电池单元电压监控装置(5)构成为，检测最大蓄电池单元电压阈值被向上超过和/或最小蓄电池单元电压阈值被向下超过。
7.根据权利要求6所述的调节电路，其特征在于，所述蓄电池单元电压监控装置(5)构成为，通过所述第二接口(11)将检测的阈值偏差传输到所述第二控制装置(7)和/或通过信号传递给所述第二控制装置(7)。
8.根据权利要求1或2所述的调节电路，其特征在于，所述第二控制装置(7)与电流检测装置(9)连接，其中所述电流检测装置(9)构成为，检测所述蓄电池的充电电流和/或放电电流作为电流测量值并且将检测的电流测量值传输到所述第二控制装置(7)。
9.根据权利要求1或2所述的调节电路，其特征在于，所述第一控制装置(6)和所述第二控制装置(7)通过第三接口(12)相互连接，其中所述第一控制装置(6)构成为，通过所述第三接口(12)将数据传输到所述第二控制装置(7)，并且其中所述第二控制装置(7)构成为，通过所述第三接口(12)将数据传输到所述第一控制装置(6)。
10.蓄电池系统，包括可再充电的蓄电池，所述蓄电池包括多个相互连接的蓄电池单元(1)，所述蓄电池单元通过至少一个开关元件(2)电气可解耦地与所述蓄电池的至少一个电极连接端(15)连接；并且包括调节电路，用于监控和调节所述蓄电池的运行，其特征在于，所述调节电路是根据权利要求1至9之一所述的调节电路。
11.根据权利要求10所述的蓄电池系统，其特征在于，所述调节电路是蓄电池管理系统。
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