CN105048008A - 用于电池组管理的方法和电池组管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电池组管理的方法和电池组管理系统。提供一种用于电池组的电池组管理的方法，所述电池组具有多个电池组模块，所述电池组模块分别具有多个电池组电池、传感器和至少一个传感器控制设备。在此规定：传感器控制设备和/或传感器的失效至少暂时通过如下方式来补偿：根据另一传感器控制设备的测量值（46）和所涉及的传感器控制设备与所述另一传感器控制设备的相关值来计算所涉及的传感器控制设备的不存在的测量值（46）。此外说明被设立用于执行该方法的计算机程序、电池组管理系统、电池组系统和机动车。

Description

用于电池组管理的方法和电池组管理系统

技术领域

本发明涉及一种用于电池组的电池组管理的方法，所述电池组包括多个电池组电池。此外，本发明涉及被设立用于执行该方法的一种计算机程序、一种电池组管理系统、一种电池组系统和一种机动车。

背景技术

电子控制设备在汽车领域中目前以增加的数量被使用，针对此的例子是发动机控制设备和用于ABS或者安全气囊的控制设备。对于电驱动的车辆，目前的研究重点是开发高效的具有相关的电池组管理系统的电池组包，即配备有用于监控电池组功能性的软件的控制设备。电池组管理系统尤其确保所使用的电池组电池和电池组包的安全且可靠的功能。所述电池组管理系统监控和控制各个电池和/或完整的电池组包的电流、电压、温度、绝缘电阻和其他量。借助这些量可以实现管理功能，所述管理功能提高电池组系统的使用寿命、可靠性和安全性。

电池组管理系统由多个控制设备构成，在所述控制设备上运行各个软件功能性。在此，根据电池组电池的数目、传感器的数目和电池组模块在机动车中的不同结构空间上的分布得到控制设备拓扑结构，该控制设备拓扑结构具有主控制设备和多个下级的传感器控制设备，用于直接在各个电池组电池和电池组模块处检测测量值。所检测的数据在控制设备之间经由通信信道来交换。

US2008/0048619示出一种电池组系统，其具有多个蓄电池，所述蓄电池被设置用于驱动车辆，其中设置有错误确定单元，所述错误确定单元监控电流和电压传感器的失效。

US2010/0136390示出多个电池组模块，所述电池组模块并联和串联连接，其中设置有第一控制单元，所述第一控制单元根据电池组模块的传感器的电流和电压值来确定，能够从电池组模块提取并输送多少功率，并且其中设置有第二控制单元，所述第二控制单元监控第一控制单元的功能并且在传感器异常时必要时操作分离设备。

US2012/0221172示出一种用于处理传感器数据和用于控制车辆的方法，其中在传感器数据失效时经由通信单元替代地使用其他车辆的传感器的数据。

发明内容

在根据本发明的用于具有多个电池组电池、传感器和传感器控制设备的电池组的电池组管理的方法中，规定：传感器控制设备和/或传感器的失效至少暂时通过如下方式补偿：所涉及的传感器控制设备的不存在的测量值根据另一传感器控制设备的测量值和所涉及的传感器控制设备与所述另一传感器控制设备的至少一个相关值来计算。

为了提高电池组的可用性，尽管传感器或传感器控制设备失效但至少暂时提供受限制的运行，其方式是：失效的测量值的特性基于以前测量的值和与其他的控制设备的相关性来模仿。通过确定测量值彼此间的表征特性模式可以补偿所涉及的传感器控制设备的失效。

由此，电池组在传感器或控制设备失效时不必完全中止运行，而是可以被置于应急运行中。在应急运行中，限制电池组的运行，例如其方式是：设置或缩小可调用的功率的极限。也可以规定，确定的电池组功能不能利用或只还能受限制地利用，譬如支持机动车中的起动停止系统或用电器的运行。

“至少暂时”被理解为，失效可能持久地或仅暂时存在，其中“暂时”意味着持续确定的时间。失效及其持续时间优选地此外被通知给上级的控制设备、例如电池组管理系统，使得可以进行相应的反应。

该方法可以涉及任意测量值，通过测量值实现电池组管理功能、譬如电池组系统的预期的使用寿命或电池组的健康状态（SOH，StateOfHealth）的确定。这样的测量值尤其包括电池电压、电池温度、电流强度、模块电压、模块温度。通常通过传感器控制设备检测并且传送给传感器控制设备的其他测量值例如是电池或模块的绝缘电阻或充电状态。同样，测量值可以包括由这样的量导出的量，例如时间上累加的或积分的量、彼此相乘的或以另外方式聚集的量。在最小和最大状态之间的差值可以被包含于导出的测量值中。

为了实施电池组功能性、尤其是电池组电池的监控和用于优化电池组利用的计算，对各个测量值、如电池电压、电流和温度的同步检测是有利的。优选地因此周期性地、例如每隔50ms检测测量值。

电池组优选地配备有用于监控电池组功能性的电池组管理系统。该电池组管理系统包括传感器控制设备和主控制设备，其中传感器控制设备与主控制设备经由通信信道彼此连接。优选地，传感器的测量值被传感器控制设备接收，必要时被预处理并且经由通信信道被发送给主控制设备。测量值由主控制设备进一步处理，以便完成监控电池组功能性的功能。

优选地，电池组具有多个电池组模块，其分别具有多个电池组电池、传感器和至少一个传感器控制设备。术语“电池组”和“电池组单元”在本说明书中与常用语言使用匹配地被用于蓄电池或蓄电池单元。电池组包括一个或多个电池组单元，用此可以表示电池组电池、电池组模块、模块串或电池组包。在电池组中，电池组电池优选地在空间上被联合并且以连接技术彼此连接，例如串联或并联布线成模块。多个模块可以形成所谓的电池组直接转换器（BDC，BatteryDirectConverter），并且多个电池组直接转换器可以形成一个电池组直接逆变器（BDI，BatteryDirectInverter）。

根据一种优选的实施方式，针对每个电池组模块将确定的电池组电池定义为相关伙伴。计算和保存每个单个测量值与所有其他的测量值的相关值被视为是花费大的。有利地，补偿多个传感器控制设备的失效，然而为此的花费被保持为低的，其方式是确定与电池组中存在的电池组模块的数目对应的相关伙伴的数目。这例如可以是每个所连接的电池组模块处的第一电池，但也可以是每个任意的另外的电池。每个测量周期计算和存储所有测量的电压与相关伙伴的相关值。由此将相关值的存储器需求保持为小的。

相关伙伴可以动态地被改变。相关伙伴的重新选择例如可以周期性地进行，并且通过如下方式进行：确定电池组模块中具有典型特性的电池，其中该典型特性可以通过电池组电池测量值的平均值来确定或通过模块之内的大部分电池组电池的值来确定。相关伙伴也可以针对不同的测量值而彼此不同。

根据一种实施方式，对相关值的计算包括平均值形成或确定数目的之前所计算的相关值的中值的形成。平均值例如可以是几何或算术平均值。被用于平均值形成的相关值的确定数目在权衡存储器需求的情况下被确定。

根据一种优选的实施方式，相关值在每个测量周期中被确定。相关值的连续检测确保：测量值的由老化决定的特性差别可以如实地被模仿。对相关值的频繁的测量和确定允许精确地重构测量值。

根据一种优选的实施方式，第一相关值针对上升的测量值来确定，而第二相关值针对下降的测量值来确定。由老化决定地，在电池组的使用寿命的过程中，电池将在放电过程或充电过程中展现出强度不同的波动。两个用于电池组的充电和放电的相关值的使用因此能够实现更精确地重构失效的传感器控制设备的测量值。

根据一种优选的实施方式，相关值在行驶周期结束时被存放在非易失性存储器中。非易失性存储器例如是所谓的EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory（可电擦除可编程只读存储器）），也就是说，非易失性电子存储器组件，其所存储的信息可以被电擦除。非易失性存储器例如是主控制设备的存储器。在存储器中可能从先前的行驶周期存储的值利用当前的相关值被调整并且被更新，例如通过求平均。

根据本发明此外提出一种计算机程序，当该计算机程序在可编程的计算机装置上被实施时，根据该计算机程序在此所描述的方法中的一个被执行。该计算机程序例如可以是软件模块、软件例程或软件子例程，用于在机动车的控制设备上实施电池组管理系统。该计算机程序可以存储在机器可读的存储器介质上，例如存储在永久或可重写的存储器介质，或在向计算机装置的分配中，例如存储在便携式存储器、如CD-ROM、DVD、蓝光光盘、USB棒或存储器卡上。对此附加地或替代地，计算机程序可以在计算机装置、譬如在服务器或云服务器上被提供以用于下载，例如经由数据网络、如互联网或经由通信连接、如电话线或无线连接来下载。

此外，根据本发明提出电池组的电池组管理系统，该电池组具有多个电池组电池、传感器和传感器控制设备，其中该电池组管理系统具有至少一个用于确定传感器控制设备的相关值的单元和失效补偿单元，该失效补偿单元被设立用于在传感器控制设备和/或传感器失效时根据另一传感器控制设备的测量值和所涉及的传感器控制设备与所述另一控制设备的至少一个相关值计算所涉及的传感器控制设备的不存在的测量值。

优选地，该电池组管理系统被构造和/或被设立用于执行在此所描述的方法。与此相应地，在方法的范围中所描述的特征相应地适用于该电池组管理系统，并且相反地在该电池组管理系统的范围中所描述的特征相应地适用于方法。

尤其是，该电池组管理系统优选地具有主控制设备和多个传感器控制设备，其经由通信信道彼此连接，其中传感器控制设备被设立用于接收传感器的测量值，必要时进一步处理并且经由通信信道发送给主控制设备，其中这些测量值由主控制设备进一步处理。

该电池组管理系统的单元可理解为功能单元，所述功能单元并不必然彼此物理分离。这样，例如当多个功能以软件实施时，该电池组管理系统的多个单元可以在唯一的物理单元中被实现。此外，该电池组管理系统的单元也可以以硬件、例如通过专用集成电路（ASIC，ApplicationSpecificintegratedCircuit）或以存储器单元来实现。优选地，尤其失效补偿单元被实施为电池组管理系统中的软件或ASIC。

此外，根据本发明提供一种电池组系统，其具有电池组和这种电池组管理系统，该电池组包括多个电池组电池。该电池组尤其可以是锂离子电池组或镍金属混合电池组，并且可以与机动车的驱动系统连接。

此外根据本发明提供一种具有这种电池组系统的机动车，其中该电池组系统的电池组与机动车的驱动系统连接。该机动车可以被设计为纯电动车辆并且仅包括电驱动系统。替代地，机动车可以被设计为混合动力车辆，其包括电驱动系统和内燃机。在一些变型方案中可以规定：混合动力车辆的电池组可以在内部经由发电机被加载内燃机的多余的能量。可外部充电的混合动力车辆（PHEV，Plug-inHybridElectricVehicle（插入式混合动力车辆））附加地规定经由外部电网对电池组充电的可能性。在这样设计的机动车中，行驶周期包括行驶运行和/或充电运行作为运行阶段，在所述运行阶段中检测运行参数作为测量值。

为了检测测量值的时间变化，传感器连续地监控各个电池组电池或各个电池组模块并且为传感器控制设备提供相应的数据。例如，数据可以在传感器与传感器控制设备之间经由总线、例如经由SPI总线（SerialPeripheralInterfaceBus）或CAN总线（ControllerAreaNetworkBus）来交换。连续地在此情况下表示：在所限定的时间间隔之后或以所限定的采样率、例如每分钟由传感器检测测量值并且传输给传感器控制设备。为了检测测量值的时间变化，所检测的测量值被存储在存储器单元中。所限定的时间间隔或所限定的采样率在此可以与测量值的改变的频率匹配，其中此外上限通过在传感器与传感器控制设备之间的总线的数据传输率来给定。

附图说明

本发明的实施例在附图中被示出并且在随后的描述中予以更详细地阐述。

图1示出具有电池组系统的机动车，

图2示出电池组的不同运行参数的时间变化，

图3示出具有传感器控制设备的失效的图示的、电池组的不同运行参数的时间变化，

图4示出两个传感器的两个相继的测量时刻的示例性电压值，以及

图5示出两个传感器的三个相继的测量时刻的示例性电压值。

在本发明的实施例的随后的描述中，相同或类似的部件以相同的或类似的附图标记来表示，其中在个别情况下舍弃对这些部件的重复描述。这些图仅示意性地示出本发明的主题。

具体实施方式

图1示出具有电池组系统12的至少部分地电驱动的机动车10。

图1的机动车10可以被设计为纯电驱动的车辆或附加地具有内燃机的混合动力车辆。为此，机动车10装配有电驱动系统14，该电驱动系统经由电动机（未示出）至少部分地对车辆10进行电驱动。

电能由电池组16提供。电池组16包括多个电池组电池19或蓄电池，例如电压范围为2.8V到4.2V的锂离子电池。电池组电池19按组被联合成电池组模块20，并且在此情况下串联或部分附加地并联连接，以便利用电池组16获得所要求的功率和能量数据。

电池组16是电池组系统12的一部分，该电池组系统此外包括电池组管理系统。电池组管理系统包括主控制设备18和被分配给电池组模块20的多个传感器控制设备17。

为了监控各个电池组电池19或电池组模块20，这些电池组电池或电池组模块配备有电池传感器22或模块传感器23，所述电池传感器或模块传感器连续地以所限定的采样率检测各个电池组电池19或各个电池组模块20的运行参数、如电压、电流强度或温度作为测量值46，并且为传感器控制设备17提供所检测的测量值46。传感器控制设备17接收电池传感器22和模块传感器23的测量值46，必要时给测量值46配备时间戳，对测量值进行预处理并且将这些测量值经由通信信道24、例如SPI总线（SerialPeripheralInterfaceBus（串行外围设备接口总线））或CAN总线（ControllerAreaNetworkBus（控制器区域网络总线））发送给主控制设备18，使得为主控制设备18提供各个传感器22、23的测量值序列。传感器22、23的采样率例如位于20Hz，但是根据运行参数可以彼此不同。

主控制设备18实施用于控制和监控电池组16的功能。尤其是，主控制设备18具有用于接收由传感器控制设备17发送的测量值46的接口26。此外，主控制设备18具有存储器单元30，例如EEPROM存储器（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory（可电擦除可编程只读存储器））或RAM存储器（RandomAccessMemory（随机存取存储器）），在该存储器单元中暂时地、即易失性地或持久地、即非易失性地存储所检测的测量值46。

此外，主控制设备18具有用于确定传感器控制设备17的相关值的单元28，该单元的工作方式尤其参照图4和图5来描述。用于确定相关值的单元28将这些相关值存储在存储器单元30中。

主控制设备18此外具有失效补偿单元32，其访问存储器单元30中的数据。失效补偿单元32被设立用于在一个传感器控制设备17和/或传感器22、23失效时根据另一传感器控制设备17的测量值46和所涉及的传感器控制设备17与另一控制设备的相关值来计算所涉及的传感器控制设备17的不存在的测量值46，其中来自存储器单元30的测量值46和相关值确定并且失效的测量值被重构。失效补偿单元32提供测量值46和重构的测量值42以用于实施电池组管理系统的功能。

图2示出六个电池组单元19的电压曲线36，其中三个电池组电池19由各一个传感器控制设备17来测量。电压曲线36作为关于时间t的连续变化来描绘运行参数电池电压U。运行参数电池电压U在此仅示例性地被使用。根据本发明的方法可以应用于任意的运行参数，所述运行参数连续地以所限定的采样率由传感器22、23检测，这作为测量值46在图2中在不同的测量时刻38被示出。在测量时刻38的测量值仅针对传感器22、23实际被示出，但是在正常运行中针对每个传感器22、23存在。

根据所示的电压曲线36表明：不仅在充电阶段（上升的电压）期间而且在放电阶段（下降的电压）期间所有电池组单元19的情况都类似。

图3示出两个传感器控制设备17的具有根据图2的各三个电池组单元19的测量值46的电压曲线36，其中在测量时刻t3和t4部分不存在测量值46。这可以归因于第二传感器控制设备17的失效，或可以归因于相应的电池传感器22的失效，所述电池传感器在这里是电压传感器。

图4示例性地示出两个相继的测量时刻38的电压值，其中与第一传感器控制设备17关联的电压值配备有附图标记S1而与第二传感器控制设备17关联的测量值46配备有附图标记S2。在该例子中，第一电池组单元19的电池电压从4.0V降低到3.9V。第二电池组电池19的电压从3.9V降低到3.75V。这些值仅用于阐明该方法而不能理解为限制性的。尤其，这些值并不准确地对应于电池组系统12中的电压的真实特性。第二电池组电池19的电压的较强的下降在该例子中特意选择为大的。

由用于确定相关值的单元28使不同的斜率如下关联：

-S1：从4.0V降低到3.9V-0.1V

-S2：从3.9V降低到3.75V-0.5V

-斜率之比S2/S1:-0.15V/-0.1V=1.5

因此电压S2与S1的电压相比降低了50%，这对应于第二传感器控制设备17相对于第一传感器控制设备17（S2：S1）的为1.5的相关值。

在“0除以0”的情况下（即两个电压的差为0），定义为相关值“1”。在两个电压中没有改变根据定义对应于两个电压的相同改变。如果分母或分子为零，则没有相关值可以确定。在此情况下，同样根据定义选择相关值“1”。

图5示例性地示出三个相继的测量时刻38的电压值，其中与第一传感器控制设备17关联的电压值配备有附图标记S1而与第二传感器控制设备17关联的测量值46配备有附图标记S2。根据图5示出不存在的测量值46的重构。假定针对第二电压S2的第二传感器控制设备17在时刻t2和t3失效并且第二传感器控制设备17相对于第一传感器控制设备17的相关值为1.5。由于电压S1在时刻t2降低了0.1V，S2的失效的值如下被计算：

S2(t2)=S2(t1)+(S1(t2)-S1(t1)*相关值S2/S1。

得到电压S2(t2)=3.9V+(3.9V-4.0V)*1.5=3.75V。类似地得到电压S2(3)=3.75V+(3.95V-3.9V)*1.5=3.825V。

本发明并不限于在这里所描述的实施例和其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求说明的范围之内多种处于专业处理范围内的修改方案是可能的。

Claims (11)

1.一种用于电池组（16）的电池组管理的方法，所述电池组具有多个电池组电池（19）、传感器（22，23）和传感器控制设备（17），

其特征在于，

传感器控制设备（17）和/或传感器（22，23）的失效至少暂时通过如下方式来补偿：根据另一传感器控制设备（17）的测量值（46）和所涉及的传感器控制设备（17）与所述另一传感器控制设备（17）的至少一个相关值来计算所涉及的传感器控制设备（17）的不存在的测量值（46）。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述电池组（16）配备有用于监控电池组功能性的电池组管理系统，所述电池组管理系统包括所述传感器控制设备（17）和主控制设备（18），其中所述传感器控制设备（17）与所述主控制设备（18）经由通信信道（24）彼此连接。

3.根据上述权利要求之一所述的方法，

其特征在于，

针对每个电池组模块（20）将确定的电池组电池（19）定义为相关伙伴。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，

其特征在于，

所述相关值的计算包括确定数目的之前计算的相关值的平均值形成或中值形成。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，

其特征在于，

在每个测量周期中确定所述相关值。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，

其特征在于，

针对上升的测量值（46）确定第一相关值，并且针对下降的测量值（46）确定第二相关值。

7.根据上述权利要求之一所述的方法，

其特征在于，

所述相关值在行驶周期结束时被存放在非易失性存储器中。

8.一种计算机程序，用于当该计算机程序在可编程计算机装置上被实施时实施根据权利要求1至7之一所述的方法之一。

9.电池组（16）的电池组管理系统，所述电池组具有多个电池组电池（19）、传感器（22，23）和传感器控制设备（17），其特征在于，所述电池组管理系统具有至少一个用于确定所述传感器控制设备（17）的相关值的单元（28）和失效补偿单元（32），所述失效补偿单元被设立用于在传感器控制设备（17）和/或传感器（22，23）失效时根据另一传感器控制设备（17）的测量值（46）和所涉及的传感器控制设备（17）与所述另一控制设备的至少一个相关值计算所涉及的传感器控制设备（17）的不存在的测量值（46）。

10.一种电池组系统（12），具有包括多个电池组电池（19）的电池组（16）和根据权利要求9所述的电池组管理系统。

11.一种机动车（10），具有根据权利要求10所述的电池组系统（12）。