CN105375075A - 具有用于在多个相同类型的串联的电池单池模块之间交换数据的通讯装置的电池单池模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池单池模块（101），具有用于在多个相同类型的串联的电池单池模块（401，101，201，301）之间交换数据的通讯装置。它包括电池单池（102），控制单元（103），第一耦合单元（129）和第二耦合单元（132）。在此，控制单元（103）被设置用于，处理经由电池单池模块（101）的第一通讯单元（105）接收的数据信号和/或在修改下或不改变下借助于电池单池模块（101）的第二通讯单元（106）进行发送。

Description

具有用于在多个相同类型的串联的电池单池模块之间交换数据的通讯装置的电池单池模块

技术领域

本发明涉及一种具有用于在多个相同类型的串联的电池单池模块之间交换数据的通讯装置的电池单池模块。

背景技术

锂离子或锂聚合物电池单池模块如今被作为没有自己的智能机构的独立产品进行制造。用于接着和监控单池的智能机构或者处于中央电池控制装置上，即所谓的BCU（电池控制单元），或者分布在部分地分散的单池监控电路上，所谓的CSCs（电池监控电路）。除了BCU以外，该CSCs还控制和/或监测由一些电池单池模块组成的的模块。

单个的电池单池在其产品寿命周期中经历不同的阶段，例如：制造、模压造型、在电池组中安装、在机动车中运行、修理、更换、使用终止（寿命终止）或再使用（第二生命）。

在此在其寿命周期中没有对电池单池模块进行连续的监控。因此不能够连续地探测电池单池模块的数据。在制造和模压期间这些数据经由外部的监控系统，所谓的MES系统（制造执行系统）探测和跟踪。这些数据但是例如在运行期间例如在机动车中不再供使用。另一个断面则在发生在维修或更换电池单池模块时或者在过渡到另一个寿命的情况下，例如在用于在机动车中运行的功率变得太弱之后在固定的应用中。

此外，需要高的费用用于将电池单池模块的数据传递到中央电池控制装置上，因为没有通过电池单池模块进行对数据的探测的当地的监控/控制。因此也需要大的数量的与部分地高的电压的连接导线。在此情况下电池单池模块和布线的配置是固定地分配的。

DE102010016175A1描述一种按照现有技术的电池监控装置，包括大量的在具有系统控制器的串联通讯中的电池监控模块。

DE102011002632A1描述一种电池管理单元，其包括许多电池单池监控单元，其中这些单元连接到一个总线上。

发明内容

按照本发明的具有用于在多个相同类型的串联的电池单池模块之间交换数据的通讯装置的电池单池模块包括电池单池，它被设置用于提供电池单池电压和与一个在前的电池单池模块的电池单池和/或与一个在后的电池单池模块的电池单池串联，控制单元，其具有第一通讯单元，其被设置用于接收数据信号，和第二通讯单元，其被设置用于发送数据信号，第一耦合单元，其被设置用于将电池单池模块的第一通讯单元经由在前的电池单池模块的第二耦合单元与在前的电池单池模块的第二通讯单元耦合或者经由单独的数据线与中央电池控制单元耦合，和第二耦合单元，其被设置用于将电池单池模块的第二通讯单元经由在后的电池单池模块的第一耦合单元与在后的电池单池模块的第一通讯单元经由单独的数据线耦合，其中，控制单元被设置用于处理经由电池单池模块的第一通讯单元接收的数据信号和/或在修改下或不改变下借助于电池单池模块的第二通讯单元进行发送。这种电池单池模块是有利的，因为能够在最小布线费用下实现与其它的相邻的电池单池模块通讯。因此通过这种电池单池模块能够实现多个电池单池模块的串联电路，在它们之间可以传递数据。由此除了其它方面以外也实现，对于通讯在全部串联的电池单池模块之间不需要公共的电压水平。

从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。

有利的是，电池单池模块的第一耦合单元和在前的电池单池模块的第二耦合单元在耦合状态下形成第一分压器，它在在后的电池单池模块的侧上的电池单池的电势和在前的电池单池模块的第二通讯单元上的电势之间分出一个电压降，其中，第一分压器的一个中间分压抽头（电压抽头）与电池单池模块的第一通讯单元耦合。在此情况下第一分压器的全部的电阻也可以仅仅由第一或仅仅由第二耦合单元包括。因此能够在多个电池单池模块之间通过一个串接的单线接口实现一种特殊的成本有利的耦合。在此情况下可以放弃成本推进型的耦合设计方案如光耦合器、感应发送器，等等。此外在相邻的电池单池模块的数据通讯中提供数字式数据信号的容易探测的电压水平，通过它们可以在数据通讯中在逻辑一和逻辑零之间可靠地进行区别。

也有利的是，第一通讯单元此外被设计用于发送数据信号，和第二通讯单元此外被设计用于接收数据信号，其中，控制单元被设计用于将经由电池单池模块的第二通讯单元接收的数据信号在修改下或不改变下借助于电池单池模块的第一通讯单元进行发送。由此在相邻的电池单池模块之间实现在两个方向上的数据通讯。

此外有利的是，电池单池模块的第二耦合单元和在后的电池单池模块的第一耦合单元在耦合状态下形成第二分压器，它在在前的电池单池模块的侧上的电池单池的第三电势和在后的电池单池模块的第一通讯单元上的第四电势之间分出一个电压降，其中，第二分压器的一个中间分压抽头（电压抽头）与电池单池模块的第二通讯单元耦合。因此能够在多个电池单池模块之间通过一个串接的单线接口实现一种特殊的成本有利的耦合。在此情况下可以放弃成本推进型的耦合设计方案如光耦合器、感应发送器，等等。此外在相邻的电池单池模块的数据通讯中提供数字式数据信号的容易探测的电压水平，通过它们可以在数据通讯中在逻辑一和逻辑零之间可靠地进行区别。

尤其地，控制单元包括比较器，它将输入的数据信号与一个比较值比较，其中，当数据信号的电压高于比较值时，数据信号具有逻辑一，和当数据信号的电压低于比较值时，数据信号具有逻辑零。因此通讯装置可以识别数据通讯的数字式的数据信号，它们的针对逻辑一和零的电压水平与其余的在控制单元中针对数字式信号使用的电压水平是不同的。

此外有利的是，控制单元被设置用于，通过第一和/或第二通讯单元发送具有各给定的持续时间的高电平和低电平的初始化信号，其中，高电平对应于数据信号的逻辑一的一个电压值和低电平对应于数据信号的逻辑零的一个电压值，和接收在前或在后的电池单池模块的初始化信号，用以将比较值确定在高电平和低电平之间的一个值上。因此可以补偿在相邻的电池单池模块之间的数据通讯的数据信号的电压水平中的波动，其尤其是通过相邻的电池单池模块的波动的电池单池电压引起。

也有利的是，电池单池模块包括监控电路，如果电池单池模块经由第一讯单元和/或第二通讯单元接收到一个数据信号，监控电路将控制单元置于激活状态下。由此可以最小化电池单池模块的控制单元的能量消耗。

也有利的是，控制单元具有可改变的标识（名称），它实现在多个电池单池模块的一个串联电路中电池单池模块的寻址和/或识别，其中，该标识被自动地分配给控制单元。由此以简单的方式实现电池单池模块的更换，其中，不需要手动的配置或特殊的布线。在此情况下不必拆除用于测量信号的信号线并且在更换之后可以重新连接，这减少由于高电压造成的危险以及弄错（混淆）危险。

此外有利的是，控制单元包括振荡器，尤其是电压受控的振荡器或RC振荡器，其中，控制单元被设置用于，基于振荡器的（时钟）脉冲和振荡器与一个中央的、不被电池单池模块包括的（时钟）脉冲计时器的偏差，对数据信号计时。由此实现在多个按照本发明的电池单池模块之间的数据通讯中的高的数据传输率，其中，同时可以使用成本有利的脉冲计时器。

还有利的是一种电池系统，其包括n个根据按照本发明的电池单池模块，其中，多个电池单池模块的电池单池被串联起来，n-1个电池单池模块的第一耦合单元与各在前的电池单池模块的第二耦合单元耦合，和在串联电路的开始处布置一个中央的电池控制单元，它与串联电路中的第一电池单池模块的第一耦合单元耦合。这种电池系统具有按照本发明的电池单池模块的全部优点。

在此有利的是，电池系统的电池控制单元被设置用于将数据信号与一个交流电流，尤其是在GHz区域中的交流电流叠加，该交流电流的频率对应于电池单池的锂原子的谐振频率，以便去除在电池系统的一个或多个电池单池的阳极上的可能的锂镀层（Li-Plating）。

以下参见附图详细描述本发明的实施例。

附图说明

图1显示了在本发明的第一实施方式中的按照本发明的电池系统1，

图2显示了按照本发明的第一实施方式的多个被串联的电池单池模块的电路图，和

图3显示了按照本发明的电池系统的一个电池单池模块所包括的一个监控电路。

具体实施方式

图1显示了在本发明的第一实施方式中的按照本发明的电池系统1，它包括n个数量的按照本发明的电池单池模块2。n个电池单池模块2中的每个在图1中用所属的从#1至#n的序号标示。在此，多个电池单池模块2的电池单池3是串联的，其中，一个电池单池3的正极分别与一个在串联电路中在后的电池单池3的负极连接。在串联电路中的第一电池单池3的负极与电池系统1的一个负的电池极4和一个中央电池控制单元6连接。第一电池单池的这个负极形成电池系统1的电路接地GND。在串联电路中的最后的，即第n个电池单池3的正极与电池系统1的正的电池极5连接。

n个电池单池模块2中的每个分别包括一个控制单元7，其中，控制单元7中的每个不仅与所属的电池单池3的正极而且与负极连接。控制单元7中的每个具有第一耦合单元8和第二耦合单元9。

在串联电路中第一电池单池模块2的第一耦合单元8与中央电池控制单元6连接。每个电池单池模块2的第二耦合单元9与下一个、在串联电路中在后的、电池单池模块2的第一耦合单元8连接。在串联电路中最后的电池单池模块2的第二耦合单元9不与任何其它的耦合单元连接。产生全部n个电池单池模块的一个串联电路，其中相继的电池单池模块2分别经由一个第一耦合单元8和一个第二耦合单元9相互连接。

因此n-1个电池单池模块2的第一耦合单元8与相应在前的电池单池模块2的第二耦合单元9耦合，并且在串联电路开始处布置中央电池控制单元6，它与在串联电路中的电池单池模块2中的第一个电池单池模块的第一耦合单元8耦联。

图2示出电池系统1的两个电池单池模块201，101的电路图和另外两个电池单池模块301，401的部分电路图，该电池单池模块分别具有用于在多个相同类型的串联的电池单池模块101，201，301之间交换数据的通讯装置，该电池单池模块在按照本发明的第一实施方式的串联电路中被串联起来。在此情况下，在串联电路中一个按照本发明的电池单池模块101跟随一个在前的电池单池模块201。在该串联电路中在电池单池模块101之后跟随一个在后的电池单池模块301，但是它在图2中没有完全地示出。在串联电路中在在前的电池单池模块201之前连接另一个在前的电池单池模块401，但是它在图2中没有完全地示出。

电池单池模块101包括电池单池102，它被设置用于提供电池单池电压U_B1。电池单池102在该第一实施方式中是锂离子电池。在备选的实施方式中电池单池102由多个电池单池的一个串联电路和/或一个并联电路形成。电池单池电压U_B1在该第一实施方式中为3.6伏，但是也可以依据电池单池102的充电状态改变。

在前的电池单池模块201包括在前的电池单池模块201的一个电池单池202。在后的电池单池模块301包括在后的电池单池模块301的一个电池单池302。电池单池模块101，201，301的串联电路的特征在于，一方面，串联的电池单池模块101，201，301的电池单池102，202，302被相互串联起来，另一方面，各相邻的电池单池模块各经由一个惟一的数据线500，501，502相互连接。

电池单池模块101具有内部的电路接地109，它通过电池单池102的负极形成。在此电路接地109经由测量电阻120与电池单池102的负极分开，但是测量电阻在该第一实施方式中具有100μOhm的小电阻，由此在电路接地109和电池单池102的负极之间仅仅存在很小的电位差。

电池单池模块101此外包括控制单元103。控制单元103在此在该第一实施方式中被一个微控制器所包括。微控制器将电路接地109用作接地电位。控制单元103在此处在这个第一实施方式中被集成到一个芯片中。

微控制器和由此控制单元103包括多路器104。多路器104也包括一个第一通讯单元105，其被设置用于接收和发送数据信号，和一个第二通讯单元106，其被设置用于接收和发送数据信号。

微控制器和由此控制单元103此外包括比较器107和比较值产生器108。比较器107具有一个倒置的输入端和一个非倒置的输入端。比较器107的非倒置的输入端与多路器104连接。通过多路器104的第一通讯单元105或第二通讯单元106接收的数据信号被传递到比较器107的非倒置的输入端。

比较器107以其负的供给输入端经由第一供给线与第一电路接地109连接并且以其正的供给输入端经由第二供给线与电池单池102的正极连接并且因此被电池单池102供电。比较器107的倒置的输入端与比较值产生器108连接。通过比较值产生器108为比较器107提供比较值，其中，比较值是电压电平。比较值如此地选择，即数据信号的逻辑“1”，其由多路器104传递到比较器107，具有一个电压电平，它大于比较值，和数据信号的逻辑“0”，其由多路器104传递到比较器107，具有一个电压电平，它小于比较值。

比较器107的输出端与多路器104连接并且将比较器107的输出信号往回提供到多路器104，该输出信号的电压电平取决于数据信号和比较器107的供给电压。在比较器107的输出端上存在的电压电平因此，依据数据信号，或者与在第一电池单池102的正极上的电压电平相同，或者与在第一电路接地109上存在的电压电平相同。在比较器107的输出端上的电压电平的时间曲线形成一个匹配的数据信号，它的用于逻辑“1”的电压电平和它的用于逻辑“0”的电压电平对应于其它的在微控制器中使用的用于数字值的电压电平。

多路器104此外与控制单元103的接收单元110连接，它在该第一实施方式中与控制单元103的处理单元111耦联。如果第一通讯单元105或第二通讯单元106接收一个数据信号，那么该数据信号为了电平匹配被传递到比较器107并且然后经由多路器104传递到接收单元110。接收单元110在该第一实施方式中是所谓的“增强型通用异步接收/发送器”。处理单元111是计算单元，通过它实施对电池单池模块101的控制。该控制可以相应于指令来进行，该指令以数据信号的形式经由多路器分配给第一电池单池模块101。在该第一实施方式中，这些指令的起源在此情况下在中央电池控制机构6中。

如果经由第一通讯单元105接收一个不是用于电池单池模块101的数据信号，那么它被经由第二通讯单元106传递到在后的电池单池模块301。如果经由第二通讯单元106接收不是用于电池单池模块101的数据，那么它们被经由第一通讯单元105传递到在前的电池单池模块201。在此情况下，在该第一实施方式中，在传递该数据信号之前分别实施接收的数据信号与电池单池模块301的逻辑电平的电平匹配，用以避免在经过多个电池单池模块的数据传递期间信号摆幅（振幅）的减小。在本发明的一个备选的实施方式中，在数据信号传递之前不实施接收的数据信号与电池单池模块301的逻辑电平的电平匹配。但是为了能够处理在被寻址的电池单池模块中的数据信号，被寻址的电池单池模块的比较值被相应地匹配。

微控制器并且因此控制单元103此外包括模拟数字转换器112。模拟数字转换器112与电池单池102的正极连接，用于探测相对于电路接地109的电池单池电压U_B1并且转换成数字的值，其描述电池单池电压U_B1。

此外模拟数字转换器112与运算放大器119连接，其中，该运算放大器119的第一输入端与第一测量电阻的第一侧连接并且该运算放大器119的第二输入端与第一测量电阻的第二侧连接。运算放大器119以其负的供给输入端与第一供给线连接并且以其正的供给输入端与第二供给线连接并且因此被电池单池102供电。由此在测量电阻120上的电压降被探测并且通过运算放大器119放大并且传递到模拟数字转换器112。它将放大的电压降转换成数字信号，该数字信号描述通过电池单池102流动的电流。

此外模拟数字转换器112与温度测量环节121连接，它包括与温度相关的电阻122和欧姆电阻123。与温度相关的电阻122的第一侧与第一电路接地109连接。与温度相关的电阻122的第二侧经由欧姆电阻123与电池单池102的正极连接。模拟数字转换器112与与温度相关的电阻122的第二侧连接。与温度相关的电阻122和欧姆电阻123由此形成一分压器，它与温度相关地分出电池单池电压U_B1。通过温度测量环节121减小的与温度相关的电压在模拟数字转换器112中被转换成数字信号，它描述电池单池模块101的温度。

模拟数字转换器112与多路器104连接并且将描述经由第一电池单池102流动的电流的数字信号经由多路器104传递到接收单元110并且由此传递到处理单元111。

微控制器并且由此控制单元103此外包括开关模块124，它在这个第一实施方式中包括第一平衡开关125和第二平衡开关126。在此情况下第一平衡开关125的第一侧和第二平衡开关126的第一侧与电路接地109连接。第一平衡开关125的第二侧经由第一平衡电阻127与电池单池102的正极连接。第二平衡开关126的第二侧经由第二平衡电阻128与电池单池102的正极连接。平衡开关125，126的开关状态在此可以由处理单元111控制。通过闭合第一平衡开关125和/或第二平衡开关126，电池单池102可以经由第一和/或第二平衡电阻127，128放电。

电池单池模块101此外包括第一耦合单元129，它在这个第一实施方式中基本上由第一电阻组成。第一耦合单元129这样地与电池单池模块101的其余的部件连接，即第一电阻130的第一侧与电池单池102的正极连接和第一电阻130的第二侧与第一通讯单元105连接。在第一电阻130的第二侧上同时布置插接头，它将电池单池模块101经由第一插接连接与在前的电池单池模块201的第二耦合单元232连接起来并且形成在第一电池单池模块101和在前的电池单池模块201之间的数据线501。第一电阻130具有电阻值R₁=10kΩ。

电池单池模块101此外具有第二耦合单元132，它在这个第一实施方式中基本上由第二电阻133和第三电阻134组成。第二耦合单元132这样地与电池单池模块101的其余的部件连接，即第二电阻133的第一侧与第二通讯单元106连接并且在第二电阻133的第二侧布置插接头，它将电池单池模块101经由第二插接连接与在后的电池单池模块301的第二耦合单元329连接起来并且由此形成在电池单池模块101和在后的电池单池模块301之间的数据线502。第二电阻133的第一侧此外经由第三电阻134和与其串联的开关135与开关接地109连接。第二电阻133具有电阻值R₂=10kΩ。第三电阻134具有电阻值R₃=10kΩ。

在图2中示出的在前的电池单池模块201与电池单池模块101是结构相同的。在后的电池单池模块301与电池单池模块101也是结构相同的。

由于当电池单池模块101与在前的电池单池模块201串联时电池单池模块101的第一耦合单元129经由第一插接连接与在前的电池单池模块201的第二耦合单元232连接并且在前的电池单池模块201的第二耦合单元232与在前的电池单池模块201的第二通讯单元206连接，因此电池单池模块101的第一通讯单元105经由在前的电池单池模块201的第二耦合单元232与在前的电池单池模块201的第二通讯单元206经由单独的数据线501连接。在此情况下，单独的数据线501通过在在前的电池单池模块201的第一耦合单元129和第二耦合单元232之间的插接连接形成并且在这种情况下是单线连接。

由于当电池单池模块101与在后的电池单池模块301串联时电池单池模块101的第二耦合单元132经由第二插接连接与在后的电池单池模块301的第一耦合单元329连接并且在后的电池单池模块301的第一耦合单元329与在后的电池单池模块301的第一通讯单元连接，因此电池单池模块101的第二通讯单元106经由在后的电池单池模块301的第一耦合单元329与在后的电池单池模块301的第一通讯单元经由单独的数据线502连接。在此情况下，单独的数据线502通过在在后的电池单池模块301的第二耦合单元132和第一耦合单元329之间的插接连接形成并且在这种情况下是单线连接。

在前的电池单池模块201的电路接地209与电路接地109不在一个公共的电压电平上。相反可以看到，在两个电路接地109，209之间存在电压降，它基本上通过在前的电池单池模块201的电池单池电压U_B2限定。因此电压水平从电池单池模块到电池单池模块是升高的并且该升高直接地取决于相应的电池单池的状态。

电池单池模块101的第一耦合单元129和在前的电池单池模块201的第二耦合单元232在耦合状态下形成第一分压器，它在在后的电池单池模块301的侧上的电池单池102的第一电势、在此处是在电池单池102的正极上，和在前的电池单池模块201的第二通讯单元206上的第二电势之间分出一个电压降，其中，第一分压器的一个中间分压抽头与电池单池模块101的第一通讯单元105耦合。

控制单元103被设置用于，处理经由电池单池模块101的第一通讯单元105接收的数据信号和/或在修改下或不改变下借助于电池单池模块101的第二通讯单元106进行发送。由此可以将信息从在前的电池单池模块201传递到电池单池模块101。此外可以将信息从电池单池模块101传递到在后的电池单池模块301。由此实现，信息在电池单池模块2的串联电路中被传递，直到其达到一个或多个电池单池模块2，该信息是用于该一个或多个电池单池模块。

示例性地描述了从在前的电池单池模块201到电池单池模块101的数据传递。在该数据传递中在前的电池单池模块201的开关235被打开，该开关对应于电池单池模块101的开关，以便不获得不需要的电流负载。数据信号在此情况下由逻辑“0”和逻辑“1”组成并且被在前的电池单池模块201的第二通讯单元206发送。

以在前的电池单池模块201的电路接地209为基准，在在前的电池单池模块201中的逻辑“0”具有0V的电压电平并且逻辑“1”具有与在前的电池单池模块201的电池单池电压U_B2相同的电压电平。以电池单池模块101的电路接地109为基准，在电池单池模块101中的逻辑“0”具有0V的电压电平并且逻辑“1”具有与电池单池模块101的电池单池电压U_B1相同的电压电平。因此，以电池单池模块101的电路接地109为基准，在前的电池单池模块201的逻辑“1”的电压电平与电池单池模块101的逻辑“0”的电压电平是相同的。这会导致在电池单池模块201，101之间的错误的通讯。

但是按照本发明，在相邻的电池单池模块201，101之间进行电势匹配，其中在前的电池单池模块201的逻辑“0”和逻辑“1”的电压电平，与信号摆幅的减小相关联地，通过第一分压器被提升。这在此处借助于一个电阻网络来进行，它由第一和第二分压器形成。

如果通过在前的电池单池模块201的第二通讯单元206发送一个逻辑“0”，那么在分压器上存在一个电压降，它对应于电池单池模块101的电池单池电压U_B1和在前的电池单池模块201的电池单池电压U_B2的和。由于电池单池模块101的第一电阻130和在前的电池单池模块201的第二电阻233，它对应于电池单池模块101的第二电阻133，是相同规格（尺寸）的，因此在这两个电阻之间存在半个电压降。由于此外电池单池模块101的电池单池电压U_B1和在前的电池单池模块201的电池单池电压U_B2大致是相同的，因此在前的电池单池模块201的逻辑“0”的电压电平大致被提升在前的电池单池模块201的电池单池电压U_B2的值，即大约3.6伏特。由于相对于在在前的电池单池模块201的电路接地209上的接地电势，在电池单池模块101的电路接地109上的接地电势也被提升在前的电池单池模块201的电池单池电压U_B2的值，因此导致，通过在前的电池单池模块201的第二通讯单元206发送的逻辑“0”引起在电池单池模块101的第一通讯单元105上的一个电压水平，它的特征在于，相对于电池单池模块101的电路接地109的接地电势，电压差大约为0V。

如果通过在前的电池单池模块201的第二通讯单元206发送一个逻辑“1”，那么在第一分压器上存在一个电压降，它大约对应于电池单池模块101的电池单池电压U_B1。由于电池单池模块101的第一电阻130和在前的电池单池模块201的第二电阻233是相同规格（尺寸）的，因此在这两个电阻之间仅仅存在半个电压降。该电压降因此对应于大约电池单池模块101的电池单池电压U_B1的一半并且因此对应于大约1.8伏特。因此，相对于在在前的电池单池模块201的电路接地209上的接地电势，3.6伏特的逻辑“1”的电压电平被提升1.8伏特并且因此位于大约5.4伏特。由于相对于在在前的电池单池模块201的电路接地209上的接地电势，在电池单池模块101的电路接地109上的接地电势被提升在前的电池单池模块201的电池单池电压U_B2的值，因此导致，通过在前的电池单池模块201的第二通讯单元206发送的逻辑“1”引起在电池单池模块101的第一通讯单元105上的一个电压水平，它的特征在于，相对于电池单池模块101的电路接地109的接地电势，电压差大约为1.8V。

因此，相对于在电池单池模块101的电路接地109上的接地电势，可以如下地概括在前的电池单池模块201的数据信号在电池单池模块101的第一通讯单元105上的电压电平：

逻辑“0”的电压电平：

(U_B1-U_B2)×R₂/(R₁+R₂)[在0伏特的范围中]

逻辑“1”的电压电平：

(U_B1)×R₂/(R₁+R₂)[在U_B1/2的范围中]

借助于比较器107进行电压电平的进一步的匹配。比较值在此情况下位于大于0伏特但是小于UB1/2的范围中。

为了有利地设置比较值，首先由在前的电池单池模块201在一个预定的持续时间上在此处800μs发送一个具有一个逻辑“1”的电压电平的高信号。然后由在前的电池单池模块201在一个预定的持续时间上在此处为800μs发送一个具有一个逻辑“0”的电压电平的低信号。由高信号和低信号确定比较值并且因此确定一个阈值和比较器107的滞后。

示例性地描述了从在后的电池单池模块301到电池单池模块101的数据传递。在该数据传递中电池单池模块101的开关135被闭合。由逻辑零“0”和逻辑一“1”组成的数据信号被在后的电池单池模块301的第一通讯单元发送。

电池单池模块101的第二耦合单元132和在后的电池单池模块201的第一耦合单元329在电池单池模块101的开关135闭合情况下在耦合状态下形成第二分压器，它在在前的电池单池模块201的侧上的电池单池102的电势、在此情况下是在电路接地109上，和在后的电池单池模块301的第一通讯单元上的电势之间分出一个电压降，其中，第二分压器的一个中间分压抽头与电池单池模块101的第二通讯单元106耦合。

按照本发明，由此在相邻的电池单池模块101，301之间进行电势匹配，其中在后的电池单池模块301的逻辑“0”和逻辑“1”的电压电平，与信号摆幅的减小相关联地，通过第二分压器被降低。这通过第二分压器进行，类似于通过第一分压器提升电压电平。

也借助于比较器107进行电压电平的进一步的匹配。为了有利地设置比较值，在这种情况下也首先由在后的电池单池模块301在一个预定的持续时间上在此处为800μs发送一个具有一个逻辑“1”的电压电平的高信号。然后由在后的电池单池模块301在一个预定的持续时间上在此处为800μs发送一个具有一个逻辑“0”的电压电平的低信号。由高信号和低信号确定比较值并且因此确定一个阈值和比较器107的滞后。

由于实现从在前的电池单池模块201到电池单池模块101的数据传递，并且实现从在后的电池单池模块301到电池单池模块101的数据传递，因此可以在串联电路的两个方向上传递信息。

包括控制单元103的微控制器在该第一实施方式中包括一个基于电压控制的振荡器（VCO）的内部振荡器。备选地也可以使用一种简单的RC振荡器。它例如输出在500kHz范围中的频率。该频率通过锁相环（锁相回路）被倍增，以便达到相应高的工作频率并且因此达到用于微控制器的时钟频率。

但是在此存在问题，即这种振荡器具有高的公差，因此在电池单池模块，例如在前的电池单池模块201和电池单池模块101之间的相互联接的通讯在此处存在的非同步的通讯情况下只能够非常受限制地实现，因为不可能实现精确的时间分辨率。

因此电池单池模块101被设置用于，以在前的电池单池模块201的时钟频率来补偿（调整）它的时钟频率。如果数据信号从在前的电池单池模块201发送到电池单池模块101，那么该数据信号相应于在前的电池单池模块201的时钟频率或者该时钟频率的倍增被（时钟）计时。该数据信号因此具有相应于该时钟频率的帧频。在该数据信号中产生的侧沿的时间间距上，确定电池单池模块101的内部振荡器的时钟与在前的电池单池模块201的内部振荡器的时钟的偏差。该偏差被转换成用于VCO的修正电压。为此使用一个具有用于相位偏差的内环路和用于频率的外环路的数字式级联调节电路。因此进行一种帧（频）匹配，以便将整个微控制器同步在一个公共的帧频上。

中央电池控制机构6包括石英谐振器作为中央的时钟脉冲计时器。由于石英谐振器的很小的公差，电池控制机构6因此具有时间上连续的时钟频率。如果一个数据信号从中央电池控制机构6发送到在串联电路中的第一电池单池模块，那么该数据信号相应于该时钟频率或该时钟频率的倍增被计时。因此通过中央电池控制机构预定一个时钟频率，借此校准全部的电池单池模块。因此微控制器和由此数据信号在振荡器的时钟脉冲和振荡器与中央的、不被电池单池模块101包括的时钟计时器的基础上被计时。

因此实现在电池单池模块2的微控制器之间的精确的相位耦合。非同步的数据传递可以以高的帧频（在500千波特的范围中）并且因此以石英工作。因为中央电池控制机构6以石英工作，因此对于定时器功能也得到一个相应高的精确度。

在电池系统1的初始化阶段中没有电流经由电池单池模块101的电池单池102流动。在该阶段中，实施模拟数字转换器112的校准。在此情况下，补偿运算放大器119的偏置－温度特性，这也可以在运行期间实施。这借助于通过温度测量环节121探测的电池单池模块101的温度来实施。探测的电池单池电压U_B1和经由电池单池102的探测的电流由模拟数字转换器112经由多路器104和接收单元110传递到处理单元111。处理单元将探测的值借助于第一通讯单元105和位于之间的电池单池模块发送到中央电池控制单元6。这种通过电池单池模块101在没有通向中央电池控制单元6的长的导线下对电池单池电压U_B1和经由电池单池102的电流的直接测量实现了对这些值的精确的测量并且避免干扰的HF耦合输入。

在该第一实施方式中数据信号包括2个字节。第一字节是一个标识，其用于寻址并且描述应该由电池单池模块实施什么。

如果第一字节的第一位具有值“0”，那么全部电池单池模块2进行相同的运算（操作）。其余的字节确定该运算。数据必须立刻被传递，以便不产生时间延迟。如果第一字节的第一位具有值“1”，那么一个限定的电池单池模块被响应，它通过在其余的位中给出的寻址值描述。如果电池单池模块101接收一个这种数据信号，但是它不是被响应的，因为寻址值不等于零，那么从寻址值中减去值1并且将该数据信号继续发送到下一个电池单池模块。如果寻址值等于零，那么电池单池模块101可以被配置。

如果电池单池模块101和在前的电池单池模块201或在后的电池单池模块301同时发送，那么电池单池模块中的一个必须中间储存要发送的数据信号并且传递另一个电池单池模块的数据信号。在这之后被延迟的电池单池模块可以立刻转发中间储存的数据信号。在此情况下电池单池模块2的优先次序是有利的。因此例如更靠近中央电池控制机构6设置的电池单池模块可以具有优先权。

如果要求平衡电池单池3，那么首先通过在串联电路中设置得离中央电池控制机构6最远的那个电池单池模块检查，是否存在需求。如果是这种情况，那么借助于平衡开关实施对对应的电池单池3的平衡。如果不是这种情况，那么各在串联电路中在前的电池单池模块检查，是否存在进行平衡的需求。

如果电池单池模块101的平衡是必需的，那么这可以经由第一平衡开关125和/或第二平衡开关126进行控制。如果电池单池模块101的平衡被结束，那么借助于数据信号启动在前的电池单池模块201进行检查，是否存在进行平衡的需求。

每个微控制器，并且因此每个控制单元，在将对应的电池单池模块安装到电池系统1中之后具有相同的BIOS，它实现在电池单池模块之间的通讯。在电池单池模块101的一个EPROM中的编号单元格负责电池单池模块的识别（标识）。为此在编号单元格中储存一个可改变的标识（名称），它实现在多个电池单池模块的串联电路中的电池单池模块的识别。通过初始化例行程序，实施自动的单元格编号，如果电池单池模块已经被安装到电池系统6中的话。在此情况下可改变的标识被自动地分配给该编号单元格并且由此分配给控制单元。单元格编号的更新可以随时实施，因此例如也可以在更换了有缺陷的单元格之后进行。

图3示出电池单池模块101的监控电路10，它监控包括控制单元103的微控制器。微控制器由电池单池102供给电压并且如果这是通过中央电池控制机构6的指令要求的，或者如果一个预定的时间间隔已经过去，但是没有通过第一或第二通讯单元105，106进行通讯，那么微控制器进入静止状态。由此降低微控制器的能耗。

监控电路10包括可重置的计数器11，时钟脉冲计时器12，第一触发器13，第二触发器14，第三触发器15和与门16。在该实施方式中触发器是D触发器。时钟脉冲计时器12与可重置的计数器11，第一触发器13，第二触发器14，第三触发器15的时钟脉冲输入端CLK连接。计数器11以时钟脉冲计时器的每个时钟脉冲增量增加并且具有计数器输出端19，一旦达到一个预定的计数器值，它就输出一个逻辑“1”。计数器输出端19与计数器11的一个去激活输入端连接。如果从计数器11向计数器输出端19输出一个逻辑“1”，那么由此计数器11被去激活并且因此该逻辑“1”被保持在计数器输出端19上，直到计数器被重置（复位）。计数器11此外与包括控制单元103的微控制器连接并且在计数器11达到预定的计数器值之前由其定期地重置到微控制器的正常的运行中。但是计数器11不被微控制器重置，如果微控制器已经被切换到静止状态中的话。计数器11的输出端与第一触发器13的数据输入端D连接。第一触发器的输出端Q与与门16的第一输入端连接。因此在与门16的输出端上只有当计数器11已经达到它的预定计数器值并且自此之后没有被重置时才能够施加逻辑“1”。

第二触发器14的数据输入端D经由通讯线17与第一通讯单元105连接。第二触发器14的输出端Q与第三触发器15的数据输入端D和与门16的第二输入端连接。第三触发器15的倒置的输出端QB与与门16的第三输入端连接。因此在一种状态下，在该状态中在第二触发器14的数据输入端D上出现交替的逻辑状态，这在第一通讯单元105上出现数据信号时是这种情况，在与门16的输出端上触发一个脉冲。在此情况下要注意的是，该脉冲仅仅当计数器11已经达到它的预定的计数器值并且自此之后没有被重置时才被触发。与门16的输出端与微控制器这样地耦联，即当该脉冲施加到与门16的输出端上时，微控制器从静止状态中苏醒。

如果监控电路10的计数器，其在此处作为定时器工作，不再通过微控制器重置，因为微控制器处于静止状态中，那么在计数器11的输出端上并且由此也在第一传感器13的数据输入端D上施加逻辑“1”的电平。如果现在经由通讯线17出现通讯，那么在与门16的输出端上触发一个硬件中断，并且微控制器从静止状态中唤醒。微控制器的静止状态例如可以通过微控制器的一个非常缓慢的定时来达到。电池单池模块101因此包括监控电路10，如果电池单池模块101通过第一通讯单元105接收到一个数据信号，监控电路将控制单元103置于激活的状态中。

在备选的实施方式中，监控电路10包括其它的触发器，它们与第二通讯单元106耦联并且经由一个或门与第二和第三触发器耦联。由此形成一种监控电路10，其在电池单池模块101通过第二通讯单元106接收到一个数据信号时，将控制单元103置于激活的状态中。

按照本发明的电池系统1此外被设置用于，将数据信号与一个交流电流，尤其是在GHz区域中的交流电流叠加，该交流电流的频率对应于电池单池的锂原子的谐振频率。

如果一个振荡系统在谐振频率附近被激励，那么在小的阻尼下出现大的振幅。这个常常是不希望的，例如在建筑物、缆车、高压线等等的情况下，并且可能导致共振灾难。但是在锂离子电池的一定的状态下这是希望的：如果单元格（单池）具有在阳极上的金属的锂镀层和形成枝状晶体，这在以高的放电电流重复的电池放电情况下或者在低温下充电时可能出现，那么这是老化的单元格的一个迹象，这些老化的单元格失去了容量并且其中会出现内部短路。通过将通讯信号与在GHz范围中的交流电叠加，可以将该锂层再次从阳极上分开并且推迟单元格的老化。在此情况下叠加频率必须对应于锂原子的谐振频率。

除了上面文字公开内容以外还明确地参见图1至3的公开内容。

Claims (11)

1.电池单池模块（101），具有用于在多个相同类型的串联的电池单池模块（101，201，301）之间交换数据的通讯装置，包括：

－电池单池（102），其被设置用于，提供电池单池电压（U_B1）和与一个在前的电池单池模块（201）的电池单池和/或与一个在后的电池单池模块（301）的电池单池串联，

－控制单元（103），其具有

·第一通讯单元（105），其被设置用于，接收数据信号，和

·第二通讯单元（106），其被设置用于，发送数据信号，

－第一耦合单元（129），其被设置用于，将电池单池模块（101）的第一通讯单元（105）经由在前的电池单池模块（201）的第二耦合单元（232）与在前的电池单池模块（201）的第二通讯单元（206）耦合或者经由单独的数据线（501）与中央电池控制单元（6）耦合，和

－第二耦合单元（132），其被设置用于，将电池单池模块（101）的第二通讯单元（106）经由在后的电池单池模块（301）的第一耦合单元（329）与在后的电池单池模块（301）的第一通讯单元（206）经由单独的数据线（502）耦合，

其中，控制单元（103）被设置用于，处理经由电池单池模块（101）的第一通讯单元（105）接收的数据信号和/或在修改下或不改变下借助于电池单池模块（101）的第二通讯单元（106）进行发送。

2.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池模块（101），其特征在于，电池单池模块（101）的第一耦合单元（129）和在前的电池单池模块（201）的第二耦合单元（232）在耦合状态下形成第一分压器，它在

·在后的电池单池模块（301）的侧上的电池单池（102）的电势和

·在前的电池单池模块（201）的第二通讯单元（206）上的电势

之间分出一个电压降，其中，第一分压器的一个中间分压抽头与电池单池模块（101）的第一通讯单元（105）耦合。

3.根据权利要求1所述的电池单池模块（101），其特征在于，

·第一通讯单元（105）此外被设计用于发送数据信号，和

·第二通讯单元（106）此外被设计用于接收数据信号，

其中，控制单元（103）被设计用于将经由电池单池模块（101）的第二通讯单元（106）接收的数据信号在修改下或不改变下借助于电池单池模块（101）的第一通讯单元（105）进行发送。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池模块（101），其特征在于，电池单池模块（101）的第二耦合单元（132）和在后的电池单池模块（301）的第一耦合单元（329）在耦合状态下形成第二分压器，它在

·在前的电池单池模块（201）的侧上的电池单池（102）的电势和

·在后的电池单池模块（301）的第一通讯单元上的电势

之间分出一个电压降，其中，第二分压器的一个中间分压抽头与电池单池模块（101）的第二通讯单元（106）耦合。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池模块（101），其特征在于，控制单元（103）具有比较器（107），它将输入的数据信号与一个比较值比较，其中，当数据信号的电压高于比较值时，数据信号具有逻辑一，和当数据信号的电压低于比较值时，数据信号具有逻辑零。

6.根据权利要求5所述的电池单池模块（101），其特征在于，控制单元（103）被设置用于：

－通过第一和/或第二通讯单元（105，106）发送一个具有各给定的持续时间的高电平和低电平的初始化信号，其中，高电平对应于数据信号的逻辑一的一个电压值和低电平对应于数据信号的逻辑零的一个电压值，和

－接收在前或在后的电池单池模块（301）的初始化信号，用以将比较值确定在高电平和低电平之间的一个值上。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池模块（101），其特征在于，电池单池模块（101）包括监控电路（10），如果电池单池模块（101）经由第一讯单元（105）和/或第二通讯单元（106）接收到一个数据信号，监控电路将控制单元（103）置于激活状态下。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池模块（101），其特征在于，控制单元（103）具有可改变的标识，它实现在多个电池单池模块的一个串联电路中电池单池模块（101）的寻址和/或识别，其中，该标识被自动地分配给控制单元（103）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池模块（101），其特征在于，控制单元（103）包括振荡器，尤其是电压控制的振荡器或RC振荡器，其中，控制单元（103）被设置用于，基于振荡器的时钟脉冲和振荡器与一个中央的、不被电池单池模块包括的脉冲计时器的偏差，对数据信号计时。

10.电池系统（1），包括n个根据前述权利要求中任一项所述的电池单池模块，其特征在于，

－多个电池单池模块（2）的电池单池（3）被串联起来，

－n-1个电池单池模块的第一耦合单元（8）与各在前的电池单池模块的第二耦合单元（9）耦合，和

－在串联电路的开始处布置一个中央的电池控制单元（6），它与串联电路中的第一电池单池模块的第一耦合单元（8）耦合。

11.根据权利要求10所述的电池系统，其特征在于，电池控制单元被设置用于将数据信号与一个交流电流，尤其是在GHz区域中的交流电流叠加，该交流电流的频率对应于电池单池的锂原子的谐振频率。