CN106536261B - 电池组系统和用于运行电池组系统的方法 - Google Patents

电池组系统和用于运行电池组系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于运行电池组系统（2）的方法，该电池组系统由多个电池组电池（8）和用于监视和控制电池组电池（8）的电池组管理系统，其中，电池组管理系统具有主控制器（4）和多个电池控制单元（10），其中，每个电池控制单元（10）被配设给一个电池组电池（8）且被构造和设置用于，检测所配设的电池组电池（8）的测量数据以及将所配设的电池组电池（8）与电池组电池（8）的电子的电路接通和断开。在此规定，每个电池控制单元（10）识别，电池组系统（2）在当前是否被充电或放电，以此据此将所配设的电池组电池（8）与电池组电池（8）的电子的电路接通或断开。此外说明了这样的电池组系统（2）和机动车。

Description

电池组系统和用于运行电池组系统的方法
技术领域
本发明涉及用于运行电池组系统的方法，该电池组系统带有多个电池组电池和一个用于监视及控制电池组电池的电池组管理系统。
此外说明了一种电池组系统，其尤其被设置用于执行所述方法。
背景技术
US 2013/241471公开了一种用于监视包括多个串联的电池组电池在内的电池组电路的充电的充电控制电路，其中，充电控制电路包括多个开关元件，该开关元件分别平行地与多个电池组连接，充电控制电路还包括充电控制器，以便减小对各电池组的充电电流。
US 2001/019256公开了一种用于在使用消耗性的电流回路下平衡多个串联的电池组电池的充电的方法，该电流回路与每个电池组电池的终端连接。
发明内容
在一种按本发明的用于运行电池组系统的方法中，该电池组系统带有多个电池组电池和一个用于监视和控制电池组电池的电池组管理系统，其中，电池组管理系统具有一个主控制器和多个电池控制单元，其中，每个电池控制单元配设于一个电池组电池且被构造和设置用于，检测所配设的电池组电池的测量数据以及接通和断开所配设的电池组电池与电池组电池的电子的电路，在该方法中规定：每个电池控制单元识别电池组系统在当前是否被充电或放电，以及据此将所配设的电池组电池与电池组电池的电子的电路接通或断开。
有利地在按本发明的电池组系统中，分散地在各电池控制单元中进行有关电池组电池的开关状态的决定。原来的调节功能通过主控制器的能以很少耗费实现的中央的调节器来实施。为了调节电池组系统，主控制器这样地趋近所述控制参量：使得在电池组系统的当前的和期望的输出电压之间出现尽可能小的调节差。控制信号因此被这样选择：使得已接通的电池组电池的相加的电压趋近电池组系统的预定的输出电压。
电池组系统的控制参量的预定可以有利地通过单向的接口完成，其中，控制参量的预定可以由主控制器作为仅一个惟一的消息被发送给所有的电池控制单元。所有的电池控制单元接收这个消息且自主地、也就是说也尤其独立于彼此地要么接通串联电路的所配设的电池要么借助电池控制单元的能够电操控的开关来跨接电池。
在本公开文本的框架内，当电池组系统被充电时，电流方向标注为正，当电池组系统被放电时，电流方向标注为负。
为了产生电池组系统的更小的总输出电压，单个电池组电池借助电池控制单元以正的或负的极性接入串联电路或被断开。串联电路中的正的和负的极性
被相对于总输出电压的取用来考虑。所述极性由主控制器预定。针对电池组电池被断开的情况，电池组电池与串联电路分离且从属的电池电子装置的联接夹头被电连接，因而产生了 “跨接”状态。
按照一个有利的实施方式，电池控制单元识别电池组系统是否被充电或放电，即，将已接通的电池组电池的电池电压与已断开的电池组电池的电池电压相比较。
在本发明的框架内，电池电压也可以被称为端电压。此外，在本发明的框架内，当电池被跨接时，已断开的电池组电池的电池电压等于端电压。
这种措施以电池的一种简化的等效电路图为基础，该电池包括电压源和该电池的内电阻，且在该等效电路图中，下列相互关系成立：
(1)
其中，UZelle，on是已接通的电池组电池的电池电压，UZelle，off是已断开的电池组电池的电池电压，IZelle是流过电池的电流以及RZelle是电池的内电阻。
在此，可以通过下列规定确定电流方向：
当UZelle，on大于UZelle，off时，那么电流方向为正。当UZelle，on小于UZelle，off时，那么电流方向为负。在公式（1）中的正负号被有意选择。
参数UZelle，on和UZelle，off优选以规律的间隔由每个电池上的电池控制单元检测。
在所说明的电池组系统中，电池组电池典型地经常被接通且又被跨接，以便通过电池组系统产生预定的输出电压。主控制器优选借助对所有电池控制单元的控制信号来调节电池组电池的接通和断开。典型的调节频率在此为1至20 kHz。
按照一种特别优选的实施方式，主控制器借助发送给所有的电池控制单元的控制信号调节电池组电池的接通和断开，其中，电池控制单元将控制信号解释为概率值。
在一个可能的实现方案中，主控制器预定了两个数值，这两个数值通过通信路径从主控制器传递到电池控制单元且以相同方式被所有的电池控制单元接收。控制信号在此优选具有正好一个第一数值Pan = [0，1]和正好一个第二数值Paus = [0，1]，其中，电池控制单元将第一数值解释为接通概率以及将第二数值解释为断开概率。在此，接通概率指的是已断开的电池接通的概率，断开概率指的是已接通的电池被断开的概率。
按照一个实施方式，在每个电池控制单元中执行特别是优选相同地分配的随机过程，其中，根据随机过程和概率值将所配设的电池组电池与电池组电池的电子的电路接通或断开。控制信号被这样选择：使得已接通的电池组电池的相加的电压趋近电池组系统的预定的输出电压。
为了调节电池组系统，主控制器这样地趋近所述控制参量Pan和Paus：使得在电池组系统的当前的和期望的输出电压之间出现尽可能小的调节差。当额定值大于当前的输出电压时，把经提高的接通概率Pan转达给电池。若额定值小于当前的输出电压，那么转达经提高的断开概率Paus。
按照一个优选的实施方式，在电池组系统被放电的情况下，电池控制单元根据品质因数的大小接通和断开所配设的电池组电池，电池控制单元借助所配设的电池组电池的充电状态和/或老化状态求出该品质因数。由此达到了充电状态平衡（均衡），因而控制算法有利地被拓展。电池组电池在此用品质因数给根据电池电子器件的开关状态相应相关的所接收到的值Pan或Paus标度。在此，有高品质因数的已断开的电池比有较小品质因数的已断开的电池有更大概率来接通。此外，有低品质因数的电池在此有更大概率被断开。因此在时间平均中，有较小品质因数的电池较为不频繁地被加荷，从而实现主动的充电状态平衡。
按照所述方法的一个实施方式，在电池组系统被充电的情况下，当达到预定的最大的电池电压时，电池控制单元断开所配设的电池组电池。在此，在接通的以及断开的电池中进行测量。在锂离子电池组的情况下，已接通的电池组电池的预定的最大的电池电压例如为4.2V。但因为这取决于技术，所以未来完全可能是另一个值。
按照方法的一个实施方式，在电池组系统被放电的情况下，在达到预定的最小的电池电压时，电池控制单元断开所配设的电池组电池。在锂离子电池组的情况下，已接通的电池组电池的预定的最小电池电压例如为2.5V、2.8V或3V。
此外，按照本发明，提供一种电池组系统，其有多个电池组电池和一个用于监视和控制电池组电池的电池组管理系统，其中，电池组管理系统具有主控制器和多个电池控制单元，这些电池控制单元通过控制通道相互处于连接，其中，每个电池控制单元都被配设给一个电池组电池，且被构造和设置用于检测所配设的电池组电池的测量数据以及将所配设的电池组电池与电池组电池的电子的电路接通或和断开。在此规定，每个电池控制单元被构造和设置用于，识别电池组系统在当前是否被充电或放电，以及据此将所配设的电池组电池与电池组电池的电子的电路接通或断开。
电池组管理系统的单元被理解为是功能性的单元，该单元无需在物理上彼此分离。
因此例如当软件中的多个功能在一个控制器上实施时，电池组管理系统的多个单元可以在惟一一个物理的单元内实现。电池组管理系统的单元也可以在硬件组件中实施，例如通过传感器单元、存储单元、专用的集成电路（ASCI，Application Specific Circuit）或微型控制器。
每个电池控制单元优选具有比较器，比较器可以将已接通的电池组电池的电池电压与已断开的电池组电池的电池电压相比较。按照一个优选的实施方式，电池控制单元包括若干随机数发生器和另一个比较器，以便将生成的随机数与主控制器的控制信号相比较。
按照本发明的一个实施方式，电池控制单元具有存储单元，以便保存所配设的电池组单元的品质因数或充电状态，其中，借助所测得的电压和所储存的充电状态可以例如借助表格确定品质因数。
按照本发明的一个优选的实施方式，主控制器通过单向的控制通道与电池控制器相互连接。
电池组可以尤其是锂离子电池组或镍-金属氢化物-电池组，且能与机动车的驱动系统连接。概念“电池组”和“电池组单元”在本说明书中与常用习惯用语相匹配地用于蓄电池或蓄电池单元。所述电池组包括一个或多个电池组单元，因此也可以称为电池组电池、电池组模块、模块串或电池组包。在电池组中，电池组电池优选在空间上被联合且在电路技术上相互连接，例如串联或并联成模块。多个模块可以形成所谓的电池直接转换器（BDC）且多个电池直接转换器可以形成电池直接逆变器（BDI）。
此外，按照本发明，提供一种有这种电池组系统的机动车，其中，电池组系统的电池组与机动车的驱动系统连接。机动车可以被设计成纯电动车辆且仅包括一个电驱动系统。作为备选，机动车可以被设计成混合动力车辆，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在内部可以通过发电机用内燃机的多余的能量充电。能在外部充电的混合动力车辆（PHEV，插电式混动车辆）额外规定了这样的可能性，即，通过外部的电网给电池组充电。
发明优势
通过本发明定义了一种方法，在该方法中成本低廉地使每个电池控制单元都可以求出：已连接的电池组电池在当前的状态下是否被充电或放电。在此，现存的电池电子装置被用于检测电池电压。
根据所求出的电流方向，也就是说，根据所连接的电池是否正被放电或充电，电池控制单元可以给主控制器的控制信号标上品质因数，且结合随机过程将控制信号转化成开关信号。由此可以达到电池的一种有效且成本低廉的充电状态平衡。
附图说明
在附图中展示了并且在后面的说明中更加详细地阐释本发明的实施例。图示：
图1是按本发明的电池组系统的示意图；
图2是按本发明的电池组子单元的示意图；以及
图3示出了按本发明的方法。
具体实施方式
在本发明的实施例的下述说明中，利用相同的或相似的附图标记指代相同的或相似的组件和元件，其中，在单个情况中省去了这些组件或元件的重复说明。所述附图仅示意地展示了本发明的主题。
图1示出了按本发明的一个实施方式的电池组系统2。
电池组系统2具有主控制器4，主控制器也被称为CCU（中央控制单元）。主控制器4被构造和设置用于控制电池组单元6，其中，电池组单元6在所示情况下包括多个电池组电池8的串联电路，电池组电池例如是带有电压范围在2.8到4.2V的锂离子电池。
为每个电池组电池8配设一个也被称为SCU（智能电池单元）的电池控制单元10。电池控制单元10和电池组电池8形成了电池组子单元12，该电池组子单元参考图2加以详细说明和示出。
在此，本发明并不局限于在图1中示出的实施方式。因此电池组子单元12在备选的实施方式中也可以包括多个彼此连接的电池组电池8，其中，这些电池组电池既能彼此并联也能彼此串联，以便提供所要求的功率数据和能量数据。
电池组电池8借助电的线路14彼此串联且在接头16处提供输出电压。其它的电池组系统（未示出）可以借助这些接头16与按本发明的电池组系统2连接成更为复杂的电路。在接头16附近布置着用于检测输出电压和流过电池组单元6的电流的电流和电压测量电路17。
主控制器4具有输入部18，主控制器4可以借助该输入部检测所述电流和电压测量电路17的信号。
主控制器4通过控制通道20与电池控制单元10连接，其中，这个控制通道例如可以按菊链（Daisy Chain）的类型构造，但优选构造成平行的总线，该总线能使所有的电池组电池8几乎同时得到主控制器4的消息。主控制器4和电池控制单元10为此具有合适的接口22、24。控制通道20优选构造成单向的，因而主控制器4可以通过所谓的广播运行借助发送给所有的电池控制单元10的统一的控制信号来调节电池组电池8的接通和断开。在电池控制单元10和主控制器4之间可以设其它的通信通道（未示出），测量值例如可以通过这些通信通道由电池控制单元10传递给主控制器4。
在图2中示出了按照本发明的一个示例性实施方式的带电池控制单元10和所配设的电池组电池8的电池组子单元12。
电池控制单元10具有测量单元26，该测量单元被设置用于，检测所配设的电池组电池8的测量数据，特别是在已经接通的情况下的电池组电池8的电池电压或端电压，这也被称为已接通的电池组电池8的电池电压，以及检测在断开的也就是说跨接的情况下电池组电池8的电池电压或端电压，这也被称为已断开的电池组电池8的电池电压。
此外，测量单元26可以伴随相应的连接被设置用于测量流过电池组电池8的电流以及温度、压力等。
测量单元26与微型处理器28连接，该微型处理器承担电池组电池8的控制和开关并且还被设置用于和主控制器4通信。
微型处理器28尤其被设置用于，识别电池组系统2，特别是所配设的电池组电池8，在当前是否被充电或放电。为此，微型处理器28可以将已接通的电池组电池8的电池电压与已断开的电池组电池8的电池电压相比较。微型处理器28的为此所使用的构件也被称为比较器（未示出）。
此外，微型处理器28被设置用于，借助接收到的主控制器4的控制信号来接通或断开电池组电池8。所配设的电池组电池8的开关部在所示的实施例中借助被设计成晶体管的开关元件34示出。通过开关元件34可以设定第一状态和另一个状态，在第一状态下，电池组电池8在串联电路中与其它的电池组电池8跨接，在另一个状态下，串联电路的电池组电池8被接通。此外，同时伴随操纵开关元件34的是操纵另一个开关元件35，以避免通过电池组电池8的接头进行的短路。另一个开关元件35在此与开关元件34相反地构造。示出了例如有若干晶体管的实施方式，备选且优选地将开关元件34也实现为p沟道MOSFET以及将另一个开关元件35实现为n沟道MOSFET。
此外，微型处理器28与存储单元30连接，在存储单元中例如储存着品质因数，品质因数借助所配设的电池组电池8的当前的充电状态或当前的老化状态求出。此外，在存储单元30中还能够储存有针对预定的最大的电池电压和最小的电池电压的值，微型处理器28使用这些值以用于根据控制信号控制所配设的电池组电池8。
微型处理器28此外还包括随机生成器32，借助该随机生成器可以特别是从在0和1之间的区间求出随机数。微型处理器28包括另一个单元（未示出），以便把由主控制器4接收到的被解释为接通概率或断开概率的数值，与由随机生成器32生成的随机数相比较，且根据该比较来操纵开关元件34。
图3示出了按本发明的方法的一个实施方式。
在步骤100中，主控制器4将控制信号发送给电池控制单元10。在步骤102中，电池控制单元10接收控制信号。在步骤104中，每个电池控制单元10识别电流方向。在步骤106中，每个电池控制单元10求出随机数。在步骤108中，每个电池控制单元10求出品质因数。在步骤110中，电池控制单元10根据控制信号、电流方向、随机数和必要时品质因数来开关所述开关元件34。
本发明不限于这里所描述的实施例和此处所强调的方面。其实，在通过权利要求所说明的范围内，位于本领域技术人员的实践范围中的多个变型方案是可行的。

Claims (9)

1.用于运行电池组系统（2）的方法，该电池组系统具有多个电池组电池（8）和一个用于监视和控制该电池组电池（8）的电池组管理系统，其中，该电池组管理系统具有一个主控制器（4）和多个电池控制单元（10），其中，每个电池控制单元（10）被配设给一个电池组电池（8）且被构造和设置用于：检测所配设的电池组电池（8）的测量数据以及将所配设的电池组电池（8）与电池组电池（8）的电子的电路接通和断开，其特征在于，每个电池控制单元（10）识别：电池组系统（2）在当前是否被充电或放电，并且据此将所配设的电池组电池（8）与电池组电池（8）的所述电子的电路接通或断开，其中在电池组系统（2）被放电的情况中，所述电池控制单元（10）额外根据品质因数的大小来接通和断开所配设的电池组电池（8），该电池控制单元（10）借助所配设的电池组电池（8）的充电状态和/或老化状态求出该品质因数。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池控制单元（10）识别：所述电池组系统（2）是否被充电或放电，办法是：将已接通的电池组电池（8）的电池电压与已断开的电池组电池（8）的电池电压相比较。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，主控制器（4）借助于对所有电池控制单元（10）的控制信号来调节电池组电池（8）的接通和断开，其中，电池控制单元（10）将控制信号解释为概率值。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电池控制单元（10）执行随机过程且根据该随机过程和所述概率值将所配设的电池组电池（8）与该电池组电池（8）的电子的电路接通或断开，且这样来选择所述控制信号：使得已接通的电池组电池（8）的相加的电压趋近电池组系统（2）的预定的输出电压。
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，控制信号包括正好一个第一数值和第二数值，其中，电池控制单元（10）将第一数值解释为接通概率以及将第二数值解释为断开概率。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在电池组系统（2）被充电的情况下，当达到预定的最大的电池电压时，电池控制单元（10）断开所配设的电池组电池（8）。
7.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在电池组系统（2）被放电的情况下，当达到预定的最小的电池电压时，电池控制单元（10）断开所配设的电池组电池（8）。
8.电池组系统（2），其带有多个电池组电池（8）和一个用于监视和控制该电池组电池（8）的电池组管理系统，其中，该电池组管理系统具有一个主控制器（4）和多个电池控制单元（10），该电池控制单元通过控制通道（20）彼此处于连接中，其中，每个电池控制单元（10）被配设给一个电池组电池（8）且被构造和设置用于：检测所配设的电池组电池（8）的测量数据以及将所配设的电池组电池（8）与电池组电池（8）的电子的电路接通和断开，其特征在于，每个电池控制单元（10）被构造和设置用于：识别电池组系统（2）在当前是否被充电或放电，以及据此将所配设的电池组电池（8）与电池组电池（8）的电子的电路接通或断开，其中在电池组系统（2）被放电的情况中，所述电池控制单元（10）额外根据品质因数的大小来接通和断开所配设的电池组电池（8），该电池控制单元（10）借助所配设的电池组电池（8）的充电状态和/或老化状态求出该品质因数。
9.具有按照权利要求8所述的电池组系统（2）的机动车。
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