CN107660186A - 通过电池组系统中的供能线路的数据传输 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有多个电池组电池（101‑1、101‑2、101‑3）的电池组系统（100），所述多个电池组电池通过用于传输电池组功率的供能线路（103）来彼此连接，所述电池组电池分别包括：用于通过所述供能线路（103）来接收数据的接收装置（107）；和用于通过所述供能线路（103）来发送数据的发送装置（109）。

Description

通过电池组系统中的供能线路的数据传输
技术领域
本发明涉及一种具有多个电池组电池的电池组系统和一种用于在电池组系统内传输数据的方法，其中所述多个电池组电池通过用于传输电池组功率的供能线路来彼此连接。
背景技术
在具有多个电池组电池的电池组系统内，数据仅能够差地通过供能线路来传输，因为连接在供能线路上的设备在数据传递时引起干扰和干涉。由此在数据通信时形成强烈的信号衰减和失真。尽管通过供能线路原则上能够提供用于数据传输的拓扑，但是该拓扑由于干扰而不能在大的距离上使用。
印刷文献WO 2014/103008描述了一种具有用于无线地传递电池组信息的通信单元的电池组系统。
发明内容
本发明的任务是，在电池组系统中通过供能线路从和至电池组电池地传递数据。
根据第一方面，该任务通过具有多个电池组电池的电池组系统来解决，所述多个电池组电池通过用于传输电池组功率的供能线路来彼此连接，所述电池组电池分别包括用于通过供能线路接收数据的接收装置和用于通过供能线路发送数据的发送装置。由此例如实现以下技术优点，即数据可以从电池组电池转发至电池组电池。由此，尽管通过供能线路的高的信号衰减，仍可以实现在远距离上的数据传递。
在电池组系统的一种有利的实施方式中，电池组电池分别包括用于检测电池组电池的状态数据的电池组传感器。由此例如实现以下技术优点，即每个电池组电池的状态数据可以为了进一步处理而以简单的方式传递到控制设备。
在电池组系统的另一种有利的实施方式中，电池组电池分别包括用于将状态数据添加到所接收的数据上的数据处理装置。由此例如实现以下技术优点，即减少对供能线路访问的数量。
在电池组系统的另一种有利的实施方式中，电池组电池能够明确地寻址。由此例如实现以下技术优点，即每个电池组电池可以有针对性地进行响应。
在电池组系统的另一种有利的实施方式中，电池组系统包括用于控制电池组电池的控制设备，该控制设备与供能线路连接。由此例如实现以下技术优点，即供能线路可以用作用于控制电池组电池的介质。
在电池组系统的另一种有利的实施方式中，控制设备被构造用于确定用于在电池组电池之间传输数据的路线或跳跃距离。由此例如实现以下技术优点，即数据能够有效地按照确定的路径在电池组电池之间传递。
根据第二方面，该任务通过用于电池组系统的电池组电池来解决，该电池组电池具有用于通过供能线路来接收数据的接收装置和用于通过供能线路来发送数据的发送装置。由此实现与通过根据第一方面的电池组系统所实现的相同的技术优点。
根据第三方面，该任务通过一种用于在电池组系统内传输数据的方法来解决，该电池组系统包括多个电池组电池，所述电池组电池通过用于传输电池组功率的供能线路来彼此连接，该方法具有由电池组电池通过供能线路接收数据的步骤和由电池组电池通过供能线路发送数据的步骤。由此实现与通过根据第一方面的电池组系统所实现的相同的技术优点。
在一种有利的实施方式中，检测相应电池组电池的状态数据。由此例如同样实现以下技术优点，即每个电池组电池的状态数据可以为了进一步处理而以简单的方式传递到控制设备。
在方法的另一种有利的实施方式中，将状态数据添加到接收数据上。由此例如同样实现以下技术优点，即减少对供能线路访问的数量。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下文中详细描述。
其中：
图1a示出一种具有多个电池组电池的电池组系统；
图1b示出另一种具有多个电池组电池的电池组系统；
图2a示出在逻辑层面上的准并行的通信系统；
图2b示出在物理层面上的环形的通信系统；
图3示出用于多个电池组电池的成对的衰减因子；
图4a示出一种用于两个用户之间的端对端通信的跳跃模式；
图4b示出另一种用于两个用户之间的端对端通信的跳跃模式；
图5示出具有利用两个发送组所产生的序列的时间上的介质访问结构；
图6示出具有各个用户消息的分开转发的通道访问序列；
图7示出具有用户消息的捆绑转发的通道访问序列；
图8示出具有外部帧和方向相关的寻址的消息结构；以及
图9示出方法的框图。
具体实施方式
图1a示出一种具有多个电池组电池101-1、…、101-n的电池组系统100。电池组系统100例如是具有锂离子电池组电池的电动或混合动力车辆的电池组系统100，该电池组系统用于给驱动装置供能。对于电池组系统100的功能，可以分析各个电池组电池101-1、…、101-n的状态数据，以便例如在各个电池组电池101-1、…、101-n之间的负载平衡（充电平衡）时控制电池组电池101-1、…、101-n。
电池组电池101-1、…、101-n通过用于传输电池组功率的供能线路103串联，以便获得尽可能高的输出电压。电池组系统100包括向外引导的端子113，以便电池组系统100与传动系（逆变器）或作为模块的其他电池组互连。
电池组电池101-1、…、101-n中的每个都包括用于通过供能线路103作为通信介质来接收数据包形式的数据的接收装置107和用于通过供能线路103作为通信介质来发送数据包形式的数据的发送装置109。数据可以首先由电池组电池之一101-1在供能线路103上接收并且随后从电池组电池101-1有效地转发到另外的电池组电池101-2。由此形成基于多跳方案的在各个电池组电池101-1、…、101-n之间的数据转发，在该多跳方案中通过多个中间站转发数据包。
即使信号在供能线路103上遭受强的衰减，所述信号可以连续地从电池组电池101至电池组电池101地转发。因此，在供能线路103上的对于高频的通信信号的与位置和频率相关的衰减或由于功率部件的高干扰可以通过短的传输路径来补偿。
电池组电池101-1、…、101-n分别包括用于检测电池组电池101-1、101-2、101-3的状态数据的电池组传感器105、诸如电压或温度传感器。所检测的状态数据可以添加到那些在电池组电池101中已经由接收装置107所接收的数据中。随后，这样组合的数据可以通过发送装置109转发到另外的电池组电池101。
电池组系统100包括并行连接在端子113上的中央控制设备111（主机）。控制设备111可以从电池组电池101-1、…、101-n（客户）接收状态数据并且将控制数据发送到各个电池组电池101-1、…、101-n。控制设备111与数据线路115连接，数据可以通过该数据线路传递到上一级的单元。电池组系统100一般不依赖于电池组电池101-1、…、101-n的互连的结构并且同样可以用于并联的或部分并联的电池组电池101-1、…、101-n。
因此，通过电池组系统100能够实现经由供能线路103（电力线）的具有在电池组电池101-1、…、101-n和控制设备111之间的高传输率的鲁棒的并且可扩展的通信，在该供能线路中数据连续地转发。因为相邻的电池组电池101-1、…、101-n具有很好的通信条件，所以可以以低的发送功率实现快速并且高效的传输。
图1b示出另一种具有多个电池组电池101-1、…、101-n的电池组系统100。在该电池组系统100中，中央控制设备111并行连接在电池组电池101-n的电池组传感器105上。控制设备111可以在该情况下集成在与电池组传感器105相同的硬件中。通常，也可以将控制设备111耦合到每个其他电池组电池101上。
图2a示出在逻辑层面上的并行的通信系统。电池组电池101-1、…、101-n能够基于逻辑地址来明确地寻址。通过寻址，数据可以从控制设备111发送到预先给定的电池组电池101上并且由该电池组电池1010来接收。在此由其余电池组电池101进行数据的转发。如果观察电池组系统100内的通信用户，则这些通信用户在逻辑层面上基于通信通道可以被理解成并行总线。如果控制设备111依次地询问所有电池组电池101，则形成星形通信作为特殊情况。
图2b示出在物理层面上的在电池组系统100内的环形的通信系统（菊花链）。在该配置中，数据从电池组电池101至电池组电池101地转发。在此，方法可以在环中设计成，使得控制设备111越过所有电池组电池101地发送数据包，每个进行转发的电池组电池101将其状态数据或其他信息添加在该数据包上。在环形遍历所有电池组电池101-1、…、101-n之后，该数据包又到达控制设备111。
一旦多个电池组电池101同时向另外的电池组电池进行发送，则这导致信号的干涉。根据相应电池组电池101上的信号和干扰信号之间的功率比，可以正确地或不能正确地解码数据。由于该原因而有利的是，事先获得可能的干涉的估算或在相应的系统中对其进行测量。
一般，在仅仅一个电池组电池101进行发送时，在附加的噪声干扰之外不存在干涉。通常可以将噪声干扰假定为恒定的噪声功率密度，使得进行发送的电池组电池101的信号能够比更远的电池组电池101明显更好地、即以更高的功率和更好的信噪功率比地由较近环境中的另外的电池组电池101来接收。
该特性可以在电池组系统100中被用于设计相应的通信方法。在此，以供能线路103的尽可能多的并且良好的部分路段来建立电池组电池101至控制设备111的连接并且向回（双向地）建立连接。通过协议，电池组电池之间的包括多个部分路段的路线可以在控制设备111和电池组电池101之间以任意方式由控制设备111来确定。由此可以利用所提出的方法控制任意大小的电池组。数据的路线可以预先配置或动态地由控制设备111来确定。
图3示出针对数量30个以环形均匀分布的用户的功率传输因子。相应用户的号码沿着两个轴来绘制。用户1由控制设备111构成，而用户2至30是具有相应的电池组传感器105的电池组电池101。对于有效传输的功率传输因子针对所有用户之间的通信定量地示出。两个用户之间的面积越密地加阴影，所述用户之间的功率传输因子就越小。
在闭合的通信环中，与相邻电池组电池101的连接在信号衰减方面比越过更远距离的明显更好。衰减（功率传输因子-1）可以近似地通过对数衰减法则基于用户的距离来描述。
数据传递的影响例如可以是由于供能线路103上的高功率部件（逆变器）的干扰。如果高功率部件连接在用户1的附近，则在耦合位置附近的绝对干扰功率比在更远位置处大。
图4a示出一种针对用户1和用户10之间的通信的跳跃模式。矩阵示出在间距N=10的多个发送装置109同时进行发送时的信号与干涉和干扰功率比（SINR）。两个用户之间的面积越密地加阴影，信号与干涉和干扰功率比就越差。在多个发送装置109同时进行发送时的附加的干涉导致信号作用范围的限制。
在该情况下，对于数据包从一个用户到另一个用户的每次跳跃，选择尽可能大的传输距离，使得对于数据从用户1至用户10的通信仅仅需要三次通道访问并且在通道利用时间方面实现最优值。数据按照顺序10-7-4-1传输至相应用户。
图4b示出另一种在与图4a中相同条件下针对用户1和用户10之间的通信的跳跃模式。在该情况下，总是仅仅发送至相邻的用户，使得在此针对每个单独的跳跃的质量实现最优值。数据按照顺序10-9-8-7-6-5-4-3-2-1传输至相应用户。
该方法可以特别用于不适宜地守规矩的通信介质，所述通信介质表现得足够静态。根据通信介质的衰减，用户可以更好或更差地通信数据或者但是也可以相互干扰。在用户之间通常存在线性结构，控制设备111初始了解该线性结构或通过初始化例程测定该线性结构，以便由所得的结构确定尽可能正交的和无干扰的跳跃模式。无干扰涉及针对所选择的传输参数、诸如调制、数据率、帧长或编码来满足接收装置107上的最小质量。
图5示出具有对于具有两个发送组（组1:1,2，…，15；组2:30,29，…，16）的示例的所得的序列的时间上的介质访问结构。该图示除了在每个时间步骤参与的发送装置109之外还显示在所有接收装置107上的所得的信号与干涉和干扰功率比。在相应时间点进行发送的发送装置109利用黑块示出，所述发送装置远离控制设备111地进行发送（下行链路）。朝向控制设备111进行发送（上行链路）的发送装置109利用白块示出，例如从最远的节点至控制设备111。
所有用户之间的双向通信的时间结构沿着从上向下的垂直的时间轴在为1的跳跃距离的情况下沿两个方向予以观察。用户的号码沿水平方向绘出。因为电池组电池101此外处于环形装置中，所以在图形中示出通过使用不同的通信组的扩展。这可以被优化成，使得由控制设备111在两个组（组1和组2）中在不同时间沿两个方向进行发送并且相应地向后进行接收。
开始，仅仅控制设备111进行发送并且寻址组1。因为总是组1的仅仅一个用户进行发送，所以在不同位置处的接收是良好的（稀疏地加阴影的区域）。一旦沿向后方向进行发送，在具有寻址组2的控制设备111同时进行发送时触发干涉场景。这从时间点15起由图形中的浓密地加阴影的区域可见。
使用具有时间偏差的两个对向的组对于所选择的场景看起来是有利的。原则上也可以设想其他的结构和组数量。发送顺序或者由控制设备111动态地定义并且通知给用户或者初始被确定和配置。
对于数据的实际传输可以使用介质访问和介质划分的不同基本原理，例如时间-频率复用方法或空间复用方法。此外，特别示出时间复用方法，因为该时间复用方法说明一种简单的实施方式，其中协调基本上是关于相互关系和次序的时间组元。
图6示出具有针对通信（组1）的时间次序的各个用户消息的分开转发的通道访问序列。相应用户的号码沿着垂直方向相对于水平方向上的时间来绘出。在所示出的数据包117内，说明数据所源于的用户的号码（控制设备=M）。
控制设备111发起数据包117（M）的传输并且控制设备111的消息由所有用户2-15、即电池组电池101以定义的模式进行转发。一旦到达组的最后的用户15，该用户15就开始数据包（15）到控制设备111的所定于的反馈，该反馈可以可选地在确定的时间之后执行。为了反馈所有用户的数据、诸如周期性的传感器数据，每个单独的用户的数据在下一用户的数据被转发之前依次地通过确定的路线完全转发到控制设备111，即例如首先用户15，然后用户14、13等等。
图7示出具有针对通信（组1）的时间次序的组的用户消息的捆绑转发的通道访问序列。相应用户的号码沿垂直方向绘出。在该方法中，所有用户的数据逐个地收集、补充和添加并且分别通过确定的路径转发至下个用户。
在动态配置的情况下，控制设备111可以可选地在每个消息中预先给定期望的跳跃次序。同样地，每次传输的通道质量可以可选地由所参与的用户来确定并且通过返回通道或消息添加来反馈给控制设备111，使得控制设备111可以分析通信介质的特性。
图8示出利用外部帧（上面）和方向相关的寻址（中间、下面）的通道访问的消息结构。从控制设备111沿着电池组电池101-1的方向的通信作为具有寻址下一用户（中间）的广播消息来进行。从电池组电池101-1沿着控制设备111的方向的通信作为具有当前发送器的标识或地址的总和协议来进行。
字段801-1、801-2和801-3说明消息方向标识，该信息方向标识可以采用值“上行/下行”（801-1）、“下行”（801-2）或“上行”（801-3）。字段803-1、803-2和803-3说明消息类型、诸如“主机”、“Init（803-2）”或“数据包”（803-3）。字段805-1和805-2说明例如下一接收器或当前发送器的发送器/接收器-ID。字段805-3说明当前的发送器-ID。字段807-1和807-2说明与类型相关的消息内容。字段807-3说明子包的数量作为自然数。字段809-3分别包括具有所分配的发送器-ID和数据的包。
由于传输介质的准并行的结构而保证当前考虑哪些方向。由此，物理层上的消息结构可以同样针对每个发送进行设计（训练序列、通道估算、调制、校正、编码、CRC）。消息结构的长度例如可以通过附加的长度字段而动态地适配。
在消息格式中，消息标识被用于传输方向。利用以下的类型字段可以区分消息类型，例如沿着向下方向通过周期性的控制设备消息或初始的控制设备消息并且沿着向上方向通过数据包或紧急情况消息。每个用户、即每个电池组电池101具有明确的地址，利用该地址，该用户被识别为发送器或接收器。
在跳跃序列中，对于向下方向录入下个接收器的说明，该下个接收器进一步处理或继续发送数据。对于向上方向有利的是，命名每个发送器。接收器分别等待其前任并且在收到的情况下继续发送消息。然而，一般也可以实现其他实施方案。
在总和协议的情况下，数据包被收集在帧中（下面）并且可选地分别配备有单独的消息头、诸如发生器-ID。下面的包的数量通过计数器来说明。
图9示出用于在电池组系统100内传输数据的方法的框图，该电池组系统包括多个电池组电池101-1、101-2、101-3，所述多个电池组电池通过用于传输电池组功率的供能线路103来彼此连接。该方法包括由相应电池组电池101-1、101-2、101-3通过供能线路103接收数据的步骤S101和由相应电池组电池101-1、101-2、101-3通过供能线路103发送数据的步骤S102。
子通道的初始测定和具有明确路线的通信组的确定可以通过控制设备111来进行。对此，控制设备111通过单独的消息类型询问所有用户并且确定相应的路线。
对于到电池组电池101上的耦合，在硬件侧能够设想优化，在发送数据时最小化失真和/或将耦合输入的能量最大化到介质上。对此可以使用具有自动适配的自适应耦合输入和耦合输出电路。除了普遍的不仅可以配置为控制设备111而且可以配置为用户的通信模块之外，可以使用单独的通信模块作为控制设备111和作为电池组传感器105的用户。
控制设备111可以耦合在供能线路103中的不同位置处并且不规定到确定的位置上。到电池组电池101上的耦合可以不仅并行地而且串行地进行。由于信号的波特性，在每个所选择的耦合方法中，能量的一部分可以沿拓扑的可能的传播方向来传播并且另一部分由阻性元件吸收。
在较大的电池组系统100中可以实现具有并联电路和串联电路的电池组拓扑的使用。此外，如果电池组系统彼此协调或去耦合，则可以应用于不同的架构层面（电池层面、模块层面、部分电池组）。
除了双向通信之外也可以设想单向的设计，其中消息仅仅沿一个方向转发。附加的通信组的使用能够实现关于干涉场景来优化通信跳跃模式。通信架构可以通过协调的控制设备111来描绘。
在通信网内，为了优化时延和数据率也可以设想在环/网中的多个协调的控制设备111。通信组的数量可以采取1至M的值。为了最小化电池组电池101的功率消耗，具有所定义的清醒时间的所定义的序列可以用于每个电池组电池101。清醒时间可以由控制设备111来定义并且通知给电池组电池101。
利用该电池组系统，尽管在多跳通信下的提高数量的通道访问，仍实现通信的在低的总功率消耗下的总体高的有效数据率。此外，基于供能线路的通信的鲁棒性明显改进。
一般，关于两个电池组电池101之间的通信连接的衰减和干扰参数时模拟值，使得可以测定最优的传输路径，在所述传输路径的情况下衰减是最小的。相邻的电池组电池101原则上找到很好的通信条件，使得能够以很低的发送功率来实现良好的传输。
所有结合本发明的各个实施方式解释和示出的特征可以以不同的组合设置在根据本发明的主题中，以便同时实现其有利的效果。
本发明的保护范围通过权利要求来给定并且不由说明书中解释的和附图中示出的特征来进行限制。

Claims (10)

1. 具有多个电池组电池（101-1、101-2、101-3）的电池组系统（100），所述多个电池组电池通过用于传输电池组功率的供能线路（103）来彼此连接，所述电池组电池分别包括：
用于通过所述供能线路（103）来接收数据的接收装置（107）；和
用于通过所述供能线路（103）来发送数据的发送装置（109）。
2.根据权利要求1所述的电池组系统，其中所述电池组电池（101-1、101-2、101-3）分别包括用于检测所述电池组电池（101-1、101-2、101-3）的状态数据的电池组传感器（105）。
3.根据权利要求2所述的电池组系统（100），其中所述电池组电池（101-1、101-2、101-3）分别包括用于将所述状态数据添加到所接收的数据上的数据处理装置。
4.根据上述权利要求之一所述的电池组系统（100），其中所述电池组电池（101-1、…、101-n）能够明确寻址。
5.根据上述权利要求之一所述的电池组系统（100），其中所述电池组系统（100）包括用于控制所述电池组电池（101-1、101-2、101-3）的控制设备（111），所述控制设备（111）与所述供能线路（103）连接。
6.根据权利要求5所述的电池组系统（100），其中所述控制设备（111）被构造用于确定用于在所述电池组电池（101-1、101-2、101-3）之间传输数据的路线或跳跃距离。
7. 用于电池组系统（100）的电池组电池（101-1），具有：
用于通过供能线路（103）来接收数据的接收装置（107）；和
用于通过供能线路（103）来发送数据的发送装置（109）。
8. 用于在电池组系统内传输数据的方法，所述电池组系统包括多个电池组电池（101-1、101-2、101-3），所述多个电池组电池通过用于传输电池组功率的供能线路（103）来彼此连接，所述方法具有以下步骤：
由所述电池组电池（101-1、101-2、101-3）通过所述供能线路（103）来接收（S101）数据；和
由所述电池组电池（101-1、101-2、101-3）通过所述供能线路（103）来发送（S102）数据。
9.根据权利要求8所述的方法，其中检测相应电池组电池（101-1、101-2、101-3）的状态数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其中将所述状态数据添加到所接收的数据上。
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