CN108351385A

CN108351385A - 用于检测多个串联的电蓄能单元的电压的电路和用于运行该电路的方法

Info

Publication number: CN108351385A
Application number: CN201680065652.0A
Authority: CN
Inventors: D.施魏克
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2018-07-31
Anticipated expiration: 2036-10-12
Also published as: WO2017080739A1; CN108351385B; DE102016214415A1

Abstract

描述了一种用于检测多个串联的电蓄能单元的电压的电路，其中所述电路分别包括：用于每个电蓄能单元的开关，所述开关的第一接线端子分别与所述电蓄能单元的正极连接；第一和第二电压源；第一和第二晶体管；以及第一和第二欧姆电阻，其中第一晶体管的控制输入端与第一电压源的正极导电连接，而第一晶体管的发射极接线端子与第一欧姆电阻的第二接线端子导电连接。在此，每个电蓄能单元（Z1,…,Z6）都分配有开关（S1,…,S6），而相应的开关（S1,…,S6）的第一接线端子能分别与相应的所分配的电蓄能单元（Z1,…,Z6）的正极导电连接。

Description

用于检测多个串联的电蓄能单元的电压的电路和用于运行该电路的方法

技术领域

本发明的出发点是根据专利独立权利要求的前序部分所述的一种用于测量多个串联的电蓄能单元的电压的电路以及根据专利独立权利要求的前序部分所述的一种用于运行电路的方法及其应用。

背景技术

在混合动力车辆和电动车辆中，大多使用具有大量电蓄能单元的系统。因为这些电蓄能单元由生产造成地以及由于老化效应而可能具有不同的特性，所以为了避免过度充电或过度放电，这些电蓄能单元的电压借助于电路单独地予以监控。

为了监控相应的电压，大多使用具有一个或多个多路复用器的集成电路。

出版文献US 20100052650 A1公开了用于多个电蓄能单元的电压测量的可替换的可能性。

出版文献DE 102010063258 A1同样公开了具有跨阻放大器的电压测量的可能性。

出版文献DE 102011079360 A1公开了一种用于测量多个串联的电池组电池的最大电池电压的装置。该装置的一个可能的实施方式在本申请的图1中再现。

在已知的现有技术方面不利的是，需要大量构件或花费高的集成电路来检测电压。

发明内容

本发明的优点

按照本发明，提供了具有专利独立权利要求的表征性特征的一种用于检测多个串联的电蓄能单元的电压的电路、一种用于运行该电路的方法及其应用。

在此，该电路包括第一和第二电压源、第一和第二晶体管以及第一和第二欧姆电阻，其中第一晶体管的控制输入端与第一电压源的正极导电连接而第一晶体管的发射极接线端子与第一欧姆电阻的第二接线端子导电连接，而且其中每个电蓄能单元都分配有开关，而相应的开关的第一接线端子能分别与相应的所分配的电蓄能单元的正极导电连接。因此，提供了灵活的连接可能性以及能够在电压测量的范围内实现对单个的电蓄能单元的接通或关断。

视实施方案而定，一个电蓄能单元可包括多个构件、例如多个电池组电池，所述多个构件串联和/或并联。

电蓄能单元尤其可以被理解为电化学电池组电池和/或具有至少一个电化学电池组电池的电池组模块和/或具有至少一个电池组模块的电池组包。例如，电蓄能单元可以是锂电池组电池或者锂电池组模块或者锂电池组包。尤其是，电蓄能单元可以是锂离子电池组电池或者锂离子电池组模块或者锂离子电池组包。此外，电池组电池的类型可以是锂-聚合物蓄电池、镍-金属氢化物蓄电池、铅-酸蓄电池、锂-空气蓄电池或者锂-硫蓄电池或十分普遍地可以是任意电化学成分的蓄电池。

第一和第二电压源尤其可以被设计为参考电压源，所述参考电压源的电压非常恒定并且只具有在几毫伏特、例如+/- 1毫伏特的范围内的波动幅度。

本发明的其它有利的实施方式是从属权利要求的主题。

这样有利的是：第一晶体管的集电极接线端子还与第二欧姆电阻的第一接线端子导电连接，以及附加地，第二晶体管的控制输入端与第二电压源的正极导电连接，而且第二晶体管的发射极接线端子与第二欧姆电阻的第二接线端子导电连接。由此可以实现构件的电连接以及电路的相同的结构。

按照另一方面可以规定：第一欧姆电阻的第一接线端子与另一第一开关和另一第二开关的第二接线端子导电连接，以及第一电压源的负极与另一第三开关和另一第四开关的第二接线端子导电连接。因此，可以提供电部件的灵活的连接可能性。

按照另一有利的实施方式，另一第五开关的第二接线端子与第二欧姆电阻的第一接线端子导电连接。由此，在电连接可能性方面实现了更高的灵活性。紧接着，这一点例如可以通过适当地操控第一、第二、第三、第四和第五开关来予以利用。

按照另一设计方案，另一第一开关的第一接线端子和另一第二开关的第一接线端子分别在更换电蓄能单元时与被分配给每个电蓄能单元的开关的第二接线端子导电连接。此外，在该设计方案中，另一第三开关的第一接线端子和另一第四开关的第一接线端子以相同的方式分别在更换时与被分配给每个电蓄能单元的开关的第二接线端子导电连接。由此，可以有针对性地使单个的电蓄能单元与由第一电阻、第一晶体管和第一参考电压源组成的组件连接。所连接的电蓄能单元的电位导致有电流流经这些构件。

还有利的是：另一第五开关的第一接线端子与串联的第一电蓄能单元的开关的第二接线端子导电连接。因此，该所属的电蓄能单元的电位可以在不使用所述另一第一、另一第二、另一第三和/或另一第四开关的情况下通过所述另一第五开关来切换。这随后防止了对在串联的第一电蓄能单元的情况下的电压测量的可能的影响。

按照一个设计方案，第二欧姆电阻的第一接线端子和第二晶体管的集电极接线端子都与电压测量单元导电连接。在此，该电压测量单元例如可包括模拟-数字转换器以及放大器、尤其是可编程增益放大器，也称作Programmable Gain Amplifier。还可以针对该电压测量单元设置附加的电压源。在此，附加的电压源的电压电平可以被选择为使得电压测量单元的传递函数被移动到电蓄能单元的典型的电压范围内。因此，可以提高电压测量单元的测量精确度。

按照另一有利的实施方式，替代第一和/或第二晶体管，例如使用互补的达林顿电路（Darlington-Schaltung）。由此，降低了流经控制输入端的基极电流并且改善了电路的精确度，所述基极电流对流经第一或第二欧姆电阻的电流有影响。

按照另一实施方式，第三晶体管的控制输入端与第一晶体管的发射极接线端子导电连接，而第四晶体管的控制输入端与第一晶体管的集电极接线端子导电连接。因此，第三和第四晶体管的控制输入端在运行时在无故障情况下处在不同的电位水平上，这可以被用于故障探测。

有利地，第三晶体管的发射极接线端子通过第三欧姆电阻与第四晶体管的发射极接线端子导电连接，而第四晶体管的集电极接线端子通过第四欧姆电阻与参考电位导电连接。该接线可以被用于识别某些故障、例如第一晶体管的短路。由此可以满足安全性要求，如这些安全性要求例如在汽车领域由于不同的ASIL等级而提出的那样。

本发明的主题还是一种用于运行这样的电路的方法，其中两个连续的、分别被分配给一个电蓄能单元的开关闭合，以及另一第一开关和另一第二开关分别断开或闭合，以及另一第三开关和另一第四开关分别断开或闭合，使得第一欧姆电阻与两个连续的电蓄能单元之一的正极导电连接，而第一电压源的负极与所述两个连续的电蓄能单元之一的相对应的负极导电连接。通过所述断开或闭合，单个的电蓄能单元的电压分别引起有电流流经第一电阻。因此，在更换时，可以接通或关断所有电蓄能单元。由此，可以利用在电部件方面相对低的花费例如周期性地监控电蓄能单元。

按照另一方面，可以测量在第二欧姆电阻和第二晶体管上的电压降。由此，可以实现简单地确定各个电池电压。

适宜地，借助于对在第四欧姆电阻前面的相对于参考电位的电位的检测，能够实现关于在该电路中的可能的故障的结论。由此可以满足安全性要求，如这些安全性要求例如在汽车领域由于不同的ASIL等级而提出的那样。

附图说明

本发明的有利的实施方式在附图中示出并且在随后的描述中进一步列举。

其中：

图1示出了从现有技术得知的电路装置；

图2示出了按照本发明的按照第一实施例的电路的示意图；

图3示出了按照本发明的按照第二实施例的电路的示意图；

图4示出了按照本发明的按照第三实施例的电路的示意图；

图5示出了按照本发明的按照第四实施例的电路的片段的示意图；

图6示出了按照本发明的按照第一实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在所有附图中，相同的附图标记表示相同的装置部件。

图2示意性地示出了按照本发明的电路的第一实施例。在此，电蓄能单元Z1至Z6分别分配有开关S1至S6，视开关状态而定，所述开关S1至S6使相应的电蓄能单元Z1至Z6的正极与第一欧姆电阻R1、第二欧姆电阻R2或其它欧姆电阻R3至R6连接。此外，电蓄能单元Z2分配有第一电压源UR1和第一欧姆电阻R1，电蓄能单元Z1分配有第二电压源UR2和第二欧姆电阻R2，以及其它电蓄能单元Z3至Z6分别分配有电压源UR3至UR6以及电阻R3至R6。此外，电蓄能单元Z2分配有第一晶体管T1，电蓄能单元Z1分配有第二晶体管T2，以及其它电蓄能单元Z3至Z6分别分配有晶体管T3至T6。理想地，构件晶体管、电阻和电压源分别基本上具有相同的特性。任意的开关S1至S6的闭合以及相应的其它开关S1至S6的同时断开由于所选择的电蓄能单元Z1至Z6的相应的电压U_C1至U_C6而产生通过电流。由此形成的电压降U_AD经由导线400和401由电压测量单元102检测，而且在一些理想化的假定、如相同的部件特性以及忽略相应的基极-发射极电流的情况下，对应于所选择的电蓄能单元Z1至Z6的相应的电压U_C1至U_C6。如果例如开关S2闭合并且其它开关S1和S3至S6断开，那么有电流I₁流经第一欧姆电阻R1，针对所述电流适用：

，

其中U_ref是第一电压源UR1的电压值而U_BE,1是第一晶体管T1的基极-发射极电压。R是第一欧姆电阻R1的电阻值。在所提到的假定的情况下，能测量的电压降U_AD以：U_AD = I₁R + U_ref+ U_BE = U_C2得到，而且对应于电蓄能单元Z2的电压U_C2。

图3示意性地示出了按照本发明的具有附加的用于故障探测的部件的电路的第二实施例的片段。第三和第四欧姆电阻R3和R4以及第三和第四晶体管T3和T4彼此导电连接，使得可能的是不仅识别出第一电压源UR1的短路而且识别出第一晶体管T1的短路。为此，借助于导线103，将在第四欧姆电阻R4前面的相对于参考电位（例如接地）的电位U_err输送给分析单元（在图3中未画入）。如果在有源地测量电蓄能单元Z2的电压U_C2时，电位U_err具有低电平，例如基本上0V，那么概率高地存在第一晶体管T1或者第一电压源UR1的短路。因此，探测到会使对电蓄能单元Z2的电压U_C2的测量失真的故障源。

如果例如存在第一晶体管T1的短路，那么第三和第四晶体管T3和T4的控制输入端处在相同的电位上。因而，这些晶体管截止，而且在所连接的分析单元中，经由导线103检测到为U_err的低电平并且确定有故障。

针对每个所要监控的由晶体管和电压源构成的电路装置，例如在图2中针对由晶体管T1、T3至T6和所属的电压源UR1、UR3至UR6构成的每对，都能建立这种故障探测电路。

在图4中示意性地示出了按照本发明的电路的第三实施例。在此，该电路包括第一电压源UR1和第二电压源UR2以及第一晶体管T1和第二晶体管T2。此外，第一和第二欧姆电阻R1和R2被集成到该电路中。借助于另一第一、另一第二、另一第三和另一第四开关S11、S12、S21和S22以及被分配给相应的电蓄能单元Z1至Z6的开关S1至S6，电蓄能单元Z1至Z6可以与第一欧姆电阻R1以及第一电压源UR1导电连接。优选地，通过适当的开关状态，除了第一电蓄能单元Z1之外，针对任意的电蓄能单元Z2至Z6来进行该电连接，使得电蓄能单元的正极与第一欧姆电阻R1导电连接，而该电蓄能单元的负极与第一电压源UR1的负极导电连接。在下文，这被称作有源电压测量。在此，理想地，第一和第二欧姆电阻R1和R2具有相同的电阻值R，而第一和第二电压源UR1和UR2提供相同的电压U_ref。接着，在适当地选择电压值U_ref的情况下，如下关系适用于流经第一欧姆电阻R1的电流I₁：

。

在此，U_BE,1是第一晶体管T1的基极-发射极电压，而且表征如果有电流在第一晶体管T1的发射极与集电极之间流动则附在第一晶体管T1的基极与发射极之间的那个电压。

理想地，第一和第二晶体管T1和T2具有相同的基极-发射极电压U_BE。在此，视另一第一、另一第二、另一第三和另一第四开关S11、S12、S21和S22以及被分配给相应的电蓄能单元Z1至Z6的开关S1至S6的发生的开关状态而定，U_Ci表示电压U_C2至U_C6之一。在适当地选择电压值U_ref的情况下，电流I₁流经第二欧姆电阻R2和第二晶体管T2。由此形成的电压降经由导线100和101由电压测量单元102来检测。在此，在所描述的理想条件下，如下公式适用于由电压测量单元102检测的电压U_ref：

。

另一第五开关S_C用于：使电蓄能单元Z1直接与电压测量单元102连接，以便避免所检测到的电压值的失真。在相对应的构件的特性不同的情况下，因为相应的电蓄能单元的电压值的值在公式2中没有相互抵消，所以在下游可以执行计算，例如在电池监控单元（CSC）或者控制设备中执行计算，以便确定相应的电蓄能单元的正确的电压值。但是，在了解构件的相应的特性的情况下，这一点是毫无困难地可能的。

此外，该电路的实施方案可包含具有共同的外壳的晶体管，这附加地减小了在构件之间的可能的偏差，例如由于热区别或者制造偏差引起的可能的偏差。

相对应的开关S1至S6、另一第五开关S_C以及另一第一、另一第二、另一第三和另一第四开关S11、S12、S21和S22可以被实施为半导体开关，例如可以被实施为MOSFET，这能够实现快速并且损耗低的切换。此外，替代所示出的第一和第二双极pnp晶体管T1和T2，可以使用其它晶体管实施方案，例如MOSFET。

图5示出了第四实施例的片段的示意图。在这种情况下，由电压测量单元501来检测在第二欧姆电阻R2和第二晶体管T2上的可能的电压降。在此，电压测量单元501包括放大器、尤其是可编程增益放大器，也称作Programmable Gain Amplifier。此外，电压测量单元501的输入端借助于电压源500被移到适当的电压水平上。在此，附加的电压源的电压电平可以被选择为使得电压测量单元的传递函数被移动到电蓄能单元的典型的电压范围内、例如2.8V与4.3V之间。因此，可以提高电压测量单元的测量精确度。附加地，通过电容器504来实现对在电压测量单元501中检测到的电压的低通滤波。二极管503和502作为保护二极管来嵌入。

在图6中示出了按照本发明的方法的流程图。在第一步骤ST1中，规定其电压应该被检测的电蓄能单元。在第二步骤ST2中，开关S1至S6、S11至S22和S_C的开关状态按照该规定来实行。如果例如应该检测电蓄能单元Z6的电压U_C6，那么开关状态如下：

开关S6和S5闭合，开关S1至S4断开，开关S22和S12闭合，开关S21和S11断开，开关S_C断开。

在第三步骤ST3中，降落到第二欧姆电阻R2和第二晶体管T2上的电压U_erf被输送给电压测量单元并且被检测。在第四步骤ST4中，对所检测到的电位U_erf进行合理性检查。如果该合理性检查为负面，那么存在故障，而且在第五步骤ST5中转入故障处理程序。如果该合理性检查为正面，那么确定没有故障，而且电压U_erf被继续处理并且以第一步骤ST1继续该方法。

Claims

1.用于检测多个串联的电蓄能单元（Z1, ..., Z6）的电压的电路，所述电路包括第一和第二电压源（UR1、UR2）、第一和第二晶体管（T1、T2）以及第一和第二欧姆电阻（R1、R2），其中第一晶体管（T1）的控制输入端与第一电压源（UR1）的正极导电连接而所述第一晶体管（T1）的发射极接线端子与第一欧姆电阻（R1）的第二接线端子导电连接，其特征在于，

每个电蓄能单元（Z1, ..., Z6）都分配有开关（S1, ..., S6），而相应的开关（S1,..., S6）的第一接线端子能分别与相应的所分配的电蓄能单元（Z1, ..., Z6）的正极导电连接。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，

所述第一晶体管（T1）的集电极接线端子与第二欧姆电阻（R2）的第一接线端子导电连接，以及第二晶体管（T2）的控制输入端与第二电压源（UR2）的正极导电连接，而且所述第二晶体管（T2）的发射极接线端子与所述第二欧姆电阻（R2）的第二接线端子导电连接。

3.根据上述权利要求之一所述的电路，其特征在于，

所述第一欧姆电阻（R1）的第一接线端子与另一第一开关（S11）和另一第二开关（S12）的第二接线端子导电连接，以及所述第一电压源（UR1）的负极与另一第三开关（S21）和另一第四开关（S22）的第二接线端子导电连接。

4.根据上述权利要求之一所述的电路，其特征在于，

另一第五开关（S_C）的第二接线端子与所述第二欧姆电阻（R2）的第一接线端子导电连接。

5.根据权利要求3至4之一所述的电路，其特征在于，

所述另一第一开关（S11）的第一接线端子和所述另一第二开关（S12）的第一接线端子分别在更换所述电蓄能单元（Z1, ..., Z6）时与被分配给每个电蓄能单元的开关（S1,..., S6）的第二接线端子导电连接，以及所述另一第三开关（S21）的第一接线端子和所述另一第四开关（S22）的第一接线端子分别在更换时与被分配给每个电蓄能单元（Z1, ...,Z6）的开关（S1, ..., S6）的第二接线端子导电连接。

6.根据权利要求4或5之一所述的电路，其特征在于，

所述另一第五开关（S_C）的第一接线端子与串联的第一电蓄能单元（Z1）的开关（S1）的第二接线端子导电连接。

7.根据上述权利要求之一所述的电路，其特征在于，

所述第二欧姆电阻（R2）的第一接线端子和所述第二晶体管（T2）的集电极接线端子与电压测量单元（102、501）导电连接。

8.根据上述权利要求之一所述的电路，其特征在于，

替代所述第一和/或第二晶体管（T1、T2），使用互补的达林顿电路。

9.根据上述权利要求之一所述的电路，其特征在于，

第三晶体管（T3）的控制输入端与所述第一晶体管（T1）的发射极接线端子导电连接，而第四晶体管（T4）的控制输入端与所述第一晶体管（T1）的集电极接线端子导电连接。

10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，

所述第三晶体管（T3）的发射极接线端子通过第三欧姆电阻（R3）与所述第四晶体管（T4）的发射极接线端子导电连接，以及所述第四晶体管（T4）的集电极接线端子通过第四欧姆电阻（R4）与参考电位导电连接。

11.用于运行根据权利要求5至10之一所述的电路的方法，其特征在于，

两个连续的、分别被分配给一个电蓄能单元（Z1, ..., Z6）的开关（S1, ..., S6）闭合，以及所述另一第一开关（S11）和所述另一第二开关（S12）分别断开或闭合，以及所述另一第三开关（S21）和所述另一第四开关（S22）分别断开或闭合，使得所述第一欧姆电阻（R1）与两个连续的电蓄能单元（Z2, ..., Z6）之一的正极导电连接，而所述第一电压源（UR1）的负极与所述两个连续的电蓄能单元（Z2, ..., Z6）之一的相对应的负极导电连接。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

在所述第二欧姆电阻（R2）和所述第二晶体管（T2）上的电压降（Uerf）被检测。

13.电池组，其包括至少两个电蓄能单元（Z1, ..., Z6），其特征在于，

所述电池组包括至少一个根据权利要求1至10之一所述的电路。

14.根据权利要求1至10之一所述的电路、根据权利要求11至12之一所述的方法和/或根据权利要求13所述的电池组的应用，所述应用在包括混合动力车辆在内的电池组运行的车辆以及静态的蓄能安装设备中应用。