CN111186336A - 电池组系统和用于运行电池组系统的方法 - Google Patents

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Abstract

电池组系统和用于运行电池组系统的方法。本发明涉及用于运行电动车辆的电池组系统的方法，该电池组系统包括：第一电池组单元、第二电池组单元和车辆控制设备，其中第一电池组单元和第二电池组单元分别具有相同数目个电池组模块，其中第一电池组单元和第二电池组单元交替地被接通，而且其中执行如下步骤：‑接通第一电池组单元，而切断第二电池组单元，其中第二电池组单元保持切断，直至由车辆控制设备生成切换信号；‑如果由车辆控制设备生成切换信号，则切断第一电池组单元并且接通第二电池组单元，其中第一电池组单元保持切断，直至由车辆控制设备生成另一切换信号。本发明涉及被设立用于实施按照本发明的方法的用于电动车辆的电池组系统。

Description

电池组系统和用于运行电池组系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行电动车辆的电池组系统的方法，其中该电池组系统包括第一电池组单元、第二电池组单元和车辆控制设备，而且其中第一电池组单元和第二电池组单元交替地被接通。本发明也涉及一种用于电动车辆的电池组系统，该电池组系统包括第一电池组单元、第二电池组单元和车辆控制设备，而且该车辆控制设备被设立用于实施按照本发明的方法。
背景技术
显而易见的是：在将来，尤其是在电动车辆中越来越多地使用电池组系统，关于可靠性、工作能力、安全性和使用寿命方面对这些电池组系统提出了高要求。尤其是具有锂离子电池组电池的电池组系统适合于这种应用。这些锂电池组电池的特点尤其在于高能量密度、热稳定性和极其微小的自放电。
如今在电动车辆中的电池组系统通常具有多个电池组模块，这些电池组模块彼此串联和/或并联。每个电池组模块都具有多个电池组电池，这些电池组电池彼此串联和/或并联。每个电池组模块还包括用于控制和监视各个电池组电池的模块控制设备。在此，这些模块控制设备与中央控制单元保持通信连接。
具有锂离子电池组电池的电池组系统具有关于功能安全性方面的高要求。电池组电池的不恰当的运行可能导致放热反应直至燃烧和/或可能导致脱气。在有一个电池组电池损坏时以及在有一个模块控制设备损坏时，电池组模块有缺陷并且通常不再能完全起作用。在有一个电池组模块失灵时，电池组系统通常不再能完全起作用。
电动车辆中的电池组系统应该有容错能力，尤其是关于自主驾驶方面有容错能力。即使在有一个电池组模块有缺陷的情况下，该电池组系统也应该继续保持运行并且给电动车辆继续供应电能，尤其是以便将电动车辆安全地带到停车场或者车间。
公知用于机动车的具有多个电池组单元的电池组系统。在此，在机动车运行时，这些电池组单元中的仅仅一个电池组单元是活跃的。在活跃的电池组单元失灵时，该电池组单元被切断而另一、不活跃的电池组单元被接通。只要活跃的电池组单元从未失灵而是始终保持完好无损，就决不接通另一电池组单元。在这种情况下，在机动车运行时只使用其中一个活跃的电池组单元，因而，该活跃的电池组单元也老化得更快。
文件US 2008/0315686 A1公开了一种电池组系统，该电池组系统包括主电池组和辅助电池组。该电池组系统被设计为使得要么主电池组接通要么辅助电池组接通。在此，在该电池组系统正常运行时，只有主电池组接通。如果在主电池组中探测到故障，则切换到辅助电池组。
文件US 2013/0110430 A1公开了一种电池组系统，该电池组系统包括多个辅助电池组系统，其中每个辅助电池组系统都包括多个电池组块。在此，尤其是设置中央控制设备来控制和监视该电池组系统。
发明内容
提出了一种用于运行电动车辆的电池组系统的方法。该电池组系统包括第一电池组单元、第二电池组单元和车辆控制设备，该车辆控制设备尤其是用于控制和监视这些电池组单元。第一电池组单元和第二电池组单元分别具有相同数目个电池组模块。第一电池组单元和第二电池组单元相同地、至少近似相同地来构造。第一电池组单元和第二电池组单元例如具有相同的输出电压和相同的容量。第一电池组单元和第二电池组单元分别被设置用于对电动车辆的驱动。因此，该电池组系统具有两个冗余的电池组单元。
在电池组系统运行时，第一电池组单元和第二电池组单元交替地被接通。在此，总是接通这些电池组单元中的至多一个电池组单元并且切断这些电池组单元中的至少一个电池组单元。在该电池组系统运行时，执行随后所描述的步骤：
首先，接通第一电池组单元，而切断第二电池组单元。这例如在起动电动车辆时进行。在此，第二电池组单元保持切断，直至由车辆控制设备生成切换信号。
如果由车辆控制设备生成切换信号，则切断第一电池组单元并且接通第二电池组单元。在此，第一电池组单元保持切断，直至由车辆控制设备生成另一切换信号。
第一电池组单元和第二电池组单元尤其是用于给电动车辆的电力电子装置供应电能。电力电子装置尤其是用于操控电动车辆的驱动电机。在充电运行或者能量回收运行时，驱动电机起发电机的作用并且给电力电子装置供应能量。电力电子装置将该电能转交给电池组单元。能量被存储在那里。
如果这些电池组单元之一接通，则该电池组单元与电力电子装置电连接。如果这些电池组单元之一切断，则该电池组单元不与电力电子装置电连接。电力电子装置例如以逆变器或者换流器的形式来构造。
按照本发明的一个有利的设计方案，如果电池组系统被激活用来给电力电子装置供电或者被激活用来吸收能量，则由车辆控制设备生成切换信号。这例如在起动电动车辆时进行。因此，在每次起动电动车辆时，都交替地接通另一电池组单元。因此，两个电池组单元均匀地、至少近似均匀地承受负荷并且因而老化得一样快。
按照本发明的另一有利的设计方案，如果被接通的电池组单元的老化状态低于最小值，则由车辆控制设备生成切换信号。然后，另一、到目前为止被切断的电池组单元承受负荷，于是该电池组单元老化得更快。因此，这些电池组单元的老化状态重新彼此均衡。切换信号例如可以由车辆控制设备在电动车辆运行期间、即在电池组系统被激活用来给电力电子装置供电期间生成。
按照本发明的另一有利的设计方案，如果被接通的电池组单元的老化状态低于最小值，而且如果该电池组系统被激活用来给电动车辆的电力电子装置供电，则由车辆控制设备生成切换信号。即在这种情况下，在电动车辆运行期间，车辆控制设备不生成切换信号，而是在电动车辆的下一次起动时，车辆控制设备才生成切换信号。由此，有利地避免了在有负荷的情况下从一个电池组单元切换到另一电池组单元。
按照本发明的另一有利的设计方案，如果被接通的电池组单元的充电状态在放电运行期间低于极限值，或者在充电运行期间超过极限值，则由车辆控制设备生成切换信号。然后，另一、到目前为止被切断的电池组单元承受负荷，于是该另一电池组单元的充电状态在放电运行时降低或在充电运行时升高。因此，这些电池组单元的充电状态重新彼此均衡。切换信号例如可以由车辆控制设备在电动车辆运行期间、即在电池组系统被激活用来给电力电子装置供电或者吸收电力电子装置的能量期间生成。
按照本发明的另一有利的设计方案，如果被接通的电池组单元的充电状态在放电运行期间低于极限值，或者在充电运行期间超过极限值，而且如果该电池组系统被激活用来给电力电子装置供电或者被激活用来吸收能量，则由车辆控制设备生成切换信号。即在这种情况下，在电动车辆运行期间，车辆控制设备不生成切换信号，而是在电动车辆的下一次起动时，车辆控制设备才生成切换信号。由此，有利地避免了在有负荷的情况下从一个电池组单元切换到另一电池组单元。
优选地，尤其是当在被接通的电池组单元中识别出至少一个故障时，由车辆控制设备生成切换信号。由此保证了：总是有一个完好无损的电池组单元与电力电子装置电连接，由此能够实现电动车辆的可靠的运行。优选地，其中识别出了故障的电池组单元立即被换成另一、完好无损的电池组单元，使得该电池组系统重新包括两个完好无损的电池组单元。
也提出了一种用于电动车辆的电池组系统。该电池组系统包括第一电池组单元、第二电池组单元和车辆控制设备，该车辆控制设备尤其是用于控制和监视这些电池组单元。第一电池组单元和第二电池组单元分别具有相同数目个电池组模块。第一电池组单元和第二电池组单元相同地、至少近似相同地来构造。第一电池组单元和第二电池组单元例如具有相同的输出电压和相同的容量。第一电池组单元和第二电池组单元分别被设置用于对电动车辆的驱动。因此，该电池组系统总是具有冗余的电池组单元。
在此，按照本发明的电池组系统被设立用于实施按照本发明的方法。相对应的用于实施按照本发明的方法的程序代码尤其被存放在该电池组系统的车辆控制设备中。
优选地，这两个电池组单元的电池组模块中的每个电池组模块都分别具有多个电池组电池和至少一个模块控制设备。在此，模块控制设备用于控制和监视电池组模块的各个电池组电池。在此，这些模块控制设备与车辆控制设备保持通信连接。为此，例如设置总线线路。
按照本发明的一个优选的扩展方案，车辆控制设备具有：第一处理器，用于与第一电池组单元的通信；和第二处理器，用于与第二电池组单元的通信。在此，这两个处理器中的每个处理器都分配有单独的通信单元。替代两个处理器，也可以使用一个具有多个处理器核的处理器。这些处理器核拥有各一个直接的通信接口。在一个处理器或一个处理器核失灵时，被分配给该处理器或处理器核的电池组单元可以被切断，而且继续可能利用其它电池组单元来继续运行。
有利地，按照本发明的方法以及按照本发明的电池组系统在电动车辆、尤其是在自主运行的电动车辆中得以应用。
本发明的优点
本发明呈现了一种利用冗余设计的电池组单元来高效地使用电池组系统的概念。在所介绍的概念的情况下，存在按照本发明的电池组系统的容错能力。在一个电池组单元失灵时，电动车辆可以借助于另一电池组单元仍安全地被带到停车场或者车间。据此得到电池组系统的可靠性的提高。有利地，在电动车辆运行时，在此可以使用在电池组系统中提供的全部电能。也实现了电池组系统的两个冗余的电池组单元的均匀的老化。这也引起了电动车辆的可能的航程的提高。只要该电池组系统只具有唯一的车辆控制设备，与为了控制和监视两个电池组单元而分别具有单独的车辆控制设备的电池组系统相比，就也得到成本节约，尤其是通过省去对于另一车辆控制设备来说所需的硬件而得到成本节约。
附图说明
本发明的实施方式依据附图和随后的描述进一步予以阐述。
其中：
图1示出了具有冗余的电池组单元的电池组系统的示意图；而
图2示出了具有多个电池组电池的电池组模块的示意图。
具体实施方式
在随后对本发明的实施方式的描述中，相同或者类似的要素用相同的附图标记来表示，其中在个别情况下省去了对这些要素的重复的描述。这些附图只是示意性地呈现本发明的主题。
图1示出了电动车辆的电池组系统10的示意图。电池组系统10包括第一电池组单元11和第二电池组单元12。第一电池组单元11和第二电池组单元12相同地来构造并且彼此冗余。电池组系统10尤其是提供电能来对电动车辆进行驱动。为此，第一电池组单元11以及第二电池组单元12能与电力电子装置60连接。在当前情况下，电力电子装置60被设计为三相逆变器或换流器，而且与电动车辆的三相驱动电机25连接。借助于电力电子装置60，能操控驱动电机25来对电动车辆进行驱动。
在当前情况下，第一电池组单元11和第二电池组单元12相同地来构造。第一电池组单元11和第二电池组单元12尤其是具有相同数目个电池组模块5，在当前情况下分别具有四个电池组模块5。在当前情况下，电池组模块5在电池组单元11、12之内电并联。电池组模块5例如也可以在电池组单元11、12之内串联。电池组模块5分别具有相同的模块电压和相同的容量。借此，第一电池组单元11和第二电池组单元12也同样具有相同的输出电压和相同的容量。
每个电池组模块5都具有负接线端子15和正接线端子16。电池组模块5的模块电压附在电池组模块5的正接线端子16与负接线端子15之间，该模块电压由于电池组模块5的并联而对应于电池组单元11、12的输出电压。所有电池组模块5的负接线端子15都与电力电子装置60的接地连接端65电连接。
第一电池组单元11的电池组模块5的正接线端子16与换接开关30的第一输入接触部31电连接。第二电池组单元12的电池组模块5的正接线端子16与换接开关30的第二输入接触部32电连接。换接开关30的输出接触部33与电力电子装置60的输入连接端66电连接。
因此，视换接开关30的状态而定，要么第一电池组单元11与电力电子装置60的输入连接端66电连接，要么第二电池组单元12与电力电子装置60的输入连接端66电连接。因此，视换接开关30的状态而定，要么第一电池组单元11提供电能来借助于驱动电机25对电动车辆进行驱动，要么第二电池组单元12提供电能来借助于驱动电机25对电动车辆进行驱动。在这里所示出的图示中，第一电池组单元11与电力电子装置60电连接，即接通，而第二电池组单元12没有与电力电子装置60电连接，即切断。
电池组系统10包括车辆控制设备40。车辆控制设备40尤其是用于控制和监视电池组单元11、12。车辆控制设备40也用于操控换接开关30。车辆控制设备40连接到总线线路35上，该总线线路例如被设计为CAN总线。其它总线系统也是可设想的。
这两个电池组单元11、12的电池组模块5中的每个电池组模块都分别具有模块控制设备50。模块控制设备50用于控制和监视电池组模块5的电池组电池2。电池组模块5的模块控制设备50同样连接到总线线路35上。电力电子装置60也连接到总线线路35上。因此，模块控制设备50、车辆控制设备40和电力电子装置60保持通信连接。
车辆控制设备40具有第一处理器41，用于与第一电池组单元11的通信。车辆控制设备40也具有第二处理器42，用于与第二电池组单元12的通信。在具有多个核的仅仅一个处理器的情况下，第一处理器核41a负责与电池组单元11的通信，而第二处理器核42b负责与电池组单元12的通信。在此，这两个处理器41、42或者处理器核41a、42b中的每个都分配有单独的通信单元，用于经由总线线路35的通信。
这两个电池组单元11、12的电池组模块5中的每个电池组模块都具有用于检测电池组模块5以及尤其是电池组电池2的状态参量的传感器。借助于这些传感器，尤其是检测电池组电池2的老化状态以及电池组电池2的充电状态。根据电池组模块5的电池组电池2的老化状态来确定该电池组模块5的老化状态。根据电池组模块5的电池组电池2的充电状态来确定该电池组模块5的充电状态。
第一电池组单元11的电池组模块5的所确定的充电状态和老化状态经由总线线路35被传输到车辆控制设备40。车辆控制设备40的第一处理器41根据第一电池组单元11的电池组模块5的充电状态和老化状态来确定第一电池组单元11的充电状态和老化状态。在车辆控制设备40中，将第一电池组单元11的充电状态与极限值进行比较。在车辆控制设备40中，将第一电池组单元11的老化状态与最小值进行比较。
第二电池组单元12的电池组模块5的所确定的充电状态和老化状态同样经由总线线路35被传输到车辆控制设备40。车辆控制设备40的第二处理器42根据第二电池组单元12的电池组模块5的充电状态和老化状态来确定第二电池组单元12的充电状态和老化状态。在车辆控制设备40中，将第二电池组单元12的充电状态与极限值进行比较。在车辆控制设备40中，将第二电池组单元12的老化状态与最小值进行比较。
如果在电池组单元11、12之一的电池组模块5中出现故障，例如有电池组电池2失灵或者温度过高，则电池组模块5的相对应的故障报告被传输到车辆控制设备40的所分配的处理器41、42或者处理器核41a、42b。由此，识别出在相关的电池组单元11、12中的故障。也包括如果与电池组单元11、12之一的电池组模块5的通信连接失灵，则在相关的电池组单元11、12中识别出故障。
当满足预先给定的标准时，车辆控制设备40生成切换信号。如果例如第一电池组单元11接通而第二电池组单元12切断，而且如果在被接通的第一电池组单元11中识别出故障，则车辆控制设备40生成切换信号。该切换信号引起换接开关30的切换。由此，第一电池组单元11被切断而第二电池组单元12被接通。
图2示出了在图1中示出的电池组系统10的电池组模块5的示意图。电池组模块5具有多个电池组电池2。在当前情况下，电池组电池2在电池组模块5之内电串联。电池组电池2例如也可以在电池组模块5之内并联。电池组模块5的每个电池组电池2都包括电极单元，该电极单元分别具有阳极和阴极。电极单元的阳极与电池组电池2的负接线端子15连接。电极单元的阴极与电池组电池2的正接线端子16连接。优选地，电池组模块5的所有电池组电池2都相同地来构造。
如已经提及的那样，电池组模块5具有模块控制设备50，该模块控制设备用于控制和监视电池组模块5的各个电池组电池2。如已经提及的那样，电池组模块5还包括负接线端子15和正接线端子16。由电池组模块5的电池组电池2生成的模块电压附在电池组模块5的正接线端子16与负接线端子15之间。
本发明并不限于这里描述的实施例以及其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求书所说明的保护范围内，多个变型方案都是可能的，所述变型方案都在本领域技术人员的处理范围内。

Claims (11)

1.用于运行电动车辆的电池组系统（10）的方法，所述电池组系统包括：
第一电池组单元（11）、第二电池组单元（12）和车辆控制设备（40），其中
所述第一电池组单元（11）和所述第二电池组单元（12）分别具有相同数目个电池组模块（5），其中
所述第一电池组单元（11）和所述第二电池组单元（12）交替地被接通，而且其中执行如下步骤：
- 接通所述第一电池组单元（11），而切断所述第二电池组单元（12），其中
所述第二电池组单元（12）保持切断，直至由所述车辆控制设备（40）生成切换信号；
- 如果由所述车辆控制设备（40）生成切换信号，则切断所述第一电池组单元（11）并且接通所述第二电池组单元（12），其中
所述第一电池组单元（11）保持切断，直至由所述车辆控制设备（40）生成另一切换信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
如果所述电池组系统（10）被激活用来给电力电子装置（60）供电或者被激活用来吸收能量，则由所述车辆控制设备（40）生成切换信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中
如果被接通的电池组单元（11、12）的老化状态低于最小值，则由所述车辆控制设备（40）生成切换信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中
如果被接通的电池组单元（11、12）的老化状态低于最小值，而且如果所述电池组系统（10）被激活用来给电力电子装置（60）供电，则由所述车辆控制设备（40）生成切换信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其中
如果被接通的电池组单元（11、12）的充电状态在放电运行期间低于极限值或者在充电运行期间超过极限值，则由所述车辆控制设备（40）生成切换信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中
如果被接通的电池组单元（11、12）的充电状态在放电运行期间低于极限值或者在充电运行期间超过极限值，而且如果所述电池组系统（10）被激活用来给电力电子装置（60）供电或者被激活用来吸收能量，则由所述车辆控制设备（40）生成切换信号。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其中
如果在被接通的电池组单元（11、12）中识别出至少一个故障，则由所述车辆控制设备（40）生成切换信号。
8.用于电动车辆的电池组系统（10），所述电池组系统包括：
第一电池组单元（11）、第二电池组单元（12）和车辆控制设备（40），其中
所述第一电池组单元（11）和所述第二电池组单元（12）分别具有相同数目个电池组模块（5），其中
所述电池组系统（10）被设立用于实施根据上述权利要求之一所述的方法。
9.根据权利要求8所述的电池组系统（10），其中
所述电池组模块（5）中的每个电池组模块都具有多个电池组电池（2）和至少一个模块控制设备（50），其中
所述模块控制设备（50）与所述车辆控制设备（40）保持通信连接。
10.根据权利要求8至9之一所述的电池组系统（10），其中
所述车辆控制设备（40）具有：
第一处理器（41）或第一处理器核（41a），用于与所述第一电池组单元（11）的通信；和
第二处理器（42）或第二处理器核（42b），用于与所述第二电池组单元（12）的通信。
11.根据权利要求1至7之一所述的方法和/或根据权利要求8至10之一所述的电池组系统（10）在电动车辆中的应用。
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