蓄電池管理系統、具有蓄電池管理系統的蓄電池和機動車以及用于監控蓄電池的方法
【專利摘要】本發明涉及一種蓄電池管理系統(31、41、51)，其具有控制裝置(15)，該控制裝置具有設置在控制裝置(15)的低壓側(22)上的第一微控制器(23)和設置在控制裝置(15)的高壓側(24)上的第二微控制器(25)，還具有分別分配給蓄電池的至少一個蓄電池模塊的多個第一電壓測量單元(42)以及用于將多個電壓值從第一電壓測量單元(42)傳送到第一微控制器(23)的第一通信連接(36)。此外，蓄電池管理系統(31、41、51)具有多個第二電壓測量單元(32)和用于將電壓值從第二電壓測量單元(32)傳送到第二微控制器(25)的第二通信連接(34)。多個第一或第二電壓測量單元(32、42)被這樣地構造為多個最小-最大測量單元(33)，使得其獲取分配給相應的最小-最大測量單元(33)的多個蓄電池模塊內的多個蓄電池單池(14)的最小和最大電壓值并且摒棄處于其間的電壓測量值。此外提供一種用于監控蓄電池的所屬的方法。此外公開一種具有蓄電池管理系統的蓄電池和具有蓄電池管理系統的機動車。
【專利說明】蓄電池管理系統、具有蓄電池管理系統的蓄電池和機動車以及用于監控蓄電池的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及蓄電池管理系統、具有該蓄電池管理系統的蓄電池、具有該蓄電池管理系統的機動車以及用于監控蓄電池的方法。特別地，本發明涉及用于確定和分析至少一個蓄電池模塊的至少一個測量量的蓄電池管理系統以及相關的方法。
【背景技術】
[0002]在將來，無論在例如風力發電設備的靜態的應用、在例如混合和電動車輛的車輛中，還是在例如筆記本電腦和移動電話機的消費領域中，都將更多地應用新的蓄電池系統，會提出關于它的可靠性、安全性、效率以及使用壽命的非常高的要求。
[0003]具有鋰-離子技術的蓄電池對于這些任務是特別合適的。其由于高的能量密度和小的自放電而脫穎而出。根據定義鋰-離子蓄電池由兩個或者多個彼此連接的鋰-離子單元組成。鋰-離子單元能夠通過并聯或者串聯連接成模塊，然后連接成蓄電池。通常模塊由六個或者更多單元組成。
[0004]由DE102009046567A1已知一種蓄電池，其由多個蓄電池模塊構成，其中，通過中央的蓄電池管理系統監控多個蓄電池模塊。
[0005]如圖1所示，常規的蓄電池系統10能夠具有蓄電池管理系統11，該蓄電池管理系統具有中央的控制裝置15，該控制裝置15與多個單元監控單元16(英語:“CellSupervision Circuit”;CSC)進行通信,該單元監控單元分別分配給多個蓄電池單元14或者蓄電池模塊。下面能夠根據上下文把在蓄電池模塊中安置的具有或者不具有所屬的蓄電池管理系統11的蓄電池單元14的整體稱作蓄電池。蓄電池單元14在蓄電池模塊中編組，其中，蓄電池單元在蓄電池模塊中的精確的劃分在圖1中未示出。蓄電池管理系統11能夠與蓄電池單元14或者蓄電池模塊一起放置在公共的殼體(未示出)內。蓄電池模塊能夠分別具有各自的殼體。通過在蓄電池模塊中安置蓄電池單元14，能夠實現更好的可擴展性。為了監控蓄電池單元14的正確的功能，通過多個CSC16監控蓄電池單元。在此，通常給CSC16分別分配兩個蓄電池模塊。CSC16包含測量電子裝置，該測量電子裝置監控電壓和其他的參數。借助CSC16獲得的信息通過通信總線18，例如CAN總線，發送到中央的控制裝置15，該控制裝置分析所有蓄電池單元14的數據并且在參數偏離規定的情況下進行糾正或者在緊急情況下斷開保護繼電器17、19并且切斷蓄電池系統10。
[0006]控制裝置15具有帶有微控制器23的低壓側或者低壓側的部分22和帶有微控制器25的高壓側或者高壓側的部分24。低壓側22和高壓側24通過電流的分隔器29彼此連接。低壓側22與霍爾傳感器27相連接用于測量蓄電池電流，而高壓側24與分流器26相連接用于測量蓄電池電流。控制裝置15借助總線28與車輛電子裝置通信。電連接端12、13用于為例如車輛供給能量和/或用于蓄電池的重新充電。
[0007]用于單元監控的另一種拓撲結構在圖2中示出。這里CSC16通過菊花鏈32傳輸它的信息。在這種情況下某個CSC16把它的數據包傳遞給下一個CSC16，該下一個CSC補充它的信息并且又向下一個CSC16傳送。在每個CSC16中安置單元電壓測量單元21 (CVM)。由安置在菊花鏈拓撲結構中的CSC16組成的分組又與控制裝置15相連接。
[0008]關于超過或低于確定的邊界值的、對單元電壓以及電流和溫度的監控是蓄電池系統中的重要的安全因素。ISO標準，特別是IS026262:要求機動車中的E/E系統的功能安全性達到一定的安全性水平 ASIL (英語:“automotive safety integrity level”)。
[0009]為了保證蓄電池系統10的足夠的功能的安全性，CSC16的數據既在控制裝置15的高壓側24也在控制裝置15的低壓側22在兩個冗余的微控制器23、25內進行分析并且相互比較。在這種情況下高壓側的微控制器25使用包(Pack)的總電壓，即所有的蓄電池模塊的總電壓，以及例如通過分流器26測量到的總電流。低壓側的微控制器23測量單個的蓄電池單元14的電壓以及電流，該電流例如通過霍爾傳感器27確定。
[0010]必須在相同的時間點測試電流和電壓，以便能夠得到可信的值。為了能夠比較高壓側24和低壓側22的值，也必須并行地確定這些數據。因此為了得到同步的數據庫，通過控制裝置15同時通過通信總線18向CSC16、霍爾傳感器27和分流器26發送請求，在理想的情況下隨后同時回復這些請求。為了滿足高的ASIL水平，控制裝置具有大量的安全和控制功能，此外這些功能包含控制裝置15的自監控。此外，控制裝置還監控CSC16，其中，通過同樣的CSC16既為控制裝置15的高壓側的微控制器25也為低壓側的微控制器23獲取數據。
[0011]已知的蓄電池管理系統具有的缺點在于，必須耗費地編程控制裝置，以便能夠計算CSC數據的可信度并且因此保證必要的功能的安全性以及補償通常僅相當簡單地實施的數據獲取的不足。為此必須經常使用非常復雜的計算模型。正如已經介紹的那樣，通常使用基于CAN-總線或菊花鏈的拓撲結構接收數據。在用于監控蓄電池單池的已知的拓撲結構中要求高的功能的安全性并且因此高的ASIL水平和不低的軟件花費。除了高的計算花費外，通信總線，優選是CAN總線需要傳輸大量的數據，使得該總線達到其容量極限。
【發明內容】
[0012]實現了根據獨立權利要求1和9所述的蓄電池管理系統以及相關的方法。
[0013]根據本發明，蓄電池管理系統具有帶有設置在控制裝置的低壓側上的第一微控制器和設置在控制裝置的高壓端上的第二微控制器的控制裝置，以及分別分配給蓄電池的至少一個蓄電池模塊的多個第一電壓測量單元、用于將電壓值從多個第一電壓測量單元傳送到第一微控制器的第一通信連接、多個第二電壓測量單元和用于將電壓值從多個第二電壓測量單元傳送到第二微控制器的第二通信連接。該多個第一電壓測量單元或多個第二電壓測量單元被這樣地構造為多個最小-最大測量單元，使得其獲取分配給相應的最小-最大測量單元的多個蓄電池模塊內的多個蓄電池單池的最小和最大電壓值并且摒棄處于其間的電壓測量值。
[0014]根據本發明的用于監控蓄電池的方法基本上包括以下步驟:借助第一通信拓撲結構獲取用于確定多個蓄電池單池或多個蓄電池模塊的充電狀態的多個電壓值；借助獨立于第一通信拓撲結構的第二通信拓撲結構并且使用最小-最大測量單元獲取多個電壓值，以用于監控最大和最小電壓。
[0015]通過依據本發明的蓄電池管理系統優選地提供一種拓撲結構，通過該拓撲結構減少所需的軟件花費和通信總線中的數據率并且同時達到高的ASIL等級。
[0016]這尤其通過多個部件的依據本發明的冗余的實施，結合在多個電壓測量單元的線路的內部依據本發明地使用多個最小-最大測量單元來實現。因為至少在用于電壓獲取的多個測量單元的一側上使用，該些測量單元分別僅傳送多個單池的最小和最大電壓，所以現在僅還將每個蓄電池模塊的兩個單池電壓傳送到例如低壓側的微控制器上并因此明顯減少在通信總線上的數據傳輸。此外，這在通常用于例如機動車上的大量組件的數據交換的CAN-總線上也是有利的。此外，接收微控制器內的計算得到簡化，因為僅需還分析兩個數值。
[0017]蓄電池管理系統的冗余的實施此外以比較少的成本實現，因為成本低廉的多個最小-最大測量單元以有利的方式作為依據本發明的監控拓撲的一部分使用。
[0018]在從屬權利要求中說明并且在說明書中描述本發明的有利的改進方案。
[0019]依據一個實施例，第一電壓測量單元根據第一通信拓撲借助于第一通信連接進行連接并且第二電壓測量單元根據與第一通信拓撲不同的第二通信拓撲借助于第二通信連接進行連接。
[0020]因為在該實施例中有利地使用兩個不同的拓撲，因此進一步提高功能的安全性。
[0021]優選并行地使用基于CAN-總線的拓撲和菊花鏈拓撲。有利地第一通信拓撲能夠具有菊花鏈結構，而第二通信拓撲具有CAN-總線連接，或者相反。
[0022]依據本發明的一種有利的改進方案，蓄電池管理系統這樣構成，使得第一和第二微控制器彼此獨立地工作。
[0023]因此冗余同時既在CSC、通信總線上實現，并且也在控制裝置內的微控制器上實現。在這種情況下，基于獨立的設置此外尤其有利的是，在高壓側的微控制器與低壓側的微控制器之間的同步不再需要或僅還最小地需要。控制裝置的編程的復雜性由此能夠進一步減少。
[0024]依據本發明的一個實施例，低壓側上的第一微控制器與第一電流傳感器，尤其是霍爾傳感器相連接，其中，高壓側上的第二微控制器與不同于第一電流傳感器的第二電流傳感器，尤其是具有分流電阻的電流傳感器相連接。
[0025]在這種有利的實施方式中，此外通過將多個不同的電流測量系統與依據本發明的多個CSC線路相組合提高功能的安全性。
[0026]依據另一實施例，低壓側上的第一微控制器被設置用于分析電壓并且還具有安全性功能以及高壓側上的第二微控制器被設置用于確定充電狀態(SOC)。
[0027]在該實施例中尤其有利地實現一種優化的分配，其使高的功能性與同時高的安全水平相一致。
[0028]依據本發明另一有利的改進方案，無論是多個第一測量單元還是多個第二測量單元都被構造為最小-最大測量單元。
[0029]由此能夠進一步節省成本和計算。
[0030]依據本發明的一個實施例，蓄電池管理系統具有多個單池監控單元，在該多個單池監控單元中設置多個第一電壓測量單元中的相應的一個和多個第二電壓測量單元中的相應的一個以及額外的微控制器，其中，單池監控單元的多個電壓測量單元耦合到單池監控單元的多個公共的輸入端處并且其中，微控制器被設置在單池監控單元內以用于分析相應的單池監控單元的多個電壓測量單元中的一個的數據。
[0031]在該實施例中，單池監控單元內的微控制器尤其有利地提供另外的分析功能和安全性功能。同時通過特別選擇具有多個單池監控單元的設置能夠有利于系統的可伸縮性。
[0032]此外，依據本發明提供一種具有根據前述權利要求之一所述的蓄電池管理系統的蓄電池。
[0033]按照一個優選的實施例，該蓄電池是鋰離子蓄電池。
[0034]此外提供一種具有依據本發明的蓄電池管理系統的機動車，其中，待監控的蓄電池與該機動車的驅動系統相連接。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]根據附圖和后續的說明進一步解釋本發明的實施例。其中:
[0036]圖1示出了具有根據現有技術的蓄電池管理系統的蓄電池；
[0037]圖2示出了已知的菊花鏈拓撲結構；
[0038]圖3示出根據本發明的一個實施例的具有利用在低壓側上的多個最小-最大測量單元來監控蓄電池的多個蓄電池單元的蓄電池管理系統的蓄電池；
[0039]圖4示出根據本發明的另一個實施例的具有利用在高壓側上的多個最小-最大測量單元來監控蓄電池的多個蓄電池單元的蓄電池管理系統的蓄電池；以及
[0040]圖5示出根據本發明的另一個實施例的具有利用在低壓側上的和在高壓側上的多個最小-最大測量單元來監控蓄電池的多個蓄電池單元的蓄電池管理系統的蓄電池。
【具體實施方式】
[0041]在圖3中示出根據本發明的一個實施例的具有用于監控蓄電池的多個蓄電池單元14的蓄電池管理系統31的蓄電池，其中，在蓄電池管理系統31的低壓側上設置最小-最大測量單元33。在此對于蓄電池管理系統11的布置追溯到多個測量單元33，其僅將所分配的所有單池的最小和最大電壓報告給控制裝置。這些最小-最大測量單元33在此將所分配的蓄電池單池14的狀態與前置連接的單池14的狀態進行比較。這樣在確定所有的蓄電池單池14的最大電壓時，能夠將兩個蓄電池單池14的較高的電壓傳送到下個測量單元33，在那里又將該較高的電壓與單池14進行比較。結束時，最后的測量單元僅將最高的電壓值傳送到控制裝置。類似也確定所有的單池14的最小電壓。如圖3所示，最小-最大測量單元分別將兩個數值繼續傳送到單池監控微控制器38，后者分析處理兩個數值并將結果通過CAN-總線36發送。
[0042]高壓端的線路裝備電壓測量單元32。依據該實施例一種依據本發明的變型，該電壓測量單元被構造作為電壓監控單元CVM(英語:Cell Voltage Monitoring)。該電壓監控單元能夠附加地監控其他的物理量，例如所分配的蓄電池模塊的溫度。
[0043]具有優點的是在一個CSC內提供兩個彼此獨立作用的單池電壓測量單元32、33供使用。單池電壓測量單元32的線路提供給在控制裝置15內的高壓側的微控制器25，另一單池電壓測量單元并行地提供給低壓側的微控制器23。并行地使用兩種不同類型的總線34,36或通信拓撲。這樣在控制裝置15的一側上，例如在高壓側24上，能夠通過菊花鏈通信，在另一側上則通過CAN-總線通信。但本發明并不局限于特定類型的通信總線。[0044]因為用于監控電壓的低壓側的線路裝備多個最小-最大測量單元33，所以按照簡單和成本低廉的方式實現提高的冗余。此外，在此達到足夠的功能的安全性，其中多個蓄電池單池14的準確的電壓不起作用。首先重要的是，遵守通過最小-最大測量單元33識別的對于單池電壓的特定的上限和下限。此外，多個蓄電池單池14的電壓值必須彼此處于很窄的范圍內，這種情況也很典型并也通過最小-最大測量單元33識別。只要這些數值明顯分歧，就存在最后導致斷開蓄電池系統10的錯誤。
[0045]在根據圖1的實施例中，高壓側24承擔SOC的計算，低壓側22承擔安全功能。高壓側24獨立于低壓側22地工作。通過CSC35的冗余的結構，能夠實現高的功能的安全性并因此實現更高的ASIL等級，而無需控制裝置15為此進行復雜的錯誤可能性計算。
[0046]在圖4中示出根據本發明的另一個實施例的具有用于監控蓄電池的多個蓄電池單元14的蓄電池管理系統41的蓄電池。與圖3所示的實施例的區別在于，多個最小-最大測量單元在此是高壓側的，即其中與高壓側的微控制器25連接的線路設置在多個測量單元上。高壓側的線路用于監控電壓。
[0047]替選地，兩個測量單元，即無論是高壓側的還是低壓側的測量單元均由最小-最大測量單元33代替，如圖5所示。由此能夠節省更多的成本和計算。SOC的計算僅會最小程度地變得不準確，因為多個單池電壓彼此處于窄的范圍內。即對于計算來說平均值是足夠的。只要多個單池電壓彼此分歧，就存在導致系統斷開的錯誤。SOC于是不再起作用。
[0048]專業人員知曉，在本發明中能夠實施大量的改變和修改，而不離開獨立權利要求的范圍。雖然指出本發明優選使用鋰-離子蓄電池，但是替代地，本發明也能夠有利地使用其他的蓄電池類型。
【權利要求】
1.蓄電池管理系統(31、41、51)，其具有: 控制裝置(15)，其具有設置在所述控制裝置(15)的低壓側(22)上的第一微控制器(23)和設置在所述控制裝置(15)的高壓側(24)上的第二微控制器(25);以及 多個第一電壓測量單元(42)，其分別分配給蓄電池的至少一個蓄電池模塊，其特征在于用于將多個電壓值從所述多個第一電壓測量單元(42)傳送到所述第一微控制器(23)的第一通信連接(36)； 多個第二電壓測量單元(32)； 用于將多個電壓值從所述多個第二電壓測量單元(32)傳送到所述第二微控制器(25)的第二通信連接(34)； 其中，所述多個第一或第二電壓測量單元(32、42)被這樣地構造為多個最小-最大測量單元(33)，以使得獲取分配給相應的最小-最大測量單元(33)的多個蓄電池模塊內的多個蓄電池單池(14)的最小和最大電壓值并且摒棄處于其間的電壓測量值。
2.根據權利要求1所述的蓄電池管理系統(31、41、51)，其中，根據第一通信拓撲借助于所述第一通信連接(36)連接所述多個第一電壓測量單元(42)，并且根據與所述第一通信拓撲不同的第二通信拓撲借助于所述第二通信連接(34)連接所述多個第二電壓測量單元(32)ο
3.根據權利要求1或2所述的蓄電池管理系統(31、41、51)，其中，所述第一通信拓撲具有菊花鏈結構(20)并且所述第二通信拓撲具有CAN-總線連接，或者相反。
4.根據前述權利要求之一所述的蓄電池管理系統(31、41、51)，其被這樣地構造，以使得所述第一和第二微控制器(23、25)彼此獨立地工作。
5.根據前述權利要求之一所述的蓄電池管理系統(31、41、51)，其中，低壓側上的所述第一微控制器(23)與第一電流傳感器，尤其是霍爾傳感器(27)相連接并且高壓側上的所述第二微控制器(25)與不同于第一電流傳感器的第二電流傳感器，尤其是具有分流電阻(26)的電流傳感器相連接。
6.根據前述權利要求之一所述的蓄電池管理系統(31、41、51)，其中，低壓側上的所述第一微控制器(23)被設置用于分析電壓并且還具有安全性功能，并且高壓側上的所述第二微控制器(25)被設置用于確定充電狀態(SOC)。
7.根據前述權利要求之一所述的蓄電池管理系統(31、41、51)，其中，無論是多個第一測量單元還是多個第二測量單元(32、42)都被構造為多個最小-最大測量單元(33)。
8.根據前述權利要求之一所述的蓄電池管理系統(31、41、51)，其具有多個單池監控單元(35、45、55)，所述單池監控單元分別配備了所述多個第一電壓測量單元中的一個和所述多個第二電壓測量單元中的一個以及微控制器(38)，其中，單池監控單元(35、45、55)的多個電壓測量單元耦合到所述單池監控單元(35、45、55)的多個公共的輸入端處，并且其中，所述微控制器(38)被設置在所述單池監控單元(35、45、55)內以用于分析相應的單池監控單元(35、45、55)的所述多個電壓測量單元(32、42)中的一個的數據。
9.用于監控蓄電池的方法，其中，確定充電狀態(SOC)并且監控多個最小和最大電壓的存在，其特征在于，通過使用不同的、彼此獨立地工作的多個通信拓撲，以一方面獲取用于確定所述充電狀態的電壓值并且另一方面獲取用于監控所述多個最小和最大電壓的電壓值，其中，至少為獲取用于監控所述多個最小和最大電壓值的所述電壓值使用根據權利要求I所述的多個最小-最大測量單元(33)。
10.蓄電池，其具有根據權利要求1至8之一所述的蓄電池管理系統(31、41、51)。
11.機動車，其具有根據權利要求1至8之一所述的蓄電池管理系統(31、41、51)，其中，待監控的蓄 電池與所述機動車的驅動系統相連接。
【文檔編號】H01M10/42GK103975478SQ201280045324
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年9月7日 優先權日:2011年9月19日
【發明者】S·布茨曼 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社