电池组系统及用于使所述电池组系统运行的方法与流程

本发明涉及一种用于使具有多个电池组电池的电池组系统运行的方法。

此外，还说明了一种计算机程序和一种电池组管理系统，所述计算机程序和所述电池组管理系统被设立用于执行所述方法。此外，还说明了一种电池组系统和一种机动车，其中电池组与所述机动车的驱动系统连接。

背景技术：

电子控制设备如今越来越多地被应用在汽车领域中。对此的例子是发动机控制设备和用于ABS或安全气囊（Airbag）的控制设备。对于电驱动的车辆来说，现今的研究重点是对具有附属的电池组管理系统、也就是说控制设备的有工作能力的（leistungsfaehig）电池组包的研发，所述控制设备装备有用于监视电池组功能性的软件。电池组管理系统尤其保证了所应用的电池组电池和电池组包安全并且可靠的功能。所述电池组管理系统监视和控制各个电池和/或整个电池组包的电流、电压、温度、绝缘电阻以及其它参量。借助于这些参量可以实现如下管理功能，所述管理功能提高了所述电池组系统的使用寿命、可靠性以及安全性。

存在不同的架构，以便以测量技术来检测通常编组成模块的电池组电池。

一种可能性在于给每个电池组模块配备一个传感器控制设备，所述传感器控制设备与主控制设备例如通过CAN总线（CAN，控制器局域网络（controller area network））或SPI总线（SPI，串行外设接口（Serial Peripheral Interface））进行通信。这些在下文被称作测量芯片的传感器控制设备周期性地对测量值（如温度以及各个电池组电池的电压）进行测量。所述测量值周期性地被传达给所述主控制设备。

出于安全原因，必要的是防止测量数据受到干扰以及失灵。一种可能性在于以冗余的方式检测所述数据并且使所述数据彼此间进行合理性检查（plausibilisieren）。

US 2011/0254502示出了一种就应用在电动车辆上来说容错的（fehlertolerant）电池组管理系统。在所描述的系统中，印制导线（Leiterbahn）被布置在不同的故障区中，使得被分配给控制、监视以及平衡（Balancing）的电路与被分配给实时测试的电路绝缘。

从WO 2013/118738公知一种具有多个电池组的电子存储模块，其中设立一级监视电路，用来检测所述多个电池组的运行状态。微控制器单元通过一级通信信道与所述一级监视电路连接，而二级监视电路通过二级通信信道与所述微控制器单元连接。所述二级监视电路被设立用来在已经确定了在所述一级通信信道中的异常（Unregelmaessigkeit）或在所述一级监视电路的运行状态中的异常时检测所述多个电池组的运行状态。

技术实现要素：

在按照本发明的用于运行具有多个电池组电池和一个用于监视和控制所述电池组电池的电池组管理系统的电池组系统的方法中，其中所述电池组管理系统具有主控制设备、分别带有多个测量芯片的第一测量电路和第二测量电路，所述多个测量芯片被设立用于在所述电池组电池上冗余地检测测量数据并且分别被设立用于在所述电池组电池上执行诊断以及执行对所述电池组电池的充电状态平衡，规定：所述电池组系统具有控制信道，通过所述控制信道来规定所述两个测量电路的等级状态（Hierarchiezustand），其中在所述测量电路之一失灵的情况下，将所述电池组系统转变到可用性降低的模式下并且通过所述控制信道来设定所述等级状态，另一测量电路执行对测量数据的检测、执行诊断并且执行充电状态平衡。

只要两个测量电路没有故障地并且正常地运转，也就是说只要所述测量电路都不失灵，则满足了所述电池组管理系统的安全性目标。所述电池组管理系统通过两个测量电路执行冗余测量，其中所述测量数据（例如电池电压、电流以及温度）彼此间进行合理性检查。在这种情况下，例如检查两个测量电路的测量值在常用的误差容限的范围内是否一样大。而如果识别出一个测量电路部分地或完全地失灵（这例如在数据线在所述电路的任意点上断开时是这种情况），则优选地采取如下措施：

在第二测量电路失灵时，不再能执行对两个测量电路的数据的合理性检查。出发点是所述第一测量电路提供正确的数据。然而，所述电池组管理系统进入到可用性降低的模式下。此外，充电状态平衡（电量平衡（Cell Balancing））的功能、电池诊断等等以没有改变的方式来实现并且通过所述第一测量电路来协调。

在所述第一测量电路失灵的情况下，同样不再能执行对两个测量电路的测量数据的合理性检查。如在第二测量电路失灵时那样，所述电池组管理系统进入到可用性降低的模式下。所述第二测量电路承担充电状态平衡以及诊断的任务。

可用性降低的模式可以是所谓的跛行回家模式（Limp-Home-Modus），在所述跛行回家模式下限制电池组系统的功率。此外，还可以规定：在可用性降低的模式下向驾驶员显示或者另外地传达（vermitteln）：去修理车间是必要的。

可能的工作（Dienst）的类型、尤其是诊断工作由所使用的测量芯片预先给定。优选地，所述测量芯片被设立用于执行导线断裂诊断和/或漏电诊断。在导线断裂诊断时，通过被建造在所述测量芯片中的电路，针对导线断裂测试在电池组电池与测量芯片之间的连接。经此，导线断裂是可诊断的。在进行漏电识别时，通过被建造在所述测量芯片中的电路，针对漏电检查在电池组电池与测量芯片之间的连接。这种电路从现有技术中是公知的。其它诊断也是可设想的，例如对参考电压的测量，借助所述对参考电压的测量可以验证（verifizieren）测量芯片的精确度。

测量电路的测量芯片和主控制设备例如以菊花链（Daisy-Chain）彼此串联连接成总线系统。特别优选地，两个测量电路分别通过一个菊花链串联连接成总线系统。所述测量数据由主控制设备通过所述例如被设计为SPI通信总线的总线系统来检测和处理。

优选地，所述充电状态平衡通过接上电阻来实现。通过接上电阻，有针对性地使所限定的电池组电池放电，以便实现所有电池组电池的平衡的充电状态。在现有技术中，该方法被公开为电阻式充电状态平衡。

利用从现有技术中公开的任意方法都可实施对控制信道的实现。优选地，所述控制信道具有两根控制导线，所述两根控制导线与主控制设备的主控制输出端联结（verknuepft）。

此外，按照本发明还建议一种计算机程序，当所述计算机程序被实施在可编程的计算机装置上时，按照所述计算机程序执行在这方面所描述的方法之一。所述计算机程序例如可以是用于启动电池组管理系统的模块。所述计算机程序可以被存储在机器可读的存储介质上，例如被存储在永久的或者可重写的存储介质上或者与计算机装置关联地来存储，例如被储存在便携式存储器（如CD-ROM、Blu-ray-Disc（蓝光光盘）、DVD、USB记忆棒或存储卡）上。除此之外地或替换于此地，例如通过数据网络（如因特网）或者通信连接（比如电话线或无线连接），可以在计算机装置上、比如在服务器上或者云服务器上提供所述计算机程序用于下载。

此外，按照本发明还提供一种电池组管理系统（BMS），用于执行上面所描述的方法之一，其中所述电池组管理系统在具有多个电池组电池的电池组的情况下被应用，其中所述电池组电池尤其是可以接线成电池组模块。所述电池组管理系统具有一个主控制设备和两个分别带有多个测量芯片的测量电路，其中所述测量芯片被构造并且被设立用于在所述电池组电池上冗余地检测测量数据并且分别用于执行诊断和对所述电池组电池的充电状态平衡。此外，所述电池组管理系统还具有控制信道，通过所述控制信道可规定所述两个测量电路的等级状态，使得在所述测量电路之一失灵的情况下，所述电池组系统可以转变到可用性降低的模式下并且可以通过所述控制导线设定等级状态，另一测量电路执行对测量数据的检测、执行诊断并且执行充电状态平衡。

优选地，所述电池组管理系统被构造和/或被设立用于执行在这方面所描述的方法。与此相应地，在所述方法的范围内所描述的特征相对应地适用于所述电池组管理系统，而且反之亦然，在所述电池组管理系统的范围内所描述的特征相对应地适用于所述方法。

电池组管理系统的单元可被理解为功能单元，所述功能单元不必在物理上彼此分开。这样，比如当多个功能以软件来实施在控制设备上时，可以以唯一的物理单元来实现所述电池组管理系统的多个单元。所述电池组管理系统的单元也可以以硬件模块来实施，例如通过传感器单元、存储器单元、专用集成电路（ASIC，Application Specific Circuit）或微控制器来实施。

此外，按照本发明还提供一种具有电池组和这种电池组管理系统的电池组系统，所述电池组包括多个电池组电池。所述电池组尤其可以是锂离子电池组或镍金属氢电池组并且可以与机动车的驱动系统连接。

术语“电池组”和“电池组单元”在本说明书中与常用的语言惯用法相匹配地（angepasst）被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，借此可以标明电池组电池、电池组模块、模块分路（Modulstrang）或者电池组包。在所述电池组中，电池组电池优选地在空间上组合并且以电路技术相互连接，例如串联或并联成模块。多个模块可以形成所谓的电池组直接转换器（BDC，Battery Direct Converter）并且多个电池组直接转换器可以形成电池组直接逆变器（BDI，Battery Direct Inverter）。

此外，按照本发明还提供具有这种电池组系统的机动车，其中所述电池组系统的电池组与机动车的驱动系统连接。所述机动车可以被设计为纯电动车辆并且可以仅仅包括电驱动系统。可替换地，所述机动车可以被设计为混合动力车辆，所述混合动力车辆包括电驱动系统和内燃机。在若干变形方案中都可以规定，所述混合动力车辆的电池组在内部可以通过发电机利用内燃机的多余能量来充电。附加地，可在外部充电的混合动力车辆（PHEV，插电式混合动力车辆（Plug-in Hybrid Electric Vehicle））规定了通过外部电网给所述电池组充电的可能性。在如此设计的机动车中，行驶周期（Fahrzyklus）包括行驶运行和/或充电运行作为运行阶段，在所述运行阶段中检测运行参数。

本发明的优点

所介绍的方法描述了测量电路的用于提高电池组系统中的安全性的冗余设计。

有利地，可以通过少量复杂的并且有利的测量芯片、即所谓的传感器前端（Sensor-Front-End）来实现所述方法，使得只形成微小的额外费用。

附加地，还介绍一种方法，在所述方法中，因为在所述测量电路之一失灵时，将管理功能分派给余下的测量电路，所以提高了所述电池组管理系统的稳健性（Robustheit）。这样，在所述测量电路之一失灵时可以容许电池组受限制地运行，使得失灵的测量电路不导致测量的失灵并且不导致车辆停下（Liegenbleiben）。

附图说明

图1示出了按照现有技术的电池组系统的示意图，

图2示出了按照现有技术的充电状态平衡系统的示意图，

图3示出了按照本发明的一个实施例的电池组系统的示意图，以及

图4示出了按照本发明的一个实施方式的充电状态平衡系统的示意图。

图1中的电池组系统1'包括也可被称作BCU（电池组控制单元（Battery Control Unit））的主控制设备2'和具有多个电池组模块4'的电池组16'，所述多个电池组模块4'分别具有自己的测量芯片6'。所述主控制设备2'实施用于控制和监视所述电池组16'的功能。

这里，每个电池组模块4'都示例性地分配有六个电池组电池8'，其中所述电池组电池8'可以串联并且可以部分地附加地并联，以便利用电池组16'实现所需要的功率数据和能量数据。所述电池组16'在电池组接线端子20'上提供电能，例如用于驱动车辆。

在主控制设备2'与测量芯片6'之间的通信通过通信信道14'以及合适的接口10'、12'来实现。

所述测量芯片6'通常控制电池监视单元或模块监视单元（二者均未示出），所述电池监视单元或所述模块监视单元持续地、以所限定的扫描频率将各个电池组电池8'或各个电池组模块4'的运行参数（如电压、电流强度或温度）作为测量值来检测并且将所检测到的测量值提供给测量芯片6'。所述测量芯片6'通过测量导线18'与所述电池组电池8'连接。

图2示出了按照现有技术的电池组系统1'的详细视图，其中示出了电池组模块4'和附属的测量芯片6'。所述电池组模块4'包括六个电池组电池8'，所述电池组电池8'的电池接线端子24'通过电池连接器22'相互串联。所述六个电池组电池8'被连续编号（durchnummerieren）。

所述测量芯片6'通过测量输入端26'量取测量值、例如在各个电池组电池8'上的电压，测量导线18'被引向所述测量输入端26'。此外，所述测量芯片6'还具有控制输出端28'，通过所述控制输出端28'对开关元件30'进行控制，可以关于各个电池组电池8'切换电阻32'，使得可以实现充电状态平衡，所述电阻32'也被称作平衡电阻。

在图2中非常简化地示出了这一点，然而该技术对于本领域技术人员来说是从现有技术公知的。其它的工作（如导线断裂识别）同样通过测量芯片6'的控制输出端28'来操控，其中这一点同样是公知的。

具体实施方式

本发明的实施例在以下附图中被示出并且在随后的描述中进一步被解释。

图3示出了按照本发明的具有一个主控制设备2和多个电池组电池8的电池组系统1，所述多个电池组电池8联接成三个电池组模块4，以便在电池组接线端子20上提供所需的能量。所述各个电池组电池8例如是具有电压范围从2.8至4.2伏特的锂离子电池。除了具有电池组模块4和电池组电池8的电池组16以外，所述电池组系统1还包括电池组管理系统，所述电池组管理系统包括主控制设备2、具有第一类型的测量芯片40的第一测量电路34以及具有第二类型的测量芯片42的第二测量电路36。

第一类型和第二类型的测量芯片40、42例如相同或不同地来构造，所述第一类型和第二类型的测量芯片40、42也可以被称作CSC（电池监视电路（Cell supervision circuit））。第一类型和第二类型的测量芯片40、42通过测量导线18与各个电池组电池8连接，其中所述测量导线18从每个电池组电池8出发在支路38上分岔，以便将每个信号一方面输送给第一类型的测量芯片40而另一方面输送给第二类型的测量芯片42。

第一类型和第二类型的测量芯片40、42通过合适的接口10、12以及通信信道14相互连接，并且此外还分别间接地或直接地与主控制设备2连接，其中所述通信信道14例如可以设计为SPI总线或者被设计为CAN总线。在此，所述通信信道14可以是相同的或者可以是不同的。

通过测量电路34、36对电池组电池8或电池组模块4的运行参数（尤其是电压、电流和温度）进行冗余检测并且此外进行诊断和充电状态平衡，如在下文参考图4进一步描述的那样。经此，可以在一个测量电路34、36失灵时以没有改变的方式来执行所述电池组管理系统的系统任务，这使得电池组系统1安全和稳健（robust）。

图4示出了按照本发明的具有（在上面有示例性的号码1的）电池组电池8的电池组系统1的细节，所述电池组电池8的电池电压通过电池接线端子24、测量导线18、支路38以及测量输入端26被输送给第一类型的测量芯片40和第二类型的测量芯片42。第一类型和第二类型的测量芯片40、42具有控制输出端28，通过所述控制输出端28可以分别操控开关元件30，以便切换电阻32，所述电阻32有针对性地使所述电池组电池8放电。替代于对用于实施冗余测量值检测的第一和第二测量电路34、36的完全双重的接线（Beschaltung），为了即使在所述测量电路34、36之一失灵的情况下也提供充电状态平衡和电池诊断而设置有控制信道44，所述控制信道44借助于第一控制导线46和第二控制导线48来实施并且通过所述控制信道44可规定所述两个测量电路40、42的等级状态。通过所述控制信道44可设定的是，当所述测量电路40、42之一已经失灵时，另一测量电路40、42分别执行对测量数据的检测、执行诊断并且执行充电状态平衡。

为了该目的，在控制导线46、48中设置有状态运算器（Zustandsverknuepfer）50、52。对于每个测量电路40、42来说都设置有一个作为“与”运算的第一状态运算器50。所述第一状态运算器50使测量芯片40、42的控制输出端28与主控制设备2的主控制输出端54连接。此外，还设置有一个作为“或”运算的第二状态运算器52。所述第二状态运算器52使第一状态运算器50的输出端与开关元件30连接。

在正常情况下，由主控制设备2将信号“第一测量电路34 激活”设定到“1”并且将信号“第二测量电路36 激活”设定到“0”。经此，因为所述第一状态运算器50将主控制设备2的“1”与第一类型的测量芯片40的控制输出端28的信号相组合，所以所述第一测量电路34的信号被接受。因为所述第一状态运算器50使主控制设备2的“0”与第二类型的测量芯片42的控制输出端28的信号相互联结，所以所述第二测量电路36的信号被忽略。

通过所述第二状态运算器52、即“或”连接来实现：所述充电状态平衡不仅可以由第一测量电路34来执行而且可以由第二测量电路36来执行。

如果第一测量电路34应该会失灵或有故障地工作，则主控制设备2将信号“第一测量电路34 激活”设定到“0”而将信号“第二测量电路36 激活”设定到“1”。第一测量电路34的所有信号都相对应地被忽略，尤其是有缺陷的第一测量电路34的有故障地生成的信号也相对应地被忽略。

本发明并不限于这里所描述的实施例以及在其中强调的方面。更确切地说，在通过权利要求书所说明的保护范围之内，在本领域技术人员的处理范围内的多个变型方案均是可能的。