电池系统和用于运行电池系统的方法与流程

本发明涉及一种用于机动车的电池系统，以及一种用于运行电池系统的方法。

背景技术：

由一般现有技术已知各种各样的电池系统作为电动机的电流与电压源。根据一种方案，为了实现所期望的电流与电压模式，将多个电池单元和/或模块彼此串联连接。在常规系统中仍经常安装的刚性(starr)串联连接的情况下，对各个电池单元进行接通和关断(zu-undabschaltung)是困难甚至不可能的。这尤其导致在所期望的电池系统故障安全方面的问题。

在这类系统中的一个主要问题由用于各个电池单元的所谓均衡(balancing)的通信开销产生。在此，必须以较高的数据速率向上级控制设备供给各个电池单元的测量值，然后可以决定，哪个电池单元吸取能量而哪个电池单元不吸取能量。高数据速率源于依次为所有电池单元进行该决定的必要性，因为这在电池系统中不能进行并行处理。

该问题可以通过如下方式来处理：可以通过向每个电池单元级(zellebene)分配一个子控制设备。由此，电池单元级能够自主进行决定。即，在这种情况下，例如仅还向各个控制设备同时预给定其需要接通的接通概率就足够。如果由电池单元所提供的电压总量过低，上级控制设备可以提高概率预给定，以强制其他电池单元接通。相反地，在供给电压需求降低的情况下，例如在低行驶速度的情况下，可以降低概率预给定，以允许较弱的电池单元提升到其他电池单元的荷电水平。由us2010/261048a1得知一种用于运行电池系统的通用教导。

但在前面所描述的方法中，向各个子控制设备进行可靠供电仍是难点。由于分配给子控制设备的电池单元的可能的故障，子控制设备应该尽量不由其所分配的电池单元供电。另一个难点是各个子控制设备与上级控制设备的双向通信。一方面，各个电池单元级必须获得上级控制设备的预给定，另一方面，上级控制设备需要来自各个电池单元的信息。

技术实现要素：

在本发明的范畴内，提出一种根据权利要求1的电池系统，该电池系统至少部分地对前面所描述的问题进行考虑。此外，还提出了一种根据权利要求7的、用于运行这种电池系统的方法。由说明书、从属权利要求和附图得出本发明的有利实施方式。在此，结合该电池系统进行描述的特征和细节显然也结合根据本发明的方法地适用，并且反之亦然，从而在各个发明方面的公开的方面，总是彼此参照或可以彼此参照。

根据本发明的第一方面，提供一种用于机动车的电池系统。该电池系统具有操控单元、一个主控制设备、多个子控制设备，以及多个电池单元，其中，为了从子控制设备进行数据检测，操控单元与子控制设备存在信号连接，并且为了从所属的电池单元进行数据检测，每个子控制设备分别与电池单元存在信号连接，其中，为了向子控制设备供给能量，主控制设备与子控制设备电连接。

在本发明的范畴内已知，能够通过与操控单元分开布置的主控制设备向子控制设备可靠地供给电流和电压，并且通过主控制设备能够以双向的方式同时地实现子控制设备、主控制设备以及操控单元之间的信息交换。

根据本发明地，提供一种具有多个下级子控制设备和一个上级主控制设备的电池系统。为了向子控制设备供给能量，主控制设备可以通过时钟(getaktete)电压信号与子控制设备电连接。即，上级主控制设备可以生成具有可预定义的电压信号的时钟信号(takt)作为脉冲序列，由此向各个子控制设备供给能量或电流和电压。在本发明范畴内的大量试验中已证实，为了向子控制设备供给能量，主控制设备以具有在1khz和1mhz之间范围的、尤其在50khz和200khz之间范围的频率的时钟电压信号与多个子控制设备或相应的子控制设备存在信号连接。

根据本发明，子控制设备分别附加地表示一个电流阱(stromsenke)。即，子控制设备不仅分别从脉冲信号提取自供给(eigenversorgung)，还提取附加的电流。类似地，可以以在1ma与10ma之间范围的大小提取该电流。因此，例如可以将关于相应的电池单元的荷电状态(soc)的信息告知上级主控制设备。因为这可以在所有的子控制设备中同时进行，所以可以实现在无明显延迟的情况下并且尤其在电池系统的常规运行期间通过上级主控制设备获得关于总体上可供使用的载荷或相应电流的信息。接下来，通过总电流的大小可以求取整个系统在持续运行中的可用性。

根据本发明，每个子控制设备分别与电池单元存在直接的信号连接，尤其电连接。在此，“信号连接”尤其可以理解为用于双向数据交换的数据连接。可以但不必须通过信号连接来引导电流。在此，“电连接”理解为至少两个功能部件之间的以电缆或电线连接的、机械的连接。通过电连接或相应的连接线路或连接线路布置可以传输电流和电压，但同时也可以传输数据。

电池系统优选理解为用于向电驱动单元、尤其电动发动机供给功率以驱动机动车的电池系统，其中，机动车相应地可以构型为纯电动车或混合动力电动车的形式。在此，机动车可以理解为道路车辆，例如载客车和载重货车、轨道车辆、水上车辆、飞行器和/或机器人。此外，该电池系统可以在稳定的系统(例如与可靠性重要相关的电池存储系统)中得到应用。

操控单元可以以用于机动车的驱动设备的操控单元的形式来构型。因此，操控单元可以配置和构型为机动车的电动机的操控单元或相应的控制设备。在这种情况下，主控制设备在功能技术上不直接分配给电动发动机，而是分配给子控制设备，并且由此分配给电池单元。

“数据检测”可以理解为同时的或按时间顺序的测量和计数，必要时包括用于可测量的或可计数的数据和相关数据组的时间戳(zeitstempel)。主控制设备可以与每个子控制设备直接或间接地电连接。即，在主控制设备和子控制设备之间还可以分别布置有至少一个其他的功能部件。

根据本发明的另一个实施方式可以实现，在电池系统中，为了向子控制设备供给能量，主控制设备与子控制设备通过第一信号路径和第二信号路径电连接，其中，第一信号路径和第二信号路径分别配置和布置用于向子控制设备供给能量。在此已证实，电流或能量供给的冗余配置导致更多的优点。通过如下方式可以进一步防止主控制设备和子控制设备之间供给和通信的故障：第一信号路径和第二信号路径分别配置和布置用于向子控制设备供给能量。此外，如果以其他信道的信息或第二信号路径的信息来校验信道的、或例如第一信号路径的信息，则可以在持续运行中进行可信度检验(plausibilisierung)。如果例如通过第一信号路径确保运行所必需的基本电流供给，但通过相邻的第二信号路径确保其他的脉冲、并且因此确保模拟的电流信息，则也可以检查能量供给的冗余。

此外，可以在根据本发明的电池系统中，为了主控制设备与子控制设备之间的电位隔离，在主控制设备和子控制设备之间分别布置有一个电容器或线圈装置。并联电容式地通过电容器对各个电池单元级进行电压相关的隔离，在所使用的电容器的所必需的电容方面具有优点。然而也可以串联电容式地进行隔离。这导致在电容器的数量和介电强度方面的优点。替代地，也可以通过电感组件——如前面所提及的线圈装置——进行隔离。这里也可以串联地或并联地进行隔离。此外，还可以有其他的耦合可能性，例如通过自耦变压器(spartransformatoren)。

“在主控制设备和子控制设备之间布置有以电容器或线圈装置为形式的功能部件或功能部件组”可以理解如下：在主控制设备和第一子控制设备之间布置有第一功能部件，在主控制设备和第二子控制设备之间布置有第二功能部件，以及在主控制设备和任意其他的子控制设备之间布置有任意其他的功能部件。

如前面所提及的，在根据本发明的电池系统中，电容器或线圈装置可以彼此串联地或并联地连接。这由此尤其可以根据结构和对本电池系统的要求可匹配地提供。相应地，在根据本发明的电池系统中，电容器或线圈装置可以彼此并联连接。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于运行如前面所详细阐述的电池系统的方法。在该方法的范畴内，通过子控制设备与主控制设备之间的电连接向子控制设备供给能量。因此，根据本发明的方法导致与已参照根据本发明的电池系统所详尽描述的那样相同的优点。

该方法可以自动通过计算机程序来执行或被执行。即，在本发明的范畴内，可以提供一种用于设置或控制和/或调节电池系统的计算机程序，该计算机程序存储和/或安装在介质上地配置和构型用于执行根据本发明的方法。该计算机程序能够以任何适合的编程语言，例如java、c++或c#，实现为计算机可读的指令代码。该计算机程序可以存储在计算机可读的存储介质(如数据磁盘、可移动驱动器(wechsellaufwerk)、易失性或非易失性存储器，或内置的存储器/处理器)上。指令代码可以对计算机或其他可编程设备(如控制设备)如此进行编程，从而实施所期望的功能。此外，在网络(例如互联网)中可以提供或被提供计算机程序，该计算机程序可以在需要时由用户从网络进行下载。既可以借助软件实现，也可以借助一个或多个特定的电子电路(即以计算机程序产品的形式的硬件)或以任意混合形式(即借助软件组件和硬件组件)来实现该计算机程序。

此外，还可以通过子控制设备与主控制设备之间的电连接，通过时钟电压信号向子控制设备供给能量。由此可以省去以电池单元形式的能量源。

在本发明的另一个变型构型方案中，可以通过主控制设备将可调脉冲式的电压信号作为用于求取子控制设备的运行状况和/或老化状况的代码并向子控制设备进行传递。该脉冲的布置可以实现，向子控制设备或分别向子控制设备中的一个子控制设备数字地传递各个代码。通过一个或多个代码例如可以要求故障控制设备将此告知主控制设备。因为在通过来自上级的主控制设备的代码也可以对各个子控制设备直接寻址，各个子控制设备也可以选择性地注入电流并且告知上级的主控制设备。

以上所描述的过程可能是相对时间开销高的。在已在本发明范畴内执行的试验中已证实，由主控制设备直接向相应子控制设备单个地传递代码是有利的，其中，这在电池系统的启动过程(startvorgangs)或起动(hochfahrens)的期间执行。在此未能确定不利的彼此作用。

附图说明

其它改善本发明的措施由以下对本发明的若干在附图中示意性示出的实施例的说明得出。所有由权利要求、说明书或附图得知的特征和/或优点，包括结构性的细节和空间布置，既以本身又以各种各样的组合可以是本发明关键性的。

附图示出：

图1示出用于阐述根据本发明第一实施方式的电池系统的框图；

图2示出用于阐述根据本发明第二实施方式的电池系统的框图；

图3示出用于阐述根据本发明第三实施方式的电池系统的框图；

图4示出用于阐述根据本发明第四实施方式的电池系统的框图；

图5示出用于阐述根据本发明第五实施方式的电池系统的框图。

具有相同功能和工作方式的元件分别以同样的参考标记在图1至图5中进行表示。

具体实施方式

图1示出根据第一实施方式的用于机动车的电池系统1a。电池系统1a具有以用于机动车的电动机2的发动机控制设备的形式的操控单元3并且具有一个主控制设备4和多个子控制设备5。此外，该电池系统具有分配给子控制设备5的多个电池单元6。为了从子控制设备5进行数据检测，操控单元3与子控制设备5存在信号连接。为了从所属的电池单元6进行数据检测，每个子控制设备5还分别与一个电池单元6存在信号连接。此外，为了向子控制设备5供给能量，主控制设备4与子控制设备5电连接。为了以约100khz的时钟电压信号向子控制设备5供给能量，主控制设备4与子控制设备5电连接。为了在主控制设备4和子控制设备5之间进行电位隔离，在主控制设备5和子控制设备5之间分别布置有一个电容器9。电容器9彼此并联连接。

图2中示出根据第二实施方式的电池系统1b。在图2中所示出的电池系统1b中，为了向子控制设备5供给能量，主控制设备4通过第一信号路径7和第二信号路径8与子控制设备5电连接，其中，第一信号路径7和第二信号路径8分别配置和布置用于向子控制设备5供给能量。电容器9彼此并联连接。

图3中示出根据第三实施方式的电池系统1c。在图3中所示出的电池系统1c中，电容器9串联连接。

图4示出根据第四实施方式的电池系统1d，在该电池系统中，替代电容器9提供电感式的线圈装置10。根据图4中示出的实施方式，线圈装置10彼此并联连接。

图5中示出根据第五实施方式的电池系统1e。在图5中所示出的电池系统1e中，线圈装置10串联连接。

接下来，参照图1阐述一种用于运行所示出的电池系统1a的方法，在该方法中，通过主控制设备4与子控制设备5之间的电连接向子控制设备5供给能量或电流和电压。更准确地说，通过子控制设备5与主控制设备4之间的电连接借助时钟电压信号向子控制设备5供给能量。在此，通过主控制设备4将可调脉冲式的电压信号作为用于求取子控制设备5的运行状况的代码向子控制设备5进行传递，其中，由主控制设备4直接向相应的子控制设备5单个地传递该代码。由于该过程可能要求相对多的时间，这在电池系统1a的启动过程期间或在电池系统1a的起动期间执行。

除所示实施方式以外，本发明还允许其他构型原则。也就是说，本发明不应被视为局限于关于附图所描述的实施例。