CN108139447B

CN108139447B - 交通工具、确定多个串联电池串中电池电压的设备和方法

Info

Publication number: CN108139447B
Application number: CN201680059717.0A
Authority: CN
Inventors: D.施魏克
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2036-10-05
Also published as: DE102015219828A1; WO2017063919A1; CN108139447A; EP3362810A1; EP3362810B1

Abstract

提出一种交通工具、用于确定电化学储能器的多个串联电池（1a，1b，1c，1d，1e，1f）的串（I）中的电池（1b）的电压的一种设备以及一种方法。该方法包括以下步骤：以占空比给低通滤波器（11）的输入端加载输入电压，所述电池（1b）至少参与所述输入电压的实现，调整所述占空比，使得在所述低通滤波器（11）的输出端上的输出电压达到预先定义的值，并且从所调整的占空比确定所述电池（1b）的电压。

Description

交通工具、确定多个串联电池串中电池电压的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种可电驱动的交通工具，一种用于监测多个串联电池的串中的电池的电压的设备以及一种用于确定电化学储能器的多个串联电池的串中的电池的电压的方法。特别地，本发明涉及用于电池电压确定的硬件的简化。

背景技术

电化学储能器用于不同设备和装置的移动能量供应。在混合动力车辆和电动车辆中，现在使用具有大量电池的电池组，以便能够为经济和能量有利的运行提供高的电压。由于电池的容量随着年龄的增加而增加，并且还受到样品分布的影响，因此只能通过监测单个电压来防止电池过充电或过放电。为了监测电池电压，通常使用具有多个多路复用器和模数转换器的电路。在这种情况下，多个电池组电池的电压通过多路复用器被依次输送给模数转换器，该模数转换器将模拟值转换为数字值。随后，通过数据总线将如此转换的电池电压发送到微控制器以进行进一步处理。这种方法的缺点在于合适集成电路的相对高的价格。因此，本发明的目的是提供一种用于检测单个电压的替代方法，通过该方法电池电压检测更便宜。

发明内容

根据本发明，上述目的通过一种用于确定电化学储能器的多个串联电池的串中的电池的电压的方法来实现。电化学储能器例如可以是可电驱动的交通工具的牵引电池组。在第一步骤中，低通滤波器（例如包括欧姆电阻R和电容C）的输入端加载输入电压，所关注的电池至少参与所述输入电压的实现。这以间歇方法并使用预先确定的占空比的情况下进行。换句话说，输入电压特别是为了研究唯一关注的电池而在短暂相继的时间段内接通和又切断。随后，调整占空比，使得在低通滤波器的输出端上的输出电压达到预先定义的值。在达到预先定义的电压值之后，可以从调整的占空比确定电池的电压。通过经由间歇地给低通滤波器加载输入电压来产生在低通滤波器上的输出电压的方式，预先定义的输出电压总是可以与输入电压电平无关地在分析单元（例如微控制器）的相对灵敏的输入端上进行检测和分析。根据本发明在检测之前通过调整占空比可以调整在牵引电池组中可能出现的有时高的电压。换句话说，低通滤波器的电压加载的持续时间用作当前有效的电池（串）电压的指标，并且基于此来确定感兴趣的电池的电压。

从属权利要求示出了本发明的优选的扩展方案。

从调整的占空比确定电池的电压可以包括减去串中的参与输入电压的实现的第二电池的电压。例如，第二电池的电压能够在之前的步骤中已经确定。特别地，第二电池的电压可能已经被确定，而串行电池的串的仅仅一个电池是有效的。换句话说，仅仅一个单独的电池连接到低通滤波器的输入端上。以这种方式，在随后根据本发明确定包括两个或更多个电池的子串电压中，第二电池的电压已经假定为已知的并且从确定的子串电压上减去，以便确定另外的参与输入电压的电池的单个电池电压。以这种方式，可以以迭代方法确定电化学储能器的串的每个电池的电压。

在给低通滤波器的输入端加载的两个分别相继的时间段之间，低通滤波器的输入端可以被短路，以便通过低通滤波器的电阻来减少残留在低通滤波器的电容器上的电压。以这种方式，每个测量可以从相同的状态出发地开始。在将另外的电池接入所测量的串之前，可以自动重复测量以检查获得的结果。替代地，可以仅使用单个加载时间段来关于施加电压检查给定的电池装置（子串）。

根据本发明的第二方面，提出了一种用于监测电化学储能器的多个串联电池的串中的电池的电压的设备。该设备包括多个彼此电串联的电气输入门，所述输入门分别具有第一端子和第二端子。在这种情况下，由于串联连接，第一输入门的第一端子与相邻输入门的第二端子电气相同。该设备还具有多个第一电气开关。附加地设置有第二电气开关和第三电气开关，以便将同样包含的低通滤波器的输入端与输入门连接或者短路低通滤波器的输入端。为了根据上述方法运行电路，还设置有控制单元和分析单元。多个第一电气开关中的每个被配置为将输入门的另外的第二端子与电节点连接。特别是，在低电压电平上运行的输入门的分配给低电位的端子在没有电气开关的情况下与低通滤波器的输入端（例如，低电位输入端或电气地）持久连接。第二个电气开关被配置为，按时序地将节点与低通滤波器在第一时间点连接。第三电气开关被配置为，按时序地在第二时间点（所述第二时间点在第一时间点旁边或在第一时间点之间）短接低通滤波器的输入端。换言之，第三电气开关被配置为，通过低通滤波器的电阻将低通滤波器的电容进行放电。控制单元被配置为，通过第二电气开关以占空比给低通滤波器的输入端加载电压，电池至少参与该电压的实现。如这结合根据本发明的方法已经描述的那样来调整占空比，使得得到低通滤波器的预先定义的输出电压。分析单元相应地被配置用于调整占空比，使得在低通滤波器的输出端上的输出电压达到预先定义的值。为此，低通滤波器的输出端可以与分析单元（可选地包括模数转换器）电连接。如果分析单元报告相对于预先定义的值更低的电压，则有利于接通时间地改变占空比，直至达到预先定义的值。如果低通滤波器的输出电压高于预先定义的值，则有利于切断时间地调整占空比，直到低通滤波器的输出电压下降到预先定义的值。从这样调整的占空比中，确定电池的电压。由于预先定义的电压与低通滤波器的电阻和电容的特征值一样被分析单元已知，因此可以以对于本领域技术人员简单的方式推断出在第三开关上施加的电压（与低通滤波器的输入电压相同）。根据在低通滤波器的输入端上施加的电池电压，如结合根据本发明的方法所描述的那样，可以迭代地确定每个电池的每个端电压。

分析单元可以具有模数转换器，该模数转换器将低通滤波器的所确定的输出电压输送给微控制器，该微控制器例如又可以负责实施根据本发明的方法的步骤。特别是，微控制器可以确定或求取第二开关和第三开关的占空比并且通过控制多个第一开关将所选择的子串与低通滤波器的输入端连接。此外，分析单元可以包括可编程处理器（例如微控制器、FPGA、电子控制设备或诸如此类的）。可编程处理器也可以获得和分析相同储能器和/或其他储能器的其他串和子串的信息。这些信息也可以借助根据本发明的设备或根据本发明的方法已经确定。

控制单元也可以具有可编程处理器，该可编程处理器例如设计成微控制器、纳米控制器、FPGA或电子控制设备。控制单元尤其可以包括分析单元的部分，或者相反。

可选地，该设备还可以包括多个电阻，这些电阻中的分别一个电阻布置在输入门的第二端子与电节点之间。特别地，分配给最低电位的输入门的第一端子可以在没有所述多个电阻中的电阻的情况下来设计。多个电阻可以布置在输入门和多个电气开关的相应电气开关之间和/或布置在多个电气开关的所述电气开关与节点之间。通过这些电阻，可以进行电池之间的电荷平衡，该电荷平衡也被称为“平衡”。

根据本发明的第三方面，提出了一种可电驱动的交通工具，其包括根据本发明的第二方面的设备。可电驱动的交通工具可以设计成可电驱动的自行车或可电驱动的轿车。相应地，根据结合根据本发明的方法和根据本发明的设备所做的实施方案来相应地得出交通工具的特征、特征组合和由此产生的优点。

附图说明

在下文中，参照附图详细描述本发明的实施例。在附图中：

图1是根据本发明设计的交通工具的一个实施例的示意图;

图2是在现有技术中用于电池电压确定的架构的原理电路图;

图3是根据本发明的设备的第一实施例的示意图;和

图4是说明根据本发明的用于确定多个串联电池的串中的电池的电压的方法的一个实施例的步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了作为根据本发明设计的交通工具的轿车10，该交通工具具有驱动电机3和给驱动电机馈电的电化学储能器2作为传动系，该电化学储能器具有多个电池1。为了确定电池1的电压，在现有技术中经常使用根据图2的电路。

图2示出了电池1的串I，该串由包括多路复用器6和模数转换器5的分析单元4按组地监测。在此，多个电池组电池电压依次经由多路复用器6输送给模数转换器5，其将电池电压的模拟值转换为数字值。随后，由微控制器（未示出）经由数据总线12发送如此确定的电池电压以用于进一步处理。由于所需的集成电路，所示架构是相对昂贵的。

图3示出了根据本发明的用于监测电化学储能器（图1中的附图标记2）的多个串联电池1a，1b，1c，1d，1e，1f的串I中的电池1b的电压的设备的一个实施例的原理电路图。电池1a至1f与相应输入门的端子电连接，所述输入门的相应的第二端子经由电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6和与所述欧姆电阻串联的开关S1，S2，S3，S4，S5，S6与电节点8连接。电节点8经由作为第二开关的MOSFET S_H与包括欧姆电阻Rc和并联到输出端上的电容器C的低通滤波器11的输入端连接。在MOSFET S_H和电阻Rc之间连接和配置有第二MOSFET S_L作为第三开关，响应于经由控制线9a的控制信号由分析单元4的微控制器7将低通滤波器11的输入端短路。相同的微控制器7被配置成，经由控制线9b发送时序信号以用于按时序地切换MOSFET S_H，该MOSFET S_H根据当前用于给电容C充电的电池1a至1f必须更长或更短地接通，以便在分析单元4的模数转换器5的输入端上产生通过微控制器7预先定义的电压。替代地或附加地，经由处于微控制器7的控制下的（未示出的）门单元（“门驱动器”）来进行MOSFET S_L，S_H的控制。利用所示出的测量方案，在每个电池抽头上安置电阻R1至R6，其经由开关S1至S6引导至节点8。通过MOSFET S_L，低通滤波器11的输入端可以与电气地连接。借助于微控制器7，调整两个MOSFET S_H和S_L的占空比，使得所定义的电压在模数转换器5上转换并且由微控制器7检测。从所使用的占空比和当前测量的以及之前确定的单个电池电压可以推断出当前的电池电压。利用在设备的每个连接分支或通道中的欧姆电阻R1至R6，可以通过同时闭合两个相邻的开关S1至S6来对所连接的电池1a至1f进行放电或“平衡”该串。

图4示出了根据本发明的用于确定电池的电压的方法的一个实施例的步骤。在步骤100中，低通滤波器的输入端加载输入电压，该电池至少参与了该输入电压的实现。换句话说，应该关于其端电压进行研究的电池是以下那些电池的至少一部分，所述电池当前电连接到低通滤波器的输入端上。给低通滤波器加载输入电压以以下占空比进行，该占空比在步骤200中被调整成，使得在低通滤波器的输出端上的输出电压达到预先定义的值。为此，可以调节占空比，直到输出电压对应于预先定义的值或满足预先定义的容差范围。随后，在步骤300中从所调整的占空比确定有关电池的电压。在这种情况下，除非仅仅一个单个电池接通至低通滤波器的输入端，否则从确定的电压值中减去所含电池的每个已知的电压。换句话说，有关电池的电压作为所确定的电压减去当前有效的子串的全部的、之前已经（例如根据本发明）确定的电池电压的差值而得出。

本发明能够实现借助脉宽调制（PWM）调节的占空比来确定多个串联电池的电压。在此总是确定电压抽头的电位。因此，从最低电池开始，可以确定每个单个电池电压。为此使用滤波器，该滤波器由包含在包中的电池之一馈电。力求在分析单元或模数转换器的测量输入端上实现定义的目标电压。该目标电压能够实现最好可能的控制，并且因此实现模数转换器的最好可能的灵敏度。该目标电压通过分析单元（例如微控制器）进行调节。所产生的占空比使得推断出抽头的电压：

。

本说明书的附图分别具有六个电池或输入门，而对于本领域技术人员而言显而易见的是，根据本发明的方法以及根据本发明的设备可以扩展或限于任何数量串联的电池。

本发明能够实现节约成本的、因为节省部件的装置，其中电池电压的测量可以独立于部件参数地进行。此外，可选地提出用于电荷平衡或电池单衡的集成架构。借助本发明而对结果有利的是，通过第二控制线控制第二电气开关（在根据图3的示例中为MOSFET S_H）的PWM通道的高的分辨率。

Claims

1.用于确定电化学储能器（2）的多个串联电池（1a，1b，1c，1d，1e，1f）的串（I）中的第一电池（1b）的电压的方法，包括以下步骤：

- 以占空比给低通滤波器（11）的输入端加载（100）输入电压，所述第一电池（1b）至少参与所述输入电压的实现，

- 调整（200）所述占空比，使得在所述低通滤波器（11）的输出端上的输出电压达到预先定义的值，并且

- 从所调整的占空比确定（300）所述第一电池（1b）的电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

- 从所调整的占空比确定（300）所述第一电池（1b）的电压包括减去所述串（I）的第二电池（1a）的电压，所述第二电池参与所述输入电压的实现。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在加载输入电压的分别两个相继的时间段之间将所述低通滤波器（11）的输入端短路。

4.用于监测电化学储能器（2）的多个串联电池（1a，1b，1c，1d，1e，1f）的串（I）中的第一电池（1b）的电压的设备，包括：

- 多个彼此电串联的电气输入门，所述电气输入门分别具有第一端子和第二端子，

- 多个第一电气开关（S1-S6），

- 第二电气开关（S_H），

- 第三电气开关（S_L），

- 低通滤波器（11），

- 控制单元（7），和

- 分析单元（4），其中

- 多个第一电气开关（S1-S6）中的每个被配置成，将所述电气输入门的相应第二端子与电节点（8）连接，

- 第二电气开关（S_H）被配置成，按时序地将所述电节点与所述低通滤波器（11）在第一时间点连接，

- 第三电气开关（S_L）被配置成，按时序地在第二时间点短接所述低通滤波器（11）的输入端，

- 并且所述控制单元（7）被配置成，经由第二电气开关（S_H）以占空比给所述低通滤波器（11）的输入端加载输入电压，所述第一电池（1b）至少参与所述输入电压的实现，并且

- 所述分析单元（4）被配置成，

- 调整所述占空比，使得在所述低通滤波器（11）的输出端上的输出电压达到预先定义的值，并且

- 从所调整的占空比确定所述第一电池（1b）的电压。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述分析单元（4）被配置成，

- 通过以下方式从所调整的占空比确定所述第一电池（1b）的电压，即减去所述串（I）中的参与所述输入电压的实现的第二电池（1a）的电压。

6.根据权利要求4或5所述的设备，还包括：

- 确定所述第二电池（1a）的电压，

- 确定所述串的第一和第二电池（1a，1b）的串联电路的电压，并且

- 从所述串（I）的第一和第二电池（1a，1b）的串联电路的电压中减去所述第二电池（1a）的电压。

7.根据权利要求4或5所述的设备，其中

- 所述分析单元（4）被配置成，在加载输入电压的分别两个相继的时间段之间将所述低通滤波器（11）的输入端短路。

8.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述分析单元（4）包括：

- 模数转换器（5）和/或

- 可编程处理器。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述可编程处理器是微控制器。

10.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述控制单元（7）包括：

- 可编程处理器，和/或

- 门单元。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述可编程处理器是微控制器。

12.根据权利要求4或5所述的设备，还包括：

- 多个电阻（R1-R6），所述多个电阻中的分别一个电阻布置在所述电气输入门的第二端子和电节点（8）之间。

13.可电驱动的交通工具（10），包括：

- 根据上述权利要求4至12之一所述的设备。