CN117897967A - 用于电池系统的检控设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电池系统的具有控制装置的检控设备，所述电池系统具有一定数量的储能单体，它们不仅与控制装置连接、而且还彼此连接，其中，各储能单体分别设置有单体监测电路，所述单体监测电路具有附接的传感器。为了消除可扩展性方面的、较大电池系统的尽可能准确的检控方面以及监测方面的缺点，本发明提出，在所述电池系统(1)内设有彼此连接的储能单体(4)的和/或模块(Mod)的下级组(5)，每个下级组(5)分别具有微主机(7)，相关的所述下级组(5)的全部单体监测电路(CSC)附接在所述微主机上，所述微主机(7)构造用于对所述单体监测电路(CSC)的全部数据进行分析评估和过滤，并且附接在带有所述控制装置的电池管理系统(BMS)上，以便数据传送。

Description

用于电池系统的检控设备

技术领域

本发明涉及一种用于电池系统的检控设备，电池系统具有一定数量的储能单体和/或模块，它们不仅与控制装置连接、而且还彼此连接。

背景技术

当前，含件数越来越大的电池系统进入驱动器市场，尤其进入载客车辆、商运车辆或载重车辆等现代汽车市场，但同样也有静态的应用。在此由现有技术已知，由于对电池系统的电功率要求非常不同，电池系统也基于基础电池单体而非常不同地构造。为了在新的应用情形中避免完全全新结构，研发出了可扩展的高压电池，对此，在过去的数年中提出了简称CTP的数种cell-to-pack工艺(“电芯一电池包”工艺，即无模组电池工艺)，它们同样作为优化电池包的功率密度的方法。这一趋势通过简称CTC的cell-to-chassis方案(“电芯一底盘”方案)得到延续，在其中，电池单体直接设置于底盘中、而非设置在共同壳体内的车底板中。借此，至少部分地省去了沉重的壳体和用于将基础电池单体整合成模块的下壳体，从而在相同的结构空间中可装配相对更多的具有相应连接部的电池单体。通过提到的方案，电池模块成长为所谓的包，其中，用于由多个包组成的电池系统的高压部件(例如接触器)的数量同样得到优化、并借此一起显著降低。

发明内容

本发明的任务在于，通过提到类型的电池系统中的检控设备来减轻在前文简述的工艺趋势框架中尤其相关于控制装置结构或其复合性而产生的缺点。

当前，例如通过CAN(controller area network，控制器局域网)总线实现对包中的单体的监测，同样通过CAN总线调节包控制器和电池管理系统BMS的连接。已知的控制装置结构和控制装置通讯借此带来原理性缺点，在电池包中所含的基础储能单体数量方面，这些缺点使自由的可扩展性以及包在明显增大方面面临技术局限。当电池系统内储能单体的数量很大时，单体传感机构的采样频率必须越来越受到节制，以便总地还能够掌控控制装置通讯的数据往来。借此，用于确定各个单体状态的算法准确度必将下降。

根据本发明，前述任务通过权利要求1的特征以如下方式解决，即电池系统内设有彼此连接的储能单体的和/或模块的下级组，每个下级组分别具有微主机，相关的下级组的全部单体监测电路附接在微主机上，并且每个单体监测电路CSC构造用于通过每个储能单体的附接的传感器对单体电压和温度进行分析评估，其中，这些单体监测电路CSC构造用于将监测数据发送给微主机，并且每个微主机构造用于对附接的单体监测电路CSC的全部分析评估数据进行分析评估和过滤。每个微主机附接在带有控制装置的电池管理系统上，以便数据传送。

尽管在每个单体上和/或每个模块上设置的单体传感机构的采样频率较高、也尽管存在借此持续的对每种状态的准确监测，根据本发明的方案通过连接部的或网路的一个级到后续级的各个微主机中的分析评估和过滤，使数据量分别减少到必要的度，因为仅续发重要的信息、例如关键的相对平均值的偏差。通过借助分析评估和过滤的对数据量的这一预处理，基础的储能单体的总数量甚至在对电池系统中每个单独的单体监测时明显提升，而附属的电池管理系统BMS不会因数据流过载。跟随这一方案，能够在自由的空间上的分布中有利地灵活实现非常大的电池系统。在通过数据线连接成网路时，借助在上游通过微主机对数据量过滤，分为下级组的类型，这服务于均衡，并且此外同样在大小不同的情形中能将该下级组几乎完全灵活地连接至所有运行状态下均由中央检控和控制的电池系统。

有利的变型方案是从属权利要求的对象。因此，单体监测电路作为从机构造，以便将监测数据经由数据线发送给附属的微主机。在本发明的一种实施方案中，单体监测电路之间的数据线构造成环线，以便将监测数据发送给微主机。这一环线有利地双向构造，从而此外数据线的简单断开不会使数据续发完全停摆。

特别优选的是，本发明的一个实施方案里，各模块中的每个模块中，相对各个储能单体的高压层面以及储能单体的连接部，在低压层面上实现数据线或总线线路的电势分离。所述分离有利地发生于单体监测电路中。可选的或附加的是，在本发明的一个实施方案中，高压层面和低压层面之间存在隔离障，所述隔离障位于微主机内。

单体监测电路CSC是一种刚性的微电子电路，作为从机的所述单体监测电路此外仅仅收集和续发基础储能单体上的传感器的预定数据或基础储能单体中的传感器的预定数据，而作为中间层的微主机有利地是一种配设有自己的软件的数据预处理层级，它连在数据由单体监测电路CSCs到作为实际控制装置的电池管理系统BMS的续发链中间。借此，除了具有实际控制装置的电池管理系统BMS或处于实际控制装置中的电池管理系统BMS以外，微主机同样有利地可更新，这优选地通过由外部装入更新的软件实现。以此，根据本发明，检控设备分级地构造成彼此相连的信号处理和数据处理装置的跨各个分离的层面的可以说分布于下级层级上的数量。通过引入具有微主机单元的中间层面，检控设备此时是能够以某种方式扩展的，并且电池系统的相应大小可适配地构造，这根据已知方案在技术上从未能够实现。由于为每个微主机设置由彼此连接的储能单体构成的各下级组、以便进行电适配以及将数据减少到最小程度，所以同样可通过检控设备管理并监测不同构造的下级组的几乎完全自由的数量。在此，储能单体可以是基础储能单体、或者同样可以是固定连接的基础储能单体的组。

数据线以有利方式作为双向的环状总线实施，以便将监测数据发送给微主机。此处优选地设有双线总线，所述总线尤其构造成未受屏蔽的双绞线或者说UTP线。

本发明的一种优选实施方案中，isoS PI(隔离型串行外设接口)协议可应用于双线数据线。借此，尤其在各模块中的每个模块中实现电势分离。通过数据线的相对高压层面的电势分离，信号处理部的全体组件都得到保护。借此，本发明的该实施方案作为本发明的有利变型方案包括主机单元的应用，呈电池管理系统BMS形式的所述主机单元得到预过滤的数据，预过滤的所述数据以在稳定可靠的用于处理的总线上相应地减小的数据传输率，被供至呈一定数量的电储能单体构成的每个模块的每个微主机形式的上游层面。

在本发明的一个实施方案中，电池管理系统BMS作为高压分线盒的组成部分，通过用于高压和用于低压的插头而与储能单体的至少一个单元相连。如果存在储能单体的多个单元，那么其相互间的电连接可任意设计成串并联电路混合，以便在额定电流的情形中展示预设电压层面。高压分线盒始终通过用于高压和用于低压的分离的端子或插头而附接在这一由高压侧上的基础储能单体构成的连接部上、以及附接在低压侧上的数据通讯部上。通过插头的分离，一方面，出现损坏的情形中可实现快速更换，但另一方面，同样可使具有种类、构造和连接部方面的变体的单元的几乎任意配置附接在高压分线盒上，而不会出现因来自各个单元的过大的数据量所造成的电池管理系统BMS过载。

附图说明

后文结合实施例且借助附图来进一步阐述根据本发明的实施方案的其它特征和优点。在示意性的图中：

图1示出用于电池系统的检控设备的一种实施例的图解；

图2示出有所变化的用于拓展电池系统的图1实施例；

图3示出有所变化的图2实施例，以便呈现电池系统的另一类型的拓展；

图4示出电池系统的可选的示图。

在不同的附图展现中，始终将相同的附图标记用于相同的元件或方法步骤。对本发明无限制的情形下，后文以汽车形式的载客车辆中的使用为背景，仅展示并说明本发明实施例的使用。但对技术人员显而易见的是，后文说明的检控设备能以相同的方式适配于其它运输工具、例如带有电驱部的飞机或船只，以及适配于例如用于电力供应等静态的应用。

具体实施方式

根据现有技术，已知的检控设备同样为电池系统的自由可扩展性和电池包在其中包含的基础储能单体及其它内容物的数量方面的明显增大带来技术局限。当电池系统具有的储能单体数量非常大时，单体传感机构的采样频率必须越来越受到节制，以便总地还能够掌控电池管理系统中的数据往来。随着应监测的储能单体的数量上升而必然减小的采样频率，算法的准确度和可靠度原则上同样下降，所述算法恰以该采样频率为基础而得以应用，以便确定和更新各个单体的各状态。单体充电状态SOC和单体老化状况SOH的基础值变得越来越不准确。

图1示出具有检控设备2的电池系统1的实施例的图解，现将它作为已描述的电池系统1中的基础单体3或模块Mod的数量越来越大时用于单体监测的检控设备2的准确度和可靠度下降的问题的解决方案加以说明。在根据本发明的解决方案中，同样同时减小了适配于不同构造的和/或不同规格的电池系统1时的研发耗费与制造耗费。

所述电池系统1在高压分线盒或者说HVJB 4上具有朝外分开的用于高压HV的插头eHV-Plug，和用于低压LV的插头eLV-Plug或者数据线。在所述高压分线盒4中，除了有在低压层面LV运行的电池管理系统BMS外，还装有用于所述高压层面的两极的测量分流器SHN、接触器MSW和至少一个针对电过载的保险部F，所述电池管理系统通过总线系统与接触器MSW的模拟操控部相连，还与测量分流器SHN的值的以及附接的基础储能单体4的温度值、充电值的处理部相连。

在该实施例中，所述高压分线盒4越过物理界线、经由分离的用于高压HV的插头HV-Plug和用于低压LV的插头LV-Plug而与电单元5相连。所述单元5由串联电路构成，而所述串联电路此处例如由八个模块Mod1至Mod8构成。此处示出的模块Mod i同样可以是基础的储能单体4，所述储能单体分别支配有自己的单体监测电路CSC_i，以便确定相关的模块Mod i的温度和电压。作为不可变电路的每个单体监测电路CSC以半导体芯片的形式实施，并且服务于限定地收集附接在其上的传感器的预设数据，例如电压和温度。此时，这些测量数据经由总线6、此处经由ISO-SPI总线传递给作为所述单元5的上级控制器的微主机7。此处以星状结构简化示出所述总线6，但它现实中如后文所述作为环状总线实施。以减少数据为目标，所述单元5的八个单体监测电路CSC1-CSC8的这些数据以减少数据量为目标在所述微主机7中得到过滤，并且以浓缩到少量的关键数据或重要数据为目标进行预处理。借此，所述单元5的全部模块的由单体监测电路CSC1-CSC8得到的数据并不是全部都经由凭借插头实现的低压接口从所述单元5出发且通过CAN总线、K115总线或K130c总线抵达电池管理系统BMS。所述微主机7中的预处理和过滤使数据流量明显减小，并且使所述电池管理系统BMS的负载猛烈降低。

单体监测电路CSC是刚性的电路，它仅仅收集和续发传感器的预定的数据等等。与之相反的是，微主机7构造具有自己的软件的起预处理作用的层级，所述层级连在由单体监测电路CSCi到检控设备2内作为实际控制装置的电池管理系统BMS的数据续发的链中间。除了所述电池管理系统BMS，每个微主机7同样是可更新的。

通过已说明的构造，两个零件、即高压分线盒4和单元5是单独的单元，它们通过插头彼此相连。借此，这些零件在有损坏的情形中彼此独立且同样可快速更换。该构造的实际优点却借助图2明确，图2示出用于拓展所述电池系统1的图1实施例的改变形态。为此，在通过虚线标出的物理界线的另一侧，串联电路此处例如由两个内部相同构造的单元5、通过分离的用于高压HV的插头HV-Plug和用于低压LV的插头LV-Plug或者数据线而附接于图1说明的高压分线盒。

在所述电池系统1内，所述单元5构造相互连接的储能单体3的下级组，或者在另一实施例中由模块Mod构成，其中，每个下级组5分别具有用于通过附接在各单体监测电路CSC上的传感器对单体电压和温度进行分析评估的微主机7。所述微主机7构造用于对此处八个单体监测电路CSC的全部数据进行分析评估和过滤，并且经由数据线8附接在电池管理系统BMS上。然而在此处，所述两个单元5的每个单元的附属的微主机7中的每个CSC的各测量数据的预处理，有利地并不因伴随聚焦到偏差或聚焦到其它预定义的引起注意的事项的过滤而引发数据翻一番。在此后仅一个检控设备2中，通过对全部测量数据的预处理，仅将视作重要的被滤出数据和/或已预处理的数据续发至所述电池管理系统BMS、以便进行处理，并且数据量借此明显减少。

图3示出有所变化的图2实施例，以便呈现电池系统1的另一类型的拓展。此处，在所述物理界线的另一侧，两个单元5的并联电路通过分离的用于高压HV的插头HV-Plug和用于低压LV的插头LV-Plug而附接于图1说明的保持不变的高压分线盒4。两个单元5中的每个单元的附属的微主机7中的每个单体监测电路CSC的各数据的预处理仍然不会使必须续发至所述电池管理系统BMS且在那里得到处理的数据流量成比例地增大。借此，在用于已按另一类型拓展的电池系统1的所述检控设备2中，后续同样仅必需一个作为微主机的电池管理系统BMS，这当然同样适用于范围更广的拓展以及单元5的串联、并联连接的混合。为此，所述单元5自身同样还相关于单体3或模块Mod的数量而有差异地构造，从而此处得到新的自由度，以便优化空间利用。

在强调所述检控设备2内由所述电池管理系统BMS到基础储能单体3的各个单体监测电路CSC的、具有可扩展数量的环状总线系统6的总线8的内部结构的情形下，图4以简图示出电池系统1的可选的示图。因此，在该示图中，仍不考虑用于在所述电池系统1的外部接线端或极上提供预定电压层面和电流的模块的电连接的每个类型，并且出于概览性因素将其隐去。

在该实施例中，每六个基础单体3与一个单体监测电路CSC连接组成一个模块Mod。每个单体监测电路CSC包含用于将所述高压层面HV与邻近的低压层面LV分离的隔离阻障，并且在通过点划线标明的隔离阻障的另一侧构造成具有两个端口即端口A、端口B的从机。具有用于数据传输的双线数据线的36个单体监测电路CSC附接在微主机7上，所述双线数据线作为双向的环状总线6实施，以便提高故障安全性。这一设置构造了下级组5。基于概览性因素仅分别示出具有附属的单体监测电路CSC的第一模块Mod和最后的模块Mod。所述微主机7分别过滤和减少由36个附接的单体监测电路CSC连续获取的、具有温度实时值和电压实时值的传感器数据。

所述微主机7可以说作为其各自的下级组5的前端，通过ISO SPI数据线8附接于所述电池管理系统BMS。多个微主机7的使用使得调高呈单体监测电路CSC形式的传感机构的采样频率成为可能，因为后续多个微主机7将许多数据点预过滤并且仅将复合的值传递给作为系统主机的所述电池管理系统BMS。此时，所述电池管理系统BMS仅还在明显缩小的数据范围内处理复合的值，但这基于大量测量位置的非常多的探测。由此得到通过算法确定的各单体状态及其更新的高准确度和可靠度。

在另一实施例中，将所述隔离障从所述单体监测电路CSC的区域转移进所述微主机7中。这在图4中凭借更细的点划线L标明。用于高压层面HV和低压层面LV之间电分离所需的解耦元件数量通过这一步骤明显降低。

通过所述电池管理系统BMS经由所述总线8耦联于所述微主机7，所述高压分线盒4对下级组5的变化的数量的适配和/或所述高压分线盒4对所述下级组5内的变化的适配不再必需。带有软件的部件数量减小到所述微主机7和电池管理系统BMS的数量。通过专属自有软件使阐述的检控设备2的研发、后续管控以及维护变得容易，所述专属自有软件用于将各个软件更新装入提到的部件。

在灵活地适配于任意在下级组5中构造的电池系统1时，阐述的检控设备2的特征在于，不会出现因来自各个下级组5的过大的数据量所造成的电池管理系统BMS过载。通过每个下级组5的各一微主机7进行的预处理，实现将大量测量数据有效地减小到主要数据，所述数据随后续发至具有作为主机μC的控制装置的电池管理系统BMS，以便进行处理。

如开篇所示，根据本发明的方案可应用于高压电池系统1，在其中设有相互连接的储能单体4的下级组5和/或由一定数量的储能单体4构造的模块Mod的下级组5。前述结构可在自由选定所述下级组5的连接形态时彼此自由地扩展，而不发生基本的变化。HVJB的所述电池管路系统BMS的功能性在于相互连接的下级组5之外，并且通过用于高压的插头HV-Plug和用于低压的插头LV-Plug而在模块化结构中附接于相互连接的所述下级组5。

附图标记列表

BMS 电池管理系统

CSC 单体监测电路

eHV-Plug 在HVJB(高压分线盒)上用于高压的外部的插头

eLV-Plug 在HVJB(高压分线盒)上用于低压的外部的插头

F 保险部

Mod 模块

MSW 接触器

SHN 分流器

HV 高压侧

HV-Plug 用于高压的插头

L 可选的隔离障

LV 低压侧

LV-Plug 用于低压的插头

PRCH 预充电阻

1 高压电池系统

2 检控设备

3 电池单体/基础储能单体

4 高压分线盒，HVJB

5 下级组/相互电连接的储能单体3或者各具有CSC的模块Mod构成的单元

6 环状总线

7 微主机

8 总线

Claims (9)

1.一种用于电池系统的检控设备，所述电池系统具有一定数量的储能单体和/或模块，它们不仅与控制装置连接、而且还彼此连接，其中，各储能单体分别设置有单体监测电路，所述单体监测电路具有附接的传感器，

其特征在于，

在所述电池系统(1)内设有彼此连接的储能单体(4)的和/或模块(Mod)的下级组(5)，

每个下级组(5)分别具有微主机(7)，相关的所述下级组(5)的全部单体监测电路(CSC)附接在所述微主机上，所述微主机(7)构造用于对所述单体监测电路(CSC)的全部数据进行分析评估和过滤，并且附接在带有所述控制装置的电池管理系统(BMS)上，以便数据传送。

2.根据前述权利要求所述的检控设备，其特征在于，所述单体监测电路(CSCs)作为从机构造，以便将监测数据经由数据线(6)发送给附属的微主机(7)。

3.根据前述权利要求所述的检控设备，其特征在于，所述单体监测电路(CSC)之间的数据线(6)构造作为环线，以便将监测数据发送给所述微主机(7)。

4.根据前述权利要求所述的检控设备，其特征在于，所述数据线(6)构造成双向的环状总线。

5.根据前述权利要求中任一项所述的检控设备，其特征在于，各所述模块(Mod)中的每个模块中，相对各个储能单体(3)的高压层面(HV)以及储能单体的连接部，在低压层面(LV)上、优选地在所述单体监测电路(CSC)中实现所述数据线或总线线路(6)的电势分离。

6.根据前述权利要求1-4中任一项所述的检控设备，其特征在于，所述高压层面(HV)和低压层面(LV)之间设有隔离障(L)，所述隔离障位于所述微主机(7)内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的检控设备，其特征在于，所述微主机(7)、电池管理系统(BMS)和控制装置可更新地构造。

8.根据前述权利要求中任一项所述的检控设备，其特征在于，所述微主机(7)经由ISOSPI数据线(8)附接在电池管理系统(BMS)上。

9.根据前述权利要求中任一项所述的检控设备，其特征在于，所述电池管理系统(BMS)作为高压分线盒(4)的组成部分，通过用于高压(HV)的插头(HV-Plug)和用于低压(LV)的插头(LV-Plug)而与至少一个单元(5)相连。