CN102667515B - 蓄电池控制装置架构 - Google Patents

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Abstract

一种蓄电池***，其具有包括蓄电池模块的高压网和包括BCU的低压网，其中所述蓄电池模块具有多个串联的蓄电池单元和多个单元监控装置，其被构造为根据第一控制信号来测量所述蓄电池单元的蓄电池电压并且传输所述蓄电池单元的蓄电池电压，并且其中所述BCU被构造为确定所述蓄电池单元的充电状态，其特征在于，所述BCU包括微控制器和毫微控制器，其中所述毫微控制器与所述单元监控装置直接连接或可直接连接，并且通过隔离器与所述微控制器连接，并且被构造为产生所述第一控制信号并且将所述第一控制信号传输至所述单元监控装置，并且接收由所述单元监控装置传输的所述蓄电池单元的蓄电池电压，并且将该蓄电池电压进一步传输至所述微控制器。

Description

蓄电池控制装置架构
背景技术
对于蓄电池***具有增长的需求，该蓄电池***可使用在例如风力发电装置和备用电源***的固定的应用中，或可使用在车辆中。所有这些应用对可靠性和故障安全性提出了较高的要求。原因在于，由蓄电池***引起的电压供应的完全的故障能够导致整个***的故障。在风力发电装置中使用蓄电池，以便在强风时调整转子叶片并且保护该装置免受过度的机械负载，该机械负载能够损坏或甚至毁坏风力发电装置。在电动汽车的蓄电池出故障的情况下，电动汽车将不能行驶。备用电源***应当正好确保例如医院的不间断的运行，并且因此自身尽可能不出故障。
为了能够提供各个应用所要求的功率和能量，蓄电池模块中的单个蓄电池单元将被串联并且部分地并联，其中形成高的总电压，其描述危险根源并且必须被保护。通常设置两个主接触器，其根据相应的控制信号分离蓄电池模块的正极和负极，并且由此蓄电池模块向外无电压地连接。
为了监控蓄电池单元，使用所谓的控制装置或蓄电池控制单元(BatteryControlUnit,BCU)，其作为中央部件具有微控制器。BCU运行在低压网中，并且由此BCU必须与具有蓄电池模块的高压网隔离。同时，BCU的微控制器必须接收蓄电池单元(或安置在蓄电池模块中的、测量各种蓄电池参数的单元监控装置)的当前测量数据，以便例如确定蓄电池模块的充电状态或老化状态或总电压，以致于尽管有隔离要求，但是必须设置有在高压网与低压网之间的通信。因为单元监控装置电位地被连接至高压网，而BCU的微控制器被连接到低压网，所以单元监控装置通常通过隔离组件或隔离器被连接至微控制器。图1和图2示出了该装置的示例。
在图1的示例中，隔离器14安置在高压网中，并且与多个单元监控装置12-1至12-n中的单元监控装置12-1连接。单元监控装置12-1至12-n分别与蓄电池单元或一组蓄电池单元11-1至11-n连接。连接至所有的单元监控装置12-1至12-n的通信总线通过隔离器14从高压网引至低压网中到微控制器15。微控制器15与两个主接触器16-1和16-2连接，两个主接触器16-1和16-2根据微控制器15的控制信号将蓄电池单元11-1至11-n与负载隔开或连接。微控制器15通过CAN总线17或其他类似的通信总线与其他的电子装置连接。替代地，隔离器14还能够安置在低压网中，例如安置在BCU中，如图2的示例所示，其中相同的附图标记描述相同的部件。
在图1和图2中示出的两个解决方案具有如下缺点，隔离器14引起了较高的成本，因为其多半必须被实现为SPI总线隔离器。
图3示出了其他的已知的解决方案，其中，附加的微控制器13集成在单元监控装置12-1中，微控制器13通过安置在低压网中的隔离器14与BCU的微控制器15通信。该解决方案具有如下缺点，多个单元监控装置中的一个必须被构造为不同于用于剩余的蓄电池单元的单元监控装置，由此消除了上述隔离器14的高成本的问题，因为在此能够跨越在高压网与低压网之间的边界使用CAN总线用于通信。然而，CAN总线的使用还带来了如下缺点，因为通过CAN总线的通信是很困难的，所以将由单元监控装置在高压网中测量的蓄电池电压与通常在低压网中实施的蓄电池电流的测量同步是很困难的。
此外，在所有三个已知的蓄电池***的示例中，因为所使用的锂离子蓄电池具有较高的危险可能性，所以设置有复杂的安全机制，其确保微控制器15总是正常运行。
发明内容
本发明通过具有包括蓄电池模块的高压网和包括BCU的低压网的蓄电池***解决了现有技术中的上述缺点，其中所述蓄电池模块具有多个串联的蓄电池单元和多个单元监控装置。多个单元监控装置被构造为根据第一控制信号来测量所述蓄电池单元的蓄电池电压并且传输所述蓄电池单元的蓄电池电压。所述BCU被构造为确定所述蓄电池单元的充电状态。依据本发明，所述BCU包括微控制器和毫微控制器，其中所述毫微控制器与所述单元监控装置直接连接或可直接连接，并且通过隔离器与所述微控制器连接。在此，所述毫微控制器被构造为产生所述第一控制信号并且将所述第一控制信号传输至所述单元监控装置，并且接收由所述单元监控装置传输的所述蓄电池单元的蓄电池电压，并且将该蓄电池电压进一步传输至所述微控制器。
依据本发明，单元监控装置与毫微控制器通信。在此，本发明的蓄电池***具有如下优点，即能够用于毫微控制器与微控制器之间通信的总线允许使用相对价廉的隔离器。毫微控制器与微控制器之间的通信不是时间紧迫的，因为由单元监控装置测量的蓄电池电压已经能够被毫微控制器预处理，并且由此不需要通过隔离器的通信并且因此没有时延，能够准确地确定测量的时间点。此外，能够相同地构造所有的单元监控装置，这使得如图3的示例中的特定的单元监控装置的研发和制造变得多余并且使得蓄电池***更加价廉。在此，微控制器被描述为“毫微控制器”，其中应当表明的概念是，能够使用相比于包含在BCU中的微控制器具有相对较小的计算能力的微控制器，因为毫微控制器承担对计算能力要求较小的、相对简单的任务。
如下的蓄电池***是优选的，其中毫微控制器经由CAN总线通过隔离器与BCU的微控制器连接。
尤其优选地，毫微控制器与第一电流传感器连接，优选地与在其下游连接有分析装置的分流电阻连接，第一电流传感器被构造为根据第二控制信号来测量通过所述蓄电池模块的电流并且将电流测量结果传输至所述毫微控制器。在这个实施方式中，除了通过单元监控装置测量蓄电池电压，毫微控制器还控制测量通过蓄电池模块的电流。由此，以高的同步性实施两个测量，这提高了确定蓄电池单元的充电状态或老化状态的准确性。因此，依据本发明的蓄电池***的实施方式是优选的，在该实施方式中，毫微控制器被构造为同步地产生第一和第二控制信号。
附加地，毫微控制器能够被构造为确定蓄电池单元的充电状态。在该情况下，毫微控制器冗余地实施了BCU的微控制器的任务，这提高了可靠性。
此外，毫微控制器能够被构造为，将蓄电池电压与预定的边界值比较，并且当超出所述预先给定的边界值时产生第一警报信号。在此，这也可以是一个通常由BCU的微控制器承担的任务，以便通过毫微控制器的对蓄电池电压的附加的监控来提高在微控制器出故障情况下的安全性。
尤其优选地，毫微控制器和微控制器被构造为相互以规律的间隔发送监控消息，并且根据对监控消息的应答的缺失来产生第二警报信号。如果毫微控制器接收到微控制器的监控消息，则毫微控制器在所协议的时间段内给出应答。微控制器也相应地对获得自毫微控制器的监控消息进行操作。如果应答缺失时，则有如下可能，在另一侧出现了处理故障，并且该侧不再能够进行监控任务或不再能够可靠地进行监控任务，由此确定另一侧发生故障的那部分将触发警报，根据该警报能够在蓄电池***中引入适合的措施或能够通过操控人员引入适合的措施。
优选地，微控制器与第二电流传感器连接，优选地与霍尔传感器连接，第二电流传感器被构造为根据第三控制信号来测量通过所述电池模块的电流并且将电流测量结果传输至所述微控制器。以这种方式，除了借助于第一电流传感器并通过毫微控制器来确定通过蓄电池模块的电流，直接通过微控制器来确定通过蓄电池模块的电流也是可能的，由此使其独立于毫微控制器的运行并冗余地监控蓄电池电流，从而提高了蓄电池***的安全性。优选地，第二电流传感器被实施为霍尔传感器，因为以这种方式，构成低压网的部分的BCU能够保持与由高电压驱动的部分的电隔离。
蓄电池***能够具有连接在所述串联的蓄电池单元的第一极与所述蓄电池模块的第一输出之间的第一主接触器和连接在所述串联的蓄电池单元的第二极与所述蓄电池模块的第二输出之间的第二主接触器。在此，优选地，所述第一主接触器具有与所述毫微控制器连接的控制输入，并且所述第二主接触器具有与所述微控制器连接的控制输入。所述毫微控制器和所述微控制器被构造为控制所述第一或第二主接触器的断开和闭合。在这个实施方式中，毫微控制器和微控制器分别控制主接触器中的一个。对于如下情况，即处理单元中的一个(毫微控制器或微控制器)发生故障并且由此两个主接触器中的一个没有断开，则另一个处理单元将注意到该情况并且触发适合的反应。为了这个目的，在本发明的一个特别的实施方式中，所述毫微控制器附加地与所述第二主接触器的所述控制输入连接，并且所述微控制器附加地与所述第一主接触器的所述控制输入连接，其中所述毫微控制器和所述微控制器被构造为当所述微控制器或所述毫微控制器发生故障时，断开所述第二主接触器或第一主接触器(即另一个主接触器)。能够最迟在单元电压和蓄电池电流不再位于非临界的区域中时来确定另一个处理单元发生故障。此外，上述实施例的结合也是特别吸引人的，其中毫微控制器和微控制器通过监控消息和应答来相互监控。
附图说明
下面借助实施例的附图对本发明进行详细说明。附图中：
图1示出了蓄电池控制装置的已知的第一示例；
图2示出了蓄电池控制装置的已知的第二示例；
图3示出了蓄电池控制装置的已知的第三示例；以及
图4示出了本发明的实施例。
具体实施方式
图4示出了本发明的实施例。与先前附图中的附图标记相同的附图标记描述相同的元件。图4的蓄电池***40具有高压网，其包括具有多个串联的蓄电池单元11-1至11-n和与该些蓄电池单元相关联的单元监控装置12-1至12-n的蓄电池模块。单元监控装置12-1至12-n被构造为确定蓄电池单元11-1至11-n的蓄电池电压。此外，单元监控装置12-1至12-n能够被构造为确定其他蓄电池参数，例如单元温度。单元监控装置12-1至12-n通过总线与毫微控制器43通信，毫微控制器43被安置在蓄电池***40的低压网中。毫微控制器43促使单元监控装置12-1至12-n进行测量并且从单元监控装置12-1至12-n接收测量结果。为了满足高压网的足够的安全性，毫微控制器43通过隔离器14与微控制器15通信。优选地，在此，通过CAN总线进行通信，CAN总线允许使用尤其价廉的隔离器14。在所示出的例子中，毫微控制器43具有至两个主接触器16-1和16-2中的一个的控制输出，而另一个主接触器16-1、16-2被连接至微控制器15。由此，两个处理单元中的每个都分别致力于控制主接触器16-1、16-2中的一个。毫微控制器43与第一电流传感器41连接，该第一电流传感器41被实施为下游连接有的分析电子设备的分流电阻，并且能够借助于分流电阻来与蓄电池单元11-1至11-n的蓄电池电压的测量同步地确定通过蓄电池模块或蓄电池单元11-1至11-n的电流。附加地，设置有被实施为霍尔传感器的第二电流传感器42，其与微控制器15连接并且受微控制器15控制，这允许了对蓄电池电流的冗余的确定并且例如提供了较高的安全性，以用于防止蓄电池模块的短路。微控制器15能够通过CAN总线17或类似的通信总线与其他部件连接。根据实施形式，毫微控制器43和微控制器15能够通过所谓的功率驱动器来控制主接触器16-1、16-2，功率驱动器为控制例如被实施为继电器的主接触器16-1、16-2提供足够的功率。该蓄电池***还能够具有用于微控制器15和/或毫微控制器43的所谓的看门狗(Watchdog)，其以已知的方式确保准确的运行。

Claims (12)

1.一种蓄电池***(40)，其具有包括蓄电池模块的高压网和包括蓄电池控制单元的低压网，其中所述蓄电池模块具有多个串联的蓄电池单元(11-1、…、11-n)和多个单元监控装置(12-1、…、12-n)，其被构造为根据第一控制信号来测量所述蓄电池单元(11-1、…、11-n)的蓄电池电压并且传输所述蓄电池单元(11-1、…、11-n)的蓄电池电压，并且其中所述蓄电池控制单元被构造为确定所述蓄电池单元(11-1、…、11-n)的充电状态，其特征在于，所述蓄电池控制单元包括微控制器(15)和毫微控制器(43)，其中所述毫微控制器(43)与所述单元监控装置(12-1、…、12-n)直接连接，并且通过隔离器(14)与所述微控制器(15)连接，并且所述毫微控制器(43)被构造为产生所述第一控制信号并且将所述第一控制信号传输至所述单元监控装置(12-1、…、12-n)，并且接收由所述单元监控装置(12-1、…、12-n)传输的所述蓄电池单元(11-1、…、11-n)的蓄电池电压，并且将该蓄电池电压进一步传输至所述微控制器(15)。
2.根据权利要求1所述的蓄电池***(40)，其中，所述毫微控制器(43)经由CAN总线通过所述隔离器(14)与所述微控制器(15)连接。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池***(40)，其中，所述毫微控制器(43)与第一电流传感器(41)连接，所述第一电流传感器(41)被构造为根据第二控制信号来测量通过所述蓄电池模块的电流并且将电流测量结果传输至所述毫微控制器(43)。
4.根据权利要求3所述的蓄电池***(40)，其中，所述第一电流传感器(41)为在其下游连接有分析装置的分流电阻。
5.根据权利要求3所述的蓄电池***(40)，其中，所述毫微控制器(43)被构造为同步地产生所述第一和所述第二控制信号。
6.根据权利要求1所述的蓄电池***(40)，其中，所述毫微控制器(43)被构造为确定所述蓄电池单元(11-1、…、11-n)的充电状态。
7.根据权利要求1所述的蓄电池***(40)，其中，所述毫微控制器(43)被构造为将所述蓄电池电压与预先给定的边界值比较，并且当超出所述预先给定的边界值时产生第一警报信号。
8.根据权利要求1所述的蓄电池***(40)，其中，所述毫微控制器(43)和所述微控制器(15)被构造为相互以规律的间隔发送监控消息，并且根据对监控消息的应答的缺失来产生第二警报信号。
9.根据权利要求1所述的蓄电池***(40)，其中，所述微控制器(15)与第二电流传感器(42)连接，所述第二电流传感器被构造为根据第三控制信号来测量通过所述电池模块的电流并且将电流测量结果传输至所述微控制器(15)。
10.根据权利要求9所述的蓄电池***(40)，其中，所述第二电流传感器(42)为霍尔传感器。
11.根据权利要求9所述的蓄电池***(40)，具有连接在所述串联的蓄电池单元(11-1、…、11-n)的第一极与所述蓄电池模块的第一输出之间的第一主接触器(16-1)和连接在所述串联的蓄电池单元(11-1、…、11-n)的第二极与所述蓄电池模块的第二输出之间的第二主接触器(16-2)，其中所述第一主接触器(16-1)具有与所述毫微控制器(43)连接的控制输入，并且所述第二主接触器(16-2)具有与所述微控制器(15)连接的控制输入，并且所述毫微控制器(43)和所述微控制器(15)被构造为控制所述第一或第二主接触器(16-1、16-2)的断开和闭合。
12.根据权利要求11所述的蓄电池***(40)，其中，所述毫微控制器(43)附加地与所述第二主接触器(16-2)的所述控制输入连接，并且所述微控制器(15)附加地与所述第一主接触器(16-1)的所述控制输入连接，其中所述毫微控制器(43)和所述微控制器(15)被构造为当所述微控制器(15)或所述毫微控制器(43)发生故障时，相应地断开所述第二主接触器(16-2)或所述第一主接触器(16-1)。
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