CN103250429B - 用于监控至少一个蓄电池的方法和装置、具有这样的装置的蓄电池以及具有相应的蓄电池的机动车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监控至少一个蓄电池的方法和装置、具有这样的装置的蓄电池以及具有相应的蓄电池的机动车，它们尤其是可用于在减少了的硬件花费的情况下安全地监控蓄电池状态。为此，提出了以通过至少一个数据处理装置(324、326)分析所述至少一个蓄电池中的至少一个蓄电池的测量量(312)的方法来由此监控所述至少一个蓄电池，并且提出了进行对通过所述至少一个蓄电池和所述至少一个数据处理装置(324、326)之间的通信连接(316、318、320)交换的信号的至少一个监控。
Description
技术领域
本发明涉及用于监控至少一个蓄电池的方法和装置、具有这样的装置的蓄电池以及具有相应的蓄电池的机动车，它们尤其是可用于在减少了的硬件花费的情况下安全地监控蓄电池状态。
背景技术
由蓄电池控制器所实现的安全功能通常为对诸如电压、电流和/或温度的安全相关的参数的阈值跨越的更基本的检查。这样的功能能够以硬件(例如比较器)方式简单地实现。因此，对于蓄电池控制器的通常的安全概念由两条冗余的路径—通过硬件的监控和通过软件的监控—组成。通过这样的多元化的冗余能够达到对于安全性的足够的级别。
相较于蓄电池控制器已知了在用于监控涉及安全的功能的电机控制器中，在微控制器上设计了所谓的3平面概念。在此，平面1为功能平面，平面2为功能监控平面并且平面3为计算机监控平面。借助于这样的概念达到了直至ASIL-B(Automotive Safety IntegrityLevel：汽车安全完整性等级)的安全完整性。该3平面概念对应于1oo1D***(参见图1)。在这样的***100中，通过传感器110获取测量量，这些传感器被功能计算机120监控。该功能计算机120的可靠性将通过诊断单元130来监控。根据该些测量量来操控执行器140。
通常地，MooN***为比较N个测量值的分析逻辑装置，这N个测量值中至少有M个测量值必须满足预先给定的标准(N个中的M个)。
MooND***为具有自动检验的MooN***。
除了Moo1D***之外，还存在1oo2D***200，其中例如还实现了(参见图2)两个功能计算机120、121的相互监控150。
新的安全标准(如ISO 26262)对于控制装置提出了高的要求，在这样的控制装置上实施了涉及安全的功能。通过“ASIL”实现了以级别ASIL-A至ASIL-D的分类，其中，ASIL-D提出了最高的要求。高的分类也导致了高的程序上的花费。此外，对标准一致性的检测也提出了更严格的要求。
传统的具有用于安全相关的量的冗余的监控的硬件路径和软件路径的蓄电池控制装置的安全概念具有以下缺点：
硬件路径的成本：
因为用于汽车应用的高压蓄电池***通常由大量的蓄电池单元组成(例如通过一百个串联连接的4V的蓄电池单元获取400V的电压)，所以实现这样的硬件路径是高成本的。因为安全相关的参数必须对于每个蓄电池单元(或者由例如六个蓄电池单元组成的每个模块)单独地监控。也就是说，对于每个蓄电池单元(每个模块)必须构建相应的硬件元件(例如比较器)。
监控功能的有限制的复杂性：
通过硬件元件通常仅能实现基本的监控功能(例如阈值监控)。复杂的功能，例如多个和/或动态的信号的处理，则仅能以高的花费才是可实现的。
由公开文献DE 11 2004 001 276 T5已知了一种蓄电池组(Batteriesatz)的充电/放电控制装置，其中，通过控制器计算假定的充电状态值。然而，在该解决方案中并未涉及实现所要求的安全功能时的硬件花费的降低。
发明内容
依据本发明提供了一种用于监控至少一个蓄电池的方法，其中，放弃了以传统的方式利用硬件来冗余地监控安全相关的量，也就是说，放弃了所谓的硬件路径。在依据本发明所述的方法中，将通过至少一个数据处理装置分析至少一个蓄电池的测量量，例如电压、温度或者诸如此类的。所述蓄电池能够是包括多个串联连接的电化学单元的蓄电池。其中能够设置：为了分析与安全相关的测量量将一定数量的单个的蓄电池单元，例如六个整合至一个模块。所述数据处理装置能够是微控制器、可编程芯片、可编程处理器、可编程的逻辑装置或者诸如此类的；通常来说能够是可编程的数据处理装置，在其上通过软件(计算机程序)来实现安全功能。为了在缺少硬件路径的情况下也能够确保所述蓄电池的运行安全，依据本发明还将设置监控在所述至少一个蓄电池和所述至少一个数据处理装置之间的通信连接。本发明的一个优选的实施形式在此设置将所述信号经由单通道的通信连接从所述至少一个蓄电池、所述模块或者所述蓄电池单元传输至所述至少一个数据处理装置。在本发明的一个优选的实施形式中设置从至少一个安置在所述单通道的通信连接中的诸如模数转换器或者传感器的测量构件中读入、数字化所述蓄电池单元的测量量并且将其转发给所述至少一个数据处理装置。
优选地，所述监控至少包括：检验通信连接和/或所述通信连接之内的例如用于获取所述测量量的传感器、测量构件或者诸如此类的和/或所述至少一个数据处理装置的部件或者检验经由所述通信连接交换的信号的正确性或者真实性。
监控所述蓄电池、所述模块或者所述蓄电池的所述单元和所述至少一个数据处理装置之间的通信连接的准确性是有利的。该监控能够涉及所述通信连接的部分连接(Teilstrecken)。由此能够例如相互独立地监控所述通信连接的部分连接。然而，有利地，所述监控获取所述通信连接的所有部分连接。能够例如监控在所述蓄电池、所述模块或者所述蓄电池的所述单元和测量构件之间的连接作为部分连接。通过该监控能够尤其是获取短路、至电压的连接(Verbindungen zuSpannung)、断路或者诸如此类的。在本发明的一个优选的实施形式中设置通过安置在所述通信连接中的元件，例如测量构件和/或通过所述至少一个数据处理装置来实施所述监控的至少一部分。
在一个优选的实施形式中还设置根据故障来监控至少一部分，但优选地为所有的在所述蓄电池、所述模块或者所述蓄电池的所述单元和所述至少一个数据处理装置之间交换的信号。特别地，能够设置检验所述信号的真实性。所述监控优选地冗余地进行。在本发明的一个优选的实施形式中设置至少检验所述电压值、温度值和/或所述电流值的准确性或真实性。为了监控所述电压测量值，除了所述单个的蓄电池单元的电压测量值以外还分析相继连接的蓄电池单元的模块的电压测量值是有利的。通过将所述模块的单个的蓄电池单元的电压测量值与整个模块的电压测量值作比较并且随后得出所述电压测量值的真实性。
另一个优选的实施形式进行如下设置，为每个物理上可分离的单元使用至少利用两个用于真实性检查的温度传感器来获取所述温度测量值。在强热耦合的单元中，该两个温度传感器甚至对于整个热耦合***来说都足够了。在这样的情况下，不必针对每个物理上可分离的单元，例如每个蓄电池单元，设置两个温度传感器。
同样，在一个优选的实施形式中，为了监控所述电流测量值使用至少两个优选地多元化地实施的电流传感器。
在一个优选的实施形式中，为了监控在安置在所述通信连接中的部件和所述至少一个数据处理装置之间的通信连接，设置通过至少一个试验信号来监控该通信连接。优选地，限定的试验信号由安置在所述通信连接中的部件输出并且由所述至少一个数据处理装置来分析。使用动态的试验信号是有利的。通过所述试验信号也能够检验诸如模数转换器的部件。所述检验优选地通过动态的、具有两个电压电平(VHigh，VLow)的试验信号来实现。
所述监控冗余地通过多元化的措施来实现是有利的。在此，为了监控信号或者诸如蓄电池的、所述模块或所述蓄电池的单元的、所述至少一个数据处理装置的部件的、诸如在所述通信连接内的测量构件或者诸如此类的另外的部件的运行状态，能够设置不同的方法和/或算法。特别有利地，在该过程中满足例如在ASIL分解时的特定的安全要求。所以，能够例如通过第一安全功能实现ASIL-A的要求，并且通过多元化地实施的安全功能实现ASIL-B的要求。此外，能够设置通过3平面安全概念保护所述安全功能的至少一部分。还能够设置例如通过查询-应答-通信相互监控多元化的安全功能。
在本发明的一个优选的实施形式中，设置在数据处理装置上实现所述多元化的措施。然而，设置至少两个数据处理装置是有利的，在其上分别多元化地实现所述安全功能。其中，能够串联和/或并联连接所述至少两个数据处理装置。在这种情况下，所有的在最后一段描述的监控措施将通过所述至少两个数据处理装置来进行，例如ASIL-A在第一数据处理装置上进行，并且ASIL-B在第二数据处理装置上进行，或者所述查询-应答-通信在不同的数据处理装置之间进行。
相较于仅利用一个数据处理装置的实施形式来说，通过使用至少两个数据处理装置能够显著地降低用于软件处理(ISO 26262)和所述诊断覆盖率措施(Diagnosedeckungsmaβnahmen)(ISO 26262-5，附录D)的花费。
根据本发明的装置具有至少一个数据处理装置，例如微控制器、芯片和/或处理器，并且被如此地设置为可实施用于监控至少一个蓄电池的方法，其中，通过至少一个数据处理装置分析所述至少一个蓄电池中的至少一个蓄电池的测量量，并且其中，进行对通过在所述至少一个蓄电池和所述至少一个数据处理装置之间的通信连接交换的信号的至少一个监控。
本发明的另一方面涉及一种具有用于监控所述蓄电池的装置的蓄电池，其中，所述装置被如此地构造为可实施用于监控所述蓄电池的方法，其中，通过至少一个数据处理装置分析所述至少一个蓄电池中的至少一个蓄电池的测量量，并且其中，进行对通过在所述至少一个蓄电池和所述至少一个数据处理装置之间的通信连接交换的信号的至少一个监控。优选地，所述蓄电池为锂离子蓄电池或者所述蓄电池包括被构造为锂离子蓄电池单元的电化学的蓄电池单元。
本发明的又一方面涉及一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机和与所述电驱动电机连接或者可连接的、依据在前述段落中描述的发明方面所述的蓄电池。然而，所述蓄电池并不限于这样的用途，而是也能够在其他的电气***中使用。
用于监控至少一个蓄电池的计算机程序在其载入数据处理装置的存储介质中之后使得数据处理装置能够执行用于蓄电池监控的方法，其中，通过至少一个数据处理装置分析所述至少一个蓄电池中的至少一个蓄电池的测量量，并且其中，实现进行对通过在所述至少一个蓄电池和所述至少一个数据处理装置之间的通信连接交换的信号的至少一个监控。
在本发明的另一个优选的实施形式中设置模块化地构建依据本发明所述的计算机程序，其中，单个的模块被安装在所述数据处理装置的不同部分。
有利的实施形式设置附加的计算机程序，通过该附加的计算机程序能够实施在说明书中给出的其他的方法步骤或者方法流程。
为了执行依据本发明所述的、用于监控至少一个蓄电池的方法，设置使用计算机可读的存储媒介，在所述存储媒介上存储程序，所述程序在其载入至数据处理装置的存储介质中之后使得所述数据处理装置能够执行用于蓄电池监控的方法，其中，通过至少一个数据处理装置分析所述至少一个蓄电池中的至少一个蓄电池的测量量，并且其中，进行对通过在所述至少一个蓄电池和所述至少一个数据处理装置之间的通信连接交换的信号的至少一个监控。
依据本发明所述的安全架构在没有硬件路径的情况下达到了高级别的安全性。这尤其是通过以下方式来达到：
·通过包括用于信号路径的保护装置的安全机制；
·在优选的实施形式中通过第二微控制器；和/或
·通过将蓄电池单元参数适合地信号引入(Signalführung)至安全功能/逻辑装置。
其中，所述架构尤其是具有以下优点：
·在传感装置和逻辑装置中节省硬件元件；
·以比仅具有一个微控制器的***更少的程序上的花费达到依据ISO 26262-5的安全一致性；
·以高安全一致性实现了更复杂的安全功能；
·以对***的可用性的更少的限制实现了安全功能；
·分布式概念的可实现性。
在从属权利要求给出并在说明书中描述了本发明的有利的改进方案。
附图说明
借助于附图和后续的描述详细地阐述本发明的实施例。其中：
图1示出了3平面安全概念的1oo1D***的图示；
图2示出了3平面安全概念的1oo2D***的图示；以及
图3示出了示例的基于软件监控的蓄电池控制装置架构的示意图。
具体实施方式
在图3中复现了一种基于软件监控的蓄电池控制装置架构的示例性的架构300。虽然，本发明借助于实施例来描述，在其中利用了两个微控制器324、326，但是具有仅仅一个微控制器或者具有多于两个微控制器的实施形式也是可想象的。因此，本发明并不限于具有两个微控制器324、326的实施形式，而是也包括其他的实施形式，只要该实施形式实现了独立权利要求的全部特征。
蓄电池控制装置架构300的安全链(Sicherheitskette)
传感装置
蓄电池单元的测量量312(例如电压和/或温度)将由测量构件314(例如模数转换器)读取、数字化并且根据需求经由总线316、318、320、322传输至逻辑装置324、326。在示例性的实施形式中，蓄电池的每六个电化学蓄电池单元被整合在模块310中。
现在，当目前经由单通道的路径能够足够精确地并且安全地监控该信号时(如其随后将在段落“蓄电池单元信号的保护措施(Absicherungsmaβnahmen)”中详细描述的那样)，那么不需要通过冗余的关闭路径330(硬件路径)上的硬件电路328来监控的另外的测量单元，这将带来硬件花费上的节约。该硬件路径328、330在本发明中并不存在。
逻辑装置
测量量312将在一个或者两个微控制器324、326中被分析，从而省略掉硬件路径328、330。这带来了硬件方面的节约，尤其是在有大量的待监控的信号时，因为此时对于每个单个的信号需要构建硬件元件，其实一个微控制器就能够处理多个信号。
使用第二微控制器326提供了如下优点，即依据ISO 26262-9的条款5能够执行ASIL分解。这将使得要求(ASIL)能够被分至两条路径318、320或者逻辑装置324、326之上，并且由此能够降低对于单个的元件的要求，例如用于实现各个软件的处理花费，这带来了软件花费上的节约。
在此，为了达到ASIL-C，人们能够将路径318、320分成ASIL-B和ASIL-A。然后ASIL-B能够通过具有已知的3平面安全概念的微控制器324或许在再次使用所提及的软件模块的情况下来实现。然后，对于ASIL-A，在第二微控制器326上仅需实现减少了的量的ISO26262要求即可。
对于ASIL-D，也能够依据ASIL-B来保护具有3平面概念第二微控制器326。然而在此，随后可能对于该安全链的单通道部分(信号测量)具有另外的要求。
由此，为了ASIL分解，确保两个监控的独立性，安全功能必须在两个微控制器324、326之中多元化地实现，例如通过不同的算法或者在使用定点的或者浮点数。
当两个微控制器324、326经由直接的连接或者经由总线接收电流测量信号332、334时，则能够由两个微控制器324、326监控所有的三个重要的蓄电池参数(电压、温度、电流)。
两个微控制器324、326能够经由有联系的总线320、322，也能够相反地例如经由查询-应答-通信相互监控(ISO 26262-5，表D.4：“由软件执行的互补比较”，1oo2D***)。
两个微控制器324、326能够串联连接，例如通过用于串联电路的总线322，从而使得例如位于高压侧的第一微控制器324查询传感器信号，并且同时将该传感器信号转发至第二微控制器326。由此能够省掉另外的硬件元件(隔离器)。由此，该单通道特性是足够可靠的并且不会由于例如在第一微控制器324之内的简单故障而受影响，然而，信号通道必须通过额外的诊断措施来加以保护(如其接下来将在段落“信号通道保护和活力测试(Lebendigkeitsprüfung)”中描述的那样)。
执行装置
使用两个微控制器324、326提供了如下优点，即通过触发执行装置能够在故障情况下通过两个多元化的控制装置336来实现(ISO26262-5，表D.2：“选择器”)。该执行装置自身必须同样冗余地(至少两个主接触器通过冗余的关闭路径338)实施。
蓄电池单元信号的保护措施
在具有模数转换器314的蓄电池单元的连接处能够出现不同的故障。短路或者至电压的连接能够经由超范围诊断来发现。开路必须通过另外的诊断措施来发现。有些测量构件/模数转换器314提供了此类的诊断。
电压测量的冗余
通过该冗余能够真实性检查该电压信号(参见ISO“26262-5”；表D.11“参考传感器”)。在所提出的架构300中，该冗余不会通过两倍实施的用于蓄电池单元的测量导线来实现，而是通过附加的“模块电压”的读入来实现，即模块310的六个相继连接的蓄电池单元的电压。通过对蓄电池单元电压的求和和与模块电压的比较能够实现该测量值的足够精确的真实性检查。
温度测量的冗余
温度信号也将经由冗余来被真实性检查(参见ISO 26262-5，表D.11“输入比较”)。为此，在所提出的架构300中，每个物理上可分离的单元设置有两个温度传感器。人们通过两个测量点之间的热传递得到冗余的值。
信号路径保护装置和活力测试
模数转换器314的功能性和从测量单元至逻辑装置的总线连接316、318、320也将通过读入、传输和分析动态的信号来检验(参见ISO 26262-5，表D.11：“测试模式”)。为此，在模数转换器314的每个输入端处发出(aufgeben)具有已知的力度(Dynamik)和已知的上限值和下限值的交变电压(例如方波信号)，经由总线316、318、320传输并且在逻辑装置324、326中分析。逻辑装置324、326能够确定偏差并且由此将信号路径评价为不可靠的或者要求安全的状态。
在所提出的架构300中，该信号分别由振荡器来产生。因为已知了测试电压的值，所以通过该机制也监控了测量单元314和逻辑装置324、326之间的总线316、318、320(例如代替通常的具有CRC校验和的CAN监控)。
电流测量的冗余
微控制器324、326中的每个微控制器通过一个或两个-优选地多元化地实施的-电流传感器获得电流测量值332、334。该两个值334、332分别由另外的微控制器经由总线322传输，由此每个逻辑装置324、326能够真实性检查电流值(参见ISO 26262-5，表D.11“输入比较”)。
倘若微控制器324、326中的一个微控制器位于高压侧，那么在此因为不需要隔离器将节约硬件花费。
通过软件的灵活性
通过在单通道的路径中使用可编程的逻辑装置(代替此前通常的“附加的硬件电路”)，人们能够监控具有更复杂的安全功能的信号。例如在不同的蓄电池单元中，对于电流简单的上限阈值并不足够，而取而代之必须监控例如电流积分。通过使用软件路径能够改善安全性。
另一方面，更复杂的安全功能能够在防止对监控的不必要的打击(Zuschlagen)。倘若例如由于另外的因素(例如低温)尽管突破了自身的临界值仍不会危及安全，那么较低的灵活的安全功能(例如以硬件来实现)并没有能力考虑该条件。通过使用软件路径能够改善可用性。
本发明在其实施形式方面并不限于先前给出的优选的实施例。相反地，多种实施变型是可想象的，其利用与依据本发明所述的方法、依据本发明所述的装置、依据本发明所述的蓄电池和依据本发明所述的机动车在原则上不同类型的实施例。
Claims (11)
1.一种用于监控蓄电池的多个蓄电池模块的方法，所述蓄电池具有至少两个数据处理装置，所述方法包括：
通过多个传感器测量来自多个蓄电池模块中的每个蓄电池模块的测量量，所述多个传感器中的每个传感器通过通信连接被连接至所述至少两个数据处理装置；
通过所述至少两个数据处理装置中的每个分析所测量的测量量，所述分析由所述至少两个数据处理装置中的每个冗余地和同时地执行；
使用所述至少两个数据处理装置监控经由所述通信连接交换的信号的故障，所述监控由所述至少两个数据处理装置中的每个冗余地和同时地执行；以及
通过所述至少两个数据处理装置中一个来监控所述至少两个数据处理装置中的另一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述信号的监控包括：
执行针对在所述多个蓄电池模块和所述多个传感器之间的连接的第一监控操作；
执行针对在所述多个传感器和所述至少两个数据处理装置之间的连接的第二监控操作；
执行针对所述多个传感器的第三监控操作；以及
执行针对所述经由所述通信连接交换的信号的第四监控操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述信号的监控包括：
通过安置在所述通信连接中的所述多个蓄电池模块中的至少一个蓄电池模块来生成检查信号；以及
通过由所述至少两个数据处理装置中的每个分析所述检查信号，以执行针对所述经由所述通信连接交换的信号的真实性检查。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述测量量的分析至少包括：
使用所述至少两个数据处理装置中的一个以及第一方法来分析所述测量量中的至少一部分；以及
使用所述至少两个数据处理装置中的另一个以及第二方法来分析所述测量量中的至少一部分。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述真实性检查进一步包括：
通过第一电压传感器测量来自所述蓄电池的第一蓄电池模块的第一电压，所述第一蓄电池模块包括多个蓄电池单池；
通过第二电压传感器测量来自所述第一蓄电池模块的所述多个蓄电池单池中的每个蓄电池单池的第二电压；
通过所述至少两个数据处理装置经由通信连接从所述第一电压传感器接收第一电压测量量，并且从所述第二电压传感器接收各个第二电压测量量；以及
通过所述至少两个数据处理装置执行所述真实性检查，以识别经由所述通信连接接收的在所述各个第二电压测量量的总和与所述第一电压测量量之间的差是否位于预定的容差内。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述检查信号具有预定的动态范围。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述检查信号是交变信号，其在预定的高电压和预定的低电压之间变化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述检查信号是方波。
9.一种装置，包括：
多个传感器，设置用于测量来自蓄电池的多个蓄电池模块的测量量；
至少两个数据处理装置，其经由通信连接被连接至所述多个传感器；
其中，所述装置被设置用于：
通过多个传感器测量来自多个蓄电池模块中的每个蓄电池模块的测量量；
通过所述至少两个数据处理装置中的每个分析所测量的测量量，所述分析由所述至少两个数据处理装置中的每个冗余地和同时地执行；
使用所述至少两个数据处理装置监控经由所述通信连接交换的信号的错误，所述监控由所述至少两个数据处理装置中的每个冗余地和同时地执行；以及
通过所述至少两个数据处理装置中一个来监控所述至少两个数据处理装置中的另一个。
10.一种蓄电池，包括：
一种装置，所述装置包括多个传感器，其设置用于测量来自蓄电池的多个蓄电池模块的测量量；所述装置还包括至少两个数据处理装置，其经由通信连接被连接至所述多个传感器，所述装置被设置用于：
通过多个传感器测量来自多个蓄电池模块中的每个蓄电池模块的测量量；
通过所述至少两个数据处理装置中的每个分析所测量的测量量，所述分析由所述至少两个数据处理装置中的每个冗余地和同时地执行；
使用所述至少两个数据处理装置监控经由所述通信连接交换的信号的错误，所述监控由所述至少两个数据处理装置中的每个冗余地和同时地执行；以及
通过所述至少两个数据处理装置中一个来监控所述至少两个数据处理装置中的另一个。
11.一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机和与所述电驱动电机连接的或者可连接的、依据权利要求9所述的蓄电池。
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