CN111542451B - 用于控制和监视电池组包的多个电池组电池的方法和管理***以及电池组包 - Google Patents

用于控制和监视电池组包的多个电池组电池的方法和管理***以及电池组包 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制和监视电池组包（5）的多个电池组电池（2）的方法，其中由每个电池组电池（2）的至少一个检测单元（20）来检测各一个状态参量数据记录并且将所述状态参量数据记录传输到选择单元（32）；由所述选择单元（32）从多个状态参量数据记录中选择各个状态参量，这些状态参量形成状态参量虚拟数据记录；由仿真单元（34）根据所选择的状态参量来创建虚拟电池（8）的模型；并且由数据处理单元（36）根据所述虚拟电池（8）的所选择的状态参量来计算用于给所述电池组包（5）的电池组电池（2）充电的充电电流（I）的极限值。

Description

用于控制和监视电池组包的多个电池组电池的方法和管理系 统以及电池组包
技术领域
本发明涉及一种用于通过检测电池组包的多个电池组电池的状态参量并且根据这些状态参量来计算用于给该电池组包的电池组电池充电的充电电流的极限值来控制和监视这些电池组电池的方法。本发明也涉及一种用于控制和监视电池组包的多个电池组电池的管理***。本发明还涉及一种电池组包，该电池组包包括按照本发明的管理***和多个电池组电池。
背景技术
显而易见的是：在将来，尤其是在电动车辆中越来越多地使用电池组***，关于可靠性、工作能力、安全性和使用寿命方面对这些电池组***提出了高要求。尤其是具有锂离子电池组电池的电池组***适合于这种应用。这些锂电池组电池的特点尤其在于高能量密度、热稳定性和极其微小的自放电。锂离子电池组电池具有关于功能安全性方面的高要求。电池组电池的不恰当的运行可导致放热反应直至燃烧和/或可导致脱气。
电池组电池具有与负极端子连接的阳极和与正极端子连接的阴极。多个这样的电池组电池尤其是彼此电串联并且连接成电池组模块或电池组包。多个这种电池组模块或电池组包彼此接线，并且这样形成电动车辆的电池组***。电池组包包括电池组管理***，该电池组管理***监视电池组电池的运行并且对电池组电池的运行进行控制，使得这些电池组电池安全地并且关于它们的使用寿命方面持久地运行。
为了实现这一点，由电池组管理***针对电池组包的每个电池组电池确定当前的运行状态。该运行状态可以通过不同的参数、例如充电状态、老化状态、内阻、容量、温度、电压、电极的过电位和电池组电池中的锂浓度来描述。为了尽可能精确地确定该运行状态，使用复杂的电化学模型描述。
在电池组管理***的其它功能中，基于电池组电池的运行状态来计算电池组包的特征参量、例如针对这些电池组电池的不同运行状态的电流极限值。所提及的特征参量由电池组管理***传达给电动车辆的中央控制设备。
从US 2013/154572 A1已知一种用于电动车辆的蓄能***，该蓄能***包括多个蓄能设备。在此，设置多个状态信息检测设备，这些状态信息检测设备检测状态信息、尤其是电流、总电压、电池电压和温度。在此，在该蓄能***运行时，尤其是考虑所检测到的状态信息的最差的值。
从US 2015/0258897 A1已知一种用于电动车辆的电池组***，该电池组***包括多个电池组电池。设置检测单元，这些检测单元检测数据、诸如电流以及总电压。计算其它数据、诸如充电状态。接着，依据这些数据来标识最差的电池组电池。
发明内容
提出了一种用于控制和监视电池组包的多个电池组电池的方法。在此，电池组包尤其被设置用于在电动车辆中使用。在此，该电动车辆尤其可以是纯电驱动车辆、混合动力车辆以及插电式混合动力车辆。但是，电池组包也可以被用在消费电子产品、诸如移动电话、平板PC、笔记本电脑（Notebook）或电动工具中。电池组包的电池组电池优选地彼此电串联。
按照本发明的方法，由每个电池组电池的至少一个检测单元来检测各一个状态参量数据记录并且将该状态参量数据记录传输到选择单元。在此，每个电池组电池都可分配有单独的检测单元。也可以设置如下检测单元，该检测单元检测多个电池组电池的状态参量数据记录。根据状态参量数据记录，可以确定电池组电池的状态。
接着，由选择单元从多个被传输的状态参量数据记录中选择各个状态参量。在此，所选择的状态参量形成状态参量虚拟数据记录。因此，虚拟数据记录的所选择的状态参量可来自不同电池组电池的状态参量数据记录。
然后，由仿真单元根据虚拟数据记录的所选择的状态参量来创建虚拟电池的模型。因此，虚拟电池利用之前所创建的状态参量虚拟数据记录来对电池组电池进行仿真。根据状态参量虚拟数据记录，可以确定虚拟电池的状态。
接着，由数据处理单元根据虚拟电池的虚拟数据记录的所选择的状态参量来计算用于给电池组包的电池组电池充电的充电电流的极限值。然后，这样被计算出的充电电流的极限值例如被传输到电动车辆的中央控制设备。因此，中央控制设备可以在给电池组包的电池组电池充电时根据该极限值来对充电电流进行限制。
根据电池组电池的状态，过高的充电电流可能损坏该电池组电池。因此，这些电池组电池中的每个电池组电池都只允许用所容许的充电电流来充电，该所容许的充电电流不造成电池组电池的损坏。在此，分别所容许的充电电流取决于电池组电池的状态。该电池组电池的状态越差，所容许的充电电流就越小。该电池组电池的状态越好，所容许的充电电流就越大。
按照本发明，用于给电池组包的电池组电池充电的充电电流的极限值根据虚拟电池的所选择的状态参量仅仅被计算一次。不需要针对电池组包的多个或者甚至所有电池组电池单独地计算所容许的充电电流。如果电池组包的电池组电池彼此电串联，则也始终有相同的充电电流流经所有电池组电池。
优选地，在此由选择单元从多个状态参量数据记录中选择呈现虚拟电池的尽可能差的状态的那些状态参量。因此，虚拟电池的状态并不好于电池组包的任意一个电池组电池的状态。由此保证了：这样被计算出的充电电流的极限值不大于电池组包的任意一个电池组电池的所容许的充电电流。因此，充电电流的最小极限值被计算。
按照本发明的一个有利的扩展方案，由能量预测单元附加地根据虚拟电池的虚拟数据记录的所选择的状态参量来预测能储存在电池组包的电池组电池中的电能。然后，这样被预测的能储存在这些电池组电池中的电能例如被传输到电动车辆的中央控制设备。该中央控制设备可以例如在确定电动车辆的航程（Reichweite）时考虑被预测的能储存在这些电池组电池中的电能。
在此，能储存在这些电池组电池之一中的电能取决于该电池组电池的状态。该电池组电池的状态越差，能储存在该电池组电池中的电能就越小。该电池组电池的状态越好，能储存在该电池组电池中的电能就越大。
优选地，在此由选择单元从多个状态参量数据记录中选择呈现虚拟电池的尽可能差的状态的那些状态参量。因此，虚拟电池的状态并不好于电池组包的任意一个电池组电池的状态。由此保证了：这样被预测的能储存在这些电池组电池中的电能不大于能真实储存在这些电池组电池中的电能。
按照本发明的另一有利的扩展方案，由功率预测单元附加地根据虚拟电池的虚拟数据记录的所选择的状态参量来预测能从电池组包的电池组电池提取的最大电功率。然后，这样被预测的能从这些电池组电池提取的最大电功率例如被传输到电动车辆的中央控制设备。该中央控制设备可以例如考虑被预测的能从这些电池组电池提取的最大电功率，以便对电池组包的放电电流进行限制。
在此，能在这些电池组电池之一中提取的电功率取决于该电池组电池的状态。该电池组电池的状态越差，能从该电池组电池提取的电功率就越小。该电池组电池的状态越好，能从该电池组电池提取的电功率就越大。
优选地，在此由选择单元从多个状态参量数据记录中选择呈现虚拟电池的尽可能差的状态的那些状态参量。因此，虚拟电池的状态并不好于电池组包的任意一个电池组电池的状态。由此保证了：这样被预测的能从这些电池组电池提取的电功率不大于能从这些电池组电池真实提取的电功率。
有利地，电池组电池的每个状态参量数据记录都至少包括：电池组电池的电压；电池组电池的温度；在电池组电池的阳极处的过电位；在电池组电池的阴极处的过电位；在电池组电池的阳极处的充电状态；和在电池组电池的阴极处的充电状态。根据所提及的状态参量，可以足够精确地确定电池组电池的状态。
有利地，虚拟电池的状态参量虚拟数据记录至少包括：电池组电池的电压；电池组电池的温度；在电池组电池的阳极处的过电位；在电池组电池的阴极处的过电位；在电池组电池的阳极处的充电状态；和在电池组电池的阴极处的充电状态。根据所提及的状态参量，可以足够精确地确定电池组电池的状态。
也提出了一种用于控制和监视电池组包的多个电池组电池的管理***。在此，按照本发明的管理***包括选择单元，用于从多个状态参量数据记录中选择各个状态参量，这些状态参量被传输到该选择单元。所选择的状态参量形成状态参量虚拟数据记录。
优选地，电池组包的每个电池组电池的检测单元都检测各一个状态参量数据记录并且将所检测到的状态参量数据记录传输到管理***的选择单元。
按照本发明的管理***也包括仿真单元，用于根据虚拟数据记录的所选择的状态参量来创建虚拟电池的模型。虚拟电池利用所形成的状态参量虚拟数据记录来对电池组电池进行仿真。
按照本发明的管理***还包括数据处理单元，用于根据虚拟电池的虚拟数据记录的所选择的状态参量来计算用于给电池组包的电池组电池充电的充电电流的极限值。这样被计算出的充电电流的极限值可以被传输到电动车辆的中央控制设备，因此在给电池组包的电池组电池充电时，该中央控制设备可以根据该极限值来对充电电流进行限制。
按照本发明的一个优选的设计方案，选择单元从多个状态参量数据记录中选择呈现虚拟电池的尽可能差的状态的那些状态参量。
按照本发明的一个有利的扩展方案，管理***还包括能量预测单元，用于根据虚拟电池的虚拟数据记录的所选择的状态参量来预测能储存在这些电池组电池中的电能。这样被预测的能储存在这些电池组电池中的电能可以被传输到电动车辆的中央控制设备，该中央控制设备例如可以在确定电动车辆的航程时考虑被预测的能储存在这些电池组电池中的电能。
按照本发明的另一有利的扩展方案，管理***还包括功率预测单元，用于根据虚拟电池的虚拟数据记录的所选择的状态参量来预测能从这些电池组电池提取的最大电功率。这样被预测的能从这些电池组电池提取的最大电功率可以被传输给电动车辆的中央控制设备，该中央控制设备例如可以考虑被预测的能从这些电池组电池提取的最大电功率，以便对电池组包的放电电流进行限制。
也提出了一种电池组包，该电池组包包括：按照本发明的管理***；多个电池组电池，这些电池组电池彼此电串联；和至少一个检测单元，用于检测每个电池组电池的各一个状态参量数据记录并且用于将该数据记录传输给该管理***的选择单元。
在此，每个电池组电池都可分配有单独的检测单元。但是，也可以设置如下检测单元，该检测单元检测多个电池组电池的状态参量数据记录。
有利地，按照本发明的方法应用在包括至少一个按照本发明的电池组包的电动车辆中。该电动车辆尤其可以是纯电驱动车辆、混合动力车辆以及插电式混合动力车辆。
本发明的优点
本发明允许：以比较简单的方式并且在使用比较低的计算能力的情况下来计算或预测用于使电池组包的电池组电池安全且持久地运行的重要特征参量。属于所提及的特征参量的尤其是：用于给这些电池组电池充电的充电电流的极限值；能从这些电池组电池提取的最大电功率；以及能储存在这些电池组电池中的电能。所提及的特征参量不必针对这些电池组电池中的每个电池组电池单独地被计算或预测并且接着彼此关联，而是所提及的特征参量中的每个特征参量都只须被计算或预测一次。因此，在管理***中的计算能力和存储需求有利地被减小。也保证了：所提及的特征参量始终被计算或预测为使得电池组包的所有电池组电池的安全且持久的运行是可能的。
附图说明
本发明的实施方式依据附图和随后的描述进一步予以阐述。
其中：
图1示出了电池组包的示意图；以及
图2示出了电池组包5的管理***的示意图。
具体实施方式
在随后对本发明的实施方式的描述中，相同或者类似的要素用相同的附图标记来表示，其中在个别情况下省去了对这些要素的重复的描述。这些附图只是示意性地呈现本发明的主题。
图1示出了电池组包5的示意图，该电池组包尤其被设置用于在电动车辆中使用。电池组包5包括管理***30，该管理***当前具有选择单元32、仿真单元34和数据处理单元36。
电池组包5还包括多个电池组电池2，这些电池组电池彼此电串联。每个电池组电池2都包括电极单元，该电极单元分别具有阳极11和阴极12。
电极单元的阳极11与电池组电池2的负集流体15连接。电极单元的阴极12与电池组电池2的正集流体16连接。在阳极11与阴极12之间布置有隔片18。为了使电池组包5的电池组电池2串联，电池组电池2的负集流体15分别与相邻的电池组电池2的正集流体16电连接。
在这里所示出的图示中，电池组包5的电池组电池2被充电电流I流经。由于电池组电池2的电串联，相同的充电电流I流经电池组电池2中的每个电池组电池。
电池组包5当前也包括多个检测单元20。在此，每个电池组电池2都分配有检测单元20。检测单元20中的每个检测单元检测所分配的电池组电池2的各一个状态参量数据记录。替选地，也可以设置如下检测单元20，该检测单元检测多个电池组电池2或所有电池组电池2的状态参量数据记录。
这些电池组电池2和被分配给这些电池组电池2的检测单元20形成电池组单元7。因此，电池组包5包括管理***30和电池组单元7。
这些电池组电池2之一的每个状态参量数据记录当前都包括该电池组电池2的电压，该电压附在正集流体16与负集流体15之间。每个状态参量数据记录还包括：该电池组电池2的温度；在阳极11处的过电位；在阴极12处的过电位；在阳极11处的充电状态；和在阴极12处的充电状态。该数据记录也还可以包括其它状态参量。
这些电池组电池2的所检测到的状态参量数据记录由检测单元20传输给管理***30的选择单元32。因此，在选择单元32中，对于电池组包5的每个电池组电池2来说都存在如下数据记录，该数据记录包括上文所描述的状态参量。
在此，检测单元20可以靠近这些电池组电池2布置并且与管理***30连接。但是，检测单元20也可以集成到管理***30中并且与相对应的用于测量这些电池组电池2的不同参量的传感器连接。
由管理***30的选择单元32从这些电池组电池2的状态参量数据记录中选择各个状态参量。所选择的状态参量然后形成状态参量虚拟数据记录。该虚拟数据记录同样包括上文所描述的状态参量。在此，该虚拟数据记录的所选择的状态参量可以全部来自唯一一个电池组电池2。但是，该虚拟数据记录的所选择的状态参量通常来自不同电池组电池2的状态参量数据记录。
由选择单元32从这些电池组电池2的多个状态参量数据记录中选择分别呈现尽可能差的状态的那些状态参量。例如，从所有数据记录中选择：这些电池组电池2的最高电压；这些电池组电池2的最高温度；在这些电池组电池2的阳极11处的最低过电位；在这些电池组电池2的阴极12处的最高过电位；在这些电池组电池2的阳极11处的最高充电状态；和在这些电池组电池2的阴极12处的最低充电状态。
由管理***30的仿真单元34根据该虚拟数据记录的所选择的状态参量来创建虚拟电池8的模型。虚拟电池8利用之前所创建的状态参量虚拟数据记录来对电池组电池2进行仿真。因此，虚拟电池8具有分别呈现尽可能差的状态的那些状态参量。
由管理***30的数据处理单元36根据虚拟电池8的所选择的状态参量来计算用于给电池组包5的电池组电池2充电的充电电流I的极限值。这样被计算出的充电电流I的极限值被传输到电动车辆的中央控制设备40。因此，中央控制设备40可以在给电池组包5的电池组电池2充电时根据该极限值来对充电电流I进行限制。
图2示出了电池组包5的管理***30的示意图。不同于在图1中示出的管理***30，在图2中示出的管理***30附加地具有能量预测单元37和功率预测单元38。选择单元32、仿真单元34和数据处理单元36不变。选择单元32当前只与唯一一个检测单元20连接，该检测单元检测并且传输所有电池组电池2的状态参量数据记录。
由能量预测单元37附加地根据虚拟电池8的所选择的状态参量来预测能储存在电池组包5的电池组电池2中的电能。这样被预测的能储存在这些电池组电池2中的电能同样被传输到电动车辆的中央控制设备40。因此，中央控制设备40可以在确定电动车辆的航程时考虑被预测的能储存在这些电池组电池2中的电能。
由功率预测单元38附加地根据虚拟电池8的所选择的状态参量来预测能从电池组包5的电池组电池2提取的最大电功率。这样被预测的能从这些电池组电池2提取的最大电功率也被传输到电动车辆的中央控制设备40。因此，中央控制设备40可以考虑被预测的能从这些电池组电池2提取的最大电功率，以便例如对电池组包5的放电电流进行限制，例如在电动车辆加速时对电池组包5的放电电流进行限制。
本发明并不限于这里描述的实施例以及其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求书所说明的范围内，许多变型方案是可能的，这些变型方案都在本领域技术人员的处理范围内。

Claims (10)

1.用于控制和监视电池组包（5）的多个电池组电池（2）的方法，其中
由每个电池组电池（2）的至少一个检测单元（20）来检测各一个状态参量数据记录并且将所述状态参量数据记录传输到选择单元（32）；
由所述选择单元（32）从多个状态参量数据记录中选择各个状态参量，这些状态参量形成状态参量虚拟数据记录；
由仿真单元（34）根据虚拟数据记录的所选择的状态参量来创建虚拟电池（8）的模型，其中虚拟电池（8）利用之前所创建的状态参量虚拟数据记录来对电池组电池（2）进行仿真；并且
由数据处理单元（36）根据所述虚拟电池（8）的虚拟数据记录的所选择的状态参量来计算用于给所述电池组包（5）的电池组电池（2）充电的充电电流（I）的极限值；并且
由功率预测单元（38）根据所述虚拟电池（8）的虚拟数据记录的所选择的状态参量来预测能从所述电池组电池（2）提取的最大电功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
由所述选择单元（32）从所述多个状态参量数据记录中选择呈现所述虚拟电池（8）的尽可能差的状态的那些状态参量。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其中
由能量预测单元（37）根据所述虚拟电池（8）的虚拟数据记录的所选择的状态参量来预测能储存在所述电池组电池（2）中的电能。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中
电池组电池（2）的每个状态参量数据记录都至少包括：
所述电池组电池（2）的电压；
所述电池组电池（2）的温度；
在所述电池组电池（2）的阳极（11）处的过电位；
在所述电池组电池（2）的阴极（12）处的过电位；
在所述电池组电池（2）的阳极（11）处的充电状态；和
在所述电池组电池（2）的阴极（12）处的充电状态。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中
所述虚拟电池（8）的状态参量虚拟数据记录至少包括：
所述电池组电池（2）的电压；
所述电池组电池（2）的温度；
在所述电池组电池（2）的阳极（11）处的过电位；
在所述电池组电池（2）的阴极（12）处的过电位；
在所述电池组电池（2）的阳极（11）处的充电状态；和
在所述电池组电池（2）的阴极（12）处的充电状态。
6.用于控制和监视电池组包（5）的多个电池组电池（2）的管理***（30），所述管理***包括：
选择单元（32），用于从被传输到所述选择单元（32）的多个状态参量数据记录中选择各个状态参量，其中所选择的状态参量形成状态参量虚拟数据记录；
仿真单元（34），用于根据虚拟数据记录的所选择的状态参量来创建虚拟电池（8）的模型；和
数据处理单元（36），用于根据所述虚拟电池（8）的虚拟数据记录的所选择的状态参量来计算用于给所述电池组包（5）的电池组电池（2）充电的充电电流（I）的极限值，其中虚拟电池（8）利用之前所创建的状态参量虚拟数据记录来对电池组电池（2）进行仿真；和
功率预测单元（38），用于根据所述虚拟电池（8）的虚拟数据记录的所选择的状态参量来预测能从所述电池组电池（2）提取的最大电功率。
7.根据权利要求6所述管理***（30），其中
所述选择单元（32）从所述多个状态参量数据记录中选择呈现所述虚拟电池（8）的尽可能差的状态的那些状态参量。
8.根据权利要求6至7之一所述的管理***（30），
所述管理***还包括能量预测单元（37），用于根据所述虚拟电池（8）的虚拟数据记录的所选择的状态参量来预测能储存在所述电池组电池（2）中的电能。
9.电池组包（5），其包括：
根据权利要求6至8之一所述的管理***（30）；
多个电池组电池（2），所述电池组电池彼此电串联；
和至少一个检测单元（20），用于检测每个电池组电池（2）的各一个状态参量数据记录并且用于将所述数据记录传输给所述管理***（30）的选择单元（32）。
10.根据权利要求1至5之一所述的方法在电动车辆中的应用，所述电动车辆包括至少一个根据权利要求9所述的电池组包（5）。
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