用于运行电池系统的方法与流程

1.本发明涉及一种用于运行电池系统的方法。在此，所述电池系统包括多个分别具有至少一个电池模块的彼此并联连接的支路。在所述至少一个电池模块中多个电池单池以串联电路和/或以并联电路连接起来。在此，各个支路彼此独立地能接通并且能切断。在此，各个电池单池或者分别包括多个并联连接的电池单池的各个电池单池组彼此独立地能接通并且能切断。
2.本发明此外涉及一种电池系统，所述电池系统被设定用于执行按照本发明地提出的方法。
3.本发明也涉及一种车辆，所述车辆被设定用于执行按照本发明地提出的方法和/或包括按照本发明地提出的电池系统。


背景技术：

4.在当今的电驱动的车辆中多个电池单池不仅彼此串联连接，而且以并联的方式连接。由此得到足够高的电池容量并且因此得到高的车辆行驶里程，但是因此也能够提供必需的功率。通常在电池模块之内实现这样的电池单池的并联电路，其中，多个电池模块彼此串联连接，以便达到必需的电池电压。电池单池监视单元（cell supervising circuit，csc）从属于每个电池模块，所述电池单池监视单元测量在所述电池模块中的各个电池单池电压以及温度，并且转发到上级的电池控制单元（battery control unit，bcu）处以用来进一步评估。
5.对于自主运行的电动车辆（electric vehicle，ev）有特别的要求，尤其是关于车辆的行驶能力，因为不允许这样的车辆的抛锚。所述车辆根据自动化程度必须满足特定的安全等级（safe-stop-level、ssl（安全停止等级））。为此，所述车辆根据不同的风险等级来分级（automotive safety integrity level，asil（汽车安全完整性等级）），这与对于电池设计的被提高的要求相关联。更不易出故障的系统或者甚至容许故障的系统可能意味着各个部分组件的冗余、即倍增，直至整个电池系统的倍增。
6.所述冗余的缺点——如例如结构空间以及尤其是成本——尤其对于传动系的、电池的最昂贵的组件有效。最初的手段朝着下述方向：不仅单支路地构成所述电池——也就是说各个电池单池或者并联连接的电池单池全部都串联连接起来，而且由并联连接的两个或者甚至多个电池模块来构成所述电池。多个并联连接的电池模块意味着仅仅在有限的程度上更大的结构空间，因为所述电池单池必须根据其电池容量减半或者甚至四等分。
7.如果由于故障使得电池单池损坏，那么目前就切断带有有故障的电池单池的电池模块，或者在支路中的多个模块中发生故障的情况下也可能切断整个支路。在带有在所述电池模块的各个电池单池处的耦合装置的电池模块中能够在故障情况下跨接有缺陷的电池单池。然而在这样的电池系统中这意味着，也必须分别跨接来自电池系统的所有另外的支路的功能正常的电池单池，以便在支路中得到相同的电压。相同的情况也适用于带有并联连接的模块的电池系统；所述电池系统因此失去功能正常的电池单池。
8.文件us 2012/0091964 a1公开了一种用于电池的旁路电路并且尤其公开了一种用于车辆电池系统的串联的旁路电路，所述旁路电路切断在电池系统中的一个或多个电池单池或者模块以对于单池-或模块故障或者潜在的单池-或模块故障作出反应，并且借助于旁路来绕行。
9.文件us 2016/0240894 a1描述了一种用于监测和调节能再充电的电池的运行的电池管理系统，所述电池具有多个彼此电连接的、分别包括至少一个电池单池的电池模块，其中，所述电池管理系统包括至少一个控制器单元和至少一个单池监视单元，并且其中，所述至少一个单池监视单元被构造用于：接收关于至少一个电池单池的至少一个运行参数的数据，检测所接收的数据并且将所检测的数据传递到至少一个控制器单元处。


技术实现要素：

10.提出了一种用于运行用于车辆的、尤其是电动车辆的电池系统的方法。在此，所述电池系统包括分别具有至少一个电池模块的多个彼此并联连接的支路。在所述至少一个电池模块中，多个电池单池以串联电路和/或以并联电路连接起来。在此，各个支路彼此独立地能接通并且能切断。
11.各个电池单池优选地彼此独立地能接通并且能切断。在此，所述电池系统在各个电池模块之内包括第一耦合装置，在所述电池模块之内的各个电池单池能够利用所述第一耦合装置来切断，并且能够通过绕行线路来跨接，第二耦合装置容纳在所述绕行线路中。
12.所述电池单池有利地能够联合成多个电池单池组，所述电池单池组分别包括多个并联连接的电池单池。在此，所述电池系统在各个电池模块之内包括第一耦合装置，在所述电池模块之内各个电池单池组能够利用所述第一耦合装置来切断，并且能够通过绕行线路来跨接，第二耦合装置容纳在所述绕行线路中。
13.所述电池系统能够具有电池控制单元以用于监视至少一个电池模块并且用于操控主开关和/或第一及第二耦合装置。所述至少一个电池模块能够具有带有传感器的电池单池监视单元，所述传感器用于检测所述电池单池的以及所述至少一个电池模块的测量值。在此，所述电池单池监视单元与电池控制单元通信。在此，电池控制单元能够具有一种评估电子部件以用于评估由所述传感器所检测的、所述电池单池的以及所述至少一个的电池模块的测量值。
14.例如每个单个的电池单池的温度和电压以及整个电池模块的温度和电压属于由所述传感器所检测的测量值。
15.此外所述电池系统能够如此实施，使得所述电池系统具有第一耦合装置，利用所述第一耦合装置使得电池模块从支路切断，并且能够通过绕行线路来跨接，所述绕行线路包括第二耦合装置。
16.按照本发明首先识别电池单池的故障。这能够通过评估所述测量值来实现。电池单池的故障理解成单池故障或者电子部件故障，它们在分配给电池单池的电子部件、如例如电池监视单元或者传感器处出现。
17.随后切断并且跨接所述有故障的电池单池或者所述有故障的电池组，所述有故障的电池单池处于所述有故障的电池组中。在此，所述有故障的电池单池或者所述有故障的电池单池组保持持久地跨接。
18.同时切断具有所述有故障的电池单池或者所述有故障的电池组的有故障的支路。
19.随后比较所述有故障的支路的支路电压与各自的功能正常的支路的支路电压，在所述功能正常的支路中未识别到故障。
20.此后当在支路之间的电压差超过电压阈值时，就使得所述功能正常的支路放电。所述有故障的支路仅仅保持一直切断，直至功能正常的支路的支路电压几乎已经适应于有故障的支路的水平。在此，所述功能正常的支路提供用于电动车辆的能量并且提供相应地更高的支路电流。
21.当在所述支路之间的电压差未超过所述电压阈值时，优选地接通所述有故障的支路。
22.在相同的电压水平上所有的支路又可供使用并且因此能够提供其最大的功率直至达到放电结束电压。最终在行驶里程上反映出来的能量损失仅仅从电压适应阶段的持续时间和放电电流得出。这以有利的方式导致了，牵引力供给的可用性和可靠性被提高。由此能够达到任意的安全停止等级。
23.所述电压阈值优选地处于1v至2v的范围中。由此能够防止会损害电池的平衡电流。
24.当发生再生过程时，就优选地接通所述有故障的支路。在此，所述有故障的支路的功能正常的电池单池通过再生电流一直充电，直至实现了所述支路的电压适应（spannungsangleichung）。此后对所有的支路的功能正常的电池单池进行充电。
25.因此能够没有限制地继续进行行驶，能够在之后进行维修。如果没有发生电池单池更换或者电池模块更换并且对电动车辆的电池进行充电，那么优选地能够在对电池系统充电时对所有支路进行充电。在此，在达到以一个或者多个单池电压为幅度进行降低的支路电压时就结束充电过程。
26.作为替代方案能够首先在对带有被切断的有故障的支路的电池系统充电时对功能正常的支路充满电。在充满电之后进行功能正常的支路的放电过程，直至所有的支路的支路电压处于相同的水平上。
27.优选地当所述有故障的支路的支路电流未超过电流阈值时，在识别到电子部件故障的情况下才切断所述有故障的支路。所述电流阈值优选地处于15a至25a的范围中。
28.此外能够如此执行按照本发明地提出的方法，使得在识别到电池故障和/或电池模块故障时切断电池模块。
29.此外提出了一种被设定用于执行按照本发明地提出的方法的电池系统。
30.也提出一种车辆，该车辆被设定用于执行按照本发明地提出的方法和/或该车辆包括按照本发明地提出的电池系统。
31.本发明的优点利用按照本发明地提出的方法，能够节省成本地并且节省构造空间地在同时的最大的可能的容量情况下在故障情况中运行电池系统。按照本发明地提出的方法的实施基于纯粹的软件技术并且因此不需要附加的硬件、如例如用于电池系统的电子部件。
32.在此，不需要用于电池系统的冗余的电池模块。通过按照本发明地提出的方法使得功能正常的电池模块的或者支路的电压适配于有故障的电池模块的或者支路的电压。因此最小化了行驶里程减少并且因此同样地提高了用于达到任意的安全停止等级的牵引力
供给的可用性以及可靠性。此外按照本发明地提出的方法仅仅在故障情况中才使用，由此使得电池系统的电池控制单元的负载最小化。
33.借助于按照本发明地提出的方法也能够描述在一电池模块或者一支路之内的多重故障或者跨电池模块地或者跨支路地描述多重故障。
34.此外按照本发明地提出的方法独立于故障并且因此能用于单池故障或者电子部件故障。此外按照本发明地提出的方法也对于带有耦合装置的电池系统而言不仅能够用于各个电池单池，而且还能够用于电池模块。
附图说明
35.本发明的实施方式借助于附图和接下来的描述来进一步解释。
36.其中：图1示出了带有并联和串联连接的电池单池的四支路式的电池系统的结构；图2示出了采用1p-布置方案的三支路式的电池系统的结构；图3示出了带有采用1p-布置方案的三支路式的电池系统的电传动系统，所述三支路式的电池系统带有电池单池耦合装置；图4示出了带有采用3p-布置方案的串联连接的电池单池的电池模块，所述电池模块带有电池单池耦合装置；图5示出了采用1p-布置方案的电池模块，所述电池模块带有分配给该电池模块的在主-和绕行线路中的耦合装置；图6示出了采用3p-布置方案的电池模块，所述电池模块带有分配给该电池模块的在主-和绕行线路中的耦合装置；并且图7示出了按照本发明地提出的方法的示意性的方法流程，所述方法用于运行容许故障的电池系统。
具体实施方式
37.图1示出了带有四个支路12的电池系统10的结构，所述四个支路分别包括一电池模块18、20、22、23、第一支路接触器14以及第二支路接触器16。从按照图1的图示中得出，所述电池模块18、20、22、23的每个电池模块都分配有电池单池监视单元36。如此构成所述电池模块18、20、22、23：使得在所述电池模块中所述电池单池24、26、28、30以12串3并-电路（12s3p-schaltung）32彼此连接起来。按照在图1中的图示，所述电池系统10包括四个电池控制单元40，所述四个电池控制单元分别不仅与第一支路接触器14而且也与第二支路接触器16处于连接中，并且也与各个电池模块18、20、22、23的电池单池监视单元36经由通信线路42、如例如控制器局域网络总线（can-bus）进行通信。按照在图1中的图示，所述电池系统10此外包括第一主接触器60和第二主接触器62以用于接通和切断所述电池系统10。
38.在图1中所示出的电池系统10中，通常十个至十二个电池单池24、26、28、30构成一个电池模块18、20、22、23。如果这样的电池模块18、20、22、23中的多个电池模块——因此例如八个至十个电池模块——彼此串联连接起来，那么就到达了例如400v的必需的电池电压。
39.从按照图2的图示中得出，所述电池系统10包括三个支路12。在所述支路12中的每
个通过第一支路接触器14和第二支路接触器16来防护的支路之内，存在着第一电池模块18、第二电池模块20以及第三电池模块22，其中，所述电池模块18、20、22彼此串联连接。如另外从按照图2的图示中得知的那样，在各个电池模块18、20、22之内所述电池单池24、26、28、30在串联电路34的范围中连接起来。在图2中所示出的图示也被称为1p-布置方案48。按照在图2中的图示，所述电池模块18、20、22中的每个电池模块都分配有带有在此未被示出的传感器的电池单池监视单元36。所述电池系统10此外具有电池控制单元40，所述电池控制单元经由通信线路42与电池单池监视单元36进行通信。
40.也能够以2p-布置方案或者3p-布置方案50（参照按照图1的图示）来构成各个电池模块18、20、22，以代替在图2中所示出的1p-布置方案48。按照在图2中的图示，所有电池模块18、20、22都具有相同的结构。
41.在图1和图2中所示出的电池系统10仅仅在以下范围内容许故障：在故障情况下电池模块18、20、22、23或者支路12被切断，这伴随着容量减小并且因此伴随着功率减小。
42.在本发明的实施方式的接下来的描述中相同的或者类似的元件用相同的附图标记来表示，其中，在个别情况下放弃对于这些元件进行重复描述。所述附图仅仅示意性地表示本发明的主题。
43.图3示出了电传动系统100。所述电传动系统100包括三支路式的电池系统10、电动机80。在此，所述电池系统10具有与所述电动机80相连接的逆变器70。
44.从按照图3的图示中得出，所述支路12分别包括一电池模块18、20、22。在此，所述第一支路12包括第一电池模块18，所述第二支路12包括第二电池模块20并且所述第三支路12包括第三电池模块22。电池系统10的三个电池模块18、20、22分别包括电池单池监视单元36。在每个电池模块18、20、22中，所述电池单池24、26、28、30以串联电路34连接起来。与按照图2同样以串联电路34来连接的电池模块18、20、22的设计方案不同，在图3中所示出的电池模块18、20、22中，在支路12的主线路52的电池系统10中设置了第一耦合装置44。在按照变型设计的电池模块18、20、22中在图3中的所示出的电池单池24、26、28、30的每个电池单池都分配有绕行线路54，在所述绕行线路中分别存在第二耦合装置46。
45.如果按照图3的电池模块18、20、22的电池单池24、26、28、30之一损坏，那么就断开分别分配给该电池单池24、26、28、30的第一耦合装置44，以使得能够切断相关的电池单池24、26、28、30。通过在分别分配给待要切断的电池单池24、26、28、30的绕行线路54中分别闭合所述第二耦合装置46来实现绕行。
46.出于完整性提到了，在按照图3的电池系统10的电池模块18、20、22中，电池单池24、26、28、30以1p-布置方案48来连接。
47.所述电池系统10的支路12分配有共同的第一支路接触器14。为了彼此独立地切断所述支路12，所述支路12分别包括第二支路接触器16。
48.在此，通过操作带有有缺陷的电池单池24、26、28、30的电池模块18、20、22的或者支路12的第二支路接触器16来实现电压适应，以代替对于来自电池模块18、20、22的有缺陷的电池单池24、26、28、30进行跨接并且为了电压适应的目的对于来自其余的电池模块18、20、22或者支路12的另外的功能正常的电池单池24、26、28、30进行跨接，这伴随着电压减小并且最终伴随着行驶里程减少。
49.为了阐明按照本发明地所提出的方法，在此假定，在第一电池模块18的第一电池
单池24中存在故障。在电池模块18、20、22的或者不同的电池模块18、20、22的另外一个或者多个电池单池24、26、28、30中当然可能存在故障。
50.如果电池控制单元40——在所述电池控制单元中执行了电池系统管理系统——识别到第一电池模块18的第一电池单池24的故障，无论是单池故障还是电子部件故障，那么就操作第一电池模块18的第一电池单池24的第一和第二耦合装置44、46，以便使其持久地跨接。同时转换第一支路12的第二支路接触器16并且将第一支路12与两个其它的支路12脱离，因为在电池模块18、20、22或者支路12之间存在电压差，所述电压差将会导致高的平衡电流，由此使得电池单池24、26、28、30被损害并且因此更快地老化。
51.因为所述支路接触器14、16不应该在高负载情况下运行，所以应当注意，在切断时间点中电流不要太大，例如小于20a。在充电过程中能够没有问题地在充电策略中考虑到这一点。在行驶期间、即在放电过程中则表现不同；在此不应该进行突然的功率扰动。对于对安全至关重要的单池故障或者不那么重要的电子部件故障的故障类型识别导致了，在最后提到的情况下能够实现延迟所述切断，直至满足电流条件、如例如在交通灯处的状态下或者在惯性运行（segelbetrieb）中、当不存在力矩需求时。然而，对安全至关重要的单池故障必须在其识别之后立即导致切断。在此，能够通过在驾驶舱中的提示将可能的紧接着地即将来临的功率扰动告知驾驶员。所述电池管理系统尽可能抑制所述功率减小，其方式为：所述电池管理系统将所要求的电流分到两个功能正常的支路12上，在此是第二和第三支路12或者电池模块20、22，并且因此对第二和第三支路12的或者电池模块20、22的电池单池24、26、28、30在允许的界限中加载更高的支路电流。因此驾驶员仅仅在全负载运行中、即在最大的力矩需求感受到功率扰动。
52.所述第一支路12的第二支路接触器16仅仅一直保持断开，直至第一和第二支路12的电压几乎已经适应于所述第一支路12的水平（例如直至大约1v至2v）。在所述时间期间，所述第二和第三支路12提供用于电动车辆的能量并且尽可能提供相应地更高的支路电流。如果在该阶段中发生再生过程，那么就闭合第一支路12的第二支路接触器16，并且所述第一电池模块18的功能正常的电池单池26、28、30被一直充电，直至实现电压适应，而断开了第二和第三支路12的第二支路接触器16。此后对所有三个支路12的电池单池24、26、28、30进行充电。
53.在相同的电压水平上所有三个支路12又可供使用并且因此能够提供其最大功率，直至达到放电结束电压。最终在电动车辆的行驶里程上反映出来的能量损失仅仅从电压适应阶段的持续时间和放电电流得出。这以有利的方式导致了，提高了牵引力供给的可用性和可靠性。由此能够达到任意的安全停止等级。
54.因此能够没有限制地继续进行行驶，能够在之后进行维修。如果没有发生电池单池更换或者电池模块更换并且对电动车辆的电池进行充电，那么能够要么在达到以一单池电压为幅度进行降低的支路电压时就结束所述充电过程。作为替代方案，通过断开所述第一支路12的第二支路接触器16也还能够将两个功能正常的支路12充满电。在这种情况下如上所述一直利用第一支路12的被断开的第二支路接触器16来实现所述放电过程，直至三个支路12的电压处于相同的水平上。
55.在这种结构中有利的是，也能够处理在电池模块18、20、22或者支路12中的多个故障，所谓的双重故障或者多重故障。甚至在不同的支路12中的故障也能够利用按照本发明
地所提出的方法来描述。按照本发明地所提出的方法提供了下述优点，除了有故障的电池单池24、26、28、30之外不必切断另外的电池单池24、26、28、30，这伴随着更少的行驶里程减少。因此在故障情况中在没有附加的硬件的情况下在同时的最大可能的容量时保证电池系统10的运行。
56.图4示出了容许故障的电池系统10的带有第一和第二耦合装置44、46的第一电池模块18，所述第一和第二耦合装置分配给以3p-布置方案50连接起来的电池单池24、26、28、30。
57.在图4中如此构成所述第一电池模块18，使得各个连接成3p-电池单池组38的电池单池24、26、28、30以串联电路34来连接（例如十二个电池单池组38）。按照图4如此构成第一电池模块18，在主线路52中的第一耦合装置44位于各个电池单池24、26、28、30的每个3p-布置方案50或者每个电池单池组38之前。在所述第一耦合装置之前所述绕行线路54分岔，在所述绕行线路中容纳了第二耦合装置46。
58.通过按照在图4的图示的第一电池模块18的变型设计，即使单个的以3p-布置方案50或者电池单池组38来连接的电池单池24、26、28、30损坏，也能够继续运行所述第一电池模块18，以使得能够通过断开或者闭合第一和第二耦合装置44、46、也就是说通过绕行有损伤的电池单池24、26、28、30来继续运行第一电池模块18。
59.图5示出了采用1p-布置方案48的第一电池模块18，所述第一电池模块带有分配给该第一电池模块的在主-和绕行线路52、54中的耦合装置44、46。
60.从按照图5的图示得知容许故障的电池系统10，所述电池系统的在此示例性地所选取出来的第一电池模块18包括以串联电路34彼此连接起来的电池单池24、26、28、30。所述第一电池模块18示出了分别与以串联电路34彼此连接起来的电池单池24、26、28、30相连接的主-以及从-电池单池监视单元36。
61.如从图5进一步得知的那样，所述第一耦合装置44处于主线路52中，在所述第一耦合装置之前——与按照图4的变型设计类似地——绕行线路54分岔。在所述绕行线路中布置了第二耦合装置46。为了从主线路52切断所述第一电池模块18，就断开所述第一耦合装置44并且闭合所述第二耦合装置46，以使得例如已经被证明为有损伤的第一电池模块18能够通过在电池系统10的支路12之内的绕行线路54来绕行，并且能够继续运行按照本发明地所提出的容许故障的电池系统10。
62.图6示出了采用3p-布置方案50的第一电池模块18，所述第一电池模块分配有第一和第二耦合装置44、46。
63.从图6得知，在那里所示出的第一电池模块18具有分别以3p-布置方案50或者电池单池组38来并联连接的数个电池单池24、26、28、30。电池系统10的在图6中所选取出来的第一电池模块18在主线路52中具有第一耦合装置44。在所述第一耦合装置44之前，所述绕行线路54分岔，在所述绕行线路中容纳了第二耦合装置46。如果所述电池系统10损坏——该电池系统的以3p-布置方案50来连接的电池单池24、26、28、30以串联电路34进行连接，那么就断开所述第一耦合装置44，闭合位于所述绕行线路54中的第二耦合装置46并且因此跨接有损伤的电池模块，以使得在电池系统10中仅仅切断了所述电池模块18、20、22中的有损伤的电池模块并且能够继续运行所述电池系统10，尽管以减少了的功率来运行。通过按照本发明的容许故障地被设计的电池系统10确保了自主行驶的电动车辆的继续运行而确保了：
不需要中断行驶，而是尽管具有减少了的功率以及提高了的持续时间也能够继续行驶。
64.图7示出了按照本发明地所提出的方法的示意性的方法流程200，所述方法用于运行容许故障的电池系统10。
65.从图7能够得出，从在方法步骤201中的开始出发，按照本发明地所提出的方法开始运行。
66.首先在方法步骤202中识别电池单池24、26、28、30的故障。这能够通过评估所述电池单池24、26、28、30的测量值来实现。
67.随后在方法步骤203中切断并且跨接有故障的电池单池24、26、28、30或者有故障的电池单池组38，所述有故障的电池单池24、26、28、30处于所述有故障的电池单池组中。在此，所述有故障的电池单池24、26、28、30或者所述有故障的电池单池组38保持持久地跨接。
68.同时在方法步骤204中切断所述有故障的支路12，所述有故障的支路具有所述有故障的电池单池24、26、28、30或者所述有故障的电池单池组38。
69.随后在方法步骤205中比较所述有故障的支路12的支路电压与各自的功能正常的支路12的支路电压，在所述功能正常的支路中没有识别到故障。
70.当在所述支路12之间的电压差超过电压阈值时，那么在方法步骤206中就使得所述功能正常的支路12放电。所述有故障的支路12仅仅一直保持切断，直至所述功能正常的支路12的支路电压几乎已经适应于有故障的支路12的水平。在此，所述功能正常的支路12提供用于电动车辆的能量并且提供相应地更高的的支路电流。当在使得所述功能正常的支路12放电的期间发生再生过程时，就接通所述有故障的支路12。在此，所述有故障的支路12的功能正常的电池单池24、26、28、30通过再生电流一直充电，直至实现了所述支路12的电压适应。此后对所有的支路12的功能正常的电池单池24、26、28、30进行充电。
71.当在所述支路12之间的电压差未超过电压阈值时，在方法步骤207中就接通所述有故障的支路12。此后在方法步骤208中使得所有的支路12的电池单池24、26、28、30放电。当在此发生再生过程时，同样地对所有的支路12的电池单池24、26、28、30进行充电。
72.在方法步骤209中，所有的支路12又在相同的电压水平上可供使用并且因此能够提供其最大功率直至达到放电结束电压，并且当切断所述电池系统10时，就在方法步骤210中结束按照本发明地所提出的方法。
73.本发明并不限于在此所描述的实施例以及在其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求所规定的范围之内大量的处在专业的处理的范围中的变型方案是可行的。