用于开关电池组的多个不同构造的电池组电池的方法和具有拥有多个不同构造的电池组电池的电池组的电池组系统

摘要

本发明涉及一种用于开关电池组（111）的多个电池组电池（24、27）的方法，其中多个电池组电池（24、27）能够彼此串联，分别以相应的第一概率P1i电耦合到电池组（111）上并且分别以相应的第二概率P2i从电池组（111）上电去耦。在此，多个电池组电池（24、27）构成一组电池组电池（24、27），所述组包括彼此相同构造的电池组电池（24）的第一子组（114）和/或彼此相同构造的并且相对于第一子组（114）的电池组电池（24）不同构造的电池组电池（27）的第二子组（117）。此外，对于第一子组（114）的每个电池组电池（24），将品质因数G1i作为与流经电池组（111）的电池组电流的电流值相关的第一函数来计算，和/或对于第二子组（117）的每个电池组电池（27），将品质因数G2i作为与电池组电流的电流值相关的并且与第一函数不同的第二函数来计算。对于第一子组（114）的每个电池组电池（24）和/或对于第二子组（117）的每个电池组电池（27），相应的第一概率P1i和相应的第二概率P2i也分别根据相应电池组电池（24、27）的所计算的品质因数（G1i、G2i）来确定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于开关电池组的多个电池组电池的方法。本发明还涉及一种具有拥有多个电池组电池的电池组的电池组系统，其中给每个电池组电池分别分配一个在电池组中布置的电池组电池监控模块。

背景技术

在图1中示出由现有技术已知的电池组系统10，该电池组系统包括具有多个电池组电池单元（智能电池单元，SCU）20的电池组11，所述电池组电池单元分别具有一个电池组电池21和分配给电池组电池21的电池组电池监控模块（电池组电池电子模块或电池组电池电子装置）22。为了简化图1中的图示，仅仅两个电池组电池单元被画出并且分别配备附图标记20。电池组电池监控模块22能够实现各个电池组电池21的单独控制。为了产生电池组11的输出电压（总输出电压）U，电池组电池监控模块22以串联电路通过连接段相互连接，该输出电压U也用作电池组系统10的输出电压U。电池组系统10还包括用于控制电池组系统10的中央控制单元（Central Control Unit，CCU）30。

为了产生电池组11的所调节的输出电压（总输出电压）U，各个电池组电池21分别借助所分配的电池组电池监控模块22接通，即电池组电池21分别以相对于输出电压U的抽头的正或负极性引入到串联电路中。为了产生电池组11的所调节的输出电压（总输出电压）U，各个电池组电池21还分别借助所分配的电池组电池监控模块22来切断，即要切断的电池组电池21通过以下方式从串联电路上分离，即每个要切断的电池组电池21的连接端子借助所分配的电池组电池监控模块22电连接，由此桥接相应的电池组电池21。因此，接入至串联电路的电池组电池21可以分别处于被称为“正向接入”的连接状态或另外的被称为“负向接入”的连接状态。此外，从串联电路上分离的电池组电池21处于被称为“桥接”的连接状态。

在这样的电池组系统10（智能电池电池组系统）中，分散地在相应的电池组电池监控模块22中进行关于电池组电池21的连接状态的改变的决定。实际的调节功能通过中央控制单元30来实现，该中央控制单元被构造为花费少地实现的中央调节器。

在此，在电池组系统10中，通过被构造为单向通信接口的通信段31进行第一控制参量P1和第二控制参量P2的预给定，通过该通信段由中央控制单元30将仅仅一个唯一的包括当前控制参量P1和P2的消息发送到所有电池组电池监控模块22。所有电池组电池监控模块22接收相同的消息并且自主地或者将分别分配的电池组电池21接入串联电路或者通过相应的在电池组电池监控模块22中分别存在的开关（未示出）来桥接分别分配的电池组电池21。根据控制算法，中央控制单元30预给定两个位于0和1之间的数值形式的两个控制参量P1、P2，所述控制参量由中央控制单元（CCU）30通过通信段31传输给电池组电池监控模块（SCU）22并且同样地被所有电池组电池监控模块22接收。在此适用：0≤P1≤1并且0≤P2≤1。

在每个电池组电池监控模块22中实施均匀分布的随机过程，该随机过程将P1解释为称为接通概率的第一概率并且将P2解释为称为切断概率的第二概率，以第一概率来接通每个被切断的电池组电池21，以第二概率来切断每个被接通的电池组电池21。中央控制单元30跟踪控制参量P1和P2，使得在电池组系统U的当前输出电压U和所期望的输出电压Us之间出现尽可能小的差（调节差）。

除了产生电池组11的所调节的输出电压U之外，可以进行由中央控制单元30来执行的控制算法的简单扩展，使得有效的电池组电池功能状态平衡（电池组电池平衡）通过为电池组电池21同时使用加权的使用期来实现。对此，每个电池组电池监控模块22根据品质因数缩放相关的控制参量P1或P2、即相同接收的并且根据所分配的电池组电池21的连接状态来选择的控制参量P1或P2，该品质因数根据所分配的电池组电池21的充电状态（SOC）和老化状态（SOH）来计算。结果，具有较高品质因数的被切断的电池组电池21比具有较低（较小）品质因数的电池组电池21以更高的概率来接通。相反，具有较低品质因数的电池组电池21比具有较高品质因数的电池组电池21以更大的概率被切断。在时间平均上，具有较低品质因数的电池组电池21较少经常地负载，由此执行电池组11的电池组电池21之间的有效的电池组电池功能状态平衡，其中平衡了电池组11的不同电池组电池21之间的充电状态差和老化状态差。

由文献WO 03/088375 A2已知一种具有高功率电池组和高能电池组的混合电池组，其中高功率电池组和高能电池组彼此并联。在此，高功率电池组和高能电池组可以在混合电池组放电中分别被接通和切断。例如高能电池组可以在存在具有高的电流值的电流的情况下被切断并且高功率电池组可以在存在具有低的电流值的电流的情况下被切断。

发明内容

根据本发明提出一种用于开关电池组的多个电池组电池的方法，其中多个电池组电池能够彼此串联，分别以相应的第一概率电耦合到电池组上并且分别以相应的第二概率从电池组上电去耦。在此，多个电池组电池构成一组电池组电池，该组包括彼此相同构造的电池组电池的第一子组和/或彼此相同构造的并且相对于第一子组的电池组电池不同构造的电池组电池的第二子组。此外，对于第一子组的每个电池组电池，将品质因数作为与流经电池组的电池组电流的电流值相关的第一函数来计算，和/或对于第二子组的每个电池组电池，将品质因数作为与电池组电流的电流值相关的并且与第一函数不同的第二函数来计算。在此，对于第一子组的每个电池组电池和/或对于第二子组的每个电池组电池，相应的第一概率和相应的第二概率分别根据相应电池组电池的所计算的品质因数来确定。

此外，根据本发明提供一种具有拥有多个电池组电池的电池组的电池组系统，其中给每个电池组电池分别分配一个在电池组中布置的电池组电池监控模块并且其中多个电池组电池能够借助所分配的电池组电池监控模块彼此串联。在此，每个电池组电池监控模块被构造用于，将所分配的电池组电池以相应的第一概率电耦合到电池组上并且以相应的第二概率从电池组上电去耦。此外，多个电池组电池构成一组电池组电池，该组包括彼此相同构造的电池组电池的第一子组和/或彼此相同构造的并且相对于第一子组的电池组电池不同构造的电池组电池的第二子组。在此，分配给第一子组中的电池组电池的每个电池组电池监控模块被构造用于，对于所分配的电池组电池，将品质因数作为与流经电池组的电池组电流的电流值相关的第一函数来计算，和/或分配给第二子组中的电池组电池的每个电池组电池监控模块被构造用于，对于所分配的电池组电池，将品质因数作为与电池组电流的电流值相关的并且与第一函数不同的第二函数来计算。此外，分配给第一子组中的电池组电池的每个电池组电池监控模块和/或分配给第二子组中的电池组电池的每个电池组电池监控模块被构造用于，对于所分配的电池组电池，将相应的第一概率和相应的第二概率分别根据所分配的电池组电池的所计算的品质因数来确定。

从属权利要求示出本发明的优选的改进方案。

在本发明的一种十分优选的实施方式中，第一子组的每个电池组电池是能量电池并且第二子组的每个电池组电池是功率电池。在此，作为在每个能量电池中最大能存储的第一能量量和相应能量电池的质量之间的商来计算的第一能量密度大于作为在每个功率电池中最大能存储的第二能量量和相应功率电池的质量之间的商来计算的第二能量密度。优选地，在正常运行中，每个功率电池比每个能量电池可以以具有更高的电流值的电流来放电和/或充电。此外优选地，为了计算第一子组中的每个电池组电池的品质因数所使用的第一函数是电池组电流的电流值的单调下降的函数。此外优选地，为了计算第二子组中的每个电池组电池的品质因数所使用的第二函数是电池组电流的电流值的单调上升的函数。

在本发明中，对于根据本发明的电池组系统的电池组的每个电池组电池定义品质因数，该品质因数部分地或完全与流经电池组的电池组电流的电流值相关。每个电池组电池的这样定义的品质因数也还可以与所涉及的电池组电池的特性相关。优选地，如果当前的电池组电流的电流值是小的，则能量电池获得高的根据本发明的品质因数，而如果当前的电池组电流的电流值是大的，则能量电池获得小的根据本发明的品质因数。此外优选地，功率电池的根据本发明的品质因数表现得恰好相反。

优选地，为了计算第一子组中的每个电池组电池的品质因数所使用的第一函数这样地与电池组电流的电流值相关，即如果电池组电流的电流值在最小电流极限值和最大电流极限值之间变化，则第一子组中的每个电池组电池的品质因数也在最大第一品质因数极限和最小第一品质因数极限之间变化。此外优选地，为了计算第二子组中的每个电池组电池的品质因数所使用的第二函数这样地与电池组电流的电流值相关，即如果电池组电流的电流值在最小电流极限值和最大电流极限值之间变化，则第二子组中的每个电池组电池的品质因数也在最小第二品质因数极限和最大第二品质因数极限之间变化。在此，最小第一品质因数极限特别是等于最小第二品质因数极限和/或最大第一品质因数极限特别是等于最大第二品质因数极限。

优选地，为了计算第一子组中的每个电池组电池的品质因数所使用的第一函数这样地与电池组电流的电流值相关并且为了计算第二子组中的每个电池组电池的品质因数所使用的第二函数这样地与电池组电流的电流值相关，即如果电池组电流具有位于最小电流极限值和最大电流极限值之间的预先定义的电流值，则第一子组中的每个电池组电池的品质因数与第二子组中的每个电池组电池的品质因数相等。

优选地，为了计算第一子组中的每个电池组电池的品质因数所使用的第一函数也还与至少一个另外的与电池组电流的电流值无关的参数相关。此外优选地，为了计算第二子组中的每个电池组电池的品质因数所使用的第二函数也还与至少一个另外的参数相关。

在本发明的一种十分有利的实施方式中，为第一子组中的每个电池组电池和/或为第二子组中的每个电池组电池所使用的第一概率是相应电池组电池的所计算的品质因数的单调上升的特别是线性的函数。

在本发明的另一种十分有利的实施方式中，为第一子组中的每个电池组电池和/或为第二子组中的每个电池组电池所使用的第二概率是相应电池组电池的所计算的品质因数的单调下降的特别是线性的函数。

这意味着，如果具有小的电流值的电池组电流流经电池组，则第一子组的电池组电池、即能量电池优选地更强烈地放电或充电。这还意味着，如果具有大的电流值的电池组电流流动，则第二子组的电池组电池、即功率电池优选地更强烈地放电或充电。因此，每个电池组电池根据其特性在最优工作点中使用，即每个电池组电池更经常地以以下电流来放电或充电，针对所述电流已经详细说明该电池组电池。这能够实现将不仅能量电池而且功率电池安装在根据本发明的电池组系统的相同电池组中。能量电池比功率电池具有更高的能量密度（Wh/kg）。由于该原因，根据本发明的电池组系统的其中安装有不仅能量电池而且功率电池的电池组的能量密度相较于其中仅仅安装有功率电池的电池组可以显著提高。

在分析能够在车辆中使用的电池组系统时，例如可以规定：在这样的电池组系统的典型的针对放电周期定义的负荷中，以具有优选地小于3C的C速率的放电电流提取该电池组系统的电池组的能量量的最大份额。如果电池组以C速率放电或充电，则电流的电流值作为C速率和该电池组的额定充电量之间的乘积来计算，该电池组以该电流值放电或充电。1C的C速率意味着，例如具有1Ah的额定充电量并且以1C的C速率放电的电池组提供1A的电流一个小时长。因为能量电池比功率电池具有更高的能量密度（Wh/kg），所以能量量的这个之前提及的最大份额可以优选地由能量电池来提供，而功率电池优选地可以提供从该电池组系统的电池组中所提取的能量量的较小份额，该较小份额以具有较高的C速率的放电电流来提取。因此，在具有保持不变的最大C速率的放电电流的情况下可以提高这样的电池组系统的电池组的能量密度，在该电池组中同时安装有能量电池和功率电池。

在随后示出的表格中，从所述电池组系统的电池组中提取的能量量AE的份额在第一列中以百分比%来说明并且相应放电电流的C速率在第二列中说明。

AE（%）C速率27%<1C24%1C至2C27%2C至3C14%3C至4C5%4C至5C1%5C至6C2%≥7C

在根据本发明的电池组系统中，对于第一子组中的每个电池组电池和/或对于第二子组中的每个电池组电池，由分别分配给所述电池组电池的电池组电池监控模块所使用的第一概率优选地是以相应的第一因数缩放的第一控制参量。此外，对于第一子组中的每个电池组电池和/或对于第二子组中的每个电池组电池，由分别分配给所述电池组电池的电池组电池监控模块所使用的第二概率优选地是以相应的第二因数缩放的第二控制参量。优选地，第一控制参量和/或第二控制参量分别与相应电池组电池的品质因数无关，并且第一因数和第二因数分别根据相应电池组电池的品质因数来预先定义。

优选地，根据本发明的电池组系统具有中央控制单元，该中央控制单元被构造用于，为了产生电池组的所期望的输出电压，为第一子组的所有电池组电池和/或为第二子组的所有电池组电池预给定各个第一控制参量和各个第二控制参量，并且将第一控制参量和第二控制参量传递到分配给第一子组中的电池组电池的所有电池组电池监控模块和/或分配给第二子组中的电池组电池的所有电池组电池监控模块。此外优选地，该控制单元被构造应用于测量电池组的当前输出电压并且将其与电池组的所期望的输出电压进行比较，并且在存在当前输出电压和所期望的输出电压之间的差时改变第一控制参量和第二控制参量，使得当前输出电压和所期望的输出电压之间的差的绝对值最小化。

在此，所测量的当前输出电压和所期望的输出电压优选地不是相应电压的瞬时值，而是相应电压在多个调节周期上的平均值或相应电压的统计平均值。

本发明的另一方面涉及一种具有根据本发明的电池组系统的车辆。

附图说明

随后参照附图详细描述本发明的实施例。在附图中：

图1是由现有技术已知的具有拥有多个能够串联的电池组电池的电池组的电池组系统，

图2是根据本发明的第一实施方式构造的具有拥有多个能够串联的电池组电池的电池组的电池组系统，以及

图3是针对图2中的电池组系统的电池组的不同构造的电池组电池示出的品质因数与和流经图2中示出的电池组系统的电池组的电池组电流的电流值相应的C速率的相关性。

具体实施方式

图2示出根据本发明的第一实施方式的根据本发明的电池组系统100。根据本发明的电池组系统100与图1中示出的并且由现有技术已知的电池组系统不同地包括多个电池组电池24、27，所述电池组电池构成一组电池组电池24、27，该组包括彼此相同构造的电池组电池24的第一子组114和/或彼此相同构造的并且相对于第一子组114的电池组电池24不同构造的电池组电池27的第二子组117。在此，第一子组114的电池组电池24也称为能量电池24并且第二子组117的电池组电池27也称为功率电池27。能量电池24与功率电池27的区别在于能量电池24比功率电池27具有更高的能量密度（WH/kg）并且特别是还在于功率电池27与能量电池24相比可以以具有更高的电流值的电流放电和/或充电。

在根据本发明的电池组系统100中，也给电池组111的每个电池组电池24、27分别分配一个电池组电池监控模块124、127。在此，每个电池组电池24、27在这里也与分别分配给其的电池组电池监控模块124、127一起构成相应的电池组电池单元125、128。此外，在根据本发明的电池组系统100中，每个电池组电池监控模块124、127也被构造用于将所分配的电池组电池24、27以相应的第一概率P1i接通，即电耦合到电池组111上，并且以相应的第二概率P2i切断，即从电池组111上电去耦。

此外，根据本发明的电池组系统100的电池组电池单元125、128也被设置成，使得如果相应的电池组电池24、27被接通，则这些电池组电池彼此串联，即所接通的电池组电池24、27在此也可以分别以正或负的极性引入到串联电路中。

根据本发明的电池组系统100与图1中示出的电池组系统的区别在于分配给电池组电池24、27的电池组电池监控模块124、127的功能性。根据本发明的电池组电池监控模块124、127被构造用于使用借助中央控制单元30预给定的控制参量P1和P2的与图1中示出的电池组系统的电池组电池监控模块不同的缩放。因此，根据本发明的电池组电池监控模块124、127也被构造用于与图1中示出的电池组系统的电池组电池监控模块不同地确定相应的第一概率P1i和相应的第二概率P2i，其中分别以所述第一概率接通所分配的电池组电池24、27，分别以所述第二概率切断所分配的电池组电池24、27。在此，i是位于1和电池组111的多个电池组电池24、27的数量n之间的自然数。

随后详细描述每个根据本发明的电池组电池监控模块124、127的功能性：

分配给第一子组114中的电池组电池24的每个电池组电池监控模块124被构造用于将所分配的电池组电池24的品质因数G1i作为与流经电池组111的电池组电流的电流值相关的单调下降的第一函数来计算。优选地，用于计算第一子组114中的每个电池组电池24的品质因数G1i的第一函数是电池组电流的电流值的单调下降的函数。在此关系式1≤i≤n1适用于i，其中n1是第一子组114的电池组电池24的数量。

分配给第二子组117中的电池组电池27的每个电池组电池监控模块127被构造用于将所分配的电池组电池27的品质因数G2i作为与流经电池组111的电池组电流的电流值相关的并且与第一函数不同的第二函数来计算。优选地，用于计算第二子组117中的每个电池组电池27的品质因数G2i的第二函数是电池组电流的电流值的单调上升的函数。在此关系式n1+1≤i≤n适用于i。

此外，在根据本发明的电池组系统100中，中央控制单元30也被构造用于预给定第一控制参量P1和第二控制参量P2并且将其通过通信段31传递到电池组电池监控模块124、127。

此外，每个根据本发明的电池组电池监控模块124、127被构造用于，针对所分配的电池组电池24、27，将利用相应的第一因数f1i缩放的第一控制参量P1用作相应的第一概率P1i并且将利用第二因数f2i缩放的第二控制参量P2用作相应的第二概率P2i。

优选地，分配给第一子组114中的电池组电池24的每个电池组电池监控模块124被构造用于，针对所分配的电池组电池24，根据关系式（1）来确定相应的第一概率P1i并且根据关系式（2）来确定相应的第二概率P2i：

P1i=f1i·P1=G1i·P1，1≤i≤n1 （1）

P2i=f2i·P2=（1-G1i）·P2，1≤i≤n1 （2）。

此外优选地，分配给第二子组117中的电池组电池27的每个电池组电池监控模块127被构造用于，针对所分配的电池组电池27，根据关系式（3）来确定相应的第一概率P1i并且根据关系式（4）来确定相应的第二概率P2i：

P1i=f1i·P1=G2i·P1，n1+1≤i≤n （3）

P2i=f2i·P2=（1-G2i）·P2，n1+1≤i≤n （4）。

在关系式（1）至（4）中，P1是第一控制参量并且P2是第二控制参量，f1i是相应的第i个电池组电池24、27的第一因数，f2i是相应的第i个电池组电池24、27的第二因数，并且G1i或G2i是第i个电池组电池24、27的品质因数。

在图3中示出第一子组114中的每个电池组电池24的品质因数G1i、即电池组111的每个能量电池24的品质因数G1i与和流经电池组111的电池组电流的电流值相应的C速率R的相关性。从图3可见，电池组111的每个能量电池的品质因数G1i是与流经电池组111的电池组电流的电流值相应的C速率R的单调下降的函数并且因此也与电池组电流的电流值相关。从图3还可见，当C速率R在最小C速率极限Rmin和最大C速率极限Rmax之间变化时并且因此也当电池组电流的电流值在最小电流极限值和最大电流极限值之间变化时，电池组111的每个能量电池24的品质因数G1i在最大第一品质因数极限G1max和最小第一品质因数极限G1min之间变化。

在图3中也示出第二子组117中的每个电池组电池27的品质因数G2i、即电池组111的每个功率电池27的品质因数G2i与和流经电池组111的电池组电流的电流值相应的C速率R的相关性。从图3可见，电池组111的每个能量电池27的品质因数G2i是与流经电池组111的电池组电流的电流值相应的C速率R的单调上升的函数并且因此也与电池组电流的电流值相关。从图3还可见，当C速率R在最小C速率极限Rmin和最大C速率极限Rmax之间变化时并且因此也当电池组电流的电流值在最小电流极限值和最大电流极限值之间变化时，电池组111的每个功率电池27的品质因数G2i在最小第二品质因数极限G2min和最大第二品质因数极限G2max之间变化。

优选地，最小第一品质因数极限G1min与最小第二品质因数极限G2min相等。此外优选地，最大第一品质因数极限G1max与最大第二品质因数极限G2max相等。

从图3还可见，电池组111的每个能量电池24的品质因数G1i与电池组111的每个功率电池27的品质因数G2i相等，并且当C速率R具有位于最小C速率极限Rmin和最大C速率极限Rmax之间的预先定义的C速率值R0时并且因此也当电池组电流具有位于最小电流极限值和最大电流极限值之间的预先定义的电流值时，得出预先定义的品质因数G0。

除了前面文字性的公开内容之外，为了进一步公开本发明，特此补充地参考图2和3中的图示。