用于连接电池组的多个电池组电池的方法和包括具有多个电池组电池和多个分别被分配给电池组电池的电池组电池监视模块的电池组的电池组系统

技术领域

本发明涉及用于连接电池组的多个电池组电池的方法。本发明还涉及包括具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有被布置在该电池组中的电池组电池监视模块。

背景技术

在图1中示出了从现有技术中已知的电池组系统10，所述电池组系统包括具有多个电池组电池单元（Smart Cell Unit（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电池组电池21和被分配给该电池组电池21的电池组电池监视模块（电池组电池电子模块或者电池组电池电子器件）22。为了简化图1中的图示，仅仅两个电池组电池单元被绘出草图并且分别配备了附图标记20。电池组电池监视模块22实现各个电池组电池21的单独的控制。为了产生电池组11的也用作电池组系统10的输出电压U的输出电压（总输出电压）U，电池组电池监视模块22在串联电路中通过连接线路相互连接。电池组系统10此外包括用于控制电池组系统10的中央控制单元（Central Control Unit CCU）。

为了产生电池组11的被调节的输出电压（总输出电压）U，分别借助于所分配的电池组电池监视模块22接通各个电池组电池21，也就是说，电池组电池21分别以正极性或负极性相对于输出电压U的抽头被引入到串联电路中或者被电耦合到电池组11上。为了产生电池组11的被调节的输出电压（总输出电压）U，此外分别借助于所分配的电池组电池监视模块22切断各个电池组电池21，也就是说，将要切断的电池组电池21与串联电路分离或者与电池组11去电耦合，其方式是，每个要切断的电池组电池21的连接端子借助于所分配的电池组电池监视模块22被电连接，由此相应的电池组电池21被跨接。被接入到串联电路的电池组电池21因此可以分别处于被称为“正接入”的连接状态（Schaltzustand）或者处于另外的被称为“负接入”的连接状态。此外，与串联电路分离的电池组电池21处于被称为“跨接”的连接状态。

在这种电池组系统10（SmartCell电池组系统（智能电池电池组系统））中，对电池组电池21的连接状态的改变的决定分散地在相应的电池组电池监视模块22中进行。实际的调节功能通过中央控制单元30来实现，所述中央控制单元被构造为花费低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线路31来进行第一控制参量P1和第二控制参量P2的预给定，通过所述通信线路由中央控制单元30仅仅将唯一的消息发送给所有的电池组电池监视模块22，所述消息包括当前的控制参量P1和P2。所有的电池组电池监视模块22接收同一消息，并且通过相应的分别存在于电池组电池监视模块22中的开关（未示出）要么自主地接入串联电路的分别所分配的电池组电池21要么跨接分别所分配的电池组电池21。按照控制算法，中央控制单元30以两个位于0和1之间的数值的形式预给定两个控制参量P1、P2，所述控制参量通过通信线路31从中央控制单元（CCU）30被传输到电池组电池监视模块（SCU）22并且同样被所有的电池组电池监视模块22接收。在此0≤P1≤1和0≤P2≤1适用。

图2示出电池组系统10的调节技术上的等效电路图15，所述等效电路图示出电池组系统10的电池组11的所期望的或者所预给定的输出电压Us的产生。

从图2中可以看出，中央控制单元30将控制参量P1、P2提供给电池组11的每个电池组电池监视模块22。在此，第一控制参量P1的值以及第二控制参量P2的值由中央控制单元30以恒定的更新速率（Updaterate）或者更新频率定期地预给定或者更新。因此，以与更新频率相同的传输速率或者传输频率来传输第一控制参量P1和第二控制参量P2。

在此，每当第一控制参量P1的值和第二控制参量P2的值被更新时，在每个电池组电池监视模块22中实施相应的均匀分布的随机过程，所述随机过程将第一控制参量P1的分别当前的值解释为被称为接通概率的第一概率的当前的值，所分配的电池组电池在该电池组电池被切断时以所述第一概率被接通，或者所述随机过程将第二控制参量P2的分别当前的值解释为被称为切断概率的第二概率的当前的值，所分配的电池组电池21在该电池组电池被接通时以所述第二概率被切断。因此，在相应的随机过程被实施了之后，该所分配的电池组电池分别要么保持被切断或者被接通，也就是说保持其连接状态，要么被接通或者被切断，也就是说改变其连接状态。当前所产生的输出电压U的值分别根据连接状态而出现，电池组11的电池组电池21在相应的随机过程的实施之后具有所述连接状态。在图2中，以Zi来表明第i个电池组电池21在相应的随机过程的实施之后具有的连接状态。此外，以U来表明由电池组11当前所产生的输出电压并且以Us来表明当前要产生的所期望的输出电压。此外，以ΔU来表明在电池组11的当前所产生的输出电压U和当前要产生的所期望的输出电压Us之间存在的调节差或者调节偏差。在此，中央控制单元30跟踪控制参量P1和P2，使得所提到的调节差或者调节偏差ΔU的数值是尽可能小的。

图3示例性地示出所产生的以及以伏特为单位所测量的输出电压U根据以毫秒为单位所测量的时间t的变化过程，该变化过程与要以正弦形的交变电压的形式产生的所期望的以及也以伏特为单位说明的输出电压Us根据时间t的另一种变化过程相比较。这里与结合图2所描述的调节完全一样地执行了所产生的输出电压U的调节。

因为更新频率与传输频率相同，所以所提到的更新频率受这里被构造为通信线路31的传输信道的最大传输频率限制，其中第一控制参量P1的值与第二控制参量P2的值以所述更新频率被更新，第一控制参量P1与第二控制参量P2以所述传输频率被传输。然而，所提到的传输频率应当被选择得尽可能大，以便获得调节偏差ΔU的小的数值以及上面所提到的调节的小的时间常数。这尤其对于要以交变电压的形式产生的所期望的输出电压Us的产生来说具有重要意义。为了例如产生电池组11的正弦形的输出电压U，应当在要相应地产生的正弦形的所期望的输出电压Us的每个半波多次将控制参量P1、P2发送给电池组电池监视模块22。为了获得电池组11的所产生的正弦形的输出电压（正弦振荡）U的尽可能少的谐波，更新频率被选择为是要相应地产生的正弦形的所期望的输出电压Us的频率的至少10倍，其中第一控制参量P1的值与第二控制参量P2的值以该更新频率被更新。

在将高的更新频率用于第一控制参量P1的值以及用于第二控制参量P2的值时不利的是，电池组11的每个被切断的电池组电池21或者电池组11的每个被接通的电池组电池21的连接状态在通过分别被分配给该电池组电池的电池组电池监视模块22获得第一控制参量P1或者第二控制参量P2的每个新的值时也许可能发生变化。与这种连接状态改变或者连接状态转变相关的切换过程在分别被包含在相应的电池组电池单元20中的功率电子器件中造成切换损耗，所述切换损耗使能够从这种电池组系统10提取的能量以及相应的电池组系统效率变小。此外，这种切换过程提高对功率电子器件的冷却的要求或者增加由相应的功率电子器件引起的每个电池组电池21的附加的发热。

从文献US 2012/0038322 A1中已知具有一个电池组管理系统和多个电池组模块的电池组，其中每个电池组模块包括多个电池组电池、一个模数转换器和一个切换装置。在此，电池组管理系统被构造用于根据相应的电池组电池的至少一个参数来调整切换速率，每个电池组模块的切换装置以所述切换速率有针对性地使相应的电池组模块的每个电池组电池与存在于相应的电池组模块中的模数转换器通信。

发明内容

按照本发明提供一种用于连接电池组的多个电池组电池的方法，其中所述多个电池组电池能够相互串联并且针对所有的电池组电池预给定单个的第一控制参量和单个的第二控制参量。在此，为了产生电池组的所期望的输出电压，每个电池组电池以相应的、根据第一控制参量所定义的第一概率被电耦合到电池组上，以及分别以相应的、根据第二控制参量所定义的第二概率与电池组去电耦合。此外，以与电池组的要产生的所期望的输出电压相关的更新频率分别重复地预给定第一控制参量的值和第二控制参量的值。

此外，按照本发明提供一种包括具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有被布置在电池组中的电池组电池监视模块并且所述多个电池组电池能够借助于所分配的电池组电池监视模块相互串联。此外，被布置在电池组系统中的中央控制单元被构造用于针对所有的电池组电池预给定单个的第一控制参量和单个的第二控制参量并且提供给所有的电池组电池监视模块。为了产生电池组的所期望的输出电压，每个电池组电池监视模块被构造用于将所分配的电池组电池以相应的、根据第一控制参量所定义的第一概率电耦合到电池组上并且以相应的、根据第二控制参量所定义的第二概率与所述电池组去电耦合。此外，中央控制单元被构造用于以与电池组的要产生的所期望的输出电压相关的更新频率分别重复地预给定第一控制参量的值和第二控制参量的值。

从属权利要求示出本发明的优选的改进方案。

优选地，第一控制参量的值和第二控制参量的值被改变，使得调节偏差的数值被最小化，所述调节偏差被定义为在电池组的当前所产生的输出电压与电池组的要产生的所期望的输出电压之间的差。

在本发明中，每当第一控制参量的值被更新时，优选：针对每个与电池组去电耦合的电池组电池实施相应的均匀分布的一种随机过程，所述随机过程将第一控制参量的当前的值或者相应的根据第一控制参量的当前的值所确定的第一参量解释为当前要用于相应的电池组电池的概率。在本发明中，每当第二控制参量的值被更新时，进一步优选：针对每个被电耦合到电池组上的电池组电池实施相应的均匀分布的另一随机过程，所述另一随机过程将第二控制参量的当前的值或者相应的根据第二控制参量的当前的值所确定的第二参量解释为当前要用于相应的电池组电池的第二概率。

在本发明中，尤其利用如下事实：要产生的正弦形的输出电压的频率在电机、诸如异步机器的运行中与要产生的机器转速相关。因此，要产生的正弦形的输出电压的频率不会持久地具有最大频率值。因此，在本发明中使用可变的更新频率，所述更新频率根据按照本发明的电池组的要产生的输出电压来定义并且因此也不必持久地具有相应地高的更新频率值。由此可以按照本发明将尽可能低的更新频率用于第一控制参量的值以及用于第二控制参量的值，由此使切换损耗最小化，所述切换损耗在按照本发明的电池组的电池组电池的连接状态优选地由相应地被实施的随机过程引起改变的情况下出现。总体上，按照本发明可以与所提到的切换损耗的最小化同时地执行对这种电池组的当前所产生的输出电压的调节，所述输出电压具有数值小的调节偏差以及小的时间常数。

在本发明的一种有利的实施方式中，更新频率与调节偏差和/或要作为电池组的所期望的输出电压产生的尤其正弦形的交变电压的频率相关。

在本发明的另一非常有利的实施方式中，更新频率是调节偏差的数值的单调上升的、尤其线性的函数和/或要作为电池组的所期望的输出电压产生的、尤其正弦形的交变电压的频率的单调上升的、尤其线性的另一函数。

因此，在本发明中，第一控制参量的值的以及第二控制参量的值的更新频率优选地根据调节偏差、也就是说根据在按照本发明的电池组的输出电压的预给定的额定值与按照本发明的电池组的输出电压的当前的值之间的差来定义。进一步优选地，按照本发明的更新频率是调节偏差的数值的单调上升的、尤其线性的函数。由此实现：当所提到的调节偏差的数值是大的时，按照本发明的更新频率被提高，以便尽可能快地引起按照本发明的电池组的电池组电池的连接状态的改变，由此调节偏差的数值被降低。然而，如果调节偏差的数值已经是小的，则按照本发明的更新频率被降低，以便避免按照本发明的电池组的电池组电池的连接状态的不必要的改变以及与此相关的切换损耗。

优选地，按照本发明的更新频率不超过最大更新频率极限值。在此，所述最大更新频率极限值与被用于传输第一控制参量的值以及第二控制参量的值的传输信道的最大传输频率相同。进一步优选地，按照本发明的更新频率不低于最小更新频率极限值。在此，使用这样的最小更新频率极限值，使得连接状态改变频率不低于最小连接状态改变频率极限值，所述连接状态改变频率被定义为连接状态改变次数与预定义的时间段的长度之间的商，所述连接状态改变次数作为所述多个电池组电池中的在所述预定义的时间段之内被电耦合到电池组上的电池组电池的数量与所述多个电池组电池中的在所述预定义的时间段之内与电池组去电耦合的电池组电池的另一数量的总和得出。

因此，按照本发明被用于第一控制参量的值以及被用于第二控制参量的值的更新频率优选地受被用于传输第一控制参量的值以及第二控制参量的值的传输信道的最大传输速率限制。此外，按照本发明可以定义最小更新频率，借助于所述最小更新频率可以确保：进行按照本发明的电池组的电池组电池的连接状态的最小次数的改变并且由此也可以确保：按照本发明的电池组的电池组电池或者按照本发明的电池组的分别由电池组电池和被分配给该电池组电池的电池组电池监视模块构成的电池组电池单元均匀地被加负载。

附图说明

随后参照随附的附图来详细地描述本发明的实施例。也将相同的附图标记用于相同的组件。在附图中：

图1是从现有技术中已知的电池组系统，

图2是在图1中所示出的电池组系统的调节技术上的等效电路图，

图3是在图1中所示出的电池组系统的电池组的、当前所产生的输出电压的根据时间所示出的变化过程，所述变化过程与在图1中所示出的电池组系统的电池组的、要产生的、所期望的输出电压的根据时间所示出的另一变化过程相比较，

图4是按照本发明的第一实施方式的电池组系统，以及

图5是调节偏差的数值与第一控制参量和第二控制参量的值的更新频率之间的相关性，其中调节偏差被预定义为在图1中所示出的电池组系统的电池组的当前所产生的输出电压与要产生的输出电压之间的差，以及其中该电池组的每个电池组电池根据第一控制参量被电耦合到相应的电池组上并且根据第二控制参量与相应的电池组去电耦合。

具体实施方式

图4示出根据本发明的第一实施方式的按照本发明的电池组系统100。如同在图1中所示出的以及从现有技术中已知的电池组系统，按照本发明的电池组系统100包括具有多个电池组电池单元20的电池组11，所述电池组电池单元分别包括电池组电池21和被分配给该电池组电池21的电池组电池监视模块22。这里，多个电池组电池21也能够借助于所分配的电池组电池监视模块22相互串联。此外，按照本发明的电池组系统100的中央控制单元130也被构造用于通过被构造为通信线路31的传输信道提供电池组11的每个电池组电池监视模块22的控制参量P1、P2并且改变第一控制参量P1的值和第二控制参量P2的值，使得调节偏差的数值被最小化，所述调节偏差被定义为在按照本发明的电池组系统100的电池组11的当前所产生的输出电压U与所述电池组11的要产生的所期望的输出电压Us之间的差。

与在图1中所示出的电池组系统中不同，第一控制参量P1的值和第二控制参量P2的值由按照本发明的电池组系统100的中央控制单元130以可变的更新频率重复地预给定。此外，按照本发明的电池组系统100的中央控制单元130被构造用于使用如下更新频率，所述更新频率是所提到的调节偏差的数值的单调上升的线性的函数。

在按照本发明的电池组系统100中，每个电池组电池监视模块22也被构造用于实施相应的均匀分布的随机过程，所述随机过程将第一控制参量P1的分别当前的值解释为第一概率的当前的值，所分配的电池组电池21在该电池组电池与电池组11去电耦合时以所述第一概率被电耦合到所述电池组11上，或者将P2的分别当前的值解释为第二概率的当前的值，所分配的电池组电池21在该电池组电池被电耦合到所述电池组11上时以所述第二概率与电池组11去电耦合。

图5示出由按照本发明的电池组系统100的控制单元130所使用的可变的更新频率AR与之前所提到的调节偏差ΔU的数值|ΔU|之间的线性相关性。从图5中可以看出，当调节偏差ΔU的数值在调节偏差ΔU的最小数值|ΔU1|与调节偏差ΔU的最大数值|ΔU2|之间发生改变时，更新速率AR在最小更新速率值AR1与最大更新速率值AR2之间发生改变。在此，调节偏差ΔU的数值|ΔU|是更新频率AR的线性的单调上升的函数。

除了前面的书面的公开内容之外，关于本发明的另外的公开内容特此补充地参考图4和5中的图示。