CN102484383B - 用于均衡蓄电池的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于均衡蓄电池(10)、尤其是机动车电器网络中的蓄电池(10)的设备，蓄电池(10)由电池单元组合构成，电池单元组合由多个电池单元组(11a，11b)的串联电路构成，各个均衡电路(20a，20b)与相应的电池单元组(11a，11b)的电压端子连接并具有放电电阻(21a，21b)。根据本发明的设备的特征在于，各个均衡电路(20a，20b)的放电电阻(21a，21b)具有取决于温度的电阻特性，并且均衡电路(20a，20b)中至少一些的放电电阻(21a，21b)相互热耦合。

Description

用于均衡蓄电池的设备
技术领域
本发明涉及一种用于均衡蓄电池的设备，蓄电池由电池单元组合构成，电池单元组合是由多个电池单元组的串联电路构成的，蓄电池尤其是机动车电器网络中的蓄电池，其中各个的均衡电路与相应电池单元组的电压端子连接并且具有放电电阻。
背景技术
在汽车领域中越来越多地使用由单电池单元构成的蓄电池，优选是由双层电容器构成的蓄电池。这些双层电容器在提供和储存能量方面提供以下优点：其可以短时间地提供高的功率。为了实现车辆中必需的供电电压，各个双层电容器必须串联连接。串联连接的电池单元由此形成电池单元组合。为了充电、为了均衡电池单元电压、为了识别各个电池单元的低电压和过电压、为了在稳定运行中对电池单元维持电荷、为了在各个电池单元之间转载或充电和放电以及为了对各个电池单元进行诊断/监控，监视各个电池单元或电池单元组。已知为此设置电池单元组逻辑电路，它们分别与一电池单元组连接以便监视其电压以及/或者以便控制或以便调节其电压。本发明中所提到的电池组也可以仅仅由一个单电池单元构成。为了使得各个电池单元或电池组的电池单元电压在周期性地充电或放电的情况下不四处扩散，已知借助于上级调节装置（例如中央逻辑电路）监视电池单元组逻辑电路并且对其进行控制使得实现均衡的充电和/或放电，由此可以实现各个电池单元长的使用寿命并因此可以实现整个电池单元组合长的使用寿命。
WO2007/104325A1公开了一种用于蓄电池的诊断电路，其在电池单元组电压超过或降低的情况下将相同的电平施加到诊断轨上，经由诊断轨可以查询电池单元组和/或电池单元组合的被监视的工作参数。所述诊断电路用于对存储单元进行主动的电池单元均衡，也被称为平衡。均衡是基于对电池单元组合的单电池单元或电池单元组执行电压平衡的原理。为此，均衡电路相应地与相应的一个电池单元组的电压端子连接。由均衡电路的与电压端子耦接的比较器进行电压监视。如果对于一个电压单元组超过了预定的电压值，则相应电池单元组的电压端子经由放电电阻被短接。经由这个放电电阻实现这个电池单元组的放电。
均衡的速度取决于均衡电路中所使用的放电电阻的放电性能。为了实现尽可能短的放电时间，这个电阻的尺寸必须被确定为尽可能的小。但是由此又产生了非常高的损耗热量，损耗热量要以适当的方式散发。对于具有多个相互串联连接的电池单元组的蓄电池，分配给各个电池单元组的均衡电路（包括相应的放电电阻）被设置在一电路板（印刷电路板，PCB）上。因为经由电路板不能以任意大小散发损耗热量，所以这个电阻被实现为是高欧姆的，通常在10欧姆到100欧姆之间。但是由此又限制了均衡的速度。
发明内容
因此，本发明要解决的问题是提供一种用于使蓄电池均衡的设备，利用其使得可以以简单快速的方式实现蓄电池的电池单元组的均衡。
这个问题通过按照本发明的用于均衡蓄电池的设备来解决，蓄电池由电池单元组合构成，电池单元组合由多个电池单元组的串联电路构成，其中各个均衡电路与相应的电池单元组的电压端子连接，并且各个均衡电路具有放电电阻。各个均衡电路的放电电阻具有取决于温度的电阻特性，并且均衡电路中至少一些的放电电阻相互热耦合，并且为了放电电阻的热耦合，放电电阻被设置在一个共同的散热体上。
尤其地，各个放电电阻的电阻值随着温度的升高而增大。各个放电电阻因此有利地具有PTC特性。PTC是指正温度系数（PositiveTemperature Coefficient）。PTC电阻或正温度系数导体在温度低的情况下与温度高的情况下相比能更好地传导电流。因此，其电阻随着温度的升高而增大。PTC电阻因此具有正的温度系数。
各个均衡电路的放电电阻相互热耦合。为了热耦合放电电阻，这些放电电阻设置在一个公共的散热体上。散热体优选由良好导热的材料构成，尤其是由金属构成。有利地，该设备的所有均衡电路的所有放电电阻设置在这个公共的散热体上。由此提供了放电电阻的热耦合。
在特定于电池单元组的放电电阻不同时工作的情况下，涉及单个电池单元组的能散发的热能更大，由此可以实现要放电的电池单元组的快速放电。如果蓄电池的电池单元组中的多个电池单元组同时为了均衡而经由各自的放电电阻被放电，则在一些时间之后达到散热体的热吸收能力，从而其温度升高。于是相应放电电阻的温度同样升高，从而放电时间增加，但是同时损耗热量降低。
因此通过放电电阻的取决于温度的电阻特性提供部件保护。如果仅仅一个均衡电路的一个放电电阻工作，则这个均衡电路可以利用最大的散热性能用于要放电的电池单元组。由此提供高的放电功率。这个提高的放电规律于是导致加速的（也就是说时间缩短的）均衡。此外，根据本发明的方案使得能够实现散热体的最小化的尺寸。
在另一有利实施方式中，各个均衡电路被构造为主动旁路均衡电路。这样的主动旁路均衡电路在原理上是现有技术中已知的，并且例如在开头已经提到的WO2007/104325A1中公开了，WO2007/104325A1的内容通过引用包含在本申请中。
此外还建议：电池单元组具有至少一个存储单元，尤其是双层电容器。
附图说明
以下借助于附图中的实施例详细地描述本发明。在附图中：
图1示出了根据本发明的用于均衡蓄电池的设备的示意图，
图2示出的图表中示出了正温度系数导体的电阻与温度的已知依赖关系，以及
图3示出了在使用电阻特性依赖于温度的放电电阻的情况下的示例性的均衡电流特性曲线和散热体温度特性曲线。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于均衡蓄电池10的设备的一示例性实施方式。蓄电池10例如具有单电池单元11a、11b形式的两个相互串联的电池单元组。为单电池单元11a、11b中每一个分配一个各自的均衡电路20a、20b。均衡电路20a、20b的构造以及与各自相应的单电池单元11a、11b的连接是相同的。因此在下面只参考均衡电路20a来描述均衡电路。
单电池单元11a的第一端子与均衡电路的第一输入端12a连接，单电池单元11a的第二端子与均衡电路20a的第二输入端13a连接。均衡电路20a在端子12a和端子13a之间具有由第一电阻22a、第二电阻23a和第三电阻24a构成的串联电路。第一电阻22a和第二电阻23a之间的连接点与第一比较器25a的第一输入端连接，在第一比较器25a的第二输入端上施加以高的参考电压。第二电阻23a和第三电阻24a之间的连接点与第二比较器26a的第一输入端连接，在第二比较器26a的第二输入端上施加低的参考电压。第一比较器25a和第二比较器26a例如可以由双路运算放大器构成。第一比较器25a的输出端与NPN晶体管27a形式的开关元件的基极连接，开关元件的发射极与端子13a连接，开关元件的集电极经由放电电阻21a与单电池单元11a的端子12a连接。第二比较器26a的输出端与均衡电路的在图1中未示出的其他元件连接，这些其他元件对于介绍根据本发明的设备的功能而言是不重要的。因此不对其进行描述。
原则上，均衡电路可以按照开头所提到的WO2007/104325A1中所述的诊断电路的方式来构造，WO2007/104325A1的内容通过引用而被包含在此。同样，均衡电路也可以按照其他原理来构造。只有相应放电电阻的存在是重要的。
如果第一电阻22a和第二电阻23a之间连接点上的电压超过第一比较器25a上的高的参考电压，则NPN晶体管27a导通，从而电流流经放电电阻21a以便对单电池单元11a放电。如果第一电阻22a和第二电阻23a之间连接点上的电压低于第一比较器25a的参考输入端上的高的参考电压，则由于第一比较器25a的迟滞，在达到低于参考电压的电压的情况下，NPN晶体管27a阻断，从而经由放电电阻21a的放电结束。
根据本发明，图1中所示设备的均衡电路20a、20b的放电电阻21a、21b被构造为PTC电阻，从而其电阻值随着温度的升高而提高。一般性地，设备的所有均衡电路20a、20b的所有放电电阻21a、21b优选设置在一公共的散热体30上。从而，放电电阻21a、21b热耦合。在电池单元各自的放电电阻21a、21b不同时工作的情况下，能散发的热能对于各个电池而言更大了。同时，放电电阻21a、21b的PTC特性提供了部件保护。
如果只有一个单电池单元11a或11b的一个放电电阻是活动的，即如果相对应的均衡电路20a、20b的NPN晶体管27a或27b导通连接，则可以通过所涉及的放电电阻使用热沉30的最大冷却能力。因此由于PTC特性，放电功率提高。提高的放电功率导致加速的、也就是说时间上更短的均衡。此外还可以使散热体最小化。
图2示出了原理已知的取决于PTC电阻温度的电阻特性。借助于以下示例介绍具有PTC特性的放电电阻的使用效果。
从放电电阻的温度为TN=30℃出发，其中放电电阻的电阻值R30=RN。因此在这个电阻中转换的功率P0为P0=U2/RN。
此外还假设：在温度T=80℃时，电阻值R80=2×RN。由此得到所转换的功率为P80=U2/R80=U2/(2×RN)=0.5×P0。
对于这个示例，因此电阻值R80在温度提高50℃时翻倍。从而对于相同的电压，所转换的功率累加，或者更确切地是在具体时间单位内所转换的功率累加。
图3示出了在均衡过程中的电流变化曲线和散热体温度变化曲线，一次是利用具有PTC特性的放电电阻的均衡电路，一次是利用具有无PTC特性的放电电阻的均衡电路。在图3a中示出了散热体的温度变化曲线，其中对于利用具有PTC特性的放电电阻的情况，温度变化曲线用TKK示出，而对于利用无PTC特性的放电电阻的情况，温度变化曲线用TPCB示出。在图3b中，对于具有PTC特性的放电电阻，用I_RPTC表示电流变化曲线，而在使用无PTC特性的放电电阻的情况下，用I_Rkonst表示电流变化曲线。可以容易地看出，在使用PTC电阻的情况下，更大的放电电流流动，即放电电阻相对是低欧姆的，从而放电可以在更早的时间点结束。由于流经放电电阻的更大的电流，更大的热量引入到散热体中。从而与设置在电路板上的无PTC特性的放电电阻相比，散热体相对具有更高的温度。
对于相互串联连接的单电池单元或电池单元组的均衡，通常均衡电路中只有一个是活动的以对相应的单电池单元放电。如果公共的散热体被设计用于例如八个单电池单元，则这个散热体能够散发大的热能量。以这种方式最小化的温度升高负责高的放电功率，并且因此负责单电池单元的快速放电，由此使均衡加速。
根据本发明设置的散热体因此不需要设置为设备的所有放电电阻的同时散热。其散热能力设置为放电电阻的预定部分就足够了。由此可以降低散热体的大小，从而可以节省结构空间。此外还可以更经济地提供更小的散热体。
由于使用电阻特性取决于温度的放电电阻，通过限制热引入使得能够使用“尺寸确定为过小的”散热体。

Claims (6)

1.一种用于均衡蓄电池(10)的设备，蓄电池(10)由电池单元组合构成，电池单元组合由多个电池单元组(11a，11b)的串联电路构成，其中各个均衡电路(20a，20b)与相应的电池单元组(11a，11b)的电压端子连接，并且各个均衡电路(20a，20b)具有放电电阻(21a，21b)，其特征在于，
各个均衡电路(20a，20b)的放电电阻(21a，21b)具有取决于温度的电阻特性并且具有PTC特性，并且均衡电路(20a，20b)中至少一些的放电电阻(21a，21b)相互热耦合，并且为了放电电阻(21a，21b)的热耦合，放电电阻(21a，21b)被设置在一个共同的散热体(30)上。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，各个均衡电路(20a，20b)的放电电阻(21a，21b)相互热耦合。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，各个均衡电路(20a，20b)被构造为主动旁路均衡电路。
4.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，电池单元组(11a，11b)具有至少一个存储单元。
5.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，蓄电池(10)是机动车电器网络中的蓄电池(10)。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，存储单元是双层电容器。
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