CN102687366A - 能量供应装置 - Google Patents

Abstract

能量供应装置，具有提供电压的能量源（1）和与该能量源（1）电连接的监控装置（4），该监控装置（4）在从能量源（1）进行电流提取时测量电压、电流强度和在能量源（1）上的温度，并且在低于电压的关断极限值时中断电流提取，其中关断极限值取决于在能量源（1）上的温度和取决于电流强度。

Description

能量供应装置

技术领域

本发明涉及一种能量供应装置。

背景技术

具有混合驱动的、也称为混合动力车辆的汽车例如具有内燃机、一个或多个电机和一个或多个电化学储能器。具有燃料电池的电动车辆一般由用于能量转换的燃料电池、用于液态或气体状的能量载体的储罐、电化学的和/或静电的储能器、以及一个或多个用于驱动的电机组成。

混合动力车辆的电机通常实施为起动机/发电机和/或电驱动装置。作为起动机/发电机，所述电机代替了通常存在的起动器和照明电动机。在实施为电驱动装置时，附加的扭矩、即加速力矩可以有助于电机对车辆的推进。所述电机作为发电机实现了将制动能回收利用为进入储能器或车载电源中的电能。

在纯粹的电动车辆中，单独由电机提供驱动功率。对于混合动力车辆和电动车辆的两种车辆类型共同的是，必须提供、传输和存储大量的电能。

通过一般称为混合控制器的电子装置来进行能量流的控制。该混合控制器尤其是调节：是应该从储能器提取能量还是应该为储能器输送能量以及应该从储能器提取或为储能器输送多少能量。从燃料电池或储能器进行能量提取一般用于生成驱动功率和用于供应车辆车载电网。能量输送用于储能器的充电，或用于将制动能转换成电能、即再生式制动。在此可将极其不同类型的能量源——诸如燃料电池、专用电容器和其它样式的电池，尤其是次级的电池（蓄电池）——考虑作为能量提供者和储能器。在此重要的是在体积、重量、寿命和成本之间达到尽可能最佳的平衡。

电池的放电曲线与所基于的电化学无关地在能量提取时典型地特点在于三个阶段。电流负载的开始（阶段1）的特点在于实际上瞬时的电压扰动。随后是在准连续的负载情况下的恒定的电压走向（阶段2）。在放电阶段结束时（阶段3）的、由于持续电化学反应情况下的初始物质的贫化而产生的电压扰动表征了最终的放电，并且定义了电池放电的最低的极限值，一般公知为关断电压或放电结束电压（U_s）。低于放电结束电压的过于强烈的放电视为深度放电，并且可由于活性反应材料的高负载而导致加强的老化和导致提前的容量下降。

因此，一般地迄今为止借助专家知识将相应能量源的放电结束电压规定到各方面恒定的值上。但是，该虽然简单的解决方案尤其是在低温和高的放电电流时不满足要求，因为由于在放电起始时的高电压降，在低温和高的放电电流时的电压状态仅还勉强位于关断电压之上，并因此强烈限制了能量提取。

发明内容

本发明的任务是说明开始时所述类型的具有能量源的能量供应装置，在该能量供应装置中不出现所述缺点。

通过根据权利要求1的能量供应装置来解决该任务。本发明思想的扩展方案和改进方案是从属权利要求的主题。

该任务尤其是通过一种能量供应装置来解决，该能量供应装置具有提供电压的能量源和与该能量源电连接的监控装置，该监控装置在从能量源进行电流提取时测量电压、电流强度和能量源上的温度并在低于电压的关断极限值时中断电流提取，其中关断极限值与在能量源上的温度和/或与电流强度有关。

以下根据附图的图中所示出的实施例来详细阐述本发明。

图1以方框电路图示出本发明能量供应装置的示例性的构造，

图2以图表示出在电池组放电时的典型的曲线走向（按照三个阶段来划分），

图3以图表示出放电起始电压与放电电流的关系（电流率C），

图4以图表示出在1C的放电电流情况下起始电压与温度的关系，

图5以图表示出根据放电电流和对应于放电起始电压（U_a）对关断极限值的适配，

图6以图表示出温度和放电电流对于放电起始电压（U_a）的影响，和

图7以表格示出在考虑温度和放电电流情况下相应地计算出的动态关断极限值。

具体实施方式

能量供应装置的在图1中所示出的本发明实施形式中，例如实施为燃料电池、铅蓄电池、镍-锌电池组、双层电容器、锂-空气电池组、锌-空气电池组、铝-空气电池组、镍-金属氢化物电池组、或锂离子电池组的和以下简称为电池组1的能量源经由可控开关2接通到负载3上。在此，由尤其是包含比较器5的监控装置4来控制开关2。为了测量相对于地6的电池组电压U，在比较器5中将一个输入端与电池组1的一个极相连接，而将表征放电结束电压（U_s）的关断极限值施加到比较器5的另一个接头上。该关断极限值由又连接在存储器8之后的内插装置7来。在存储器8中存放有表格，该表格分别包括用于温度和放电电流的确定组合的所属极限值。如果然后将在电池组1上借助温度测量装置9所测量的温度和借助电流测量装置10所测量的放电电流输送给存储器8，则当在存储器8中存放了对应的温度值和放电电流值时，该存储器8输出对应的关断极限值。于是在此情况下，借助内插装置7将所属的关断极限值未经改变地转送到比较器5。但是如果温度和放电电流的所测量的值不符合在表格中所包含的那些值，则从表格中读出两个最接近该值的值，并且从中在内插装置7中借助例如线性内插法确定出适当的关断极限值并转送到比较器5。

如果现在电池组1上的电压U大于所确定的关断极限值（符合电压U_s的实际值），则闭合开关2，并给负载3供应电流。在相反的情况下，也就是如果电池组1上的电压U等于关断极限值或低于该关断极限值，则断开开关2并因此将负载从电池组解耦，以便防止电池组1的深度放电。

在图2中以按照开始时所阐述的3个阶段来划分的方式示出了在电池组放电时的典型的曲线走向。

电流负载的开始（阶段1）的特点因此在于实际上瞬时的电压扰动。根据欧姆定律，该电压扰动ΔU由负载电流ΔI的变化和能量源的内阻R_i来定义。

根据电池大小、电池化学和电池（电池组）的负载，在准连续负载时的恒定的电压走向（阶段2）的特点在于随着电池电压的程度上或大或小的下降而连续的电压降。

表征放电走向的、在放电阶段末尾时（阶段3）的电压扰动因此来自于：由于对于电池典型的电化学反应，在放电时已经在很大程度上转化了电化学初始物质（电解质、阳极和阴极的活性物质）。由于初始物质的耗尽，与阶段2相比，电压降显著增加。电池上的电压相对快速地扰动。该阶段定义了电池放电的最低极限值，一般公知为关断电压或放电结束电压（U_s）。低于放电结束电压的过于强烈的放电视作为深度放电，并且可由于活性反应材料的高负载而导致加强的老化并导致容量下降。

电池组电压U在低温和高的放电电压时由于放电起始时的高的电压降仅还勉强位于放电结束电压（U_s）（关断极限值）之上，由此强烈地限制了能量提取。在图3和4中示出电压U与放电电流I（C率）和温度τ的关系，其中U₀表示电池组的空载电压，U_a表示该电池组的放电起始电压，R表示该电池组的内阻，ΔU表示电压变化，ΔI表示电流变化，和U_s正是表示放电结束电压。众所周知，C率从每时间单元（1h）电池组的额定容量（例如200Ah）中得出，因此在本示例中1C = 200A。

根据本发明，根据当前的运行温度和根据放电电流来设置“动态的”关断极限值。通过根据运行条件对能量源的关断极限值进行动态化，实现了尤其是在低温和高的电流负载情况下从能量源提取显著更多的功率，而不必扩大该能量源的容量，由此例如在混合动力车辆或电动车辆中可以以可观的程度节省重量成本，而在此不会使能量源（尤其是当该能量源是电池组时）更强烈地老化。

任意能量源的示例性考察的电池的内阻取决于电池的温度。在低温时，按照电池的电化学构造，内阻R或多或少强烈地增加。因此，在低温时和放电起始时的内阻与在例如摄氏20°的额定温度时的内阻相比引起了显著更高的电压降。除了放电电流I，主要由内阻R来定义放电起始时的电压降。根据本发明，放电起始时（阶段1）的该高的电压降通过与电池的当前温度τ 有关地匹配放电结束电压（关断极限值）来考虑。放电结束电压的该匹配始终考虑内阻R的增加，然而与额定运行条件（标准温度和标准电流）和与此相联系的老化相比由于反应物的较强的消耗而不引起较高的负载。

本发明动态化的第二方面针对负载电流。在此考虑了，电池组在较高电流和恒定内阻的情况下根据欧姆定律也引起放电起始时的相应较高的电压降。这从图5中变得明显。起始电压U_a线性地取决于放电电流I。函数斜率dU/dI的比例原则上是分别考察的电池类型的内阻R，其中该曲线与纵坐标（Y轴，I=0）的交点原则上是电池组的静止电压U₀。由于较高的电压降，可以相应地与此成线性地匹配电压，如同样从图5中可获知的那样。

图6中汇总地图示了两个参量的影响。通过考虑两个影响参量，根据图5也可以对于其它温度来确定放电结束电压的相应走向。于是可将如此获得的曲线簇（或相应的方程式）用于确定在不同放电电流时的放电结束电压。在此例如应用了对于相应温度所确定的线性方程式（抛物线方程式等等），使得也考虑了这些影响参量。在两个指定温度之间的运行温度时，该值可以通过例如从最接近的线性方程式中进行线性内插来确定。从图7中可以获知对于示例性电池的如此获得的值。与通常的措施相反地，关断极限值的动态化不会导致电池的附加的老化，因为活性材料的负载相对于额定条件被保持恒定。尤其是在低温时，通过放电结束电压的动态匹配显著提高了电池组的放电功率并防止了电池组的电池数量或电池容量的因此可能需要的提高，这导致在价格、体积和重量方面的节省。在此可以规定，一次性地、以确定的时间间隔或连续地通过外部测量装置或通过监控装置4本身至少由电流强度和电压确定关断极限值。

Claims (6)

1.能量供应装置，具有提供电压的能量源（1）和与该能量源（1）电连接的监控装置（4），该监控装置（4）在从能量源（1）进行电流提取时测量电压、电流强度和在能量源（1）上的温度并且在低于电压的关断极限值时中断电流提取，其中所述关断极限值取决于在能量源（1）上的温度和取决于电流强度。

2.按照权利要求1的装置，其中监控装置（4）具有存储器（8），在该存储器（8）中作为表格对于温度和放电电流的确定组合分别存储有所属的极限值，并且在该存储器（8）中通过输入所测量的温度值和放电电流值来输出适当的关断极限值。

3.按照权利要求2的装置，其中监控装置（4）具有计算单元（7），该计算单元（7）对于所测量的没有包含在表格中的温度和/或放电电流值从表格中的最接近的值中内插出分别适当的关断极限值。

4.按照权利要求1或2的装置，其中表格包含取决于在能量源（1）上的电压、放电电流、能量源（1）的温度和内阻的关断极限值。

5.按照以上权利要求之一的装置，其中能量源（1）是铅蓄电池、镍-锌电池组、双层电容器、锂-空气电池组、锌-空气电池组、铝-空气电池组、镍-金属氢化物电池组、锂-硫电池组、锂-氟电池组、钠-硫电池组、钠-镍-氯化物电池组、或锂离子电池组。

6.按照以上权利要求之一的装置，其中监控装置（4）被构造为至少由电流强度和电压来确定关断极限值。

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