CN103118897B - 具有单元电压和蓄电池电流获取单元和仅一个电势分离装置的蓄电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有多个在正极和负极之间串联连接的蓄电池单元和多个单元电压获取单元(20-1、...、20-n)的蓄电池。每个单元电压获取单元(20-1、...、20-n)具有多个分别与一组所述蓄电池单元(10-1、...、10-n)相连接的电压测量输入端且被构造为确定与所述各自的单元电压获取单元(20-1、...、20-n)相连接的蓄电池单元的单元电压。其中，所述单元电压获取单元(20-1、...、20-n)通过通信总线相互连接且还被构造为将所确定的单元电压经由所述通信总线传输至通过电势分离装置(30)电流地从所述单元电压获取单元(20-1、...、20-n)解耦的微控制器(40)。依据本发明，所述蓄电池具有与所述蓄电池单元串联连接的电阻(50)，其中，所述电阻(50)的至少一个第一端子与所述单元电压获取单元(20-1、...、20-n)中的一个单元电压获取单元的所选出的电压测量输入端相连接。此外，引入了一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电气的驱动电机和与所述驱动电子相连接的依据本发明的蓄电池。

Description

具有单元电压和蓄电池电流获取单元和仅一个电势分离装置的蓄电池
技术领域
本发明涉及一种具有仅一个电势分离装置的蓄电池。
背景技术
在将来，无论在静态的应用还是在诸如混合动力车辆和电动车辆的车辆中，将应用更多的蓄电池系统。为了能够满足针对各应用给出的对电压以及所能够提供的功率的要求，串联了较高数量的蓄电池单元。因为由一个这样的蓄电池提供的电流必须流过所有的蓄电池单元，并且一个蓄电池单元仅能够导通受限的电流，因此通常还附加地并联连接蓄电池单元，以便提高最大电流。这能够通过在蓄电池单元罩壳内设置更多的单元组或通过外部连接蓄电池单元来实现。
出于安全原因并且为了确定具有足够的精度的蓄电池的充电状态，在这样的蓄电池系统中通常确定不同的测量变量，例如单个的蓄电池单元的电压(单元电压)、通过蓄电池的电流和所选出的或者所有的蓄电池单元的温度。这些测量变量将由控制单元(蓄电池控制单元，BCU)获取、再处理并且根据应用传输至装置的其他部分。
因为这样的蓄电池系统的蓄电池电压能够达到高的值，所以出于安全原因必须与周围的装置的外露的部分隔离开来。尤其是在机动车中用作牵引蓄电池的蓄电池系统中，这意味着，该蓄电池系统必须被实施为相对于控制单元是隔离的，因为该控制单元连接至低压的供电网络并且与多个其他的部件通信。
然而，隔离或者电势分离产生技术上的更多花费并且提高了该装置的总体成本。因此，最小化隔离或者电势分离的数量将是值得期待的。依据现有技术，根据分别使用的半导体技术或者其介电强度，将以半导体技术全部或者部分地制造为微芯片的单元电压获取单元用于一定数量的蓄电池单元，对于这些蓄电池单元，单元电压的总和不会过分地要求单元电压获取单元的介电强度。然后，蓄电池单元将与所属的单元电压获取单元联合成蓄电池模块。单个的单元电压获取单元然后经由通信总线连接至一个链路，该链路经由单个的隔离器模块与构成控制单元核心的微控制器相连接。然而，现在存在以下问题，即蓄电池电流的测量必须在考虑安全规定的情况下进行。在此，能够采取基于磁场或者基于电压的方法来测量电流。该基于磁场的电流测量原则上执行简单的电势分离，但是实现其是成本高的。相反地，通过测量在蓄电池的电流路径中安置的已知的大小的(分流原理)电阻处的电压虽然成本低地实现了成本低的而且简单的测量，但是需要额外的隔离器模块。
在本发明的范围内所说的蓄电池大体上是指具有多个并联连接的蓄电池组的蓄电池的蓄电池组。
发明内容
因此，依据本发明引入了一种具有多个在正极和负极之间串联连接的蓄电池单元和多个单元电压获取单元的蓄电池。所述单元电压获取单元具有多个分别与一组蓄电池单元相连接的电压测量输入端，且被构造为确定与所述相应的单元电压获取单元相连接的蓄电池单元的单元电压。所述单元电压获取单元通过通信总线相互连接，且还被构造为将所确定的单元电压经由所述通信总线传递至通过电势分离装置与所述单元电压获取单元电去耦的微控制器。依据本发明，所述蓄电池具有与所述蓄电池单元串联连接的电阻。所述电阻的至少一个第一端子与所述单元电压获取单元中的一个单元电压获取单元所选出的电压测量输入端相连接。
本发明具有以下优点，即对于所述单元电压和流经所述蓄电池的电流的测量仅需要一个隔离器模块，并且还能够通过测量在已知大小的电阻处的电压来采用成本低的间接的电流测量。所述电流测量在此经由所述单元电压获取单元中的一个单元电压获取单元来实现，从而在没有用于隔离/电势分离的过多花费的情况下将表示流经所述蓄电池的电流的测量值(如单元电压)并且与所述蓄电池单元的单元电压一起传输至所述微控制器。此外具有优点的是，即这个电流测量值与所述单元电压同步地确定，因为使用了相同的模块用于所述单元电压和所述电流测量值的测量。
优选地，所述蓄电池具有放大器，所述放大器连接在所述电阻和所述单元电压获取单元中的一个单元电压获取单元的所选出的电压测量输入端之间，并且被构造为放大位于所述电阻上的电压。通过使用所述放大器能够将具有非常低的电阻值的电阻用于电流测量，因为在这个电阻上的相应低的压降被放大以用于通过所述单元电压获取单元获取。因此这是有利的，因为所述蓄电池的内阻通过所述电阻仅些许地提高了，并且由于其较低的电阻值，通过所述电阻仅产生相应地低的损耗功率和损耗热量。
所述放大器的放大因子被如此地设置，即所述蓄电池的最大允许电流影响所述放大器的输出电压，所述输出电压小于所述一个单元电压获取单元的所述电压测量输入端的最大允许的输入电压。由此确保了所述单元电压获取单元能够在整个相关的量程上获取所述蓄电池的电流并且能够确定是否超过所述最大允许运行电流。
其中，所述放大器的放大因子优选地被如此地设置，即所述蓄电池的最大允许电流影响所述放大器的输出电压，所述输出电压还小于所述蓄电池单元的最大允许的单元电压或者与所述蓄电池单元的所述最大允许的单元电压相等。本发明的所述实施例具有如下优点，即为了电流测量必须由所述单元电压获取单元来处理的所述最大电压相应于最大允许的单元电压，从而使得相同的处理路径能够用于单元电压和所述电流测量值。
优选地，所述放大器具有用于低的电源电压的第一电源电压端子和用于高的电源电压的第二电源电压端子。其中，所述第一电源电压端子与和所述一个单元电压获取单元相连接的所述蓄电池单元中的第一蓄电池单元相连接，并且所述第二电源电压端子与和所述一个单元电压获取单元相连接的所述蓄电池单元中的第二蓄电池单元相连接。
其中，在第一实施形式中，所述第一电源电压端子直接与和所述一个单元电压获取单元相连接的所述蓄电池单元中的所述第一蓄电池单元相连接，并且所述第二电源电压端子直接与和所述一个单元电压获取单元相连接的所述蓄电池单元中的所述第二蓄电池单元相连接，从而使得所述放大器直接由所述蓄电池单元来供电。
在一个替代的实施形式中设置有DC/DC转换器，所述DC/DC转换器将所述第一电源电压端子与和所述一个单元电压获取单元相连接的所述蓄电池单元中的所述第一蓄电池单元相连接，并且将所述第二电源电压端子与和所述一个单元电压获取单元相连接的所述蓄电池单元中的所述第二蓄电池单元相连接，且被构造为生成所述高的电源电压和所述低的电源电压并将其输出至所述放大器。所述DC/DC转换器具有如下优点，即生成例如无关于所述蓄电池单元的充电状态的电源电压。
所述蓄电池能够具有m个单元电压获取单元，其中所述单元电压获取单元中的每个单元电压获取单元包括n+1个电压测量输入端，并且所述蓄电池具有m*n-1个串联连接的蓄电池单元。在这个实施变形中，仅使用了相同构建的单元电压获取单元，这是有利的，其中，在所述单元电压获取单元中的一个单元电压获取单元上连接的蓄电池单元比在其他的单元电压获取单元上连接的蓄电池单元少一个。使用相同构建的部件允许更合理的并且由此成本更低的产品。
替代地，所述蓄电池能够包括m个单元电压获取单元，其中，每个单元电压获取单元包括n+1个电压测量输入端，并且所述蓄电池具有m*n-m个串联连接的蓄电池单元。在这样的情况下，将相同多的蓄电池单元连接至所有的单元电压获取单元，从而使得每个单元电压获取单元中保持一个电压测量输入端空闲着并且得出相同的蓄电池模块，所述蓄电池模块分别具有一个单元电压获取单元和n-1个蓄电池单元。在所述单元电压获取单元中的一个单元电压获取单元中，这个电压测量输入端然后用于电流测量。在这样的实施例中，其具有以下优点，即使用了相同构建的蓄电池模块并且仅在一个蓄电池模块中必须采用用于电流测量的附加的接触。
特别优选地，所述蓄电池具有锂离子蓄电池单元，其由于其高单元电压以及体积和最大存储能量之间的高比值是特别适合的。
第二发明方面引入了一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电气的驱动电机和与所述驱动电机相连接的依据第一发明方面的蓄电池。
附图说明
本发明的实施例将借助于附图以及后续的说明书进一步阐述。其中：
图1示出了依据现有技术的蓄电池系统；
图2示出了依据现有技术的另一个蓄电池系统；以及
图3示出了本发明的实施例。
在附图中，相同的附图标记表示相同的或者相似的功能单元。只要没有描述差别，那么相应地也适用于其他的附图。
具体实施方式
图1示出了依据现有技术的蓄电池系统。多个蓄电池单元在正极和负极之间串联连接，从而形成蓄电池组。所示出的示例具有一个蓄电池组。但是也能够并联连接几个这样的蓄电池组，以提高蓄电池系统可提供的功率和容量。该些蓄电池单元分成组10-1至10-n，优选地，每个这样的组包含相同数量的蓄电池单元。然而，这些蓄电池单元组也能够包含不同数量的蓄电池单元。每个蓄电池单元组10-1至10-n与相关联的单元电压获取单元20-1至20-n相连接，该单元电压获取单元被构造为获取蓄电池单元的单元电压。此外，该单元电压获取单元20-1至20-n被构造为确定另外的运行参数，例如一个或所有的蓄电池单元的温度。该单元电压获取单元20-1至20-n相互之间通过通信总线相连接，该通信总线经由隔离器模块30-1(电势分离装置)与微控制器40(蓄电池控制单元(BCU))相连接。该单元电压获取单元20-1至20-n将所获取的蓄电池单元的单元电压经由该通信总线和该隔离器模块30-1传输至该微控制器40，该微控制器借助于这些数据例如能够确定蓄电池单元的充电状态和蓄电池系统的另外的参数。由于经由通信总线来切换单元电压获取单元20-1至20-n，所以虽然或许可能有高的数量的单元电压获取单元20-1至20-n，但是仅需要一个隔离器模块30-1来将所有的单元电压传输至微控制器40。
作为另外的重要的运行参数，在蓄电池系统中通常应该确定蓄电池电流。为此，能够在电流路径中设置连接的电阻50，该电阻具有已知的并且尽可能低的电阻值。然后，借助于电压测量单元60将测量该电阻50上的电压，这允许了直接地推导出流经的电流。但是该由电压测量单元60所测量的值必须经由另外的隔离器模块30-2传输至微控制器40，因为电压测量单元60与该蓄电池具有导电的接触，从而使得在由于高的蓄电池电压而故障时存在安全风险。
图2示出了依据现有技术的另一个蓄电池系统。区别于图1中的示例，磁场传感器70(例如霍尔探头)将被用于测量电流。因为这样的磁场传感器70通过围绕电流流过的导体的磁场间接地测量流经的电流，所以能够变得结构简单，使得不必涉及蓄电池系统的存在于高压之下的部分，并且由此充分地满足安全规定。因此，磁场传感器70能够直接地，即在没有第二隔离器模块的情况下，连接至微控制器40。尽管节省了图1的示例中的昂贵的第二隔离器模块，但是该实施例具有以下缺点，即仅能非常昂贵地实现如图1所示的对于电阻上的电流测量的磁场传感器。
图3示出了本发明的一个实施例。依据本发明，用于测量蓄电池电流的电阻50被连接在电流路径之中。可选地，能够设置放大器80，其将电阻50上的电压放大至合适的值域。该放大器80能够直接由一组蓄电池单元的蓄电池单元来供电，即具有直接地或者如图3所示经由DC/DC转换器90与该蓄电池单元相连接的供电线路，该DC/DC转换器连接在该放大器80和该蓄电池单元之间。在这种情况下，该放大器80间接地与该蓄电池单元相连接。
该DC/DC转换器90具有如下任务，即为放大器80生成和蓄电池单元的充电状态无关、并由此和其单元电压无关的并且稳定的电源电压。依据本发明，该放大器的输出端(或者在没有放大器80的本发明的实施例中为电阻50的至少一个端子)与单元电压获取单元20-1至20-n中的一个单元电压获取单元(在所示出的示例中为单元电压获取单元20-b)的一个电压测量输入端相连接。该单元电压获取单元20-n以和蓄电池单元的单元电压相似的或者相同的方式获取放大器80的输出电压并且将如此地获取的放大器80的输出电压与所获取的单元电压一起经由通信总线和隔离器模块30传输至BCU的微控制器40。本发明使得仅设置一个隔离器模块30成为可能并且还能够应用成本更低的电流测量方法，而不必违反适用的安全规定。为此，该单元电压获取单元20-n相对于其他的单元电压获取单元能够具有附加的电压测量输入端。然而优选地，所有的单元电压获取单元20-1至20-n是相同地构建的。这意味着，其他的单元电压获取单元的一个电压测量输入端保持为未被使用，或者与单元电压获取单元20-n相连接的一组蓄电池单元具有比其他组的蓄电池单元更少的蓄电池单元。
有利地，本发明允许使用已经存在的大规模地生产为集成电路(IC)的单元电压获取单元。

Claims (10)

1.一种蓄电池，具有多个在正极和负极之间串联连接的蓄电池单元和多个单元电压获取单元(20-1、…、20-n)，所述单元电压获取单元具有多个分别与一组蓄电池单元(10-1、…、10-n)相连接的电压测量输入端，且被构造为确定与相应的单元电压获取单元(20-1、…、20-n)相连接的所述蓄电池单元的单元电压，其中，所述单元电压获取单元(20-1、…、20-n)通过通信总线相互连接，且还被构造为将所确定的单元电压经由所述通信总线传递至通过电势分离装置(30)与所述单元电压获取单元(20-1、…、20-n)电去耦的微控制器(40)，其特征在于设置在所述蓄电池的电流路径之中的、与所述蓄电池单元串联连接的电阻(50)，其中，所述电阻(50)的至少一个第一端子与所述单元电压获取单元(20-1、…、20-n)中的一个单元电压获取单元的所选出的电压测量输入端相连接。
2.如权利要求1所述的蓄电池，其具有放大器(80)，所述放大器连接在所述电阻(50)和所述单元电压获取单元(20-1、…、20-n)中的所述一个单元电压获取单元的所选出的电压测量输入端之间，并且被构造为放大位于所述电阻(50)上的电压。
3.如权利要求2所述的蓄电池，其中，所述放大器(80)的放大因子被如此地设置，即所述蓄电池的最大允许电流影响所述放大器(80)的输出电压，所述输出电压小于所述一个单元电压获取单元(20-n)的所述电压测量输入端的最大允许的输入电压。
4.如权利要求3所述的蓄电池，其中，所述放大器(80)的放大因子被如此地设置，即所述蓄电池的最大允许电流影响所述放大器(80)的输出电压，所述输出电压还小于所述蓄电池单元的最大允许的单元电压或者与所述蓄电池单元的所述最大允许的单元电压相等。
5.如权利要求2至4中任一项所述的蓄电池，其中，所述放大器(80)具有用于低的电源电压的第一电源电压端子和用于高的电源电压的第二电源电压端子，其中，所述第一电源电压端子与和所述一个单元电压获取单元(20-n)相连接的所述蓄电池单元中的第一蓄电池单元相连接，并且所述第二电源电压端子与和所述一个单元电压获取单元(20-n)相连接的所述蓄电池单元中的第二蓄电池单元相连接。
6.如权利要求5所述的蓄电池，其中，所述第一电源电压端子直接与和所述一个单元电压获取单元(20-n)相连接的所述蓄电池单元中的所述第一蓄电池单元相连接，并且所述第二电源电压端子直接与和所述一个单元电压获取单元(20-n)相连接的所述蓄电池单元中的所述第二蓄电池单元相连接。
7.如权利要求5所述蓄电池，其具有DC/DC转换器(90)，所述DC/DC转换器将所述第一电源电压端子与和所述一个单元电压获取单元(20-n)相连接的所述蓄电池单元中的所述第一蓄电池单元相连接，并且将所述第二电源电压端子与和所述一个单元电压获取单元(20-n)相连接的所述蓄电池单元中的所述第二蓄电池单元相连接，且被构造为生成所述高的电源电压和所述低的电源电压并将其输出至所述放大器(80)。
8.如权利要求1所述的蓄电池，其具有m个单元电压获取单元(20-1、…、20-n)，并且其中所述单元电压获取单元(20-1、…、20-n)中的每个单元电压获取单元包括n+1个电压测量输入端，其中，所述蓄电池具有m*n-1个串联连接的蓄电池单元。
9.如权利要求1所述的蓄电池，其具有m个单元电压获取单元(20-1、…、20-n)，并且其中所述单元电压获取单元(20-1、…、20-n)中的每个单元电压获取单元包括n+1个电压测量输入端，其中，所述蓄电池具有m*n-m个串联连接的蓄电池单元。
10.一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电气的驱动电机和与所述驱动电机相连接的依据前述权利要求中任一项所述的蓄电池。
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