CN103208785B - 用于蓄电池组的保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于由蓄电池组中的大量单电池单元组成的装置的保护电路，其中预先给定数量的单电池单元串联成电池单元排并且至少两个电池单元排彼此并联，并且至少一个在单电池单元之间处于一个电池单元排的一个位置处的电池单元连接器经由均衡线路与处于并联的电池单元排的相同位置处的电池单元连接器电连接，并且所述一个电池单元排的所述一个位置的与均衡线路连接的电池单元连接器的电势以及所述并联的电池单元排的所述相同位置处的与均衡线路电连接的电池单元连接器的电势被检测并且所检测的电势被输送给分析单元。

Description

用于蓄电池组的保护电路
技术领域
本发明涉及用于由蓄电池组中的大量单电池单元组成的装置的保护电路，其中预先给定数量的单电池单元串联成电池单元排。
背景技术
由例如以化学方式基于锂的电池单元组成的这种蓄电池组装置在手持工作设备中被使用并且应该在高功率情况下确保经由蓄电池组供以能量的设备的长运行持续时间。
大的电池单元联合体仅与其最弱的电池单元一样好；如果一个单电池单元比另一单电池单元更快速地老化，则包含较弱的电池单元的电池单元排总体上受影响，尤其是可能有限制整个蓄电池组的效率的均衡电流在蓄电池组内流动。如果存在有缺陷的电池单元，则即使在蓄电池组上不施加外部负载，均衡电流也可能在蓄电池组内流动。好的单电池单元由此具有较高的自放电。
发明内容
本发明所基于的任务是，这样构造用于由蓄电池组中的大量单电池单元组成的装置的保护电路，使得无需费事的监控就可以快速地和可靠地识别整个电池单元装置中的单电池单元的失灵。
该任务根据权利要求1的特征来解决。
如果存在至少两个彼此并联的电池单元排并且在该排的单电池单元之间分别设置电池单元连接器，则在单电池单元之间处于一个电池单元排的一个位置处的电池单元连接器经由均衡线路与处于并联的电池单元排的相同位置处的电池单元连接器电连接。在所述一个电池单元排的所述一个位置处的、与均衡线路连接的电池单元连接器的电势作为第一测量参量被检测。在所述并联的电池单元排的所述相同位置处的、与均衡线路电连接的电池单元连接器的电势同样作为测量参量被检测。所检测的电势被输送给分析单元并且适宜地在该分析单元中被分析，其中分析结果允许对电池单元排的该位置处的有缺陷的电池单元做出判断。
如果并联的电池单元排的单电池单元的强度大致相同并且处于相同的状况，则在如在静止状态下的负载情况下无值得注意的电流经由均衡线路流动。因此，在所述一个排中的位置“2”处的电池单元连接器的电势与所述并联的电池单元排的处于相同位置“2”处的电池单元连接器的电势相同，此外这些电池单元连接器经由均衡线路相互连接。如果电池单元不同强度地老化并且例如在负载下比电池单元排的其他单电池单元强度更大地损坏，则均衡电流将经由均衡线路流动，以便支持较弱的电池单元。由于在均衡线路中的均衡电流和由此在所述均衡线路的欧姆电阻上下降的电压，相互连接的电池单元连接器的电势将不同地变化。因此，在并联的电池单元排的相同位置的两个电池单元连接器之间的电势差是均衡电流的尺度并且从而是有缺陷的单电池单元的指示符。
从而通过分析所述一个电池单元排的电池单元连接器的电势连同另外的电池单元排的电池单元连接器的相应电势，可以生成例如可以被用于关断蓄电池组的信号。
在实践中表明，在十个和更多的一个接一个成排的单电池单元的大电池联合体情况下对所有电池单元连接器的电势的相继询问需要大约10至150ms的时间间隔。对电池单元连接器的右边和左边的两个待比较的电势的询问也处于1和25ms之间。在对相应的电池单元连接器的电势的询问的时间间隔中，单电池单元的电负荷可能变化；但是电负荷的变化导致电池单元连接器自身处的电势变化，使得所检测的电势不再能够容易地相互比较。因此按照本发明的一种改进方案规定，通过与预先给定的因子相乘对所检测的电势进行加权或因子分解。加权因子根据在测量时刻的电负荷来确定并且相应地用该因子对所测量的电势进行加权。通过在测量时刻所确定的因子可以与在测量时刻的电负荷无关地对所有所检测的电势直接进行相互比较和分析。电池单元连接器处的由于电负荷出现的电势变化不会使所述分析失真。
除了根据当前电负荷对电势进行加权或因子分解之外，也可以根据测量的时刻、根据在蓄电池组中的电池单元联合体的对称或非对称的结构或者根据蓄电池组的对称或非对称的成把电缆来选择因子。
以简单的方式对处于并联的电池单元排中的相同位置处的电池单元连接器的所检测的（和适宜地因子分解的）电势直接相互比较并且有利地通过减法来推导差电压，所述差电压的大小可以直接被考虑用于关断蓄电池组。如果差电压超过阈值，则发出用于关断蓄电池组的信号。
有利地，在蓄电池组的外壳中设置分析单元，所述一个电池单元排的与均衡线路连接的电池单元连接器的电势和并联的电池单元排的相应的电池单元连接器的所检测的电势被输送给所述分析单元。该分析单元可以被构成为微处理器并且经由相应的算法来对分别检测的电势进行分析。
在电池单元排中所设置的单电池单元可以被构造为电池单元块，其中电池单元块由至少一个单电池单元组成并且电池单元连接器形成电池单元块的电端子极。电池单元块也可以由多个单电池单元组成，所述单电池单元例如具有以并联电路方式共同的电池单元连接器作为端子极。但是在电池单元块内，单电池单元也可以以串联电路或以由并联电路和串联电路组成的组合布线。
有利地，蓄电池块具有多于两个的电池单元排，所述电池单元排彼此电并联。所有处于并联的电池单元排的相同位置处的电池单元连接器有利地经由均衡线路相互电连接。在由多个电池单元排组成的这种并联电路内，该并联电路的最后的电池单元排和该并联电路的第一电池单元排的电池单元连接器的电势被检测和分析。这些电池单元排适宜地是并联电路的外部电池单元排。
用于关断蓄电池组的开关适宜地处于蓄电池组的外壳中，使得在由于有缺陷的单电池单元而关断之后防止蓄电池组重新投入运行。为了关断蓄电池组适宜地设置电子开关、尤其是MOSFET。
附图说明
本发明的其他特征由其他权利要求、说明书和附图得出，在所述附图中示出本发明的下面详细描述的实施例。其中：
图1以示意图示出蓄电池组的电等效电路图，
图2以示意图示出根据图1的蓄电池组的电池单元块，
图3示出用于分析所检测的电势的图表，
图4以示意图示出在另外的实施中蓄电池组的电等效电路图。
具体实施方式
在根据图1的实施例中示出蓄电池组1，其由大量电池单元块2、3构建。在所示的实施例中，相同数量的电池单元块2或3分别串联成电池单元排A、B、C或D。电池单元排A、B、C和D彼此并联并且以其端部与蓄电池组1的端子极15或16连接。在端子极15、16之间有外部的供应电压UV。
在该实施例中，电池单元排A、B、C或D分别由十个电池单元块2或3组成，所述电池单元块串联成排。在此，分别五个电池单元块2、3形成一个结构单元18。电池单元行A、B、C和D的结构单元18通过线路段、尤其是电缆13相互电连接。
在图2中示例性地再现电池单元块3。在所示的实施例中，电池单元块3由三个单电池单元4组成，这些单电池单元电连接成并联电路并且它们的端子分别与电池单元连接器Z连接，所述电池单元连接器形成电池单元块3的相应的端子极5、6。
如图1所示，电池单元块2仅由两个处于并联电路中的电池单元4形成；电池单元块也可以仅由一个单电池单元形成，如在图4中示意性再现的。但是适宜地，电池单元块2、3由多个以并联电路和/或以串联电路电布线的单电池单元4组成。
在根据图1的实施例中由四个并联的电池单元排A、B、C、D组成的蓄电池组1配备有大量均衡线路，所述均衡线路一般化地用Lna，Lnb，Lnc表示，其中n是自然数，所述自然数在所示的实施例中可以采用数字“0”至“10”。均衡线路Lna，Lnb，Lnc被设置为在电池单元排A、B、C和D之间的电横向连接。在所示实施例中的蓄电池组具有十个串联成排的单电池单元并且从而提供36伏特的供应电压。如果希望更高的供应电压，例如72伏特，则二十个单电池单元一个接一个地成排；于是数字n处于的范围中。
在所示的实施例中，在排A、B、C、D的单电池单元4之间或电池单元块2或3之间存在电池单元连接器，其不仅彼此并联地连接电池单元块2、3的单电池单元4并且同时作为根据图4的线路段12连续地建立电池单元块2、3的排的电连接。如在图1中所示，电池单元排A具有电池单元连接器Z0a，Z1a，Z2a，Z3a，Z4a，Z5a，Z6a，Z7a，Z8a，Z9a，Z10a，其下面也称为电池单元连接器Zna（）。相应地，电池单元排B在电池单元块3之间具有电池单元连接器Znb，也即电池单元连接器Z0b，Z1b，Z2b，Z3b，Z4b，Z5b，Z6b，Z7b，Z8b，Z9b，Z10b，其一般化地用Znb（）表示。在电池单元排C的电池单元块3之间的电池单元连接器用Znc，也即Z0c，Z1c，Z2c，Z3c，Z4c，Z5c，Z6c，Z7c，Z8c，Z9c，Z10c表示并且一般化地用Znc（）称呼。电池单元行D的电池单元连接器用附图标记Znd（）、也即Z0d，Z1d，Z2d，Z3d，Z4d，Z5d，Z6d，Z7d，Z8d，Z9d，Z10d表示。在具有72伏特供应电压的蓄电池组情况下设置二十个电池连接器Zna（）、二十个电池连接器Znb（）、二十个电池连接器Znc（）和二十个电池连接器Znd（）。相应地，均衡线路Lna，Lnb，Lnc处于电池单元连接器之间，其中。
电池单元连接器Z1a在电池单元排A中处于与电池单元排B中的电池单元连接器Z1b、电池单元排C中的电池单元连接器Z1c和电池单元排D中的电池单元连接器Z1d相同的第一位置处。因此相应地，电池单元排A的每个电池单元连接器Zna处于与电池单元排B中的电池单元连接器Znb、电池单元排C中的电池单元连接器Znc或者电池单元排D的电池单元连接器Znd相同的第n位置处。
均衡线路Lna，Lnb和Lnc分别将电池单元排A、B、C和D的处于电池单元排中相同的第n位置处的电池单元连接器Zna，Znb，Znc和Znd相互连接。因此，处于电池单元排的第六位置处的电池单元连接器Z6a经由均衡线路L6a与处于电池单元排B中第六位置处的电池单元连接器Z6b连接，所述电池单元连接器Z6b自身经由均衡线路L6b与电池单元排C的处于电池单元排C的第六位置处的电池单元连接器Z6c连接。电池单元连接器Z6c另外经由均衡线路L6c与处于电池单元排的第六位置处的电池单元连接器Z6d连接。因此关于在图1中所示的示意性电路图，处于电池单元排A、B、C、D中第n位置处的电池单元连接器分别经由均衡线路Lna，Lnb，Lnc与相邻排的处于相同的第n位置处的电池单元连接器连接。因此，电池单元连接器Z7c与相邻电池单元排B和D的处于相同位置处的电池单元连接器Z7b和Z7d经由均衡线路L7b和L7c相连接。相应地，例如电池单元排B的电池单元连接器Z2b经由均衡线路L2a和L2b与处于电池单元排A和C的相同位置处的相邻电池单元连接器Z2a和Z2c相连接。一般而言，处于在电池单元块2或3之间电池单元排A、B、C或D的第n位置处的电池单元连接器Zna，Znb，Znc，Znd经由均衡线路Lna，Lnb，Lnc与处于并联的电池单元排A、B、C或D的相同的第n位置处的电池单元连接器Zna，Znb，Znc，Znd电连接。
蓄电池组1的在图1中所示的并联电路具有外部电池单元排A和D以及内部电池单元排B和C。内部电池单元排B和C的电池单元连接器Znb和Znc分别与处于一个电池单元排的相同侧上的、相邻电池单元排的电池单元连接器电连接。
外部电池单元排A和D的电池单元连接器Zna和Znd形成电势点20至29或30至39，其中抽取处于电势点之间的电压 或 。因此在蓄电池组的左侧上的电势点20至29（也即电池单元排A的电势点20至29）的电势经由信号线路120被输送给分析单元10。相应地，在并联电路右侧上的电势点30至39（也即外部电池单元排D的电势点30至39）的电势经由信号线路130被输送给分析单元10。
在分析单元10内对所检测的电压或所检测的电势进行分析并根据分析的结果生成信号。在此情况下可能适宜的是，例如根据测量时刻、蓄电池组在测量时刻的电负荷、蓄电池组的构造性结构（对称的、非对称的）或者在蓄电池组中电布线的实施（对称的、非对称的），在分析之前对分别检测的电势进行因子分解。作为分析的结果所生成的信号优选地作为控制信号经由控制线路41被输送给断路器40，该断路器40在所示的实施例中设置在蓄电池组1的正端子极16中。补充地或替换地也可以在负端子极15中设置断路器43，该断路器43经由控制线路42由分析单元10操控。断路器40和43布置在蓄电池组的外壳7中并且用于在分析单元10基于所检测的电势和的偏差生成信号并且经由控制线路41或42输出时关断整个蓄电池组1。
优选地，断路器40或43被设置为电子开关44，尤其是被构造为MOSFET。
在蓄电池组运行中，均衡电流可以经由均衡线路流动，以便均衡单电池单元4中的不相等的电荷量。这些均衡线路这样被设计，使得所述均衡线路可以可靠地引导在正常运行中出现的均衡电流。
均衡线路和有利地这样被构成，使得所述均衡线路同时用作在电池单元排或电池单元块之间的保险装置。如果均衡电流在正常运行中处于允许的极限内，则在电池单元块之间进行这种电荷分布，即在这些电池单元块中基本上存储大致相同的电荷。因此，电势点20至29处的电势将分别对应于电势点30至39处的相应的电势。分析单元10因此将在并联电路的左侧上在电势点20至29处检测电压，其大致对应于在并联电路的右侧上在电势点30至39之间可确定的电压。如果例如电压大致与电压一样大，则可以认为，在电池单元排A、B、C、D中处于第四位置处的电池单元块和按规定地工作。
而如果仅在一个单电池单元4’中出现缺陷，例如在电池单元排C的第三电池单元块3’中，则提高的均衡电流将经由均衡线路L2b或L2c和L3b或L3c流动。因为均衡线路有利地同时被构造为保险装置，所以在太高的电流情况下例如均衡线路L3b被熔化。因此在图3中假设均衡线路L3b的中断50。由于没有均衡电流经由均衡线路L3b流动，第三电池单元块3’的充电状态将比剩余的电池单元块2、3更快地变化。但是由此电势点33中的电势相对于并联电路的左侧上的电势点23的电势改变。因此，分析单元10可以基于相应的电势点20至29或30至39的经由信号线路120、130输送的电势识别出：处于电势点32和33之间的电压与在并联电路的另一侧上在电势点23和22之间测量的电压有偏差。基于该偏差生成作为控制信号操作蓄电池组中的开关40或43的信号。蓄电池组1被关断。单电池单元的进一步的损坏得以避免。
以简单的方式将处于相同的第n位置处的电池单元连接器的所检测的电势和直接相互比较并且形成差电压，其中将所述差电压永久地与阈值US比较（图3）。在蓄电池组中，阈值US优选地处于大约10至150mV。如果差电压在时刻T超过阈值US，则生成例如导致蓄电池组关断的信号。差电压的在图3中所示的波动可以归因于在均衡线路中的在运行中流动的均衡电流；只有当均衡电流变得太大或者均衡线路根据其作为保险装置的特性被中断时，差电压才增长超过阈值US并且导致蓄电池组1关断。
在该实施例中，单电池单元4在化学上基于锂；有利地，单电池单元4是锂离子电池单元，锂聚合物电池单元，LiFE电池单元或者诸如此类电池单元。单电池单元4也可以具有其他化学结构，例如NiCd、NiMh等。
在图4中所示的蓄电池组1示出由大量单电池单元4组成的装置的另一实施例，其中对于相同的部分使用与在图1中相同的附图标记。对于各电池单元排A、B、C设置五个单电池单元4，其中在每个电池单元排A、B、C中可以布置电子开关45，所述电子开关经由控制线路46由分析单元10控制。排A、B、C的单电池单元4经由线路段12连接；在根据图1的实施例中，线路段12通过电池单元连接器 形成。
根据在图1中的实施例，外部排A和C的电池单元电压被检测，为此电势点21至25或31至35经由信号线路120、130与分析单元10连接。
负载电流IL在端子极15、16的开关40或43的内阻上导致可测量的电压降UL；该电压降UL可以被检测并作为运行参量输送给分析单元10。

Claims (13)

1.一种用于由蓄电池组（1）中的大量单电池单元（4）组成的装置的保护电路，其中预先给定数量的单电池单元（4）串联成电池单元排（A，B，C，D）并且多于两个的电池单元排（A，B，C，D）彼此并联，并且至少一个处于单电池单元（4）之间的一个电池单元排（A，B，C，D）的一个位置处的电池单元连接器（Zna，Znb，Znc，Znd）经由均衡线路（Lna，Lnb，Lnc）与处于并联的电池单元排（A，B，C，D）的相同位置处的电池单元连接器（Zna，Znb，Znc，Znd）电连接，其中处于并联的电池单元排（A，B，C，D）的相同位置处的所有电池单元连接器（Zna，Znb，Znc，Znd）经由均衡线路（Lna，Lnb，Lnc）相互电连接，并且所述一个电池单元排（A）的所述一个位置的与所述均衡线路（Lna，Lnb，Lnc）连接的电池单元连接器（Zna，Znb，Znc，Znd）的电势（Unr）以及所述并联的电池单元排（A，B，C，D）的所述相同位置处的与所述均衡线路（Lna，Lnb，Lnc）电连接的电池单元连接器（Zna，Znb，Znc，Znd）的电势（Unl）被检测并且所检测的电势（Unr，Unl）被输送给分析单元（10），
其特征在于，在由多个电池单元排组成的并联电路处检测以下电势：
a)该并联电路的外侧的第一电池单元排（D）的电池单元连接器（Znd）的电势（Unr），以及
b)该并联电路的外侧的最后的电池单元排（A）的电池单元连接器（Zna）的电势（Unl），
并且所述外侧的第一电池单元排（D）的所检测的电势（Unr）与所述外侧的最后的电池单元排（A）的电势（Unl）被直接相互比较和分析，
以及所述保护电路根据所述分析的结果生成控制信号。
2.根据权利要求1的保护电路，其特征在于，通过与预先给定的因子相乘来对所检测的电势（Unr，Unl）加权。
3.根据权利要求2的保护电路，其特征在于，从所述并联的电池单元排（A，B，C，D）的所述相同位置处的电池单元连接器（Zna，Znb，Znc，Znd）的所检测的电势（Unr，Unl）推导差电压（ΔU），并且与预先给定的阈值（US）相比较，其中根据该阈值（US）被超过而生成所述信号。
4.根据权利要求1的保护电路，其特征在于，所述电池单元排（A，B，C，D）布置在所述蓄电池组（10）的外壳（7）中并且在所述外壳（7）中设置分析单元（10），其中所述一个电池单元排（A，B，C，D）的与均衡线路（Lna，Lnb，Lnc）连接的电池单元连接器（Zna，Znb，Znc，Znd）的电势（Unr，Unl）和并联的电池单元排（A，B，C，D）的电池单元连接器（Zna，Znb，Znc，Znd）的所检测的电势（Unl）被输送给所述分析单元（10）。
5.根据权利要求1的保护电路，其特征在于，至少一个单电池单元（4）形成电池单元块（2，3）并且电池单元连接器（Z）形成所述电池单元块（3）的电端子极（5，6）。
6.根据权利要求5的保护电路，其特征在于，电池单元块（2，3）由多个单电池单元（4）组成，所述单电池单元以并联电路和/或串联电路电布线。
7.根据权利要求1的保护电路，其特征在于，从所测量的电势（Unr，Unl）生成所述信号，该信号作为控制信号被考虑用于关断所述蓄电池组（1）。
8.根据权利要求7的保护电路，其特征在于，在所述蓄电池组（1）的外壳（7）中布置用于关断所述蓄电池组（1）的开关（40，43）。
9.根据权利要求8的保护电路，其特征在于，所述开关（40）是电子开关（44）。
10.根据权利要求9的保护电路，其特征在于，所述开关（44）是MOSFET。
11.根据权利要求1的保护电路，其特征在于，所述均衡线路（Lna，Lnb，Lnc）被设计为保险装置。
12.根据权利要求1的保护电路，其特征在于，所述单电池单元（4）是化学地基于锂的电池单元。
13.根据权利要求12的保护电路，其特征在于，所述单电池单元（4）是锂离子电池单元。
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