CN103347729A - 自治的蓄电池平衡装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于蓄电池的蓄电池单元(1)的单元平衡的装置，该蓄电池具有多个串联连接的蓄电池单元(1)。所述装置包括与多个蓄电池单元(1)中的每个连接或可连接的测量装置，其被构造为生成与多个蓄电池单元(1)的所有单元电压中的最小单元电压成比例的电流并且将其输出到多个串联连接的电阻(3)。此外所述装置包含多个比较器(14)，其将配属的蓄电池单元(1)的单元电压和通过与所述最小的单元电压成比例的电流和所述电阻(3)复制的最小单元电压进行比较。所述比较器(14)在此被构造为，将依赖于比较的结果的控制信号输出到配属的放电单元(15)，其根据所述控制信号允许放电电流从所述相应的蓄电池单元(1)流出。此外本发明还提出了具有这样的用于单元平衡的装置的蓄电池和具有这样的蓄电池的机动车。

Description

自治的蓄电池平衡装置
技术领域
本发明涉及一种用于具有多个串联连接的蓄电池单元的蓄电池的蓄电池单元的平衡(充电平衡)的装置，其中，依据本发明不再需要通过微控制器的控制，所述装置也能够自治地(autonom)运行。
背景技术
明显地，未来不仅在静止的应用中而且在车辆如混合动力和电动车辆中将越来越多地采用蓄电池系统。为了能够满足对于相应的应用所给出的对于电压和可提供的功率的要求，将大量蓄电池单元串联连接。一个蓄电池单元的失灵能够由于串联连接导致蓄电池的失灵而这又导致整个系统的失灵，因此，特别是对于安全相关的应用对于蓄电池的可靠性提出了高的要求。为了能够尽可能准确地获得蓄电池以及各个蓄电池单元的状态并且因此及时地识别到蓄电池单元的有威胁的失灵，除了蓄电池或蓄电池单元的其他参数尤其还有规律地测量蓄电池单元的电压。在现有技术中已知多种方法，其实施所谓的单元平衡，也就是试图相互补偿蓄电池的不同的蓄电池单元的充电状态，这将对蓄电池的寿命产生积极的作用。蓄电池为此配备了如下单元，其确定各个蓄电池单元的单元电压以及可选择地另外的测量变量如蓄电池温度和确定蓄电池电流，并且将其传送到一个中央控制单元(例如一个微控制器)。该控制单元根据用于每个蓄电池单元的传送的测量数据计算相应的充电状态并且生成对于单元平衡的实施必要的控制信号，其在蓄电池中引起蓄电池单元的充电平衡，其方法是例如部分地对具有较高的充电状态的蓄电池单元进行放电。在此，将控制单元设置在蓄电池之外，以便能够承担另外的任务。然而这随之带来的缺点在于，必须采取相对昂贵的安全措施，如在数据通路中设置的绝缘体，以便在故障情况下防止在高的蓄电池电压(在蓄电池驱动的驱动系统中经常是几百个伏特)与从外面可接触的在低电压网中设置的部件如控制元件之间的短路。
发明内容
因此，依据本发明引入一种用于蓄电池单元的单元平衡的装置，该蓄电池具有多个串联连接的蓄电池单元。所述装置包括与所述多个蓄电池单元中的每个连接或可连接的测量装置，其被构造为生成与所述多个蓄电池单元的所有单元电压中的最小单元电压成比例的电流并且将其输出到多个串联连接的电阻。在此，所述电阻的数量n等于与所述测量装置连接或可连接的蓄电池单元的数量。此外，所述装置具有数量为(n-1)个的电位复制装置，其分别连接在所述多个电阻的两个相邻的电阻之间并且被构造为，复制在配属的蓄电池单元的第一极上的电位并且将其输出到所述相应的两个相邻的电阻中的第一电阻。此外，所述装置包含数量为n个的比较器，其分别具有与配属的蓄电池单元的第二极连接的第一输入端、与所述相应的相邻的电阻中的第二电阻连接的第二输入端以及与相应的放电单元的控制电极连接的输出端。所述比较器被构造为，将施加在所述第一输入端上的第一电压与施加在所述第二输入端上的第二电压比较并且将依赖于比较的结果的控制信号输出。在此，所述放电单元与相应的蓄电池单元并联地连接并且构造为，根据所述控制信号允许放电电流从所述相应的蓄电池单元流出。
本发明具有的优点在于，能够完全自主地进行蓄电池的蓄电池单元的单元平衡，也就是能够不用考虑通过设置在蓄电池之外的控制单元的控制。为此，仅仅需要一个简单的电子电路，其确定所有蓄电池单元的最小单元电压并且将各个蓄电池单元的单元电压与该最小的单元电压进行比较。如果一个给出的蓄电池单元的单元电压高于最小单元电压，那么通过配属的放电单元对该蓄电池单元进行放电。
依据本发明能够通过这种方式不用考虑用于蓄电池相对于低电压网—在低电压网中习惯上设有这样的控制单元—的绝缘的高成本的措施。
优选地，所述放电单元包含可接通的电流源，其被构造为根据所述控制信号的第一逻辑电平允许所述放电电流流动并且根据所述控制信号的第二逻辑电平禁止电流流动。在一个简单和因此优选的实施方式中，该可接通的电流源能够包含限流电阻和开关，其中，所述开关的控制电极形成所述放电单元的控制电极。此外，所述放电电流在这个实施形式中与待放电的蓄电池单元的单元电压成比例，从而有利地在单元平衡的框架中将已经相对强烈地放电的蓄电池单元相比于具有更高的充电状态的蓄电池单元更低地强烈地放电。
优选地，所述比较器被构造为，如果所述配属的蓄电池单元的单元电压大于所述蓄电池单元的所述单元电压中的所述最小单元电压加上偏置电压，那么输出具有所述第一逻辑电平的控制信号。由此能够抑制动态效果例如短期摆动的单元电压或噪声，其能够导致放电单元干扰的连续的快速的切换。
所述电位复制装置能够分别包括pnp晶体管和npn晶体管，其中所述pnp晶体管的基极与所述配属的蓄电池单元的所述第一极连接，所述pnp晶体管的发射极与所述npn晶体管的基极连接，而所述npn晶体管的发射极与所述相应的两个相邻的电阻中的第一电阻连接。电位复制装置的该实施形式具有的优点在于，在pnp晶体管的基极上的电位非常准确地在npn晶体管的发射极上被复制，因为两个晶体管的基极-发射极电压相互地离开(wegheben)。在此，此外有利的是，两个晶体管的基极-发射极电压的温度特性在较大的温度范围上是相同的或者至少非常相似的，从而基极-发射极电压的相互的补偿依赖于温度地发生作用。
所述多个串联连接的电阻能够各具有一个电阻值，其等于所述蓄电池单元的所有单元电压中的所述最小的单元电压和与所述蓄电池单元的所有单元电压中的所述最小的单元电压成比例的电流的商。
所述测量装置能够具有数量为n个差动放大器，其中多个差动放大器中的每个包括一对晶体管，其发射极和源极相互地并且与用于电流源的输入端连接，而其控制电极与差动放大器的两个信号输入端的中的相应的一个连接。在此优选地，用于所述多个差动放大器中的第一差动放大器的电流源的所述输入端与所述电流源连接，而所述晶体管对中的一个晶体管的集电极或漏极与用于所述多个差动放大器中的另一差动放大器的电流源的所述输入端连接，从而形成了差动放大器的串联。差动放大器的这种串联具有的优点在于，差动放大器中的每个作为电流源对于其上方的差动放大器起作用。然而由于具有两个分支的差动放大器的运作方式，电流依赖于施加在差动放大器的输入端上的电压仅在所述差动放大器的一个分支中流动。因此，如果在两个输入端上的电压相等或者在相应的蓄电池单元上的电压大于在连接在相应的差动放大器的另一输入端上的电阻上的电压，电流能够仅仅流过所有的差动放大器并继而通过测量装置。由此产生了一个调节系统，其在测量装置的输入端上如此准确地调节电流，以使得其与所有的单元电压中的最小的单元电压成比例。
本发明的第二个方面提出了一种蓄电池，其具有多个串联连接的蓄电池单元—优选为锂离子蓄电池单元—和依据第一方面的、与所述蓄电池单元连接的装置。
第三发明方面涉及一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机和依据上述发明方面的、与所述电驱动电机连接的蓄电池。
附图说明
根据附图和随后的说明对本发明的各实施例进一步详细阐明，其中相同的附图标记表示相同或同样功能的构件。其中：
图1示出了应用在本发明的框架中的测量装置的第一实施例；
图2示出了应用在本发明的框架中的测量装置的第二实施例；
图3示出了应用在本发明的框架中的测量装置的第三实施例；
图4示出了应用在本发明的框架中的按照本发明的比较器和放电单元的第一实施例；以及
图5示出了应用在本发明的框架中的按照本发明的比较器和放电单元的第二实施例。
具体实施方式
图1示出了应用在本发明的框架中的测量装置的第一实施例。图1和图2用于阐明应用在本发明的框架中的测量装置的运作方式。图3示出了用于具有多个蓄电池单元应用的测量装置的可能的实施方式。在图1至3中标记了连接点A、B、C和D，在这些连接点上依据本发明连接有另外的电路元件，它们在图4和5中示出。在图4和5中通过使用相同的标记来表示分别配属给连接点A、B、C和D的连接端。
蓄电池单元1的第一极——该蓄电池单元与另外的蓄电池单元串联为一个组——与一个转移阻抗放大器2的两个输入端中的一个连接。转移阻抗放大器2的第二输入端与电阻3的连接端连接，所述电阻3的另一个连接端又与蓄电池单元1的一个剩下的极连接。转移阻抗放大器2的输出端与电流阀4的控制电极连接，该电流阀4在示出的例子中被构造为npn晶体管。然而也能够采用其他晶体管类型也或复杂的电路作为电流阀4。电流阀4连接在电阻3的与转移阻抗放大器2连接的连接端与实际的电压测量装置之间，其在所有的实施例中只是示例性地示出。电压测量装置能够包括具有已知的电阻值的参考电阻5和伏特表6，其测量在参考电阻5上下降的电压。
转移阻抗放大器2比较蓄电池单元1的单元电压与在电阻3上下降的电压并且生成一个输出电流，其大小与两个电压的差成比例。该输出电流到达电流阀4的控制电极，一个可选的额定电流源9可以连接到电流阀4。额定电流源9引导一个恒定的电流并且用于电流阀4的工作点调节。转移阻抗放大器2的输出电流——必要时减去额定电流源9的恒定的电流——控制一个电流，电流阀4允许该电流通过。然而电流阀4允许通过电流的越多，在电阻3上下降的电压也越大。这导致，在转移阻抗放大器2的一个输入端上的电压相对于在其另外一个输入端上的电压增加，由此输入电压的差减小并且转移阻抗放大器2也相应地减小了其输出电流。然而如果太小的电流流过电阻3，那么转移阻抗放大器2相应地也允许更大的电流流到电流阀4的控制电极。
由此形成一个反馈，这导致了，由于包括转移阻抗放大器2、电阻3和电流阀4的调节单元的调节效果，将电阻3上的电压保持等于单元电压。因为转移阻抗放大器2的输入端理想情况下被构造为高阻的，所以流过电阻3的总电流也流过电流阀4并且由于电压、电阻和电流之间的线性关系表示对于单元电压的准确的测量。如果存在对于其实际值的兴趣，那么现在可以在另外的位置对其进行测量，例如其方法是通过一个自身不属于测量装置的参考电阻5将其引导并且由此将其转换为电压，直接根据单元电压产生其大小并且在其位置上独立于在蓄电池单元1的蓄电池极上通常高的和可变的电位并继而能够无危险地被测量。在此必要时还必须考虑校正因子，其给出了电阻3的数值与参考电阻5的数值的比例。为了通过在示出的实施例中被构造为双极晶体管的电流阀4的基极电流来避免由电流阀4输出的电流的扭曲，能够例如应用例如一个MOSFET或一个IGBT(绝缘栅门极晶体管)。
图2示出了应用在本发明的框架中的测量装置的第二实施例，其中转移阻抗放大器2构成为差动放大器。转移阻抗放大器2具有一个用于电流源10的连接端，其将电流注入到差动放大器中。根据差动放大器的两个分支的两个晶体管2-1和2-2中的哪个获得较大的输入电压，电流源10的电流或者流过一个晶体管或者流过另一个晶体管。流过晶体管2-1的电流通过包括晶体管2-3和2-4的电流镜被镜像和输出。因为差动放大器的运作方式在现有技术中是已知的，所以在此不再进行探讨。与图1中的实施例的不同地将电流阀4构造为pnp晶体管，由此通过晶体管2-4输出的、转移阻抗放大器2的较小的输出电流导致了在电流阀4的控制电极上的电压的下降并且由此导致了被构造为pnp晶体管的电流阀的基极-发射极电压的提高。该提高的基极-发射极电压又导致了通过电流阀4的电流的提高，这因此又导致了期望的反馈。
但是电流阀4也能够被构造为npn晶体管。在这种情况下能够将晶体管2-3简单地连接到差动放大器的另一分支(在蓄电池单元1的正极与晶体管2-2之间)。
电流源9优选地引导一个电流，其相应于电流源10的电流的一半。在调节单元的瞬态振荡的状态下，电流源10的电流在理想情况下以相同的大小被分配到差动放大器的两个分支。在这种情况下晶体管2-4也输出电流，其相应于电流源10的电流的一半，从而在电流阀4的控制电极上的电压保持恒定。然而代替电流源9也能够例如采用简单的电阻或其他适合的开关机构。
图3示出了应用在本发明的框架中的测量装置的第三实施例。在该实施例中构成并且串联有多个调节单元。转移阻抗放大器2也构成为差动放大器，其中然而流过相应的差动放大器的一个分支的电流用作用于上面的差动放大器的电流源。仅仅最下面的差动放大器与电流源10连接，其能够例如与电流源9共同地构成为电流镜。自然电流源9和10的其他实现形式也是可能的。
在转移阻抗放大器2之外也串联有电阻3。但是因为转移阻抗放大器的串联仅仅输出唯一的输出电流，此外仅仅设有一个电流阀4，其能够实现为晶体管或者以示出的类型中的另一种实现。
为了将电阻3中的每个之上的电位补偿到各配属的蓄电池单元1的正极的这个电位，而不影响流过电阻3的电流，此外在下面的调节单元中设有一个电位复制装置，其例如能够包括一对互补的晶体管12和13。为了在此限制通过串联的晶体管13的电流，此外优选地设有一个电阻11。然而代替晶体管12和13以及电阻11也可以设有其他的电路，其将电阻3上的电位补偿蓄电池单元1的正极上的这个电位。
差动放大器的与蓄电池单元1连接的输入端能够具有由电阻2-7和2-8形成的分压器，因为否则对于最上面的差动放大器在集电极上不再存在足够高的电位或者对于最下面的差动放大器在晶体管2-1和2-2的发射极上不再存在足够高的电位。
图3的测量装置具有特别的特征，使得能够同时测量多个蓄电池单元1的单元电压，其中然而仅仅测量所有蓄电池单元1的最小单元电压。也就是说，由差动放大器的串联输出的电流在图3的实施例中与所有单元电压中的最小的成比例。图3的测量装置在此也能够自然被构造用于仅仅两个蓄电池单元1或一个更大数量的蓄电池单元。
按照本发明确定所有蓄电池单元1的最小单元电压，以便将另外的蓄电池单元的单元电压与该最小的单元电压进行比较并且在存在足够大的偏差时能够针对性地减小另外的蓄电池单元的单元电压。通过该单元平衡相互补偿所有蓄电池单元的充电状态，这积极地作用于蓄电池的寿命。通过本发明提供一个用于确定最小的单元电压的简单的机构以及用于比较电压和用于蓄电池单元的放电的机构，能够实现用于单元平衡的装置，其能够完全自主地在蓄电池内并且没有包括高成本的构件如微控制器和诸如此类地工作。
图4示出了应用在本发明的框架中的按照本发明的比较器和放电单元的第一实施例。比较器14优选地被构造为常规的差动放大器，其生成输出电压，该输出电压与在比较器14的两个输入端之间存在的电压差成比例。由于差动放大器的高的放大，小的电压差已经造成了差动放大器的输出电压的饱和，从而能够将该输出电压视为二进制的控制信号。该控制信号被输出到放电单元15的控制输入端，该放电单元根据控制信号的逻辑电平将与放电单元15连接的蓄电池单元进行放电或者禁止在连接点C和D之间通过放电单元15的电流流过。放电单元15优选包括一个开关晶体管17，其例如能够被构造为双极晶体管或构成为场效应晶体管。开关晶体管17在这种情况下直接通过由比较器14生成的控制信号接通。为了在蓄电池单元的放电的情况下限制通过放电单元15的电流流过，优选地设有一个限制电阻16。
图5示出了应用在本发明的框架中的按照本发明的比较器和放电单元的第二实施例。第二实施例与第一实施例的区别在于，比较器14的输入端之一通过电压源18与配属的连接点连接。电压源18生成一个差电压，其改变了在比较器14的输入端上的电压。由此比较器14将在考虑偏置电压的情况下生成控制信号的逻辑电平。这导致了，仅当该蓄电池单元的单元电压比最小的单元电压大至少该偏置电压时，与比较器14和放电单元15连接的蓄电池单元才被放电，由此能够避免通过干扰效应例如噪音、负载跳跃或其他的动态影响而导致的错误的放电。

Claims (10)

1.一种用于蓄电池的蓄电池单元(1)的单元平衡的装置，所述蓄电池具有多个串联连接的蓄电池单元(1)，所述装置包括与所述多个蓄电池单元(1)中的每个连接或可连接的测量装置，其被构造为生成与所述多个蓄电池单元(1)的所有单元电压中的最小单元电压成比例的电流并且将其输出到多个串联连接的电阻(3)，其中，所述电阻(3)的数量n等于与所述测量装置连接或可连接的蓄电池单元(1)的数量，并且所述装置包括(n-1)个电位复制装置(12、13)，其分别连接在多个电阻(3)的两个相邻的电阻(3)之间并且被构造为，复制在配属的蓄电池单元(1)的第一极上的电位并且将其输出到相应的两个相邻的电阻(3)中的第一电阻，其特征在于，n个比较器(14)，其分别具有与配属的蓄电池单元(1)的第二极连接的第一输入端、与所述相应的相邻的电阻(3)中的第二电阻连接的第二输入端以及与相应的放电单元(15)的控制电极连接的输出端，并且被构造为，将施加在所述第一输入端上的第一电压与施加在所述第二输入端上的第二电压比较并且将依赖于比较的结果的控制信号输出，其中，所述放电单元(15)与相应的蓄电池单元(1)并联连接并且被构造为，根据所述控制信号允许放电电流从所述相应的蓄电池单元(1)流出。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述放电单元(15)包含可接通的电流源，其被构造为根据所述控制信号的第一逻辑电平允许所述放电电流流动并且根据所述控制信号的第二逻辑电平禁止电流流动。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述可接通的电流源包含限流电阻(16)和开关(17)，其中，所述开关(17)的控制电极形成所述放电单元(15)的控制电极。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述比较器(14)被构造为，如果所述配属的蓄电池单元(1)的单元电压大于所述多个蓄电池单元(1)的所述所有单元电压中的所述最小单元电压加上偏置电压，那么输出具有所述第一逻辑电平的控制信号。
5.根据上述权利要求之一所述的装置，其中，所述电位复制装置分别包括pnp晶体管(13)和npn晶体管(12)，其中，所述pnp晶体管(13)的基极与所述配属的蓄电池单元(1)的所述第一极连接，所述pnp晶体管(13)的发射极与所述npn晶体管(12)的基极连接，并且所述npn晶体管(12)的发射极与所述相应的两个相邻的电阻(3)中的第一电阻连接。
6.根据上述权利要求之一所述的装置，其中，所述多个串联连接的电阻(3)分别具有如下电阻值，其相应于所述多个蓄电池单元(1)的所述所有单元电压中的所述最小的单元电压和与所述多个蓄电池单元(1)的所述所有单元电压中的所述最小的单元电压成比例的所述电流的商。
7.根据上述权利要求之一所述的装置，其中，所述测量装置具有n个差动放大器，其中，多个差动放大器中的每个包括一对晶体管(2-1、2-2)，其发射极和源极相互地并且与用于电流源(10)的输入端连接，而其控制电极与所述差动放大器的两个信号输入端中的相应的一个连接。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，用于所述多个差动放大器中的第一差动放大器的所述电流源(10)的输入端与所述电流源(10)连接，而所述一对晶体管(2-1、2-2)中的一个晶体管(2-2)的集电极或漏极与用于所述多个差动放大器中的另一差动放大器的电流源(10)的输入端连接，从而形成了多个差动放大器的串联。
9.一种蓄电池，其具有多个串联连接的蓄电池单元(1)和依据上述权利要求之一所述的、与所述蓄电池单元(1)连接的装置。
10.一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机和依据上述权利要求所述的、与所述电驱动电机连接的蓄电池。
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