CN103516015A - 用于为电能存储器充电的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于为电池组装置（2）充电的方法，该电池组装置具有可再充电的单个电池（4）的串联电路或者多个并联连接的、可再充电的单个电池（4）的组的串联电路，该方法具有如下步骤：将规定的第一充电电流注入电池组装置（2）；监视单个电池（4）的电池电压；以及在确定单个电池（4）之一的电池电压达到或超过充电终止电压（Umax）的情况下，将规定的第二充电电流注入电池组装置（2），其中，第二充电电流（IL2）选择为使得该单个电池（4）的充电终止电压（Umax）不被超过。

Description

用于为电能存储器充电的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种电能存储器、尤其是用于电驱动系统的电能存储器。本发明还涉及一种用于为电能存储器充电的方法。
背景技术
用在电动车或混合动力车的驱动系统中的电池组系统、例如带有锂离子电池的电池组系统，具有带有单个电池的组合电路的电池组装置。电池组系统的常见拓扑具有如下电池组装置，这些电池组装置由一定数目的、包括多个彼此并联连接的单个电池的组的串联电路构成。
电池组系统中的每个单个电池均充电或放电，其中为了避免损坏或损毁单个电池和用于保护其不加速老化而必须保证以低于最大电压和高于最小电压的电池电压来工作。该工作电压的维持是电池组管理系统的任务，即检测电池组系统的状态参量以及导出用于充电和放电的相应的电池组策略。
对应于现有技术地，根据所谓的CC/CV（恒流/恒压）充电方法为单个的电池组电池、尤其单个的锂离子电池充电，其中在CC阶段中以根据电流调节部提供的恒定充电电流来充电。以恒定充电电流充电，直至达到电池组电池的充电终止电压。在达到充电终止电压之后转换到CV阶段中，即以电压调节的恒定电压为单个的电池组电池充电，并且充电电流相应地出现。一旦充电电流在CV阶段中降低到限定值，则充电终止。
文献US7,583,058B2描述了锂离子单个电池的充电，以及通过在跟随CC阶段的CV阶段中提高电压而加速充电的可能性。
然而，当充电电流流过整个串联电路时，CC/CV充电方法不能应用于由具有上述拓扑的、由多个单个电池构成的电池组装置。一旦在以恒定电流充电时电池组电池之一比其余电池组电池更早达到充电终止电压，则总电压不等于根据电池数目得出的单个电池的充电终止电压之和。尽管电池组电池之一已经达到充电终止电压，而如果充电电流对应于CC阶段地继续施加在电池组系统上，则第一个达到充电终止电压的电池组电池会过载和由此损坏。
串联电路中的各个电池组电池快慢不同地达到充电终止电压是由于电池的单独性质而造成的，这些性质即使在实践中使用同类电池时也不尽相同。这尤其涉及容量、自放电和内阻的参量，其由于在制造工艺中的公差而经受波动。
因此，值得期望的是，提供一种充电方法，借助该充电方法可以以有效方式为如下电池组装置充电，该电池组装置具有由一个或多个并联连接的电池组电池的组构成的串联电路。
发明内容
该任务通过根据本发明的、为具有由多个电池组电池构成的串联电路的电池组系统充电的方法，以及根据本发明的装置和系统来实现。
本发明的其它有利实施方式在从属权利要求中说明。
根据第一方面，提出了一种用于为电池组装置充电的方法，该电池组装置具有可再充电单个电池的串联电路或者多个并联连接的可再充电单个电池的组的串联电路，该方法具有如下步骤：
-将规定的第一充电电流注入电池组装置；
-监视单个电池的电池电压；以及
-在确定单个电池之一的电池电压达到或超过充电终止电压的情况下，将规定的第二充电电流注入电池组装置，其中将第二充电电流选择为使得该单个电池的充电终止电压不被超过。
上述方法的思想在于，也将CC/CV充电方法提供给具有单个电池或者并联连接的单个电池的组的串联电路的电池组系统，其中串联电路首先根据CC阶段以恒定的第一充电电流充电，直至单个电池的电池电压达到充电终止电压。在单个电池首次达到充电终止电压时，转换到带有叠加的电压调节的电流调节上，其中将充电电流减小为使得施加在所涉及的单个电池上的电压不超过规定的、对应于该单个电池的最大允许电压的充电终止电压。以该方式将流过电池组装置的总充电电流限制到排除损坏如下单个电池的充电电流上，该单个电池在以恒定的第一充电电流充电时首先达到充电终止电压。以该方式可以在以恒定充电电流充电时避免损坏或损毁电池组装置中的单个电池，并且由此提高电池组系统的总使用寿命。
此外，可以通过测量并联连接的、可再充电的单个电池的端电压来监视一组单个电池的电池电压。
根据一个实施方式，可以从如下的商中确定第二充电电流：充电终止电压与电池电压达到或超过充电终止电压的单个电池的空载电压之间的电压差和这些单个电池或这些单个电池的组的内阻的商。
根据另一方面，提出了一种用于为电池组装置充电的充电装置，该电池组装置具有可再充电的单个电池的串联电路或多个并联连接的、可再充电的单个电池的组的串联电路，该充电装置包括：
-用于将规定的第一充电电流注入电池组装置的电流调节单元；
-用于测量单个电池的电池电压的电池电压测量单元；以及
-控制单元，其构造为
-监视单个电池的电池电压；以及
-在确定单个电池之一的电池电压达到或超过充电终止电压的情况下，将规定的第二充电电流注入电池组装置，其中将第二充电电流选择为使得该单个电池的充电终止电压不被超过。
根据另一方面，提出了一种具有上述充电装置和如下电池组装置的系统，该电池组装置具有可再充电的单个电池或多个并联连接的、可再充电的单个电池的组的串联电路。
附图说明
下面借助附图详细阐述本发明的优选实施方式。其中：
图1示出了根据一个实施方式的电池组系统的示意图；
图2示出了用于阐明图1的电池组系统的充电方法的流程图；以及
图3示出了用于阐明图1的实施方式的充电调节部的功能图。
具体实施方式
图1示出了具有电池组装置2和用于为电池组装置2充电的充电装置3的电池组系统1。电池组装置2包括一定数目的单个电池组电池4，该电池组装置具有分别由相同类型的单个电池组电池4构成的并联电路的串联电路。并联电路中连接的电池组电池4的数目对于每个并联电路均相同并且决定性地确定电池组装置2的容量。串联连接的电池组电池4的并联电路的数目决定性地确定由电池组装置2提供的输出电压。电池组装置2一般而言具有串联连接的、分别由m个电池组电池4构成的n个并联电路的装置。替代并联电路地，也可以设计串联地接线成电池组装置2的单个电池。
电池组电池4通常对应于可再充电电池、尤其是锂离子电池，其由于其高功率密度而尤其可以用于驱动系统。
电池组电池4具有存储、提供、输出和吸收电能的任务。为了给电池组电池4充电而设计有充电装置3，其主要包括控制单元5，该控制单元规定可以为了施加到电池组装置2上而调整的充电电流。充电装置3为此具有可调整的电流调节单元6，其与可以由能量源（未示出）或电网提供的供电电压UVers耦合，并且与电池组装置2连接为使得可以注入规定的充电电流。电流调节单元6的构造和作用方式从现有技术中已知并且在此不再详述。
此外，充电装置3包括与电池组装置2串联连接的电流测量单元7，以便检测流过电池组装置2的充电电流。电流测量单元7构造为将当前流过的充电电流的相应信息提供给控制单元5。
此外，设置有电池电压测量单元8，其测量在单个电池组电池4的每个并联电路上降落的电压，并且将相应的电池电压UZelle的相应信息提供给控制单元5。单个电池组电池4的并联电路上的电压对应于所涉及的单个电池的电池电压，使得并联电路上的单个电压测量足以确定所涉及的并联电路的所有电池组电池4的电池电压。
用作电流源的电流调节单元6可以通过控制单元5转换为使得所施加的供电电压UVers或由其导出的固定规定的充电电压施加到电池组装置2上，或者将可规定的充电电流注入电池组装置2。
此外，控制单元5可以具有与电池组系统1外部的部件的通信接口。通过该通信接口可以为外部部件提供实际状态、例如电池组电池4的温度和充电状态、其它调节参量、电流边界和其它参量，以便实现能量管理。外部部件可以将这些状态参量用于显示，或者用作通过充电或放电进行电能交换的调节参量。
下面借助图2的流程图和图3的功能图详细描述通过充电装置3实施的充电方法。
在步骤S1中，施加规定的、恒定的第一充电电流IL1，用于给电池组装置2充电。该恒定的第一充电电流IL1由控制单元5通过电流调节单元6的相应信息来规定，并且可以对应于如下电流，该电流小于所提供的供电电压UVers与电池组装置2的总电阻R的商。
在接下来的步骤S2中检验，单个电池组电池4的n个并联电路的电池电压是否达到规定的充电终止电压Umax。如果确定电池组电池4之一达到了充电终止电压Umax（选择：“是”），则该方法以步骤S3继续，否则（选择：“否”）则跳回步骤S2并且保持施加恒定的第一充电电流IL1。
在第一次达到电池组电池4之一的充电终止电压Umax之后，在步骤S3中转换为借助叠加有电压调节的电流调节来为电池组装置2充电。也就是说，在控制单元5的电流调节模块52中，从对于相应的电池组电池4存在的、与充电状态、容量和内阻有关的数据中确定第二充电电流IL2。将第二充电电流IL2选择为使得在电池组电池4上建立的电压对应于充电终止电压Umax或者低于其。尤其适用：
IL2=（Umax–USOC）/RI_Zelle，
其中，RI_Zelle对应于首先达到充电终止电压Umax的电池组电池4的内阻，或者对应于电池组4的如下并联电路的总内阻：在该并联电路中至少一个电池组电池4首先达到了充电终止电压Umax。。USOC对应于与电池组电池4的充电状态相应的空载电压。充电终止电压Umax与对应于充电状态的空载电压的差是可用的差电压。当无电流流动时，对应于充电状态的电压在相应的电池组电池4中出现。对应于内阻RI_Zelle可以流过第二充电电流IL2，其将与欧姆过压对应地不超过充电终止电压Umax。
将如此确定的第二充电电流IL2的信息提供给电流调节单元6。电流调节单元6据此设置用于对电池组装置2充电的第二充电电流IL2。替换地，也可以将相应的第二充电电流IL2作为调节参量提供给电流调节单元6，使得该第二充电电流可以由提供用于为电池组装置2充电的电能的外部部件来维持或设置。在该情况下可以涉及可调整的电流源6。
对于可以实现在控制单元5中的空载电压确定模块51而言，可以确定空载电压USOC。为此，实际电流IIst和所引起的电池电压UZelle可以根据特征曲线族而与相应的空载电压USOC关联。替换地，在达到充电终止电压Umax之后和在限定的持续时间之后测量空载电压USOC，其中在限定的持续时间中没有电流、尤其没有充电电流流过所涉及的电池组电池4，使得内部的补偿过程、例如扩散或双层效果（Doppelschicht-Effekt）衰减。
通过所叠加的、在电压调节模块53中实施的电压调节，在步骤S4中，规律地或者持久地将所有电池组电池4的、然而尤其第一个达到充电终止电压Umax的电池组电池4的在以第二充电电流IL2充电时出现的电池电压UZelle与充电终止电压Umax比较，并且，一旦电池组电池4之一的电池电压UZelle等于或大于充电终止电压Umax（选择：“是”），则在步骤S5中将电流调节部的充电电流置为零。
附图标记列表
1          电池组系统
2          电池组装置
3          充电装置
4          电池组电池
5          控制单元
6          电流调节单元
7          电流测量单元
8          电池电压测量单元
51         空载电压确定模块
52         电流调节模块
53         电压调节模块
IL1        第一充电电流
IL2        第二充电电流
RI_Zelle   内阻
Umax       充电终止电压
USOC       空载电压

Claims (5)

1.一种用于为电池组装置（2）充电的方法，所述电池组装置具有可再充电的单个电池（4）的串联电路或者多个并联连接的、可再充电的单个电池（4）的组的串联电路，所述方法具有如下步骤：
-将规定的第一充电电流注入所述电池组装置（2）；
-监视所述单个电池（4）的电池电压；以及
-在确定所述单个电池（4）之一的电池电压达到或超过充电终止电压（Umax）的情况下，将规定的第二充电电流注入所述电池组装置（2），其中，所述第二充电电流（IL2）选择为使得该单个电池（4）的充电终止电压（Umax）不被超过。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，一组单个电池（4）的电池电压通过测量并联连接的单个电池（4）的端电压来监视。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，从如下的商中确定所述第二充电电流（IL2）：所述充电终止电压（Umax）与电池电压达到或超过所述充电终止电压（Umax）的单个电池（4）的空载电压（USOC）的电压差和所述单个电池（4）或所述单个电池（4）的组的内阻（Ri）的商。
4.一种用于为电池组装置（2）充电的充电装置（3），所述电池组装置具有可再充电的单个电池（4）的串联电路或者多个并联连接的、可再充电的单个电池（4）的组的串联电路，所述充电装置包括：
-用于将规定的第一充电电流（IL1）注入所述电池组装置（2）的电流调节单元（6）；
-用于测量所述单个电池（4）的电池电压的电池电压测量单元（8）；以及
-控制单元（5），所述控制单元构造为
-监视所述单个电池（4）的电池电压；以及
-在确定所述单个电池（4）之一的电池电压达到或超过充电终止电压（Umax）的情况下，将规定的第二充电电流（IL2）注入所述电池组装置（2），其中，所述第二充电电流（IL2）选择为使得该单个电池（4）的充电终止电压（Umax）不被超过。
5.一种具有根据权利要求4所述的充电装置（3）和如下的电池组装置（2）的系统（1），所述电池组装置具有可再充电的单个电池（4）的串联电路或者多个并联连接的、可再充电的单个电池（4）的组的串联电路。
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