CN103947071A - 具有多个蓄电池的电池组和操作电池组的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电池组(100)的电池组结构，电池组(100)具有多个蓄电池，其中N个第一蓄电池(111...114)彼此串联以形成至少一个电池线(110)，其中N个第二蓄电池(121...124)布置成，通过N+2个开关元件(131...133′、134、134′)，所述电池的每个可以与N个第一蓄电池(111...114)的各个蓄电池并联。根据本发明，为了补偿电池之间的电荷，开关元件(131...133′、134、134′)设计成在第一蓄电池和第二蓄电池之间建立双路连接(A、B)，其中每个第二蓄电池(121)可交替地与电池线(110)中的第一蓄电池(111)并联，或者与另一个相邻的第一蓄电池(112)并联。开关元件(131...133′、134、134′)优选为可控的，且在预设时间间隔(TA、TB)内在第一蓄电池和第二蓄电池之间交替且连续地建立双路连接(A、B)。

Description

具有多个蓄电池的电池组和操作电池组的方法
技术领域
本发明涉及如权利要求1的前序部分所述的具有多个蓄电池的电池组和如独立权利要求的前序部分所述的用于操作这种电池组的方法。特别地，本发明涉及包括多个相同蓄电池的电池组(具有可充电的次级电池)，多个相同的蓄电池彼此串联以形成一个或多个串或链，从而大体上规定期望的操作电压或供电电压。就此而言，多个串可以彼此并联以增加电池的容量和功率。本发明特别地涉及大功率电池(例如多单元锂离子电池)的构造。
背景技术
具有多个蓄电池(在下文中仅称作电池)的电池组是熟知的。近年来，已知的是电池组具有灵活的阵列结构，能够激活或退激活阵列中的各个电池。例如，从WO03/041206Al已知称作“数字电池组”的任何阵列结构，包括可以通过开关元件彼此串联和并联的多个电池。例如，阵列可以具有N＝9乘以M＝6个电池，其中N个电池可以分别串联以形成串。因此至多可以形成M＝6个串，且M＝6个串可以并联。开关元件位于电池之间并且布置成矩阵的形式。这允许激活不同的开关通路，由此允许在单个电池失效时将这些电池从激活电路中取出，由此保持使用性能。而且，存在可以激活的更长或者更短的开关线路(路径)，以实现/提供不同的操作电压和/或容量。这些可从总线型连接线中提取出来。
因此，具有多个蓄电池的电池组是已知的，多个蓄电池的N个第一蓄电池串联以形成电池串(例如，顶串)，所述N个第二蓄电池(即，来自另一个串的电池)被布置成通过开关元件与N个第一蓄电池中的每一个并联。
这个已知的电池组实际上包括允许实现不同电压和容量的灵活结构。而且，可以使故障电池失效。但是，和任何常规的电池组类似，这种类型的电池组具有这样的问题：在单个电池发生故障之前，必须确保防止每个单独且完好的电池在充电过程中出现过压现象以及在放电过程中出现欠压现象。
为了实现上述目的，已知所谓的负荷平衡方法(电荷平衡)，这确保串联的电池尽可能地呈现出均匀的电荷状态。这些技术在高性能电池(例如，锂离子电子)中尤为重要，为了实现较高的模块电压，高性能电池包括串联成一个或多个串的多个电池。为防止各个电池出现过压(过充电)或欠压的现象，采用所谓的用于确保彼此串联的各个电池之间的电荷平衡的电池平衡方法和装置。
已知以下的用于电荷平衡的不同方法：
在所谓的分流方法中，通过支路桥接充分充电的电池，从而桥接每个电池的放电电流。持续该方法直至串内的所有电池的电压尽可能地具有相同的电平，因此电池的充电具有平衡电平(即电池平衡)。这个方法的值得一提的优点为：由低切换频率引起的低EMC问题和低成本可行性。但是，这个方法只在具有某种电池化学物质(例如，LiCo02)的电池组中令人满意地工作，这种电池化学物质呈现出具有陡峭特征曲线的电压充电特性，这是因为电荷状态是从开路电压估计来的。因此，该方法只在电池组处于休息状态且SOC(电荷状态，充电状态)具有高值时工作。在电池组的操作过程中，分流方法是不可应用的。进一步的缺点是，电荷平衡是有损耗的，因为通过电阻(分流)将多余的电荷转换成热能。
在所谓的电容性负荷泵方法中，通过电容将具有较高电荷状态(较高电压)的电池的部分电荷排出并通过开关将其转移到相邻的电池。这个方法相对便宜且容易实施。但是，它假设电池之间的电荷差别仅仅是最小限度的，因为通过电容仅能传递相对较少的能量。此外，为了实现一定的效率，切换频率必须高。当存在大的电池不对称性时，使用这种方法得到平衡几乎是不可能的。
使用线圈或者变压器的感应方法在电池组的不同操作状态下工作。但是，由于使用感应部件，这种方法是相当昂贵的，并且比分流方法或者电荷泵方法更加复杂和庞大。进一步地，由于时钟电路原理，增加EMC问题。
从专利文件U.S.6157165已知一种用于操作电池组的方法，其中提供可以选择性地将电容(见图1中的“电容111”)切换为与电池组中的各个蓄电池(见“单位电池组101至101c”)并联以利用电池组电池的当前电池电压对电容充电的开关元件。与电压检测器的互连允许测量电池电压，其中还提供了另一个电容(“电容104”)以消除电压的变化(即测量电压中的振荡部分)。
专利U.S.7193390B2公开了一种用于操作电池组的方法，其中提供选择性地将电容(见图4中的“电容C1和C2”)切换为与电池组中的各个蓄电池(见“电池组电池E1和E2”)并联或者可以将它们互相切换的开关元件。首先，将第一电容(“C1”)切换为与第一电池(“E1”)并联并且利用电池电压对其充电。然后，断开电池与第一电容的连接并将其切换为与第二电容(“C2”)并联，从而两个电容具有相同的电压。其后，断开第二电容，并将第二电容切换为与电压测量装置(“电压检测电路”)并联以测量电压。由于第二电容的一端与地电势连接，因此可以稳定地测量电池(“E1”)的电压。
这些已知的方法的缺点是，需要使用额外的部件(例如电容、线圈或变压器)，从而导致大量的花费，尤其是在材料和成本方面。
电荷平衡方法很大程度上应用于用于工业驱动技术(例如电动力)和固定式能量储存的电池组中，因为这些电池组必须满足可靠性、稳定性和安全性的高要求。工业应用通常用在不间断的连续性操作的情况中。因此，不存在定义的可以平衡电池的空闲状态。进一步地，在一些应用中，可能发生不能达到最终的充电状态或者放电状态的情况。因此，很难或者几乎不可能通过平衡方法确定电荷状态，因为在充分充电或者清空(empty)的情况下不能进行循环校验。
发明内容
因此，本发明的目的是开发上述类型的电池组以便以有利的方式克服上述缺点。特别地，应提供一种允许电池结构中的有效且节约成本的电荷平衡/补偿的电池组和操作电池组的方法。
上述目的通过具有权利要求1的特征的电池组和具有独立权利要求的特征的用于操作这种电池组的方法实现。
因此，在电池组中使用开关元件，所述开关元件适于在第一电池组电池和第二电池组电池之间建立双路连接，其中第二电池组电池的每个交替地切换为与第一电池串中的第一蓄电池并联，或者与与其相邻的另一第一蓄电池并联，其中通过开关元件切换的第二蓄电池串联在一起以形成与第一电池串并联的第二电池串。因此第二电池串构成具有完整能量存储功能的串。
进一步地，提供一种操作这种电池组的方法，其中N个蓄电池串联在一起以形成至少一个(第一)电池线(串110)，并且其中布置N个第二蓄电池，N个第二蓄电池的每个通过开关元件可切换为与N个第一蓄电池的各个电池并联以形成第二线(串120)，通过使用开关元件在串100的第一电池和串120的第二电池之间建立双路连接，其中每个第二蓄电池交替地切换为与串(串110)中的第一蓄电池并联，或者与串(串110)中邻近该第一蓄电池的蓄电池并联。
使用本发明，实现电荷均衡(平衡)，通过将所述一个串(串120)的电池与另一个串(串110)的电池灵活地互连，这甚至可以仅仅借助于蓄电池执行。串120中的每个电池交替地与串110的特定电池和串110的相邻电池相关联，并且可选地可与一个或另一个电池并联，从而交替的并联切换导致串110的电池间的电荷状态的平衡，还导致串120的平衡。因此，本发明的电池组包括两个或者多个相似的串，每个串分别包括N个电池。每个串具有相同数目的电池，并且构成完整的能量功能。第二串的电池以转换一个电池位置的方式交替地切换到至少一个第一串。因此，在无需额外的电荷存储元件(例如电容或者线圈)的情况下，产生双路平衡。串120的电池构成完整的电位序，该电位序与串110并联，因此全部用于增加电池组的整体容量。
本发明的电池组尤其适用于工业牵引应用和固定式能量存储。还可以在电池组的连续操作期间实现电池的平衡，并且如果需要的话，还可以利用平衡方法实施电荷状态的确定。
本发明的优选实施例在从属权利要求中提出。
因此，有利的是：开关元件是可控的或者是可以被控制的，并且在预设的时间间隔内在第一蓄电池和第二蓄电池之间连续地且交替地建立双路连接，其中第二蓄电池的每一个在第一时间间隔内与第一蓄电池并联，在第二时间间隔内与相邻的第一蓄电池并联。由此得到串120的电池序列关于串110的电池的持续的往复转换。
也有利的是：第二蓄电池中的至少一个电池与多个开关元件相连，多个开关元件设计成至少在预设的第三时间间隔内断开这个第二蓄电池与第一蓄电池和/或第二蓄电池的电路连接，并将这个第二蓄电池与测量装置连接。由此，这个电池可被暂时地用于实现测量目的。特别地，可以精确地确定电荷状态和容量以优化电池组管理。
在操作电池组的方法中，开关元件优选为受控的，特别地被处理器控制单元控制，其中在预定时间间隔内(特别地，在等长的时间间隔内)以交替的方式在第一蓄电池和第二蓄电池之间连续地建立双路连接，其中(串120中的)的每个第二蓄电池在第一时间间隔内与(串110中的)第一蓄电池并联，在第二时间间隔内与(串110中的)相邻第一蓄电池并联。第二蓄电池串联以形成第二电池串(线120)，第二电池串120与第一电池串(线110)并联。
附图说明
通过实施例进一步详细地描述本发明，其中参考表示以下示意性说明的附图：
图1示出本发明的电池组的示意性结构；
图2a示出第一开关状态中的图1的电池组；
图2b示出第二开关状态中的图1的电池组；
图2c示出说明交替开关状态的适于图2a/b的示意性时序图；
图3示出测量间隔期间的状态中的图1的电池组；以及
图4示出适用于图3的交替开关状态的时序图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的电池组100的结构，电池组包括由多个串联的第一蓄电池111、112、113和114组成的第一串110(预定串联连接)。仅仅作为示例，存在N＝4个串联的蓄电池，形成具有N倍电池电压的第一电势线(galvanic line)。例如，如果将至少N＝100个锂电池串联，那么可以得到大于300伏特的电压，如电动汽车中的电池组所需要的。此外，多个这种行(串)可以并联连接。这种串中的电池电压可以彼此略有不同(例如差几百毫伏)，因此可能存在电荷的不平衡。
为了均衡(平衡)电荷，使用通过(N+2)个开关元件131、132、133、133′、134和134’切换的N＝4个电池121、122、123和124，形成与串110代表基本相同的电位序的另一串120，因此串120也增加电池的总容量。借助这些第二电池121至124实现电荷均衡；无需补偿装置和额外的部件，例如电容、线圈等。根据下面更详细描述的方法，通过交替地改变第二电池(串120)和第一电池(串110)之间的互连，基本实现电荷平衡。需要注意的是，串120中的N-1个电池(此处为电池121至123)首先串联，而另一个电池124通过相关联的开关元件134和134′切换到一端(电池121之前的上端)或者(电池123之后的)下端。通过其他开关元件131至133以及通过所述开关元件134和134′中的一个，串120中的所有电池121至124可以切换为与串110的电池并联。
现在将参考图2a、2b和2c更详细地描述交替切换的原理以及用于操作电池组的操作方法。还将参考图3和图4描述如何通过使用本发明的电池组结构实现对电池组的电荷状态的确定。因此，本发明既使能操作期间的平衡，还使能电荷状态的精确确定。
根据图1所示的本文提出的切换原理，电池组100由组成串-并联电路的多个单体电池111-114和121-124构成。电池组被细分成具有第一电池111-114(固定顺序)的串110和具有额外的(第二)电池121-124(交替切换)的串120。串120通过开关元件131-133、134和134′与串110连接，如图1所示。进一步地，多个串可以并联地切换，以提高电池组100的容量。每种类型的开关均可用作开关元件，优选地使用半导体开关元件(例如MOSFET)或者机械开关(例如继电器)。每个开关元件或是每组的两个开关元件可以以双路切换的方式在两个开关状态A和B之间往复切换。这在图1中通过各个开关A和B象征性地示出。
通过开关元件(例如131)的相位延迟切换成状态A或B，串110在第一相(参见图2c的时间间隔T)内与串120的电池在第一位置(参见图2a中的开关位置A)相连，由此电池121与电池111并联，电池122与电池112并联，以此类推。因此，串120与串110并联，以使两个串中的电池的顺序相同且从111或121开始。此处，并联的各个电池(例如111和121)之间的电荷状态是彼此相似的。因此串120对应于图2a的等效电路120′。
然后，在第二相(参见图2c中的时间间隔TB)内，串120的电池的位置移动至第二位置(参见图2b中的开关位置B)，从而电池121与电池112并联，电池122与电池113并联，从而电池124现在与电池111并联。因此，串120现在移动到串110的并联电路，即位于向下移动一个位次的位置。串110中的电池序列从电池111开始，而串120的序列从电池124开始，然后依次是121、122和123(参见图2b)。因此，串120向下移动了一个位置。串120对应于图2b中所示的等效电路120"。此时，并联连接的电池之间的电荷状态(例如电池111的电荷状态和电池124的电荷状态)是平衡的。由此实现了与串110的相邻电池的电荷转移。这同样适用于串120。电荷转移最终实现所有的电池电荷的整体平衡。
因此，可以在电荷泵原理的基础上实现电荷平衡，而不使用额外的能量储存元件(电容，电感)。这是因为通过电池组电池自身执行电荷均衡。因此，100Ah的电池组基本上保持为100Ah的电池组，但是，与传统结构相比的最主要区别是，本发明的电池组结构被内在地划分成两个串，并且在无需额外的电荷或者能量存储装置(电容，电感)的情况下实现无损耗的电荷平衡。
参考图1中的电池组的示意性结构，串联连接的串120初始显示为具有比串110中的电池(N＝4个电池111-114)少一个的电池(右侧的N-1个电池121-123)。串120的N-1个电池切换为与串110的起点或末端(参见开关位置A或B)并联。这意味着，在没有额外措施的情况下，串110的底部电池或者顶部电池与其他电池相比处于更高的电流负荷状态。为了补偿这种不对称性，将另一电池124切换至串120，所述另一电池为顶部并联电池(如图2b所示)或者底部并联电池(如图2a所示)。
换言之，通过串联连接的N-1个电池121-123的位置移动，在底端或者顶端留出用于额外地接入第N个电池124的位置。因此，总能够建立与串110并联的完整的串120或120′或120″(参见图2a和2b)。
因此，所有的电池组电池是等同负荷的。示出的由至少一个串110和另一个串120或120′或120″(包括辅助电池124)的组合构成的电池组结构(参见图1和图2a、2b)实质上等同于对称的串-并联连接(串联成串的N个电池；P个并联的串)。
改变电池121-124的切换的过程具有除其他优点之外的特别优点：可以在电池组的所有操作情况(充电、放电、空闲和满载)下实现电荷平衡。各个电池的多余能量在不经过中间缓冲的情况下重新分配给其他电池而不被转换成热量。提出的平衡方法基本上是无损耗的。在这个过程中基本上不可能发生各个电池的过充电。电池组及其电路结构不具有串联在串110中的开关元件(MOSFET、继电器)，由此实现内部电阻最小化。
开关元件131-134/134′以及可选的控制单元(未示出)在本文称作“平衡器”，并且可整体地或者部分地包含在电池组内，或者也可以单独地设计。由于适当的机械设计，在操作期间可以改变平衡器，还可以对其进行维修。平衡器电路不包含用于能量传递的感应部件，而是利用电池组电池本身实现能量传递(双重受益)。电路具有非常良好的EMC特性，因为基本上可以应用低切换频率(例如在几赫兹的范围内)，由此可以避免陡峭的电流峰值。
本文描述的平衡方法减缓内在较弱的电池的压力。通过电路原理充分地利用电池的串-并联连接的全部能量含量。
现有技术中，最弱的电池的容量决定电池组的总容量。本发明不是这样的。这带来额外的优点：
-在电池组的组装之前，无需对电池组的各个电池进行分类和排序，从而实现最大的包装容量；
-由于较弱电池的负荷搬迁，提高电池组的整体使用寿命。
除了平衡功能之外，由于电路拓扑学，本发明还可以确定电池组在操作期间的准确状态，而无需电路的额外努力。这允许当前平衡测量的再校准，并且这将在下文中参考图3和图4进行详细描述。
图3示出图1的电池组处于电池124与串120分离并单独与测量装置M连接的状态。这种状态发生在电池组的正常操作期间的测量间隔TO内(参见图4)，其中在测量间隔TO期间内的开关位置A′和B′与开关位置A和B不一致。电池124用作参考电池，以进行测量从而确定电池组的状态参数。
因为电池组系统的可靠操作需要对使用中的电池组系统的情况的准确了解。当前电荷状态(待使用的剩余电荷)和时效状态(容量损耗或者内部电阻的改变)均提供关于电池组系统的操作准备和操作能力的信息。
尽管在规定的实验室环境下对电池组的状态参数进行测量没有很大困难，但另一方面，在电池组的操作期间进行确定却存在相当大的困难。在多数应用中，用于测量状态参数(例如容量)的操作中断是不允许的或者不可能的。
现有技术中，通过平衡电荷状态确定正常操作期间的电荷状态，其中在一定间隔必须进行再校准，以防止流失测量值；或者在基于端电压的电池组模型的帮助下以及在负荷电压特征曲线的帮下，通过估计空闲电压来确定电荷状态。但是，两种方法都不允许电荷状态的精确确定，并且可导致显著的不确定性和高度不稳定的结果。例如，对于LiFePO电池，由于中心区域的平整U-Q曲线，电荷状态的估计是非常不准确的。
下文描述的本发明的测量方法不具有这些缺点。用于在正常操作中平衡串联电路的最高电池和最低电池之间的电荷的补偿电池124(参见图1和图2a/b)现在还用于确定电池的特征参数。通过打开电池124的四个开关中的至少三个三个(参见图3)，这个电池在一定的时间段断开与电池组的连接(参见图4，在电池124的断开连接期间的时间间隔TO内示出的开关状态A′和B′)。
由此，可以在没有额外帮助的情况下确定特征参数，例如通过简单的负荷电压测量确定SOC(电荷状态，充电状态)。这也可以在有帮助的情况下执行(用于放电的电流吸收器，用于充电的源，容量和内部电阻的确定)。在电池124的测量期间，整个电池组仍然可以操作。
由于电池124的暂时(时间间隔TO内)断开导致的不对称性被其他电池121至123的稳定且持续进行的平衡而平衡。在测量之后，电池124重新联接至平衡过程。根据电池124的SOC的测量结果，考虑到电荷平衡，可以可靠地再校准整个电池组的SOC。因此，提供一种在电池组的操作期间精确地确定电池组模块的电荷状态和时效状态的方法。
本发明适用于各种类型的电池组电池和模块，特别适用于那些用于高性能电池组中的电池和模块。
因此，本发明尤其适用于高性能电池的构造和操作。

Claims (8)

1.一种电池组(100)，包括多个蓄电池，所述多个蓄电池的N个第一蓄电池(111...114)串联在一起以形成至少一个电池串(110)，其中N个第二蓄电池(121...124)布置成通过开关元件(131...133，134，134′)分别地切换为与所述N个第一蓄电池(111...114)中的一个并联，
其特征在于，所述开关元件(131...133，134，134′)适于在所述第一蓄电池和第二蓄电池之间建立双路连接(A，B)，其中每个所述第二蓄电池(121)可交替地切换为与所述电池串(110)的所述第一蓄电池(111)并联，或是与邻近所述第一蓄电池(111)的另一所述第一蓄电池(112)并联，并且通过所述开关元件(131...133，134，134′)切换的所述第二蓄电池(121...124)串联连接以形成第二电池串(120，120′，120")，所述第二电池串(120，120′，120")与所述第一电池串(110)并联地布置或连接。
2.根据权利要求1所述的电池组(100)，其特征在于，所述开关元件(131...133，134，134′)可被控制为在预设时间间隔(TA，TB)内以交替的方式在所述第一蓄电池和所述第二蓄电池之间连续地建立所述双路连接(A，B)，以便每个第二蓄电池(121)在第一时间间隔(TA)内与第一蓄电池(111)并联，在第二时间间隔(TB)内与其他相邻的第一蓄电池(112)并联。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池组(100)，其特征在于，所述第二蓄电池(121...124)中的至少一个(124)与多个开关元件(134，134′)相连，所述多个开关元件(134，134′)适于至少在预设的第三时间间隔(T0)内断开所述第二蓄电池(124)与所述第一蓄电池和/或所述第二蓄电池的连接，并将所述第二蓄电池(124)连接至测量设备(M)。
4.一种操作电池组(100)的方法，所述电池组(100)包括多个蓄电池，所述多个蓄电池的N个第一蓄电池(111...114)串联在一起以形成至少一个电池串(110)，其中所述N个第二蓄电池(121...124)布置成通过开关元件(131...133，134，134′)单独地切换为与所述N个第一蓄电池(111...114)中的一个并联，
其特征在于，通过所述开关元件(131...133，134，134′)在所述第一蓄电池和第二蓄电池之间建立双路连接(A，B)，其中每个所述第二蓄电池(121)交替地切换为与所述电池串(110)的所述第一蓄电池(111)并联，或与邻近所述第一蓄电池(111)的另一所述第一蓄电池(112)并联，并且通过所述开关元件(131...133，134，134′)切换的所述第二蓄电池(121...124)串联连接以形成第二电池串(120，120′，120")，所述第二电池串(120，120′，120")与所述第一电池串(110)并联地布置或连接。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，控制所述开关元件(131...133，134，134′)在预设时间间隔(TA，TB)内以交替的方式在所述第一蓄电池和所述第二蓄电池之间连续地建立所述双路连接(A，B)，以便每个第二蓄电池(121)在第一时间间隔(TA)内与第一蓄电池(111)并联，在第二时间间隔(TB)内蓄电池与其他相邻的第一蓄电池(112)并联。
6.根据权利要求4或5任一项所述的方法，其特征在于，所述第二蓄电池(121...124)中的至少一个(124)与多个开关元件(134，134′)相连，所述多个开关元件(134，134′)适于至少在预设的第三时间间隔(T0)内断开所述第二蓄电池(124)与所述第一蓄电池和/或所述第二蓄电池的连接，并将所述第二蓄电池(124)连接至测量设备(M)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述预设的第一时间间隔(TA)和第二时间间隔(TB)的长度相同，特别地在0.1秒到120秒的范围内。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述预设的第三时间间隔(T0)比所述第一时间间隔(TA)和所述第二时间间隔(TB)长，特别地长达5小时。
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