CN103972956A - 蓄电池及通过接通概率来调节蓄电池电压的方法 - Google Patents

蓄电池及通过接通概率来调节蓄电池电压的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于调节蓄电池的蓄电池电压的方法，所述蓄电池包括选择性地连接和跨接至蓄电池组的多个蓄电池单池(51)，其中，所述方法中通过所述多个蓄电池单池(51)的交替地控制(15)将所述蓄电池电压(UHV)调节至期望的标称电压(U0)其特征在于，向所述多个蓄电池单池(51)的一个或多个控制电路传输标称接通概率(P1)，使得分别以所分配的接通概率(P2)连接所述一个或多个蓄电池单池(51)。此外，本发明还公开了配备有用于执行所述方法的调节电子装置(57)的蓄电池。

Description

蓄电池及通过接通概率来调节蓄电池电压的方法
技术领域
本发明涉及一种调节蓄电池的蓄电池电压的方法，该蓄电池包括选择性地连接和跨接至蓄电池组的多个蓄电池单池，其中，在该方法中通过多个蓄电池单池的交替的控制将蓄电池电压调节至期望的标称电压。此外，本发明涉及一种蓄电池，其具有至少一个具有多个通过控制装置连接和跨接蓄电池组的蓄电池单池的蓄电池组、用于获取多个蓄电池单池的运行参数的获取装置和用于调节蓄电池电压的调节电子装置。
背景技术
将来，无论是静态的应用中还是在例如混合动力车辆和电动车辆的车辆中都将越来越多地使用蓄电池系统。为了能够满足对于各种应用给出的对于电压的要求且提供可调节的功率，要串联连接较多的蓄电池单池，从而构成提供蓄电池电压的蓄电池组。为了获得高的蓄电池电流还经常并联连接额外的蓄电池单池。
在申请人的之前的申请中说明了多个蓄电池，其具有带有可变的或者可调节的蓄电池电压的蓄电池组。其通过激活一定数量的蓄电池单池或者蓄电池模块，使得其总电压对应于对于蓄电池电压的期望的标称值来实现，其中将去激活或者跨接其他的、不需要的多个蓄电池单池。此外，根据现有技术通过微控制器实施对多个蓄电池单池的多个耦合电路的控制，其中，该微控制器通常通过电隔离进而与中央的控制装置进行通信。该耦合电路能够通过半导体开关，尤其是MOSFET晶体管和各自所属的驱动电路来实现。半导体开关能够安置在半桥设置或者全桥设置中。此外，对个耦合电路中每个能够被设置用于接通单个的蓄电池单池或者具有多个蓄电池单池的蓄电池模块。在此必须由中央的控制装置通过通信接口或者通过信号传递连接(通信总线)通知每个耦合电路，是否应该连接或者跨接蓄电池单池或者蓄电池模块，或者应该连接哪个晶体管并且不连接哪个晶体管。
该方法的缺点是要求高的通信花费，尤其是当为了实现蓄电池电压的精细的电压分级而减少通过耦合单元接通的多个蓄电池模块或者多个蓄电池单池的数量时，该通信花费将以尤其高的程度出现。高的通信花费尤其基于对获得足够鲁棒性的并且有效的蓄电池系统的要求，多个蓄电池单池或者多个蓄电池模块通常必须实时地定位并且接通。
发明内容
根据发明提出一种用于调节蓄电池的蓄电池电压的方法，所述蓄电池包括选择性地连接和跨接至蓄电池组的多个蓄电池单池。在该方法中通过多个蓄电池单池的交替的控制将蓄电池电压调节至期望的标称电压。此外，向所述多个蓄电池单池的一个或者多个控制电路分别传输标称接通概率，使得以所分配的接通概率来连接所述一个或者多个蓄电池单池。
根据本发明的另一方面提供一种机动车，其具有电机并且被设置具有依据发明的蓄电池，该蓄电池为电机提供电能。
本发明的优点是实现通信成本的大幅降低。该优点尤其通过多个蓄电池单池根据发明通过中央的控制信号的控制来实现，所述中央的控制信号包括针对所有蓄电池单池的所确定的标称接通概率。在此通过本发明还实现开关损耗的减小。其与具有预定的占空比(DutyCycle)的多个蓄电池单池的控制相比也尤其适用，在所述控制中在每个占空比中都要开关所述多个蓄电池单池。根据本发明所述能够将所述多个蓄电池单池的切换的频率保持尽可能得小。
优选向蓄电池组的所有蓄电池单池传输标称接通概率。此外，根据一种有利的实施方式，针对每个蓄电池单池的标称接通概率采用相同的值，所述值是通过中央的控制信号向所有蓄电池单池传输的。此外，它具有能够使蓄电池内部的通讯花费最小化的优点。
优选地借助于设置在多个蓄电池单池中的多个控制电路分别实施随机函数，依据所述随机函数以分配给其的接通概率连接或跨接相应的蓄电池单池。
此外，在一种优选的实施方式中，借助于布置在所述蓄电池中的调节电子装置将所述蓄电池的期望的标称电压和当前的、实际的蓄电池电压进行比较。如果在此确定当前的蓄电池电压小于标称电压，则增大了标称接通概率。此外，如果确定当前的蓄电池电压大于标称电压，则能够减小标称接通概率。
因此，有利地，尤其是在恒定的或者接近恒定的蓄电池电压情况下能够通过新的概率预定值的频率预先规定在所述多个蓄电池单池中的切换的频率。
在本发明的一个尤其有利的改进方案中，基于品质因子来实施所述中央的控制信号或者所述标称接通概率的调整，从而达到所述接通概率的加权。分别相应于现有的蓄电池单池状态地选择多个品质因子。尤其有利地，能够分散地在所述多个蓄电池单池中或者借助于所述多个蓄电池单池的控制电路实施所述标称接通概率的调整。从而能够以尤其可靠的方式实现所述蓄电池组中的输出电压的平整
因此以尤其便利的方式进一步提高所述蓄电池的可扩展性。提供了一种尤其方便的两级的控制，在所述控制中通过使用品质因子有利地实施局部的或各自的调整，例如实现调整总蓄电池电压，而不必将所有的单池电压传递至中央的控制装置和/或在那里分析关于下述的决定，即哪些蓄电池单池应当接通至蓄电池组并且哪些蓄电池单池应当跨接至蓄电池组。此外，由于通过品质因子只需为了调整调节单个参数，所以能够以简单的方式对单个单池进行调节。根据任务能够继续独立于蓄电池电压的调节进行品质因子的计算，这导致高的灵活性、速度和可靠性。
根据本发明的优选的改进，由计算函数得出每个品质因子，该计算函数分别概括相关的蓄电池单池的多个运行参数。该运行参数能够例如概括充电状态、老化状态、单池电压、单池温度、单池内压、蓄电池电流方向和/或一个或者多个其他的运行参数。在此运行参数能够例如当前地即时确定或者以合适的间隔更新。
也能够确定平均的充电状态或者平均的老化状态，使得首先提供适用于所有的蓄电池单池的平均值。随后能够将关于与平均的老化状态相比较的单个的老化状态的信息通过特定的蓄电池单池的相应较高的或者较低的品质因子导入调节过程。例如当特定的蓄电池单池的蓄电池温度或者内压改变时，通过对品质因子进行特定的增加或者减少，多个品质因子也能够单独地并分别根据情况、需求或者使用状况地更新和修改。
以此通过品质因子实现在蓄电池的运行中的随时提供和可使用的对于蓄电池单池的可用性的指数，其中能够最小化蓄电池的原本的电压调节的计算成本。因此电压调节能够以快的反应时间调整对当前的要求做出反应，例如连接的电机的快速变化的电流需求。
根据一种有利的实施方式，品质因子分别根据每个对于特定的蓄电池单池所概括的运行参数的多个值确定为带有负号或者正号的数。此外，对于品质因子优选地使用无量纲数。因此进一步简化了用于进一步的电压调节的品质因子的可操作性。
根据本发明的一种特别的实施方式规定，如果对于特定的蓄电池单池确定为负的品质因子，那么分配给蓄电池单池的接通时间减小，而如果对于特定的蓄电池单池确定为正的品质因子，那么分配给蓄电池单池的接通时间增加。因此能够进一步地取消复杂的计算，例如在驱动电路中，其根据待调节的实际接通概率控制蓄电池单池。
根据本发明的一种实施方式规定，在概率窗内调节蓄电池单池的接通概率，所述概率窗围绕这样的标称接通概率值设置，该标称接通概率值对应于中央的控制信号的当前的大小。
中央的电压调节装置只控制平均值，其中向两个方向，即更高概率的方向和较低概率的方向，调整能够局部地和/或单个地进行。
根据本发明的另一种改进方案标准化品质因子。例如能够这样地标准化该品质因子，使得概率窗的上限或者下限对应于具有数值1的品质因子。
在此优选地，概率窗对称地围绕标称接通概率值设置。
这样在同时涉及所有蓄电池单池的状态情况下能够尤其好地控制期望的调节行为。
在本发明的一种尤其优选的实施方式中选择具有这样的宽度的对称的概率窗，使得概率窗的下限和上限不超过0％或者100％的概率临界值。
此外，根据这种方式能够随时确保通过有限大的品质因子在有效作用范围内进行功能的调整。
本发明能够应用多个控制机制，其中使用对于所有的蓄电池单池或者蓄电池模块所确定的控制信号。
本发明尤其能够在借助于脉冲宽度调制的信号来实施的调节中使用。因此在一种有利的实施方式中规定，使用脉冲宽度调制的信号尤其作为中央的控制信号以用于调节蓄电池电压。替换地或者额外地规定将脉冲宽度调制的信号作为在调节回路中的控制量以用于调节蓄电池电压。
因此能够以特殊的方式实现不依赖多个蓄电池单池的充电状态的对蓄电池电压的有效的调节。这能够尤其通过例如在多个单池的更高的平均充电状态的情况下通过调节单元生成其他的具有更低的占空比的脉冲宽度调制的信号以用于连接蓄电池来实现。
优选地，根据本发明的蓄电池为锂离子蓄电池。
本发明的有利的改进在下文中给出并且在说明书中说明。
附图说明
下文借助于附图详细地说明本发明的实施例。其中：
图1示出了根据本发明的一种实施方式的用于控制可接通的蓄电池单池的运行参数的考虑的过程流程图；
图2示出了根据本发明的一种实施方式的对于特定的蓄电池单池的具有接通概率的位置和分布的示意图；
图3示出了根据本发明的一种实施方式的通过在蓄电池单池中现有的品质因子改变接通概率的示意图；
图4示出了根据本发明的另一种实施方式对于接通概率窗提供可能的宽度的示意图；以及
图5示出了根据本发明的一种实施方式控制具有标称接通概率的蓄电池单池的原理线路图。
具体实施方式
在图1中示出了过程流程图，由该过程流程图在调节可接通的蓄电池单池时在该蓄电池单池中存在的当前的运行参数11、12的考虑原则是显而易见的。这里P1表示期望标称接通概率或者概率给定，其作为给定值被传递至蓄电池单池或者管理蓄电池单池的控制电子装置。概率给定或者期望标称接通概率P1作为中央的控制信号由安置在蓄电池中的调节单元(未示出)产生。期望标称接通概率P1在步骤13中处理。这能够相比于加权函数。这样在步骤13中处理运行参数11、12，例如与蓄电池单池的运行有关的充电状态和老化状态。其能够为第一运行参数11，该第一运行参数直接涉及蓄电池单池，例如蓄电池单池的充电状态或者单池温度或者单池内压。另外还考虑蓄电池的第二运行参数12，其在其他的蓄电池单池中或者对于蓄电池总体地测量或者确定，并且同样对这里被观察的蓄电池单池的待实施的控制产生影响。蓄电池的运行参数12例如能够是所有蓄电池单池的平均充电状态，在此基础上根据本方法建立被观察的蓄电池单池的充电状态与平均充电状态的关系。作为依据步骤13的处理的结果输出实际接通概率P2，其考虑到蓄电池单池状态并且通过该实际接通概率实际控制蓄电池单池。
所获得的对于每个蓄电池单池的实际接通概率P2在步骤14中还借助于随机算法处理。
因此能够实现根据每个实际接通概率P2总体地控制多个蓄电池单池，其中通过调节实现蓄电池的总电压与期望的标称接通概率P1相协调。同时保证不会出现多个蓄电池单池的意外的同步化，该同步化会导致在蓄电池电压中的不希望的电压波动。
在步骤15中通过特定的实际接通概率P2控制每个蓄电池单池并且交替地接通和断开，即与蓄电池组接通或者导通地跨接。
根据图1的方法只示出了对于多个蓄电池单池的控制接通概率的个别适应的基本的普遍的原则。依据本发明用于每个蓄电池单池的不同的所测量和确定的运行参数11、12，例如单池压力、充电状态、老化状态等，另外借助于计算函数归纳为品质因子G，其中品质因子G被相应标准化，例如在+/-1内。
下面图2至4示出所确定的品质因子在本发明的特定的实施方式中如何影响标称接通概率P1。
图2中示出对于特定的蓄电池单池的具有标称接通概率P1的位置和接通概率P的分布的示意图。标称接通概率P1，其由中央的控制信号得出，在此处例如采用0％和100％之间的值。当值为0％时，蓄电池单池总是断开的和跨接的，相反100％的值表示蓄电池单池的持续的接通。
另外如图2所示，概率窗21围绕预定的标称接通概率P1设置，其中在+1的品质因子G处接通概率P对于单个单池设为概率窗21的右端或者上限23而对于-1的品质因子G接通概率P设为概率窗21的左端或者下限22。这样蓄电池单池单个的接通概率P从标称接通概率P1或者从相应于中央的控制信号的值出发向右或者向左移动，即提高或者降低。图3中专门地明确示出向右移动到接通概率P的较高的值的情况。
在图4中示出了示意图，其示出了对于接通概率窗21的提供的可能的宽度41。根据图4所示的实施方式提出概率窗21对称地围绕由中央的控制装置预定的接通概率P1设置。在此概率窗21的宽度41这样地选择，使得其最大达到0％或者100％。替换地，尤其对于平均接通概率P的概率窗21的宽度41能够由最大值限定。
尽管在这里所讨论的多个实施例中分别使用用于控制的品质因子G，但本发明不限制于这种具有品质因子的特殊的实施方式，而是能够有利地没有品质因子地应用。
在图5中示出了依据本发明的一个实施方式控制具有标称接通概率P1的蓄电池单池51的原理线路图。通过调节电子装置57将实际的蓄电池电压UHV和理想的标称电压U0进行比较。在所述蓄电池中集中地管理所有蓄电池单池51的调节电子装置57来产生相应的控制信号，该控制信号包括标称接通概率P1并且被传输给所有的蓄电池单池51，其中本附图仅明确地示出唯一的蓄电池单池51。另外如图5所示，控制信号或标称接通概率P1通过将蓄电池单池51和蓄电池高压侧隔离的绝缘体56传输并且被传送给分配给蓄电池单池51的微处理器55。该微处理器执行随机算法，该随机算法处理标称接通概率并可选额外地处理单体蓄电池单池的品质因子G。基于该随机算法控制用于多个晶体管52、53的驱动电路54，蓄电池单池51通过该驱动电路被连接到相应的蓄电池组或者导通地跨接到该蓄电池组。
除了本发明的上述的书面公开之外，在此在图1至5中还涉及本发明的图形表示以清楚地补充该公开。

Claims (10)

1.一种用于调节蓄电池的蓄电池电压的方法，所述蓄电池包括选择性地连接和跨接至蓄电池组的多个蓄电池单池(51)，所述多个蓄电池单池具有相应的控制电路，其中，在所述方法中通过所述多个蓄电池单池(51)的交替的控制(15)将所述蓄电池电压(UHV)调节至期望的标称电压(U0)，其特征在于，向所述多个蓄电池单池(51)的一个或多个控制电路传输标称接通概率(P1)，使得分别以所分配的接通概率(P2)连接所述一个或多个蓄电池单池(51)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述标称接通概率(P1)被传输给所述蓄电池组的所有的蓄电池单池(51)并且针对每个蓄电池单池(51)分别采用相同的值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，借助于多个控制电路分别实施随机函数，借助于所述随机函数以分配给其的接通概率连接或者跨接相应的蓄电池单池(51)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过调节电子装置(57)将所述标称电压(U0)和当前的蓄电池电压(UHV)进行比较，其中，如果确定所述当前的蓄电池电压(UHV)小于所述标称电压(U0)，则增大所述标称接通概率(P1)，并且如果确定所述当前的蓄电池电压(UHV)大于所述标称电压(U0)，则减小所述标称接通概率(P1)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述蓄电池单池(51)的所述接通概率(P2)被分配在概率窗(21)之内，所述概率窗对称地围绕这样的标称接通概率(P1)设置，所述标称接通概率值对应于所述中央的控制信号的当前的大小。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多个蓄电池单池的所述多个接通概率(P)通过多个品质因子(G)调整，所述多个品质因子分别相应于现有的蓄电池单池状态进行选择。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，分别借助于概括蓄电池单池(51)的多个运行参数(11、12)的计算函数，尤其借助于概括充电状态、老化状态、单池温度、单池内压、蓄电池电流方向和/或一个或者多个其他的运行参数的计算函数来确定每个品质因子(G)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，根据相应的对于特定的蓄电池单池(51)所概括的运行参数(11、12)的多个值将品质因子(G)确定为尤其是带有负号或者正号的无量纲数，其中，当对于特定的蓄电池单池(51)确定负的品质因子(G)时，分配给所述蓄电池单池(51)的所述接通概率(P2)减小，而当对于特定的蓄电池单池(51)确定正的品质因子(G)时，分配给所述蓄电池单池(51)的所述接通概率(P2)的增大，和/或其中，标准化所述品质因子(G)，使得所述概率窗(21)的下限(22)和上限(23)对应于具有数值1的品质因子(G)。
9.一种蓄电池，其具有至少一个具有多个通过控制装置(15)来连接和跨接所述蓄电池组的所述多个蓄电池单池(51)的蓄电池组、用于获取所述多个蓄电池单池(51)的运行参数(11、12)的获取装置和用于调节蓄电池电压(UHV)的调节电子装置(57)，其特征在于，所述调节电子装置(57)被设置用于借助于中央的控制信号将标称接通概率(P1)传输给每个蓄电池单池(51)的多个控制电路，并且所述多个控制电路被设置用于基于标称接通概率(P1)以分配给所述蓄电池单池(51)的接通概率(P2)连接相应的蓄电池单池(51)。
10.一种机动车，其包括电机和根据权利要求9所述的、用于为所述电机供应电能的蓄电池。
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