CN104081621A - 用于蓄电池元件的电荷平衡的方法、蓄电池系统以及具有这样蓄电池系统的机动车 - Google Patents

用于蓄电池元件的电荷平衡的方法、蓄电池系统以及具有这样蓄电池系统的机动车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于蓄电池元件的电荷平衡的方法、蓄电池系统以及具有这样的蓄电池系统的机动车，它们特别是可用以设置蓄电池系统，其中维持技术性能——其通过在蓄电池系统的蓄电池单池之间的主动的电荷平衡实现——与相应的成本——其通过应用被动的电荷平衡的方法而被降低——的预定的比例。为此提出一种用于在至少四个串联连接的蓄电池元件(Z1、Z2、Z3、Z4)之间的电荷平衡的方法。按照本发明，所述至少四个蓄电池元件(Z1、Z2、Z3、Z4)中的至少一部分被分组为至少两组(M1、M2)，每组分别具有至少两个蓄电池元件(Z1、Z2)、(Z3、Z4)。在一组内的各蓄电池元件之间实施被动的电荷平衡，而在多个组(M1、M2)的至少一部分之间实施主动的电荷平衡。

Description

用于蓄电池元件的电荷平衡的方法、蓄电池系统以及具有这样蓄电池系统的机动车
技术领域
本发明涉及一种用于蓄电池元件的电荷平衡的方法、蓄电池系统以及具有这样的蓄电池系统的机动车，它们特别是可用以设置蓄电池系统，其中维持技术性能——其通过在蓄电池系统的蓄电池单池之间的主动的电荷平衡实现——与相应的成本——其通过应用被动的电荷平衡的方法而被降低——的预定的比例。
背景技术
有证据表明，在将来不仅在静止的应用(例如在风力发电设备)中而且在车辆(如混合动力和电动车辆)中越来越多地采用新的蓄电池系统，对新的蓄电池系统在可靠性方面提出了高要求。对于该高要求的背景为，蓄电池的失灵能够导致整个系统的失灵(例如在电动车辆中牵引用蓄电池的失灵)或者甚至能够导致安全相关问题(在风力发电设备中例如采用蓄电池，以便在强风下通过转子叶片调节保护设备以防止不允许的运行状态)。
图1示出了按照现有技术的蓄电池系统的原理电路图。在蓄电池系统的正极10与负极12之间串联连接有充电和分离装置14、多个蓄电池单元Z1、…Zn以及可选择的另一分离装置16。充电和分离装置14包括断路开关18、充电开关20以及充电电阻22。可选择的分离装置16包括断路开关24。为了以该蓄电池系统满足对功率和能源数据的要求，将多个蓄电池单元Z1、…Zn串联连接；也已知的是，将各蓄电池单元或蓄电池单元的串联连接的组并联连接。
在应用多个串联连接的蓄电池单元时的问题在于，各个蓄电池单元并不是同样完好的，这能够导致不同的蓄电池单元电压，特别是在蓄电池寿命的数量级的更长的时间段上。因为特别是在锂离子蓄电池中单个蓄电池单元的过充或深度放电将导致蓄电池的不可逆的损坏，所以必须以定期的时间间隔进行电荷平衡(所谓的蓄电池单元平衡)。出于该目的，通过外部接线措施如此给各个蓄电池单元充电或放电，以使得它们又具有相同的蓄电池单元电压。
由现有技术已知这样的方法，在该方法中分别成对地被动或主动地实现蓄电池的蓄电池单元的电荷平衡。例如能够借助于包括运算放大器的设置来实现这样的主动的蓄电池单元平衡。对于主动的蓄电池单元平衡能够例如在待平衡的蓄电池单元之间的中间抽头上设置电感。
在此被动的方法的原理在于，将充电较高的蓄电池单元放电到充电较低的蓄电池单元的水平，也就是将能量转换为热量。这具有的缺点在于，在蓄电池单元中包含的能量没有被利用并且再者在蓄电池单元平衡中产生了热量，这些热量必须通过冷却措施导出。
主动的蓄电池单元平衡——其中将电荷从蓄电池单元转移到蓄电池单元——避免了这些缺点，然而却是成本较高。
由文献DE102008043593A1已知一种用于平衡电气蓄能单元的组的电压的方法，其中借助于线圈将电荷在电气蓄能单元的组之间转移。
发明内容
本发明的特别的优点在于，在技术性能与成本之间找到折中，其方法是实施混合的蓄电池单元平衡，也就是说，其方法是相互组合被动和主动的电荷平衡。按照本发明实现这一点，其方法是在至少四个串联连接的蓄电池元件之间的电荷平衡中将这些蓄电池元件分为至少两组M1、M2，其中每组包括至少两个蓄电池元件。对于所述多个组中的每个，在此设定，为在该组中的蓄电池元件的至少一部分实现被动的电荷平衡。与之相对地，在各组之间主动平衡电荷。通过预定分别组合为一组的蓄电池元件的数量(以及预定组的数量)能够因此实现在性能与成本之间期望的衡量。
在一个优选的实施形式中设定，分别在两组之间、优选在两个相邻的组之间实现主动的电荷平衡。
另一优选的实施形式设定，对于各组中的至少一部分通过用于蓄电池单元电压获取的单元、优选用于蓄电池单元电压获取的ASIC(专用集成电路)实施在一个组内的被动的电荷平衡。在另一优选的实施形式中设定，也由中央控制单元控制、也就是不自治地实施主动的电荷平衡。
另一优选的实施形式设定，自治地实现所述主动和/或被动的电荷平衡。证实为尤其有利的是，在通过用于蓄电池单元电压获取的单元实现各蓄电池元件之间的被动的电荷平衡时，自治地实现在各组之间的主动的电荷平衡。
本发明的另一方面涉及一种蓄电池系统，其具有至少四个串联连接的蓄电池元件，至少一个用于在蓄电池元件的组之间的主动的电荷平衡的模块，以及至少两个用于在蓄电池元件之间的被动的电荷平衡的模块。按照本发明如此设置该蓄电池系统，以使得用于电荷平衡的方法是可实施的，其中所述四个蓄电池元件中的至少一部分被分组为至少两组，每组分别具有至少两个蓄电池元件，在一组的各蓄电池元件之间实施被动的电荷平衡，而在多个组的至少一部分之间实施主动的电荷平衡。
在此，一个优选的实施形式为被动的电荷平衡设定，为分别两个相邻的蓄电池元件Zi、Zi+1(i＝1、2、…、n-1)设有一个用于两个相邻的蓄电池元件Zi、Zi+1的电荷的被动的平衡的电荷平衡模块。在此如此相互连接两个相邻的蓄电池元件Zi、Zi+1，以使得相邻的蓄电池元件Zi中的第一个蓄电池元件Zi的正极与相邻的蓄电池元件中的第二个蓄电池元件Zi+1的负极导电连接。一个优选的实施形式的特征在于，为相邻的蓄电池元件Zi、Zi+1(i＝1、2、…、n-1)中的所有对设有一个电荷平衡模块。换言之：按照该优选实施形式通过两个电荷平衡模块平衡每个蓄电池元件Zi(i＝1、2、…、n-1)的电荷。仅仅对于第一蓄电池元件Z1和最后的蓄电池元件Zn设有仅仅一个电荷平衡模块。
按照优选的实施形式，电荷平衡模块包括分压器Rc1、Rc2、至少一个比较装置和至少一个放电装置。该分压器在此构造为，基于所述相邻的蓄电池元件中的第一个蓄电池元件Zi的负极的电位与所述相邻的蓄电池元件中的第二个蓄电池元件Zi+1的正极的电位产生第一电位，其相应于在所述相邻的蓄电池元件中的第一个蓄电池元件Zi的正极与所述相邻的蓄电池元件中的第二个蓄电池元件Zi+1的负极处的电位的额定值。该至少一个比较装置比较所述第一电位与第二电位，所述第二电位位于所述相邻的蓄电池元件中的第一个蓄电池元件Zi的正极与所述相邻的蓄电池元件中的第二个蓄电池元件Zi+1的负极上。该至少一个放电装置构造为，如果所述第二电位沿正方向偏离所述第一电位，那么将所述相邻的蓄电池元件中的所述第一个蓄电池元件Zi放电；如果所述第二电位沿正负向偏离所述第一电位，那么将所述相邻的蓄电池元件中的所述第二个蓄电池元件Zi+1放电。
该按照本发明的电路装置的特别的优点在于，能够自治地被动地平衡任意数量的串联连接的蓄电池元件Zi的电荷。
放电装置和比较装置优选由相对耦合(gegengekoppelten)的功率放大器形成。由此特别有利地通过唯一的构件实现放电和比较的功能。
分压器优选包括第一电阻和第二电阻，其中第一电阻的电阻值和第二电阻的电阻值相互具有的比例与第一蓄电池元件的额定电压与第二蓄电池元件的额定电压的比例相同。
优选地，第一电阻的第一连接端与第一蓄电池元件的负极导电连接，第一电阻的第二连接端与第二电阻的第一连接端导电连接，而第二电阻的第二连接端与第二蓄电池元件的正极导电连接。
优选地，第一电阻的第二连接端和第二电阻的第一连接端与功率放大器的非反向的输入端导电连接，第二电阻的第二连接端和第二蓄电池元件的正极与功率放大器的正的供电电压输入端导电连接，第一电阻的第一连接端和第一蓄电池元件的负极与功率放大器的负的供电电压输入端导电连接，而第一蓄电池元件的正极和第二蓄电池元件的负极与功率放大器的反向的输入端和输出端导电连接。
第一蓄电池元件的额定电压和第二蓄电池元件的额定电压能够是相同的。由此能够提供具有多个结构相同的构件的特别简单的蓄电池系统。
在一个优选的实施形式中，本发明提供了一种具有多个串联连接的蓄电池元件的蓄电池系统，其中每对相互导电连接的蓄电池元件如上所述被平衡。由此实现了，以构件的特别简单和规则的设置来相互平衡全部的蓄电池元件。
在另一优选的实施形式中为主动的电荷平衡设定，用于自治的电荷平衡的单元包括至少一个电感、至少两个晶体管以及至少一个逻辑开关单元。该电感的第一连接端与相邻的组M1、M2的内电极连接。该电感的另一连接端与第一晶体管的集电极和第二晶体管的集电极连接。晶体管的发射极与相邻的组M1、M2的外电极连接。在此，相邻的组M1、M2的相互连接的电极称为内电极，相邻的组M1、M2的两个其他的电极相应地称为外电极。第一晶体管的基极与逻辑开关单元的第一输出端连接，而第二晶体管的基极与逻辑开关单元的第二输出端连接。逻辑开关单元的第一输入端优选地与信号发射器连接，其中信号发射器提供用于晶体管的开关的逻辑信号。
在本发明的一个优选的实施形式中设定，所述晶体管是p通道晶体管和n通道晶体管。优选地，p通道晶体管的发射极与相邻的组M1、M2的正的外电极连接，而n通道晶体管的发射极与相邻的组M1、M2的负的外电极连接。
一个优选的实施形式设定，信号发射器包括至少一个比较器，其比较相邻的组M1、M2的充电状态。证实为有利的是，比较器被构成为窗式比较器。通过窗式比较器的适合的设置能够有利地实现，仅当在应当平衡其电荷的组之间的电压差达到或超过确定的可预定的值时，实现电荷平衡。
在另一有利的实施形式中设定，蓄电池元件中的至少一部分包括至少一个电化学蓄电池单元。
有利地，该蓄电池系统是锂离子蓄电池，或者该蓄电池系统包括构造为锂离子蓄电池单元的电化学蓄电池单元。
本发明的另一方面涉及一种机动车，其具有用于驱动机动车的电驱动电机以及与所述电驱动电机连接的或可连接的蓄电池系统，其中该蓄电池系统包括至少四个串联连接的蓄电池元件，至少一个用于在蓄电池元件之间的主动的电荷平衡的模块以及至少两个用于在蓄电池元件之间的被动的电荷平衡的模块，并且其中该蓄电池系统如此构成，以使得用于电荷平衡的方法是可实施的，其中四个蓄电池元件中的至少一部分被分组为至少两组，每组分别具有至少两个蓄电池元件，在一组的各蓄电池元件之间实施被动的电荷平衡，而在多个组的至少一部分之间实施主动的电荷平衡。
本发明的有利的改进在从属权利要求中提出并且在说明中描述。
附图说明
根据附图和随后的说明进一步阐明本发明的各实施例。其中：
图1示出了按照现有技术的具有多个蓄电池单元的蓄电池系统的原理电路图；
图2示出了包括两个用于被动的电荷平衡的单元和用于主动的电荷平衡的单元的本发明的示例性的实施形式；
图3示出了用于各个蓄电池单元的被动的电荷平衡和模块式的主动的电荷平衡的原理图；以及
图4示出了用于由蓄电池单元电压获取单元控制的电荷平衡的示例性的实施形式。
具体实施方式
图2示出了具有四个蓄电池单元Z1、Z2、Z3、Z4的示例性的蓄电池系统200，其中蓄电池系统200适用于电荷平衡(蓄电池单元平衡)，其有效地与被动的蓄电池单元平衡组合。
四个蓄电池单元Z1、Z2、Z3、Z4被分为两组(在下文中称为模块)，其中第一模块包括蓄电池单元Z1和Z2，而第二模块包括蓄电池单元Z3和Z4。对于两个蓄电池单元Z1、Z2或Z3、Z4分别设有一个用于被动的蓄电池单元平衡的单元。
在下文中更详细的描述了用于蓄电池单元Z1和Z2的被动的电荷平衡的单元。蓄电池单元Z1的正极与蓄电池单元Z2的负极连接。两个串联连接的电阻Rc1和Rc2与蓄电池单元Z1和Z2并联。电阻Rc1的第一连接端与蓄电池单元Z1的负极连接；电阻Rc1的第二连接端与电阻Rc2的第一连接端连接；并且电阻Rc2的第二连接端与蓄电池单元Z2的正极连接。电阻Rc1和Rc2的电阻值的比例与蓄电池单元Z1和Z2的额定电压的比例相同。特别是，如果应该将蓄电池单元Z1和Z2充电到相同的电压，那么电阻Rc1和Rc2具有相同的电阻值。因此电阻Rc1和Rc2形成一个分压器，应当位于蓄电池单元Z1和Z2之间的节点204上的电位位于分压器的内部节点202上。
用于被动的电荷平衡的单元还包括功率放大器206。功率放大器206的非反向的输入端与分压器的内部节点202连接。功率放大器206的反向的输入端与在蓄电池单元Z1和Z2之间的节点204连接。功率放大器206的正的供电电压输入端与蓄电池单元Z2的正极连接。功率放大器206的负的供电电压输入端与蓄电池单元Z1的负极连接。功率放大器206是相对耦合的，也就是说其输出端与反向的输入端连接。
如果现在例如将蓄电池单元Z1比蓄电池单元Z2更深地放电，那么在功率放大器206的反向的输入端上的电位低于在功率放大器206的非反向的输入端上的电位。功率放大器206因此尝试，将其输出端拉向其正的供电电压。这引起从蓄电池单元Z2的正极经由功率放大器206的正的供电电压输入端到功率放大器206的输出端的电流。由此将蓄电池单元Z2放电，这相应于期望的性能。相应地，在蓄电池单元Z2比蓄电池单元Z1更深地放电的这种情况下，将蓄电池单元Z1通过功率放大器206的负的供电电压输入端放电。
如此长时间地继续放电过程，直至蓄电池单元Z1上的电压和蓄电池单元Z2上的电压之间的比例达到其额定值。特别是在电阻Rc1和Rc2具有相同电阻值的情况下如此长地继续放电过程，直至蓄电池单元Z1上的电压等于蓄电池单元Z2上的电压。随后仅仅还有功率放大器206的静止供电电流以及通过电阻Rc1和Rc2的横向电流从蓄电池单元流出。能够通过适合地确定电路构件的大小和电路构件的选择将两个电流保持得很小。
以相同的方式将用于被动的电荷平衡的第二单元与蓄电池单元Z3和Z4连接。
在图2中示出的原理能够直接用于具有多于四个蓄电池单元的蓄电池系统，其方法是以所述方式平衡每两个相邻的蓄电池单元。
示例的蓄电池系统200包括另一用于主动的电荷平衡的单元。按照该示例性的用于主动的电荷平衡的单元，在两个模块的中间抽头208上连接电感210，其通过p通道晶体管212或n通道晶体管214根据期望的电流方向由一个电流流过。如果关断晶体管212、214，那么电流首先继续流过电感210并且通过相应的另一晶体管214、212的体二极管给期望的模块Z1、Z2或Z3、Z4充电。通过一个逻辑信号实现选择利用哪个晶体管212、214来接通电流，该逻辑信号由逻辑电路216提供。示例性的逻辑电路216包括至少一个比较器、优选地以及驱动逻辑装置。
在图3中示出了另一示例性的蓄电池系统300。该示例性的蓄电池系统300包括多个蓄电池单元，其中各个蓄电池单元分为四个模块M1、M2、M3、M4，每个模块分别具有n个蓄电池单元。对于各模块M1、M2、M3、M4中的每个分别设有一个自身的单元PB1、PB2、PB3或PB4用于被动的电荷平衡包含在每个模块M1、M2、M3、M4中的蓄电池单元。
通过用于主动的电荷平衡的自身的单元AB1、AB2、AB3或AB4平衡各个模块中的每两个M1、M2；M2、M3或M3、M4。在此优选所有相邻的模块Mi、Mi+1与一个用于主动的电荷平衡的单元ABi连接。因此优选地实行了用于在模块Mi中的各个蓄电池单元的被动的电荷平衡以及在分别相邻的模块Mi、Mi+1之间的主动的电荷平衡。
前述的用于电荷平衡的方法涉及用于被动和主动的电荷平衡的自治的方法。
在图4中示出了电路装置400，其中由蓄电池单元电压获取单元402、所谓的CSC(蓄电池单元监控电路)控制在模块Mi、Mi+1内的被动的电荷平衡，其中蓄电池单元电压获取单元402与中央控制装置404通信。仅仅示意地示出用于主动的电荷平衡的单元ABi，其中示意地通过开关406、408描述了在图2中示出的晶体管(并且省去用于主动的蓄电池元件平衡的控制逻辑装置)。
在另一示例性的实施形式中设定，还由中央控制装置404控制用于主动的蓄电池单元平衡的开关406、408。
本发明在其实施形式中不限于前面提出的优选实施例。而是多个变型也是可考虑的，按照本发明的方法、按照本发明的蓄电池系统以及按照本发明的车辆也应用在原则上不同的实施方案中。

Claims (10)

1.用于在至少四个串联连接的蓄电池元件(Z1、Z2、Z3、Z4)之间的电荷平衡的方法，其特征在于，所述至少四个蓄电池元件(Z1、Z2、Z3、Z4)中的至少一部分被分组为至少两组(M1、M2)，每组分别具有至少两个蓄电池元件(Z1、Z2)、(Z3、Z4)，其中在一组的各蓄电池元件之间实施被动的电荷平衡，而在多个组(M1、M2)的至少一部分之间实施主动的电荷平衡。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在两组(M1、M2)之间实施主动的电荷平衡。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在分别两个相邻的组(M1、M2)之间实施主动的电荷平衡。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，使用用于蓄电池单元电压获取的单元(402)来实施所述被动的电荷平衡。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，由所述用于蓄电池单元电压获取的单元(402)控制所述被动的电荷平衡，和/或由中央控制单元控制所述主动的电荷平衡。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，自治地实现所述主动和/或被动的电荷平衡。
7.蓄电池系统(200)，其包括至少四个串联连接的蓄电池元件(Z1、Z2、Z3、Z4)，其特征在于，所述蓄电池系统(200)还包括至少一个用于在蓄电池元件的组(M1、M2)之间的主动的电荷平衡的模块、以及至少两个用于在蓄电池元件之间的被动的电荷平衡的模块，并且其中所述蓄电池系统(200)被如此构造，以能够实施按照权利要求1至6中任一项所述的用于电荷平衡的方法。
8.根据权利要求7所述的蓄电池系统，其中，至少一个用于主动的电荷平衡的模块至少包括以下:
·电感(210)；
·两个晶体管(212、214)；以及
·逻辑开关单元(216)；
其中所述电感(210)的第一连接端与所述相邻的组(Mi、Mi+1)的内电极连接，而所述电感(210)的第二连接端与所述第一晶体管(212)的集电极和所述第二晶体管(214)的集电极连接，
所述第一晶体管(212)和第二晶体管(214)的基极与所述逻辑开关单元(216)的输出端连接，而所述第一晶体管(212)和第二晶体管(214)的发射极与所述相邻的组(Mi、Mi+1)的两个外电极连接。
9.根据权利要求7或8所述的蓄电池系统，其中，至少一个用于被动的电荷平衡的模块至少包括以下：
分压器(Rc1、Rc2),其被构造为，基于相邻的蓄电池元件中的第一个蓄电池元件(Zi)的负极的电位与所述相邻的蓄电池元件中的第二个蓄电池元件(Zi+1)的正极的电位来产生第一电位，其相应于在所述相邻的蓄电池元件中的第一个蓄电池元件(Zi)的正极与所述相邻的蓄电池元件中的第二个蓄电池元件(Zi+1)的负极处的电位的额定值；
至少一个比较装置，用于比较所述第一电位与第二电位，所述第二电位位于所述相邻的蓄电池元件中的第一个蓄电池元件(Zi)的正极与所述相邻的蓄电池元件中的第二个蓄电池元件(Zi+1)的负极上；以及
至少一个放电装置，用于两个相邻的蓄电池元件(Zi、Zi+1)中的至少一个的部分放电，其中所述至少一个放电装置被构造为，如果所述第二电位沿正方向偏离所述第一电位，那么将所述相邻的蓄电池元件中的所述第一个蓄电池元件(Zi)放电；如果所述第二电位沿正负向偏离所述第一电位，那么将所述相邻的蓄电池元件中的所述第二个蓄电池元件(Zi+1)放电。
10.机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机以及与所述电驱动电机连接的或可连接的按照权利要求7至9之一所述的蓄电池系统。
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