CN104348226B - 具有块选择的电池控制 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有块选择的电池控制。电池块装配有多个电池块。电池块中的每一个包括至少一个电池单元以提供电池块的块电压。选择第一数量的电池块，并且第一数量的电池块被耦接到电池的电压端子以设定对应于第一数量的电池块的块电压的总和的电池电压。进一步地，选择第二数量的电池块，并且第二数量的电池块被耦接到电池的电压端子以设定对应于第二数量的电池块的块电压的总和的电池电压。

Description

具有块选择的电池控制
技术领域
本申请涉及电池的控制以及相对应的装置和方法。
背景技术
为了提供具有一定输出电压的电池，已知使用串联连接的多个电池单元。单个电池单元的电压然后被求和为总的电池输出。
在一些应用中，要求相当大数目的电池单元以达到想要的输出电压电平。例如，在用在机动车领域中的车辆电池的情况下，例如用于电车辆或混合型车辆，可能需要350V范围的输出电压。为此目的，可能将约100个每个均具有约3.5V的标称单元电压的锂离子电池单元串联连接。
然而，锂离子电池单元的实际单元电压可能取决于电池单元的充电状态而相当大地变化。例如，单元电压在完全充电时可能约为4.0V而在30％充电时减小至约2.5V。在上面提到的由100个电池单元形成的电池的示例中，这可能对应于输出电压在400V和250V之间的变化。
电池的这样的电压变化可通过其它部件(例如车辆的电马达或用于对电马达进行供给的逆变器)的适当设计以及标定(dimensioning)来解决。一方面，这些部件需要能够处置电池在完全电池充电时的最大输出电压。另一方面，如果在低的电池充电并且因此减少的电池输出电压下使用最大输出功率，则部件还需要能够处置增加的电流。这样的标定和设计要求典型地造成增加的制造成本。另外，总体效率可能被减少。例如，针对电池的最大输出电压而具有足够高的击穿电压的半导体部件，相比于具有更低击穿电压的半导体部件可能同时具有增加的损耗，这可能造成效率的损耗。
变化的输出电压的问题还可以通过使用DC-DC转换器以稳定输出电压来解决。然而，这样的DC-DC转换器可能需要被标定以用于电池的最大输出电压，这可能再次牵涉相当大的成本。进一步地，DC-DC转换器的使用对电池系统添加了复杂性并可能造成增加的成本。
因此存在对允许有效率地进行电池使用的技术的需要。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了控制电池块的方法。电池块包括多个电池块。电池块的每一个包括至少一个电池单元以提供该电池块的块电压。根据该方法，选择第一数量的电池块，并且该第一数量的电池块被耦接到电池的电压端子以设定对应于第一数量的电池块的块电压的总和的电池电压。进一步地，选择第二数量的电池块，并且该第二数量的电池块被耦接到电池的电压端子以设定对应于第二数量的电池块的块电压的总和的电池电压。
附图说明
根据本发明的进一步的实施例，可以提供其它的方法、装置或系统。根据下面与随附附图相关的详细描述，这样的实施例将变得明显。
图1A、1B和1C示意性地图解根据本发明实施例的电池块；
图2示意性地图解根据本发明的实施例的装置；
图3示意性地图解根据本发明实施例的进一步的装置；
图4示出用于图解根据本发明实施例的电池控制方法的流程图；
图5示出用于图解根据本发明实施例的进一步的电池控制方法的流程图；
图6示出用于图解根据本发明实施例的进一步的电池控制方法的流程图；
图7示出用于图解根据本发明实施例的进一步的电池控制方法的流程图；
图8示出用于图解根据本发明实施例的进一步的电池控制方法的流程图；
图9示出用于图解根据本发明实施例的进一步的电池控制方法的流程图；
图10示出用于图解根据本发明实施例的进一步的电池控制方法的流程图；以及
图11示意性地图解根据本发明实施例的包括电池管理系统的系统。
具体实施方式
下面，将参照随附附图详细描述各个实施例。应当注明的是，这些实施例仅用作为示例而不被解释为限制。例如，虽然实施例具有多个特征，但其它实施例可能包括更少的特征和/或替换的特征。此外，除非另外地具体注明，否则来自不同实施例的特征可彼此组合。
如在下面图解的实施例涉及控制装配有多个电池单元的电池。例如，电池单元可被实现为锂离子电池单元。然而，也可以使用其它类型的电池单元。在所图解的实现中，以多个电池块的方式组织电池，每个电池块包括一个或更多个电池单元以提供电池块的块电压。
电池的控制可以具体地牵涉选择第一数量的电池块或第一组电池块并且将第一数量的电池块耦接到电池的电压端子以设定对应于第一数量的电池块的块电压的总和的电池电压。进一步地，电池的控制可能牵涉选择第二数量的电池块或第二组电池块，并且将第二数量的电池块耦接到电池的电压端子以设定对应于第二数量的电池块的块电压的总和的电池电压。典型的，第一数量的电池块和第二数量的电池块关于至少一个电池块而不同。也就是说，第一数量中的至少一个电池块不包括在第二数量中，或第二数量中的至少一个电池块不包括在第一数量中。以这种方式，可通过电池块的选择来有效率地调整电池电压。由被选择的电池块产生的电池电压可以被应用至连接到电池的电压端子的电装置。替换地，可以通过将充电电压应用到电池的电压端子来对所选择的电池块充电。在每种情况中，选择允许使电池适配于当前操作条件。
电池块的选择可基于各种标准。例如，可以检测在将第一数量的电池块耦接到电压端子之后的电池电压，并且可以取决于所检测的电池电压来执行第二数量的电池块的选择。为此目的，所检测的电池电压可与阈值值相比较，并且响应于所确定的电池电压在阈值值以下，第二数量的电池块可被选择为高于第一数量的电池块。类似地，响应于所确定的电池电压在阈值值以上，第二数量的电池块可被选择为低于第一数量的电池块。
进一步地，可以在将第一数量的电池块耦接到电压端子之后估计电池上的负载，并且可以取决于所估计的负载来执行第二数量的电池块的选择。为此目的，可以将所估计的负载与阈值值比较，并且响应于所估计的负载在阈值值以上，可以将第二数量的电池块选择为低于第一数量的电池块。
进一步地，至少一个电池块的充电状态可被检测，并且取决于检测到的充电状态可执行对第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。再进一步地，至少一个电池块的块电压可以被检测，并且取决于检测到的块电压可执行对第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。再进一步地，至少一个电池块的故障状态可以被监测，并且取决于监测到的故障状态可以执行对第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。
电池块可经由至少一个电池块的第一连接节点和第二连接节点而串联连接。由于串联连接，在电池的的电压端子之间的电压对应于如在电池块的第一和第二连接节点之间测量的每个单独电池块的块电压之和。取决于前面提到的至少一个电池块(即属于第一数量的电池块或是第二数量的电池块)是否被选择，然后可通过电池块的配置之间的切换来执行到电压端子的耦接。电池块的这些配置可包括第一配置和第二配置，在第一配置中，电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接被打开并且电池块的至少一个电池单元被连接在第一连接节点和第二连接节点之间，在第二配置中，电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接被闭合并且电池块的至少一个电池单元被从电池块的第一连接节点和第二连接节点中的至少一个断开连接。换言之，在第一配置中，至少一个电池单元可被连接在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间，而在第二配置中第一连接节点和第二连接节点可被直接连接，而不用在第一连接节点和第二连接节点之间连接至少一个电池单元。进一步地，可将电阻器暂时地与电池块串联连接，并且在电阻器被串联连接时，可以执行电池块在第一配置和第二配置之间的切换。在这种情况下，当在电池在轻负载(under load)下执行切换时，电阻器可以提供瞬时电压抑制。
为了在各配置之间进行切换，该至少一个电池块可被提供有切换电路。借助于切换电路，电池块的至少一个电池单元可被选择性连接在第一连接节点和第二连接节点之间。例如，切换电路可包括连接在第一连接节点和至少一个电池单元之间的第一开关以及连接在第一连接节点和第二连接节点之间的第二开关。然后，第一配置可对应于闭合的第一开关和打开的第二开关以连接第一连接节点和第二连接节点之间的至少一个电池单元。然后，第二配置可对应于打开的第一开关和闭合的第二开关以连接第一连接节点和第二连接节点，而不用在第一连接节点和第二连接节点之间连接至少一个电池单元。
相应地，选择性地连接在第一连接节点和第二连接节点之间的至少一个电池单元可被用于在第一配置和第二配置之间进行选择，在第一配置中在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的电压对应于由电池块的至少一个电池单元提供的电压，在第二配置中在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的电压基本上为零，因为第一连接节点和第二连接节点之间的直接连接。进一步地，由于在第二配置中至少一个电池单元没有连接在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间，因此可以避免至少一个电池单元的短路或放电。
通过在电池块的不同配置之间进行切换，如跨电池块的串联连接测量的电池的输出电压可被以有效率的方式调整。特别是，通过将电池块从第一配置切换到第二配置，电池的输出电压可被减少，并且通过将电池块从第二配置切换到第一配置，电池的输出电压可被增加。例如，如果电池被完全充电，则这可以用于降低输出电压，或者如果电池被放电到一定程度则这可以用于增加输出电压，由此减少输出电压的总的变化。在一些实现中，如果发现电池块有缺陷，则在电池块的不同配置之间进行切换也可用于旁路该电池块。电池的操作然后可以在没有该电池块的情况下继续。
在一些实现中，电池块也可包括与至少一个电池单元并联连接的电容器。当在电池在轻负载下执行各配置之间的切换时，该电容器可提供电压瞬时的抑制。
在一些实现中，电池块也可包括与至少一个电池单元串联连接的熔丝。熔丝可帮助确保例如，如在机动车行业中所强加的安全要求。
在一些实现中，多个电池块或者甚至所有电池块可被提供有切换电路。在这种情况下，这些多电池块的每一个都可以以上面描述的方式通过在不同配置之间进行切换来控制。在这种情况下，还可在这些电池块中提供附加的电容器和/或熔丝。通过为多个或者甚至全部电池块提供切换电路，可以提供更精细粒度的对电池的输出电压的设定。进一步地，还变得能够在不同的电池块之间进行选择以用来贡献于电池的输出电压，由此平衡不同的电池块的使用。
在一些实现中，可提供电池控制电路以用于实现上面的功能。例如，电池控制电路可包括用于实现电池块的选择的控制器。进一步地，电池控制电路还可包括切换电路。电池控制电路可例如在电池管理系统内实现。相应地，切换控制可以连同其它电池管理功能，例如充电控制和/或单元平衡一起来有效率地实现。
接下来，将参照示例性实现进一步解释基于如上面概述的概念的装置、系统和方法的结构、功能和操作。
图1A、1B和1C示意性地图解电池块的示例性结构，其可以被用于实现上面的电池控制的概念。在每种情况下，电池块被提供有电池单元10，可以使用切换电路20选择性地将电池单元10耦接在电池块的第一连接节点11和第二连接节点12之间。电池单元10提供电池电压VC。应当理解，可以如图1A、1B和1C所图解那样提供单个电池单元10，或者还可在电池块中提供多个电池单元，例如串联和/或并联连接的多个电池单元，以由此在电池块的连接节点11、12处产生想要的可用块电压以及输出功率。
在图1A的示例中，切换电路包括第一开关S1和第二开关S2。第一开关S1连接在第一连接节点11和电池单元10之间。第二开关S2连接在的第一连接节点11和第二连接节点12之间。如果第一开关S1闭合，则电池块的电池单元被连接在第一连接节点11和第二连接节点12之间。如果第一开关S1打开，则电池块的电池单元11不被连接在电池块的第一连接节点11和第二连接节点12之间。如果第二开关S2闭合，则电池块的第一连接节点11和第二连接节点12被直接连接，由此形成在第一连接节点11和第二连接节点12之间的旁路连接。如果第二开关S2打开，则该旁路连接被中断。
如可以看出那样，切换电路20可用于在第一配置和第二配置之间切换电池块。在第一配置中，第一开关S1闭合并且第二开关S2打开，由此将电池单元10连接在第一连接节点11和第二连接节点12之间，并且中断旁路连接。在第二配置中，第一开关S1打开，并且第二开关S2闭合，由此通过旁路连接来连接第一连接节点11和第二连接节点12，而没有将电池单元10连接在第一连接节点11和第二连接节点12之间。在第一配置中，电池单元10被耦接在第一连接节点11和第二连接节点12之间，从而使得电池单元10的单元电压VC在第一连接节点11和第二连接节点12处可用，例如用于对电装置供电或用于对电池单元10充电。在第二配置中，电池单元10没有被连接到第一连接节点11和第二连接节点12，从而避免了通过闭合的旁路连接使电池单元10放电。进一步地，可以节省对断开连接的电池单元10的充电或者可以另外地保护被断开连接的电池单元10，例如在电池块中检测到故障的情况下。
在图1B的示例中，电池块具有通常与图1A的电池块类似的结构。然而，切换电路20提供附加的第一开关S1’，其被连接在第二连接节点12和电池单元10之间。在第二配置中，附加的第一开关S1’可以打开，以由此将电池单元10从第一连接节点11和第二连接节点12这两者断开连接。这可以允许对电池单元10的更好的保护。
在图1C的示例中，电池块具有通常与图1A的电池块类似的结构。然而，图1C的切换电路20并非提供连接在电池单元10和第一连接节点11之间的第一开关S1，而是提供连接在电池单元10和第二连接节点12之间的第一开关S1’。在第一配置中，第一开关S1’闭合且第二开关S2打开，由此将电池单元10连接在第一连接节点11和第二连接节点12之间并中断旁路连接。在第二配置中，第一开关S1’打开且第二开关S2闭合，由此通过旁路连接来连接第一连接节点11和第二连接节点12而不将电池单元10连接在第一连接节点11和第二连接节点12之间。
图2示意性地图解电池100。电池100可以例如，被用于实现对电或混合型车辆的电马达供给功率的车辆电池。为了后一目的，电池100的输出电压VO可通过已知类型的逆变器而被馈送。然而，由于电池块的可切换的配置，可以以有效率的方式限制输出电压VO的变化可用有效的方式限制，从而以成本有效率的方式实现逆变器。
如所图解那样，电池100被组织成多个电池块100-1、100-2、……、100-N。电池块中的每一个进而包括一个或更多个电池单元110。电池单元110可以例如，实现为锂离子电池单元。每个电池块100-1、100-2、……、100-N中的电池单元110的数量可以为10，并且电池块100-1、100-2、……、100-N的总数量可以为16。
在所图解的实现中，每个电池块100-1、100-2、……、100-N中的电池单元110被串联连接，从而由单独的电池单元110提供的单元电压VC求和为总的块电压VB。电池块100-1、100-2、……、100-N在电池100的第一输出电压端子101和第二输出电压端子102之间串联连接。该串联连接经由每个电池块100-1、100-2、……、100-N的第一连接节点111和第二连接节点112来完成。特别是，串联连接的第一电池块100-1的第一连接节点111被连接到第一输出电压端子101，并且第一电池块100-1的第二连接节点112被连接到串联连接的下一个电池块100-2的第一连接节点111。这被继续直到串联连接的最后一个电池块100-N。串联连接的最后一个电池块100-N的第二连接节点112被连接到电池100的第二输出电压端子102。
此外，中间电路由电容器150形成，其在第一输出电压端子101和第二输出电压端子102之间与电池块100-1、100-2、……、100-N的串联连接并联地连接。在已知的方式中，中间电路可用作为暂时的能量存储。
电池块100-1、100-2、……、100-N的每一个进一步提供有切换电路。该切换电路可以被用于在电池块100-1、100-2、……、100-N的第一连接节点111和第二连接节点112之间选择性地连接电池块100-1、100-2、……、100-N的电池单元110。
在所图解的示例中，切换电路包括第一开关S1和第二开关S2。第一开关S1连接在第一连接节点111和电池单元110之间。第二开关S2连接在第一连接节点111和第二连接节点112之间。如果第一开关S1闭合，则电池块100-1、100-2、……、100-N的电池单元110被连接在第一连接节点111和第二连接节点112之间。如果第一开关S1打开，则电池块100-1、100-2、……、100-N的电池单元110未被连接在电池块100-1、100-2、……、100-N的第一连接节点111和第二连接节点112之间。如果第二开关S2闭合，则电池块100-1、100-2、……、100-N的第一连接节点111和第二连接节点112被直接连接，由此旁路在电池块100-1、100-2、……、100-N的串联连接中的电池块100-1、100-2、……、100-N。如果第二开关S2打开，则该旁路连接被中断。如可以看到那样，切换电路的结构通常类似于图1A的示例中的切换电路20。然而，应当理解还可以利用图1B或1C中所图解的切换电路结构。另外，在单个电池块100-1、100-2、……、100-N之间，切换电路的结构可以不同。
如上面提到那样，切换电路可被用于在第一配置和第二配置之间切换电池块100-1、100-2、……、100-N。在第一配置中，第一开关S1闭合并且第二开关S2打开，由此将电池单元110连接在第一连接节点111和第二连接节点112之间并中断旁路连接。在第二配置中，第一开关S1打开并且第二开关S2闭合，由此通过旁路连接来连接第一连接节点111和第二连接节点112，而不在第一连接节点111和第二连接节点112之间连接电池单元110。电池块的第一开关S1和第二开关S2由控制信号CS1-1、CS2-2、CS1-2、CS2-2、……、CS1-N、CS2-N控制。相应地，电池块100-1、100-2、……、100-N中的每一个可以单独地在第一配置和第二配置之间被切换。控制信号CS1-1、CS2-2、CS1-2、CS2-2、……、CS1-N、CS2-N可由电池管理系统提供。
如进一步图解那样，电池块100-1、100-2、……、100-N的切换电路可以在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的基础上实现。特别是，第一MOSFET可以被用于实现第一开关S1，并且第二MOSFET可以被用于实现第二开关S2。由于切换电路是在电池块100-1、100-2、……、100-N的电平上实现，因此，MOSFET的击穿电压要求由电池块100-1、100-2、……、100-N的最大块电压VB确定，最大块电压VB显著地低于电池100的最大输出电压VO。相应地，可以使用低电压MOSFET技术以成本有效率的方式实现切换电路。使用低电压MOSFET技术也可以通过使用具有低正向电阻的MOSFET来允许达到低电流耗散损耗。在一些实现中，开关S1和S2也可以通过两个或更多个MOSFET的并联连接来实现，由此进一步减少开关S1和S2的有效正向电阻。开关S1和S2的有效正向电阻可以例如在2mΩ或更低的范围内，优选地低于1mΩ。
通过在第一配置和第二配置之间单独地切换电池块100-1、100-2、……、100-N，可以以有效率的方式设定电池100的输出电压VO。特别是，如果电池块100-1、100-2、……、100-N处于第一配置，则其块电压VB贡献于电池100的输出电压VO，而在第二配置中，电池块100-1、100-2、……、100-N被旁路并且其块电压VB不贡献于电池100的输出电压VO。相应地，通过将电池块100-1、100-2、……、100-N中的一个或更多个从第一配置切换到第二配置，电池100的输出电压VO可以被减少，而将电池块100-1、100-2、……、100-N中的一个或更多个从第二配置切换到第一配置可以被用于增加电池100的输出电压VO。
例如，在上面提到的使用16个电池块100-1、100-2、……、100-N(其中的每个电池块被提供有完全充电下具有4.0V的最大单元电压VC的十个锂离子电池单元110)的示例中，每个完全充电的电池块100-1、100-2、……、100-N可以贡献40V给电池100的输出电压VO。如果电池100被完全充电，则其因此能够通过将电池块100-1、100-2、……、100-N中的10个切换到第一配置、并将其它的电池块100-1、100-2、……、100-N切换到第二配置来生成400V的标称输出电压VO。随着电池100放电并且单元电压VC减小，更多的电池块100-1、100-2、……、100-N可被切换到第一配置，从而不存在相对应的输出电压VO的减小。如果电池100几乎被放完电并且单元电压已下降到约2.5V，则所有电池块100-1、100-2、……、100-N可以被切换到第一配置以仍产生400V的标称输出电压VO。
在一些实现中，可以在电池100上没有负载时执行电池块100-1、100-2、……、100-N在第一配置和第二配置之间的切换。例如，如果电池100被用于对电或混合型车辆的电马达供给电功率，则电马达的功率可以被暂时地减少到零，并且可以在电马达的功率为零时执行切换。由于可以在几毫秒的短时间尺度上执行切换，因此这样的控制可以被实现为对于车辆的操作者来说是注意不到的。在电池100上没有载负时执行切换避免由于瞬时电压所致的问题。
在一些实现中，电池块100-1、100-2、……、100-N的在第一配置和第二配置之间的切换可以在电池100上有负载时执行。在这种情况下，可以通过为电池块100-1、100-2、……、100-N提供用于抑制瞬时电压的电容器115来减少这样的瞬时电压。如图1所图解那样，电容器115可以与电池块100-1、100-2、……、100-N的电池单元110并联连接。
在一些实现中，当在电池100上存在负载时进行电池块100-1、100-2、……、100-N的在第一配置和第二配置之间的切换时，还可以提供附加的抑制电路以达到对瞬时电压的抑制。在图3中示意性地图解了相对应的实现。
图3的实现通常对应于图3的实现，并且相似的元件已由相同的参考标记指明。针对有关这样的元件的细节，参照与图2相关的相对应的描述。
在图3的实现中，提供附加的抑制电路120。抑制电路120被配置成允许选择性地将电阻器121、122与电池块100-1、100-2、……、100-N串联连接。在所图解的示例中，这通过将抑制电路120连接在串联连接的第一电池块100-1和电池100的第一输出电压端子101之间来达到。
所图解的实现的抑制电路120可以被提供有第一电阻器121、第二电阻器器122、第一开关S3和第二开关S4。第一电阻器121和第二电阻器122可以具有基本上相同的电阻值，例如约0.2Ω的电阻值。如在电池块100-1、100-2、……、100-N的切换电路中那样，抑制电路120的第一开关S3和第二开关S4可以使用MOSFET技术来实现。抑制电路的第一开关S3和第二开关S4的击穿电压要求由抑制电路所连接到的电池块100-1的最大块电压VB确定。相应地，使用低电压MOSFET技术的成本和损耗有效率的实现是可能的。
在抑制电路120中，抑制电路120的第一开关S3和第二开关S4之间的节点125被连接到电池100的第一输出电压端子101。节点125还连接到电池块100-1的第一连接节点111。第一电阻器121经由在节点125和电池块100-1的第二连接节点112之间的抑制电路120的第二开关S4。第二电阻器122经由在节点125和电池块100-1的第三连接节点113之间的抑制电路120的第一开关S3而连接。电池块100-1的第三连接节点113位于电池块100-1的第一开关S1和电池块100-1的电池单元110之间。抑制电路120的第一开关S3和第二开关S4分别由控制信号CS3和CS4控制。与控制信号CS1-1、CS2-2、CS1-2、CS2-2、……、CS1-N、CS2-N相似，控制信号CS3和CS4可以由电池管理系统提供。
取决于电池块100-1是否在电池块100-1、100-2、……、100-N的串联连接中被旁路，第一电阻器121或是第二电阻器122可以被选择性地添加该串联连接。特别是，如果电池块100-1被旁路，则抑制电路120可以被操作以通过将抑制电路120的第二开关S4打开并将抑制电路120的第一开关S3闭合来选择性地将第一电阻器121连接到电池块100-1的第二连接节点112。在这种情况下，电池块100-1的开关S1和S2这两者被打开，从而第一电阻器121经由电池块100-1的第二连接节点112连接到串联连接的下一个电池块100-2的第一连接节点111。如果电池块100-1没有被旁路，则抑制电路120可以被操作以通过打开抑制电路120的第一开关S3并闭合抑制电路120的第二开关S4来选择性地将第二电阻器122连接到电池块100-1的第三连接节点113。还在该情况下，电池块100-1的开关S1和S2这两者可以打开从而第二电阻器122经由第三连接节点113连接到电池块100-1的电池单元110。如果电阻器121和122都没有被连接到电池块100-1、100-2、……、100-N的串联连接，则抑制电路120的第一开关S3和第二开关S4被打开从而电池100的第一输出电压端子101被连接到电池块100-1的第一连接节点111，如在图2的实现中那样。
当在电池100在轻负载下切换电池单元100-1、100-2、……、100-N中的一个或更多个的配置时，电阻器121或122可以被暂时地串联连接到电池单元100-1、100-2、……、100-N，由此抑制瞬时电压。抑制电路120的开关S3和S4也可以被用于在中间电路中的电容器150的有效率的预充电。
此外，图3的实现还在电池块100-1、100-2、……、100-N的每一个中提供熔丝116。熔丝116可以帮助满足如例如针对机动车应用所强加的特定安全要求。熔丝116可以例如防止电池单元110的短路或深度放电，并由此减少电池100的过热或甚至爆炸的风险。
图4示出用于图解控制电池(例如，上面提到的电池100)的方法的流程图。该方法的步骤可以例如由被合适地配置的电池控制电路的控制器执行，例如如在电池管理系统中实现的那样。在该方法中，假设电池被提供有多个电池块，电池块的至少以一部分可以例如，使用如上面解释的切换电路而被选择性地耦接到电池的电压端子。每个电池块典型地包括一个或更多个电池单元以提供电池块的块电压。
在步骤410，选择第一数量的电池块。例如，如果电池被完全充电或接近于完全充电，则该第一数量的电池块可包括少于电池中所有电池块。类似地，如果电池接近于正被放电，则第一数量的电池块可包括电池的所有电池块。
在步骤420，将第一数量的电池块耦接到电池的电压端子以设定对应于第一数量的电池块的块电压的总和的电池电压。为此目的，所选择的第一数量的电池块可被切换到上面提到的第一配置，而其它电池块可以被切换到上面提到的第二配置。以这种方式，所选择的电池块的串联连接可以被形成在电池的电压端子之间，而其它电池块被旁路，并且因此不贡献于电池电压。
在步骤430，选择第二数量的电池块。例如，如果在步骤420之后电池被进一步放电，则第二数量的电池块可以少于第一数量的电池块。类似地，如果在步骤420之后电池被进一步充电，则第二数量的电池块可以大于第一数量的电池块。第一和第二数量可以在量级上不同。然而第一和第二数量也可以具有相同的量级，但包括至少一个不同的电池块。
在步骤440，将第二数量的电池块耦接到电池的电压端子以设定对应于第二数量电池块的块电压的总和的电池电压。为此目的，所选择的第二数量的电池块可以被切换到上面提到的第一配置，而其它电池块可被切换到上面提到的第二配置。以这种方式，所选择的电池块的串联连接可以被形成在电池的电压端子之间，而其它电池块被旁路，并且因此不贡献于电池电压。
图5示出用于图解控制电池(例如，上面提到的电池100)的进一步的方法的流程图。方法的步骤可以例如由被合适地配置的电池控制电路的控制器执行，例如，如在电池管理系统中实现那样。
如步骤510所图解那样，方法假设从电池的多个电池块获得输出电压，多个电池块经由每个电池块的第一连接节点和第二连接节点串联连接，诸如针对电池100的输出电压VO所解释那样。输出电压可以例如作为输入参数而被提供给电池管理系统。
此外，如步骤520所图解那样，方法也可以可选地包括获得由各单独的电池块提供的块电压，诸如与图2和图3相关地解释的块电压VB。
如步骤530所图解那样，然后可以例如通过与阈值值进行比较来评估电池电压和/或块电压。
如步骤540所图解那样，可以选择电池块。这可以例如，在步骤530的(多个)评估的基础上完成。
在步骤550，针对电池块中的至少一个来控制至少一个电池单元在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的选择性连接。可以例如在步骤530中选择该至少一个电池块。控制处理也可以另外地取决于步骤530的评估。例如，取决于电池的输出电压，至少一个电池单元可以被连接在电池块的连接端子之间或者电池块可以被旁路。控制处理还可以取决于其它输入参数，例如，取决于一个或更多个电池块的故障状态或取决于电池上的负载。在机动车应用中，这样的负载可以例如从车辆的驾驶状态确定。
现在将参照如图6到图9中所图解的流程图来进一步解释牵涉电池单元的选择性连接的示例性控制处理。
在图6的控制处理中，取决于电池的输出电压来切换电池块的配置。可以例如在使电池放电并且单元电压减小时使用图6的控制处理。
如步骤610所图解那样，可获得输出电压。此外，如步骤620所图解那样，还可以获得单独的块电压。
在步骤630，检查输出电压是否在阈值值以下。如果是这种情况，则如分支“Y”所图解那样，方法继续进行到步骤640。
在步骤640，可以选择一个或更多个电池块。选择从其中电池单元没有连接在第一连接节点和第二连接节点之间、即被旁路的电池块执行。例如，选择可以在如在步骤620获得的块电压的基础上完成。块电压可以被用于确定每个电池块的充电状态，并且可以选择具有最高充电状态的电池块。替换地或者此外，选择还可以基于块电压与输出电压和电池的标称输出电压之间的差的比较。在后者的情况下，可以选择具有接近于该差的块电压的电池块。
在步骤650，将所选择的(多个)电池块的电池单元连接在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间。以这种方式，可以增加输出电压以接近其标称值。
如果步骤630的检查显示出输出电压不在阈值值以下，则方法可以继续进行到步骤660，如分支“N”所指示那样。
在步骤660，保持电池块的配置。
另外在图7的控制处理中，取决于电池的输出电压来切换电池块的配置。可以例如在对电池充电并且单元电压增加时使用图7的控制处理。
如步骤710所图解那样，可以获得输出电压。此外，如步骤720所图解那样，还可以获得单独的块电压。
在步骤730，检查输出电压是否在阈值值之上。如果是这种情况，则如分支“Y”所图解那样，方法继续进行到步骤740。
在步骤740，可以选择一个或更多个电池块。选择从其中电池单元被连接在第一连接节点和第二连接节点之间、即没有被旁路的电池块执行。例如，选择可以在如在步骤720获得的块电压的基础上完成。块电压可以被用于确定每个电池块的充电状态，并且可以选择具有最低充电状态的电池块。替换地或者此外，选择还可以基于块电压与输出电压和电池的标称输出电压之间的差的比较。在后者的情况下，可以选择具有接近于该差的块电压的电池块。
在步骤750，旁路所选择的(多个)电池块而不将电池单元连接在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间。以这种方式，输出电压可以被减少以更接近其标称值。
如果步骤730的检查显示出输出电压不在阈值值之上，则方法可以继续进行到步骤760，如分支“N”所指示那样。
在步骤760，保持电池块的配置。
在图8的控制处理中，取决于电池上的负载来切换电池块的配置。
如步骤810所图解那样，可以获得电池上的负载。例如在机动车应用中，这可以通过评估车俩的驾驶状态(例如，按照速度、加速度、传感器数据或驾驶员输入等)来完成。此外，如步骤820所图解那样，还可以获得单独的块电压。
在步骤830，检查负载是否在阈值值之上。如果是这种情况，则如分支“Y”所图解那样，方法继续进行到步骤840。
在步骤840，可以选择一个或更多个电池块。选择从其中电池单元被连接在第一连接节点和第二连接节点之间、即没有被旁路的电池块执行。例如，选择可以在如在步骤620获得的块电压的基础上完成。例如，块电压可以被用于确定每个电池块的充电状态，并且可以选择具有最低充电状态的电池块。
在步骤850，旁路所选择的(多个)电池块而不将电池单元连接在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间。以这种方式，输出电压可被减少，这可以帮助避免在高负载下出现的在某些部件上的过度的压力。例如，在机动车应用中，这样的增加的负载可能在沿着上坡方向使车辆从零速度起加速时(还提及为坡路起步(hill hold)的情形)出现。其中要求电马达在低旋转数下提供高功率的这样的情形，可能特定地在接收电池的输出电压的逆变器中的半导体部件上引起压力。使用更低的输出电压可以减少这样的压力并且允许以更高的效率操作逆变器。步骤850的配置改变可以是暂时的并且在一定时间段之后返回到其初始状态。替换地，可以响应于负载返回到阈值值以下而恢复步骤650的配置改变。
如果步骤830的检查显示出负载不在阈值值之上，则方法可以继续进行到步骤660，如分支“N”所指示那样。
在步骤860，保持电池块的配置。
在图9的控制处理中，取决于电池块的故障状态来切换电池块的配置。
如步骤910所图解那样，可以获得电池的块电压。
在步骤920，检查电池块是否有缺陷。可以通过评估在步骤910获得的块电压来检测这样的故障。例如，如果某一电池块的块电压在临界阈值以下(例如指示即将深度放电)，则该电池块可以被检测为有缺陷。如果发现电池块有缺陷，则方法继续进行到步骤930，如分支“Y”所指示那样。
在步骤930，旁路被发现为有缺陷的电池块而不将电池单元连接在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间。以这种方式，电池的操作可以在没有有缺陷电池块的情况下继续。
如果步骤920的检查显示出不存在有缺陷的电池块，在方法可以继续进行到步骤940，如分支“N”所指示那样。
在步骤940，保持电池块的配置。
图10示出用于图解其中例如借助于如图3中所图解的抑制电路来将电阻器选择性地与电池块串联连接的方法的流程图。方法的步骤可以在电池管理系统的控制下执行。
在步骤1010，例如，在如在图5到图9中所图解的处理的过程中确定切换一个或更多个电池块的配置的需要。
在步骤1020，切换抑制电路的配置以将电阻器串联连接到(多个)电池块。
在步骤1030，例如，通过连接电池单元或是将电池单元断开连接并且旁路电池块来切换(多个)电池块的配置。在这点上，由于切换所致的任何瞬时电压被所连接的电阻抑制，即使切换是在电池在轻负载时被执行。
在步骤1040，抑制电路的配置再一次被切换以将电阻器从串联连接中去除。以这种方式，可以避免在电池的操作期间在电阻器中的损耗。
应理解图4到图10的方法的不同处理可以如适当的那样彼此组合，以由此达成其中根据各种操作条件来选择不同数量或不同组的电池块的过程。
图11示意性地图解用于实现上面的概念的电池管理系统的使用。更具体地，图11示意性地图解包括例如如图2或图3所图解的电池100以及电池管理系统200的电池系统。
如所图解那样，电池管理系统200包括一个或更多个控制器220以及输入/输出(I/O)电路240。(多个)控制器可以特别是实现上面描述的选择电池块以及控制一个或更多个电池块的配置的切换的功能。(多个)控制器220可以通过执行被合适地配置的程序代码的一个或更多个处理器来实现。替换地或者此外，这样的功能也可以为(多个)控制器中的硬接线。
I/O电路240可以进而负责调节被提供给电池100的控制信号CS1-1、CS2-2、CS1-2、CS2-2、……、CS1-N、CS2-N、CS3和/或CS4。例如，I/O电路240可以例如，通过电流分离或菊花式链接(daisy chaining)来提供电池管理系统200的低电压控制区域与电池100的高电压区域的电势分离。进一步地，I/O电路240还可以提供用于生成控制信号CS1-1、CS2-2、CS1-2、CS2-2、……、CS1-N、CS2-N、CS3和/或CS4的驱动器。还进一步地，I/O电路240可以提供用于所要求的输入信号的处理(例如，诸如块电压VB-1，VB-2，....，VB-N或输入电压VO的所测量电压，或者诸如反映车辆的驾驶状态的参数的其它输入的模拟/数字转换)的元件。
当然，电池管理系统也可以被配置成完成其它功能，例如，电池管理系统的已知的功能，诸如充电控制或单元平衡等。
如可以看到的那样，在此描述的概念可以被用于以高度地有效率的方式控制电池。具体地，电池本身可以被提供有允许有效率地选择特定电池块以贡献于电池的输出电压的可标度的结构。以这种方式，可以限制输出电压的变化。进一步地，有缺陷的电池块可以被旁路，并且利用其它的电池块来继续电池的操作。还进一步地，贡献于电池的输出电压的电池块的合适的选择可以允许在每个电池块中存储的能量的有效率的使用。例如，电池块可以被一直使用到其放电极限并且然后被另一电池块替代。以这种方式，电池的总体容量的更好的利用变为可能。在机动车应用中，这可以例如允许增加车辆的操作范围。
应理解上面描述的概念可容许进行各种修改。例如，电池块的数量可以被合适地选择。类似地，每个电池块中的电池单元的数量也可以被合适地选择。例如，还可能在不同的电池块中使用不同的电池单元数量。此外，应理解不仅可以在针对电源目的使用电池时利用电池单元的选择性连接，而且可以在电池的充电期间利用电池单元的选择性连接。在这种情况下，可以只选择特定的电池块用于充电。电池的这样的充电也可以使用回收的能量来完成。还进一步地，应理解具有如在此所描述的可切换配置的电池块也可以与例如基于不同的电池技术的其它类型的电池块组合。电池还可以实现多个种类的电池技术。例如，一些电池块可以在高性能电池单元的基础上实现，而其它电池块可以在高能量单元的基础上实现。取决于操作条件，上面的概念然后还可以用于在这样的电池块之间进行选择。进一步地，不仅可以与电化学电池单元相关地应用概念，而且例如还可以与用于电能量存储的其它技术，例如超级电容器相关地应用概念。相应地，如上面所使用的术语“电池”不应被理解为仅仅提及电化学电池技术，而且还提及用于电能量存储的其它技术。还进一步地，上面描述的控制功能不仅可以由中央电池管理系统来实现，而且还可以被至少部分地实现为分布在各个去中央化的控制器之间，例如在每个电池块处局部地实现。

Claims (22)

1.一种控制包括多个电池块的电池的方法，电池块中的每一个包括至少一个电池单元以提供电池块的块电压，所述方法包括：
选择第一数量的电池块；
将第一数量的电池块耦接到电池的电压端子以设定对应于第一数量的电池块的块电压的总和的电池电压；
选择第二数量的电池块，其中选择所述第二数量的电池块包括：
估计所述电池上的负载；
将所估计的负载与阈值值比较；以及
当所估计的负载在所述阈值值之上时，选择低于所述第一数量的电池块的所述第二数量的电池块；并且
将第二数量的电池块耦接到电池的电压端子以设定对应于第二数量的电池块的块电压的总和的电池电压。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括把由所选择的电池块产生的电池电压应用到被连接至电池的电压端子的电装置。
3.根据权利要求1的方法，进一步包括通过将充电电压应用于电池的电压端子来对所选择的电池块充电。
4.根据权利要求1的方法，还包括：
在将第一数量的电池块耦接到电压端子之后检测电池电压；并且
取决于所检测的电池电压来执行第二数量的电池块的选择。
5.根据权利要求4的方法，还包括：
将所检测的电池电压与阈值值比较；并且
响应于所确定的电池电压在阈值值以下，选择高于第一数量的电池块的第二数量的电池块。
6.根据权利要求1的方法，还包括：
检测至少一个电池块的充电状态；并且
取决于所检测到的充电状态执行第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。
7.根据权利要求1的方法，还包括：
检测至少一个电池块的块电压；并且
取决于所检测到的块电压执行第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。
8.根据权利要求1的方法，还包括：
监测至少一个电池块的故障状态；并且
取决于所监测的故障状态执行第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。
9.根据权利要求1的方法，还包括：
经由至少一个电池块的第一连接节点和第二连接节点来串联连接电池块；并且
取决于被选择的至少一个电池块，通过在电池块的配置之间进行切换来执行到电压端子的耦接，
电池块的配置包括：
第一配置，其中电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接打开并且电池块的至少一个电池单元被连接在第一连接节点和第二连接节点之间，以及
第二配置，其中电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接闭合并且电池块的至少一个电池单元被从电池块的第一连接节点和第二连接节点中的至少一个断开连接。
10.根据权利要求9的方法，还包括：
暂时地将电阻器与电池块串联连接；以及
在电阻器被串联连接时，在第一配置和第二配置之间切换电池块。
11.一种用于包括多个电池块的电池的电池控制电路，
电池块中的每一个包括至少一个电池单元以提供电池块的块电压，
控制器，控制器被配置成：
选择第一数量的电池块；
控制将第一数量的电池块耦接到电池的电压端子，以设定对应于第一数量的电池块的块电压的总和的电池电压；
选择第二数量的电池块，其中选择所述第二数量的电池块包括：
估计所述电池上的负载；
将所估计的负载与阈值值比较；以及
当所估计的负载在所述阈值值之上时，选择低于所述第一数量的电池块的所述第二数量的电池块；并且
控制将第二数量的电池块耦接到电池的电压端子，以设定对应于第二数量的电池块的块电压的总和的电池电压。
12.根据权利要求11的电池控制电路，其中控制器被进一步配置为：
检测电池电压；并且
取决于所检测到的电池电压执行第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。
13.根据权利要求11的电池控制电路，其中控制器被进一步配置为：
检测至少一个电池块的充电状态；并且
取决于所检测的充电状态执行第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。
14.根据权利要求11的电池控制电路，其中控制器被进一步配置为：
检测至少一个电池块的块电压；并且
取决于所检测到的块电压执行第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。
15.根据权利要求11的电池控制电路，其中控制器被进一步配置为：
监测至少一个电池块的故障状态；并且
取决于所确定的故障状态执行第一数量的电池块和/或第二数量的电池块的选择。
16.根据权利要求11的电池控制电路，
其中经由至少一个电池块的第一连接节点和第二连接节点来串联连接电池块；并且
其中控制器被进一步被配置成：
取决于被选择的至少一个电池块，通过在电池块的配置之间进行切换来控制到电压端子的耦接，
电池块的配置包括：
第一配置，其中电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接打开并且电池块的至少一个电池单元被连接在第一连接节点和第二连接节点之间，以及
第二配置，其中电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接闭合并且电池块的至少一个电池单元被从电池块的第一连接节点和第二连接节点中的至少一个断开连接。
17.根据权利要求16的电池控制电路，其中控制器被进一步配置成：
控制电阻器与电池块的暂时的串联连接；并且
当电阻器被串联连接时，发起至少一个电池块在第一配置和第二配置之间的切换。
18.根据权利要求16的电池控制电路，包括：
切换电路，被配置成执行在至少一个电池块的配置之间进行切换，切换电路包括：
至少一个第一开关，用以选择性地将电池块的至少一个电池单元从电池块的第一连接节点和第二连接节点中的至少一个断开连接，以及
至少一个第二开关，用以选择性地闭合在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接。
19.根据权利要求16的电池控制电路，其中至少一个电池块进一步包括与电池块的至少一个电池单元并联连接的电容器。
20.根据权利要求16的电池控制电路，其中至少一个电池块包括与电池块的至少一个电池单元串联连接的熔丝。
21.一种电池系统，包括：
第一电压端子和第二电压端子；
多个电池块，电池块中的每一个包括至少一个电池单元以提供电池块的块电压；以及
控制器，被配置成：
选择第一数量的电池块；
控制将第一数量的电池块耦接到电压端子，以设定对应于第一数量的电池块的块电压的总和的电池电压；
选择第二数量的电池块，其中选择所述第二数量的电池块包括：
估计所述电池上的负载；
将所估计的负载与阈值值比较；以及
当所估计的负载在所述阈值值之上时，选择低于所述第一数量的电池块的所述第二数量的电池块；以及
控制将第二数量的电池块耦接到电压端子，以设定对应于第二数量的电池块的块电压的总和的电池电压。
22.一种用于电池块的控制电路，电池块具有至少一个电池单元以及第一连接节点和第二连接节点以在电池的第一电压端子和第二电压端子之间连接电池块，
控制电路包括：
至少一个第一开关，用以选择性地将电池块的至少一个电池单元从电池块的第一连接节点和第二连接节点中的至少一个断开连接；
至少一个第二开关，用以选择性地闭合在电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接；以及
控制逻辑，被配置为生成用于至少一个第一开关和至少一个第二开关的控制信号以如下方式在各配置之间进行切换：当所估计的所述电池上的负载在阈值值之上时，所述电池块从第一配置切换至第二配置，使得在所述电池电路的所述第一电压端子与所述第二电压端子之间连接的电池块的数量减少，所述控制逻辑包括：
所述第一配置，其中电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接打开并且电池块的至少一个电池单元被连接在第一连接节点和第二连接节点之间，以及
所述第二配置，其中电池块的第一连接节点和第二连接节点之间的旁路连接闭合并且电池块的至少一个电池单元被从电池块的第一连接节点和第二连接节点中的至少一个断开连接。
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