CN104577240B - 具有测量电池的锂离子蓄能器及其特性的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子蓄能器(1)，包括具有主段(2)和与该主段电气隔离的测量段(3)的电极、配对电极(4)和在所述电极和所述配对电极之间的分离器(5)，其中构成锂离子蓄能器的一部分的测量电池包括所述电极的测量段(3)、相对于分离器(5)位于所述电极的测量段(3)对面的配对电极测量段、和分离器(5)的布置在所述电极的测量段(3)和配对电极之间的段。

Description

具有测量电池的锂离子蓄能器及其特性的确定方法

技术领域

本发明涉及锂离子蓄能器、具有多个锂离子蓄能器的串联电路的串联电路设备和用于测量锂离子蓄能器的特性的方法以及串联电路。

背景技术

锂离子蓄能器具有高的电池电压和良好的存储能量与重量之比，并且因此非常好地适合于移动应用。特别是锂离子蓄能器被用作用于电驱动的车辆的蓄电池。锂离子蓄能器经常以缠绕的结构形式制造，其中卷绕一种平面的材料，该材料包括两个平面的电极、以及一个分离器，该分离器将所述电极彼此电气隔离。所述电极典型地包括金属集电极，其优选地双侧用电极材料涂覆。典型地在阴极电极中使用铝膜和在阳极电极中使用铜膜作为金属集电极。通常该分离器在所述电极之间用离子输送剂浸透，该离子输送剂能够实现离子通过分离器的通路。

锂离子蓄能器作为电池组和蓄电池已知。作为蓄电池，它们例如在所谓的电池组直接逆变器(BDI)中使用，这些BDI能够从锂离子蓄能器的多个单电池产生具有几乎可自由配置的变化曲线的电流或者电压。

在现有技术中已知，用多个不同的传感器、例如具有分流电阻的传感器或者用霍尔传感器来测量从锂离子蓄能器输出的电流。除用于直接的电流流动的测量装置外存在多个其他的传感器和/或理论模型，用它们能够检测锂离子蓄能器的特性。为此典型地用传感器检测蓄能器的一些确定的特性并且根据所检测的值应用理论模型，以便推断出蓄能器的电气特性或者状态。

EP 2442400 A1公开了一种基于锂技术的具有位于内部的参考电极的电化学电池。该参考电极被嵌入到分离器内，使得在该参考电极和该电池的常规电极中的每一个之间构成参考电池。通过确定两个代表蓄能器的半电池的参考电池的特性，能够获得关于这些半电池中的每一个的信息并且因此也获得关于整个蓄能器的信息。在此要么测量整个电池的电流，或者通过其他的参数和理论模型推断出蓄能器的状态。引入到分离器中的附加的电极在该位置进一步阻碍离子流动并且带来电极短路的危险。

发明内容

在根据本发明的锂离子蓄能器中阳极和阴极中的至少一个被分成主段和测量段。由此产生蓄能器的测量电池和主电池。在这种情况下蓄能器的一个电极被定义为包括彼此电气隔离的主段和测量段的电极。典型地，测量段显著地小于主段。配对电极相对于分离器位于所述电极对面并且可以为两个电极共同起作用。配对电极的称为配对电极测量段的部分位于测量电极对面，而配对电极的称为配对电极主段的部分位于主电极对面。配对电极主段和配对电极测量段可以彼此电气隔离。既可以把阳极也可以把阴极作为电极使用，而相应地阴极或者阳极用作配对电极。分离器可以作为唯一的关联的元件既被设置用于测量电池也被设置用于主电池，然而同样可设想，也把分离器划分，使得产生平面的段，这些段分别被分配给所述电极的主段或者所述电极的测量段。

测量电池包括所述电极的测量段、相对于分离器位于所述电极的测量段对面的配对电极测量段、和分离器的处于所述电极的测量段和配对电极测量段之间的段。借助测量电池能够以简单的和低成本的方式确定蓄能器的特性。主电池包括所述电极的配对电极主段和类似测量电池相对于分离器位于所述电极的主段对面的配对电极主段以及分离器的处于所述电极的配对电极主段和配对电极的主段之间的段。主电池向要供应的单元提供来自锂离子蓄能器的能量的至少大部分。不仅在蓄能器的存储容量方面，而且关于所述电极或者配对电极的面积，主电池通常显著地大于测量电池。例如主电池的容量至少为测量电池的容量的十倍。相应地，测量电池的涉及面积的特性、例如电流输出能力、能函等等可以通过以两个电池的面积比的因子缩放而从测量电池推广到主电池。蓄能器的其他不涉及面积的特性、例如老化状态等等能够无需缩放而从测量电池推广到主电池。主电池在正常运行中为其中使用蓄能器的应用输出电流，并且在充电运行中又被充电。为保持这些电池的状态相同，这两点也可以适用于测量电池。

从属权利要求示出本发明的优选的改进方案。

在锂离子蓄能器的一种实施方式中该锂离子蓄能器配备有第一测量设备，用该第一测量设备能够测量锂离子蓄能器的内阻。为此电压测量装置与所述电极的测量段以及与配对电极连接，以便测量这两个电位之间的电压差。为实现该电压测量装置例如可以使用具有运算放大器的减法器电路。替代地，可以使用能够测量两个不同的电位的微处理器等，例如具有两个不同的模拟数字转换器或者具有前置的转换开关的模拟数字转换器。此外在测量电极和配对电极之间连接有电源，该电源引起通过测量电池的电流流动。

该蓄能器的优点是，该锂离子蓄能器配备有装置，用这些装置能够确定通过测量电池的电流和电压，使得能够由此计算蓄能器的内阻。如果该内阻以测量电极和主电极之间的面积比来缩放，则例如在微控制器等中或者在与该蓄能器隔离的计算装置中能够外推主电极上的内阻。用测量电池的已知的内阻能够计算整个锂离子蓄能器的内阻。有利地能够确定电源的尺寸，使得电源的效率仅够用于给测量电池通电，然而不够用于给主电池通电。由此这种自测量的蓄能器是低成本的。

在上述实施方式的一种改进方案中电源作为可接通和可切断的电源实施。由此可以仅在通过测量电池测量电压差期间迫使电流流动。微控制器等可以与减法器的输出端连接或者包括用于检测该电压差的测量装置，其中同时该微控制器的输出端与电源的控制输入端连接，用该控制输入端能够接通和切断该电源。

在锂离子蓄能器的另一种实施方式中该锂离子蓄能器包括第二测量设备，用该第二测量设备能够测量蓄能器的效率。为此在测量电极和配对电极之间连接有电阻装置，该电阻装置具有串联的调整电阻和固定电阻。调整电阻的电阻值可以被改变，例如通过以电的方式影响调整电阻的控制输入，而固定电阻具有至少近似固定的电阻值。在该实施方式中在测量效率期间调整电阻自动地被调整，使得由负载电流决定地在测量段的测量连接端子和配对电极的配对电极连接端子之间至少近似地产生额定电压，该额定电压优选地相应于测量电池的最小电压。此外电压测量装置连接到固定电阻上，以便测量该固定电阻上的电压。该电压用作效率测量的原始值并且被进一步解释，以便推断出锂离子蓄能器的效率。

在该实施方式的一种改进方案中调整电阻是半导体电阻，例如场效应晶体管或者双极型晶体管等，该半导体电阻配备有控制输入端。第二测量设备包括输入端，在该输入端上额定值可以被输入到调节装置中；电气实际值输入端，蓄能器的测量电极的电位进入该输入端，其中该电位涉及与额定电压相同的参考电位；和输出端，该输出端与调整电阻的控制输入端连接。优选地，作为调节器使用运算放大器。替代地，例如也可以使用数字调节器。在后一种情况下额定电压能够通过数字的额定值来代表。还可以设想，使用具有模拟数字转换器的微控制器等并且将其与测量电极连接。

在锂离子蓄能器的另一种实施方案中该锂离子蓄能器具有第三测量设备，用于测量锂离子蓄能器的阻抗。为此交流电源以其各一个连接端子与测量电极和配对电极连接，使得该交流电源能够在测量电池上引起交流电流。此外，交流电压测量装置的各一个连接端子与测量电极和与配对电极连接，所述交流电压测量装置能够测量测量电池上的电压。优选地，但是并非强制性地，该交流电源以如下频率工作，交流电压测量装置也在该频率处进行测量。从交流电压和从交流电流能够计算测量电池的阻抗，该阻抗例如包括视在电阻和在交流电流和交流电压之间的相移。

在上述实施方式的一种改进方案中借助第四测量设备不仅确定单独的锂离子蓄能器的阻抗，而且确定多个串联的锂离子蓄能器的阻抗。为此建议一种具有锂离子蓄能器的串联电路的串联电路设备。在该序列的一端处，布置有根据本发明的锂离子蓄能器。在该串联电路中彼此相邻的蓄能器的阳极和阴极分别互相连接。在这种情况下交流电源迫使通过锂离子蓄能器的整个序列的电流流动，其中该交流电源在串联电路的一端处与在那里所布置的蓄能器的配对电极连接，并且在该串联电路的另一端处与在那里所布置的根据本发明的蓄能器的测量电极连接。根据本发明的蓄能器的主电极不与相邻的蓄能器的电极连接。交流电压测量装置的连接端子与在该蓄能器上的交流电源的连接端子连接。以这种方式能够确定蓄能器的整个序列的阻抗。正如具有单独的蓄能器的变型方案一样，为此以已知的方式关联交流电流与交流电压。特别是串联电路可以包括电池组模块，例如BDI。该阻抗可以借助所述电极的主段和所述电极的测量段之间的面积比从测量电池换算到主电池和/或整个蓄能器。

在本发明的另一方面中建议一种方法，用该方法能够测量锂离子蓄能器的内阻。该方法被应用于上述的具有第一测量设备的锂离子蓄能器。在这里首先从电源输出电流并且在电流流动期间用电压测量装置测量在测量连接端子和电极连接端子之间的电压。从该电流和该电压能够计算测量电池的内阻。为此用电源的电流强度除所测量的电压。然后把这样确定的测量电池的内阻通过借助主段的面积与测量段的面积之比的外推而外推到主电池上。该计算例如可以用微控制器执行，该微控制器此外可以具有模拟数字转换器，借助该模拟数字转换器能够把所测量的电压转换为数字值。用该微控制器的输出能够在一种变型方案中此外触发电流从电源流出。所测量的电压可以从减法器电路产生。从电源输出的电流强度优选地是固定地预先给定的并且随着该电源的接通而流动。为了计算内阻，微控制器知道电源的电流强度。该电流强度例如可以作为数字值被存放。

在本发明的另一方面中建议一种用于测量如上所述包括第二测量设备的锂离子蓄能器的效率的方法。在该方法中从测量电池提取电流，该电流通过电阻调节装置被调整，使得在测量电池上近似地产生额定电压。在这种情况下来自测量电池的电流此外流经固定电阻，使得在该固定电阻上施加与该电流成比例的电压。该电流与固定电阻上的电压成比例。该电流或者在固定电阻上可测量的电压可以被用作蓄能器的效率的量度。测量电池的效率能够借助主段与测量段的面积比被外推。

在本发明的还有一个另外的方面中建议一种用于测量锂离子蓄能器的或者具有多个锂离子蓄能器的串联电路设备的阻抗的方法。在这种情况下锂离子蓄能器包括第三测量设备，或者串联电路包括第四测量设备，第三测量设备和第四测量设备分别在上面被说明。交流电源迫使通过锂离子蓄能器或者通过多个锂离子蓄能器的串联电路的电流流动，其中电流流动的强度是已知的。该电流分别流经根据本发明的蓄能器的测量电极。同时利用该电流流动，用交流电压测量装置测量锂离子蓄能器或者具有多个锂离子蓄能器的串联电路上的交流电压。然后，例如在微控制器等中或者在对于多个蓄能器而言中央的计算单元中，从该交流电压和该交流电流确定锂离子蓄能器或者串联电路设备的阻抗。从该阻抗能够推断出锂离子蓄能器或者串联电路内的多个锂离子蓄能器的状态，这在现有技术中是已知的。

附图说明

随后参考附图详细地说明本发明的实施例。在附图中：

图1是根据本发明的蓄能器的结构的示意图；

图2a是根据本发明的蓄能器的第一变型方案的电路符号；

图2b是根据本发明的蓄能器的第二变型方案的电路符号；

图3是本发明的第一实施方式的电路设备的示意性电路图；

图4是本发明的第二实施方式的电路设备的示意性电路图；

图5是本发明的第三实施方式的电路设备的示意性电路图；以及

图6是图5中的电路设备的改进方案的电路设备的示意性电路图；

具体实施方式

图1示意性地示出锂离子蓄能器1的结构。该锂离子蓄能器包括电极2、3，该电极分为主段2和测量段3。主段2和测量段3彼此电绝缘。该蓄能器另外包括分离器5和配对电极4，其中分离器5布置在电极2、3和配对电极4之间并且阻止电子在所述电极和配对电极之间转移。分离器5特别是位于测量段2和配对电极4之间以及主段2和配对电极4之间。优选地，主段2、测量段3和配对电极4分别配备有用于接触的分离的连接端子。这些连接端子在图1中未示出。电极2、3和配对电极4分别是基本上平面的构成物。主段2与配对电极4和分离器的位于其间的段构成蓄能器的主电池。蓄能器的测量电池由测量段3、配对电极4和分离器5的位于这两个元件之间的段构成。电极2、3可以作为阳极或者作为阴极来设计。在第一种情况下于是配对电极4是阴极，或者在第二种情况下是阳极。

图2a示出用于锂离子蓄能器1的电路符号。蓄能器1自身作为用于原电池的电路标记被示出，该原电池具有连接端子12、13和14。在这里，主段连接端子12与电极2、3的主段2连接，并且测量连接端子13与电极2、3的测量段3连接。电极2、3作为阴极实施。配对电极连接端子14与作为阳极实施的配对电极4连接。

图2b作为电路标记示出蓄能器1的另一个变型方案。在该例子中阳极作为分开的电极2、3实施。主段2再次与主段连接端子12连接，并且测量段3与测量连接端子13连接。作为阴极实施的配对电极4与配对电极连接端子14连接。

图3示意性地示出用于测量蓄能器1的阻抗的电路设备的电路图。测量电极3的测量连接端子13与电源21的一个连接端子连接。电源21的第二连接端子与配对电极4的连接端子14连接，使得电源21能够引起通过蓄能器1的电流流动。在这种情况下电流从配对电极4的一段流入测量电极3内。主电极2的连接端子12与差分放大器22的一个输入端连接。差分放大器22的另一个输入端与测量连接端子13和电源21的一个端子连接。因此来自差分放大器22的输出信号相应于电极2、3的主段2和电极2、3的测量段3之间的电位差。通过导线24，差分放大器22的输出端与微控制器23的模拟数字转换器输入端连接。微控制器23知道流过电源21的电流强度和主段2和测量段3的电位的电压差。为计算蓄能器1的内阻，微控制器23用电流强度除所述电压差并因此得到测量电池的内阻。为把测量电池的内阻外推到主电池，微控制器用主段2与测量段3的面积比除测量电池的内阻。该面积比在微控制器23内被存放。电源21作为可切换的电源21实施，该电源能够在具有预先给定的强度的电流流动和无电流流动之间转换。电源21具有相应的控制输入端，其通过导线25与微控制器23的合适的输出端连接。因此，如果通过电源21接通电流流动，微控制器23则能够执行电压的测量。在测量停止(Ruhebetrieb)时切断电源21。内阻的计算可以用下面的公式来执行：

其中R_i表示内阻，n表示主段的面积与测量段的面积之比，ΔU表示电压差，并且I_Messzelle表示通过测量电池的电流。

图4示意性地示出用于测量根据本发明的锂离子蓄能器1的效率的电路设备的电路图。测量设备与蓄能器1连接，该测量设备包括电阻装置31、35，该电阻装置31、35具有串联的调整电阻31和固定电阻35。调整电阻31与蓄能器1的测量连接端子13连接。固定电阻35与蓄能器1的配对电极连接端子14连接。替代地，在一个变型方案中该电阻装置的连接端子可以与上述变型方案相比相对于连接端子13和14调换地实施。此外，运算放大器32的正输入端连接到测量连接端子13上。运算放大器32的负输入端与额定电压源33连接。额定电压和在测量连接端子13上的电压的差信号通过导线34被引导到调整电阻31的控制输入端上。调整电阻31作为NPN晶体管实施。以这种方式实现调节回路，用该调节回路能够把测量连接端子13上的电压调节到额定电压上。以这种方式电流流经电阻装置31、35，该电流在额定电压下从测量电池提取。典型地调整额定电压，使得该额定电压相应于最小电压，也就是说从测量电池提取最大可能的电流，该最大可能的电流还不导致测量电池的损坏。与该电流成比例的电压36降落在固定电阻35上。该电压36可以用合适的电压测量装置在连接端子37和38之间测量。测量结果是用于蓄能器1的效率的值。

图5示意性地示出用于测量蓄能器1的阻抗的电路设备的电路图。测量设备与蓄能器1连接，该测量设备包括交流电源41和作为电压跟随器连接的运算放大器42。运算放大器42的输出通过反馈线44反馈到它的负输入端上。交流电源41以它的一个连接端子与测量连接端子13连接，并且以它的另一个连接端子与配对电极连接端子14连接。用交流电源41能够引起通过蓄能器1的交流电流。在此在测量连接端子13上出现交变电位。该电位用电压跟随器进行阻抗转换，使得在连接端子43上施加电压跟随器的低欧姆的输出信号。优选地进行测量段3上相对于配对电极4的电位的测量，配对电极4的电位可以在配对电极连接端子14上接收。电压跟随器的连接端子43上的信号优选地通过模拟数字转换器被读入微控制器等等内，在微控制器内此外存放有电源41的电流强度。特别优选地这样的微控制器此外检测交流电流的相位，使得该微控制器能够计算蓄能器1的阻抗，例如作为视在电阻和相位旋转。该计算能够在电阻抗光谱学的意义上执行，其中具有电流幅度ΔI的交流电流作为具有电压幅度ΔU的调制电压的结果流动。在这里ω是交流电压和交流电流的频率，并且是交流电压和交流电流之间的相移。测量电池的阻抗Z可以用下式计算：

通过用主电池的面积与测量电池的面积之比除测量电池的阻抗，可以从测量电池的阻抗导出主电池的阻抗。

在图6中作为示意性电路图示出了图5中的电路设备的一种改进方案，用该电路设备能够同时测量多个锂离子蓄能器1、51的阻抗。与图5不同，不是测量一个唯一的蓄能器1、而是测量根据本发明的这样的蓄能器1与两个另外的蓄能器51的串联电路。在实践中也可以测量其他数目的另外的蓄能器。为此交流电源41的一个连接端子连接到蓄能器51的阴极上。该蓄能器作为根据本发明的蓄能器1布置在串联的蓄能器1、51的另一端上。交流电源41的另一个连接端子如在图5中一样连接到根据本发明的蓄能器1的测量连接端子13上。因此交流电源41能够同时引起通过所有蓄能器1、51的电流，使得在测量连接端子13上产生一个电位，该电位再现蓄能器1、51的共同的阻抗。如在图5中一样，该电位用电压跟随器进行阻抗转换。后处理同样可以如参照图5说明的那样进行。

Claims (10)

1.锂离子蓄能器(1)，包括阳极、阴极和在所述阳极和所述阴极之间的分离器(5)，其中所述阳极和所述阴极中的一个是具有主段(2)和与该主段电气隔离的测量段(3)的电极并且所述阳极和所述阴极中的另一个用作配对电极(4)，其中构成所述锂离子蓄能器的一部分的测量电池包括所述电极的测量段(3)、相对于所述分离器(5)位于所述电极的测量段(3)对面的配对电极测量段、和所述分离器(5)的被布置在所述电极的测量段(3)和所述配对电极之间的段。

2.根据权利要求1所述的锂离子蓄能器(1)，具有用于确定所述锂离子蓄能器(1)的内阻的第一测量设备，其中用于测量所述测量段(3)和所述主段(2)之间的电压的电压测量装置(22、32、42)与所述测量段和所述主段连接，并且电源连接到所述测量段(3)和所述配对电极(4)上。

3.根据权利要求2所述的锂离子蓄能器(1)，其中所述电源(21、41)作为可接通和可切断的电源(21、41)实施。

4.根据上述权利要求之一所述的锂离子蓄能器(1)，具有用于测量所述锂离子蓄能器的效率的第二测量设备，其中在所述测量段(3)和所述配对电极(4)之间连接有电阻装置(31、35)，该电阻装置包括串联的具有可变电阻值的调整电阻(31)和具有固定电阻值的固定电阻(35)，其中所述调整电阻(31)能够自动地被调整，使得在所述测量段(3)和所述配对电极(4)之间至少产生额定电压，并且在所述固定电阻的两个连接端子(37、38)上连接有电压测量装置，以便测量所述固定电阻(35)上的电压(36)。

5.根据权利要求4所述的锂离子蓄能器(1)，其中所述调整电阻(31)是具有控制输入端的可控的半导体电阻，并且所述第二测量设备包括电阻调节装置(32)，其中所述电阻调节装置(32)具有用于额定值的额定值输入端、电气实际值输入端和电气输出端，该额定值相应于所述测量段(3)和所述配对电极(4)之间的额定电压，其中所述实际值输入端连接到所述测量段(3)上并且所述输出端连接到所述半导体电阻(31)的控制输入端上。

6.根据权利要求1至3之一所述的锂离子蓄能器(1)，具有用于检测所述锂离子蓄能器(1)的阻抗的第三测量设备，其中交流电源(41)以一个连接端子与所述测量段(3)连接，并且以另一个连接端子与所述配对电极(4)连接，并且用于测量交流电压的交流电压测量装置被连接在所述测量段(3)和所述配对电极(4)之间。

7.串联电路设备，包括具有根据权利要求1所述的锂离子蓄能器(1)和至少一个另外的锂离子蓄能器(51)的串联电路并且具有用于检测该串联电路设备的单独的锂离子蓄能器或所有锂离子蓄能器(1、51)的阻抗的第四测量设备，其中在该串联电路设备中交流电源(41)以一个连接端子连接到在所述串联电路的一端处的锂离子蓄能器的测量段(3)上，并且以另一个连接端子连接到在所述串联电路的相对端处的锂离子蓄能器(1、51)的配对电极(4)上，并且用于测量在所述串联电路的一端处的该锂离子蓄能器的该测量段(3)和在所述串联电路的相对端处的该锂离子蓄能器(1、51)的该配对电极(4)之间的交流电压的交流电压测量装置被连接到在所述串联电路的一端处的该锂离子蓄能器的该测量段(3)和在所述串联电路的相对端处的该锂离子蓄能器(1、51)的该配对电极(4)上。

8.用于测量根据权利要求2所述的锂离子蓄能器(1)的内阻的方法，其中所述电源(21、41)输出电流，所述电压测量装置测量在所述测量段(3)和所述主段(2)之间的电压，并且通过用所述电源的电流强度并且用所述主段(2)的面积与所述测量段(3)的面积之比除所测量的电压来计算内阻。

9.用于测量根据权利要求5所述的锂离子蓄能器(1)的效率的方法，其中通过所述电阻调节装置(32)调节来自所述测量电池的电流，使得在所述测量段(3)和所述配对电极(4)之间至少出现额定电压，并且在所述电阻装置(31、35)的固定电阻(35)上测量电压(36)并且把该电压(36)用作所述锂离子蓄能器(1)的效率的量度。

10.用于测量根据权利要求6所述的锂离子蓄能器(1)或者根据权利要求7所述的串联电路设备的阻抗的方法，其中所述交流电源(41)输出流经所述测量段(3)和所述配对电极(4)的交流电流，测量在所述测量段(3)和所述配对电极(4)之间的交流电压，并且关联该交流电压与所述交流电流，以便确定所述锂离子蓄能器(1)或者所述串联电路设备的阻抗。