CN105637378B - 锂离子储能器和检测其放电深度和/或充电状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子储能器（1），包括：具有主区段（2）和与主区段（2）电隔离的测量区段（3）的电极（2，3）、相对电极（4）和在电极（2，3）与相对电极（4）之间的隔板（5），其中构成锂离子储能器（1）的一部分的测量电池（3，4）包括电极（2，3）的测量区段（3）、相对电极测量区段和隔板（5）的布置在电极（2，3）的测量区段（3）与相对电极测量区段之间的区段，其中所述相对电极测量区段关于隔板（5）与电极（2，3）的测量区段（3）相对置，并且构成锂离子储能器（1）的一部分的主电池（2，4）包括电极（2，3）的主区段（2）、相对电极主区段和隔板（5）的布置在电极（2，3）的主区段（2）与相对电极主区段之间的区段，其中所述相对电极主区段关于隔板（5）与电极（2，3）的主区段（2）相对置，其中锂离子储能器（1）具有用于测量电池（3，4）的放电深度和/或充电状态的测量装置（110）。

Description

锂离子储能器和检测其放电深度和/或充电状态的方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子储能器和一种用于检测根据本发明的锂离子储能器的放电深度和/或充电状态的方法。
背景技术
锂离子储能器具有高的电池电压和所存储的能量和质量之间的良好的比例并且因此适用于移动应用、特别是适用于电运行的车辆。锂离子储能器经常以缠绕的结构形式制造，其中缠绕包括两个扁平电极以及隔板的扁平材料，该隔板将电极彼此电隔离。电极典型地包括金属集电器，该金属集电器在两侧涂敷电极材料。作为金属集电器，典型地在阴极电极中使用铝膜并且在阳极电极中使用铜膜。通常，电极之间的隔板利用离子传输介质浸渍，该离子传输介质能够实现离子穿过隔板。
已知的是，由锂离子储能器输出的电流利用多个不同的传感器、例如具有分流电阻或具有霍尔传感器的传感器来测量。除了用于直接的通过电流的测量介质之外，存在多个不同的传感器和/或理论模型，利用其能够检测锂离子储能器的特性。对此，典型地利用传感器检测储能器的多个确定的特性并且基于所检测的值应用理论模型，以便推断储能器的电特性或状态。
EP 2442400A1公开了一种基于锂技术具有内置的参考电极的电化学电池。该参考电极被嵌入到隔板中，使得在参考电极和电池的常规电极的每个之间形成参考电池。通过确定代表储能器的半电池的两个参考电极的特性，可以获得关于所述半电池的每个的信息并且因此也获得关于整个储能器的信息。在此，或者测量整个电池的电流，或者通过其它参数和理论模型推断储能器的状态。引入到隔板中的附加电极在此阻碍离子流动并且带来电极短路的风险。
发明内容
根据本发明提出，锂离子储能器配备测量电池、主电池和测量装置，利用该测量装置能够检测测量电池的放电深度和/或充电状态。
在根据本发明的锂离子储能器中，阳极和阴极的至少一个被分成主区段和测量区段，所述主区段和测量区段彼此电隔离，由此得到储能器的测量电池和主电池。测量电池包括电极的测量区段、相对电极测量区段和位于电极的测量区段和相对电极测量区段之间的隔板的区段，其中该相对电极测量区段关于隔板与电极的测量区段相对置。主电池包括电极的相对电极主区段并且类似于测量电池包括相对电极主区段和位于电极的相对电极主区段和相对电极的主区段之间的隔板的区段，其中相对电极主区段关于隔板与电极的主区段相对置。储能器的电极包括主区段和测量区段。典型地，测量区段明显小于主区段。相对电极关于隔板与电极相对置并且可以同时用于主区段和测量区段。相对电极的被称为相对电极测量区段的部分与测量电极相对，而相对电极的被称为相对电极主区段的部分与主电极相对。可以的是，不仅阳极而且阴极被用作电极，而相应地阴极或阳极用作相对电极。隔板可以作为唯一的连续的元件被设置用于测量电池以及主电池。然而也可以设想，划分隔板或/和相对电极，使得得出分别被分配给电极的主区段或电极的测量区段的区段。
锂离子储能器的主功率由主电池提供。主电池通常明显大于测量电池，不仅在储能器的存储容量方面、而且关于其在电极或相对电极处的面积部分。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、诸如电流输出能力、内能和诸如此类的可以通过以下方式从测量电池转移到主电池上，即利用两个电池的面积比的因子来标量。锂离子储能器的不涉及面积的特性、如放电深度、充电状态或老化状态可以从测量电池处的测量出发被转移到主电池上，特别是当可以从以下出发时，即存在测量电池和主电池处的至少近似相同的比例。
根据本发明的具有用于测量电池的放电深度和/或充电状态的测量装置的锂离子储能器具有以下优点，测量电池可以针对该检测被充电或放电，而不必对主电池充电或放电。主电池的运行可能能够与测量电池的放电深度和/或充电状态的检测无关地进行。优选地，测量电池和主电池的放电深度和/或充电状态在测量电池的放电深度和/或充电状态的测量开始时相同或至少近似。锂离子储能器的充电关于两个参考状态的程度可以被视为对概念放电深度或充电状态的定义，所述两个参考状态之一是锂离子储能器中的具有最大充电的状态并且另一个是锂离子储能器中的具有最小充电的状态。
从属权利要求示出本发明的优选的改进方案。
在锂离子储能器的一种实施方式中，测量装置包括电流源，测量电池可以利用该电流源进行充电或放电。对此，电流源与电极和相对电极的测量区段、特别是相对电极测量区段连接。此外，锂离子储能器包括电压检测装置，利用该电压检测装置可以检测测量电池的电压。对此，电压检测装置与电极的测量区段连接。检测在此可以表示电压的测量，但是也可以表示与参考电压的比较。此外，锂离子储能器包括时间测量装置，该时间测量装置优选地被设立用于测量从充电开始或放电开始直至达到测量电池的预先定义的电压的时间段。时间测量装置优选地对描述充电或放电的开始时刻的信号进行反应，并且优选地对描述达到测量电池中的预先定义的电压的信号进行反应。
在锂离子储能器的另一种实施方式中，电压检测装置被实施为比较器。优选地，比较器是具有正和负输入端的模拟比较器，其中比较器产生输出信号，该输出信号表示被施加到正或负输入端上的两个电压中的哪个较大。比较器的一个输入端与电极的测量区段连接。另一个输入端优选地与参考电压源连接。测量区段和参考电压源上的电压的参考电位优选地分别是锂离子储能器的相对电极。特别是比较器的输出信号用于促使时间测量装置终止时间测量。此外，可以借助比较器的输出信号通过以下方式终止测量电池的充电或放电，即例如切断电流源，由此充电或放电电流不再流动。
在锂离子储能器的另一种实施方式中，测量装置具有参考电压源，该参考电压源与比较器连接。优选地，参考电压源提供2.8V的参考电压，该参考电压优选地用于确定放电过程的终止，或者提供4.2V的参考电压，在达到该参考电压的情况下可以终止充电过程。其它参考电压同样可以考虑。参考电压源优选地连接在比较器的输入端和相对电极之间。
在锂离子储能器的另一种实施方式中，时间测量装置时钟脉冲地工作。可以给计数器供应时钟脉冲，该计数器可以计数时钟周期作为过去时间的度量。优选地，时间测量装置是微控制器或其一部分。时间测量装置的开始信号优选地由比较器产生。替代于模拟比较器，也可以设置数字比较器。例如输入端上的电压可以利用模数转换器测量，输入电压之间的比较数字地进行并且产生相应的输出信号。这样的数字比较器可以是微控制器的一部分。微控制器优选地具有输出端，利用该输出端可以接通和切断电流源，其中该输出端优选地对比较器的输出信号进行反应。
在锂离子储能器的另一种实施方式中，电流源被设立用于输出恒定电流。恒定电流导致所流过的电荷量进而测量电池的充电状态或放电深度的特别简单的计算。微控制器可以与电流源的控制输入端连接，使得微控制器可以接通和切断电流源。优选地，在微控制器中联合比较器、时间测量装置和用于接通和切断电流源的控制装置。
在本发明的另一方面中提出一种方法，利用该方法检测根据前述实施方式之一的锂离子储能器的放电深度和/或充电状态。在该方法中，开始进入或来自测量电池的充电或放电电流的流动，其中开始时刻同时开始时间测量。测量电池的充电或放电导致测量电池的电压的变化。根据该方法，在测量电池上的电压达到预先定义的电压时终止时间测量。优选地，在充电时，参考电压作为测量电池在开始时刻的电压。同样优选地，参考电压在放电时小于测量电池在开始时刻的电压。参考电压优选地由参考电压源产生。所测量的充电或放电时间是充电或放电的开始时刻与达到参考电压的时刻之间的时间段。该时间段表示多少电荷流到测量电池中或多少电荷从测量电池中被提取。该电荷量又说明：关于测量电池的最大或最小充电状态将测量电池在开始时刻的充电状态分配给哪里。类似于这样的在充电时刻的充电状态，可以定义测量电池的放电深度。这些不涉及储能器多满，而是涉及储能器多空。
在方法的一种实施方式中，借助时间测量装置执行时间测量。在方法的另一种实施方式中，由测量电池在开始时刻的放电深度和/或充电状态推断出主电池特别是在开始时刻的放电深度和/或充电状态。这适用于本发明的所有方面和其实施方式。测量电池因此可以被用于确定主电池的充电状态。这可以在主电池继续其正常运行期间发生。
附图说明
下面参考附图详细描述本发明的实施例。在附图中：
图1示出根据本发明的储能器的结构的示意图；
图2a示出根据本发明的储能器的第一方案的电路符号；
图2b示出根据本发明的储能器的第二方案的电路符号；
图3示出本发明的第一实施方式的电路装置的示意性电路图；以及
图4示出本发明的第二实施方式的电路装置的示意性电路图。
具体实施方式
图1示意性示出锂离子储能器1的结构。该锂离子储能器包括电极，该电极被分成主区段2和测量区段3。主区段2和测量区段3彼此电绝缘。储能器还包括隔板5和相对电极4，其中隔板5布置在电极和相对电极4之间并且防止电子在电极和相对电极之间的转移。优选地，主区段2、测量区段3和相对电极4分别配备用于接触的单独端子，其在图1中未示出。电极和相对电极4基本上分别是扁平的形体，所述形体可以被共同地卷起。主区段2与相对电极4和隔板5的位于其间的区段构成储能器的主电池。储能器的测量电池由测量区段3、相对电极4和隔板5的位于这两个元件之间的区段构成。
图2a示出锂离子储能器1的电路符号。储能器1本身作为直流电池的电路符号来示出，该直流电池具有端子12、13和14。主区段端子12在此与电极的主区段2连接并且测量端子13与电极的测量区段3连接。电极被实施为阴极。相对电极端子14与被实施为阳极的相对电极4连接。
图2b作为电路符号示出储能器1的另一方案。在该示例中，阳极被实施为分开的电极。主区段2又与主区段端子12连接并且测量区段13与测量端子13连接。被实施为阴极的相对电极4与相对电极端子14连接。
图2b作为电路符号示出储能器1的另一方案。在该示例中，阳极被实施为分开的电极。主区段2又与主区段端子12连接并且测量区段13与测量端子13连接。被实施为阴极的相对电极4与相对电极端子14连接。
图3示意性示出锂离子储能器1的第一实施方式的电路装置的电路图。锂离子储能器1的测量端子13与电流源100的一个端子连接。储能器1的相对电极端子14与电流源100的第二端子连接，使得电流源可以给储能器的测量电池充电。电流源100的技术电流方向通过连接线路中至测量端子13的箭头来示出。电流源100被实施为可接通和切断的电流源100，该电流源相应地具有开关输入端。测量端子13与比较器102的同相输入端连接。比较器102的反相输入端与参考电压源101的一个端子连接。参考电压源的另一端子与相对电极2连接，相对电极的电位用作参考电压源101的参考电压的参考电位。在接通电流源100之前，在测量端子13和相对电极端子14之间的电压在正常情况下小于参考电压源101的参考电压。如果通过给测量电池充电而测量端子13和相对电极端子14之间的电压上升超过参考电压源101的参考电压，则比较器102以在至微控制器103的信号线路105上输出上升沿106来进行反应。微控制器103包括时间测量装置。该时间测量装置在电流源被接通用于充电时被起动用于时间测量。对此，微控制器103与时间测量的开始至少近似同时地将控制沿107通过开关线路104输出到电流源100的开关输入端。这可以如所述那样是正沿，但是在替代方案中也可以是负沿或脉冲或类似的。如果沿106从比较器102到达微控制器103中，则该微控制器终止时间测量，由此测量充电时间。优选地，在脉冲106通过控制线路105到达时，由微控制器103通过控制线路104切断电流源100。电流源100优选地是恒定电流源，该恒定电流源的输出电流与测量电池的电压无关。于是所测量的充电时间对应于流进到测量电池中的电荷量。该时间越大，测量电池的放电深度就越大或测量电池的充电状态就越低。
图4示意性示出锂离子储能器1的另一实施方式的电路图。该实施方式很大程度上对应于图3中示出的实施方式。相同的部件和特征利用相同的附图标记来表示。下面仅讨论两个实施方式之间的区别。最重要的区别是：电流源100产生从测量端子13至相对电极端子14的技术电流方向。这通过至相对电极端子14的引线中的箭头来示出。该电流源100的接通因此导致测量电池的放电。通常，测量电池的电压在开始放电过程之前高于参考电压源101的参考电压。参考电压源101因此相较于图3中的实施方式提供更小的参考电压。与此相应地，比较器将负沿108通过信号线路105输出到微控制器103。微控制器103以终止时间测量对这样的负沿108进行反应。微控制器103测量放电时间。测量电池的充电状态越高或测量电池的放电深度越低，放电时间就越长。从测量电池的充电状态或放电深度可以导出主电池的充电状态或放电深度，这也适用于图3的实施方式。

Claims (11)

1.锂离子储能器（1），包括：具有主区段（2）和与主区段（2）电隔离的测量区段（3）的电极、相对电极（4）和在电极与相对电极（4）之间的隔板（5），其中构成锂离子储能器（1）的一部分的测量电池包括电极的测量区段（3）、相对电极测量区段和隔板（5）的布置在电极的测量区段（3）与相对电极测量区段之间的区段，其中所述相对电极测量区段关于隔板（5）与电极的测量区段（3）相对置，
并且构成锂离子储能器（1）的一部分的主电池包括电极的主区段（2）、相对电极主区段和隔板（5）的布置在电极的主区段（2）与相对电极主区段之间的区段，其中所述相对电极主区段关于隔板（5）与电极的主区段（2）相对置，
其中锂离子储能器（1）具有用于测量电池的放电深度和/或充电状态的测量装置（110）。
2.根据权利要求1所述的锂离子储能器（1），其中测量装置（110）包括连接在测量区段（3）和相对电极（4）之间的电流源（100）、和与测量区段（3）以及相对电极（4）连接的电压检测装置（102）、和时间测量装置（103），利用所述时间测量装置能够测量充电时间和/或放电时间。
3.根据权利要求2所述的锂离子储能器（1），其中电压检测装置（102）是比较器（102），利用所述比较器的输出信号能够确定时间测量的终止时刻。
4.根据权利要求3所述的锂离子储能器（1），其测量装置（110）具有参考电压源（101），所述参考电压源与比较器（102）连接。
5.根据权利要求2至4之一所述的锂离子储能器（1），其中时间测量装置（103）时钟脉冲地工作。
6.根据权利要求2至4之一所述的锂离子储能器（1），其中时间测量装置（103）是微控制器（103）。
7.根据权利要求2至4之一所述的锂离子储能器（1），其中电流源（100）被设立用于输出恒定电流和/或是可接通和切断的。
8.根据权利要求6所述的锂离子储能器（1），其中所述电流源（100）能够借助微控制器（103）接通和切断。
9.用于检测根据上述权利要求之一所述的锂离子储能器（1）的放电深度和/或充电状态的方法，其中在开始时刻启动测量电池上的充电或放电电流的流动，并且检测直至达到测量电池的参考电压的充电时间或放电时间作为测量电池在开始时刻的充电状态和/或放电深度的值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在开始时刻借助时间测量装置（103）启动时间测量，并且在达到测量电池的参考电压的情况下终止时间测量。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中由测量电池在开始时刻的充电状态和/或放电深度推断出主电池的充电状态和/或放电深度。
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