CN107210405B - 监控电池的至少一个电池单体的状态参量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监控电池(20)的至少一个电池单体(10、12、14、16、18)的状态参量的方法，其中电池(20)包括至少两个彼此相邻布置的电池单体(10、12、14、16、18)，该方法具有以下步骤:‑在至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第一电池单体的分界面(26)上设置第一导电表面(22)，在至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第二电池单体的分界面(28)上设置第二导电表面(24)，其中这些导电表面(22、24)彼此电绝缘地布置，‑在这两个导电表面(22、24)之间施加电压，‑分析由于电压作用产生的电参量，和‑基于分析确定状态参量。

Description

监控电池的至少一个电池单体的状态参量的方法
技术领域
本发明涉及一种用于监控电池的至少一个电池单体的状态参量的方法，其中电池包括至少两个彼此相邻布置的电池单体。本发明还涉及一种用于监控电池的至少一个电池单体的状态参量的监控设备，其中电池包括至少两个彼此相邻布置的电池单体。此外，本发明还涉及一种具有至少两个彼此相邻布置的电池单体的电池以及还涉及一种机动车，该机动车具有电驱动装置和连接到电驱动装置上的用于给电驱动装置供电的电设备，该电设备包括电池，该电池包括至少两个彼此相邻布置的电池单体。
背景技术
用于监控电池的至少一个电池单体的状态参量的方法以及用于此的监控装置原则上已经公开，因为为此不需要专门文献佐证。这种电池单体或电池通常在高压电池系统中使用，例如在应用在能够电驱动的车辆中或类似物中。当前在制造电池单体以及由此得到的电池时执行不同的质量检验，例如绝缘测试、抗电强度测试和/或类似物。此外，高压电池系统通常具有绝缘监控设备用于高压电池系统的主动绝缘检查。该设备相对于具有高压电池的装置、例如机动车的地线既检查高压正接线、也检查高压负接线。在高压电池在机动车中的应用情况下，监控相对于机动车地线的绝缘。
现有技术同样也相应公开了由至少两个电池电体构成的电池。
电池单体是一种具有两个彼此电化学交互作用的电极的设备。该相互作用能够在电解质的补充的中间作用下实现。电池单体，也称作原电池，优选在其功能方面是可逆的，就像其例如在蓄电池形式或类似形式的电池中所起作用那样。由于电极的电化学交互作用，在电极上出现针对相应电池单体化学专有的直流电压，该直流电压施加在相应电池单体的连接电极的接线触点上。
直流电压通常较小。电气工程中的许多应用方案都要求直流电压明显超出于单个的电体电池所能提供的直流电压。基于此原因，经常将大量单体电池集合成电池，并且在电池内电路连接相应大量的电需求，例如以串联连接、并联连接、其组合形式或类似形式。
在电池内部，各个单体电池因此借助于汇流排或类似电导体以所期望的连接方式相互导电连接，以便能够在电池的接线极上提供所期望的直流电压。这种电池例如在机动车领域中被作为铝酸电池、在航空领域中被作为镍镉电池使用，在不间断供电的情况下在家用小电器或类似等领域中被用作锂离子电池，而最新则应用在电驱动车辆中。
该类型的机动车同样久已公开。优选包括具有带有电池的电设备以及连接到该电设备上的驱动装置的机动车。这种机动车例如是电动车辆、既能够由电驱动装置也能够由内燃机驱动的混合动力车辆或类似物。这些车辆中电池和驱动装置分别具有至少两个电接线触点。出于电耦合的目的，电池的至少一个接线触点和驱动装置的接线触点借助于电线彼此导电连接。
在运行本类型的电池单体或电池时，在按规定的运行、老化和/或类似情况方面会出现问题。这会影响电池单体或电池的质量。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于监控电池的至少一个电池单体的状态参量的方法，一种用于此的监控设备、一种电池以及一种具有电池的机动车，其中能够以简单方式准确地对电池电体或由电池单体构成的电池作出质量说明。
作为解决方案，利用本发明提出了一种根据权利要求1的方法以及一种根据另一独立权利要求8的监控装置。此外提出了根据另一独立权利要求9的电池。最后还提出了根据另一独立权利要求11的机动车。
本发明的其它有利的是实施方案由从属权利要求的特征得出。
利用本发明针对本类型方法尤其提出：该方法包括如下步骤：
-在至少两个电池单体中的第一电池单体的分界面上设置第一导电表面，在至少两个电池单体中的第二电池单体的分界面上设置第二导电表面，其中这些导电表面彼此电绝缘地布置，
-在这两个导电表面之间施加电压，
-分析由于电压作用产生的电参量，以及
-基于分析确定状态参量。
就监控设备而言尤其提出，监控设备被设计成，在第一导电表面和第二导电表面之间施加电压，第一导电表面布置在至少两个电池单体中的第一电池单体的分界面上，第二导电表面布置在至少两个电池单体中的第二电池单体的分界面上，并且分析由于电压作用产生的电参量以及基于该分析确定状态参量。
在电池方面尤其提出，至少两个电池单体中的第一电池单体的分界面包括第一导电表面，至少两个电池单体中的第二电池单体的分界面包括第二导电表面，其中电池包括监控设备，该监控设备被设计成，在这两个导电表面之间施加电压，分析由于电压作用产生的电参量并且基于该分析确定状态参量。
在机动车方面尤其提出，至少两个电池单体中的第一电池单体的分界面包括第一导电表面，至少两个电池单体中的第二电池单体的分界面包括第二导电表面，其中这些导电表面彼此电绝缘地布置，其中电池包括监控设备，该监控设备被设计成，在这两个导电表面之间施加电压，分析由于电压作用产生的电参量并且基于该分析确定状态参量。
本发明利用的认识是，电池或电池单体的绝缘材料例如会发生老化。此外，电池单体或电池能够由于老化或相应的运行状态还改变其几何尺寸。例如，在锂离子电池中还随着不断地老化和/或由于电池的荷电状态而发生体积增加。在棱柱形的电池单体中，这表现为膨胀行为的形式。这还能够在整个生命周期中随着在相邻的电池单体之间的绝缘材料的变化出现。
状态参量优选是表征电池单体或电池的质量状态的状态参量，例如是电池单体或电池的老化状态、电容状态、尺寸和/或类似物。此外，状态参量当然还可以是相应的电池单体或电池的怠速电压，电池、尤其是电池的各单个电池单体的荷电状态和/或类似物。此外，状态参量还可以是温度、尤其是电池单体的温度、压力、尤其是电池单体中的压力和/或类似物。
电池的电池单体彼此相邻布置，优选直接邻接。
本发明基于的其他认识是，状态参量的改变影响电池单体或电池的几何形状。几何形状的改变可以借助于在相应电池单体的分界面上的导电表面确定得出。为此目的，本发明提出，第一导电表面设置在至少两个电池单体中的第一电池单体的分界面上，第二导电表面设置在至少两个电池单体中第二电池单体的分界面上。这些导电表面被电绝缘地布置。由此实现在下面还要描述的电容，该电容用于分析以便确定状态参量。
导电表面的布置可以例如通过绝缘膜、氧化层、绝缘盘、其组合和/或类似物电绝缘地布置。第一和第二导电表面相对于彼此的电绝缘的布置使得能够提供电容并且确定电容的值。在此，对于本发明并非必须要求这两个导电表面同等大小和/或相对于彼此直接对置布置。导电表面可以就其大小和形状而言彼此不同，但也可以相对于彼此有移位和/或类似物。
根据本发明，在导电表面上施加电压。导电表面可以就此而言具有接线触点或类似物，这使得能够向导电表面上接通相应的电压发生器。
此外，当然可以提出，在存在大量电池单体时，优选每个电池单体都具有这类导电表面，其中监控设备这样设计，使其能够以电压加载不同的导电表面。由此能够获得关于电池的其他电池单体的比较值并且因此获得关于整个电池和关于各单个电池单体的质量说明。
电压可以例如是电压脉冲或电压脉冲序列。此外，电压还可以是交流电压，例如高频交流电压。交流电压可以是正弦状、直角状、三角状及其组合或类似物。当然，电压脉冲也可以具有交流电压。原则上当然也可以双重地用电流脉冲或交流电流加载导电表面。相应地由电流发生器取代电压发生器。
利用分析单元可以确定电压对由电压产生的电参量的作用。这优选是电流。分析单元首先确定由导电表面构成的电容的数值。分析单元在有利地进一步考虑到电池单体或电池的其他参数的情况下从中推断出相应所需的状态参量。其它参数可以例如通过电池内部传感器、尤其是结合合适的分析单元确定出。分析单元为此与其他传感器单元通信连接。其它传感器单元可以例如获取电池单体的温度、电池单体的压力、电解质的比重、怠速电压、内阻和/或类似物。
证实特别有利的是，分析单元能够将所确定的状态参量与之前已经确定的状态参量相比较。此外有利的是，为所确定的状态参量提供比较值。该分析单元于是可以将所确定的状态参量与比较值或还与之前确定的状态参量相比较，以便由此能够获得关于当前状态参量的信息。例如分析单元可以以这种方式确定电池单体或电池的老化曲线。
此外提出，借助于分析确定导电表面之间的电容和/或电阻。由此能够借助于分析单元可靠地确定所期望的状态参量。此外，对电阻的考虑使得能够获得关于绝缘和/或类似情况的说明。从电阻的变化中还能够补充性地推断出老化。为此目的，分析单元可以考虑电阻的数值来确定老化或其它质量参量。
此外提出，在电池具有多于两个电池单体的情况下，在所有相邻布置的电池单体之间都分别布置有导电表面，其中根据监控规程选出要以电压加载的导电表面。该实施方案使得能够根据监控规程利用导电表面的任意组合用于监控电池单体。例如能够以电压加载不同电池单体的各对的导电表面。由此利用单独测量就能够实现对电池的全部电池单体的质量状态的说明。当然这还可以仅针对规定数目的电池单体实施。该信息可以例如从监控规程获得。这种监控规程可以例如是文档，其以能够调取的方式为分析单元提供相应的信息或数据。此外，当然还可以提出，监控规程或其数据能够通过通信网路、在机动车中例如通过CAN总线、LIN总线、Flexray总线等调取。此外，当然还可以还通过全球通信网络、例如因特网等调取监控规程或相应数据。此外提出，监控规程或相应文档存储在分析单元中。根据需要可以提出，文档被相应更新。
本发明的另一实施方案提出，导电表面由多个彼此电绝缘的表面区域分区地构成，其中表面区域彼此独立地被加载电压。该实施方案使得能够针对变化获取分界面的局部区域。该实施方案因此证实尤其特别有利的情况是，早就非常小的变化就要进行获取，该非常小的变化例如仅发生在一个表面区域中。由此能够整体上进一步改进精确度。此外，能够由此获得补充信息，该信息对于确定状态参量而言能够被加以参考。
导电表面可以例如被作为金属喷镀施加在分界面上。但也可以提出，金属膜借助于像粘接或类似连接方法与分界面连接。此外当然还可以利用具有足够大导电能力的塑料膜形成导电表面。这种膜可以或者自身构成分界面，或者施加到分界面上。类似地也原则上适用于导电表面的分区设计。特别有利的是，被分区的导电表面的每个表面区域都能够单独被加载电势，从而能够确定局部状态参量。当然还可以提出，两个导电表面中的仅一个导电表面被分区设计。由此能够节省分区设计的花费。但证实特别有利的是，两个相对置的导电表面被分区设计，其中它们优选具有相对应的分区。由此能够实现高的检测精确性。
附图说明
借助下面对实施例的说明参照附图得出其它优点和特征。附图中相同附图标记表示相同特征和功能。
附图示出：
图1以示意透视图示出电池单体的第一实施方案的局部，具有根据本发明的电池单体，
图2示出根据图1的布置结构的示意性电路图，和
图3示出带有根据本发明的电池单体的电池的第二实施方案的示意性透视图。
具体实施方式
图1以示意性透视图示出了具有彼此相邻布置的电池单体的电池20的局部，对于电池单体在此仅示例性地局部示出了电池单体10、12、14和16。在该实施方案中，电池20是蓄电池，其在未示出的机动车中是其电设备的组成部分并且用于为机动车的电驱动装置供电。
电池单体的10、12、14、16在此在串联电路中连接并且相应地与汇流排48导电连接。每个电池单体10、12、14、16都在此情况下被设计作为锂离子电池并且具有基本方形的外部结构。该方形的结构提供了相对置的侧面的分界面26、28。在这种情况下，分界面26、28由电绝缘材料、在此由塑料构成。在分界面26、28上分别借助于粘合连接施加有第一和第二导电表面22、24。导电表面22、24被彼此电绝缘地布置，并且不仅相对于各自的电池单体10、12、14、16，而且也相对于各相邻的电池单体10、12、14、16的分别相对置的导电表面22、24电绝缘。在这种情况下提出，在相邻的电池单体10、12、14、16的相对置的导电表面22、24之间分别设置有由绝缘材料、在此由聚酰胺构成的电绝缘的膜44。在本实施方案中提出，分界面26、28以及相邻的电池单体10、12、14、16的各自的导电表面22,24直接通过各自的绝缘膜44彼此邻接。
通过未示出的电接线，相应电池单体10、12、14、16的导电的表面22、24连接在相应的电池单体10、12、14、16的监控设备36上。该相应的监控设备36提供了电压发生器以及未进一步示出的分析单元，利用该分析单元能够确定相邻的电池单体10、12、14、16的相对置的导电表面22、24的电压加载效应。图1的实施方案中未示出电压发生器，其以电压脉冲加载相邻的电池单体10、12、14、16的分别成对相对置的导电表面22、24。通过同样未示出的开关设备，电压脉冲可以施加到任意相对置的导电表面22、24上。
监控设备36促发电压发生器向分别选出的一对导电表面22、24上施加相应的电压。电池单体10、12、14、16的各监控设备36通过近场无线电彼此通信连接，在此根据WLAN标准。替代于此，可以在另一实施方式中还设置导线连接的通信连接，例如如果通过无线电的可靠通信连接由于边界条件不被允许的话。此外，当然还可以取代无线电使用其它媒介实施无线通信连接，例如基于超声波、红外线等。还可以使用它们的组合。
各监控设备36通过通信连接交换其数据。由此能够基于电压加载确定电流作为由于电压作用产生的电参量，从中然后基于分析确定状态参量。在此，该状态参量是在电池20或电池单体10、12、14、16的生命周期中的体积变化。各监控设备36此外还与电池管理系统42通信连接，该电池管理系统本身连接在机动车的未示出的CAN总线上。
为此目的，本发明利用对由相邻的电池单体10、12、14、16的相对置的导电表面22、24构成的平行极板电容器的电容的确定。通过主动确定其在电池单体10、12、14、16之间的电容，能够一方面反推出在电池单体10、12、14、16之间的绝缘膜44的质量。在此该电容基本上通过导电表面22、24的间距以及通过绝缘膜44构成的绝缘体限定。另一方面可以视情况推断出在生命周期中的电池单体10、12、14、16的体积变化特性、尤其是膨胀特性或者推断出在电池单体10、12、14、16之间的绝缘膜44的可能的变化，以及能够主动进行检测、测量和控制。
通过电池单体10、12、14、16之间的电容耦合还可以确定电池单体10、12、14、16之间的距离，从而在考虑其它邻近电池单体的情况下由此推导出相应电池单体10、12、14、16的体积变化。此外，相应的电池单体10、12、14、16的内部压力也能够由此确定得出。
此外，本发明允许通过电容确定来推断出在电池单体10、12、14、16之间的力发展。
此外，还能够结合对电池单体10、12、14、16的主动平衡和结合电容确定来根据本发明推断出传输的能量、功率损耗、作用效率等。
图1中示出了借助于椭圆形的圈46在相应的分解面26、28上示出了这种膨胀。基于该膨胀产生力，该力被以力箭头50表示。通过该膨胀，相邻的电池单体10、12、14、16的导电表面22、24之间的电容变化，从而借助于各自的监控设备36能够确定相应的电容变化。所确定的电容变化能够如之前所述那样被考虑用于确定相应的状态参量。
图2示出了本发明的一种实施方案的示意性电路图，其基于根据图1的原理，在此，与图1的实施方式不同，分界面26、28由金属板作为壳体40提供。此外示出了一个另外的单体电池18，其设计与其他单体电池10、12、14、16一样。在此，电池单体10、12、14、16中的相应的电池单体的导电表面22、24分别彼此导电连接并且通过绝缘膜44与相邻的电池单体10、12、14、16、18的相应的导电表面22、24电绝缘地布置。在此壳体40也连接在相应的监控设备36上，监控该设备在此不仅用于分析，而且也额外用于检测相应电池单体10、12、14、16、18的其它状态参量。在此，各监控设备36同样通过近场无线电彼此通信连接并且同样通过无线电与电池管理系统42通信连接，该电池管理系统本身连接在机动车的未示出的CAN总线上。
在根据图2的实施方式中，壳体40与电极和其各自的电池单体10、12、14、16、18的接线触点电绝缘地布置。
即使在此根据图2设置壳体40相对于电极或相应电池单体10、12、14、16、18的电接线触点电绝缘，也当然能够在一种替代方案中提出，电极之一与壳体导电连接。在此情况下于是可以在壳体40上如图1所述那样设置相应的导电表面22、24。
导电表面原则上可以通过向相应的分界面26、28上施加金属喷镀实现。此外，当然还能够通过向相应的分界面26、28上施加或者固定导电膜提供导电表面22、24。例如可以设置金属膜或导电的塑料膜来形成导电表面22、24。该膜优选被粘接或类似地固定到相应的分界面26、28上。当然还可以使用其组合。
图3示出了本发明的另一实施方式，其中在图3中以示意性透视图示出了具有电池单体10、12、14的电池20的局部截面图。原则上图3的实施方式基于图1的实施方式，因此就实施方式补充地参照于根据图1的实施例。下面仅就与图1的上述实施例的不同之处加以说明。
区别于图1的实施例，在图3的实施例中规定，导电表面22、24被分区并且形成多个彼此电绝缘的表面区域34。导电表面在此以附图标记30和32示出。原则上其相当于图1的所述的导电表面22、24。
导电表面区域34彼此电绝缘布置。在此提出，每个表面区域34都单独连接在电压发生器的电位上。因此可以选择表面进行状态参量的确定。尤其是可以选择表面进行电容确定，从而能够整体上实现在分界面26、28的表面中的位置辨识。由此能够准确确定体积变化、尤其是膨胀的几何形状，尤其能够改进确定相应状态参量的准确性。
由此本发明尤其实现了，在启用时开始就确定相应的老化状态并且由此确定要更换电池20的相应的电池单体10、12、14、16、18的相应的更换状态。由此能够确定和/或监控电池20或电池单体10、12、14、16、18的质量状态。
虽然本发明借助电池或机动车进行论述，但技术人员而言不言而喻的是，本发明的使用方案并不局限于这些使用方案。本发明当然还可以使用在静止的电设备中，尤其是应用在电控制设施中。正是在此本发明的优点表现明显，尤其是当本发明用于不间断供电的情况时，尤其是用于与安全相关的功能时。这尤其在信号技术或通信技术中的电设备方面具有很大优势。
对实施例的说明仅用于阐述本发明而非对其加以限制。
就根据本发明的装置和根据本发明的机动车所述的优点和特征以及实施方式同样适用于相应方法，反之亦然。因此对于装置特征可以使用相应的方法特征，反之亦然。

Claims (11)

1.一种用于监控电池(20)的至少一个电池单体(10、12、14、16、18)的状态参量的方法，其中电池(20)包括至少两个彼此相邻布置的电池单体(10、12、14、16、18)，其中所述状态参量的改变影响电池单体或电池的几何形状，该方法具有以下步骤:
-在至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第一电池单体的分界面(26)上设置第一导电表面(22)，在至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第二电池单体的分界面(28)上设置第二导电表面(24)，其中,这些导电表面(22、24)彼此电绝缘地布置，
-在这两个导电表面(22、24)之间施加电压，
-分析由于电压作用产生的电参量，以及
-基于分析确定状态参量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所确定的状态参量与比较值相比较。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于分析确定导电表面(22、24)之间的电容和/或电阻。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电压由一个或多个电压脉冲形成。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电压由交流电压形成。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在电池(20)具有多于两个电池单体(10、12、14、16、18)的情况下，在所有相邻布置的电池单体(10、12、14、16、18)之间分别布置导电表面(22、24)，其中，根据监控规程选出要以电压加载的导电表面(22、24)。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，导电表面(30、32)由多个彼此电绝缘的表面区域(34)分区地构成，其中所述表面区域(34)彼此独立地被加载电压。
8.一种用于监控电池(20)的至少一个电池单体(10、12、14、16、18)的状态参量的监控设备(36)，其中电池(20)包括至少两个彼此相邻布置的电池单体(10、12、14、16、18)，其中所述状态参量的改变影响电池单体或电池的几何形状，其特征在于，监控设备(36)被设计成：在第一导电表面(22)和第二导电表面(24)之间施加电压，第一导电表面布置在至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第一电池单体的分界面(26)上，第二导电表面以与第一导电表面(22)电绝缘的方式布置在至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第二电池单体的分界面(28)上；分析由于电压作用产生的电参量以及基于该分析确定状态参量。
9.一种具有至少两个彼此相邻布置的电池单体(10、12、14、16、18)的电池(20)，其中所述电池单体的状态参量的改变影响电池单体或电池的几何形状，其特征在于，至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第一电池单体的分界面(26)包括第一导电表面(22)，至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第二电池单体的分界面(28)包括第二导电表面(24)，其中导电表面(22、24)彼此电绝缘地布置，其中电池(20)包括监控设备(36)，该监控设备被设计成，在这两个导电表面(22、24)之间施加电压，分析由于电压作用产生的电参量并且基于该分析确定状态参量。
10.根据权利要求9所述的电池，其特征在于，所述电池单体(10、12、14、16、18)分别布置在导电的壳体(40)中并且导电表面(22、24)由电池单体(10、12、14、16、18)的壳体(40)形成。
11.一种具有电驱动装置和连接到电驱动装置上的用于给电驱动装置供电的电设备的机动车，所述电设备包括电池(20)，电池包括至少两个彼此相邻布置的电池单体(10、12、14、16、18)，其中所述电池单体的状态参量的改变影响电池单体或电池的几何形状，其特征在于，至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第一电池单体的分界面(26)包括第一导电表面(22)，至少两个电池单体(10、12、14、16、18)中的第二电池单体的分界面(28)包括第二导电表面(24)，其中这些导电表面(22、24)彼此电绝缘地布置，其中电池(20)包括监控设备(36)，该监控设备被设计成，在这两个导电表面(22、24)之间施加电压，分析由于电压作用产生的电参量并且基于该分析确定状态参量。
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