CN107258033B - 电池单体的荷电状态的调节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于调节电池单体的荷电状态的方法，该电池单体在电气方面并联连接地运行，该方法具有下列步骤：‑确定电池单体的荷电状态，‑根据可预先规定的选择标准选出荷电状态要被调节的电池单体，‑分别借助电池单体的半导体开关激活被调节的电池单体并且借助相应其余的电池单体的半导体开关去激活其余的电池单体，‑对荷电状态进行调节并且监测该荷电状态，以及‑在通过激活的电池单体达到预先规定的荷电状态时结束对荷电状态的调节。

Description

电池单体的荷电状态的调节

技术领域

本发明涉及一种用于调节电池单体的荷电状态的方法，电池单体并联地运行。本发明也涉及一种用于该方法的装置以及尤其用在机动车中的具有多个电池单体的电池，电池单体在电气方面并联连接。

背景技术

用于调节在电气方面并联连接运行的电池单体的荷电状态的方法以及装置基本是已知的，从而对此无需单独的文献证据。这种电池单体或电池通常应用在高电压电池系统中，例如应用在可电驱动的机动车等中。在电串联的电池单体中已知的是，需要进行电池单体的电荷平衡，以便以这种方式降低串联电池单体的不同荷电状态。该过程也称为平衡。为此，在电串联的电池单体中分别将可切换的电阻与每个单个的电池单体并联。该电阻可选择性地被激活，以便能够调整各个电池单体的荷电状态。为此，分别地检测电池单体的相应荷电状态并且相应地激活电阻。

对于电并联的电池单体不可使用前述方法。在此，为了能够达到各个电池单体之间的电荷匹配，需要根据电路技术从组合中切断相应的电池单体并且借助放电装置或充电装置充电或放电至预先规定的荷电状态。这种方法非常复杂。因此在并联的电池单体中的平衡不是很普遍。

电并联的电池单体的特点在于，电并联的所有电池单体基本被加载相同的电压。如果在各个电池单体中相对于其各自的单个的开路电压已经具有微小的电压差，则在联接成并联电路的时刻流过相应的补偿电流。补偿电流通过相关电池单体的相应内阻以及通过在电池单体的连接触点和用于建立并联电路的电连接部之间的过渡电阻限定。通常地，电池单体的内阻非常小并且经常处于几毫欧姆范围中，甚至更低。该效果通过以下方式被加强，即，电并联的不同电池单体大多具有相对于开路电压很微小的电压差。因此，在相同的结构形式中电池单体的相应荷电状态可彼此不同。由此可进一步加强前述效应。

电池单体是具有两个电极的装置，两个电极彼此以电化学方式相互作用。相互作用可在附加地借助电解液的作用下进行。也称为电单体的电池单体优选其功能可逆，例如其应用在呈蓄电池形式的电池中。由于电极的电化学相互作用在电极上产生电池单体化学专用的直流电压，其通过相应电池单体的与电极连接的连接触点提供。

在电池之内，各个电池单体通常借助汇流排等使电导体以期望的连接方式彼此导电连接，以便能够在电池的连接极上提供期望的直流电压，该直流电压具有同样期望的负荷能力。这种电池例如用作机动车领域中的铅酸电池、航空领域中的镍镉电池以及应用在无间断供电的情况下，在家用小电器领域中的锂离子电池和/或此类，但是最近也应用在电驱动的车辆中。

可电驱动的机动车通常包括具有电池的电气设备以及连接在电气设备上的驱动装置。这种机动车例如是电动汽车、既能够借助电驱动装置也能够借助内燃机驱动的混合动力车辆或此类。电池在这种机动车中通常实施成高电压电池系统。

在应用于机动车的高电压电池系统中的情况下，由于之前所述的补偿电流而产生能量损耗，该能量损耗会有损于机动车的行程长度。关于电池单体而言，使得性能更好的电池单体的负荷提高，因此其加速老化。在此也在总体上降低了电并联的电池单体的运行可用性，该电池单体是电池的一部分。对此已经证实特别不利的是，不能基于并联电路实现能量均衡从而产生在各个电池单体之间的均衡荷电状态。对于具有这种电池单体的并联电路的电池产生较高的损耗功率，该损耗功率还可造成整个电池的提前老化。同时存在功率较低的电池单体过载的危险。

发明内容

本发明的目的是，提供用于调节在电气方面并联连接运行的电池单体的荷电状态的方法和装置以及一种电池，通过该方法、装置和电池能够减少前述问题。

作为解决方案，本发明建议根据本发明的用于调节电池单体的荷电状态的方法以及根据本发明的用于调节电池单体的荷电状态的装置。最后建议根据本发明的电池。

通过本发明尤其提出这种类型的方法，即，该方法包括下列步骤：

-确定电池单体的荷电状态，

-根据能预先规定的选择标准选出荷电状态要被调节的电池单体，

-分别借助电池单体的半导体开关激活要被调节的电池单体并且借助相应其余的电池单体的半导体开关去激活其余的电池单体，

-对荷电状态进行调节并且监测该荷电状态，以及

-在激活的电池单体达到预先规定的荷电状态时结束对荷电状态的调节。

在装置方面，对于这种类型的装置尤其规定，该装置构造成用于确定电池单体的荷电状态，根据可预先规定的选择标准选出荷电状态要被调节的电池单体，分别借助电池单体的半导体开关激活荷电状态要被调节的电池单体，并且借助相应其余电池单体的半导体开关去激活其余电池单体，对荷电状态进行调节并且监测荷电状态，并且在激活的电池单体达到预先规定的荷电状态时结束对荷电状态的调节。

在电池单体方面尤其提出，电池具有用于调节电池单体的荷电状态的装置，其构造成，确定电池单体的荷电状态，根据可预先规定的选择标准选出荷电状态要被调节的电池单体，分别借助电池单体的半导体开关激活荷电状态要被调节的电池单体，并且借助相应其余电池单体的半导体开关去激活其余电池单体，对荷电状态进行调节并且监测荷电状态，并且在激活的电池单体达到预先规定的荷电状态时结束对荷电状态的调节。

因此，通过本发明首次能够以可预先规定的方式影响以并联连接运行、即在电气方面并联连接的电池单体的荷电状态。尤其可以期望的方式调节电池单体的相应荷电状态。因此，本发明的方法不仅适合应用在结构相同的电池单体的并联电路中，而且同时也可有利地应用在电池单体具有不同容量和/或类似情况。本发明的方法实现了动态调整，从而能够使电池单体尽可能最佳地运行。由此可使电能的可用性最大化和/或降低老化。在本发明中，荷电状态提供了存储在相应电池单体中可用的电荷的值。容量状态与此不同，容量状态的值是指在电池单体中能够可逆地存储的最大电荷量。

本发明使得能够主动地平衡电并联的电池单体，确切地说，借助可切换的电池单体，即具有半导体开关的电池单体，通过半导体开关可激活或去激活电池单体。借助半导体开关可建立在电极和对应的连接触点之间的可切换的电连接。在本公开中，半导体开关是可控的电子开关元件，例如晶体管、晶闸管、它们的组合电路，尤其具有并联的空载二极管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)，优选具有集成空载二极管等。

优选集成地布置到相应的电池单体中的半导体开关能够通过相应的电池单体控制单元来控制。为此，半导体开关优选在切换运行中运行。

半导体开关的切换运行是指，在接通状态下在半导体开关的形成断路间隔/触点间隙(Schaltstrecke)的连接端之间提供非常小的电阻，从而在剩余电压非常小的情况下实现高电流。在断开状态下，半导体开关的断路间隔具有高电阻，即，断路间隔提供高电阻，从而即使在断路间隔上施加高电压的情况下也基本不存在或仅存在很小的、尤其可忽略的电流。然而直线运行与此不同，其通常不用在半导体开关中。

本发明首先规定，确定电并联的电池单体的荷电状态。为此可设置单独的荷电状态检测电路，其或者同时地或者可选地确定电池单体的荷电状态。此外，当然也可在电池单体内部设置电池单体控制单元，其检测电池单体的相应荷电状态。优选地，电池单体控制单元彼此通信连接，尤其通过无线连接，如无线电、超声波、红外线等通信连接。当然也可设置有线连接，例如在使用基于端口协议的通信网络的情况下设置有线连接。此外可设置电池管理系统，其与电池单体控制单元通信连接并且向该电池管理系统传送相应的电池单体的荷电状态。

然后选择应调节荷电状态的电池单体。根据可预先规定的选择标准进行选择。该选择标准例如可以是存储有具有电池单体的电荷组合的表格并且将相应的选择与电荷组合对应起来的文件。如果选出应调节荷电状态的电池单体，作为下一步激活要被调节的电池单体，确切地说在接通电池单体的相应半导体开关的情况下。其余电池单体借助其半导体开关相应地被去激活。半导体开关优选集成地布置到相应的电池单体中。

通过激活相应的电池单体来调节荷电状态。对此优选地，监测荷电状态。这又借助电池单体控制单元实现。

在激活的电池单体达到预先规定的荷电状态时结束对荷电状态的调节。调节优选包括对激活的电池单体的荷电状态的均衡。结束可例如通过电池管理系统完成，但是也可通过在电池单体侧的电池单体控制单元完成。已证实特别有利的是，在电池单体侧本身调节荷电状态。预先规定的荷电状态优选是激活的电池单体基本具有相同的荷电状态的荷电状态。但是尤其在激活的电池单体具有不同的结构类型或容量时也可是不同荷电状态。

该方法不仅限于两个单个电池单体的可选运行，而是也可在多个电池单体的情况下尤其同时地使用。例如可设置成，在节拍运行模式中持续地接通电池单体，例如为电荷平衡提供能量的电池单体和相应接收电荷的另一电池单体。由此可实现电荷平衡的特别高的效率。当然也可使该情况相反地设置。

根据一个改进方案提出，激活的电池单体的至少一个半导体开关在节拍运行模式中运行。节拍运行模式是切换运行的特殊运行状态，在该运行模式中，晶体管根据时钟信号周期性地或非周期性地接通和断开。节拍运行模式可规定，以预先规定的频率接通和断开半导体开关。对此，在接通状态以及断开状态之间的占空比可变并且能根据相应的电池单体的荷电状态和/或老化状态来调整。此外，当然存在以下方案，即，并联的电池单体具有不同的容量，使得根据相应的容量差调节占空比。

根据一个改进方案提出，在激活的电池单体多于两个时，使至少两个电池单体的半导体开关在时分复用模式中运行。该运行模式规定，至少两个电池单体不是同时地与另一电池单体导电连接。由此可在总体上进一步优化能量分布和电荷平衡。这例如在使用电池单体来尽可能同时地为另两个电池单体充电时是有利的。

根据另一设计方案提出，通过调节荷电状态将电池单体的荷电状态调节到电池单体的荷电状态彼此间相差小于可预先规定的值、尤其彼此间相差小于百分之5的荷电值上。优选地，首先确定平均荷电值。对此检测所有电池单体的荷电值。此时可基于该平均荷电值，通过比较相应单个电池单体的各个单个荷电值与平均荷电值得出，应给相应电池单体中的哪一个放电或充电以及输入或输出多少电荷。然后能够给具有比平均荷电值更大的荷电值的电池单体放电，其中，通过根据本发明的方法将电荷传递到具有比先前确定的平均荷电值更低的荷电值的电池单体。已证实特别有利的是，各个电池单体的荷电值差异小于百分之5。此时可确保包括电池单体的电池的良好运行可用性。

本发明的另一设计方案规定，确定至少一个电池单体的老化状态并且在考虑老化状态的情况下调节荷电状态。例如可规定，获取电池单体的当前可用的电荷容量。这例如可为检测当前荷电状态的基础，该荷电状态此时在总体上用于执行根据本发明的方法。由此可针对电池单体地实现对荷电状态的调节。此外，可将可用的电荷容量与开始运行时的容量和/或与制造商提供值相比较。比较结果例如可作为补充用于调节荷电状态。此外也能够检测内阻及内阻值以用于执行该方法。内阻值可随着电池单体的老化的增加而改变，尤其是提高。由此能够在总体上降低相应电池单体的荷载及其进一步老化。

此外建议，检测至少一个电池单体的功能可用性并且在该至少一个电池单体缺少功能可用性时去激活该至少一个电池单体。由此可实现包括电池单体的电池能够在应急运行中继续运行。由此能够进一步避免在规定运行期间的危险状态。

此外建议，选择标准规定，基于多个、优选所有的电池单体确定平均荷电值，并且选择至少一个荷电值大于平均荷电值的电池单体和荷电值小于平均荷电值的电池单体。这实现了本发明的方法的另一有利的调整方案。

此外提出，在考虑另一电池单体的非电物理参量的情况下运行电池单体的半导体开关。非电物理参量例如可为电池单体的压力、电池单体的温度、电池单体的电解液的比重和/或类似此种。由此可进一步改进本发明的方法的可靠性并且利用电池单体专有的特性来优化规定的运行。例如可根据参量选择时钟频率或占空比，以便能够实现尽可能有效地调节荷电状态。例如占空比可在节拍运行模式中随着另一激活的电池单体的温度的增加而降低。

附图说明

根据下面参考附图对实施例的描述得出其他优点和特征。在附图中相同的附图标记表示相同的特征和功能。

其中：

图1以示意性的电路图示出了根据现有技术的电池的四个并联的电池单体，

图2示出了根据本发明的具有集成的半导体开关的电池的四个并联的电池单体，以及

图3以示意性的电路图示出了根据图2的电池的电池单体。

具体实施方式

图1以示意性的电路示出了电池10的四个并联的电池单体12、14、16、18，其中，电池单体未示出的正极借助汇流排20导电地连接。电池单体12、14、16、18的负极相应地通过汇流排22导电地连接。根据模型示意图示意性地所示，电池单体12、14、16、18中的每一个具有内电阻24以及电压源26。根据电池单体12、14、16、18的电化学特性在考虑各自的结构构造的情况下得出内电阻24和电压源26的值。

在电池单体12、14、16、18的并联电路中，电压源26的微小的电压差已经足以使得在安装期间流过大的补偿电流。这不仅会造成危险状态，而且还导致电池单体12、14、16、18的荷载不等，从而在电池单体12、14、16、18具有相同的物理特性时，电池10不能提供最佳可能的运行可用性。

尤其由于并联电路和稍有不同的物理特性产生电池单体12、14、16、18的不均衡的荷电状态。这导致在按规定运行电池10时不均匀的负荷。可能加速老化并且可能使功率较小的电池单体过载。总体上降低了性能和使用寿命。

图2在此示出了根据本发明的具有并联的电池单体32、34、36、38的电池30。电池单体32、34、36、38的正极又借助汇流排20导电地连接。相应地，电池单体32、34、36、38的负极借助汇流排22导电地连接。在此，在电池单体32、34、36、38的每一个中设置内电阻24以及电压源26，其如关于图1所述地构建各个电池单体32、34、36、38的功能。

补充地，在电池单体32、34、36、38中半导体开关42、44、46、48与内电阻24和电压源26串联连接，借助半导体开关可激活或去激活各个电池单体32、34、36、38。为此，使半导体开关42、44、46、48以切换运行方式运行。由此能够可选地激活电池单体32、34、36、38。半导体开关42、44、46、48集成地布置在各个电池单体32、34、36、38中。

图3以示意性的电路图示出了电池单体中的单个电池单体、在此为电池单体32的放大图。如从图3可看出，电池单体32以串联连接的方式具有电压源26、内电阻24以及半导体开关42。该串联电路连接在负的连接触点54以及正的连接触点52上，确切地说，在连接触点52、54之间施加直流电压。

此外，从图3中可看出，电池单体32具有电池单体控制单元40，其连接在电压传感器单元50上。其他的电池单体也具有电池单体控制单元40和电压传感器单元50。借助电压传感器单元50可得出连接触点52、54上的电压。此外，电池单体控制单元40包括未单独示出并且连接在半导体开关42上的驱动电路。驱动电路用于在开关运行中驱控半导体开关42。电池单体控制单元40还具有发送/接收单元56，通过该发送/接收单元可建立到电池单体34、36、38的其他电池单体控制单元的通信连接。此外，通过发送/接收单元56可建立到未示出的电池管理系统的通信连接。在此设置成，基于无线电无线地建立通信连接。

在此，半导体开关42通过两个反向串联的MOSFETs构成，它们根据需要通过电池单体控制单元40的驱动电路控制。由此能够激活或去激活电池单体32。

还由图2可见，在当前示出的情况下半导体开关42和46是闭合的，而半导体开关44和48是打开的。因此去激活电池单体34和38。而电池单体32和36作为根据选择标准而选出的电池单体被激活。

在此，电池单体32的电压源26的电压U₁大于电池单体36的电压源26的电压U₃。选择标准在此规定，考虑电池单体的开路电压。开路电压可以是荷电状态的程度。以这种方式可通过激活电池单体32和36实现能量平衡。为此，可在各个电池单体控制单元40中存储切换算法，借助该切换算法可使半导体开关42、46在节拍运行模式中运行，以便能够实现负荷尽可能最小的能量平衡。

在现有技术中，在建立电池单体32、36之间的导电连接时，紧接在建立连接时有非常大的脉冲电流流过。借助半导体开关42和/或46的相应节拍运行模式可减轻该负荷。对此可使至少一个半导体开关在节拍运行模式中运行，而其他的半导体开关持续地被接通。通过合适的周期可平缓地将电荷从电池单体32传递到电池单体36。一旦电荷平衡消失，可通过接通其他电池单体的半导体开关44、48作为补充地激活其他的电池单体34、38，从而使电池30可用于其常规运行。可结束节拍运行模式并且持续地接通电池单体的半导体开关。

通过使电池单体32、34、36、38中的每一个具有电池单体控制单元40，可考虑其他的参量，以便调节相应的荷电状态。例如可考虑关于荷电状态、最大电流负荷、最大热负荷和/或类似方面的历史。由此可为每个电池单体优选实现对荷电状态的单独调节，从而能够实现尽可能最佳的、可靠的并且低维护的运行。

此外存在如下方案，即，通过有针对性地激活或去激活单个的电池单体有利地提高电池30的整体性能或使用寿命。尤其可实现在电池单体发生故障时借助其相应的半导体开关断开电池单体，从而可实现应急运行。此外可由此避免危险的情况。

即使借助机动车的电池阐述了本发明，但是本领域技术人员明白，本发明的应用不限于该应用。本发明自然也可用在固定的电气设备中、尤其也在配电设备领域中。在此尤其在本发明应用在无间断的供能、尤其与安全相关的功能方面时，此时本发明的优点恰好特别明显。这尤其在信号技术或通信技术中的电气设备中具有突出优点。

对实施例的描述仅用于说明本发明并且不对其限制。

对根据本发明的设备和根据本发明的机动车所说明的优点和特征以及实施例同样地适用于相应的方法，反之亦然。因此可为设备特征规定相应的方法特征，反之亦然。

Claims (13)

1.一种用于调节电池单体的荷电状态的方法，所述电池单体在电气方面并联连接地运行，其特征在于，所述方法具有下列步骤：

-确定所述电池单体的荷电状态，

-按照能预先规定的选择标准选出荷电状态要被调节的电池单体，

-分别借助要被调节的电池单体的半导体开关激活该电池单体并且借助其余的电池单体的半导体开关去激活相应其余的电池单体，

-对荷电状态进行调节并且监测所述荷电状态，以及

-在激活的电池单体达到预先规定的荷电状态时结束对荷电状态的调节。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，激活的电池单体的至少一个半导体开关在节拍运行模式中运行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在激活的电池单体多于两个时，至少两个电池单体的半导体开关在时分复用模式中运行。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过调节荷电状态将所述电池单体的荷电状态调节到使电池单体的荷电状态彼此间相差小于能预先规定的值。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定至少一个电池单体的老化状态并且在考虑所述老化状态的情况下调节荷电状态。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定至少一个电池单体的功能可用性，在该至少一个电池单体缺少功能可用性时去激活该至少一个电池单体。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述选择标准规定为，基于多个电池单体确定平均荷电值，以及选择出至少一个荷电值大于平均荷电值的电池单体和至少一个荷电值小于平均荷电值的电池单体。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在考虑另一电池单体的非电物理参量的情况下运行所述电池单体的半导体开关。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过调节荷电状态将所述电池单体的荷电状态调节到使电池单体的荷电状态彼此间相差小于5％的荷电值上。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述选择标准规定为，基于所有的电池单体确定平均荷电值。

11.一种用于调节电池单体的荷电状态的装置，所述电池单体在电气方面并联连接，其特征在于，所述装置构造成，确定所述电池单体的荷电状态，根据能预先规定的选择标准选出荷电状态要被调节的电池单体，分别借助电池单体的半导体开关激活荷电状态要被调节的电池单体，并且借助相应其余电池单体的半导体开关去激活其余电池单体，对荷电状态进行调节并且监测荷电状态，在激活的电池单体达到预先规定的荷电状态时结束对荷电状态的调节。

12.一种电池，所述电池具有多个电池单体，所述电池单体在电气方面并联连接，其特征在于，所述电池具有用于调节所述电池单体的荷电状态的装置，所述装置构造成，用于确定所述电池单体的荷电状态，根据能预先规定的选择标准选出荷电状态要被调节的电池单体，分别借助电池单体的半导体开关激活荷电状态要被调节的电池单体，并且借助相应其余电池单体的半导体开关去激活其余电池单体，对荷电状态进行调节并且监测荷电状态，在激活的电池单体达到预先规定的荷电状态时结束对荷电状态的调节。

13.根据权利要求12所述的电池，其特征在于，所述电池用在机动车中。

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