CN107851857B - 电池单元和用于确定流经电池单元的电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池单元（100），其包括至少一个电池组电池（2），以及一个第一接线端子（51）和一个第二接线端子（52），至少一个第一开关元件（71）和至少一个第二开关元件（72），所述第一开关元件与电池组电池（2）串联，其中第一接线端子（51）与第一开关元件（71）连接并且与第二开关元件（72）连接，而且第二接线端子（52）与电池组电池（2）连接并且与第二开关元件（72）连接。在此，设置有第三接线端子（53），所述第三接线端子与第一开关元件（71）连接并且与电池组电池（2）连接。本发明也涉及一种用于确定流经按照本发明的电池单元（100）的电流（Id）的方法。在此，测量降落在闭合的开关元件（71、72）上的电压（U1、U2），而且根据所述闭合的开关元件（71、72）的所测量的电压（U1、U2）和电阻（R1、R2）来确定所述电流（Id）。

Description

电池单元和用于确定流经电池单元的电流的方法

技术领域

本发明涉及一种电池单元，所述电池单元包括至少一个电池组电池。本发明也涉及一种用于确定流经按照本发明的电池单元的电流的方法。

背景技术

能借助于电池组来存储电能。电池组将化学反应能转换成电能。在这种情况下，一次电池组和二次电池组不同。一次电池组只是一次性地有工作能力的，而也被称作蓄电池的二次电池组能重新被充电。在此，一个电池组包括一个或多个电池组电池。

在蓄电池中，尤其是所谓的锂离子电池组电池得到应用。所述锂离子电池组电池的特点尤其在于高能量密度。锂离子电池组电池尤其在机动车中投入使用，尤其是在电动车辆（Electric Vehicle，EV）中、混合动力车辆（Hybride Electric Vehicle，HEV）以及插电式混合动力车辆（Plug-In-Hybride Electric Vehicle，PHEV）中投入使用。

锂离子电池组电池具有也被称作阴极的正电极和也被称作阳极的负电极。阳极和阴极通过隔膜彼此分开。电极和隔膜由通常液态电解质包围。两个电极借助于集电器与电池组电池的极电连接，所述极也被称作接线端子。

从WO 2014/086696 A2公知在供电线路中串联的存储模块。在此，每个存储模块都包括一个电池组电池、两个接线端子以及至少两个开关元件。开关元件被布置并且能被操控为使得电池组电池被接到接线端子之间或者电池组电池被跨接。

类似的模块也从出版文献DE 10 2010 027 857 A1和DE 10 2010 027 861 A1得知。

对于不同的应用来说，了解流经电池组电池或流经电池单元的电流是必要的或有利的。为此，在现有技术中公知多种方法，例如借助于分流电阻或者霍尔传感器。

从US 2008/0278116 A1公知的是，借助于降落在半导体器件上的电压来确定流经电池组的电流。

从JP 2001-339869公知一种类似的用于借助于降落在半导体器件上的电压确定流经电池组的电流的方法。

发明内容

提出了一种电池单元，所述电池单元包括至少一个电池组电池以及一个第一接线端子和一个第二接线端子、至少一个第一开关元件和至少一个第二开关元件，所述第一开关元件与电池组电池串联。在此，第一接线端子与第一开关元件连接并且与第二开关元件连接，而第二接线端子与电池组电池连接并且与第二开关元件连接。

开关元件与电池组电池的所述布置允许：通过操控开关元件使电池组电池接到第一接线端子与第二接线端子之间，或者使在电池单元中的电池组电池跨接。开关元件优选地是场效应晶体管。但是，也可设想的是其它开关元件。

按照本发明，设置有第三接线端子，所述第三接线端子与第一开关元件连接并且与电池组电池连接。因此，第一开关元件电地布置在电池单元的第一接线端子与第三接线端子之间。

通过第三接线端子，在第一开关元件上的电压测量是可能的。附在第一开关元件上的电压对应于附在电池单元的第一接线端子与第三接线端子之间的电压。因此，通过测量附在闭合的第一开关元件上的电压（所述电压被称作第一电压），并且在了解闭合的第一开关元件的电阻的情况下，能确定流经闭合的第一开关元件的电流。流经闭合的第一开关元件的电流对应于流经电池组电池的电流。

附在第二开关元件上的电压对应于附在电池单元的第一接线端子与第二接线端子之间的电压。因此，通过测量附在闭合的第二开关元件上的电压（所述电压被称作第二电压），并且在了解闭合的第二开关元件的电阻的情况下，能确定流经闭合的第二开关元件的电流。在此，流经闭合的第二开关元件的电流对应于与电池组电池并行地流动的电流。

因而，有利地，设置用于测量在电池单元的第一接线端子与第三接线端子之间的第一电压的装置。此外，有利地，设置用于测量在电池单元的第一接线端子与第二接线端子之间的第二电压的装置。

按照本发明的一个有利的扩展方案，设置计算单元，所述计算单元被设立为：根据闭合的开关元件的所测量的电压和电阻来确定流经电池单元的电流。

根据闭合的第一开关元件的所测量的第一电压和第一电阻，能确定流经电池组电池的电流。根据闭合的第二开关元件的所测量的第二电压和第二电阻，能确定与电池组电池并行地流动的电流。视开关元件的位置而定，流经电池单元的电流对应于流经电池组电池的电流或者与电池组电池并行地流动的电流。

按照本发明的一个有利的设计方案，计算单元也包括用于确定闭合的开关元件的电阻的模型、尤其是在考虑附在开关元件上的控制电压和/或开关元件的温度和/或开关元件的其它物理参数的情况下确定闭合的开关元件的电阻的模型。

如果开关元件例如是场效应晶体管，那么闭合的开关元件的电阻不是恒定的，而是与多个因素有关、尤其是与附上的控制电压以及与开关元件的温度有关。

也提出了一种用于确定流经按照本发明的电池单元的电流的方法。在此，测量降落在电池单元的闭合的开关元件上的电压，而且根据闭合的开关元件的所测量的电压和电阻来确定电流。在此，得到电流作为闭合的开关元件的所测量的电压与电阻之商。在此，流经闭合的开关元件的电流对应于流经电池单元的电流。

尤其是，当开关元件是场效应晶体管时，有利地，在考虑附在开关元件上的控制电压以及开关元件的温度和/或开关元件的其它物理参数的情况下确定闭合的开关元件的电阻。在场效应晶体管的情况下，闭合的开关元件的电阻不是恒定的，而是与多个因素有关、尤其是与附上的控制电压以及与开关元件的温度有关。

因而，有利地，在计算单元中确定电流以及闭合的开关元件的电阻，所述计算单元包括用于确定闭合的开关元件的电阻的模型。在此，除了附上的控制电压和开关元件的温度之外，该模型也还可以考虑其它因素，用于确定闭合的开关元件的电阻。

优选地，所测量的电压的模拟值被转换成数字值，所述数字值接着被传输到计算单元。但是，也可设想的是将所测量的电压的模拟值传输到计算单元。

有利地，也进行对计算单元的校准。为了校准计算单元，传导校准电流经过电池单元。在此，在计算单元中确定闭合的开关元件的电阻以及流经闭合的开关元件的电流。由计算单元确定的电流接着与校准电流进行比较。在所确定的电流与校准电流有偏差时，修改用于确定闭合的开关元件的电阻的模型。必要时，多次重复地执行校准。在此，一直重复用于校准计算单元的步骤，直至不再能测量到由计算单元确定的电流与校准电流的显著偏差。

优选地，校准电流是电池单元的充电电流。电池单元的充电电流的大小例如可以通过电池组系统中的测量装置或者通过充电装置中的测量装置来确定而且通过计算单元中的通信装置来提供。电池单元的充电电流的大小因此是公知的并且因此可以由计算单元来处理。

如果电池组电池接到第一接线端子与第二接线端子之间，那么流经电池单元的电流对应于流经电池组电池的电流、即流经第一开关元件的电流。如果在电池单元中的电池组电池跨接，那么流经电池单元的电流对应于与电池组电池并行地流动的电流、即流经第二开关元件的电流。因此，通过相对应地操控开关元件，可以针对两个开关元件执行校准。

通过改变开关元件的电阻可以监控开关元件的老化。接着，在识别出开关元件的有威胁的早期失灵的情况下，可以引入安全措施，尤其是切断电池组电池和/或切断被分配给开关元件的电池组模块和/或电池组系统和/或更换开关元件。

有利地，按照本发明的电池单元以及按照本发明的方法在电动车辆（EV）中、在混合动力车辆（HEV）中、在插电式混合动力车辆（PHEV）中或者在消费电子产品中得到应用。消费电子产品尤其能被理解为移动电话、平板PC或者笔记本电脑。应用情况的其它示例包含能量供应装置，如太阳能设施或静止的能量存储装置。

本发明的优点

通过对电池单元的按照本发明的设计方案以及通过按照本发明的用于确定流经电池单元的电流的方法，比较简单的电流测量是可能的。尤其是，不需要附加的装置，诸如分流电阻或霍尔传感器。

尤其是当场效应晶体管或其它半导体开关被用作开关元件时，借助于校准也能补偿在构件中的偏差。同样，可以补偿构件的由老化造成的变化对测量方法的影响。在电池单元的正常运行期间可以执行校准。不需要使用外部校准设备。同样，不需要具有相对应的时间花费的特殊的维护用于校准。

此外，利用上面示出的校准方法可能的是，监控开关的长期的变化并且因此及早地识别出开关的有威胁的失灵。在重复的校准的情况下公知的是，开关的电阻R随着使用寿命的推移如何变化。由此，可以推断出构件的老化的速度，可以及早地识别出半导体开关的有威胁的失灵，而且可以在构件的有威胁的失灵的情况下在系统层面上引入应对措施，例如电池组电池的永久的旁路或者对电池组系统的维修。

附图说明

本发明的实施方式依据附图和随后的描述进一步予以阐述。

其中：

图1示出了电池组电池的示意图；

图2示出了具有来自图1的电池组电池的电池单元的示意图；而

图3示出了具有来自图2的多个电池单元的供电线路的示意图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了电池组电池2。电池组电池2包括电池外壳3，所述电池外壳棱柱形地、在本情况下方形地来构造。电池外壳3在本情况下导电地来实施而且例如由铝制成。但是，电池外壳3也可以由电绝缘材料、例如塑料制成。同样，其它电池形式是公知的，例如圆形电池、软包电池、特定的结构形式，本发明同样可以应用到所述特定的结构形式上。

电池组电池2包括负接线端子11和正接线端子12。通过接线端子11、12可以量取由电池组电池2提供的电压。此外，电池组电池2也可以通过接线端子11、12来充电。接线端子11、12彼此间隔开地布置在电池外壳3的覆盖面上。同样，接线端子11、12之一或者多个接线端子11、12可以直接由电池外壳3的导电表面形成。

在电池组电池2的电池外壳3之内布置有电极绕组，所述电极绕组具有两个电极、即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别薄膜状地来实施并且在隔膜18的中间层的情况下缠绕成电极绕组。也可设想的是，在电池外壳3中设置多个电极绕组。替代电极绕组，例如也可以设置电极堆。

阳极21包括阳极活性材料41，所述阳极活性材料薄膜状地来实施。此外，阳极21还包括集流体31。阳极活性材料41和阳极21的集流体31彼此电连接。

阳极21的集流体31导电地来实施并且例如由铜制成。阳极21的集流体31与电池组电池2的负接线端子11电连接。

阴极22包括阴极活性材料42，所述阴极活性材料薄膜状地来实施。此外，阴极22还包括集流体32。阴极活性材料42和阴极22的集流体32彼此电连接。

阴极22的集流体32导电地来实施并且例如由铝制成。阴极22的集流体32与电池组电池2的正接线端子12电连接。

阳极21和阴极22通过隔膜18彼此分开。隔膜18同样薄膜状地来构造。隔膜18电绝缘地来构造，但是能传导离子、即对于锂离子来说是能透过的。

电池组电池2的电池外壳3用电解质15、例如用液态电解质或者用聚合物电解质来填充。在此，电解质15包围阳极21、阴极22和隔膜18。电解质15也能传导离子。

在图2中示意性地示出了电池单元100。电池单元100包括在图1中示出的电池组电池2以及第一开关元件71和第二开关元件72。第一开关元件71与电池组电池2串联。第二开关元件72与由第一开关元件71和电池组电池2构成的串联电路并联。替代单个的电池组电池2，电池单元100也可以包括多个电池组电池2，所述多个电池组电池优选地串联。

电池单元100包括第一接线端子51、第二接线端子52和第三接线端子53。第一接线端子51与第一开关元件71连接并且与第二开关元件72连接。第二接线端子52与电池组电池2连接并且与第二开关元件72连接。第三接线端子53与第一开关元件71连接并且与电池组电池2连接。

开关元件71、72在本情况下是自截止型n沟道场效应晶体管（增强型），所述自截止型n沟道场效应晶体管分别具有栅极G、漏极D和源极S。在栅极G与源极S之间施加控制电压时，在源极S与漏极D之间的电阻降低，由此开关元件71、72闭合。但是，也可设想的是其它类型的开关元件，尤其是其它晶体管、集电器或者其它。

在本情况下，第一接线端子51与第一开关元件71的源极S连接并且与第二开关元件72的漏极D连接。第二接线端子52与电池组电池2的负接线端子11连接并且与第二开关元件72的源极S连接。第三接线端子53与第一开关元件71的漏极D连接并且与电池组电池2的正接线端子12连接。

开关元件71、72能通过施加相对应的控制电压来操控。如果第一开关元件71闭合而第二开关元件72断开，那么电池组电池2接到第一接线端子51与第二接线端子52之间。如果第二开关元件72闭合而第一开关元件71断开，那么在电池单元100中的电池组电池2跨接。

此外，电池单元100还包括这里未示出的用于测量在第一接线端子51与第三接线端子53之间的第一电压U1的装置以及用于测量在第一接线端子51与第二接线端子52之间的第二电压U2的装置。在此，第一电压U1对应于附在第一开关元件71的漏极D与源极S之间的电压。在此，第二电压U2对应于附在第二开关元件72的漏极D与源极S之间的电压。

电池单元100也具有计算单元80。计算单元80一方面用于借助于控制电压操控开关元件71、72，而且因而分别与开关元件71、72的栅极G连接。

计算单元80也用于确定流经电池单元100、即从第二接线端子52流到第一接线端子51的电流Id。为此，计算单元80包括数学模型82，用于确定闭合的第一开关元件71的电阻R1以及用于确定闭合的第二开关元件72的第二电阻R2。

在此，闭合的第一开关元件71的第一电阻R1是在闭合的第一开关元件71的漏极D与源极S之间的电阻。在此，闭合的第二开关元件72的第二电阻R2是在闭合的第二开关元件72的漏极D与源极S之间的电阻。

如果第一开关元件71闭合而第二开关元件72断开、即如果电池组电池2接到第一接线端子51与第二接线端子52之间，那么适用：

Id = U1 / R1

如果第二开关元件72闭合而第一开关元件71断开、即如果在电池单元100中的电池组电池2跨接，那么适用：

Id = -1 * U2 / R2。

此外，计算单元80还具有所提及的用于测量第一电压U1的装置以及用于测量第二电压U2的装置。也可设想的是，用于测量第一电压U1的装置以及用于测量第二电压U2的装置与计算单元80隔开地来布置。在这种情况下，所测量的电压U1、U2的值被传输到计算单元80，尤其是作为数字值被传输到计算单元80。

也可设想的是：所提到的计算不是在电池单元100之内的计算单元80中执行，而是通过例如在电池组模块层面或电池组系统层面上的其它计算单元或者在电池组系统之外的其它控制设备来执行。在这种情况下，所测量的电压U1、U2的值被传输到这样的其它计算单元，尤其是作为数字值被传输到这样的其它计算单元。

图3示出了具有多个在图2中示出的电池单元100的供电线路60的示意图。在此，在当前情况下，各个电池单元100串联，其中电池单元100的第一接线端子51分别与相邻的电池单元100的第二接线端子52连接。

如果电池单元100之一的电池组电池2接到第一接线端子51与第二接线端子52之间，那么供电线路60的最终得到的电压提高。如果在电池单元100之一中的电池组电池2跨接，那么供电线路60的最终得到的电压降低。

此外，可设想的是电池单元100的接线的其它形式，例如以并联电路来接线，为此，电池单元100的第一接线端子51分别与相邻的电池单元100的第一接线端子51连接，而电池单元100的第二接线端子52分别与相邻的电池单元100的第二接线端子52连接。同样可设想的是接线成混合的串联/并联电路的这些接线的组合。

在此，各个电池单元100的计算单元80通过数据总线62彼此连接以及与未示出的上级控制单元连接。数据总线62例如是CAN总线或LIN总线。

本发明并不限于这里描述的实施例以及其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求书所说明的保护范围内，多个变型方案都是可能的，所述变型方案都在本领域技术人员的处理范围内。

Claims (16)

1.电池单元（100），其包括至少一个电池组电池（2），以及一个第一接线端子（51）和一个第二接线端子（52），至少一个第一开关元件（71）和至少一个第二开关元件（72），所述第一开关元件与所述电池组电池（2）串联，其中所述第一接线端子（51）与所述第一开关元件（71）连接并且与所述第二开关元件（72）连接，而且

所述第二接线端子（52）与所述电池组电池（2）连接并且与所述第二开关元件（72）连接，

其中所述第一接线端子（51）与所述第一开关元件（71）的第一端连接并且与所述第二开关元件（72）的第二端连接，而所述第二接线端子（52）与所述电池组电池（2）的第二端（11）连接并且与所述第二开关元件（72）的第一端连接，

其特征在于，

设置有第三接线端子（53），

所述第三接线端子与所述第一开关元件（71）连接并且与所述电池组电池（2）连接，其中所述第三接线端子（53）与所述第一开关元件（71）的第二端连接并且与所述电池组电池（2）的第一端（12）连接。

2.根据权利要求1所述的电池单元（100），其特征在于，设置有用于测量在所述第一接线端子（51）与所述第三接线端子（53）之间的第一电压（U1）的装置和/或用于测量在所述第一接线端子（51）与所述第二接线端子（52）之间的第二电压（U2）的装置。

3.根据权利要求2所述的电池单元（100），其特征在于，设置有计算单元（80），所述计算单元被设立为：根据闭合的开关元件（71、72）的所测量的电压（U1、U2）和电阻（R1、R2）来确定流经所述电池单元（100）的电流（Id）。

4.根据权利要求3所述的电池单元（100），其特征在于，所述计算单元（80）包括用于在考虑附在开关元件（71、72）上的控制电压和/或所述开关元件（71、72）的温度和/或所述开关元件（71、72）的其它物理参数的情况下确定所述闭合的开关元件（71、72）的电阻（R1、R2）的模型（82）。

5.用于确定流经根据上述权利要求之一所述的电池单元（100）的电流（Id）的方法，其中测量降落在闭合的开关元件（71、72）上的电压（U1、U2），而且

根据所述闭合的开关元件（71、72）的所测量的电压（U1、U2）和电阻（R1、R2）来确定所述电流（Id）。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在考虑附在开关元件（71、72）上的控制电压和/或所述开关元件（71、72）的温度和/或所述开关元件（71、72）的其它物理参数的情况下确定所述闭合的开关元件（71、72）的电阻（R1、R2）。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在计算单元（80）中确定所述闭合的开关元件（71、72）的电阻（R1、R2）和所述电流（Id），所述计算单元包括用于确定所述闭合的开关元件（71、72）的电阻（R1、R2）的模型（82）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所测量的电压（U1、U2）的模拟值被转换成数字值，所述数字值被传输到所述计算单元（80）。

9.根据权利要求7至8之一所述的方法，其特征在于，为了校准所述计算单元（80），

传导校准电流经过所述电池单元（100），

确定所述闭合的开关元件（71、72）的电阻（R1、R2）和所述电流（Id），而且

在所确定的电流（Id）与所述校准电流有偏差时修改所述模型（82）。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述校准电流是所述电池单元（100）的充电电流。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过所述开关元件（71、72）的电阻（R1、R2）的变化来监控所述开关元件（71、72）的老化，而且在识别出所述开关元件（71、72）的有威胁的早期失灵的情况下引入安全措施。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述安全措施是切断所述电池组电池（2）和/或切断被分配给所述开关元件（71、72）的电池组模块和/或电池组系统和/或更换所述开关元件（71、72）。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过所述开关元件（71、72）的电阻（R1、R2）的变化来监控所述开关元件（71、72）的老化，而且在识别出所述开关元件（71、72）的有威胁的早期失灵的情况下引入安全措施。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述安全措施是切断所述电池组电池（2）和/或切断被分配给所述开关元件（71、72）的电池组模块和/或电池组系统和/或更换所述开关元件（71、72）。

15.根据权利要求1至4之一所述的电池单元（100）和/或根据权利要求5至14之一所述的方法的应用，所述应用在电动车辆（EV）中、在混合动力车辆（HEV）中、在插电式混合动力车辆（PHEV）中或者在消费电子产品中或者在能量供应装置中应用。

16.根据权利要求15所述的应用，其中所述能量供应装置是太阳能设施或者静止的能量存储装置。

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