CN109923429A - 带电流传感器的双电压电池和用于双电压电池的校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆的双电压电池，该双电压电池包括：多个电池单体，其中，相应一组电池单体被连接成电池单体块；电池电子器件，电池电子器件带有多个功率开关元件以用于将至少一些电池单体块串联连接和/或并联连接，其中，在各电池单体块的第一连接布置中提供第一电压，以及其中，在第二连接布置中提供第二电压，其特征在于，至少一些电池单体块配设有带有测量电阻的块电流传感器，所述块电流传感器构造用于测量流过所配设的电池单体块的块电流。

Description

带电流传感器的双电压电池和用于双电压电池的校准方法
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的双电压电池，该双电压电池包括：多个电池单体，其中，相应一组电池单体被连接成一个电池单体块；电池电子器件，该电池电子器件带有多个功率开关元件以用于将至少一些电池单体块串联连接和/或并联连接，其中，在各电池单体块的第一连接布置中提供第一电压，以及其中，在各电池单体块的第二连接布置中提供第一电压和第二电压。
此外，本发明还涉及一种针对在双电压电池上的电流测量的校准方法。
背景技术
这种类型的双电压电池例如由DE102013113182A1和随后公开的德国专利申请102016116972.2已知。分别设有一组电池单体块，这一组电池单体块交替地彼此并联连接和串联连接以在双电压电池的连接点上提供较低的第一电压和较高的第二电压。
发明内容
本发明的任务是：提供一种双电压电池，该双电压电池具有用于监控电池电流的电流传感器；以及说明一种用于电流传感器的校准方法。
为了解决所述任务，本发明结合权利要求1前序部分的特征在于，至少一些电池单体块配设有带有测量电阻的块电流传感器，所述块电流传感器构造用于测量流过所配设的电池单体块的块电流。
当在传统的双电压电池中能通过电池总电流传感器在测量技术上检测和监控由电池总体上提供的电池总电流时，按本发明的双电压电池以有利的方式允许了：通过设置块电流传感器来单独检测和监控流过各个电池单体块的电流。由此获得有关各个电池单体块的功能状态、它们在运行中的负荷或荷电状态的详细信息，结果是：能可靠地监控和安全地运行所述双电压电池。例如可以识别到在电池单体块层面上的紧要的运行状态。在此，可以通过提供电池单体块的合适的布线连接改进对车辆中的安全紧要的电消耗器的安全供电。
按照本发明的一种优选的实施方式，在双电压电池的接地极上设有电池总电流传感器，该电池总电流传感器构造用于测量双电压电池的电池总电流。所述电池总电流在此定义成是块电流的总和，也就是说，流过电池单体块的电流的总和。由此有利地存在冗余地测量电池中的电流并且检查电流传感装置的功能的可能性。电池总电流传感器在接地极上的布置提供了较为简单的电流测量和评估的优点。
但电池总电流传感器备选地也可以设置在双电压电池的一个或多个连接点上。
按照本发明的一种扩展设计方案规定：电池总电流传感器的测量精度高于块电流传感器的测量精度。可以有利地通过设置有相应高的测量精度的电池总电流传感器来降低块电流传感器的测量精度并且安装利于成本的块电流传感器。于是总体上降低了用于双电压电池的成本耗费，其中，电池总电流传感器设置用于监控并且特别是用于校准块电流传感器。就此而言可以避免对电池单体块的监控质量的负面影响。
按照本发明的一种扩展设计方案，块电流传感器集成地设置在用于电池单体的电池单体监控装置中，其中，将在块电流传感器的测量电阻上的电压降和各个电池单体的电压输送给所述电池单体监控装置。块电流传感装置集成到用于电池单体块的电池单体的电池单体监控装置中，允许了一种用于实现块电流测量的在功能上集成的并且成本有利的可能性。尤其存在这样的可能性，即，预配置所述电池单体监控装置并且以很小的部件数量和较为简单的装配进一步降低用于双电压电池的成本。
按照本发明的一种扩展设计方案，将在电池单体块的各个电池单体上的电压和在块电流传感器的测量电阻上的电压降输送给采样保持电路。因此可以有利地同时测量电流和电压并且改进传感技术或监控。
按照本发明的一种扩展设计方案，这样设定用于块电流传感器的测量电阻，使得在该测量电阻上的电压降比配设给块电流传感器的电池单体块的各个电池单体的最大电压小10倍或更多倍。因此可以有利地特别精确地执行测量并且抵抗对双电压电池的功能的不允许的影响。
按照本发明的一种扩展设计方案，用于双电压电池的电池单体块的连接导体或者功率开关元件的内部电阻用作用于块电流传感器的测量电阻。因此有利地获得了按本发明的双电压电池的一种特别利于成本的实施方案。例如可以为测量电阻和特别是为连接导体配设温度传感器，通过该温度传感器能检测温度对测量结果的影响并且此外还能计算出温度的影响。
为了解决所述任务，本发明具有独立权利要求12的特征。按本发明的用于双电压电池的校准方法就此而言规定：在双电压电池的一种校准运行模式中，至少一个消耗器由双电压电池供能，所有未配设给块电流传感器的电池单体块借助功率开关元件分离，然后测量块电流和电池总电流并且借助电池电流传感器的测量值校准块电流传感器，其中，所述双电压电池包括：多个电池单体块；功率开关元件，用于交替地串联连接和/或并联连接电池单体块，使得在第一连接布置中将至少一些电池单体块并联连接并且提供第一电压，以及在第二连接布置中将一组电池单体块串联连接并且提供第二电压；块电流传感器，用于测量流过电池单体块中的其中一个电池单体块的块电流；以及电池总电流传感器，用该电池总电流传感器来测量流过双电压电池的电池总电流。
本发明的特别的优点在于：在双电压电池的所述校准运行模式中，由块电流传感器和电池总电流传感器测量相同的电流并且就此而言必须得出相同的测量结果。倘若在测量结果之间存在偏差，那么可以利用关于物理关系的认识，即关于所测得的电流的一致性的知识来校准传感器。尤其可以设置有高测量精度的电池总电流传感器。所述电池总电流传感器提供的测量结果，然后可以用于校准利于成本的并且不那么精确地进行测量的块电流传感器。因为在按本发明的双电压电池的一种优选的配置中，每个电池单体块配设有块电流传感器，所以在使用按本发明的校准方法时以及在按顺序、按需和/或循环地执行针对块电流传感器的校准时，可以修正测量的缺少的精度。就此而言，针对块电流传感器可以设置不那么精确的且利于成本的电流传感器。例如可以针对块电流传感器使用基于SMD分流器的有利的电流传感器。与此对应可以为电池总电流传感器使用高精度的分流器和ASIC，其中，可以通过阻抗变换器实现信号的解耦。电池总电流传感器的ASIC可以针对块电流传感器被有利的标准运算放大器取代。
按照本发明的一种优选的实施方式，在双电压电池的所述校准运行模式中，暂时激活一个附加的电消耗器。在激活、也就是说接通所述附加的电消耗器时，重新测量流过电池单体块的块电流和电池总电流。然后已知一个附加的测量点用于校准块电流传感器。就此而言能尤为精确地执行所述校准。
按照本发明的一种扩展设计方案，例如为没有电流流过的分离的电池单体块的块电流传感器执行零安培校准。可以例如为在零安培校准持续时间内暂时被分离的并联连接的电池单体块执行所述零安培校准。例如可以在连续运行中为一个电池单体块执行所述零安培校准，该电池单体块在并联配置和串联配置之间转换，也就是说，能从第一连接布置转换到第二连接布置或者从第二连接布置回到第一连接布置。在转换期间，所述电池单体块至少短时间内被分离，因而短时间地没有电流流过所述电池单体块。可以有利地通过所述零安培校准检测用于校准块电流传感器的附加的支持点和/或平衡零点误差。就此而言能成功地进一步改进所述校准方法的精度。
由其它从属权利要求和随后的说明书可知本发明的其它的优点、特征和细节。在那里提到的特征无论是单独还是任意组合均可以是对本发明至关重要的。所述双电压电池的按照本发明说明的特征和细节当然也与按本发明的校准方法相关联地适用，并且反之亦然。因此可以始终交替地参考对各个发明方面的公开内容。附图仅用于示例性地阐释本发明并且没有限制性的特性。
附图说明
接下来借助附图详细阐释本发明。图中：
图1是第一配置下的按本发明的双电压电池的电路原理图；
图2是第二配置下的按本发明的双电压电池的电路原理图；
图3是第三配置下的按本发明的双电压电池的电路原理图；以及
图4是第四配置下的按本发明的双电压电池的电路原理图。
具体实施方式
按图1的按本发明的双电压电池1的第一配置包括总共八个优选构造相同的电池单体块，这八个电池单体块中的三个电池单体块A1、A2、A3形成了第一组3电池单体块并且再三个在图1中被第一组3遮盖的电池单体块形成了第二组6电池单体块。两个另外的电池单体块C、D与第一组3电池单体块和第二组6电池单体块并联连接。所述另外的电池单体块C、D彼此并联并且通过第一功率开关元件P1+与双电压电池1的第一连接点2能分离地连接。第一组3电池单体块的三个电池单体块A1、A2、A3通过第一功率开关元件P1+和另外的功率开关元件P2+、P2-、P3+、P3-、S1、S2、S3在第一连接布置中彼此并联连接并且与双电压电池1的第一连接点2连接或者在双电压电池1的第二连接布置中串联连接。在第一组3电池单体块A1、A2、A3的串联连接中，通过电池单体块A1、A2、A3在双电压电池1的第二连接点4上提供较高的第二电压。在第一连接点2上提供的第一电压和在第二连接点4上提供的较高的第二电压分别涉及双电压电池1的一个共同的接地点5。
除了第一组3电池单体块A1、A2、A3外，还设有第二组6电池单体块。第二组6和第一组3一样包括三个电池单体块。第二组6电池单体块的结构与第一组3电池单体块A1、A2、A3的结构类似。第二组6电池单体块尤其也设置了用于交替地并联连接和/或串联连接电池单体块的功率开关元件。就此而言，可以借助第二组6电池单体块根据电池单体块的连接布置在双电压电池1的第一连接点2和/或第二连接点4上提供第一电压和/或第二电压。此外，参照在第二连接点4上提供的第二电压设置开关元件7，该开关元件在第二连接布置中闭合而在第一连接布置中打开。
此外，双电压电池1例如配设有起动机-发电机8，可以通过所述起动机-发电机给电池单体块A1、A2、A3、C、D的电池单体供电。通过所述起动机-发电机8可以实现能量回收。尤其可以在能量回收的范畴内将制动能转化成电能并且储存在双电压电池1中。所述起动机-发电机8可以根据双电压电池1的配置通过另外的开关元件9、10与电压相关地在第一电压和/或第二电压下连接。
通过双电压电池1在第一电压和/或第二电压上给在车辆的车载电网中的电消耗器11、12供电。在第一电压上运行的电消耗器11的供电就此而言通过双电压电池1的第一连接点2实现并且电消耗器12在第二电压上的供电通过双电压电池1的第二连接点4实现。
双电压电池1的各个电池单体块A1、A2、A3、C、D配设有块电流传感器13、14、15、16、17以用于确定块电流。每个块电流传感器13、14、15、16、17在此设置一个测量电阻18、19、20、21、22，在所述测量电阻上测量块电流。所述测量电阻18、19、20、21、22在此与电池单体块A1、A2、A3、C、D串联连接。通过检测针对各个电池单体块A1、A2、A3、C、D的块电流可以在运行期间确定每个电池单体块A1、A2、A3、C、D的充电状态，因而可以抵抗各个电池单体块A1、A2、A3、C、D的充电过度或充电不足。额外还可能的是，将所有电池单体块A1、A2、A3、C、D的充电保持在大致相同的水平上。就此而言，按照本发明成功抵抗了电池单体块A1、A2、A3、C、D的极为不同的充电状态。
在按图2的按本发明的双电压电池1的第二配置中，接地极5额外地配设有带有测量电阻24的电池总电流传感器23。通过所述电池总电流传感器23可以确定除了块电流之外的电池总电流。除此之外双电压电池1的配置没有改变。
当电池总电流传感器23具有高测量精度并且块电流传感器13、14、15、16、17以较小的测量精度利于成本地实现时，可以有利地通过设置额外的电池总电流传感器23总体上达到针对双电压电池1的成本降低。电池总电流传感器23的测量电阻24可以例如设计成高精度并且设有ASIC。与此对应，块电流传感器13、14、15、16、17可以基于SMD分流器实现，并且取代ASIC可以设有利于成本的标准运算放大器。就此而言，需要仅一个高精度的电流传感器23和多个利于成本的、不那么精确的块电流传感器13、14、15、16、17。
通过对块电流传感器13、14、15、16、17的至少一次的并且优选重复执行的校准实现对双电压电池1的仍然可靠的监控。在此，在双电压电池1的一种校准运行模式中，电消耗器11由所述双电压电池1提供电能。为了给电消耗器11供电，先例如连接双电压电池1的另外的第一电池单体块C，而所有其它的电池单体块A1、A2、A3、D则被分离。在所述电路布置中，由电池总电流传感器23测得的电池总电流单独由所述另外的第一电池单体块C提供，结果是，由不那么精确地工作的、配设给所述另外的第一电池单体块C的块电流传感器16得出的块电流必须对应电池总电流。因此在此在测量结果中出现了偏差，配设给所述另外的第一电池单体块C的块电流传感器16借助针对高精度的电池总电流传感器23的测量值加以校准。
在校准配设给所述另外的第一电池单体块C的块电流传感器16之后，可以以类似的方式按顺序校准所述另外的块电流传感器13、14、15、17。校准例如可以在车辆停车时执行。
当额外的电消耗器被至少暂时激活时，在块电流传感器13、14、15、16、17被校准期间，可以改进对块电流传感器13、14、15、16、17的校准。然后可以得出用于校准块电流传感器13、14、15、16、17的附加的支持点。
当所选出的电池单体块A1、A2、A3、C、D至少暂时被分离时，可以例如执行对块电流传感器13、14、15、16、17的零安培校准。在所述分离运行状态下没有块电流流过。就此而言可以可靠地执行对针对零安培状态的块电流传感器13、14、15、16、17的校准。当并联连接的电池单体块A1、A2、A3、C、D在零安培校准的持续时间内被暂时分离时，电池单体块A1、A2、A3、C、D针对零安培校准的分离可以例如在连续运行期间针对所述并联连接的电池单体块A1、A2、A3、C、D进行。当在连续运行期间电池单体块A1、A2、A3、C、D从串联配置切换到并联配置或者从并联配置切换回串联配置时，同样可以执行零安培校准。在所述配置改变时，所述电池单体块A1、A2、A3、C、D至少暂时被分离。在暂时分离期间，可以为块电流传感器13、14、15、16、17执行零安培校准。
按照按图3的按本发明的双电压电池1的第三配置规定：以在功能上和/或空间上集成到电池单体监控装置25、26、27、28中的方式集成地进行对块电流的测量。电池单体监控装置25、26、27、28用于，得出电池单体块A1、A2、A3、C、D的每个单个电池单体的电压。额外地得出在测量电阻18、19、20、21上的电压降以确定块电流。电池单体监控装置25、26、27、28例如可以实现为采样保持电路，用该采样保持电路同时能确定电压和电流。测量电阻18、19、20、21的大小优选比各个电池单体块A1、A2、A3、C、D的电池单体的最大电压小一个数量级。
仅示例性地在双电压电池1的第三配置中取消了一个另外的并联连接的电池单体块。原则上按本发明的双电压电池1的实现和按本发明的校准方法的执行并不局限于设置七个或八个电池单体块A1、A2、A3、C、D。就此而言对本发明重要的是，至少一组3、6电池单体块A1、A2、A3能可变地连接以提供第一电压和/或第二电压以及至少为一些以及优选为所有电池单体块A1、A2、A3、C、D检测块电流并且必要时可以借助电池总电流校准块电流传感器13、14、15、16、17。可以例如取消另外的电池单体块C、D。
图4示出了按本发明的双电压电池1的第四配置，在该第四配置中取消了额外的测量电阻的使用。块电流传感器13、14、14′、15、16就此而言直接配设给了所配设的功率开关元件P1+、P2+、P3+、P2-、P3-、S1。在功率开关元件P1+、P2+、P3+、P2-、P3-、S1中设有的电阻在此同时设为用于块电流测量的测量电阻。第四配置就此而言可以被紧凑地并且利于成本地实现。
按照按本发明的双电压电池1的一种备选的、未示出的配置，当备选使用设置在电池单体块A1、A2、A3、C、D之间的连接导体用于电流测量时，则也可以取消单独的测量电阻。通常由铜或铜合金制成的连接导体，可以为了补偿铜-温度系数而具有所配设的温度传感器，通过该温度传感器可以平衡测量中的温度效应。备选可以规定：连接导体由不同于铜或铜合金的材料制成，所述材料具有更大的电阻和/或更好的温度稳定性。例如可以使用锌、黄铜、钢或相应的合金。
相同的构件和构件功能通过相同的附图标记标注。
附图标记列表
1 双电压电池
2 第一连接点
3 第一组电池单体块
4 第二连接点
5 接地点
6 第二组电池单体块
7 开关元件
8 起动机-发电机
9 开关元件
10 开关元件
11 消耗器
12 消耗器
13 块电流传感器
14、14′ 块电流传感器
15 块电流传感器
16 块电流传感器
17 块电流传感器
18 测量电阻
19 测量电阻
20 测量电阻
21 测量电阻
22 测量电阻
23 电池总电流传感器
24 测量电阻
25 电池单体监控装置
26 电池单体监控装置
27 电池单体监控装置
28 电池单体监控装置
A1 电池单体块
A2 电池单体块
A3 电池单体块
C 另外的电池单体块
D 另外的电池单体块
P1+ 功率开关元件
P2+ 功率开关元件
P3+ 功率开关元件
P2- 功率开关元件
P3- 功率开关元件
S1 功率开关元件
S2 功率开关元件
S3 功率开关元件

Claims (18)

1.用于车辆的双电压电池(1)，所述双电压电池包括：多个电池单体，其中，相应一组电池单体被连接成一定数量的电池单体块(A1、A2、A3)；电池电子器件，所述电池电子器件带有多个用于将电池单体块(A1、A2、A3)选择性地串联连接和/或并联连接的功率开关元件(P1+、P2+、P3+、P2-、P3-、S1、S2、S3)，其中，在电池单体块(A1、A2、A3)的第一连接布置中提供第一电压，以及其中，在电池单体块(A1、A2、A3)的第二连接布置中提供第二电压，其特征在于，至少一些电池单体块(A1、A2、A3)配设有带有测量电阻(18、19、20、21、22)的块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)，所述块电流传感器构造用于测量流过所配设的电池单体块(A1、A2、A3)的块电流。
2.按照权利要求1所述的双电压电池(1)，其特征在于，在所述双电压电池(1)的接地极(5)上设有电池总电流传感器(23)，所述电池总电流传感器构造用于测量双电压电池(1)的电池总电流。
3.按照权利要求1所述的双电压电池(1)，其特征在于，在所述双电压电池(1)的一个或多个连接点(2、4)上设有电池总电流传感器(23)，所述电池总电流传感器构造用于测量双电压电池(1)的电池总电流。
4.按照权利要求2或3所述的双电压电池(1)，其特征在于，所述电池总电流传感器(23)的测量精度高于所述块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)中的至少一个块电流传感器的测量精度。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的双电压电池(1)，其特征在于，所有块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)设计成构造相同。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的双电压电池(1)，其特征在于，所述块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)至少部分集成地设置在用于配设给块电流传感器的电池单体块(A1、A2、A3)的电池单体的电池单体监控装置(25、26、27、28)中，其中，将在所述测量电阻(18、19、20、21)上的电压降输送给所述电池单体监控装置(25、26、27、28)。
7.按照权利要求6所述的双电压电池(1)，其特征在于，这样设定所述测量电阻(18、19、20、21)的规格，使得在测量电阻(18、19、20、21)上的电压降比所述电池单体块(A1、A2、A3)的各个电池单体的最大电压小至少10倍并且优选小100倍或更多倍。
8.按照权利要求6或7所述的双电压电池(1)，其特征在于，所述电池单体块(A1、A2、A3)的各个电池单体的电压和在配设给所述电池单体块(A1、A2、A3)的块电流传感器的测量电阻(18、19、20、21)上的电压降，为了同时测量电压和电流而被输送给采样保持电路。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的双电压电池(1)，其特征在于，用于所述电池单体块(A1、A2、A3)的连接导体或连接导体的一部分用作用于所述块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)的测量电阻(18、19、20、21、22)。
10.按照权利要求9所述的双电压电池(1)，其特征在于，所述连接导体或者所述连接导体的一部分配设有温度传感器。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的双电压电池(1)，其特征在于，所述功率开关元件(P1+、P2+、P3+、P2-、P3-、S1)的内部电阻设为用于所述块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)的测量电阻。
12.按照权利要求1至11中任一项所述的双电压电池(1)，其特征在于，每个电池单体块(A1、A2、A3)配设有单个的块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)。
13.按照权利要求1至12中任一项所述的双电压电池(1)，其特征在于，与能选择性地并联连接和/或串联连接的电池单体块(A1、A2、A3)并联地布置有另外的电池单体块(C、D)，其中，由所述另外的电池单体块(C、D)提供第一电压。
14.用于双电压电池(1)、特别是用于按照权利要求1至13中任一项所述的双电压电池(1)的校准方法，所述双电压电池包括：多个电池单体块(A1、A2、A3)；功率开关元件(P1+、P2+、P3+、P2-、P3-、S1、S2、S3)，所述功率开关元件用于将电池单体块(A1、A2、A3)这样串联连接和/或并联连接，使得在第一连接布置中，至少一些电池单体块(A1、A2、A3)并联连接并且提供第一电压，以及在第二连接布置中，一组电池单体块(A1、A2、A3)串联连接并且提供第二电压；块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)，所述块电流传感器用于测量流过配设给块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)的电池单体块(A1、A2、A3)的块电流；以及电池总电流传感器(23)，用该电池总电流传感器测量流过双电压电池(1)的电池总电流，其中，在双电压电池(1)的校准运行模式中，由双电压电池(1)给至少一个电消耗器(11、12)提供能量，其中，所有未配设给块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)的电池单体块(A1、A2、A2)借助功率开关元件(P1+、P2+、P3+、P2-、P3-、S1、S2、S3)分离，然后测量块电流和电池总电流，以及其中，借助电池总电流(23)的测量值来校准块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)。
15.按照权利要求14所述的校准方法，其特征在于，在所述校准运行模式中暂时激活附加的电消耗器(11、12)并且重新测量块电流和电池总电流。
16.按照权利要求14或15所述的校准方法，其特征在于，在至少一个电池单体块(A1、A2、A3)未被连接的双电压电池(1)的分离运行状态下，针对所述至少一个分离的电池单体块(A1、A2、A3)借助配设给所述至少一个分离的电池单体块(A1、A2、A3)的块电流传感器(13、14、14′、15、16、17)执行零安培校准。
17.按照权利要求16所述的校准方法，其特征在于，在连续运行期间为在测量持续时间内暂时被分离的并联连接的电池单体块(A1、A2、A3)执行所述零安培校准。
18.按照权利要求16或17所述的校准方法，其特征在于，在连续运行期间为在串联配置和并联配置之间转换的电池单体块(A1、A2、A3)执行所述零安培校准，其中，电池单体块(A1、A2、A3)在转换之间至少被短时间分离。
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