CN111587520B - 用于操作插入电气设备中的多个电池组的方法和系统 - Google Patents

用于操作插入电气设备中的多个电池组的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于操作多个电池组(3)，特别是操作锂电池组的方法，所述多个电池组被插入到电气设备(1)中。在指定的时间间隔内确定电池组(3)的相应充电状态和温度，并连接电池组(3)，以便通过电池组(3)向电气设备(1)提供指定的工作电压。如果为了提供规定的工作电压并不需要插入到电气设备(1)中的所有电池组(3)，则至少电池组(3)中关于充电状态最弱的和/或温度最高的电池组(3)与电气设备(1)和其他电池组(3)无源和/或有源地电解耦。本发明还涉及用于操作插入电气设备(1)中的多个电池组(3)的系统(6)。

Description

用于操作插入电气设备中的多个电池组的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于操作至少两个电池组的方法和系统。此外，本发明还涉及具有这种系统的电气设备。
背景技术
本身已知的是，借助于电池组向诸如例如电动工具之类的电气设备供应电能。因此，例如，US 2015/0357684 A1示出了用于多个电池组的接口系统。电池组本身包括多个所谓的智能电路，其允许分别顺序地使电池组放电。接口系统包括传感器网络，该传感器网络适于监视电池组的非常不同的电池参数，其中这些电池参数用于顺序地连接和断开电池组。这些电池参数可以例如是电池组中的相应电压、温度或者还有电流。
从印刷品US 2015/0042283 A1中已知一种用于电动车辆的电池组的控制系统。电池组可以包括多个电池单元控制对。电池单元在预定极限温度以上解耦。电池单元也可以解耦以免放电太严重。
印刷品US2016/0141734A1公开了控制电化学电池的温度。该电池包括分别具有多个电化学电池单元的多个元件。为了实现元件的均匀老化，通过断开或连接使元件或电池单元的温度彼此适应。
此外，印刷品EP 2 988 393 A1描述了对自动售货机的控制。电流供应单元包括两个可充电电池组。如果电池组的电池电量降到预定值以下，则将电池组解耦。
发明概述
本发明的目的是提供用于操作多个电池组的方法和系统，通过该方法和系统能够特别高效地实现电气设备的能量供应。
该目的通过用于操作至少两个具有独立权利要求的特征的电池组的方法以及系统来解决。在从属权利要求中规定了具有本发明的方便且重要的发展的有利构造。
在根据本发明的用于操作插入到电气设备中的相应的插入槽中的多个电池组，特别是锂电池组的方法中，以预设的时间间隔确定电池组的各自的充电状态以及温度，并且以这种方式连接电池组，使得通过电池组在电动机上提供预设的工作电压，其中，如果并非需要所有插入电气设备中的电池组都用于运行预设的工作电压，则至少电池组中关于充电状态最弱的电池组和/或温度最高的电池组与电气设备和其他电池组无源和/或有源地电解耦。
其中，基本的发明思想在于，暂时移除关于充电状态和/或温度最弱的电池组，以使得最弱的电池组与电气设备解耦以及与其他电池组电解耦。其中，根据待满足的电气设备上的预设的工作电压以及整体上插入到电气设备中的电池组，与电气设备和其他电池组暂时解耦的电池组的数量可以不同。
其中，暂时与电气设备和其他电池组电解耦的至少一个电池组与电气设备和其他电池组完全电断开。
在根据本发明的方法中，使用至少两个电池组，例如每两个18伏的锂离子电池。但是，也可以使用实质上更多的电池组。多个电池单元的互连的包装应被理解为电池组，该包装被保持在一起并且通常还通过外壳或壳体来保护免受外部影响以便进行实际使用。
如果所提供的电池组的数量超过了提供电气设备的工作电压所需的数量，则当前为电气设备的电压供电所不需要的相应数量的电池组与电气设备和其他电池组电解耦。其中，通过电断开或完全电断开，应理解的是，关于电气设备的能量供应方面，有关的一个或多个电池组与电气设备断开连接，并且也与其他电池组断开连接。
基本上可以以不同的方式实现各个主电流路径的断开，从而各个电池组的电解耦。例如，这可以借助于可切换的电气部件来实现，例如晶体管，特别是场效应晶体管(FET)，特别优选借助于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。替代地或另外地，也可以使用其他类似的电子电流转换部件，例如功率二极管，或可电气开关的部件，例如继电器。这样的部件既可以安装在实现电池组连接的设备中，也可以安装在电池组本身中，然后例如通过控制装置适当地控制这些部件。电池组的无源和有源解耦都是可能的。
因此，电断开涉及一种主电流路径，该主电流路径用于通过相应的电池组为电气设备进行电能供应。严格来说，即使是例如用于测量电池组中的电压或温度的感测连接当然也是电连接。但是，严格地讲，这种连接不应理解为电断开。因此，可以保持感测连接。例如，各个电池组的非常不同的变量可以经由这种感测连接连续地传递到电气设备，即，与电池组之间的切换状态或互连无关。
在根据本发明的方法中，电池组例如可以交替地用于能量供应，从而交替地被放电。在极端情况下，一个或多个电池组也可以先被完全耗尽，然后再将另外的电池组完全耗尽，但是，插入电气设备中的电池组的交替运行优选地实现如下效果：电池组交替总是分段消耗。优选地，可以在几毫秒内或者甚至以与给定的电压情况相对应的连续方式来进行用于改变电池组的连接以用于与电气设备和其他电池组解耦和耦合的切换操作。无源和连续的连接例如可以通过二极管来实现，以使电池组电解耦和耦合。
在移除一个或多个电池组后，首先完全断开首先仍与该电气设备连接的相关电池组，然后才将迄今为止移除的且因此与电气设备和其他电池组电解耦的另一个电池组与电气设备和其他电池组电连接以用于电气设备的能量供应。
通过根据本发明的方法，整个插入的电池组的平台电压可以保持相对较低。此外，通过根据本发明的方法可以使某些电动机更高效地运行。通过根据本发明的方法，可以额外地特别有利地对电池组进行热管理，因为至少关于充电状态最弱的电池组和/或温度最高的电池组与电气设备和其他电池组暂时地电解耦。
电池组可以在一定范围内运行，从而例如可以将电池组中出现的最高温度保持在尽可能最佳的温度范围内。本发明基于这样的认识，即如果以非常高的负载来加载电池组，则通常电池组无法坚持到最后就会耗尽。电池组的所谓代谢在此之后仍然有效，从而过早失去了高负荷电池组的能量和功率输出。通过及时地更换电池组以用于电气设备的能量供应，各个电池组可以交替地恢复，使得可以更好地利用电池组的各个标称容量。
通过在限定的负载阶段之后进行根据本发明的各个电池组的电解耦，将再生时间给予电池组的电化学或所谓的电化学代谢，由此可以实现更好的绝对容量利用率。在此，同样重要的是，一方面当前与电气设备连接并且串联连接并且另一方面当前不与电气设备和其他电池组连接的电池组之间的电连接永远不存在，使得电荷量不能在一方面连接到电气设备且另一方面与电气设备解耦的电池组之间流动。
本发明的有利的实施方案规定，即使另一个电池组应该具有较低的充电状态，如果电池组中具有最高的温度中，该温度超过预设的极限温度，则将具有最高温度的电池组与电气设备和其他电池组电解耦。可以设定极限温度，使得可以在考虑该极限温度的情况下确保电池组不会受到太大的损坏和老化太快。因此，在怀疑的情况下，温度优选是比各个电池组的实际充电状态更重要的要考虑的变量。同样，如果要将多个电池组同时与电气设备和其他电池组电解耦，则当然也可以处理多个电池组。
根据本发明的另一有利的实施方案规定，电气设备具有36伏的工作电压并且在电气设备中插入三个18伏的电池组，其中，将电池组中关于充电状态最弱的电池组和/或温度最高的电池组与电气设备和其他电池组电解耦。替代地，也可能的是，电气设备具有54伏的工作电压并且在电气设备中插入四个18伏的电池组，其中，将电池组中相对于充电状态最弱的电池组和/或温度最高的电池组与电气设备和其他电池组电解耦。当然，具有其他工作电压的电气设备以及其他电池组的组成也是可能的。
在本发明的另一有利的设计方案中规定，时间间隔的长度被预设为越小，则电池组的充电状态和/或电池组的温度变化越快。因此，如果从电池组并且因此从电气设备需要特别大的功率，则基本上更严格地选择定时，根据该定时，实现电池组的互连，从而移除和添加电池组以实现电气设备的电量供应。因此，时间间隔的长度优选地适应当前各个电池组被负载的严重程度，结果，适应电池组的充电状态和/或温度改变的程度。从而，可以延长电池组的寿命，其中，由于通过相对于电化学代谢的时间间隔的适应可以更好地恢复电池组和/或不会使电池组太严重地过热，因此可以额外地提高电池组的容量利用率。
根据本发明的用于操作插入到电气设备中的相应的插入槽中的多个电池组的系统包括控制装置，该控制装置被配置为连续地确定电池组的各自的充电状态和温度，以通过控制开关装置而基于充电状态和温度将电池组互连，从而通过电池组在电动机上提供预设的工作电压，其中，如果并非需要所有插入电气设备中的电池组提供预设的工作电压，则控制装置被配置为至少将电池组中关于充电状态最弱的电池组和/或具有最高温度的电池组无源和/或有源地与电气设备和其他电池组电解耦。根据本发明的方法的有利的构造应被视为根据本发明的系统的有利的构造，反之亦然，其中，该系统尤其包括用于执行方法步骤的装置。
根据本发明的系统的一种有利的实施方案规定，控制装置被配置成用于基于电气设备的电动机来确定预设的工作电压。因此，控制装置识别出电气设备的已插入电动机需要哪个工作电压，使得控制装置可以基于此非常简单地控制电池组的互连。
根据本发明的系统的另一有利的实施方案规定，该系统包括捕获装置，该捕获装置被配置成用于捕获至少一个表征每个电池组的充电状态的测量变量。例如，捕获装置可以被配置为捕获电池组处的各自的电压、温度、阻抗和/或电池单元压力。对于这些测量变量中的一个或多个，例如可以记录特征图，然后控制装置可以基于该特征图确定电池组的相应充电状态的状况。
在根据本发明的系统的另一有利的设计方案中规定，插入到电气设备的相应的插入槽中的电池组可以借助开关装置任意地彼此串联连接。然而，任何并联互连也是可以想到的。然而，在后一种情况下，将不得不使电池组打到大约相同的电压水平，因为否则将流过太高的补偿电流。例如，电气设备可能默认包括四个用于电池组的插入槽，因此例如包括四隔室电池插嵌外壳。然后，它允许客户根据自己的要求，例如相对于可能的基本版本，决定如何在范围或运行时间内扩展自己的电气设备。其中，电池组可以与电气设备的电动机具有的工作电压无关地插入电气设备的任何插入槽中。因为开关装置可以任意地将插入到电气设备的各个插入槽中的电池组彼此串联地互连，所以电池组当前插入了电气设备的哪个插入槽中无关紧要。由此，在操作电气设备时获得最大的灵活性。
根据本发明的电气设备包括根据本发明的系统或根据本发明的用于操作插入电气设备中的多个电池组的系统的有利实施方案。
附图说明
从以下对优选实施方案的描述以及基于附图，本发明的其他优点、特征和细节是显而易见的。说明书中上面提到的特征和特征组合以及下面的附图描述和/或附图中单独示出的特征和特征组合，不仅可以分别在指定的组合中使用，还可以在其他组合中使用或单独使用，而不脱离本发明的范围。
附图显示在：
图1是电池割草机的透视图，该电池割草机包括透明盖，透明盖下方可容纳多个电池组。
图2是电池割草机的详细透视图，其中打开了盖，并且当前将两个电池组插入电池割草机中。
图3是割草机的严格示意性的表示，其中示出了用于操作插入割草机中的多个电池组的系统，该系统构造成交替地使电池组放电以用于电池割草机的能量供应。
图4是系统和用于使电池组交替放电的相关的晶体管以及二极管的示意图。
在附图中，相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。
发明详述
在图1中以透视图示出了电池割草机1。在电池割草机1的透明盖2下方，容纳有多个电池组3，如图2的详细视图所示。电池组3可以交替放电以操作电池割草机1。
在图3中，以严格示意性的图示示出了割草机1。在当前示出的实施方案中，割草机1包括四个插入槽4，用于容纳相应的电池组3。电池组3例如是18伏的锂离子电池组。此外，示意性地示出了割草机1的电动机5，该电动机可以通过容纳在插入槽4中的电池组3来供应能量。
示意性地示出了用于操作电池组3的系统6，其中系统6包括控制装置7和捕获装置8。控制装置7可以根据捕获装置8提供的关于电池组3的信号来操作开关装置9，使得一方面电池组3提供电动机5的预设的工作电压。另一方面，如果并非需要所有插入割草机1中的电池组3都提供预设的工作电压，控制装置7通过对开关装置9的相应控制，至少将电池组3中关于充电状态最弱的电池组3和/或温度最高的电池组3与割草机1和其他电池组3电解耦。
下面，将更详细地描述用于操作插入割草机1中的电池组3的方法。控制装置7以预设的时间间隔确定电池组3的充电状态和温度。此外，捕获装置8可以捕获表征每个电池组3的电池组3的充电状态的不同测量变量。例如，捕获装置8适于捕获电池组3处的相应的电压、温度、阻抗和/或电池单元压力并将相应的数据传递给控制装置7。控制装置7还被配置为读出并由此确定电动机5的预设的工作电压。
例如，如果插入的电池组3的充电状态仍然足够，只要不要求将插入电气设备中的所有电池组3全部用于提供电动机5上的预设的工作电压，例如，通过开关装置9的相应控制，电池组3中关于充电状态当前最弱的电池组3与电动机5以及其他电池组3断开连接。因此，根据本图示，例如仅剩下三个电池组3彼此串联地互连并且电耦合到用于能量供应的电动机5，其中，最右边示出的电池组3与其他电池组3解耦，并且因此也与电动机5解耦。
在经过预设的持续时间之后，例如，控制装置7然后再次针对左侧三个电池组3确定其充电状态，任选地还将它们与右侧电池组3的充电状态进行比较，并据此决定左侧三个电池组3中的哪一个将与电动机5解耦，其中相反地，最右边示出的电池组3再次电耦合至其他剩余的电池组3，并因此连接至电动机5以进行能量供应。
另外，即使另一个电池组3应该处于较低的充电状态，如果电池组3具有最高的温度，该温度超过了预设的极限温度，则也可能使温度最高的电池组3与电动机5以及其他电池组3电解耦。该极限温度例如被设定为使得可以确保电池组3不被损坏。基于实验，例如可以附加地确定电池组3在哪个温度范围内理想地运行，以使得它们不会损坏或具有特别高的性能。
基于这样的实验，可以设定所述极限温度。因此，如果需要从电池组3获得特别大的功率，则可能发生电池组3的快速且严重的发热。特别是在这种情况下，合理的做法是不将具有最低充电状态的电池组3与电动机5和其他电池组3进行电解耦，而是将温度最高的电池组3与电动机5和其他电池组3进行电解耦。因此，在不确定要确定当前哪个电池组3要与电动机5以及其它电池组3解耦的情况下，温度甚至比充电状态更为重要。
插入槽4与开关装置9互连，从而控制装置7可以控制开关装置9，使得插入到插入槽4中的各个电池组3可以彼此任意地串联连接。因此，电池组3可以在任何位置插入，并且因此可以插入任何插入槽4中，而与电动机5具有哪个工作电压无关。无关于电池组3插入哪个插入槽4的事实，可以通过开关装置9产生连接电路，使得各个电池组3的相应状态通过捕获装置8来识别，并且控制装置7使电池组3互连，从而一方面实现电动机5的工作电压，并且如果存在比所需数量更多的电池组3，则控制装置7分别使电池组3中关于其充电状态最弱的电池组3或者(如上所述)最热的电池组3解耦以便能够恢复，并且仍然确保通过剩余电池组3的相应的串联连接将所需的电池电压施加到电动机5。
控制装置7尤其可以覆盖仅使用三个电池组3，每个电池组18伏的情况，其中，电动机5例如具有36伏的工作电压。控制装置7还可以覆盖如下情况：如这里所示，使用四个电池组3，每个电池组18伏，其中，电动机5在这种情况下可以具有54伏的工作电压。
在图4中，示出了系统6、电池组3以及多个晶体管10和二极管11。因此，在这里示出的实施方案中，晶体管10和二极管11形成了这里未更详细示出的开关装置9，其功能已经在上面以一般形式进行了描述。在这里示出的情况下，控制装置由微控制器7构成。它例如再次通过在此更详细示出的捕获装置8mot获得关于电池组3的相应温度信号。微控制器7被配置为根据温度信号来控制晶体管10，该晶体管可以例如是MOSFET。借助于晶体管10，电池组3可以以上面已经描述的方式被电解耦。因此，例如实现了各个最热的电池组3的有源电解耦。换句话说，借助于晶体管10实现电池组3的离散的，数字的和定时的解耦和耦合。
二极管11形成一种二极管场。各个二极管11可以根据电压将各个电池组3电解耦和耦合(因为相应的电流流过二极管11)或者按照本身已知的方式不根据电压将各个电池组3电解耦和耦合。二极管11是电流转换开关元件，并且可以连续地，因此不定时地并且类似地电解耦和耦合电池组3。
分别通过微控制器7的相应配置和编程以及二极管11的相应特性，特别是它们各自的电流-电压特性曲线，可以根据温度和电压以非常特殊的方式实现电池组3的交替放电。因此，例如，即使另一个电池组3应处于较低的充电状态，如果电池组3中的温度最高，该温度超过预设的极限温度，则也可能使温度最高的电池组3与电气设备1电解耦，进而与电动机5和其他电池组3电解耦。
通过所描述的系统6和所描述的用于操作插入到割草机1中的电池组3的方法，可以特别好地对电池组3进行热管理。通过电池组3的交替放电，可以在特别适合于使电池组3放电的温度范围内操作并保持电池组3。由此，尤其还可以避免电池组3中过高的温度。此外，还产生了可以在所描述的电池组3的交替操作中特别好地利用电池组3的标称容量的优点。
当然，用于操作电池组3的系统6和方法还可以转移到其他电气设备，并且不仅限于所描述的电池割草机1。
附图标记清单：
1 电池割草机
2 盖
3 电池组
4 插入槽
5 电动机
6 系统
7 控制装置
8 捕获装置
9 开关装置
10 晶体管
11 二极管

Claims (11)

1.用于操作插入到电气设备中的相应插入槽中的多个电池组(3)的方法，其中每个电池组是多个电池单元的互连包装，该包装通过外壳或壳体保持在一起，在该方法中，以预设的时间间隔确定电池组(3)的各自的充电状态和温度，并且将电池组(3)互连，从而通过电池组(3)在电气设备(1)上提供预设的工作电压，
其中，如果不需要插入电气设备中(1)中的全部电池组(3)来提供预设的工作电压，则至少电池组(3)中的关于充电状态最弱的电池组(3)和/或温度最高的电池组(3)无源和/或有源地与电气设备(1)和其他电池组(3)电解耦，其中由于温度和/或充电状态而解耦的电池组的数量取决于预设的工作电压和整体上插入到所述电气设备中的电池组；并且，在经过预设的持续时间之后，再次确定电池组的各自的充电状态和温度，将插入到所述电气设备中的电池组与电解耦的电池组进行比较，再次将电池组中的关于充电状态最弱的电池组和/或温度最高的电池组无源和/或有源地与电气设备(1)和其他电池组(3)电解耦。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于
即使另一个电池组(3)应具有较低的充电状态，如果电池组(3)中温度最高，该温度超过预设的极限温度，则也将具有最高温度的电池组(3)与电气设备(1)和其他电池组(3)电解耦。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
所述电气设备(1)具有36V的工作电压，并且在电气设备(1)中插入了三个18V的电池组(3)，其中，电池组(3)中关于充电状态最弱的电池组(3)和/或温度最高的电池组(3)与电气设备(1)和其他电池组(3)电解耦。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
所述电气设备(1)具有54V的工作电压，并且在电气设备(1)中插入了四个18V的电池组(3)，其中，电池组(3)中关于充电状态最弱的电池组(3)和/或温度最高的电池组(3)与电气设备(1)和其他电池组(3)电解耦。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
预设的时间间隔长度越短，则电池组(3)的充电状态和/或温度变化越快。
6.用于操作插入电气设备(1)中的相应插入槽中的多个电池组(3)的系统(6)，其中每个电池组是多个电池单元的互连包装，该包装通过外壳或壳体保持在一起，其中，该系统包括控制装置(7)，该控制装置被配置为连续地确定电池组(3)的各自的充电状态和温度，并通过控制开关装置(9)基于充电状态和温度将电池组(3)互连，从而通过电池组(3)在电动机(5)上提供预设的工作电压，其中，如果并非需要所有插入电气设备(1)的电池组(3)来提供预设的工作电压，则控制装置(7)被配置为至少将电池组(3)中关于充电状态最弱的电池组(3)和/或温度最高的电池组(3)与电气设备(1)和其他电池组(3)无源和/或有源地电解耦，其中由于温度和/或充电状态而解耦的电池组的数量取决于预设的工作电压和整体上插入到所述电气设备中的电池组；并且，在经过预设的持续时间之后，再次确定电池组的各自的充电状态和温度，将插入到所述电气设备中的电池组与电解耦的电池组进行比较，再次将电池组中的关于充电状态最弱的电池组和/或温度最高的电池组无源和/或有源地与电气设备(1)和其他电池组(3)电解耦。
7.根据权利要求6所述的系统(6)，
其特征在于
所述控制装置(7)被配置为基于电气设备(1)的电动机(5)来确定预设的工作电压。
8.根据权利要求6或7所述的系统(6)，
其特征在于
所述系统(6)包括捕获装置(8)，该捕获装置被配置为捕获表征每个电池组(3)的充电状态的至少一个测量变量。
9.根据权利要求8所述的系统(6)，
其特征在于
所述捕获装置(8)被配置为捕获电池组(3)处的相应的电压、温度、阻抗和/或电池单元压力。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的系统(6)，
其特征在于
借助于所述开关装置(9)，可以将插入所述电气设备(1)的各个插入槽(4)中的电池组(3)任意地彼此串联连接。
11.具有根据权利要求6至10中的任一项所述的系统(6)的电气设备(1)。
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