CN111619398A - 单元模块以及用于运行单元模块的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种单元模块，尤其用于车辆的牵引电池的单元模块，该单元模块具有：多个单元，这些单元布置在串联电路中；至少两个单元监测电路，用于获得在单元的两个电极之间所施加的电压，其中每个电路具有两个电压供应端子，其中第一电压供应端子与第一单元的正电极联接，并且第二电压供应端子与第二单元的负电极联接；以及开关装置，该开关装置被配置为用于将第一单元监测电路的该第一电压供应端子和至少一个第二单元监测电路的该第二电压供应端子选择性地各自与不同单元的两个正电极中的一个正电极或两个负电极中的一个负电极联接。此外，提供一种对应的电池以及一种该电池模块的运行方法。

Description

单元模块以及用于运行单元模块的方法
技术领域
本发明涉及一种(电池)单元模块以及一种用于运行单元模块(尤其作为对应电池的一部分)的方法。
背景技术
尤其在使用锂离子单元的情况下，由多个单元组成的单元模块需要单元监测，以便总是使得这些单元在正确的运行窗口中运行。为此目的，在用于监测这些单元的控制器电路板(单元监测控制器，cell monitoring controller，CMC)上使用用于监测单元电压的专用的集成电路，这些集成电路是单独地针对此目的开发和提供的。这种专用的集成电路还被称为对用途专用的集成电路(专用集成电路，application-specific integratedcircuit，ASIC)，针对该集成电路在下文中使用英文缩写ASIC。
在此，ASIC总是具有一定数量的测量输入端并且因此仅可以监测一定数量的单元。如果单元模块中待监测的单元的数量大于ASIC的测量通道的数量，则必须使用多个ASIC来监测单元模块的单元。在理想情况下，将单元的数量均匀地分布到ASIC上。如果例如ASIC被设计成监测六个单元并且单元模块具有十个单元，则使用两个ASIC，其中每个ASIC监测五个单元。为此，单元的两个电极可以与对应的测量输入端电联接，从而使得可以获得这些电极之间所施加的单元电压。然而可能出现的是：单元模块具有奇数数量的单元或由于单元数量较多而必须使用大量ASIC，从而并非每个ASIC都与相等数量的单元相连以便监测。
为了使ASIC可以正确地测量单元电压，必须将ASIC的正电压供应端子(例如Vcc端子)与被监测的第一(或最后一个)单元的正极相连，并且对应地必须将负电压供应端子(例如GND端子)与被监测的最后一个(或第一)单元的负极相连。在此，ASIC从其连接到的单元获取所需的供应电流。如果控制器电路板的一个ASIC具有比另一个ASIC更少数量的所连接的单元，则单元模块的连接到具有更少单元数量的ASIC的单元受到更强的负载。关于电池的使用寿命方面，这种状态导致电池的这些单元相比于其余单元持续地总是例如受到更强的负载。这导致电池的单元发生不均匀的老化行为，这进而由于老化最严重的单元相应地预先设定可用的运行窗口而严重地限制总体上可用的运行范围。
发明内容
基于此，本发明的目的可以在于，提供一种单元模块以及一种与此相关的运行方法，从而使得可以避免单元不均匀地老化。
根据以下紧接着给出的一个实施方式以及随后给出的不同的实施方式通过根据本发明的单元模块、在该单元模块上构造的电池、以及用于运行根据本发明的单元模块的方法来提供对此的解决方案。其他设计方案由以下给出的另外的实施方式和所附说明得出。
在一个实施方式中，根据本发明提供一种单元模块，该单元模块尤其可以被用于车辆(例如电动车辆)的牵引电池中。单元模块被理解为电池内的子单元，该子单元具有至少两个(能量储存器)单元，该至少两个单元在运行单元模块的持续时间上彼此电连接。每个单元例如可以对应于一个次级电单元。根据本发明的单元模块具有：多个单元，这些单元布置在串联电路中；以及至少两个单元监测电路，用于获得单元的电极之间所存在的电压(单元电压)，其中每个单元监测电路具有两个电压供应端子，其中第一电压供应端子与单元的正电极(正极)联接，并且第二电压供应端子与单元的负电极(负极)联接。因此可以对应于ASIC的单元监测电路从单元的在如下单元之间并且包含如下单元的串联电路中获得该单元监测电路的运行能量，该单元监测电路的电压供应端子联接到这些单元。第一电压供应端子可以涉及单元监测电路的正电极，并且第二电压供应端子可以对应地涉及单元监测电路的负电极。
根据本发明的单元模块进一步具有开关装置，该开关装置被配置为用于将第一单元监测电路的第一电压供应端子和第二单元监测电路的第二电压供应端子选择性地各自与不同单元的两个正电极中的一个正电极或各自与两个负电极中的一个负电极联接。换言之，开关装置被配置成用于使至少两个单元监测电路的电压供应端子之一的连接点的位置在这些单元的串联电路上偏置。在此，优选地可以将电压供应端子的连接点的位置从两个相互联接的单元之间的位置切换至这些单元之一与其相邻单元之间的位置。
根据单元模块的另外的实施方式，该开关装置可以具有第一开关器和第二开关器，其中这些开关器中的每个开关器可以对应于单极的换向开关器。该第一开关器可以以其触点联接至单元监测电路的第一电压供应端子并且联接至两个第一单元的两个正电极。即，根据第一开关器的位置第一电压供应端子选择性地与两个第一单元之一的正电极联接。尤其，这两个第一单元可以是相邻的单元，即，以正极与负极相互联接的单元。以相同的方式，该第二开关器可以对应于单极的换向开关器并且以其触点联接至第二单元监测电路的第二电压供应端子以及两个第二单元的两个负电极。即，根据第二开关器的位置第二电压供应端子与这两个第二单元之一的负电极联接，其中这两个第二单元还可以是相邻的。在每种情况下，在这些单元的串联电路中两个第一单元相对于两个第二单元可以移位/偏置一个单元。此外，开关装置的开关配置以如下方式设计，使得切换过程促使第一电压供应端子的连接点和第二电压供应端子的连接点(优选同步地)在相同的方向上沿这些单元的串联电路偏置。由于在这些单元的串联电路中单元的每个电极和该单元的相邻单元的相反电极联接，因此切换过程促使第一电压供应端子的连接点和第二电压供应端子的连接点在某种程度上来说进一步在这些单元的串联电路中偏置一个单元。尤其，在开关装置的两个开关位置中，第一单元监测电路的第一电压供应端子的连接点和第二单元监测电路的第二电压供应端子的连接点是相同的或者在这些单元的串联电路内位于相同的电势上。序数词“第一”和“第二”涉及任意的编号，该任意的编号应表示具有可切换的电压供应端子的多个单元监测电路中的至少两个单元监测电路。替代于两个分离的换向开关器，该开关装置可以具有两极的换向开关器。
(以与开关装置的设计方案无关的方式)对开关装置的开关器进行控制可以通过单元监测电路自身来进行，这些单元监测电路通常具有一定数量的GPIO(GPIO-generalpurpose input/output：通用输入/输出)触点，藉由这些GPIO触点可以控制开关器。此外，单元监测电路可以彼此通信，以便产生对开关器的同步切换。
根据单元模块的另外的实施方式，该第一单元监测电路的第一电压供应端子和该第二单元监测电路的第二电压供应端子可以彼此联接并且形成这两个单元监测电路的联合的电压供应端子。同时，于是该开关装置可以具有联合的开关器，该开关器被配置成用于将电压供应端子相应地与两个连接点中的一个连接点联接，在这两个连接点中，一个连接点与单元的一个电极联接并且另一个连接点与同一单元的另一个电极(相反电极)联接。在这个实施方式中，先前提到的两个开关器借助于联合的开关器来实现。必要时，在这里必须考虑这两个互相连接的单元监测电路之间的交互作用。
根据单元模块的另外的实施方式，在单元监测电路的每个能够切换的电压供应端子处可以联接有缓冲电容器，该缓冲电容器的大小被设计为使得在运行该单元监测电路期间这些能够切换的电压供应端子中的每个的连接点是能够切换的。由此，随时可以切换可切换的电压供应端子的连接点，并且不仅限于单元模块运行之前的时间点，例如不仅限于重新启动车辆的时间点。
根据单元模块的另外的实施方式，每个单元监测电路可以具有多个测量输入端，在这些测量输入端中每个测量输入端与单元的至少一个电极联接。除了这些单元的串联电路的边缘单元，每个测量输入端都可以被用于扫描电极处的电势并且同时扫描相邻单元的相反电极处的电势。此外，在电压供应端子被能够切换地设计的每个单元监测电路的这些测量输入端之一与该单元监测电路在单元的电极处的对应连接点之间可以布置有激活开关器。激活开关器可以涉及简单的闭合开关器或单极的闭路器。激活开关器可以与开关装置同步地开关，以便考虑以下状态：由于开关装置的开关过程，由单元监测电路监测的单元的数量(即，单元监测电路的两个电压供应端子的连接点之间的单元的数量)发生改变。
此外，在不同的实施方式中，提供一种电池，尤其车辆(例如电动车辆)的牵引电池，该电池具有至少一个在本文中描述的单元模块。
在不同的实施方式中，还提供一种用于运行在本文中描述的单元模块的方法，该方法具有：切换该开关装置，以使至少两个单元监测电路的这两个电压供应端子中的相应一个电压供应端子的开关状态在这些单元的电极方面发生改变。如已经阐述的，可切换的电压供应端子的开关状态的改变对应于这些电压供应端子的连接点在这些单元的串联电路上的改变。
根据另外的实施方式，该方法可以进一步具有：切换如下单元监测电路的激活开关器，在这些单元监测电路中这些电压供应端子的开关状态借助于该开关装置已经发生改变，优选地与切换该开关装置同时进行。切换激活开关器促使与此相关的单元监测电路的测量输入端被激活或被解除激活，并且因此这些测量输入端的数量与如下单元的发生改变的数量适配，在开关装置完成开关过程之后单元监测电路监测这些单元或这些单元为了监测单元电压的目的被指配给该单元监测电路。
根据该方法的另外的实施方式，电池可以涉及车辆的牵引电池并且切换该开关装置可以在每次重新启动车辆时周期性地进行。此外，切换可以在多个时间区间中进行，其中试图将这些时间区间保持得尽可能一样长。为此，可以由至少一个单元监测电路或单独模块来记录时间，在该时间期间已经存在开关装置的一个开关状态。在达到阈值后，可以立即或直到下一次实现对车辆的重新启动时才设定开关装置的对应另一个开关状态。由此，尽管车辆运行时间可能是非常不均匀的(例如在一定数量的短距离行驶之后进行更长的高速公路行驶)，但是仍可以力求实现单元的均匀负载。
开关装置以及激活开关器可以实现为节能的晶体管电路，例如基于MOSFET的晶体管电路。
本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图得出。
不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独地使用。
附图说明
图1示出根据现有技术的常见的单元模块的电路图。
图2示出根据本发明的实施例的单元模块的第一开关状态。
图3示出根据本发明的实施例的单元模块的第二开关状态。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的常见的单元模块1的电路图。在单元模块1的第一连接触点2与第二连接触点3之间布置有五个单元41-45的串联电路4，即，第一单元41、第二单元42、第三单元43、第四单元44和第五单元45的串联电路。除了示出为串联电路4的边缘单元或外侧的单元的第一单元41和第五单元45之外，内部的单元以其相反电极彼此联接。为了监测单元41-45的单元电压，提供第一单元监测电路5和第二单元监测电路6。第一单元监测电路5具有四个测量输入端51-54，其中的后三个测量输入端52-54各自与单元的一个电极相联接。在这里应注意的是：例如第三测量输入端53满足双重功能，原因在于该第三测量输入端既与第一单元41的正极相联接、又与第二单元42的负极相联接。第一单元监测电路5具有联接至第二单元42的正极的第一电压供应端子55以及联接至第一单元41的负极的第二电压供应端子56。因此，前两个单元41、42提供用于第一单元监测电路5的运行电压，并且同时被指配给第一单元监测电路5以便监测单元电压。由于第一单元监测电路5被设计成用于确定总共三个单元的单元电压，因此并未使用测量输入端中的一个测量输入端(在这里为第一测量输入端51)。
第二单元监测电路6同样具有四个测量输入端61-64并且与第一单元监测电路5类似地与单元41-45的串联电路4联接：该第二单元监测电路的第一电压供应端子65联接至第五单元45的正极，并且该第二单元监测电路的第二电压供应端子66联接至第三单元43的负极。因此，第三单元、第四单元和第五单元43-45提供用于第二单元监测电路6的运行电压，并且同时被指配给第二单元监测电路6以便监测单元电压。
在图1中的场景展示了已经提到的单元41-45负载不均匀的情况。由于第一单元监测电路5仅由两个单元41、42供电，而第二单元监测电路6由三个单元43-45供电，因此前两个单元41、42总体上比其余三个单元43-45受到更强的负载。这导致更高的负载并且因此导致第一单元41和第二单元42提前老化。
为了避免不均匀的负载，提供具有根据图2的开关结构的单元模块10。与在图1中所示的单元模块1相比，根据本发明的单元模块10如下地被改型为使得可以周期性地切换单元监测电路5、6的电压供应，从而使得单元模块的这些单元平均地经受均匀的负载。由于根据本发明的单元模块10的结构在基本特点方面与图1中所示的结构相似，因此相同的元素设有相同的附图标记并且不再详细地描述。
与从现有技术中已知的单元模块(图1)相比，根据本发明的单元模块10借助于四个开关器——第一开关器S1、第二开关器S2、第三开关器S3以及第四开关器S4——得以扩展，其中第一开关器S1和第二开关器S2构成先前限定的开关装置。借助于第一开关器S1可以将第一单元监测电路5的第一电压供应端子55选择性地与第二单元42的正极或与第三单元43的正极联接。与此类似地，借助于第二开关器S2可以将第二单元监测电路6的第二电压供应端子66选择性地与第三单元43的负极或与第四单元44的负极联接。
开关器S1、S2的在图2中所示的开关位置对应于单元模块10或开关装置的第一开关状态，并且同时对应于在图1中展示的根据现有技术的单元模块1的不可变的状态。额外地，在单元模块10中设置有第三开关器S3和第四开关器S4，以便将单元监测电路5、6的不需要的测量输入端切换为解除激活。因此，在第一开关位置的情况下，第三开关器S3是断开的，原因在于仅前两个单元41、42被指配给第一单元监测电路5，并且第三单元43不是被第一单元监测电路、而是被第二单元监测电路6监测。因此同时使第四开关器S4闭合。第三开关器S3和第四开关器S4不是必须作为单独构件存在，而是还可以被集成在与此相关的单元监测电路5、6中，或者该第三开关器和该第四开关器的功能可以被集成在与此相关的单元监测电路5、6中，其方式是将对应的测量输入端设计为能够切换的。
在图3中示出单元模块10或开关器的第二开关位置，该第二开关位置从在图2中所示的第一开关位置通过使四个开关器S1-S4换向来产生并且限定单元模块10的第二开关状态。切换四个开关器S1-S4促使现在第一单元监测电路5的第一电压供应端子55联接至第三单元43的正极，并且同时第二单元监测电路6的第二电压供应端子66联接至第四单元44的负极。额外地，切换第三开关器S3和第四开关器S4，以便将第一单元监测电路5的再次需要的第一测量输入端51切换为运行就绪，并且将第二单元监测电路6的不需要的第四测量输入端64解除激活。
从在图2和图3中展示的这两个开关位置的比较中得出：开关装置的开关过程促使单元(这里为第三单元43)在某种程度上来说从一个单元监测电路转换到另一个单元监测电路，例如转换到被提供用于监测相邻单元的单元监测电路。在此，单元与单元监测电路的指配关系籍由该单元监测电路的电压供应端子的位置来限定，其中在单元41-45的串联电路4中被布置在单元监测电路的电压供应端子之间的所有单元均被看作指配给该单元监测电路。换言之，切换开关装置促使一个单元监测电路的电压供应端子的连接点和另一个单元监测电路的与此电极相反的电压供应端子的连接点一起同向地(即，例如沿着这些单元的串联电路4内的电势降或电势升)从它们在一个单元对之间的位置转移至在该单元对中的一个单元和与此相邻的单元之间的位置。
因此，开关装置被配置为用于由两个单元监测电路的电极相反的电压供应端子引起同向的或在相同方向上作用的连接点偏置，这些单元监测电路优选地监测串联电路4中的单元的连续相邻的子组。通过在两种开关状态下时间平衡地运行单元模块10，可以藉由ASIC来实现对单元41-45的平均地被平衡的或均匀的负载。由此可以实现单元的均匀老化，这使得单元模块的使用寿命以及单元模块的利用率提高。此外，在使用在这里描述的根据本发明的单元模块以及与此相关的运行方法的情况下，还可以减少所需的平衡时间，原因在于已经将结构设计为使单元受到均匀的负载。所提到的优点可以在使用仅较少的附加元件的情况下通过对已知单元模块拓扑的相对简单的改型来实现。

Claims (9)

1.一种单元模块，尤其用于车辆的牵引电池的单元模块，该单元模块具有：
多个单元，这些单元布置在串联电路中；
至少两个单元监测电路，用于获得单元的两个电极之间所施加的电压，其中每个单元监测电路具有两个电压供应端子，其中第一电压供应端子与单元的正电极联接，并且第二电压供应端子与单元的负电极联接；
开关装置，该开关装置被配置为用于将第一单元监测电路的该第一电压供应端子和第二单元监测电路的该第二电压供应端子选择性地各自与不同单元的两个正电极中的一个正电极或与两个负电极中的一个负电极联接。
2.根据权利要求1所述的单元模块，
其中该开关装置具有第一开关器，该第一开关器被配置成用于将该第一单元监测电路的第一电压供应端子相应地与两个第一单元的两个正电极中的一个正电极联接；并且具有第二开关器，该第二开关器被配置成用于将该第二单元监测电路的第二电压供应端子相应地与两个第二单元的两个负电极中的一个负电极联接，其中这些第一单元相对于这些第二单元在单元的串联电路中移位一个单元。
3.根据权利要求1所述的单元模块，
其中该第一单元监测电路的第一电压供应端子和该第二单元监测电路的第二电压供应端子彼此联接并且形成联合的电压供应端子；并且
其中该开关装置具有联合的开关器，该开关器被配置成用于将所联合的电压供应端子相应地与两个连接点中的一个连接点联接，在这两个连接点中，一个连接点与单元的一个电极联接并且另一个连接点与同一单元的另一个电极联接。
4.根据权利要求1至3之一所述的单元模块，
其中在单元监测电路的每个能够切换的电压供应端子处联接有缓冲电容器，该缓冲电容器的大小被设计为使得在运行该单元监测电路期间这些能够切换的电压供应端子中的每个的连接点是能够切换的。
5.根据权利要求1至4之一所述的单元模块，
其中每个单元监测电路具有多个测量输入端，在这些测量输入端中每个测量输入端与单元的至少一个电极联接；并且
其中在电压供应端子被能够切换地设计的每个单元监测电路的这些测量输入端之一与该单元监测电路在单元的电极处的对应连接点之间布置有激活开关器。
6.一种电池，尤其车辆的牵引电池，该电池具有至少一个根据权利要求1至5之一所述的单元模块。
7.一种用于运行根据权利要求1至5之一所述的单元模块的方法，该方法具有：
切换该开关装置，以使至少两个单元监测电路的这两个电压供应端子中的相应一个电压供应端子的开关状态在这些单元的电极方面发生改变。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法进一步具有：
切换如下单元监测电路的激活开关器，在这些单元监测电路中这些电压供应端子的开关状态借助于该开关装置已经发生改变，优选地与切换该开关装置同时进行。
9.根据权利要求7或8所述的方法，
其中该电池涉及车辆的牵引电池；并且
其中该切换在每次重新启动该车辆时周期性地进行。
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