CN112913105A - 蓄电池组和用于蓄电池组的充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蓄电池组(100),所述蓄电池组具有预给定数量(n)的彼此连接的单个蓄电池单元(Z1,…,n)以及用于所述单个蓄电池单元(Z1,…,n)的监测单元(110),所述监测单元尤其是SCM电路(112)形式的,其中,所述监测单元(110)具有无源输入电路(120),所述监测单元(110)构造用于,借助配属于所述监测单元(110)的时间测量单元(132),尤其基于电压(U1,…,n)的上升时间(TAn1,…,n)的测量,识别所述无源输入电路(120)内的不同的电故障(F1,…,4)。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓄电池组,其具有预给定数量的彼此连接的单个蓄电池单元和用于单个蓄电池单元的尤其是根据SCM电路(“单电池监测”电路)的形式的监测单元,其中,该监测单元具有无源输入电路。
背景技术
从现有技术中已知这种蓄电池组,其具有预给定数量的彼此连接的单个蓄电池单元和监测单元。在此,监测单元根据用于单个蓄电池单元的SCM电路形式来构造,并具有无源的输入电路。
在这种蓄电池组中,通常将多个蓄电池单元彼此串联和/或并联地电连接,以实现更高的电功率。为了实现特别高的能量密度,在此尤其使用锂离子蓄电池或锂聚合物蓄电池。在这些蓄电池技术中,每个单元必须在由电压、电流和温度定义的确定的运行参数范围内工作。为了确保对于蓄电池组的每个单个蓄电池单元始终满足所述运行参数范围,例如借助所谓的“单电池监测”(SCM)方法连续地监测单个蓄电池单元的电压。通过SCM方法确保,首先在充电过程中没有蓄电池单元运行超过其允许的充电终止电压或目标电压。对于SCM方法需要将两个串联连接的蓄电池单元之间的连接点的电信号进一步传递到监测单元。
例如借助所谓的SCM电路来实现SCM方法,SCM电路例如是TexasBQ771800的集成电路,或微控制器与所谓的无源前端或者说输入电路的组合。通常借助所谓的“明线探测(open wire detection)”来检查蓄电池单元连接点和SCM电路之间的电连接。在此背景下,依次短暂地激活开关,这至少短暂地跨接SCM电路的电压测量输入端。因此,各个分配的滤波电容器限定地短暂放电。随后,再次打开相关的开关。在短时间后,再次检查SCM电路短暂跨接的电压测量输入端处的电压。如果存在“明线”,则电容器尚未再次充电,这能够借助SCM电路检测。为了使SCM电路即使在输入电路内出现单个电故障时也可靠地限制充电终止电压,此外需要将相关的电路部分设计成单故障安全(einzelfehlersicher)。然而这需要对相关的电路部分的高开销的冗余设计。SCM电路的输入电路的冗余也是有问题的,因为在特殊绝缘保护的意义上需要蓄电池单元的各个分支的电信号,也就是说,在发生故障时,它们可能导致高电流和/或高电压,这可能导致热继发故障。此外,SCM电路的输入电路中也会出现以前已知的“明线探测”不能够检测的电故障。
发明内容
本发明涉及一种蓄电池组,其具有预给定数量的彼此连接的单个蓄电池单元和用于单个蓄电池单元的尤其根据SCM电路的形式的监测单元,其中,该监测单元具有无源的输入电路。监测单元构造用于借助分配给监测单元的时间测量单元尤其基于对电压的上升时间的测量来识别无源输入电路内的不同电误差。
因此,本发明使得能够连续地检查监测单元的无源输入电路是否存在不同的电故障。可以省略出于安全原因原本需要的、无源输入电路的冗余设计。监测单元的所有功能性优选借助集成的数字微控制器来实现。
优选地,监测单元具有用于检测电压的至少一个电压测量器以及电子开关。因此,能够对蓄电池组的每个单个蓄电池单元进行单独的监测。在监测单元或微控制器内能够为每个蓄电池单元设置一个单独的电压测量器,尤其是模/数转换器。替代地,也可以只借助仅一个电压测量器和连接在其前面的多通道的模拟多路复用器(Analogmultiplexer)在时间上错位地测量各个电压。
无源输入电路优选地具有多个电阻和电容器。由此能够产生电压在时间上的上升曲线或变化过程。
根据一种有利的扩展方案,通过借助分配的开关至少短暂地跨接监测单元的电压测量器中的各一个电压测量器分别通过电压上升时间的绝对分析处理和/或相对分析处理能够识别无源输入电路内的电故障。因此,故障识别基于上升时间的评估,而不是基于绝对电压值的检测,从而故障识别与蓄电池组的个体特性无关,蓄电池组的个体特性例如是老化效应、单个蓄电池单元的充电状态和当前流动的充电或放电电流。
优选地,无源输入电路具有多个附加电阻,所述附加电阻分别与电阻之一串联连接,其中,附加电阻的数量等于蓄电池单元的预给定的数量。由此能够通过分析处理下降的电压曲线来识别电故障。此外,因此还能够识别相互补偿的故障,所述故障例如在以下情况下出现:故障引起电阻值提高,并且故障引起分配的电容器的电容相应地下降,因此电阻值和电容的乘积在外部基本保持不变。
优选地,附加电阻被确定为(bemessen)小于或等于电阻。由此能够改善对电故障的识别。如果附加电阻的电阻值在电阻的电阻值的20%到80%之间,则故障探测变得特别有利。
在一种扩展方案中设置,监测单元实施为集成电路。因此,能够特别节省空间地集成到现有的蓄电池组设计中。
此外,本发明涉及一种用于检测尤其是以SCM电路形式的监测单元的无源输入电路内的电故障的方法,所述监测单元用于蓄电池组的预给定数量的单个蓄电池单元,尤其是上述蓄电池组,该方法包括以下步骤:
a)启动蓄电池组的充电运行,
b)测量电压,
c)借助分配的开关至少短暂地跨接监测单元的电压测量器,
d)测量上升时间,直到当前测量的电压已经达到电压的一个分数(Bruchteil)(0.1至0.9)为止,
e)对蓄电池组中的预给定数量的蓄电池单元中的每个重复步骤b)至d),
f)基于预给定的容差范围对上升时间进行绝对分析处理和/或相对分析处理,以及
g)如果至少一个上升时间高于容差范围,并且因此在监测单元的无源输入电路中已经识别出故障,则停止蓄电池组的充电运行,否则继续充电运行并循环重复步骤b)至g)。
该方法使得能够连续监测输入电路是否存在可能的电故障。完整的方法运行的周期时间例如最多可以为一秒。
如果第一电压测量器未通过电阻与蓄电池组的负极连接,则在预给定数量等于一的情况下优选以时间校正因子(Korrekturfaktor)修正上升时间。在此,优选以时间校正因子来修正以下单元中的上升时间:该单元的输入滤波器与其他单元的输入滤波器不同。由此能够在数值上简单地补偿监测单元的无源输入电路的由于缺少电阻引起的电不对称。
附图说明
基于在附图中示出的实施例在下面的描述中进一步阐述本发明。附图示出:
图1示出根据本发明的蓄电池组,其具有监测单元和用于监测各个蓄电池单元的输入电路;
图2示出用于借助监测单元来识别图1的蓄电池组的监测单元的输入电路内的电故障的算法的示意图;
图3示出用于识别电故障的替代算法的示意图;
图4示出根据本发明的蓄电池组的另一实施方式。
具体实施方式
图1示出蓄电池组100,其在此仅具有数量n个蓄电池单元Z1,…,5,n示例性地等于五(n=5),所述蓄电池单元仅示例性地串联连接。替代地,蓄电池单元Z1,…,5能够任意串联或并联连接以用于电压和电流匹配。在排成一列的每两个蓄电池单元Z1,…,5之间分别存在一个(中央)分接头A1,...,4。蓄电池组100具有负极M或者说接地支路和正极P,其中,负极M与蓄电池单元Z1的负极相同,正极P与蓄电池单元Z5的正极相同。借助两个电连接线路102、104能够将任意(在此未示出的)用电器连接到负极M或者说接地支路上以及连接到正极P。
此外,蓄电池组100包括用于永久监测蓄电池组100的每个单独的蓄电池单元Z1,…,5的电子监测单元110,该电子监测单元尤其根据SCM电路112的形式实施,其中,监测单元110连接在无源输入电路120的前面。在监测单元110中优选还集成有高性能的数字微控制器130和时间测量单元132。监测单元110优选地实施为集成的单片电路114。
无源输入电路120优选地具有多个电阻R1,…,n和电容器C1,…,n。监测单元110的输入电路120在此包括与数量n等于5(n=5)相应地同样五个电阻R1,…,5,其中,电阻R1,…,4分别位于单个蓄电池单元Z1,…,5的分接头A1,...,4的后面排成一列。而电阻R5直接与正极P或者说蓄电池单元Z5的正极连接。此外,输入电路示例性地包括五个电容器C1,…,5,它们分别并联连接到监测单元110的两个紧邻的输入端E1,…,6。应指出,监测单元110还可以具有多于或少于五个电阻R1,…,5和/或电容器C1,…,5。如此,替代一个电阻,例如电阻R1,还可以布置彼此串联或并联布置的多个电阻。优选地,图2中示出的电阻R1,…,5优选由两个串联布置的电阻构造。此外,图2中示出的电容器C1,…,5优选构造成串联布置的两个电容器,使得在两个电容器之一出现机械损伤时不会出现短路。
监测单元110优选具有用于检测电压U1,…,n的至少一个电压测量器V1,…,n。在此,在监测单元110的每两个相邻的输入端E1,2、E2,3、E3,4、E4,5和E5,6之间示例性地分别连接有一个电压测量器V1,…,5,分别借助由微控制器可操纵的电子开关S1,…,5能够单独跨接或短路该电压测量器。监测单元110中的电压测量器V1,…,5例如可以由微控制器130的电子模/数转换器(ADC‘s)来实现。代替于在此仅示例性示出的五个电压测量器V1,…,5,也可以仅设置一个电压测量器,在包含电子开关S1,…,5的情况下,在该电压测量器上能够借助未示出的模拟多路复用器在时间上依次接合输入端E1,…,6。借助在此仅示例性的五个电压测量器V1,…,5,在必要的情况下借助监测单元110能够同时检测(输入)电压U1,…,5。
监测单元110构造成:尤其基于对通过算法选择的(输入)电压U1,…,n的相应的上升时间TAn1,…,5的测量和评估,在借助电子开关S1,…,5至少短暂地短路或跨接电压测量器V1,…,5之一之后,借助时间测量单元132检测无源输入电路120内的不同的、在此示例性引用的电故障F1,…,4。优选地,以小于一秒钟的周期时间连续循环地测量电压U1,…,n,并且相应地由监测单元110检测相关的上升时间TAn 1,…,5,并且基于容差范围进行绝对和/或相对地评估。
以附加的串联电阻RF1形式的第一故障F1(例如可能由于不良焊接产生)可验证地提高至少监测单元110的两个输入端E4,5处的上升时间TAn 4,5。以寄生的并联电阻RF2形式的第二故障F2(例如可能由未示出的输入电路120的电路板的污染引起)可验证地提高至少监测单元110的输入端E1处的上升时间TAn1。以与电容器C3并联的电阻RF3形式的第三故障F3(例如可能由于电容器C3的电介质中的局部绝缘故障产生)至少导致监测单元110的输入端E3的上升时间TAn3的可测量的变化。以改变的电容值CF5形式的第四故障F4(其例如可能由于电容器C5的电介质损坏而出现)可验证地影响至少在监测单元110的输入端E5处的上升时间TAn5。
根据本方法,优选首先在至少短暂地短路电压测量器V1,…,5之一前直接在第一时刻t1求取通过算法选择的电压U1,…,5(t1)。在至少短暂地短路所选择电压测量器V1,…,5之后优选继续进一步测量相关的当前电压U1,…,5(t2),直到其已经达到相关的原始电压U1,…,5(t1)的一个分数(0.1和0.9之间),从而满足终止条件。于是,相关的电压U1,…,5的上升时间TAn1,…,n由两个时刻t2和t1之间的差得出。在此,第二时刻t2由以下时间的停止得出:从第一时刻t1开始直至到达到上述终止条件。第一和第二时刻t1、t2优选借助同样由微控制器130控制的时间测量单元132确定。用作终止条件的分数越小,故障识别的速度就越快。在中等大小的分数的情况下准确度提高,而在大分数的情况下灵敏度较低。因此,优选地,以0.5的分数作为终止条件执行相关电压U1,…,5(t2)的测量。然后,通过相关的电压U1,…,5的这种方式求取的上升时间TAn1,…,5的绝对和/或相对的分析处理,基于监测单元110中的预定义的容差范围能够检测无源输入电路120内的示例性的四个电故障F1,…,4。
蓄电池组100的监测单元110的一个优点在于,对相关的上升时间TAn1,…,5进行评估,而不是对绝对电压值进行评价。一方面,由此对于分析处理的容差范围与蓄电池组100的各个蓄电池单元Z1,…,5的相应的充电状态无关,另一方面,存在市场上常见的(marktüblich)微控制器130,在该微控制器中例如能够预给定模/数转换器或电压测量器V1,…,5的阈值,并且仅需测量上升时间TAn1,…,5,直到达到预给定的阈值。由于这种情况,微控制器130的更多资源可用于其他任务。对于上升时间TAn1,必要时还可以计算地考虑一个校正系数:如果(如在此所示)输入端E1未通过接地支路内的(补偿)电阻R、而是直接与蓄电池组10的负极M连接。
图2示出借助监测单元110识别图1的蓄电池组100的监测单元110的输入电路120内的电故障F1-F4的算法。在步骤202中,开始蓄电池组100的充电过程。在步骤204中,在每次遍历时选择不同的蓄电池单元和输入滤波器的不同的通道。接下来,在步骤206中,在第一时刻t1测量电压U1,…,n(t1)。此外,在步骤208中,选择并且至少短暂地闭合开关S1,…,5之一。在随后的步骤210中,再次打开相关的开关S1,…,5,并启动监测装置110内的时间测量单元或计时器。此后,在步骤212中,连续地测量当前电压U1,…,n(t2)。在随后的询问步骤214中进行短测试:当前电压U1,…,n(t2)是否为零伏。如果为否,则通过路径280促使在步骤230中立即停止充电运行。否则,在步骤216中,继续测量相关的电压U1,…,n(t2),直到该电压又已经达到原始电压U1,…,5(t1)的一个分数(优选0.1至0.9)。在随后的询问步骤218中进行短检查:电压U1,…,n(t2)是否持续上升。如果为否,则又通过路径282在步骤230中立即停止充电运行。然而,如果电压U1,…,n(t2)持续上升,则将时间测量单元停止,并且可以由时间测量停止时的第二时刻t2与第一时刻t1的差计算出相关的上升时间TAn1,…,n。在此对于等于1的数量n(n=1),可能还需要以数值的校正系数来修正时间tAn1。
在询问步骤222中再次进行测试:是否已经遍历数量n个输入端,即是否已经借助蓄电池单元检查所有的输入端。如果为否,则通过(跳回)路径284跳回步骤204。否则,借助路径286前进到步骤224,在该步骤中,在此仅示例性地对所测量的所有上升时间TAn1,…,n进行以下绝对评估:这些上升时间是否位于预给定的容差范围内。在进一步的询问步骤226中检查:是否遵守所有的容差范围。如果为否,则在步骤228中继续进行充电运行,否则通过进一步的(跳转)路径288在步骤230中立即停止充电运行。原则限定地,上升时间TAn1,…,n的绝对评估中的容差范围必须被确定为相当大,以便适当地考虑由于蓄电池单元以及有源和无源的电子构件的老化过程而产生的所有偏差。
图3示出用于识别电故障的另一替代算法。优选地,图2的算法200的步骤202至230与在此说明的算法300的步骤202至230和路径280至288是相同的,从而为了描述的简洁和明了,在这一点上可以参考在图2的阐述的范畴中进行的实施方式。
作为与图2的算法200的唯一不同之处,图3的算法300附加地实现对上升时间TAn1,…,n的相对分析处理或评估,该相对分析处理或评估在附加地引用、虚线包围的程序部分302中实现,该程序部分包括步骤304、306以及询问步骤308。
在询问步骤226之后的步骤304中,首先借助先前求取的最小和最大上升时间TAn1,…,n之间的差形成来计算上升时间TAn1,…,n的最大延展(Spreizung)。然后,在步骤306中,根据上升时间TAn1,…,n的最大延展与预给定的、优选存储在监测单元110中的容差范围或者说预先定义的容差区间的比较进行实际的相对评价。在询问步骤308中进行测试:最大延展是否位于容差范围内。如果为是,则在步骤228中继续进行充电运行。否则通过另一(跳转)路径290在步骤230中再次立即中止充电运行。
原则上能够借助预给定的容差范围对TAn1,…,n的上升时间进行单独的相对评估。然而借助相对评估不能够求取系统性误差,例如以相同但错误的电容值错误地安装所有电容器。仅在此处说明的与根据图2的绝对容差评价的结合中,相对容差评估的优势才变得明显。此外,相比于在绝对评估的情况下,相对评估的情况下的容差范围能够测量得更窄。这是因为可以认为输入电路120内的相同元件也总是经历相同程度的老化。
图4示出另一蓄电池组400,其与图1的蓄电池组100的不同之处在于具有以附加电阻RZ1,…,5改进的输入电路410,从而为了描述的简洁,关于蓄电池组400的其他有源和无源的电子构件的阐述可以参照图1的描述。优选地,无源输入电路410具有多个附加电阻RZ1,…,n,所述附加电阻分别与电阻R1,…,n之一串联连接,其中,附加电阻RZ1,…,n的数量优选等于蓄电池单元Z1,…,n的预给定数量。
在图4的改进的输入电路410中,在蓄电池组400的重新示例性地预给定的数量n等于五(n=5)个蓄电池单元Z1,…,5,相应地说明性地(illustrativ)设置五个附加电阻RZ1,…,5,它们分别与电阻R1,…,5串联连接,在此它们分别直接位于监测单元110的输入端E2,...,6中的一个输入端的前面。说明性的五个附加电阻RZ1,…,5被确定为分别小于或至多等于其他电阻R1,…,5。优选地,附加电阻RZ1,…,5的电阻值为电阻R1,…,5的电阻值的20%到80%之间。特别优选地,附加电阻RZ1,…,5的电阻值为电阻R1,…,5的电阻值的20%到50%之间。附加电阻RZ1,…,5的数量优选对应于蓄电池单元Z1,…,5的数量n以及电阻R1,…,5的数量n,因此在此对应于数量5。然而应指出,附加电阻RZ1,…,5的数量也可以不等于蓄电池单元Z1,…,5和/或电阻R1,…,5的数量。附加电阻RZ1,…,5在监测单元110的输入电路410内引起电流衰减。
替代于监测单元110中的五个电子开关S1,…,5,还可以设置其他有源或无源电子部件,这些电子元件实现:替代于引起限定的短路,吸取(ziehen)特定的电流或接入限定的电阻。这些部件可以是SCM电路112的一部分,替代地,也可以集成到无源输入电路410中,如图4中示例性说明地那样。
对于在此给出的、评估(输入)电压U1,…,5的下降曲线以用于蓄电池组400的输入电路410内的故障识别的情况,由算法确定的电子开关S1,…,5隔着限定的时间区间闭合。在时间区间开始时或者说在相关的开关S1,…,5的闭合过程在第一时间t1生效之后立即测量分配的当前(输入)电压U1,…,5(t1)。在时间区间期满后或者说在第二时刻t2,再次打开相关的开关S1,…,5,并在此之后立即测量所属的(输入)电压U1,…,5(t2)。接下来,优选借助监测单元110的微控制器130计算U1,…,5(t2)/U1,…,5(t1)的比率。“直接”是因为,在其他情况下所属的电容器C1,…,5又会被分配给其的电池单元Z1,…,5再充电,这将导致下降曲线的测量失真。两个时刻t1、t2的检测例如可以借助监测单元110的由微控制器130控制的时间测量单元132来进行。在此,第二时刻t2和第一时刻t1之间的差等于所确定的时间区间。
相应于在图1至图3的描述的范畴中进行的实施方式,基于合适的预给定的容差范围又可以绝对地和/或相对地评估两个电压的比率U1,…,5(t2)/U1,…,5(t1),并考虑将其用于检测蓄电池组400的输入电路410内的四个电故障F1,…,4。蓄电池组400以及评估下降曲线的一个特别的优点在于,还能够检测相互补偿的两个故障,例如如果1/R1,…,5和C1,…,5的配对的值以相同的程度改变,使得R和C的乘积保持不变。
Claims (9)
1.一种蓄电池组(100),所述蓄电池组具有预给定数量(n)的彼此连接的单个蓄电池单元(Z1,…,n)以及用于所述单个蓄电池单元(Z1,…,n)的监测单元(110),所述监测单元尤其是根据SCM电路(112)的形式的监测单元,其中,所述监测单元(110)具有无源输入电路(120),其特征在于,所述监测单元(110)构造用于,借助分配给所述监测单元(110)的时间测量单元(132)尤其基于电压(U1,…,n)的上升时间(TAn1,…,n)的测量来识别所述无源输入电路(120)内的不同的电故障(F1,…,4)。
2.根据权利要求1所述的蓄电池组,其特征在于,所述监测单元(110)具有至少一个电压测量器(V1,…,n)以及电子开关(S1,…,n),所述至少一个电压测量器用于检测所述电压(U1,…,n)。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池组,其特征在于,所述无源输入电路(120)具有多个电阻(R1,…,n)和电容器(C1,…,n)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的蓄电池组,其特征在于,通过借助分配的开关(S1,…,n)至少短暂地跨接所述监测单元(110)的电压测量器(V1,…,n)中的各一个电压测量器、分别通过所述电压(U1,…,n)的上升时间(TAn1,…,5)的绝对分析处理和/或相对分析处理能够识别所述无源输入电路(120)内的所述电故障(F1,…,4)。
5.根据权利要求4所述的蓄电池组,其特征在于,所述无源输入电路(410)具有多个附加电阻(RZ1,…,n),所述附加电阻分别与所述电阻(R1,…,n)中的一个电阻串联连接,其中,所述附加电阻(RZ1,…,n)的数量等于所述蓄电池单元(Z1,…,n)的预给定数量(n)。
6.根据权利要求5所述的蓄电池组,其特征在于,所述附加电阻(RZ1,…,n)被确定为小于或等于所述电阻(R1,…,n)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的蓄电池组,其特征在于,所述监测单元(110)实施为集成电路(114)。
8.一种用于检测监测单元(120)的无源输入电路(120)内的电故障(F1,…,4)的方法,所述监测单元尤其是根据SCM电路(112)的形式的监测单元,所述监测单元用于蓄电池组(100)的预给定数量(n)的单个蓄电池单元(Z1,…,n),所述蓄电池组尤其是根据以上权利要求中任一项所述的蓄电池组(100),所述方法包括以下步骤:
a)启动所述蓄电池组(110)的充电运行;
b)测量电压(U1,…,n(t1));
c)借助分配的开关(S1,…,n)至少短暂地跨接所述监测单元(V1,…,n)的电压测量器(V1,…,n);
d)测量上升时间(TAn1,…,n),直到当前测量的电压(U1,…,n(t2))已经达到所述电压(U1,…,n(t1))的一个分数,所述分数为0.1至0.9;
e)对所述蓄电池组(100)的预给定数量(n)的蓄电池单元(Z1,…,n)中的每个蓄电池单元重复所述步骤b)至d);
f)基于预给定的容差范围对所述上升时间(TAn1,…,n)进行绝对分析处理和/或相对分析处理;
g)如果至少一个上升时间(TAn1,…,n)处于所述容差范围以外并且因此在所述监测单元(110)的无源输入电路(120)内已经识别出故障(F1,…,4),则停止所述蓄电池组(100)的充电运行,否则继续所述充电运行并循环地重复所述步骤b)至g)。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,如果第一电压测量器(V1)未通过电阻(R)与所述蓄电池组(100,400)的负极(M)连接,则在所述预给定数量(n)等于一的情况下以时间校正因子修正所述上升时间(TAn1)。
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