專利名稱：單元均衡的蓄電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有新型單元均衡的蓄電池。
背景技術：
在將來，無論在固定的應用還是在車輛諸如混合動力車輛和電動車輛中，將增加應用蓄電池系統(tǒng)。為了能夠滿足針對各應用給出的對電壓以及所能夠提供的功率的要求， 串聯(lián)了較高數(shù)量的蓄電池單元。因為由一個這樣的蓄電池提供的電流必須流過所有的蓄電池單元，并且一個蓄電池單元僅能夠導通受限的電流，因此通常還附加地并聯(lián)連接蓄電池單兀，以便提聞最大電流。
圖I示出了傳統(tǒng)蓄電池10的具體框圖。多個蓄電池單元11串聯(lián)連接以及可選的額外并聯(lián)連接，以獲得各個應用所需的高的輸出電壓(串聯(lián))和蓄電池容量(并聯(lián))。在蓄電池單元的正極和一個正蓄電池端子12之間連接了一個負載和分離裝置14。可選地在蓄電池單元的負極和一個負蓄電池端子13之間額外連接了一個分離裝置15。負載和分離裝置14以及分離裝置15分別包含保護繼電器16或17，設置這些保護繼電器用于使蓄電 池單元11與蓄電池端子12、13斷開，從而使蓄電池端子12、13不帶電壓。否則，由于串聯(lián)連接的蓄電池單元11具有很高的直流電壓，這對于維護人員或類似人員存在很大的潛在風險。在負載和分離裝置14內(nèi)還額外設置了一個負載保護繼電器18，其具有與負載保護繼電器18 串聯(lián)連接的負載電阻19。當蓄電池連接到直流中間電路時，負載電阻19為連接到傳統(tǒng)蓄電池供電的驅動系統(tǒng)的直流中間電路的緩沖電容器限制充電電流。為此首先，斷開保護繼電器16，僅有負載保護繼電器18閉合，由此負載電阻19所限制的電流最大能夠達到蓄電池電壓除以負載電阻19的電流。如果在正蓄電池端子12上的電壓至少近似達到蓄電池電壓，保護繼電器16閉合并且必要時斷開負載保護繼電器18。保護繼電器16、17和負載保護繼電器18增加的蓄電池成本不少，這是因為對其可靠性和對由其導通的電流提出了高的要求。
大量蓄電池單元的串聯(lián)連接除了總電壓高之外，還帶來了這樣的問題，S卩如果一個蓄電池單元故障，則整個蓄電池故障，因為由于串聯(lián)連接，蓄電池電流必須流過所有的蓄電池單元。這樣的蓄電池故障能夠導致整個系統(tǒng)的故障。在電動車輛中，驅動蓄電池的故障能夠導致所謂的趴窩(Liegenbleiber)，在另外的諸如風力發(fā)電裝置的轉動葉片調(diào)節(jié)裝置中，在強風情況下，這能夠導致安全危險情況。因此蓄電池的可靠性高是有利的。根據(jù)定義，概念“可靠性”是指系統(tǒng)正確地工作預先給定的時間的能力。
廣泛使用的增加蓄電池壽命的方法被稱作所謂的單元均衡。該方法的原理是盡可能均勻地為蓄電池的所有蓄電池單元加載，由此單個蓄電池單元不會過早放電而因此整個蓄電池故障，盡管在其他蓄電池單元內(nèi)仍有足夠可用的電能。此外過早放電的蓄電池單元對于安全操作還存在嚴重的風險，因為已放電的蓄電池單元相對于其余的蓄電池單元表現(xiàn)為一個負載，由于持續(xù)流經(jīng)電流，該蓄電池單元會變得非常熱。盡管蓄電池單元已經(jīng)被放電，這個蓄電池繼續(xù)工作會存在損壞蓄電池單元并繼而整個蓄電池遭到永久損壞的風險。 因此在現(xiàn)有技術中必須發(fā)現(xiàn)不同的單元均衡的方法，這些方法找到具有較高單元電壓的蓄電池單元，并與其他蓄電池單元相比較有目的地放電(電阻性單元均衡)。由于在電阻性單元均衡中，通過單元均衡而得到電能受到損失，所以引入電感性單元均衡方法，在該方法中將從一個待放電蓄電池單元產(chǎn)生的電能提供給另一個蓄電池單元。但是，即使如此仍會產(chǎn)生電功率的損失，再者這在使用線圈的電路中一定會產(chǎn)生很高且龐大的連接技術成本。發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明提出了一種蓄電池，具有至少一個蓄電池模塊組，確定蓄電池單元的充電狀態(tài)的傳感裝置以及控制單元。蓄電池模塊組包括多個串聯(lián)連接的蓄電池模塊，其中每個模塊具有至少一個蓄電池單元和一個耦合單元。至少一個蓄電池單元設置在所述耦合單元的第一輸入端和第二輸入端之間，所述耦合單元被構造成根據(jù)第一控制信號在所述蓄電池模塊的第一端子和所述蓄電池模塊的第二端子之間切換所述至少一個蓄電池單元，并且根據(jù)第二控制信號把所述第一端子連接到所述第二端子。所述傳感裝置與每個蓄電池模塊的所述至少一個蓄電池單元是可連接的。所述控制單元連接到所述傳感裝置，并且被構造為選擇蓄電池模塊，其中所選擇的蓄電池模塊的至少一個蓄電池單元具有在所有蓄電池模塊中的最低充電狀態(tài)，并把所述第二控制信號輸出至蓄電池模塊組的所選擇蓄電池模塊的耦合單元。如果設計不止一個蓄電池模塊組，則分別對每個蓄電池模塊組進行蓄電池模塊的選擇。
所述耦合單元實現(xiàn)了將蓄電池模塊的在耦合單元的第一和第二輸入端之間連接的一個或多個蓄電池單元，耦合到耦合單元的輸出端，從而使得外部可以使用蓄電池單元的電壓，或者橋接蓄電池單元，從而從外部可以看到OV的電壓。在前一種情況下，蓄電池單元參與通過蓄電池提供電能，但在第二種情況下不參與。
因此蓄電池具有的優(yōu)點是，可以僅通過在時間上將蓄電池的實際負荷分攤給工作中的蓄電池單元以實現(xiàn)單元均衡。具有一個或多個具有相比于其他蓄電池模塊的蓄電池單元更高充電狀態(tài)的蓄電池單元的蓄電池模塊相比于具有較低充電狀態(tài)的蓄電池模塊的蓄電池單元時間更長地參與電能的提供，直到實現(xiàn)均衡。因此從較高充電狀態(tài)的蓄電池單元所獲得的電能被直接用于蓄電池的基本用途，不像電阻性單元均衡一樣產(chǎn)生電能浪費，也不像具有高成本的電感性單元均衡，在把電能傳輸給另一個蓄電池單元時仍會有損失。
本發(fā)明所述的單元均衡可以在極端情況下用于獨立的蓄電池單元，亦即當耦合單元也僅有一個蓄電池單元時。但是作為電路技術上有意義的讓步考慮可以使連接到耦合單元的蓄電池單元組也可以一起實現(xiàn)單元均衡。
盡管通過斷開蓄電池模塊來降低蓄電池的輸出電壓，但較低的輸出電壓在常規(guī)應用中不會導致整個設備的故障，因此是可以接受的。
所述耦合單元可以具有第一輸出端，并且構造為根據(jù)第一控制信號連接第一輸入端或第二輸入端到該輸出端。在此，該輸出端連接到蓄電池模塊的端子之一，第一或第二輸出端之一連接到蓄電池模塊的另一個端子。這類耦合單元可以僅通過兩個開關來實現(xiàn)，優(yōu)選半導體開關例如MOSFET或IGBT。
可替換的是，耦合單元可以具有第一輸出端和第二輸出端，并且構造為根據(jù)第一控制信號將第一輸入端連接到第一輸出端且將第二輸入端連接到第二輸出端。此時，該耦合單元還可以構造為根據(jù)第二控制信號將第一輸入端從第一輸出端斷開，將第二輸入端從第二輸出端斷開，并且將第一輸出端連接到第二輸出端。此實施例需要更多的電路花費 (通常是三個開關)，但把蓄電池模塊的蓄電池單元在其兩個極處分離，由此當蓄電池模塊存在深度放電或損壞風險時，其蓄電池單元可以被無電壓地連接并且因此在整個設備的持續(xù)操作期間可以被安全地替換。
所述傳感裝置可以包含電壓測量單元，其構造為確定蓄電池單元的單元電壓或蓄電池模塊的電壓。蓄電池單元的單元電壓或蓄電池模塊的電壓是在確定蓄電池單元或蓄電池模塊充電狀態(tài)時最重要的參數(shù)。當獲取以及分析單元電壓或蓄電池模塊的電壓隨時間變化時，可以獲得非常精確的結論。
另外，所述傳感裝置可以包含溫度測量單元，其構造為確定蓄電池單元的單元溫度或者蓄電池模塊的溫度。蓄電池單元的單元電壓和容量都依賴于溫度，因此額外地獲取蓄電池單元或蓄電池模塊的溫度實現(xiàn)了更精確地確定充電狀態(tài)。
所述傳感裝置還可以包含電流測量單元，其構造確定至少一個蓄電池模塊組的電流。在較高負荷下，在相同充電狀態(tài)下的蓄電池單元的單元電壓或者蓄電池模塊的電壓要低于低負荷時的電壓。因此如果額外地確定蓄電池模塊組的電流，那么能夠更精確地并且在改變負荷的情況下確定充電狀態(tài)。
尤其優(yōu)選的是，所述蓄電池精確地包含三個蓄電池模塊組。這使得蓄電池能夠用于三相驅動電機的驅動。
至少一個蓄電池單元優(yōu)選是鋰離子蓄電池單元。鋰離子蓄電池單元的優(yōu)點是高單元電壓以及在給定體積下的高容量。
本發(fā)明的第二方面涉及一種機動車，其具有用于驅動機動車的電的驅動電機以及連接到所述電的驅動電機的、根據(jù)上述本發(fā)明第一方面的蓄電池。


下面基于附圖和隨后的說明書進一步解釋本發(fā)明的實施例，其中相同的附圖標記表示相同或同樣功能的元件。其中
圖I示出了現(xiàn)有技術中蓄電池的框圖，
圖2示出了用在依據(jù)本發(fā)明的蓄電池中的耦合單元的第一實施例，
圖3示出了耦合單元的第一實施方式的可能的電路技術改型，
圖4A和4B示出了具有耦合單元的第一實施方式的蓄電池模塊的兩種實施方式，
圖5示出了用在依據(jù)本發(fā)明的蓄電池中的耦合單元的第二實施方式，
圖6示出了耦合單元的第二實施方式的可能的電路技術改型，
圖7示出了具有耦合單元的第二實施方式的蓄電池模塊的一種實施方式，以及
圖8示出了依據(jù)本發(fā)明的蓄電池的一個實施方式。
具體實施方式
圖2示出了用在依據(jù)本發(fā)明的蓄電池中的耦合單元20的第一實施例。所述耦合單元20具有兩個輸入端21和22以及一個輸出端23，并且構造為將輸入端21或22之一連接到輸出端23，并且將其中另一個輸入端與其分離。在耦合單元的特定實施方式中，它也能夠被構造為將兩個輸入端21、22都與輸出端23斷開。但是沒有設計成輸入端21和輸入端22都與輸出端23連接，這會導致兩個輸入端21、22之間的短路。
圖3示出了耦合單元20的第一實施例的可行的電路技術改型，其中設計了第一開關25以及第二開關26。開關中的每個分別連接在輸入端21和22中之一和輸出端23之間。本實施方式的優(yōu)點是兩個輸入端21、22也能夠與輸出端23分離，由此輸出端23是高阻抗，例如在維修或維護時能夠是很有用的。而且，開關25、26能夠是簡單的半導體開關， 例如MOSFET或者IGBT。半導體開關的優(yōu)點是低價格和高開關速度，由此耦合單元30能夠在很短時間內(nèi)對控制信號或者控制信號的變化做出反應，從而可以實現(xiàn)高速切換。
圖4A和4B示出了具有耦合單元20的第一實施方式的蓄電池模塊30的兩種實施方式。多個蓄電池單元11串聯(lián)連接在耦合單元20的輸入端之間。但是本發(fā)明不局限于蓄電池單元11的這種串聯(lián)形式，也可能僅設計一個蓄電池單元11或者蓄電池單元11的并聯(lián)或混合串并聯(lián)連接。在圖4A的實施例中，耦合單元20的輸出端連接到第一端子31，并且蓄電池單元11的負極連接到第二端子32。但是也可以是如圖4B所示的接近于鏡像結構，其中蓄電池單元11的正極連接到第一端子31，而耦合單元20的輸出端連接到第二端子32。
圖5示出了用在依據(jù)本發(fā)明的蓄電池中的耦合單元40的第二實施例。所述耦合單元40具有兩個輸入端41和42以及兩個輸出端43和44。耦合單元構造成第一輸入端 41連接到第一輸出端43并且第二輸入端42連接到第二輸出端44(并且第一輸出端與第二輸出端44分離)或者第一輸出端43連接到第二輸出端44 (并且此時輸入端41和42分離)。在耦合單元的特定實施例中，耦合單元還可以如下構造，兩個輸入端41、42與輸出端 43>44斷開,并且第一輸出端43與第二輸出端44分離。但是，同樣不設計成把第一輸入端 41連接到第二輸入端42。
圖6示出了耦合單元40的第二實施形式的可能的電路技術改型，其中設計了第一開關45、第二開關46和第三開關47。第一開關45連接在第一輸入端41和第一輸出端43 之間，第二開關46連接在第二輸入端42和第二輸出端44之間，第三開關47連接在第一輸出端43和第二輸出端44之間。本實施方式同樣具有的優(yōu)點是開關45、46和47能夠實現(xiàn)為簡單的半導體開關例如MOSFET或IGBT。半導體開關的優(yōu)點是低價格和高開關速度，由此耦合單元40能夠在很短時間內(nèi)對控制信號或者控制信號的變化做出反應，從而可以實現(xiàn)高速切換。
圖7示出了具有耦合單元40的第二實施方式的蓄電池模塊50的一種實施方式。 多個蓄電池單元11串聯(lián)連接在耦合單元40的輸入端之間。在本實施例中，蓄電池模塊50 的該實施方式不局限于蓄電池11的這樣的串聯(lián)電路形式，也可能僅設計一個蓄電池單元 11或者蓄電池單元11的并聯(lián)或混合串并聯(lián)連接。耦合單元40的第一輸出端連接到第一端子51，并且耦合單元40的第二輸出端連接到第二端子52。與圖4A和4B所示的蓄電池模塊30相比，蓄電池模塊50的優(yōu)點在于蓄電池單元11的能夠通過耦合單元40與蓄電池的其余部分兩端均斷開，這能夠在連續(xù)的運行中實現(xiàn)無風險的切換，因為蓄電池的其余蓄電池模塊的有風險的高電壓沒有位于蓄電池單元11的任一極上。
圖8示出了依據(jù)本發(fā)明的蓄電池的一種實施方式，該蓄電池具有η個蓄電池模塊組60-1到60-η。蓄電池模塊組60-1到60_η中的每個具有多個蓄電池模塊30或50，其中優(yōu)選蓄電池模塊組60-1到60-η中的每個具有相同數(shù)量的蓄電池模塊30或50，并且蓄電池模塊30、50中的每個具有相同數(shù)量的以相同方式互連的蓄電池單元11。蓄電池模塊組60中的每個的一個極能夠連接到另一個蓄電池模塊組60的相應的極，如圖8的虛線所示。通常，蓄電池模塊組60能夠包含大于I的任意數(shù)量的蓄電池模塊30或50，并且蓄電池能夠包含任意數(shù)量的蓄電池模塊組60。如果安全規(guī)定有此需要，則也能夠如圖I所示在蓄電池模塊組60的極上設計額外的負載和分離裝置以及分離裝置。然而根據(jù)本發(fā)明，這類分離裝置并不是必需的，因為蓄電池單元11能夠通過蓄電池模塊30、50內(nèi)包含的耦合單元20、40與蓄電池連接端分離。
如前所述，依據(jù)本發(fā)明的蓄電池允許單元均衡，其中具有相對較高的充電狀態(tài)的蓄電池模塊的蓄電池單元比具有相對較低的充電狀態(tài)的蓄電池模塊的蓄電池單元用于提供電能的時間更長。因此與普通的單元均衡會存在損失或者復雜并且重新分配存在損耗相比，由此蓄電池內(nèi)存儲的所有電能實際上均被用于蓄電池運行的應用。
依據(jù)本發(fā)明的蓄電池的另一個優(yōu)點在于該蓄電池能夠非常簡單地、由具有集成耦合單元的獨立蓄電池模塊模塊化地構造。因此能夠使用相同的部件(模塊化設計原理)。
權利要求
1.一種蓄電池，具有至少一個蓄電池模塊組(60)、用于確定蓄電池單元(11)充電狀態(tài)的傳感裝置以及控制單元，其中所述至少一個蓄電池模塊組(60)包括多個串聯(lián)連接的蓄電池模塊(30、50)， 其中每個蓄電池模塊(30、50)包括至少一個蓄電池單元(11)和一個耦合單元(20、40)，其中所述至少一個蓄電池單元(11)設置在所述耦合單元(20、40)的第一輸入端(21、41)和第二輸入端(22、42)之間，并且所述耦合單元(20、40)構造成根據(jù)第一控制信號在所述蓄電池模塊(30、50)的第一端子(31、51)和所述蓄電池模塊(30、50)的第二端子(32、 52)之間切換所述至少一個蓄電池單元(11)，并且根據(jù)第二控制信號將所述第一端子(31、 51)連接到所述第二端子(32、52)，其中所述傳感裝置與每個蓄電池模塊(30、50)的所述至少一個蓄電池單元(11)是可連接的，以及其中所述控制單元連接到所述傳感裝置，并且構造為選擇蓄電池模塊(30、50)，而所選擇的蓄電池模塊(30、50)的至少一個蓄電池單元(11)具有蓄電池模塊組(60)的所有蓄電池模塊(30、50)中最低的充電狀態(tài)，并把所述第二控制信號輸出至所選擇的蓄電池模塊 (30、50)的耦合單元(20、40)。
2.如權利要求I所述的蓄電池，其中所述耦合單元(20)具有第一輸出端(23)，并且構造為根據(jù)第一控制信號將第一輸入端(21)或者第二輸入端(22)連接到所述第一輸出端(23)。
3.如權利要求I所述的蓄電池，其中所述耦合單元(40)具有第一輸出端(43)和第二輸出端(44)，并且構造為根據(jù)所述第一控制信號將所述第一輸入端(41)連接到所述第一輸出端(43)并且將第二輸入端(42)連接到第二輸出端(44)，并根據(jù)所述第二控制信號將所述第一輸入端(41)與所述第一輸出端(43)斷開并且將所述第二輸入端(42)與所述第二輸出端(44)斷開，并且將所述第一輸出端(43)連接到所述第二輸出端(44)。
4.如前述任一權利要求所述的蓄電池，其中所述傳感裝置包括電壓測量單元，所述電壓測量單元構造為確定蓄電池單元(11)的單元電壓或者蓄電池模塊(30、50)的電壓。
5.如權利要求4所述的蓄電池，其中所述傳感裝置還包括溫度測量單元，所述溫度測量單元構造為確定蓄電池單元(11)的單元溫度或者蓄電池模塊(30、50)的溫度。
6.如權利要求4或5所述的蓄電池，其中所述傳感裝置還包括電流測量單元，所述電流測量單元構造為確定所述至少一個蓄電池模塊組(60)的電流。
7.如前述任一權利要求所述的蓄電池，其精確地具有三個蓄電池模塊組(60)。
8.如前述任一權利要求所述的蓄電池，其中所述至少一個蓄電池單元(11)是鋰離子蓄電池單元。
9.一種機動車，具有用于驅動所述機動車的電的驅動電機以及連接到所述電的驅動電機的根據(jù)前述任一權利要求所述的蓄電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種蓄電池，具有至少一個蓄電池模塊組(60)、確定蓄電池單元(11)的充電狀態(tài)的傳感裝置以及控制單元。蓄電池模塊組(60)包括多個串聯(lián)連接的蓄電池模塊(30、50)，其中每個模塊包括至少一個蓄電池單元(11)和一個耦合單元(20、40)。至少一個蓄電池單元(11)連接在所述耦合單元(20、40)的第一輸入端(21、41)和第二輸入端(22、42)之間，所述耦合單元(20、40)構造成根據(jù)第一控制信號在所述蓄電池模塊(30、50)的第一端子(31、51)和所述蓄電池模塊(30、50)的第二端子(32、52)之間切換所述至少一個蓄電池單元(11)，并且根據(jù)第二控制信號把所述第一端子(31、51)連接到所述第二端子(32、52)。所述傳感裝置與每個蓄電池模塊(30、50)的所述至少一個蓄電池單元(11)是可連接的。所述控制單元連接到所述傳感裝置，并且構造為選擇蓄電池模塊組(60)的蓄電池模塊(30、50)，所選擇的蓄電池模塊(30、50)的至少一個蓄電池單元(11)具有蓄電池模塊組(60)的所有蓄電池模塊(30、50)中最低的充電狀態(tài)，并把所述第二控制信號傳送給所選擇的蓄電池模塊(30、50)的耦合單元(20、40)。
文檔編號H02J7/00GK102939684SQ201180019516
公開日2013年2月20日 申請日期2011年2月16日 優(yōu)先權日2010年4月16日
發(fā)明者S·布茨曼, H·芬克 申請人:Sb鋰摩托有限公司, Sb鋰摩托德國有限公司