用于运行电池的电池单体的方法、电池以及机动车与流程

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用于运行电池的电池单体的方法、电池以及机动车与流程

本发明涉及一种用于运行电池的至少两个在电气方面并联的电池单体的方法,该电池用于机动车,其中,电池单体中的每个具有带有两个电极的电元件和用于容纳所述电元件的电池单体壳体,电池单体壳体具有两个接头并且所述电极中的每个与电池单体的分别一个接头电耦联。本发明此外涉及电池以及具有电池的机动车。



背景技术:

从现有技术中已知,各个电池单体例如通过汇流排或者电力线电连接成电池或者说电池系统。这种电池当今尤其作为牵引电池使用在机动车、例如电动车或者混合动力车中用于驱动所述机动车。在此,电池单体可以串联或者并联。基于如下事实,即在电池单体并联时沿着汇流排或者说电力线得出不同的电阻路径长度,电池单体此外具有不同的内阻以及额外地在所述汇流排和相应的电池单体接头之间的相应的联结点中存在不同的接触电阻,而在并联连接中对于相应的电池单体形成不同的电流加载。

也就是说,因为在并联连接中在所有电池单体处施加有相同的电压,所以由于不同的电阻得出电池单体的不同的电流。在此,总电阻路径较小的电池单体比具有较高的总电阻路径的电池单体更强地被加载。由于电池单体在并联连接中这种不同的加载或者说由于这种不均匀的荷载引起各个电池单体的以及由此整个电池的使用寿命和生产率(性能)的限制。



技术实现要素:

本发明的任务是,提供一种解决方案,借助于所述解决方案能够使得电池单体特别经济地并且由此延长使用寿命地运行。

所述任务根据本发明通过具有根据独立权利要求所述特征的方法、电池以及机动车得到解决。本发明的有利的实施方案是从属权利要求、说明书和附图的主题。

根据本发明的方法用于运行用于机动车的电池的至少两个在电气方面并联的电池单体。在此,电池单体中的每个具有电元件和用于容纳所述电元件的电池单体壳体,所述电元件具有两个电极,电池单体壳体具有两个接头。此外,所述电极中的每个与电池单体的分别一个接头电耦联。此外,从电池单体分别测量状态参数的值。将电池单体的状态参数的这些值相互比较。当这些值彼此间的偏差处于规定的容差范围之外时,对至少一个电池单体的至少是在一个电极和所述接头中的一个接头之间的电阻以及因此对至少一个电池单体的电流加载如下地进行调节,使得所述偏差处于规定的容差范围之内。

每个电池单体中的电元件尤其设计为二次电池,其为了给电气部件供电能够放电并且在放电之后又能够充电。所述电元件布置在电池单体壳体中,其中,电元件的电极中的第一个电极与所述接头中的第一个电耦联,所述电元件的电极中的第二个电极与所述接头的第二个电耦联。由此,在所述接头处能够截取(abgegriffen)由所述电元件提供的电能或者用于充电的能量能够通过所述接头馈送给所述电元件。

电池单体在电气方面并联。在此,例如通过汇流排或者电力线,电池单体的第一接头分别相互电连接以及电池单体的第二接头相互电连接。也可以设置,至少两个电池单体在电气方面并联成一个电池模块并且所述电池模块例如与至少一个另外的、同样类型的电池模块电串联成电池。

对于电池单体、尤其对于电池单体中的每个,现在例如由电池单体的传感器装置检测所述状态参数的值并且将电池单体的状态参数的值相互比较。此外,这些值例如可以传输到上一级的控制装置处。为了传输,电池单体中的每个可以具有通信装置(例如以无线天线的形式),这些值能够通过所述通信装置无线地传输。

所追求的是,使电池的所有电池单体的状态参数的值大约相等,即所述值之间的偏差大约为零。然而,当所述值彼此偏差超过预先确定的容差范围时,那么这能表明各个电池单体在并联连接中不对称的加载或者电池单体的损坏。

此外,在至少一个电池单体的至少一个电极和与该至少一个电极耦联的接头之间的电阻动态地进行调整。换句话说这意味着,所述至少一个电池单体的内阻动态地改变。通过内阻的动态调整,所述至少一个电池单体的电流加载得到调节,用以由此使得各个电池单体的状态参数的值的偏差彼此补偿。

例如当仅仅一个电池单体的状态参数的值与其他电池单体的状态参数的值有偏差时,所述偏差的电池单体的电阻能够被动态地调节。通过这种调节,所述偏差的电池单体的状态参数的值能够得到调节,从而其例如具有与其他电池单体的状态参数相同的值。也可以的是,所有电池单体的电阻进行动态地调节,用以使得所有电池单体的状态参数的值彼此相称。

通过各个电池单体的电阻的这种动态的调节能够以有利的方式提高电池单体的使用寿命和生产率

特别优选地,尤其测量在相应的电池单体的至少一个电极和相应的接头之间的电流作为状态参数。换句话说这意味着,将各个电池单体的电流相互比较。因为,如已经解释的那样,在并联连接中各个电池单体的不同的电流加载导致关于使用寿命和性能的限制,所以这种不同的电流加载能够通过每个电池单体的内阻的动态的调节得到补偿。

为了测量所述电流,电池单体中的每个可以具有电流传感器,其尤其检测相应的电池单体的电极和接头之间的电流。这些电流值例如能够被传输到上一级的控制装置处,其将各个电池单体的电流值相互比较。当各个电流值之间的偏差处于规定的容差范围之外时,那么所述控制装置能够如下程度地改变在至少一个电池单体的至少一个电极和接头之间的电阻以及由此改变所述至少一个电池单体的电流加载,直至所有电流值大约相同。

因为,在并联连接时相同的电压施加在所有电池单体处,所以通过动态的内阻调节、即电极和相应的接头之间的电阻的动态的调节能够使得不同的电流加载得到补偿以及由此使得各个电池单体的对称的电流加载得到保证。

也可以设置,测量相应的电池单体的电池单体壳体之内的温度作为状态参数。为此,电池单体例如可以分别具有温度传感器,并且例如通知上一级的控制装置温度的值。例如当电池单体中的一个过热时(例如由于电池单体中局部的温度提高或者所谓的“热点”),那么这个电池单体的温度与其他电池单体的温度存在偏差。一旦这种偏差处于容差范围之外,则尤其提高这个电池单体的内阻,使得电池单体的电流加载以及由此降低电池单体的温度。

也可以的是,所述控制装置根据提高的温度识别出电池单体的损坏。在这种情况下,电池单体的电阻能够最大地被提高,从而电流被中断。

根据本发明的改进方案,检测相应的电池单体的荷电状态作为所述状态参数。为此,电池单体中的每个例如可以具有电压传感器,其检测所述相应的电池单体的电池电压并因此检测荷电状态。因此,在电池充电时能够通过检测所述荷电状态或者说SOC(State of Charge)以及动态地调节所述各个电池单体的内阻使得电流供给针对性地调节所述相应的电池单体的荷电状态。由此,能够通过以下方式防止各个电池单体过充电,即例如电池单体的内阻随着提高的荷电状态而提高。由此,整个电池的性能得到提升。在电池放电时,能够通过检测所述荷电状态和动态地调节所述电阻防止各个电池单体的深度放电。

优选地,为了调节所述电阻而运行电子开关元件、尤其是半导体开关(Halbleiterschalter)。在此,电池单体的至少一个电极通过所述电子开关元件与相应的接头连接。尤其是各电池单体的两个电极分别通过电子开关元件与相应的接头连接。在电子开关元件的情况下,电流能够借助于控制信号、例如在所述电子开关元件处的控制电压被控制。所述电子开关元件例如可以由上一级的控制装置或者由电池单体自身的控制装置驱控。

电子开关元件(其例如设计为功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或者设计为IGBT(绝缘栅双极晶体管))能够依赖于所述控制电压在不同的区域中运行。当所述电子开关元件在截止区域中运行时,即当所述控制电压低于规定的阈值时,所述电子开关元件截止或者说阻断在所述电极和相应的接头之间的电流。这意味着,在所述电极和所述接头之间的电子电阻最大。当两个电极分别通过电池单体的电子开关元件与相应的接头连接时,电池单体由此能够通过截止两个电极和接头之间的电流完全地与并联连接的其他电池单体脱耦。

当所述电子开关元件运行在线性区域或者说三极管区域中时,能够通过提高所述控制电压使得电流线性地提高。

当电子开关元件在饱和区域中运行时,那么从某一确定的控制电压开始能够在所述接头和所述电极之间流动有恒定的最大的电流。这意味着,在所述电极和所述接头之间的电阻最小。

通过运行所述电子开关元件能够以特别简单的和可靠的方式实施动态的电阻调节。

本发明的改进方案规定,为了调节所述电阻使得所述电子开关元件运行在线性区域中,其中所述电子开关元件具有欧姆电阻的特性。在所述线性区域中,通过所述电子开关元件的电流以及由此在所述电极和所述接头之间的电流能够与施加的控制电压成正比地得到改变。因此通过提供相应的控制电压能够调节所述电极和所述接头之间的电阻。在此,对于每个电池单体,能够尤其作为模拟信号单个地规定所述控制电压并且由此使得对于每个电池单体单个地规定所述电阻。此外,电池单体的开关元件的相应的驱控例如能够由电池单体自身的控制装置或者由上一级的控制装置实施。

根据本发明的另外的设计方案,为了调节所述电阻而使得所述电子开关元件节拍地运行。换句话说这意味着,所述开关元件交替地在所述截止区域和所述饱和区域中运行。此外,能够规定数字的信号、特别优选地脉宽调制的信号用于控制所述电子开关元件。相应的电阻或者说电流在此通过节拍的信号的脉冲持续时间进行调节。当多个电池单体的电阻动态地得到调节时,那么能够为电池单体中的每个规定单个的信号。数字的信号是特别有利的,因为其能够特别可靠地并且几乎无干扰地(例如由上一级的控制装置)进行传输。

此外,本发明包括用于机动车的电池,其具有至少两个在电气方面并联的电池单体,其中,电池单体中的每个具有带有两个电极的电元件和用于容纳所述电元件的电池单体壳体,电池单体壳体具有两个接头,所述电极中的每个与电池单体的分别一个接头电耦联。此外,电池单体中的每个具有至少一个传感器装置用于检测状态参数的值。额外地,所述电池具有控制装置,所述控制装置设计用于,将每个电池单体的状态参数的值相互进行比较并且在值的偏差超过规定的容差范围的情况下,调节至少一个电池单体的至少一个电极和至少一个接头之间的电阻以及因此调节至少一个电池单体的电流加载,使得偏差处于所述规定的容差范围之内。

根据本发明的机动车包括至少一个根据本发明所述的电池。所述机动车例如可以设计为轿车、尤其是设计为电动车或者混合动力车。所述机动车然而也可以实施为电运行的摩托车或者自动车。

然而也可行的是,所述电池设置在静止的能量存储器系统中。在此,例如可以规定,过去被在机动车中提供的电池在所述静止的能量存储器系统中继续使用作为所谓的二次利用电池(Second Life Batterie)。

参考按照本发明的电池单体提出的优选的实施方式和其优点相应地适用于根据本发明的电池以及根据本发明的机动车。

附图说明

接下来,本发明现在根据优选的实施例以及也在参考附图的情况下更详细地解释。

其中,

图1示出根据现有技术的电池单体的等效电路图,电池单体通过汇流排相互连接;

图2示出电池的截面的示意性的图示;以及

图3示出电池单体的示意性的图示,其中电阻能够借助于电子开关元件改变。

具体实施方式

在附图中,相同的或者功能相同的元件设有相同的附图标记。

接下来解释的实施例涉及本发明的优选的实施方式。然而,在所述实施例中,实施方式的说明的构件分别形成本发明的各个能够彼此独立看待的特征,其分别也彼此独立地改进本发明并且由此也要单个地或者以不同于示出的组合的形式看作本发明的组成部分。此外,说明的实施方式也能够通过本发明的另外已经说明的特征补充。

图1示出了根据现有技术的电池1的截面的等效电路图,所述电池具有8个电池单体3。所述电池1包括电池模块2形成的串联电路,其中此处示意性地示出两个电池模块2的等效电路图。所述电池模块2中的每个具有由多个电池单体3形成的并联电路,其中此处对于每个电池模块2示意性地示出四个电池单体3形成的等效电路图。电池单体3在所述电池模块2内通过电导体4、例如汇流排或者电力线并联。此外,所述电池模块2通过导体4串联成电池1。

在多个电池单体3这样并联连接时产生不同的路程长度以及因此不同的总电阻路径(Gesamtwiderstandspfande)。在此,电阻RL1,RL2,RL3,RL4,RL5,RL6,RL7,RL8表示分别要跨接的不同的路程长度直至节点或者说总电流积聚部位M。电阻RC1,RC2,RC3,RC4,RC5,RC6,RC7,RC8表示在电池单体2的相应的接头和汇流排或者说电力线之间的接触电阻。RM表示从左侧示出的第一电池模块2到右侧示出的下一个电池模块2的电流接触电阻路径(Stromübergangswiderstandspfad)。总电流IM通过所述节点M从所述第一电池模块2流动到所述第二电池模块2中。

电池单体3通过不同的电阻RL1,RL2,RL3,RL4,RL5,RL6,RL7,RL8,RC1,RC2,RC3,RC4,RC5,RC6,RC7,RC8不同地加载,也就是说电池单体3的电流I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8会彼此偏差。根据现有技术,所述电池1的电池单体3的这种不同地加载会导致所述电池1的使用寿命受到限制并且由此导致所述电池1提早失效。

图2示出了电池5的截面,借助于所述电池能够避免根据现有技术的电池1的缺点。所述电池5包括由电池模块6组成的串联电路,其中在此示意性地示出了两个电池模块6。所述电池模块6中的每个具有由多个电池单体10构成的并联电路,其中在此对于每个电池模块6示意性地示出四个电池单体10。这样的电池5例如可以布置在在此没有示出的机动车中用于驱动所述机动车。这样的电池5然而也可以设置在在此没有示出的静止的能量供应系统中。

电池单体10中的每个(如其示例性地在图3中示出的那样)包括电池单体壳体12。在电池单体壳体12内布置有电元件14,其电极通过导体16、18与电池单体10的接头20、22电耦联。在此,正的电极通过所述导体16与电池单体10的第一接头20或者说正极电连接,负的电极通过所述导体18与电池单体10的第二接头22或者说负极电连接。

为了并联,电池单体10的第一接头20在所述电池模块6内电连接并且电池单体10的第二接头22电连接。所述电池模块6通过以下方式串联地电连接,即左侧示出的电池模块6的第一接头20与右侧示出的电池模块6的第二接头22电连接。在所述电池模块6之间的电连接和在电池单体10之间的电连接可以借助于汇流排7形成。

电池单体10中的每个具有内阻Ri,其由制造引起地和/或老化引起地会在电池单体10之间波动。也就是说,电池单体10中的每个可能具有不同的内阻Ri。由此并且基于与根据现有技术的电池1关联地描述的不同的电阻路径,电池单体10的电流I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8彼此会不同。电池单体10因此不对称地被加载。为了保证均匀的电流加载,至少一个电池单体10的在所述电元件14的电极和同一个电池单体10的接头20、22之间的电阻RDS和由此电池单体10的总内阻Ri+RDS能够动态地调节。

为了检测相应的电池单体10的电流I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8,电池单体10中的每个可以具有电流传感器A(参见图3)。所述被检测的电流I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8能够被传输到在此没有示出的上一级的控制装置处。为此,电池单体10中的每个可以具有通信装置32,其例如设计成无线天线的形式并且能够例如通过WLAN或者蓝牙将所述电流传感器A的数据发送到所述上一级的控制装置处。

电流I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8的值例如由控制装置相互进行比较。当所述电流I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8的值的偏差(由于不对称地加载)处于规定的容差范围之外时,那么在至少一个电池单体10的电元件14的一个电极和相应的接头20、22之间的电阻RDS动态地改变。所述电阻RDS在此如下地进行调节,使得所述电流值I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8的偏差处于规定的容差范围之内。

由此,尤其例如由于较小的总电阻路径而被较高地加载的电池单体10的电阻RDS能够被提高。由此,对于这个电池单体10的电流加载能够被减少。例如由于较大的总电阻路径而被较低地加载的电池单体10的电阻RDS能够被降低,从而这个电池单体10的电流加载得到提高。

为了调节所述接头20、22和所述电元件14的电极之间的电阻RDS,电池单体10中的每个如在图3中示出的那样能够具有至少一个电子开关元件24、26。在图3中示出,正的电极借助于第一电子开关元件24与电池单体10的第一接头20或者说正极电耦联,负的电极借助于第二电子开关元件26与电池单体10的第二接头22或者说负极电连接。所述开关元件24、26尤其实施为半导体开关元件、例如实施为具有可变的通过电阻的功率晶体管。

借助于所述开关元件24、26,例如能够通过提供相应的控制电压规定所述电极和所述接头20、22之间的电流。所述开关元件24、26例如可以运行在截止区域,其中在最大的通过电阻(R=∞)的情况下,所述导体16、18和所述电的接头20、22之间的导电连接以及由此在所述电元件14和所述接头20、22之间的导电连接被中断。

开关元件24、26可以在线性区域运行,其中电流通过提高或者降低所述控制电压能够线性地提高或者降低。在所述线性区域中,所述开关元件24、26因此具有如欧姆电阻那样的特性。

当所述电子开关元件24、26在饱和区域中运行时,从某一确定的控制电压开始,在通过电阻(R=0)最小时,在所述接头20、22和所述电元件14之间能够流动恒定的最大的电流。

开关元件24、26例如可以由电池单体内部的控制装置28驱控并且在相应的区域中运行。由此,例如在检测的电流值超过所述容差范围偏差时,电池单体10的电池单体内部的控制装置28能够由所述上一级的控制装置例如通过通信装置32动作,其电阻RDS要动态地改变。接下来,通过电池单体内部的控制装置28驱控至少一个开关元件24、26,其调节在所述电极和所述相应的接头20、22之间的电流。开关元件24、26例如可以通过规定模拟的控制信号在线性区域中运行或者通过规定数字的信号节拍地运行。

此外,电池单体10如在图3中示出的那样具有传感器装置30,在此借助于传感器装置能够检测电池单体10的温度T、压力P和加速度B。当例如各个电池单体10的温度T彼此偏差时、即在不对称的温度加载的情况下,各个电池单体10的温度T能够通过电流加载的变化、也就是说通过电阻RDS的变化得到调节。在这种情况下,电池单体10虽然具有不同的电流加载,然而通过这种不同的电流加载使得各个电池单体10的温度得到规定并且彼此相称。

也可能的是,例如一个电池单体10的温度T由于电池单体10的损坏超过对于温度规定的阈值。由此所述开关元件24、26例如能够由电池单体内部的控制装置28都运行在截止区域中。由此,电池单体10与所述电池5脱耦。

此外,电池单体10在此具有电压传感器V用于检测电池单体10的电池单体电压以及由此检测荷电状态。由此,所述电阻RDS也能够调节各个电池单体10的荷电状态。由此能够保证,所有的电池单体10都均匀地充电和/或放电,并且尤其没有被过充电和/或深度放电。

再多了解一些
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