用于机动车的电池、机动车和用于运行电池的方法与流程
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的用于机动车的电池。本发明还涉及一种具有这样的电池的机动车。此外本发明还涉及一种用于运行这样的电池的方法。
背景技术：
锂离子电池或锂离子电池系统已经由于其高能量和功率密度在移动蓄能器的几乎全部领域中得以贯彻，无所谓是涉及摩托化自行车还是涉及电动工具、混合动力驱动车辆、电动车辆或甚至轨道应用。同时，锂离子电池系统越来越多地用于静止的蓄能系统。平面的荷电状态-电压特性曲线对于多个锂离子单体或其单体化学制剂是特定的。然而在约10％以下荷电状态(soc)和90％以上荷电状态的边缘区域中电池单体的电压水平非常快速地变化。各电池单体的电压水平随着时间可能彼此漂移开。这可以由于不同的效应、如例如不同的自放电速率、运行中不均匀的温度或电池组中一些电池单体的提前老化或者由于不同的批次(由不同生产批次的供货)来发生。由这样的单体组组成的电池系统要求仅仅放电或充电至一个电池单体达到电压的上或下阈值。电池管理系统(bms)因此也具有如下任务，即抵抗电池中单体电压的彼此漂移，人们在此称为“平衡(balancing)”。这用于，获得电池或电池系统的完全可用的容量。
在没有“单体平衡(cell-balancing)”的情况下在多单体电池系统中确定在总系统的容量上“最弱的”电池单体。“最弱的”电池单体再者确定，可以吸收或输出多少能量。这特别是对于高电压电池是重要的，其中为了实现相应的总电压使多个电池单体串联连接。车辆中的高电压电池通常理解为具有大于60伏特的电压的电池，视应用目的而定，所选择的电压可以为几百伏特。当前大多数情况下，用于电池的电池管理系统如此设计，使得借助于无源电池单体平衡可确保，实现关于电池单体电压或电池容量方面的协调。基于在电池中大多有非常多的电池单体串联连接的这一事实，自然非常重要的是，在(串联电路)所有电池单体双向电流加载的情况下如果可能也相同地加载所有电池单体。
一种可能性在于：提供跨过每个单个的电池单体的阻性旁路，该旁路可以控制成，使得充电电流的任意份额在电池单体的旁边被引导通过。在此不利的是，直至所有电池单体完全充电为止，此时不相称地高的份额的充电能量被转换为热量，“平衡”由原理所决定地仅仅在充电运行中起作用，而在放电期间是不起作用的。在电池的待命状态中也进行平衡，其可以导致电池的累进放电。由静止应用已知有源的电荷平衡装置，其也在放电运行中提供各个电池单体之间的均衡。该基于变压器实现的直流/直流转换器一方面需要昂贵的布线并且不仅导致较高的空间要求而且导致较高的质量，这特别是在移动式应用中变得明显不利。
技术实现要素：
因此本发明的任务在于，提供一种电池，其在小的电路技术成本和空间需求下实现内部电荷平衡。此外本发明的任务还在于，提供具有这样的电池的机动车以及用于运行这样的电池的方法。
该任务通过具有权利要求1的特征的电池以及通过具有权利要求9的特征的机动车并且此外通过具有权利要求10的特征的方法解决。本发明有利地改进是从属权利要求的主题。
本发明的出发点在于具有至少两个相互相邻设置的电池单体的、用于机动车的电池，该电池改进为，所述至少两个电池单体中的第一电池单体的边界面具有与第一驱控装置耦合的第一导电面，而所述至少两个电池单体中的第二电池单体的边界面具有与第二驱控装置耦合的第二导电面，其中，这两个导电面被布置成相互电气绝缘，并且这两个导电面构成电容元件。驱控装置被设计为，通过在电容元件中产生交变电场而在所述至少两个电池单体中的第一电池单体与所述至少两个电池单体中的第二电池单体之间传输电能。
在方法方面，本发明的出发点在于用于运行具有至少两个相互相邻设置的电池单体的、用于机动车的电池的方法，该方法改进为，通过在电容元件中产生交变电场而在所述至少两个电池单体中的第一电池单体与所述至少两个电池单体中的第二电池单体之间传输电能，其中，所述至少两个电池单体中的第一电池单体的边界面具有与第一驱控装置耦合的第一导电面，而所述至少两个电池单体中的第二电池单体的边界面具有与第二驱控装置耦合的第二导电面，其中，这两个导电面被布置成相互电气绝缘，并且这两个导电面构成电容元件。
电池单体分别包括电元件/电化学元件(galvanischeelement)，其在以下也称为相应电池单体的活性部分。该电元件构成为二次元件，其可以放电用以给电气部件供电并且在放电之后又可以充电。在此电元件以自身已知的方式包括例如金属薄膜形式的引出头，该引出头用电元件的电极的电化学活性材料覆层。此外设有电解质以及将电化学活性材料相互分隔开的隔离器。在这样的电元件中引出头可以堆叠、折叠或卷绕地存在，从而电元件也称为电池单体堆或电池单体卷。
在这里提出的方案中，借助于电容可实现主动平衡或能量传输的特别有利的付诸实施。在容性能量传输中的大的优点——该优点基于由于变化的电场而导致的移动电流——在于，没有能量以热量的形式丢失。现在已经可以没有问题地传输在大约5至10瓦特范围中的功率。几乎无损耗的容性能量传输因此特别适用于与智能电池单体一起应用，该智能电池单体具有主动的电荷平衡功能。利用电池单体的单个充电和放电的“主动平衡”因此适用于，超越使用寿命地获得电池模块(亦即在构造上组合为一个组合物的、相互连接的电池单体的布置结构)的最大容量并且获得平衡的荷电状态(soc)。整个电池系统可以由此更好地得以利用，由此总效率和可有效利用的容量提高。因此例如在电动车或混合动力车辆中续航里程也增大。
在一个优选实施形式中，所述至少两个电池单体中的第一电池单体的驱控装置与上级的控制装置和/或与所述至少两个电池单体中的第二电池单体的驱控装置经由通信连接相耦合，以便控制在所述至少两个电池单体中的第一电池单体与所述至少两个电池单体中的第二电池单体之间的主动的电荷平衡。优选地，通信连接在此可以无线地存在，特别是通过局部无线电连接如例如紫蜂、蓝牙、wlan以及诸如此类。优选地，驱控装置可以设计为，将关于相应电池单体的状态信息传送给上级控制装置，该上级控制装置随后由总体存在的数据来确定，在哪些电池单体之间宜进行能量交换，并且由此控制在各个电池单体之间的主动电荷交换。由此产生如下优点，即可以协调地运行各个驱控装置，由此特别是可避免在电池单体之间不必要的能量传输。
在一个有利的改进中，上级控制装置被设计为，预给定待从所述至少两个电池单体中的第一电池单体中提取出的能量的额定值并且将该额定值经由通信连接提供给所述至少两个电池单体中的第一电池单体的驱控装置。驱控装置在此设计为，根据所提供的额定值在电容元件中产生交变电场。例如可以通过上级控制装置预给定，从第一电池单体中提取形式为电化学存储的能量的电能。此外可以规定，该电能通过所属驱控装置经由一个或多个分别构成在两个相邻的电池单体之间的电容元件传输，而例如在此能量不会从传输路径耦出。最后可以规定，链的另一电池单体的能量经由那里的驱控装置耦合回到该电池单体中并且在那儿作为电化学能储入。按照提出的方案容性能量传输因此能实现从电池单体到电池单体的舒适的能量转移，其中不需要将能量首先存入电池单体自身中并且然后又提取。因此特别是也产生如下可能性，即在平衡过程期间不额外地对既不需要充电也不需要放电的电池单体进行加载。
在一个优选实施形式中，第一导电面和第二导电面分别通过所述至少两个电池单体中的相应电池单体的壳体形成。在该情况下，壳体与相应电池单体的活性部分绝缘地设置，亦即不存在直接连接到其电极或电解质、连接元件(其例如形式为正或负极连接端)或者其他与电池单体的电元件直接电气连接的元件。
在此特别是在所谓的棱柱形电池单体——其中电极由平面堆组成并且因此具有大多矩形的基本面——中，通过两个壳体的两个相互相邻的侧面好似产生理想的板式电容器，其电介质可以通过附加插入的薄的绝缘薄膜来提供，该绝缘薄膜插入在两个电池单体壳体之间。这样的薄膜也可以在电池单体安装在电池中之前已经施加到电池单体壳体上。由此在各个电池单体壳体之间产生双重绝缘，其具有如下优点，即使在损坏或材料故障的情况下也显著降低绝缘完全故障的概率。备选地，各个电池单体的绝缘也可以以要施加的漆或其他塑料覆层的形式存在。
优选地，电池包括至少一个第三电池单体，其中，第一驱控装置被设计为，提取电化学地存储在第一电池单体中的能量并且将这些能量通过在电容元件中产生交变电场进行传输，在没有将能量电化学地暂存在第二电池单体中的情况下将电能引导越过第二电池单体，第三驱控装置设计为，将被引导越过的电能馈入第三电池单体中。因此通过链连的板式电容器布置结构存在如下可能性，即：将要分配的能量的量借助于驱控装置直接地、亦即没有以电化学形式中间存储地通过位于传输路径中的电池单体的充电和紧接着的放电动态地并且目标明确地转移到下一电池单体。由此可以显著提高电池单体的使用寿命并且可以提高整个电池系统的性能。因此可以将在将电能转变为电化学地存储在电元件中的能量以及反向转变中不可避免的能量损耗降低到最低。
在另一优选实施形式中，电池包括至少两个电池模块，其中，至少两个电池模块分别具有与模块驱动装置相耦合的导电模块面，导电模块面相互电气绝缘地设置并且构成模块电容元件，其中，相应电池模块的模块驱控装置被设计为，在至少两个电池模块之间通过在模块电容元件中产生交变电场来传输电能。由此产生如下优点：在具有大数量电池单体的较大的电池装置——其特别是对于高电压应用是必要的——中，要传输的能量对于在各个电池单体之间的电荷平衡不必强制地经由每个单个的电池单体根据其布置而相互传输，而是能实现由电池模块到电池模块的能量传输并且因此实现较短的传输路径。因此可以一方面直接将能量由一个模块传输到下一模块或者按照已经对于单个单体示出的传输原理传输给另一远处的电池模块，并且同时也可以在模块内实现在各个电池单体之间的能量交换。
在一个特别有利的改进中，模块驱动装置与分别形成一个电池模块的各电池单体的整体相耦合。由此每个模块仅仅需要一个附加的模块驱控装置，其随后优选被馈以总体上在电池模块内可供使用的电池电压。因此在该情况下实现在各个电池模块(其作为分别位于其中的电池单体的共同模组)之间的能量交换，各个电池单体之间的能量交换在该情况下仅仅在电池模块内实现。
作为替代，每个单个的电池单体的并联耦合可以设在模块面上。由此产生如下优点，即：每个单个的电池单体可直接经由电池模块间的耦合路径与另一电池模块的另一电池单体所谓地“在超车道上”交换能量。为了使各个电池单体也可以同时耦合到模块面上，可以设置各个驱控装置的同步化馈电可能性。
在另一优选实施形式中，驱控装置通过唯一的集成开关电路以及无源结构元件构成。通过例如将全部对于“主动平衡”需要的功能性集成在“智能电池单体半导体芯片”中，可以实现特别成本有利和节省空间的结构。在该情况下那么优选地仅仅还设有另外的无源结构元件(其在此特别是理解为变压器、电感、电容器或电阻)，例如用以构成具有电感和电容的谐振电路。优选地也可以应用变压器，其允许电压的匹配。随着在电容元件(耦合电容)上更高的电压，可容性传输的能量也增高。
按照本发明的机动车包括至少一个按照本发明的电池。机动车可以例如设计成轿车、特别是电动车或混合动力车辆。此外机动车也可以是电动摩托车或电动自行车。特别是上级控制装置可以与机动车的总线系统例如can总线相耦合，由此可以舒适地提供关于电池状态的信息。
此外也可能的是，电池设置在静止蓄能系统中。除此之外可以规定，已经提供在机动车中的电池进一步用作所谓的二次生命电池，其中电池被提供给其他方式的利用。特别是在二次生命应用中，例如对电池单体的功率能力的要求可以比在电池单体用于机动车电池的应用中的小。
对于按照本发明的电池所描述的优点和优选实施形式也适用于按照本发明的机动车。
对于按照本发明的装置和按照本发明的机动车所描述的优点和特征以及实施形式同样适用于相应的方法并且反之亦然。因此对于装置特征可以设置相应的方法特征并且反之亦然。
以上在说明书中所述的特征和特征组合以及以下在附图说明中所述的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以分别给出的组合而且能以其他组合或单独地使用，而不会脱离本发明的保护范围。因此以下实施方案也视为由本发明包括和公开，所述实施方案虽然在附图中没有明确示出或阐明，然而通过从所阐明的实施方案中分选出特征进行组合可得知和可产生。
附图说明
另外的优点和特征借助对实施例的以下描述参照附图得到。附图中相同的附图标记表示相同的特征和供能。
其中：
图1在简化的示意透视图中示出具有电池单体的电池的第一变型的一个局部部分，在所述电池单体中容性能量传输是可能的；以及
图2示出按照图1的布置结构的示意电路图；
图3示出在各电池单体之间容性能量传输的简化示意图；
图4示出容性能量传输的耦合原理的简化示意图；
图5示出在各个单体之间在模块层面上的能量传输以及在各个电池模块之间在电池系统模块层面上的能量传输的简化示意图。
具体实施方式
图1在示意透视图中示出具有相互相邻设置的电池单体(其中示例性地仅仅示出电池单体10、12、14、16)的电池20的一个局部部分。在本设计方案中，电池20是蓄电池，其在未示出的机动车中是其电气设备的组成部分并且用于给机动车的电驱动器供应电能。
电池单体10、12、14、16在此串联连接并且相应地与母线48导电连接。电池单体10、12、14、16中的每一个在此均构造成锂离子单体并且具有基本上方形的外部结构。方形的结构提供对置的侧向的边界面26、28。边界面26、28由电气绝缘材料形成，在此由塑料形成。分别一个第一和第二导电面22、24借助于粘接连接施加在边界面26、28上。导电面22、24相互电气绝缘地设置，更确切地说不仅关于相应的电池单体10、12、14、16而且也关于相应的相邻的电池单体10、12、14、16的分别对置的导电面22、24。在此规定，在相邻的电池单体10、12、14、16的对置的导电面22、24之间分别设置有由绝缘材料例如聚酰胺构成的电气绝缘薄膜44。在本设计方案中设定，边界面26、28与相邻的电池单体10、12、14、16的相应导电面22、24直接经由相应的绝缘薄膜44相互邻接。
因为在各个电池单体10、12、14、16之间无论如何存在例如绝缘薄膜44形式的电气绝缘件，所以可以通过这种方式如图1可见那样分别构成一个板式电容器。分别属于电池单体10、12、14、16的导电面22和24可以在此被控制成不仅相互电气绝缘，而且也可以被控制成共同地位于相同电位上。特别是也可以规定，导电面22和24是相应的电池单体10、12、14、16的导电的壳体的一部分，该壳体不具有与电池单体10、12、14、16的活性部分亦即电元件、特别是与电池单体的两个电气连接端的直流连接。
如图2中所示，在此电池单体10、12、14、16以及另一示出的电池单体18——其如其他电池单体10、12、14、16那样构造——的各个壳体40分别与相邻的壳体40构成板式电容器c。能量因此可以通过板式电容器c的链式布置结构由电池单体10、12、14、16、18(向左或向右)传输给相邻的电池单体10、12、14、16、18并且反之亦然。
在由电池单体10、12、14、16、18到电池单体10、12、14、16、18的能量传输中(其通过双箭头p象征示出)，不强制需要，将要传输的能量首先存入分别位于传输路径中的电池单体10、12、14、16、18中并且随后又提取出来并由此可能在由电池单体化学制剂设置的边界之外运行电池单体10、12、14、16、18。因此例如可能的是，能量由电池单体12直接经由电池单体14和16的相应壳体40的链式布置传输给电池单体18，在那里通过所属的驱控装置36可以实现能量提取。通过链式的板式电容器布置结构存在如下可能性，即：将分别要传输的能量的量根据“主动平衡(active-balancing)”方案直接在没有提取和紧接着的再馈入的条件下在容性耦合路径中动态地并且目标明确地转移给下一个电池单体10、12、14、16、18。
如上所述，链连的板式电容器c可以特别优选地借助于壳体40自身实现为“电容器板”。壳体40大多由铝制成并且通常相对于电池单体10、12、14、16、18的活性部分以绝缘形式存在。壳体40在此仅仅与驱控装置36连接，而该驱控装置36与电池单体自身的活性部分电气连接(正和负连接端)。对于壳体40不适用于绝缘结构的情况，此外存在如下可能，即电容元件c作为板式电容器在电池单体之间以导电面22和24的形式实现。
电池单体10、12、14、16、18之一可以分别与上级控制装置42例如无线通信。控制装置42可以通过所有电池单体10、12、14、16、18确定所需的能量需求并且根据可预先给定的智能算法按照主动平衡原理进行分配。
图3示出两个电池单体10、12之间的容性能量传输的简化图。在此不仅电池单体10而且电池单体12分别具有控制和监控装置36，其与发送和接收单元32(收发器tx/rx)耦合。发送和接收单元32在此也可以是控制和监控装置36的组成部分。发送和接收单元32在此与相应的电池单体10或12的两个连接端即正极和负极电气耦合。此外，发送和接收单元32还分别与属于相应电池单体10、12的第一导电面22和第二导电面24分别电气耦合。在电流阻断面45上因此由属于电池单体12的第一导电面22和属于电池单体10的第二导电面24产生板式电容器c。通过该板式电容器c可以借助于可变的电场e
两个导电面22和24在此可以构造成铜箔，其可以设计得极薄，这有利地影响电池单体10、12、14、16、18的大小，其为了实现附加的传输路径不必通过大体积部件补充。优选地也可以涉及金属化薄膜，其例如通过用金属蒸汽喷镀或者通过金属的电化学沉积而配备了导电表面。导电面22、24的形状可以在此任意设计。特别是也不必要的是，属于电池单体12的第一导电面22和属于电池单体10的第二导电面24完全重叠。
可叠加的功率在这种形式的能量传输中目前位于在大约5至10瓦特。容性能量传输的优选频率位于在100khzbis2mhz的范围中。为了提高可传输的功率在此尽可能高地选择电压，其中电压可能的高度通过绝缘薄膜44的击穿强度基于物理条件来限制。
容性能量传输的耦合原理以下在图4中阐明。
发电机g向变压器tg的初级绕组中馈电。在变压器tg的次级侧输出端上电气耦合有谐振电感lg，该谐振电感与电容cg耦合成电气的串联谐振电路lc1。流经电容cg的电流以ig表示。变压器tg的次级侧的第二连接点在此与电容cg电气耦合。谐振频率此外受到虚线标明的内电容的影响，该内电容是虚线包围的发射电路的一部分，该部分位于发电机g与电容cg之间。相应地镜像对称地，在负载侧构成如下电路，该电路具有被电流il流经的电容cl。电容cl连同电感ll形成串联谐振电路lc2，其电气耦合到变压器tl的次级侧上。谐振频率也在发电机侧上受到虚线标明的内电容的影响，该内电容是虚线包围的接收电路的一部分，该部分位于电容cl与和变压器tl的初级侧电气耦合的负载rl之间。在两个谐振电路lc1和lc2的两个中间点之间产生耦合电容cm。谐振电路的中间点在此理解为谐振电感与谐振电容例如lg和cg的连接点。在所述例子中这两个结构元件的另一个连接点与变压器tg的次级侧的连接端相连接。
例如，电容cg的上电极通过与发送和接收单元32耦合的导电面24(图3的左侧)形成，电容cl的上电极通过与另一发送和接收单元32耦合的导电面22(图3的右侧)形成。在该情况下电容cg的下电极可以通过电池单体10的壳体形成，该壳体具有与电池单体10的活性部分的电气连接。同样，电容cl的下电极可以通过电池单体12的壳体形成，该壳体具有与电池单体12的活性部分的电气连接。这两个壳体那么通过(在图3中未示出的)母线48相互处于限定的电位关系，其对于高频信号显现出低阻抗的连接。对于代替单独的导电面22和24应用电池单体10和12的相应壳体40(它们在该设计方案中那么与相应电池单体的活性部分绝缘地布置)的情况，电容cg的下电极通过电池单体10的活性部分产生，而电容cl的下电极通过电池单体12的活性部分产生。
图5示出还具有两个另外的电池单体46、52的电池系统60的示例性结构，电池系统具有多个电池模块50，它们自身分别具有多个电池单体10、12、14、16、18、46、52。电池单体10、12、14、16、18、46、52在电池模块50内通过母线48导电连接。在此可以涉及电气串联电路、电气并联电路或混合串并联电路。如上所述，导电面22和24、或者相应电池单体的壳体与相邻设置的电池单体52的相应对应件形成电容c。在模块内各个电池单体52示例性地由1、2、3至n连续编号。通过板式电容器c由一个电池单体10、12、14、16、18、46、52到相邻电池单体10、12、14、16、18、46、52的链式布置，可以将能量从左向右(10-12-14-16-18-46-52)或从右向左(52-46-18-16-14-12)传输。因此可以越过整个电池模块50地传输能量，这在图5中通过波浪符号标明。因此可以一方面将能量直接传输到相邻的电池单体10、12、14、16、18、46、52，例如由电池单体12传输到电池单体14，或者例如沿相反方向由电池单体46传输到电池单体18。然而也可能的是，能量由电池单体12传输到例如电池单体52，而不会被位于其间的电池单体14、16、18、46从该容性激励的耦合路径提取能量。
此外，各个电池单体10、12、14、16、18、46、52可以分组为一个电池模块50。电池模块50可以特别是具有一个共同的电极，其形式为一个或多个导电面，其与相邻的电池模块50形成耦合电容cm。电池模块50在此经由模块连接件54相互电气连接。如已经对于单体层面所提出的那样，也可以在模块层面上存在各个模块50的串联电路、并联电路或组合的串并联电路。电池60此外具有电池正连接端56以及电池负连接端58。除此之外存在如下可能性，自身在电池层面上由电池模块50到电池模块50实现容性能量传输。在电池模块50之间为此设有相应的耦合部位。在最简单情况下，这些耦合部位可以实现为简单的板式电容器并且集成到电池60中。控制装置42在上级承担限定的能量交换。
也可能的是在多个电池模块50之间存在同时协调的容性能量交换(多能量交换)，而这些电池模块在此不会由于干扰相互阻止。例如也可以规定，第一导电面22和第二导电面24相互电气独立地设置并且可以单独驱控。通过这种方式分别在第一步骤中仅仅产生能量传输到沿预定方向直接相邻的电池单体10、12、14、16、18、46、52。由此可以在电池60的多个位置上同时进行同时的能量交换，而不必例如实现馈电相位和馈电频率的同步。在此也可以规定，如果能量正好仅仅应越过电池单体地引导，那么在第一导电面22与第二导电面24之间提供暂时的电气耦合。
在m个电池模块50的链中，由电池模块50到相邻电池模块50的能量传输在按照图5的视图中示出为用于m＝3。象征性地作为波浪示出的能量传输在此绘出在第一电池模块50与中间的电池模块50之间。
在此可以规定，在一个电池模块50内电池单体10、12、14、16、18、46、52中的每一个均可以容性耦合到该电池模块50所属的导电面上。备选或附加地也可以规定，在电池模块50内的所有电池单体52在给定的电气连接中共同地通过唯一的发送和接收单元32容性耦合到所属导电面上，该导电面是对于形成用于相邻设置的电池模块50的耦合电容cm所需要的。电池模块50也可以以多层地上下叠置。在该情况下相应的耦合单元可由下向上设置用于提供容性耦合路径。
即使借助于电池结合机动车阐述了容性能量传输，对于本领域内技术人员清楚的是，其应用不限于这些应用。容性能量传输自然也可以在静止电气设备、特别是也在电气开关设备的领域中应用。在此优点也特别清楚地显露出来，优选在用在无中断供能中时，特别是对于安全相关的功能。这特别是在信号技术或通信技术中的电气设备中是具有很大优势的。
因此以上示出了，如何可以借助于容性耦合单元特别是通过利用板式电容器或壳体40自身以进行容性能量传输来设计能量传输。
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