专利名称：在电池组运行的具有电动机的设备中用于过载探测的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在电池组运行的具有电动机的设备中用于探测过载状况的方法，其中确定并使用该电动机的负载电流，以推断电池组的热过载。另外本发明还涉及根据权利要求11前序部分所述的相应的装置。
背景技术：
在DE 10 2005 038 225 Al中已公开了这样一种过载监控。许多种电动工具机或电动园艺设备可以不连接到电网而被运行。为了在这些“无绳”电动工具机、园艺设备或电动汽车中存储能量而采用了电化学电池，其或者固定安装在设备中，或者位于可从设备拆卸的电池组中。该概念“电池组”在下文中用于所有这种电池、 尤其也用于可重复充电的电池、比如蓄电池的锂离子电池。为了保证电化学电池的可靠性以及长时稳定的能量存储能力，应该保护电池以防止由于快速提取在电池中所存储的能量而导致的过度温升。在最简单的情况下可以通过采用如下的元件来进行限制，其中这些元件或者通过直接的热流或者在太大电流下以及由此所发生的元件温度提升下造成电流的限制或者中断，也即比如通过在现有技术中所公开的热熔断器或双金属开关。采用这种简单的、处于在能量存储器与该耗电器之间的电流路径中的元件的缺点在于，其通常仅仅能够是粗略的保护。这是因为，为了运行电动工具机和类似的设备典型地必须汲取相对高的电流，所述电流在其数量级上接近于过载电流或短路电流，其中应该通过采用保险而防止其流过。为了在运行中限制电池组温升，还已知的是，在设备中集成一种调节或控制装置， 比如以电子电路的形式。电池的温度在此利用一个或多个温度测量传感器来检测，其中传感器位于电池表面上或附近。从而比如可以把NTC温度传感器附加到电池机壳的位置上， 其中在该位置假定其良好地再现了电池的内部温度。用于强制限制负载电流的温度界限典型地作为静态量来实施，在最简单的情况下作为最大允许温度值。如果借助该温度传感器在所述电池上确定了超过该温度，那么就断开该电流。在此还已知的是，实施了多个温度界限，在超过这些温度界限时以相应多级增加地来对电流进行限制。这种静态温度界限的应用的缺点在于，这些温度界限仅仅对于正好精确定义的放电电流值才关于电池的过热保护而达到最佳效果。从而可以认为，由于提取非常高的电流，电池内部温升已经非常大，但由于热传导到电池外壁的惰性而稍后才知道电池的过度发热，并明显稍晚地才对电流采用必要的限制。这可能意味着太晚地知道危急状况。为了避免这种状况，可以更低地设定用于限制最大允许放电电流的静态温度界限，使得在较早的阶段就已经对电池的温升进行干预。但是这意味着，在适当放电的情况下，其中在电池内部温度和电池外部温度之间不存在大的落差，电流早于真正意图地而被限制或中断。为了在提取非常高电流时来防止电池的不允许地高的温升，实施非常低的温度界限可能是必要的，使得利用较适当的电流的标准工作在环境温度稍微提高的情况下已经被大大限制，或甚至变成完全不可能。
在前述的类型的DE 10 2005 038 225 Al中公开了用于过载探测的方法，其中限制负载电流并不是基于电池的(所测量的)温度，而是其中基于从电池所提取的电流来确定电流界限。在所述的公开文件中推荐，根据在负载电流的值与至少一个所存储的电流值之间的差来推断驱动系、比如电池组的部件的热过载。还推荐不是把负载电流的简单的瞬时值、而是对其大小相应加权的值、或者在确定时间上所积分的电流值来用于差值形成。另外还推荐，在识别出过载状况时通过调节来降低或中断电流。所提到的是，运行温度在确定系统参数时可以以输入量的形式输入过载状况的计算确定中。根据所公开方法、也即单独地基于电流测量来保护电池防止过热的缺点在于，没有考虑在系统中可能的变化，其可能导致单个元件的不期望地高的温度上升——比如电池的老化或损坏以及与其相关联的内阻增加。虽然在任何情况下都测量电流，但是电池上的静态温度没有测量，或者仅用作计算的输入量。另外其缺点表现为，需要早在设计时、最迟在最终实施时就必须进行确定的最大允许电流的确定，在稍后该系统变化的情况下，比如在采用其他的电池(制造商、类型)的情况下，这导致产生局限，因为需要所采用部件的热特性始终相同。用具有另外的温度特性或内阻的电池来未经授权地更换最初安装的电池从而可能导致安全问题。
发明内容
在权利要求1中阐述了根据本发明的用于过载探测的方法的特征，而在独立权利要求11中阐述了用于在电池组运行的设备中探测过载状况的监控装置的特征。在根据本发明的方法中，除了按类型的特征之外还规定，借助可预先给定的、与所确定的负载电流有关的函数来计算电池的随时间可变的最大允许温度界限，其中在负载电流消失的情况下该函数采用其最大值，其中该最大值相应于可预先给定的静态温度界限， 并且把所计算的可变的温度界限与一个当前的测量的电池温度相比较，并根据比较结果来推断电池的热过载。本发明的核心在于，从将静态温度界限作为函数最大值出发，计算可变的、也即与负载电流有关的温度界限，把静态的在该电化学电池上所测量的温度与所计算的当前有效的温度界限相比较。根据比较结果来推断存在或不存在该电池的热过载，使得在必要时可以导出用作应对措施的动作。相对于如采用热熔断器或双金属开关的简单解决方案，本发明的优点在于，在超过确定温度时负载电流不被中断，而是考虑温升的前因，其方式是，当前的温度界限不必简单地仅仅由当前的负载电流值来获得。从而能够区分由于高负载电流而引起的快速温升以及由适当的负载电流而引起的逐步温升。通过本发明的方法考虑了电池的热惰性，其在第一种情况下可能导致简单的热熔断器太晚地响应。这首先在电池以非常高的负载电流放电时是有用的，因为本身在此在通过热熔断器断开高负载电流之后还出现所测量的电池温度相当程度地继续增加(“后升温”)。所推荐的方法的另一优点是，从而针对具有电动机的设备的不同应用以及针对与此相关的不同类型的电流耗用，避免了太晚地识别在电池内部已经进行的不允许地高的温度上升，但另一方面短时的高电流耗用也能实现，并且不会由于持久地非常低地设置的温度界限而被阻止。根据本发明的基于迅速确定的负载电流来为电化学电池预测性计算和采用最大允许温度的优点在于，在电池内部高温的出现通过电池外壳的温升而可显现之前，已经能够考虑在电池中过热的产生。与前述的形成类型的现有技术所述的解决方案不同，其中所测量的温度(就所考虑的而言)仅仅是用于计算最大允许电流值的输入量，根据本发明，通过与所计算的可变的温度界限相比较而对实际所测量的温度值进行反应，使得能够直接推断电池组的热过载。 如果一个或多个电池已经老化、损坏或失效，并从而与最初所设置的并比如借助系统参数已存储的相比更迅速地温升，那么根据本发明的用于过载探测的方法在安全机制的意义上也是起作用的。根据本发明的一实施方案，在可预先给定的时间间隔上被积分的或取平均的负载电流值被用作与负载电流有关的函数的输入量，以计算可变的温度界限。根据该实施方案的一个改进，规定在积分或取平均之前利用指数对该负载电流值进行求幂。按照在运行中所期待的过载状况的类型，这样就尤其可以预调节负载电流相关性的时间上回顾水平或预测水平。通过本发明的方法提供了如下可能性作为对确定的热过载的应对措施来降低或中断当前的负载电流。也可以采取其他的动作，比如通过光或声信号对用户的警告，或者接通在电池包组中电池的强制冷却，以及多个动作的组合。从不同的静态温度界限和/或不同的函数出发，根据本发明的另一有利的实施方案，可以计算多个可变的温度界限，其中该负载电流刚在超过所计算的最高可变温度界限时就被中断，而该负载电流在超过所计算的较低可变温度界限时就被相应地降低为确定的可预先给定的值。由此实现了对过载的一种灵活的、分级的监控响应。对于温度界限的计算，根据本发明的另一有利的实施方案而选择了一个函数，该函数在流过确定的高负载电流之后在可测量的温度提升方面考虑了热特性比如电池的热惰性。依据该实施方案，也可以动态地确定在电池组运行的电气设备中描述电池热特性的并输入到函数中的至少一个特征量。在所有的实施方案中，该负载电流可以被测量或者借助在该设备中所经历的、与电动机运行相关的过程来近似地被检测或评估。因为过载探测根据本发明考虑了温升的前因，所以电池的温度不需要以技术上耗费的方式在内部进行监控，而是需要在电池组的电化学电池处或附近的一个或多个点上来
测量温度。 根据本发明的监控装置除了按类型的特征之外还具有逻辑装置，在该逻辑装置中实施一个可预先给定的、与所确定的负载电流有关的函数，以由在该逻辑装置中所存储的最大允许静态温度界限来计算随时间可变的温度界限，并将其与当前的、借助传感器所测量的电池组温度相比较，以由此推断电池组的热过载。
下面借助在附图中所示的实施例来更详细解释本发明。其中 图1示出了具有监控装置的手持式电动工具机的示意示出的实施例， 图2示出了一个图，其在其下面部分示出了负载电流的时间变化曲线，在其上面部分示出了在多种变化下所计算的可变的温度界限的相应变化曲线。
具体实施例方式图1示出了具有电动机12的手持式电动工具机10，其中该手持式电动工具机10 由蓄电池14来供电。从该蓄电池14出发，在该电流回路中设置有控制元件16、该电动机 12、断开装置18以及电流测量装置20。该断开装置18由监控装置22来控制。该断开装置 18具有开关M (也可以作为半导体元件来实施)，该开关通常是闭合的，但在需要时可以由该监控装置22断开。该开关M的断开位置借助一个虚线来表示。最后给该蓄电池14分配了一个温度测量装置沈，其中该温度测量装置检测该蓄电池14的温度。在该监控装置 22或在该逻辑装置28中存储了至少一个静态的温度界限值，该温度界限值在该情况中是硬件固定存储的。对于本发明方法的应用，需要测量该负载电流I以及在该电化学电池14处或附近测量温度。所测量的电流值和温度信息在该单元22中被处理，其中该单元在必要时还促使降低或断开该负载电流。对于电流的测量，可以使用在分流电阻或其他合适的电流测量变换器20上的电压降。该电流测量可以连续地进行，但或者也可以以适当的时间间隔(比如以秒节拍)来进行。该温度测量(Twft)利用一个或多个合适的温度传感器沈来进行，其中温度传感器位于所使用的电化学电池14的表面，或至少位于其附近。该传感器沈比如可以是NTC。电流和温度值的确定和处理由在图1中所示的单元23、比如以具有逻辑装置观的电子电路的形式(存储单元、计算单元和软件)来实现。由所测量的电流值来计算一个(或多个)温度值(T#R)，其中必须把负载电流限制到确定的最大值或者完全中断该电流。为此可以在该调节单元22或在该逻辑装置观中来实施类型(1)的一个函数
T界限(t)=f(I，t)(1),
其中Tjm (t)表示所计算的在时间点t处允许的温度最大值T#R。该调节电路22可以根据在目前所计算的合适的温度界限Tjm与在电池上所测量的温度之间的比较结果来不受限制地允许一个负载电流，或者如果在该电池上所测量的温度(Twft)已经高于所计算的界限温度或者位于至一个界限温度Tjm的确定温度间隔内，那么就致使降低或者还中断当前的负载电流。该负载电流可以有意义地在一定的时间间隔上被积分或者取平均。此外不仅该平均(放电)电流，而且在确定时间上所积分的其取幂的值，比如平方值或者甚至以更大的指数取幂的值，都可以被用作用于校正该温度界限的输入量。也可以计算多个温度值(T#R)，比如一个值(Τ_Β_Λλ)，其中在达到该值时完全中断负载电流流动，以及其他的体现为阈值的温度值U...)。在该电池14上所测量的温度(T_)超过阈值时，该负载电流就已经被限制到确定值，之后在它达到时完全被中断。基于对可变的温度界限的计算，通过电池14的冷却(主动的或被动的)、或者还通过使电池承载微小的电流，实现取消电流中断或电流限制，或者实现遵守由电流中断所强制的停止期。相应的特性可以通过选择合适的函数(1)来实现。要采用的允许负载电流的限制的不同温度界限，Tm p...)也可以根据不同的公式来计算，比如其在下文中还要继续进行阐述。
该环境温度，其中该设备在该环境温度下被运行并比如可以利用另外的传感器来测量，同样可以作为输入量进入该温度界限(Tjm)的计算，如在如下公式(2)中所示
T界限(t) =MI1LTiw)(2)；
除了在该电动工具10运行期间所确定的目前的、或在确定时间段上取平均的电流值之外，还可以使一个或多个特征量进入该最大允许电流的计算，其中这些特征量描述了所使用的电池14关于内部放热的斜率(比如电池的内阻)。如果该设备仅能够与确定电池类型相连接或被其运行，那么就可以采用一个恒定的计算值来作为所使用的电阻包组/电池类型的特征量。在电动工具机能够使用不同电池包组的情况下，该特征量可以通过合适的装置在相应的电池包组上编码并由该设备10来检测和分析处理。也可以由该电池所供电的电动工具机10来动态地确定该电池组14的特征量-比如直流电阻，比如在运行期间通过电流-电压值的比较，并然后被用于温度界限(τ·)的计算，如在下文中还要更详细解释的。除了采用所测量的电流值之外，也可以有意义地比如借助该设备10的冷却装置的监控来输出所评估的电流值以用于温度界限(T ^r)的计算。根据本发明的方法在锂离子电池的情况下是尤其有意义的。作为用于计算最大温度的合适函数的一个例子，其中在该最大温度下还允许电池放电，将阐述在公式(3)和(4)中所示的两个函数，参见图2上面，其中作为在之前的时间间隔中所提取电流的函数而示出了用于中断负载电流的所计算的温度界限的三个不同变型
Temp-界限 _A(t) =I^大(I=O) —F1*I 平均(3s)(3)
Temp-界限 _C(t)=T最大(I=O) —F2*I 平均(加权，8s)(4)。作为可预先给定的静态温度界限的示例值，在图2中采用了 80° C的最大温度T Λλ(Ι=0)。F1、F2、F3是系数。一旦流过一个负载电流，也即I并从而变成不为零， 那么根据公式(3)和(4)就得到新的温度界限，该温度界限在任何情况下都低于80° C。但是，在根据公式(3)的函数中，在流过一个高负载电流3s之后允许该电池14再次温升直至 80° C的最大可能值。该特性也在图2中示出，在此示出，该函数Temp-界限_A(t)几乎直接在一个电流峰值之后再次采用值(1=0)，也即所选择的80° C，而其他的函数，参见公式(3)和(4)，代表的是在过载监控中所实施的较迟缓的响应或者较长的记忆。在公式(4)的情况下，通过在所经过的8s上取平均值，实现了在流过较高电流8秒之后相对于最大温度(80° C)而明显降低了用于断开电流的温度，使得在该时间期间在重新提取较高电流的情况下该系统将进入热中断。当该公式(3)适合于电池组时，其中它的电池14和它的温度传感器沈具有非常小的热惰性，该公式(4)可以认为具有较大惰性的电池和/或温度传感器的示例函数。把负载电流I的平方用于计算是有利的，如根据以下公式(5)的函数所示，参见图 2的曲线Temp-界限_D。在该方法中，考虑了在高电流下电池的更强的内部温升，而中间的以及小的电流几乎不导致该电池组14的最大允许运行温度在确定瞬间下降
Temp-界限 _D(t) =T最大(I=O) — F3*I、tt (加权，8s)(5)。在采用用于引入负载电流降低以及负载电流完全中断的、不同的温度界限时，也可以采用不同数学结构的公式来计算不同的温度界限。从而比如可以对之前的电流负荷以及其与该计算的当前时间点的时间间隔进行不同程度的加权。由此得出，用于降低负载电流的温度界限不是在每个时间点都与需要中断电流的温度值相差一个恒定的系数或者相差一个恒定的温度差。该方法的一个变化方案也是可以的，在该变化方案中，由分别在时间点所测量的负载电流和同时测量的电池组端子电压或单个电池的电压值的值对来确定电池的直流内阻，并且其中把该内阻值作为参数输入到该公式中以计算电池的最大允许温度。这样最大允许电池温度的计算就可以考虑电池的对于电池内部温升重要的单独参数，并考虑了电化学电池的老化或损耗。通过把所述的本发明与已知种类的安全机制相结合，比如与热熔断器相结合，再次明显提高了借助本发明的过载探测而被监控的系统的安全性，其方式是，可变的温度界限主要对于电池储能能力的保持是重要的，而热熔断器仅仅在温度上升超过允许程度时才中断电流。
权利要求
1.一种用于在电池组运行的、具有电动机(12)的设备(10)中探测过载状况的方法，其中确定并使用该电动机的负载电流，以推断该电池组(14)的热过载，其特征在于，借助可预先给定的与所确定的负载电流有关的函数来计算该电池组(14)的随时间可变的最大允许温度界限，其中该函数在负载电流消失时采用其最大值，该最大值相应于可预先给定的静态温度界限，并且把所计算的可变的温度界限与电池组(14)的当前的所测量的温度相比较，并根据比较结果来推断该电池组(14)的热过载。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，把在可预先给定的时间间隔上积分或取平均的负载电流值用作与负载电流有关的函数的输入量，以计算可变的温度界限。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该负载电流值在积分或取平均之前利用指数被取幂。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，作为对确定的热过载的应对措施而降低或中断当前的负载电流。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，从不同的静态温度界限和/或不同的函数出发来计算多个可变的温度界限，并且在超过所计算的最高的可变的温度界限时该负载电流才被中断，而在超过所计算的较低的可变的温度界限时该负载电流相应地被降低到确定的可预先给定的值。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，该设备(10)的环境温度作为与负载电流有关的函数的额外输入量被用于计算可变的温度界限。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，为了计算可变的温度界限而预先给定一个函数，该函数反映在在流过确定的负载电流之后可测量的温度提升方面该电池组 (14)的热特性。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，描述电池组(14)的热特性并输入到该函数中的至少一个特征量在电池组运行的电气设备(10)中被动态地确定。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，该负载电流被测量，或者借助在该设备(10)中所经历的过程而被近似地检测，其中该过程与电动机(12)的运行相关联。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，在该电池组(14)的电化学电池处或在其附近的一个或多个点上来测量该温度。
11.一种用于电池组运行的、具有电动机(12)的设备(10)的监控装置，尤其用于蓄电池运行的手持式电动工具机，以用于探测过载状况，其具有确定电动机(12)的负载电流的装置，其特征在于，该监控装置另外还具有逻辑装置(28)，在该逻辑装置中实施了可预先给定的与所确定的负载电流有关的函数，以根据在该逻辑装置(28)中所存储的最大允许静态温度界限来计算随时间可变的温度界限，并将其与当前的、借助传感器(26)所测量的电池组(14)的温度相比较，以由此推断该电池组(14)的热过载。
全文摘要
本发明推荐了用于在电池组运行的、具有电动机(12)的设备(10)中探测过载状况的一种方法，其中确定并使用该电动机的负载电流，以推断该电池组(14)的热过载，其方式是，从静态温度界限出发，借助可预先给定的与所确定的负载电流有关的函数来计算该电池组(14)的随时间可变的最大允许温度界限。把所计算的可变的温度界限与当前的所测量的电池组(14)的温度相比较，并根据比较结果来推断该电池组(14)的热过载。
文档编号H02H7/18GK102301553SQ200980155531
公开日2011年12月28日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年1月28日
发明者利贝诺 C. 申请人:罗伯特·博世有限公司