专利名称：蓄电池系统和用于为多个串联连接的蓄电池单元充电的方法
技术领域：
本发明涉及蓄电池系统、具有依据本发明所述的蓄电池系统的机动车以及用于为多个串联连接的蓄电池单元充电的方法。
背景技术：
借助于锂离子技术能够生产高功率的蓄电池，其具有比借助于其他的蓄电池技术生产的蓄电池更高的能量密度。此外，锂离子蓄电池不会遭受被称为记忆效应的容量损失的影响。相反地，锂离子蓄电池单元的较少的缺点之一便是对于过压缺乏抵抗力，该过压通常在高于4.2V的单元电压值时出现。在过压时，金属锂淤积在阳极，由此阴极材料将变为氧化元素并失去其稳定性。蓄电池单元由此越来越热并且在极端情况下导致失火(所谓的热失控)。在正好存在蓄电池组(其在电动车辆的应用中由约上百个串联连接的单个单元构建而成)的情况下，必须强制避免过压，因为单个单元的热失控将触发整个蓄电池组内的级联反应。
为了避免热失控，将通过专用的控制电路来监控包含在锂离子蓄电池组中的单个单元的电压。在此，一个控制电路能够监控多至十二个蓄电池单元。如果在蓄电池组充电时出现蓄电池单元处的过压，那么将由控制电路所包括的蓄电池管理系统立刻开启高压保护并中断整个蓄电池组的充电过程。上述过程虽然确保了蓄电池组的安全，但是其具有一定数量的缺点。
因此，将评估电子单元提供至控制电路将与相当高的成本联系在一起。此外，充电过程的中断将是针对整个蓄电池单元的而非针对具有过高电压的蓄电池单元的。简言之，例如由电动车辆的直流斩波器、充电器或电机的开启或者关断所引起的并不严重的电压尖峰将会招致蓄电池的关断，其例如将导致电动车辆不能继续行驶。再者，当前的概念在使用价廉的单相充电器时并不适用，因为其会产生较高的正弦形式的纹波电流并由此也会产生相应的纹波电压，该纹波电流/电压将在蓄电池完全充好电之前导致蓄电池的关断。最后，因为对于充电过程的持续时间来说，单元电压高于静态电压(后者将限定有关的充电状态)，所以传统的方法的应用将会限制蓄电池组的可用容量。如果充电由于过压损坏而中断，那么蓄电池在该时间点将总是不会被相应于其总容量地充电。
控制电路除了监控单元电压以外还有如下任务，即平衡蓄电池单元的电压。在大部分的其余的蓄电池单元还具有明显低于100%的充电状态的情形下，为了防止一些充电状态已经为100 %的蓄电池且因此接近过压关断边界，这是必要的。在充电阶段之间没有充电均衡阶段的情况下，蓄电池组的可用容量将因此远远低于单个单元的可用容量的总和。
因此，至今在充电阶段之前或之间将执行单元的充电均衡(所谓的单元平衡)，其中分别将已最高充电的蓄电池单元通过控制电路上的电阻放电，直至所有蓄电池单元逼近最低充电单元处的充电状态。尽管该至今所使用的策略确保了单元的充电均衡，但是其也与一些缺点联系在了一起。
除了再次提及的批评性的控制电路上的评估电子单元的相对高的成本之外，蓄电池组中的温度分布不均匀也是具有缺点的，这归因于产生的热量被集中导出至控制电路。此外，充电均衡需要相当长的持续时间，因为仅能同时进行较少数量的蓄电池组的蓄电池单元的充电均衡(典型地仅能在给定的时间点通过控制电路上的电阻为十二个蓄电池单元放电)，且仅能在至静态阶段的切换中是进行电均衡，以用于蓄电池单元的状态识别。
发明内容
依据本发明提供了一种具有多个串联连接的蓄电池单元的蓄电池系统，其中电气组件并联至所述多个蓄电池单元中的至少一个蓄电池单元。当共同地施加在所述电气组件上的和在所述蓄电池单元上的电压超过预定的电压阈值时，所述电气组件的电阻减小。优选地，所述蓄电池系统为锂离子蓄电池系统。依据本发明所述的蓄电池系统具有以下优点，即完全不需要智能或软件来评价施加在蓄电池单元上的电压。在使用具有期望属性的价廉的电气组件的情况下，在依据本发明所述的蓄电池系统中执行具有鲁棒性的方法，以用于蓄电池单元间的充电均衡同时避免其过压。串联连接的蓄电池单元的可用容量等于单个的单元容量的总和。此外，在依据本发明所述的蓄电池系统中执行的充电过程相对于电压尖峰是具有鲁棒性的，从而使得该充电过程在使用单相的充电器时也能够无问题地执行。因为在充电过程中的热量将落在所有使用的电气组件上，所以蓄电池系统中的温度分布比在背景技术中已知的系统中更为均匀。最后，充电过程和充电均衡的持续时间相对短，因为对于所有蓄电池单元(在这些蓄电池单元中并联有具有期望的属性的相应的电气组件)，充电均衡能够同时进行。优选地，为所述多个蓄电池单元中的每个蓄电池单元分别并联一个电气组件，当施加在所述电气组件上的和在与之并联的所述蓄电池单元上的电压超过所述预定的电压阈值时，所述电气组件的电阻减小。所述电气组件的电阻在所述预定的电压阈值上方能够随着上升的施加电压指数地降低。所述电气组件能够是齐纳二极管。然而，其他的实现形式也是可能的，例如使用抑制二极管(也已知为TVS (瞬态电压抑制器)二极管)、金属氧化物压敏电阻。该组件在其特征曲线方面具有与齐纳二极管相似的属性。上述组件和晶体管的结合也是可能的。本发明的另一方面涉及一种机动车，其包括依据本发明所述的蓄电池系统，其中所述蓄电池系统与所述机动车的驱动系统相连接。本发明的另一方面涉及一种用于为多个串联连接的蓄电池单元充电的方法，其中在充电过程期间以充电电流向所述多个串联连接的蓄电池单元供电，并且其中当施加在所述蓄电池单元上的电压超过预定的电压阈值时，抑制流过所述多个蓄电池单元中的一个蓄电池单元的电流。进行如下设置:在超过所述电压阈值时，并联至所述蓄电池单元的电气元件的电阻减小，以使得所述充电电流的一部分流过所述电气组件。依据本发明所述的方法具有以下优点，即蓄电池单元的充电相较于背景技术变得简单了。特别地，能够以恒定的充电电流在所谓的CC(恒定电流)充电过程中为多个蓄电池单元完全充电，而不会出现蓄电池单元中的过压，与此同时进行蓄电池单元间的充电均衡。在此，如下述地进行充电过程:首先，为具有较小差别的充电状态的蓄电池单元充电，直至具有最高的充电状态的那些蓄电池单元已经达到了电压阈值(例如齐纳二极管的击穿电压)。然后，在所述的蓄电池单元中，所述电气组件的电阻迅速地下降，该电气组件使得充电电流的越来越多的部分绕过具有高的充电状态的蓄电池单元，由此相比具有较低的充电状态的蓄电池单元更少地充电具有高的充电状态的蓄电池单元。所述电气组件的并联电路由此具有跨接电路的作用。
在后续的充电中，在具有将近100%的充电状态的蓄电池单元中的充电电流停止，因为所述充电电流几乎完全被引导通过由所述电气组件所构成的跨接电路，而继续地充电其余的蓄电池单元，直至其跨接电路阻止了继续的充电。
在充电过程结束时，所有的蓄电池单元都被完全地充电了，而不需要在蓄电池单元间进行后续的充电均衡。
在整个充电过程期间，在蓄电池单元中不会出现过压，因为具有增长的电压的跨接电路的电阻指数地变小且因此分流整个充电电流。
将借助于附图及后续的说明进一步阐述本发明的实施例。其中:
图1示出了依据第一实施形式的蓄电池系统；以及
图2示出了安置在依据第一实施形式的蓄电池系统中的齐纳二极管的特征曲线。
具体实施方式
图1示出了依据本发明的第一实施形式的蓄电池系统100。该蓄电池系统100包括多个串联连接的蓄电池单元10，其分别具有内阻14。将一个齐纳二极管12分别并联至每个蓄电池单元10，其中该齐纳二极管12与在图1所示出的蓄电池单元10的极性相关地以反向连接。
只要蓄电池单元10的单元电压在充电过程中超过一确定电压阈值，那么并联至确定的蓄电池单元10的齐纳二极管12将承担被激活的跨接电路的功能。如果超过了该电压阈值，那么齐纳二极管12的电阻将随着上升的施加电压指数地降低。根据齐纳二极管12的电阻与蓄电池单元10的内阻14的比例，随着电压的增长，充电电流中的越来越多的部分将经过齐纳二极管12且由此绕过蓄电池单元10。
图2示出了在图1中所示出的齐纳二极管12的特征曲线。该齐纳二极管12在单元电压的工作区域16内具有极其高的电阻，从而使得在那里仅有可忽略的较小的泄漏电流(典型地小于I μ A)流过该齐纳二极管12。因此，在该工作区域16 (该区域位于齐纳二极管12的击穿电压Ubk之下)中，该齐纳二极管12的电阻相当高，从而使得实际上总的充电电流被引导通过蓄电池单元10且为其充电。
如此地选择齐纳二极管12的击穿电压UBR，即其大致相应于蓄电池单元14的过压限制。在齐纳二极管12的击穿电压Ubr的情形下，流过电流I115在电压继续升高时(在图2中以U[V]轴的负的方向)，齐纳二极管12的电阻随着继续增长的电压指数地降低。齐纳二极管12的电阻越低，则被引导通过其的电流越多，且提供越少的电流来为其所属的蓄电池单元10继续充电。
在超过击穿电压Ubk时，流过齐纳二极管12的电流突然增加，从而使得在电压U2处实际的总电流I2通过由齐纳二极管12构造的跨接电路绕过蓄电池单元10，由此保护蓄电池单元10免于过压。在放电过程中，齐纳二极管12的电阻相较于蓄电池单元10的内阻相当得高，从而使得放电电流完全流过蓄电池单元10。
权利要求
1.一种具有多个串联连接的蓄电池单元(10)的蓄电池系统(100)，其特征在于，将电气组件(12)并联至所述多个蓄电池单元(10)中的至少一个蓄电池单元，当施加在所述电气组件(12)上的和在所述蓄电池单元(10)上的电压超过预定的电压阈值(Ubk)时，所述电气组件的电阻减小。
2.根据权利要求1所述的蓄电池系统(100)，其中，为所述多个蓄电池单元(10)中的每个蓄电池单元分别并联一个电气组件(12)，当施加在所述电气组件(12)上的和在与之并联的所述蓄电池单元(10)上的电压超过所述预定的电压阈值(Ubk)时，所述电气组件的电阻减小。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统(100)，其中，所述电气组件(12)的电阻在所述预定的电压阈值(Ubk)上方随着上升的施加电压指数地降低。
4.根据前述权利要求中任一项所述的蓄电池系统(100)，其中，所述电气组件是齐纳二极管(12)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的蓄电池系统(100)，其中，所述电气组件是抑制二极管。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的蓄电池系统(100)，其中，所述电气组件是金属氧化物压敏电阻。
7.一种机动车，其具有根据前述权利要求中任一项所述的蓄电池系统(100)，其中所述蓄电池系统(100)与所述机动车的驱动系统相连接。
8.一种用于为多个串联连接的蓄电池单元(10)充电的方法，其中，在充电过程期间以充电电流向所述多个串联连接的蓄电池单元供电，并且其中当施加在所述蓄电池单元(10)上的电压超过预定的电压阈值(Ubk)时，抑制流过所述多个蓄电池单元(10)中的一个蓄电池单元的电流，其特征在于，在超过所述电压阈值(Ubk)时，并联至所述蓄电池单元(10)的电气元件(12)的电阻减小，以使得所述充电电流的一部分流过所述电气组件(12)。
全文摘要
本发明涉及一种具有多个串联连接的蓄电池单元(10)的蓄电池系统(100)，其中电气组件(12)并联至所述多个蓄电池单元(10)中的至少一个蓄电池单元，当施加在所述电气组件(12)上的和在所述蓄电池单元(10)上的电压超过预定的电压阈值(UBR)时，所述电气组件的电阻减小。此外，还涉及一种用于为多个串联连接的蓄电池单元(10)充电的方法，该方法与依据本发明所述的蓄电池系统(100)一起实施。
文档编号H02J7/00GK103155339SQ201180038139
公开日2013年6月12日 申请日期2011年6月7日 优先权日2010年8月4日
发明者C·克卢特, F·莫泰斯, F·海特卡埃姆佩尔, R·托马斯 申请人:罗伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式会社