具有监测装置的电池单体及相应的运行方法与流程

本发明涉及一种用于特别是机动车的电池的电池单体。此外本发明涉及一种具有至少一个这种电池单体的电池以及具有这种电池的机动车。此外本发明涉及一种用于监测至少一个电池单体的方法。

背景技术：

锂离子电池或者说锂离子电池系统由于其高能量和功率密度已经普遍用于移动式能量存储器的几乎所有领域，其中可以是电动自行车、电动工具、混合动力车辆、电动车辆或甚至轨道应用。同时锂离子电池系统对于固定的电池存储器系统也越来越重要。多个锂离子电池或其电池化学系统的特征是荷电状态-电压-特征曲线平缓。然而在低于约10％和高于90％的荷电状态(stateofchargesoc)的边缘区域中，电池单体的电压位置非常快地改变。随着时间推移，电池单体在其电压位置方面可能彼此不同。上述情况现在可能由于不同的影响、例如不同的自放电率、在运行时不均匀的温度、或在电池组中单个单体的提前老化或由于不同的批次(由不同的生产批次提供)而出现。

为了能提前判断电池单体可能失效的风险，可以利用的是，由每个电池单体的持续运行来检测状态数据并且为随后的评估提供依据。对此特别是包含单体在运行中出现的温度，以及充电或放电电流的进程和分别对应的荷电状态。由现有技术已知，数据记录以相同的时间间隔存储。在最简单的情况下，上述情况可以通过时钟发生器触发，该时钟发生器以时间不变的间隔分别通过产生相应的触发信号来触发存储数据记录。此外当提供实时时钟(realtimeclock–rtc)时，数据记录此外可以具有时间或日期印记。当以短时间间隔进行存储时积累了非常大的数据量。然而如果扩大在两个存储过程之间的时间间隔，则存在下述危险，对于评判电池单体状态来说不能检测出重要的情况。

技术实现要素：

因此本发明的目的在于，提供一种电池单体、具有至少一个这种电池单体的电池、具有这种电池的机动车以及用于监测至少一个电池单体的方法，通过所述的电池单体、电池或机动车或方法能更好地处理电池单体的状态数据。

所述目的通过具有权利要求1的特征的电池单体、具有权利要求8的特征的电池、具有权利要求9的特征的机动车以及具有权利要求10的特征的方法来实现。本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的电池单体包括监测装置，所述监测装置包括：数据处理单元，用于根据触发脉冲处理电池单体的状态数据；和触发单元。触发单元与数据处理单元联接并且用于产生触发脉冲且将触发脉冲提供给数据处理单元。其中触发单元构造为：评估测量信号以便根据测量信号产生触发脉冲，所述测量信号与电池单体的电能相关。数据处理单元尤其可以是微型控制器或微型处理器。状态数据可以由电池单体的相应的传感器来提供。从而，例如可以存储电池单体的电压、温度、压力、电池单体的阻抗或在空间中的位置或电池单体的加速度。在使用相应适合的测量值接收器(传感器)时，可以检测电池单体或环境的任意的参数。在此还可以规定，数据处理单元通过附加的、优选无线的通信连接获得其它数据，该数据并非直接在电池单体内查明。

本发明基于下述知识，在下述情况下可以实现在所需存储的数据量与相关情况的覆盖之间的特别有利的比例：根据电池单体的电能执行存储过程。从而例如可以在下述情况下延长存储间隔：没有向电池单体输送电能或获取电能。同样可以规定，在高荷电状态——即在电池单体电压接近与电池单体类型相关的充电结束电压时——的范围内或在可能出现的深度放电时的低荷电状态的范围内提供状态数据的详细记录。

在一种有利的改进方案中，触发单元构造为：在电池单体具有第一电能含量的第一时刻产生触发脉冲；并且在电池单体具有第二电能含量的第二时刻—产生触发脉冲，其中第一电能含量和第二电能含量相差一能预先规定的能量值。由此，在充电结束界限和放电结束界限之间的电池单体能量范围的整个跨度规则地使用能量单位(ee)，例如瓦秒或千瓦小时。由此能无间隙地记录完全的充电/放电循环。与电池单体的电能相关——其相应于电池单体的荷电状态，检测和记录关于电池单体的状态信息。通过适合的能量测量，累计出、入电池单体的能量流。如果一个能量单位流入到电池单体中或从电池单体流出，则存储电池单体的状态信息、例如电压、温度、压力、阻抗、在空间中位置、加速度等。上述情况例如在具有集成的存储器和集成的传感器的智能电池单体(smartcell)中可以通过形式为微型控制器或状态机(zustandsautomaten)的集成的智能控制装置来实现。如果智能电池单体可以向外与外部设备通信，则智能电池单体可以向外部设备请求时间信息并且利用数据记录存储该时间信息。上述情况可以在车辆中特别是在充电时且在行驶运行中实现。如果还能由外部设备提供gps位置，则该gps位置还可以利用数据记录来存储。在基于能量单位存储状态数据的原理的基础上，电池单体的相关的能量经历能以能量有效的方式来记录。特别是由此能完全为电池单体的能量经历提供记录。

为了进行有效的数据存储还可以规定，通过下述方式减小所需存储的状态数据的量：仅在变化时写入，即在当前值相对于最后存储的值未改变的情况下不存储参数的当前值。特别是，当所有要检测的状态数据自从最后的存储过程已经不再改变时，则不再存储这些状态数据，而仅能量单位值改变。上述情况尤其在充电时使得在与充电相关的高能量单位变化率下也仅形成少量的数据。在这种情况下，存储记录仅由(改变的)能量单位值形成。

在一种优选的改进方案中，测量信号与经过电池单体的电流成比例或与电池单体的电功率成比例，其中触发单元具有用于根据测量信号产生积分信号的器件，并且构造为：在积分信号超过或低于能预先规定的阈值时产生触发脉冲并且积分信号复位至初始值。在下述情况下是特别有利的：测量信号表示经过电池单体的电流，因为测量信号在这种情况下能特别简单地利用已经存在于电池单体中的技术器件来获得。与电池单体的电功率的关系通过与电池单体的电压相乘获得。因此在涉及经过电池单体的电流时，能预先规定的能量值被解释为电荷值。如上所述，对于锂离子电池在约10％和90％的荷电状态之间的范围内得出了电池电压的平缓走向。因为在这个范围内，能量值和电荷值通过近似恒定的因数、即电池单体电压彼此相关联。因此本发明能不受限制地使用测量值提供的两种变型例。

对于测量信号的积分，该测量信号转换为积分信号，该积分信号根据所提供的测量信号的类型代表电荷或电能量。在此尤其重要的是，测量信号在下述情况下无漂移、即采用值0：基于其的物理参量、即电功率或电流也采用值0。因此，借助于检查积分信号超过或低于能预先规定的阈值，可以查明下述时刻，在该时刻相对于最后产生的触发脉冲的时刻已经转换了能预先规定的能量或电荷量。以这种方式能产生触发脉冲序列，其将传送的能量或电荷划分成分别相同的能量单位或电荷单位。由此，电池单体的任意的充电/放电循环利用能预先规定的触发完全记录，该触发与能量单位或电荷单位相关。与预先规定的触发和测量信号的高度相关地，在此可以实现秒至小时或天的时间片断之间的、在两个触发脉冲之间的间距。在此还可以规定，为在两个连续的触发脉冲之间的时间间隔设置上限，其中在达到该上限时处理状态数据并且存储，而积分信号不必达到能预先规定的阈值。

在另一种优选实施方式中，触发单元具有第一电容作为用于产生积分信号的器件，所述第一电容与数据处理单元的第一模拟输入端以及与第一比较单元电连接，其中积分信号能通过在第一电容上的第一电压来提供，并且比较单元构造为：在第一电容上的第一电压超过能预先规定的第一阈值时产生触发脉冲。由此得出了本发明的特别简单且节省能量的设计方案。测量信号的提供在此适宜地通过电流实现。被设置用于产生触发脉冲的组件消耗较少的能量，并且使数据处理单元利用触发脉冲分别仅短暂地——即该数据处理单元处理状态数据所需的以及使电容又复位至初始值——运行。

在一种有利的改进方案中，第一电容通过第一电阻与数据处理单元的第一双向接口电连接。在此术语“电阻”理解成电阻元件、即无源构件且不应理解成电阻值。所述第一双向接口构造为：采用下述三个状态之一：低电位/电平，与数据处理单元的基准电位导电连接；高电位，与数据处理单元的供电电位导电连接，其中在供电电位和基准电位之间存在数据处理单元的供电电压，或不存在导电连接。由此，第一电容可以通过数据处理单元在超过或低于能预先规定的阈值之后又在短时间内返回至初始值。在返回至初始值之后，第一双向接口返回至高电阻状态，从而第一电容不再被加载。优选地，因此数据处理单元可以置于休眠状态，其中其能耗被降低至最小。以这种方式，能耗能通过监测装置特别小地保持并且因此获得了电池单体的较低的自放电。

在另一种有利的设计方案中，触发单元具有第二电容，所述第二电容通过第二电阻与数据处理单元的第二双向接口电连接并且与数据处理单元的第二模拟输入端以及与第二比较单元电连接。其中基准信号能通过在第二电容上的第二电压提供。比较单元构造为：在第二电压超过能预先规定的第二阈值时产生触发脉冲。触发单元具有带有能预先规定的恒定电流的公共电源，所述公共电源构造为：为了补偿第一电容和第二电容的自放电电流，分别输入补偿电流。其中还可以规定，电源能通过数据处理单元配置。优选地，在此第二电容具有与第一电容相同的电容。此外可以规定，分别通过第三电阻和第四电阻来控制一能预先规定的恒定电流向第一电容和第二电容的分配。特别是可以规定，第三电阻的电阻值和第四电阻的电阻值大小相同，从而恒定电流均匀地分配到第一电容和第二电容上。这种布置允许了，补偿第一电容的自放电电流。第二电容在此作为用于控制的基准电容，由电源提供的恒定电流刚好涵盖第一电容的自放电电流。

在一种有利的改进方案中，触发单元构造为：在第二电压超过能预先规定的第二阈值时，使第二电压返回至差分状态，并且为此要引入到第二电容中的补偿电荷量还被输入到第一电容中。针对下述情况，由公共电源提供的恒定电流未精确地涵盖第一电容和第二电容的自放电，即过多或过少地输入电流，可以借助第二电容查明缺乏的或多余的电荷量，并且将其沿相同方向输送给两个电容、即第一电容和第二电容或者说由它们获得，从而在这个补偿过程之后，第二电容又处于其基准状态。由此还能在较长的时间段持久地准确地测量经由第一电容的能量单位或者说电荷单位。

本发明还包括具有至少一个根据本发明的类型的电池单体的电池。根据本发明的电池包括多个根据本发明的电池单体，所述电池单体可以串联和/或并联。在此还可以固定，测量信号代表电能，该电能与彼此连接的电池单体的整体相关。

根据本发明的机动车包括至少一个根据本发明的电池。机动车例如可以设计成乘用车、特别是电动车辆或混合动力车辆。另外，机动车还可以是电动摩托车或电动自行车。

另外，电池可以设置在固定的能量存储器系统中。此外可以规定，曾经在机动车中使用的电池可以作为所谓的二次利用电池(second-life-batterie)继续使用，其中电池用于不同类型的使用。特别是在二次利用时例如对电池单体的有效功率的要求可以小于在将电池单体应用于机动车电池时。在此，在电池单体中存在的状态数据可以由电池单体的过去的工作时间有利地用于选择和测试。

在方法方面，为了监测至少一个电池单体提出了下述步骤：根据触发脉冲来处理电池单体的状态数据；评估测量信号，所述测量信号与电池单体的电能相关；根据测量信号产生触发脉冲；和提供触发脉冲。

针对根据本发明的电池单体描述的优点和优选实施方式还适用于根据本发明的电池和根据本发明的机动车。

同样，针对根据本发明的装置描述的优点和特征以及实施方式同样适用于相应的方法，反之亦然。因此针对装置特征可以设置相应的方法特征，反之亦然。

前面在说明书中所述的特征和特征组合以及随后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在分别给出的组合中、而且还在其它组合中或单独使用，而没有背离本发明的范围。如下的实施方式不仅由本发明包括而且被视为公开：其在附图中未清楚示出和阐述，然而通过分开的特征组合由所阐述的实施方式得出且能产生。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节由权利要求、随后对优选实施例的描述以及借助附图得出。其中示出了：

图1以简化示意图示出了电池单体的监测装置的优选实施例，

图2示出了在采用理想的自放电补偿的情况下根据图1的监测装置的表征的信号的时间进程的示意图，

图3示出了在采用不理想的自放电补偿的情况下根据图1的监测装置的表征的信号的时间进程的示意图，和

图4示出了在测量信号和基准信号彼此反向漂移时采用不均匀的自放电补偿的情况下根据图1的监测装置的表征的信号的时间进程的示意图。

具体实施方式

图1示意性示出了监测装置10，如该监测装置可以安装在电池单体中。监测装置10包括数据处理单元12，其与触发单元14联接。由在电池单体内部或外部的传感器将状态数据13提供给数据处理单元12。触发单元14将触发脉冲15提供给数据处理单元12的入口p1。在此可以涉及入口p1，该入口能实现数据处理单元12的所谓的唤醒(wakeup)。测量信号——其优选与流经电池单体的电流成比例——作为电流信号17，在触发单元14的分支点σ输入。附加的数据可以由数据处理单元12从外部数据源查询、例如实时时钟信号19(realtimeclockrtc)或位置信号21，例如以gps信号的形式(全球定位系统)。

触发单元14具有对称布置的部件。第一电容c1——在其上施加第一电压u1——用作测量电容，第二电容c2——在其上施加第二电压u2——用作基准电容。两个电容c1、c2分别连接到公共的基准电位11。与第一电容c1并联有第一并联电阻rp1，该第一并联电阻代表了第一电容c1的自放电。以相同的方式，与第二电容c2并联有第二并联电阻rp2，该第二并联电阻代表了第二电容c2的自放电。为了补偿通过第一并联电阻rp1和第二并联电阻rp2的自放电，设置恒流源18，该恒流源提供恒定电流i1。恒定电流i1通过第一二极管d1和第二二极管d2分配，其中两个二极管d1和d2的正极与恒流源18联接。第一电容c1的、未与基准电位11连接的接头——其在下面称为第一电容c1的上接头——通过第一电阻r1与数据处理单元12的第一双向接口i/o1联接。同样地，第二电容c2的未与基准电位11连接的接头——其在下面称为第二电容c2的上接头——通过第二电阻r2与数据处理单元12的第二双向接口i/o2联接。另外，第一电容c1的上接头与数据处理单元12的第一模拟输入端adc1以及与第一比较单元22的入口电联接。同样，第二电容c2的上接头与数据处理单元12的第二模拟输入端adc2以及与第二比较单元26的入口连接。

第一二极管d1的负极与第一电容c1的上接头通过第三电阻r3联接。相同地，第二二极管d2的负极通过第四电阻r4与第二电容c2的上接头联接。第一比较单元22提供的信号23，该信号表示低于能预先规定的下阈值；以及信号25，该信号表示高于能预先规定的上阈值。同样地，第二比较单元26提供：信号27，该信号表示低于能预先规定的下阈值；以及信号29，该信号表示高于能预先规定的上阈值。优选地，在此两个比较单元22和26可以相同地使用上、下阈值。此外，上阈值和下阈值关于第一电容c1和第二电容c2的开始状态或者说基准状态对称地布置，其优选相当于一半供电电压v/2(＝1/2*供电电压v)。信号23、25、27、29被提供给逻辑关联单元/逻辑门单元24，该逻辑关联单元执行“或”关联并且由此产生触发脉冲15。

图2示出了五个图表的组合，它们在公共的时间轴上示出。示出了在第一电容c1(测量电容)上的第一电压u1、也称为测量电压，以及在第二电容c2(基准电容)上的第二电压u2、也称为基准电压。第一电压u1和第二电压u2可能表现为在位于0与供电电压v值之间的范围内的值，该供电电压为电路的工作电压。此外示出了二进制工作状态信号op，该工作状态信号表征了数据处理单元12的工作状态。在低电位0时，数据处理单元12处于睡眠模式(sleepmode)，该睡眠模式的特征在于数据处理单元12的能耗特别低，在高电位1时，数据处理单元12处于工作模式(operationmode)。从睡眠模式转换到工作模式借助在入口p1处提供的触发脉冲15来实现。从工作模式返回到睡眠模式可以通过数据处理单元12本身、尤其通过执行相应的程序编码来实现。

另外，与第一电容c1联接的第一双向接口i/o和与第二电容c2联接的第二双向接口i/o2的状态分别在一图表中示出。在此，可以存在三个状态，即高电阻状态z，其中第一电容c1或者第二电容c2保持未受影响；高电位1，其中建立了与供电电位的导电连接，由此为相应的电容c1或c2充电。作为另一个状态可以存在低电位0，其中建立了与基准电位11的导电连接，上述情况导致了为相应的电容c1或c2放电。尤其可以规定，高电位1在物理方面通过电压表示，其等于供电电压v。

在时间t0和t1之间的开始状态中，第二电压u2为恒定的v/2。同样地，在此，第一电压u1同样为v/2。工作状态信号op在这种状态下具有低电位0。两个双向接口i/o1和i/o2处于高电阻状态z。在时刻t1和时刻t2之间，此时通过正电流信号17将电流输入到电容c1中。在时刻t2，第一电压u1达到上阈值，该阈值在此为了简化起见被设置为供电电压v值。因此，在时刻t1和时刻t2之间流动了确定的能量或电荷量，其在此用δee来标注。因此在时刻t2，在数据处理单元12的第一入口p1处提供触发脉冲15，由此工作状态信号op从低电位0转换为高电位1。数据处理单元12这时开始处理状态数据并且使得第一电容c1又通过下述方式回到其初始状态、即一半供电电压v/2：双向接口i/o1被设置到低电位0上。随着第一电压u1达到一半供电电压v/2，第一双向接口i/o1又转换为高电阻状态z，并且数据处理单元12又可以回到睡眠模式中。

示例性地，此时在时刻t3，沿相反方向的电流信号17的流动开始。由此，在时刻t3和时刻t4之间刚好又获取了之前存入的能量单位δee或电荷量。在第一电容c1上的第一电压u1在时刻t4时达到了下阈值，该下阈值在此为了简化起见被设置为0。如前面在t2和t3之间的时间段那样，在第一入口p1处的触发脉冲15启动数据处理单元12用以处理状态数据。与时间段t2、t3中的过程的唯一差别在于，第一双向接口i/o1现在切换为高电位1，其中与供电电压v进行连接。在第一电容c1上的第一电压u1达到一半供电电压v/2的值之后，在此又存在如在时间段t0、t1中的初始状态。

图3示出了同样的组合图表，其中现在还示出了两个电容c1和c2的叠加的行程漂移(wegdriften)。从初始状态开始——该初始状态存在于时刻t10和时刻t11之间，在时刻t11时又开始输入能量单位δee。在此时假设，在这个时间段内在两个电容c1和c2、即测量电容和基准电容中出现规则的电压漂移。在时刻t12，在第一电容c1上的第一电压达到了上阈值。逻辑关联单元24便产生了触发脉冲15，该触发脉冲在第一入口p1处被提供给数据处理单元12。数据处理单元12现在通过第二模拟输入端adc2确定，第二电容c2、即基准电容不再处于一半供电电压v/2。因此，不进行状态数据处理和存储。此时，在t12和t13之间的时间段内，第二电容c2被放电至额定值、即一半供电电压v/2。为此由第二电容c2获取的第一电荷量利用q0来标注。然后，相同的电荷量q0还在t13和t14之间的时间段内由第一电容c1获取。双向接口i/o1和i/o2的所属状态相应地在各个时间段内是低电位0、此外高电阻状态z。

同样地，在另一进程中，在时刻t20和t21之间存在初始状态，其中在第一电容上的第一电压和在第二电容上的第二电压分别是一半供电电压v/2给出。在此，现在沿反方向获取电流。在此还假设，在时间段t21到t22中附加地产生了漂移电流的叠加，该漂移电流导致第一电容c1和第二电容c2的持续放电，其未由恒流源18涵盖。在时刻t22，在第一电容c1上的第一电压u1达到了下阈值，由此产生触发脉冲15，该触发脉冲在入口p1处被提供。另外，在此未存储状态数据，因为在第二电容c2上的第二电压u2偏离于额定值、即一半供电电压v/2。首先在时间段t22至t23中，使第二电容上的第二电压u2返回至额定值、即一半供电电压v/2。在此查明的第二电荷量q1与此相应地又被输送至第一电容c1。第一双向接口i/o1的状态在这种情况下在时刻t23和t24之间通过高电位1给出，第二双向接口i/o2的状态在时刻t22和t23之间通过高电位1给出。此外在两个双向接口i/o1和i/o2中在这个区段中分别存在高电阻状态z。

在时刻t30和t31之间存在由电流消耗和漂移引起的另一个叠加过程，其中与之前的情况的不同之处在于，在此第二电容c2、即基准电容的第二电压u2超过第一阈值。而且在这种情况下，在时刻t31数据处理单元12没有存储数据，因为在第二电容c2上的电压在此不是相当于额定值、即一半供电电压v/2。在时间段t31至t32中，在第二电容c2上的电压u2又返回至额定值、即一半供电电压v/2。在此获取的第三电荷量q2另外还在时间段t32至t33中由第一电容c1获取。

特别是，数据处理单元12保持激活的阶段——例如可以在时刻t12和t14或时刻t31和t33之间——非常短，例如200纳秒。在这一点上要注意，时间未按比例画出。特别是，例如时间段t11至t12可以在非常长的时间段、特别是小时、天或甚至周上延伸。这一点例如在下述情况下如此：具有这种监测装置的电池单体所安装的机动车在较长的时间上停止。

图4示出了长时间漂移的情况，其中两个电容c1和c2具有不同程度的自放电。尤其是两个电容c1、c2之一比所需更高的补偿电流，且另一个电容获得了比所需更低的补偿电流。因此两个电压u1和u2偏离于额定值、即一半供电电压v/2而彼此漂移开。在此，第一电压u1在时刻t42达到上阈值，因此产生触发脉冲15。数据处理单元12借助在第二电容c2上偏离的第二电压u2识别出，不应进行存储。这种不规则的自放电例如可能由于温度影响或类似影响而产生。将补偿电流不匹配地分配给两个电容c1和c2现在以下述方式校正，由第二电容获取的第四电荷量q3现在以相反的极性输入到第一电容c1中。

所述实施例仅用于阐述本发明并且没有对其构成限制。特别是，之前阐述的电路技术布置可以任意修改，而没有背离本发明的构思。

如上所述，能量存储器、特别是电池单体的状态信息的监控可以并非基于时间，而是基于能量单位，以非常节能的方式实现。