电池单元和用于运行电池单元的方法与流程

本发明涉及一种电池单元，其用于在机动车的车载电网处使用，所述电池单元包括电池模块和耦合单元，所述耦合单元用于将所述电池模块与所述车载电网耦合，所述耦合单元具有与所述电池模块连接的第一接口、能够与车载电网连接的第二接口、第一直流电压转换器和第二直流电压转换器。本发明也涉及一种用于运行根据本发明的在机动车的车载电网处的电池单元的方法。

背景技术：

在传统的具有内燃机的机动车中，通常将铅酸电池用作在12v车载电网中的储能器。这样的具有正极和负极的铅酸电池主要用作用于起动该内燃机的起动器电池。所述车载电网和其功能与该铅酸电池的性能（例如内电阻、充放电特性曲线以及空转电压）相协调。

在这种情况下重要的是，正确识别在所述机动车中的铅酸电池的状态。该铅酸电池的状态、尤其是充电状态被所述机动车用作用于能量管理的功能的基础，并且因此能够在错误识别时对车辆特性以及可用性产生严重的负面影响。该机动车的与安全相关的功能也能够受到波及。

通常，连接到所述铅酸电池处的电池传感器承担该铅酸电池的状态的识别。该电池传感器在此主要测量流动通过该铅酸电池的电流以及施加在该铅酸电池的极处的电压，并且由此尤其求取该铅酸电池的充电状态和老化。

当铅酸电池失灵时，能够有利的是，通过锂离子电池来替代这个铅酸电池。然而，由于工艺不同，锂离子电池具有与铅酸电池不同的性能。对此主要包括更低的内电阻并且尤其包括充电状态与输出电压之间的另一种关系。例如，由存在在所述机动车中的电池传感器求取的充电状态因此会是错误的。

因此，在更换时，锂离子电池不仅必须替代传统的铅酸电池，还必须替代所述电池传感器和其功能。由于市场上存在的机动车以及铅酸电池和电池传感器的种类很多，这看起来并不可行。

值得期待的是，尤其是在机动车中的铅酸电池失灵时，通过锂离子电池来替代这个铅酸电池。在此，也应该继续使用已经存在在所述机动车中的电池传感器。

由us2015/0037616a1公开了一种锂离子电池模块，其具有壳体，该壳体的尺寸对应于传统铅酸电池的壳体的尺寸。所述锂离子电池模块在此也包括一个或者多个直流电压转换器，由此在该锂离子电池模块的不同极处能够提供多个不同的输出电压。

de102010014104a1公开了一种用于机动车的电能车载电网。所述能量车载电网包括布置在子车载电网中的电池，该电池经由耦合装置与另一个子车载电网耦合。所述耦合装置在此包括两个并联连接的直流电压转换器和用于桥接所述直流电压转换器的桥接开关。

技术实现要素：

提出一种用于在机动车的车载电网处使用的电池单元。所述电池单元包括电池模块和耦合单元，该耦合单元用于将所述电池模块与该机动车的车载电网耦合。所述耦合单元具有与所述电池模块连接的第一接口、能够与车载电网连接的第二接口、第一直流电压转换器和第二直流电压转换器。所述电池单元尤其用于替代失灵的铅酸电池，用作用于该机动车的内燃机的起动器电池。

根据本发明，所述第一直流电压转换器允许在所述第一接口与所述第二接口之间的双向电流，并且所述第二直流电压转换器允许从所述第一接口流向所述第二接口的电流。此外，所述电池单元包括用于操控所述第一直流电压转换器和用于操控所述第二直流电压转换器的控制系统。

优选地，所述耦合单元也具有用于测量在所述第一接口与所述第二接口之间流动通过所述耦合单元的耦合电流的器件。

所述第一直流电压转换器例如实施为分体式pi转换器（split-pi-wandler），其具有多个电子开关。通过对应地操控该第一直流电压转换器的开关能够在所述第一接口处生成第一电压以及在所述第二接口处生成第二电压。所述第一直流电压转换器优选这样构型，使得比较高的耦合电流能够在两个方向上流动。

所述第二直流电压转换器例如实施为sepic转换器（单端初级电感转换器，singleendedprimaryinductanceconverter），其具有至少一个电子开关。通过对应地操控该第二直流电压转换器的至少一个开关能够在所述第二接口处生成第二电压。但是，所述第二直流电压转换器例如也能够实施为分体式pi转换器。所述第二直流电压转换器优选这样构型，使得在比较小的耦合电流从所述第一接口流向所述第二接口时，比较小的功率损耗下降。

两个直流电压转换器尤其不生成恒定的与所述第一电压无关的第二电压。施加在所述车载电网处的第二电压取决于施加在所述电池模块处的第一电压。所述直流电压转换器在被对应地操控时能够生成取决于所述第一电压的可变的第二电压。所述第二电压与所述第一电压的相关性通常不是线形的。

附加地，所述第一直流电压转换器在被对应地操控时能够生成取决于所述第二电压的可变的第一电压。该第一电压与所述第二电压的相关性通常也不是线形的。

根据本发明的一种有利的构型方案，该电池单元的电池模块具有多个电池单池，所述电池单池实施为锂离子单池。与铅酸电池的单池相比，锂离子电池尤其具有延长的使用寿命、改良的周期稳定性、更高的能量密度以及更高的功率密度。

在此，所述电池单池的类型不限于锂离子单池。原则上，具有比铅酸电池单池更好的性能的所有类型的二级单池都适合。例如，锂硫单池、锂空气单池、超级电容器（supercaps，sc）、锂电容器以及具有固体电解质的电池单池都适用。

根据本发明的一种有利的扩展方案，所述耦合单元具有旁通路径，借助于所述旁通路径所述第一接口和所述第二接口能够在绕开所述直流电压转换器的情况下相互连接。所述旁通路径为此包括能够由所述控制系统操控的旁通开关。

也提出一种用于运行根据本发明的在机动车的车载电网处的电池单元的方法。所述电池单元在此安装到所述机动车中，并且该电池单元的耦合单元的第二接口与该机动车的车载电网连接。

根据本发明，在此测量流动通过所述耦合单元的耦合电流。如果所述耦合电流从所述第一接口流向所述第二接口并且低于第一极限值，则接通所述第二直流电压转换器并且关闭所述第一直流电压转换器。在这些条件下，所述机动车处在静止运行中。使所述电池模块放电，并且但是所述电池模块仅提供比较小的静态电流，该静态电流小于所述第一极限值。所述静态电流仅流动通过所述第二直流电压转换器。

如果所述耦合电流从所述第一接口流向所述第二接口并且在此超过第一极限值并且低于大于所述第一极限值的第二极限值，则接通所述第一直流电压转换器。所述第二直流电压转换器在此能够被关闭。在这些条件下，所述机动车处在正常运行中。使所述电池模块放电，并且所述电池模块提供平均工作电流，该平均工作电流小于所述第二极限值并且大于所述第一极限值。所述工作电流绝大部分或者仅流动通过所述第一直流电压转换器。

有利的是，如果已接通所述第二直流电压转换器，则根据在所述第一接口处的第一电压由所述第二直流电压转换器生成在所述第二接口处的第二电压。

同样有利的是，如果所述耦合电流从所述第一接口流向所述第二接口并且已接通所述第一直流电压转换器，则根据在所述第一接口处的第一电压由所述第一直流电压转换器生成在所述第二接口处的第二电压。

在所述电池模块处的第一电压尤其取决于该电池模块的充电状态（stateofcharge，soc）。所述第一电压也能够取决于另外的状态参量，主要取决于流动的电流以及该电池模块的老化。然而，在传统的铅酸电池的相同的充电状态和具有锂离子单池的电池模块时，该铅酸电池的第一电压与该具有锂离子单池的电池模块的第一电压不同。

在所述车载电网处的第二电压有利地由所述第一直流电压转换器以及由所述第二直流电压转换器这样生成，使得在该电池模块的给定的充电状态下的第二电压对应于在相同的充电状态下该铅酸电池的第一电压。因此，在所述车载电网处的第二电压对应于在相同的充电状态该铅酸电池具有的在所述铅酸电池处的第一电压。

如果所述耦合电流从所述第二接口流向所述第一接口，则接通所述第一直流电压转换器。所述第二直流电压转换器在此能够被关闭。在这些条件下，所述机动车处在充电运行中。以充电电流给所述电池模块充电。所述充电电流绝大部分或者仅流动通过所述第一直流电压转换器。

有利的是，如果所述耦合电流从所述第二接口流向所述第一接口并且已接通所述第一直流电压转换器，则根据在所述第二接口处的第二电压由所述第一直流电压转换器生成在所述第一接口处的第一电压。

如果所述耦合电流从所述第一接口流向所述第二接口并且超过大于所述第一极限值的第二极限值，则接通用于绕开所述直流电压转换器的旁通路径。所述第一直流电压转换器以及所述第二直流电压转换器在此能够被关闭。在这些条件下，所述机动车例如处在起动运行中。使所述电池模块放电，并且所述电池模块为起动装置提供比较高的起动电流，该起动电流大于所述第二极限值。所述起动电流绝大部分或者仅流动通过所述旁通路径。

根据本发明的电池单元以及根据本发明的方法有利地用在机动车、尤其是具有内燃机的机动车的车载电网处。特别有利地，根据本发明的电池单元以及根据本发明的方法用在具有内燃机的机动车的车载电网处并且尤其用于替代该铅酸电池，该机动车的车载电网和功能与传统的铅酸电池的性能相协调。但是也能够考虑其它使用，例如用在别的机动车的车载电网处，所述别的机动车例如是混合动力车辆、插电式混合动力车辆以及电动车。

本发明的优点：

本发明实现了在保证在所述机动车中的所有功能、尤其是能量管理的情况下通过12v的锂离子电池来更换传统的12v铅酸电池。存在在所述机动车中的与被更换的铅酸电池的性能相协调的电池传感器能够得到保留。因此，具有所述两个直流电压转换器的耦合单元实现了在机动车中使用锂离子电池，其与铅酸电池的性能相协调。通过对应地操控所述直流电压转换器能够使施加在所述锂离子电池处的第一电压映射到在所述车载电网和所述电池传感器处的第二电压上，该第二电压对应于在相同条件下、尤其是在相同的充电状态下在所述铅酸电池处的电压。

通过构型该耦合单元，这个耦合单元在被对应地操控时能够最优地用于不同的运行类型。因此，例如充电电流以及平均工作电流能够流动通过所述第一直流电压转换器。静态电流能够流动通过所述第二直流电压转换器，该第二直流电压转换器具有减小的功率损耗。因此，尤其能够减小在静止运行中在所述耦合单元中的电损耗。此外，所述旁通路径实现高的工作电流，所述工作电流不被所述第一直流电压转换器覆盖（abdecken），以及实现在直流电压转换器故障或者失灵时该耦合单元和该电池单元的应急运行。

附图说明

根据附图和下文的说明详细阐述本发明的实施方式。

图1示出了在机动车的车载电网处的电池单元和

图2示出了图1的电池单元的耦合单元。

具体实施方式

在下文对本发明的实施方式的说明中，相同的或者相似的元件用同样的附图标记来表示，其中，在个别情况下省去对这些元件的重复说明。附图仅示意性示出本发明的主题。

图1示出在机动车的车载电网50处的电池单元10。在这个背景下，在所述机动车中的引导电压的供应线路被描述为车载电网50。在当前情况下，车载电网50相对于在所述机动车中的接地线55具有12v的标称电压。

电池单元10包括电池模块20，该电池模块具有多个电池单池，所述电池单池实施为锂离子单池。所述电池单池例如串联连接并且提供12v的标称电压。电池模块20具有负端子21和正端子22。在电池模块20的端子21、22之间施加由所述电池单池提供的电压。

电池单元10包括正极12，该正极与车载电网50连接。电池单元10也包括负极11，该负极与电池传感器52连接并且与电池模块20的负端子21连接。电池传感器52与车载电网50并且与接地线55连接。此外，电池传感器52借助于总线接口53与该机动车的上级的控制器连接。

另外，电池传感器52测量施加在电池单元10的正极12与负极11之间的电压，该电压对应于在车载电网50与接地线55之间的电压。电池传感器52也测量从接地线55流向负极11的电流，该电流对应于通过电池单元10的电流。

电池传感器52由在电池单元10的极11、12之间的经测量的电压和由通过电池单元10的经测量的电流求取电池单元10的电池模块20的状态、尤其是充电状态。电池传感器52将电池单元10的电池模块20的求取到的状态传递至该机动车的上级的控制器。

此外，电池单元10包括耦合单元30，该耦合单元在图2中详细示出。这个耦合单元30具有第一直流电压转换器41、第二直流电压转换器42和旁通路径44。耦合单元30也具有第一接口31，该第一接口与电池模块20的正端子22连接。此外，耦合单元30具有第二接口32，该第二接口与电池单元10的正极12连接。此外，耦合单元30具有接地接口33，该接地接口与电池单元10的负极11以及与电池模块20的负端子21连接。

此外，电池单元10包括控制系统40，该控制系统尤其用于操控耦合单元30的直流电压转换器41、42和旁通路径44。控制系统40和耦合单元30例如经由在这里未示出的总线线路相互连接。电池模块20、耦合单元30和电池单元10的控制系统40在当前情况下实施为单独的元件并且布置为在共同的壳体中的结构单元。控制系统40、直流电压转换器41、42和旁通路径44也能够组合在一个或者多个单元中。

图2示出在图1中示出的电池单元10的耦合单元30。在第一接口31与接地接口33之间施加第一电压u1，该第一电压对应于电池模块20的电压。在第二接口32与接地接口33之间施加第二电压u2，该第二电压对应于车载电网50的电压。耦合电流ik在从第一接口31向第二接口32的方向上流动通过耦合单元30。如果耦合电流ik在相反的方向上流动，则耦合电流ik是负的。在以下研究中，忽视流动通过接地接口33的电流。

第一直流电压转换器41和第二直流电压转换器42并联连接并且分别与第一接口31、第二接口32和接地接口33连接。为了绕开直流电压转换器41、42，设置有旁通路径44，该旁通路径与第一接口31和第二接口32连接。在旁通路径44中布置有旁通开关45以及分流电阻46，用以测量流动通过旁通路径44的电流。分流电阻46能够布置在旁通开关45之前或者之后。也能够不使用分流电阻46，而是使用用于电流测量的其它类型的传感器。

在当前情况下，第一直流电压转换器41实施为分体式pi转换器（split-pi-wandler），其具有多个在这里未示出的电子开关。第一直流电压转换器41允许双向电流。第一直流电压转换器41也允许生成第一电压u1以及生成第二电压u2。第一电压u1和第二电压u2能够通过对应地操控第一直流电压转换器41的开关而生成。第一直流电压转换器41具有用于测量流动通过第一直流电压转换器41的电流的器件。

在当前情况下，第二直流电压转换器42实施为sepic转换器，其具有至少一个在这里未示出的电子开关。第二直流电压转换器42允许从第一接口31流向第二接口32的单向电流。第二直流电压转换器42也允许生成第二电压u2。第二电压u2能够通过对应地操控第二直流电压转换器42的开关而生成。第二直流电压转换器42具有用于测量流动通过第二直流电压转换器42的电流的器件。

旁通路径44的旁通开关45以及直流电压转换器41、42的电子开关能够由控制系统40来操控。此外，用于直流电压转换器41、42的电流测量的器件和旁通路径44的分流电阻46与控制系统40连接。

通过测量流动通过第一直流电压转换器41、第二直流电压转换器42和旁通路径44的电流，控制系统40计算耦合电流ik。替代于此地，耦合单元30也能够具有用于直接地测量耦合电流ik的器件、尤其是传感器。这个传感器能够布置在第一接口31之后。

根据耦合电流ik的大小和方向求取该机动车的当前的运行阶段。根据该机动车的求取到的运行阶段操控直流电压转换器41、42以及旁通开关45。

如果耦合电流ik是负的，则所述机动车处在充电运行中并且第一直流电压转换器41被接通。第二直流电压转换器42和旁通开关45被关闭。

如果耦合电流ik是正的并且小于所述第一极限值，则所述机动车处在静止运行中并且第二直流电压转换器42被接通。第一直流电压转换器41和旁通开关45被关闭。

如果耦合电流ik是正的并且大于所述第一极限值且小于所述第二极限值，则所述机动车处在正常运行中并且第一直流电压转换器41被接通。第二直流电压转换器42和旁通开关45被关闭。

如果耦合电流ik是正的并且大于所述第二极限值，则所述机动车处在起动运行中并且旁通开关45被接通。第一直流电压转换器41和第二直流电压转换器42被关闭。

本发明不限于在这里所说明的实施例和其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求给定的范围内能够实现处于本领域技术人员的能力范围内的多种修改。