用于测量最大的单元电压的装置和方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于测量多个串联连接的蓄电池单元的单元电压(UC1、...、UC，n)中最大的单元电压的装置，其中，所述装置包括多个串联连接的欧姆电阻(R1、...、Rn)，其中，所述装置能够如此地与多个串联连接的蓄电池单元相连接，使得蓄电池单元相应于串联电路与每个欧姆电阻(R1、...、Rn)相关联。其中，除了第一欧姆电阻(Rn)之外的每个欧姆电阻(R1、...、Rn-1)被设置用于传导相应于所述相关联的蓄电池单元的所述单元电压(UC1、...、UC，n-1)的电流(I1、...、In-1)和在所述串联电路中前一级的欧姆电阻(R2、...、Rn)所传导的电流(I2、...、In)中的较大的电流。此外，本发明涉及相应的方法、相应的蓄电池管理单元、相应的蓄电池以及具有此种蓄电池的机动车。
【专利说明】用于测量最大的单元电压的装置和方法
【技术领域】
[0001]本实施例涉及用于测量多个串联连接的蓄电池单元的单元电压中最大的单元电压的装置和方法，以及具有这种装置的蓄电池管理单元、具有这种装置或蓄电池管理单元的蓄电池以及具有这种蓄电池的机动车。
【背景技术】
[0002]将来,无论在静态的应用(例如在风力发电设备)还是在诸如混合动力车辆和电动车辆的车辆中，将应用更多的新的蓄电池系统，对于这些蓄电池系统也将在可靠性方面提出非常高的要求。这个高要求的背景是，蓄电池的故障能够导致整个系统的故障或者甚至能够造成与安全性相关的问题。例如为了在强风的情况下通过调整旋转叶片来避免风力发电设备进入不被允许的状态而在风力发电设备中安装蓄电池。
[0003]为了能够避免锂-离子蓄电池在充电过程中过载，当前通常情况下要单独监控每个蓄电池单元的电压。为此，通常使用一种具有多路复用器和模拟/数字转换器的专用集成电路，其与控制单 元进行通信。这种解决方案是耗费的且昂贵的。
[0004]图1示出了这种基于现有技术的单独监控的原理。蓄电池管理单元10包括集成电路14，其与蓄电池的每个蓄电池单元12a、12b、...、12n电连接。该集成电路14包括多路复用器和模拟/数字转换器，并且通过通信总线16与控制单元18相连接。
[0005]根据DE102006033171A1已知一种用于蓄电池单元的充电电路，其中给单个的蓄电池单元各分配一个旁路，通过该旁路依赖于蓄电池单元的充电状态传导充电电流到单个的蓄电池单元。当所有蓄电池单元或者预先确定的数目的蓄电池单元都达到它们的最大允许的电压值时，充电过程便能够结束。
【发明内容】
[0006]依据本发明提出了一种用于测量多个串联连接的蓄电池单元的单元电压中最大的单元电压的装置，其中，所述装置包括多个串联连接的欧姆电阻，其中，所述装置能够如此地与多个串联的蓄电池单元连接，使得蓄电池单元相应于串联电路与给每个欧姆电阻相关联，其中，第一欧姆电阻被构造用于传导与所述相关联的的蓄电池单元的所述单元电压对应的电流，所述第一欧姆电阻在所述串联电路中在所有其它的欧姆电阻之前，并且其中，每个欧姆电阻中除所述第一欧姆电阻之外被设置用于传导相应于所述相关联的蓄电池单元的所述单元电压的电流和在所述串联电路中前一级的欧姆电阻所传导的电流中的较大的电流。
[0007]优选地，所述每个欧姆电阻具有相同的电阻值R。优选地，通过(U-AU) / R来给定所述与单元电压U对应的电流，其中，所述△ U为预先确定的电压。
[0008]在一种优选的实施方式中，所述装置对于所述多个欧姆电阻中的每个还包括所属的二极管、所属的三级管和所属的参考电压源，其中，所述每个二极管的阳极能够分别和与所属的欧姆电阻相关联的蓄电池单元的正极连接，所述每个二极管的阴极能够分别与所属的欧姆电阻的第一连接端相连接，每个欧姆电阻的第二连接端与所属的三级管的第一连接端相连接，所述每个三级管的控制连接端与所属的参考电压源的正极相连接，所述每个参考电压源的负极能够和与所属的欧姆电阻相关联的蓄电池单元的负极连接，并且除了所述第一欧姆电阻之外的所述每个欧姆电阻的第一连接端与配属于在所述串联电路中的前一级的欧姆电阻的三级管的第二连接端相连接。优选地，所述参考电压源被设置用于分别提供相同的参考电压，并且通过所述参考电压给定预定确定的电压Λ U。
[0009]在另一种优选的实施方式中，所述装置对于所述多个欧姆电阻中的每个还包括所属的第一三级管、所属的第二三级管和所属的第三三级管，其中，所述每个第一晶体管的控制连接端分别与所属的第二晶体管的第一连接端、所属的第二晶体管的控制连接端和所属的第三晶体管的控制连接端相连接，每个第三晶体管的第一连接端能够和与所属的欧姆电阻相关联的蓄电池单元的正极相连接，每个第二晶体管的第二连接端能够和与所属的欧姆电阻相关联的蓄电池单元的负极相连接，所述第一、第二和第三晶体管的彼此连接的控制连接端分别通过所属的附加的欧姆电阻与所属的第三晶体管的第一连接端相连接，第一欧姆电阻的第一连接端与所属的第三晶体管的第一连接端相连接，除了所述第一欧姆电阻之外的每个欧姆电阻的第一连接端与配属于在所述串联电路中的前一级的欧姆电阻的第一晶体管的第二连接端相连接，每个欧姆电阻的第二连接端与所属的第一晶体管的第一连接端相连接，并且每个第一晶体管的第二连接端与所属的第三晶体管的第二连接端相连接。
[0010]优选地，所述第一晶体管具有第一基极-发射极电压，所述第二和第三晶体管具有第二基极-发射极电压，并且所述预先确定的电压AU通过所述第一基极-发射极电压和所述第二基极-发射极电压的和给出。所述第一基极-发射极电压和所述第二基极-发射极电压能够是相同或者不同的。
[0011]所述装置能够这样地与多个串联连接的蓄电池单元相连接，使得蓄电池单元相应于串联电路与每个欧姆电阻相关联。优选地，所述蓄电池单元为锂-离子蓄电池单元。
[0012]依据本发明还提出了一种具有依据本发明所述的装置的蓄电池管理单元、一种具有依据本发明所述的装置或者蓄电池管理单元的蓄电池以及一种机动车，特别是电动机动车，其具有依据本发明所述的蓄电池。
[0013]此外，还提出了一种用于测量多个串联连接的蓄电池单元的单元电压中最大的单元电压的方法，其中，产生相应于第一蓄电池单元的单元电压的第一电流，在串联电路中所述第一蓄电池单元在其它蓄电池单元之前。其中还将产生其它电流，其中其它各个电流与蓄电池单元相对应，并且其中各个其它电流为相应于所述相关的蓄电池单元的所述单元电压的电流和所述对应的蓄电池单元在所述串联电路中的上一级蓄电池单元对应的电流中较大的电流。
[0014]在从属权利要求和说明书中对本发明的优选的改进方案进行说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]将依据附图及后续的说明进一步阐述本发明的实施例。其中:
[0016]图1示出了依据现有技术的用于对多个蓄电池单元的电压单独监控的装置的电路图；
[0017]图2不出了用于描述本发明原理的不意图；[0018]图3示出了依据本发明的用于测量最大的单元电压的装置的第一实施例；以及
[0019]图4示出了依据本发明的用于测量最大的单元电压的装置的第二实施例。
【具体实施方式】
[0020]在图2中示出了依据本发明的确定多个串联连接的蓄电池单元的单元电压中的最大的单元电压的原理。待监控的蓄电池包括一组蓄电池单元22a、22b、22c、...。在比较步骤24a中比较在26a输入的电压与蓄电池单元22a的单元电压，在26b输出两个电压中的较大的一个。同样地，在比较步骤24b中比较在26b输入的电压与蓄电池单元22b的单元电压，并且在26c输出两个电压中的较大的一个。通过继续对所有蓄电池单元使用这种方法会确定所有蓄电池单元22a、22b、22c、...中最大的单元电压。
[0021]图3示出了依据本发明的用于测量多个串联连接的蓄电池单元的单元电压中最大的单元电压的装置的第一实施例。通过二极管D1'D2、D3、...量取单元电压Ua、UC2、UC3、...，该些二极管被视为没有正向电压的理想化的二极管。通过欧姆电阻R1、R2、R3、...和晶体管I\、T2、T3、...，单元电压分别与参考电压源UMf,1、UMf,2、Uref,3、...建立联系，其中，晶体管T1、T2, T3、...被视为理想晶体管，例如对于PNP晶体管视为没有基极-发射极电压。这里，晶体管的基极-发射极电压指的是当有电流流过发射极和集电极时在晶体管的基极和发射极之间的电压；该电压近似地与流过发射极和集电极的电流无关。在理想情况下，所有欧姆电阻凡、R2、R3、...都具有相同的电阻值R，并且所有的参考电压源Uw,” Uref,2、Uref,
3、...都提供相同的电压Uref。
[0022]为了下面的研究假定具有单元电压Ura的单元作为蓄电池的第一单元；然而，本结果对于任意数目的单元都相应地成立。在所描述的构件处于理想状态下，欧姆电阻R3两端的电压为UC3-UMf，使得流过的电流I3 = (Uc3-Uref) / R0该电流继续流过欧姆电阻R2，使得此处的电压最大降为RI3 = U03-Urefo如果该电压大于电压差Uc2-Uref,会阻断二极管D2，并且只有电流I2 = I3流过该欧姆电阻。如果相反地小于，这表示，有Uc3-Uraf < Uc2-Uref,因此Uc2 > Ura，将导通二极管D2，并且欧姆电阻R2两端所施加的电压为UC2-UMf，使得流过的电流I2= (Uc2-Uref) / R0在这两种情况下流过的电流I2都是对应于两个电压Uc2和Ura中的较大的值，即 I2 = (max (UC2, UC3) -Uref) / R。
[0023]上述内容同样适用于二极管D1和欧姆电阻R1，使得流过欧姆电阻R1的电流I1 =(max(Uci，max(UC2，UC3))-Uref) /R= (max(Uci，Uc2，UC3)-Uref) / R,并且其两端电压降为max (Uci, Uc2，UC3) -Uref0由此能够在Uout上量取需求的最大的单元电压max (Uci, UC2, Uc3)。
[0024]图4示出了依据本发明的用于量取多个串联连接的蓄电池单元的单元电压中最大的单元电压的装置的第二实施例，其中，考虑构件的非理想化的特性。代替二极管DpD2、D3、...这里为每个蓄电池单元分别提供两个附加的晶体管Ta, n、Ta^...和Tb, n、Tb,η-ι>...以及附加的欧姆电阻R’n、R’H、...。这里所有的晶体管Ta,n、Tuf...和Tb,n、Tb,...理想化地是彼此结构相同的并且处于相同的温度，使得它们具有相同的特性；晶体管Hlr1、…也是彼此相同的。
[0025]晶体管Ta,n、Ta, n_1、…的集电极和基极分别连接，并且晶体管Ta, n、Ta, n_1、...通过附加的欧姆电阻R’ n、R’ n-!>...被施加单元电压Uc, n、Uc, m...。因此晶体管Ta, n、Ta,是独立于在欧姆电阻Rn Am、...内流动的电流而导通的，并且在基极和发射极之间基极-发射极电压Ube分别下降。此外，晶体管Ta,n、Tu+...的集电极和基极分别与晶体管！；、!^、...的基极相连接。由此只要两个基极-发射极电压的和不超过单元电压，则晶体管TpTlr1、...也导通。
[0026]因此，欧姆电阻Rn两端的电压为Un= Uan-(U，BE+UBE)，其中，U’册是晶体管！^、!；，
的基极-发射极电压，而Ube是晶体管！；、Tm、...的基极-发射极电压。相应地通
过欧姆电阻Rn流过电流仏/ R0该电流继续流过欧姆电阻Rlri，使得此处的电压最小降为Un。
[0027]电阻Rlri两端的电压Ulri为单元电压Uairi与分别在晶体管Ta,n、Tbjn, Tlri和Tailri的基极和发射极之间的电压的和。在这种情况下属于Ta,n和Ta^的电压抵消，因为这些晶体管是导通的和结构相同的并且所属的具有相反的符号的电压进入和内。如果现在Uc,n-1 < uc, n成立，从而Uc, < R In+ (U’ BE+UBE)成立，则晶体管Tb, n被阻断，并且在相应的电 压Ulrl = Un的情况下通过欧姆电阻Elri仅流,过电流Ilri = InO相反如果Uc, H <队彳成立，则晶体管Tb,n导通，并且在欧姆电阻Rlri上电压下降为Ulri = U，BE+UBE)。因此在两种情况下Ulri = max(Ucjn^1, HOT BE+UBE)都成立。相应地这也适用于电路的另外的级，使得在地和欧姆电阻R1 (未图示)的上面的连接端之间存在电压!^“^^，^,^，...，Uci)-(U’ BE+UBE) + (U, BE+UBE) = max^^, Uc,n_1; , Uci)，亦即需求的最大的单元电压，该最大的单元电压能够在那里量取并且能够被考虑用于监控蓄电池。
[0028]上述装置能够作为蓄电池管理单元的一部分而被使用，该蓄电池管理单元监控蓄电池中的蓄电池单元的最大的单元电压并且避免蓄电池单元过载。这种蓄电池管理单元能够用作蓄电池，特别是一种嵌入到机动车中的蓄电池的一部分。
【权利要求】
1.一种用于测量多个串联连接的蓄电池单元的单元电压(Ua.....UcJ中最大的单元电压的装置，其中，所述装置包括多个串联连接的欧姆电阻(R1.....Rn)，其中，所述装置能够如此地与多个串联连接的蓄电池单元连接，使得蓄电池单元相应于串联电路与每个欧姆电阻(R1.....Rn)相关联，并且其中，第一欧姆电阻(Rn)被设置用于传导与相关联的蓄电池单元的所述单元电压(Uan)相对应的电流(In)，所述第一欧姆电阻(Rn)在所述串联电路中在所有其它的欧姆电阻(R1,, Rlri)之前，其特征在于， 每个欧姆电阻(R1.....Rlri)中除所述第一欧姆电阻(Rn)之外被设置用于传导相应于所述相关联的蓄电池单元的所述单元电压(Ua，...，Uc,^)的电流(I1.....1lri)和在所述串联电路中前一级的欧姆电阻(R2,...,Rn)中所传导的电流(12，...,In)中的较大的电流。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述欧姆电阻(R1.....Rn)中的每个具有相同的电阻值R。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，通过(U-AU)/ R给出相应于单元电压U的电流，其中，AU为预先确定的电压。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置对于所述多个欧姆电阻(R1 >R2>R3)中的每个还包括所属的二极管(DpDyD3)、所属的晶体管(Ud)和所属的参考电压源(UgrUrefVUg3),其中，所述每个二极管(D1、D2、D3)的阳极能够分别和与所属的欧姆电阻(R1、R2、R3)相关联的蓄电池单元的正极相连接，所述每个二极管(D1、D2、D3)的阴极能够与所属的欧姆电阻(R1、R2、R3)的第一连接端相连接，每个欧姆电阻(R1、R2、R3)的第二连接端与所属的晶体管(TpTyT3)的第一连接端相连接，所述每个晶体管(TpTyT3)的控制连接端与所属的参考电压源(UgpUMyUg3)的正极相连接，所述每个参考电压源(Urefa, Urefj2, Urefj3)的负极能够和与所属的欧姆电阻(RpRyR3)相关联的蓄电池单元的负极相连接，并且除了所述第一欧姆电阻(R3)之外的所述每个欧姆电阻(Rp R2)的第一连接端与配属于在所述串联电路中的前一级的欧姆电阻(R2、R3)的晶体管(T2、T3)的第二连接端相连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述参考电压源(UgpUg2iU被设置用于分别提供相同的参考电压，并且通过所述参考电压给定所述预先确定的电压Λ U。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其中，所述装置对于所述多个欧姆电阻(Rn-^Rn)中的每个还包括所属的第一晶体管0^、!；)、所属的第二晶体管(Ta^TaJ和所属的第三晶体管(Tb,n_1、Tb,η)，其中，所述每个第一晶体管(1^、!；)的控制连接端分别与所属的第二晶体管(Ta^TaJ的第一连接端、所属的第二晶体管(Ta^Tain)的控制连接端和所属的第三晶体管(T1^fTbJ的控制连接端相连接，每个第三晶体管(T1^fTbin)的第一连接端能够和与所属的欧姆电阻(Rn-PRn)相关联的蓄电池单元的正极相连接，每个第二晶体管(Ta,的第二连接端能够和与所属的欧姆电阻(Rn_1、Rn)相关联的蓄电池单元的负极相连接，所述第一(Tm、!；)、第二(Tm+U和第三(TufTbJ晶体管的彼此连接的控制连接端分别通过所属的附加的欧姆电阻(RV1U与所属的第三晶体管(TufTb,n)的第一连接端相连接，第一欧姆电阻(Rn)的第一连接端与所属的第三晶体管(Tb,n)的第一连接端相连接，除了所述第一欧姆电阻(Rn)之外的每个欧姆电阻(Rlri)的第一连接端与配属于在所述串联电路中的前一级的欧姆电阻OV1)的第一晶体管(Tlri)的第二连接端相连接，每个欧姆电阻(Rn-PRn)的第二连接端与所属的第一晶体管(Tn^Tn)的第一连接端相连接，并且每个第一晶体管(Tm、！；)的第二连接端与所属的第三晶体管(T1^fTbJ的第二连接端相连接。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一晶体管(1^、！；)具有第一基极-发射极电压，所述第二和第三(T1^1U晶体管具有第二基极-发射极电压，并且预先确定的电压AU通过所述第一基极-发射极电压和第二基极-发射极电压的和给出。
8.根据上述权利要求之一所述的装置，其中，所述装置这样地与多个串联连接的蓄电池单元相连接，使得蓄电池单元相应于串联电路与每个欧姆电阻(R1.....Rn)相关联。
9.一种蓄电池管理单元，其具有根据权利要求8所述的装置。
10.一种蓄电池，具有根据权利要求8所述的装置或者根据权利要求9所述的蓄电池管理单元。
11.一种机动车，特别是电动机动车，其具有根据权利要求10所述的蓄电池。
12.一种用于测量多个串联连接的蓄电池单元的单元电压(Ua.....Uc, n)中最大的单元电压的方法，其中，形成相应于第一蓄电池单元的单元电压(Uan)的第一电流(In)，所述第一蓄电池单元在串联电路中在所有其他的蓄电池单元之前，其特征在于，还将形成另外的电流(I1.....1lr i),其中，每个另外的电流(I1.....1lri)与蓄电池单元相关联，并且其中，每个另外的电流(I1.....1lri)为相应于所述相关联的蓄电池单元的所述单元电压(U1^...、UnJ的电流和与所述关联的蓄电池单元在所述串联电路中的前一级的蓄电池单元相关联的电流(12、...、In)中的较大的电流。
【文档编号】G01R31/36GK103842832SQ201280035454
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年7月9日 优先权日:2011年7月19日
【发明者】S·布茨曼 申请人:罗伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式会社