专利名称：一种用于监控蓄电池的充电过程的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监控蓄电池充电过程的方法，一种蓄电池系统以及一种机动车，其被构造用于实施所述方法。
背景技术：
在混合动力和电动车辆中使用锂离子技术或者镍氢技术的蓄电池，所述蓄电池具有大量串联连接的电化学蓄电池单元。蓄电池管理系统用于监控蓄电池，并且除了安全监控之外还应该给予尽可能长的使用寿命。为此，测量每个单个的蓄电池单元的电压以及蓄电池电流和蓄电池温度并且实施状态估计(例如蓄电池的充电状态或者老化状态的状态估计)。为了将使用寿命最大化，随时识别蓄电池的当前给出的最大容量(LeistungsfMhigkeit)是有益的，即可输出或者可容纳的最大电功率。如果超过了该容量，则可能大大地加速蓄电池的老化。 即使在蓄电池的充电过程期间，蓄电池管理系统仍然始终监控蓄电池的重要参数，以避免各个蓄电池单元或者整个蓄电池的损坏。图I示出锂离子蓄电池在由现有技术公知的充电过程期间的充电电流I和蓄电池单元的单元电压U的典型的时间上的曲线。在第一阶段P1，即所谓的CC阶段(恒流=CC)中，以恒定的电流给蓄电池充电，使得蓄电池单元的单元电压增加。从达到预先确定的临界电压起，该蓄电池进入第二阶段P2，即所谓的CV阶段(恒压=CV)，在恒定电压下继续给该蓄电池充电，该恒定电压的值相应于例如
4.IV的单元电压并且处于临界的最大单元电压(断开临界值Umax)之下。充电电流在该阶段P2中近似指数地下降。只要要么达到预先确定的充电时间或者低于预先确定的充电电流的值，就结束该充电过程。所叙述的充电策略依据其特征性阶段被称为CC-CV充电。在充电过程期间，蓄电池的蓄电池管理系统始终监控在蓄电池中隔开的蓄电池模块的温度以及所有的单元电压。针对低于或者超过预先确定的最大的单元温度或者最小或最大的单元电压(例如图I中的Umax)的安全阈值的情况，蓄电池管理系统自动打开蓄电池的高压继电器并且由此断开所述蓄电池(例如以无电流的方式)。这样的安全功能是需要的，以便保护蓄电池免于不可逆的损坏，其在极端情况下也可能导致蓄电池组的不稳定。在运行中还应该尽量避免蓄电池温度升高的情况(高于预先确定的工作温度)，因为这会加速蓄电池组的老化。出于上述原因，蓄电池管理系统即使在充电过程期间仍然不断地将单元电压和模块温度的值告知用于给蓄电池充电的充电器的控制器。在充电过程期间，蓄电池由于损耗功率而发热。为了避免蓄电池在充电过程期间离开允许的温度范围，由包括蓄电池的电动车辆的主控制器来接通空调压缩机，只要蓄电池温度超过了预先确定的临界值。图2a示出了在包括蓄电池、空调压缩机和充电器的总系统中或之上的、在蓄电池充电过程期间的电流Ie和电压Ue的时间上的曲线。图2b示出了在蓄电池中或之上的充电电流Ib和充电电压Ub的同期的曲线。在两个时间点h和t2上分别实现空调压缩机的接通过程。该空调压缩机要求短时间内提高电流Ie，其不能单单由充电器来提供，而是也必须由蓄电池来供应。这导致充电电流Ib在两个时间点上都短时间地“突破(einbricht) ”。充电器的控制器测量该充电电流“突破”并且通过提高充电电压Ub来平衡功率损耗。因为空调压缩机已在接通过程之后立即就需要小得多得多的电流，所以在接通过程之后立即用过高的充电电压Ub给蓄电池充电(参见图2b中紧跟着时间点h和t2的Ub的突然升高)。对于蓄电池的充电过程处于具有相对低的单元电压阶段(例如时间点h)的情况，这是毫无问题的。相反，对于蓄电池的充电过程处于具有较高的单元电压阶段(例如时间点t2)的情况，可能由于打破了最大单位电压界限而出现该蓄电池不受控制地断开。
发明内容
根据本发明提供一种用于监控优选是锂离子蓄电池的蓄电池的充电过程的方法。所述蓄电池、向所述蓄电池提供充电电流的充电模块以及至少一个附加的电负载是电气电路的组件。所述蓄电池包括多个串联连接的蓄电池单元。所述方法包括如下步骤以固定的时间间隔测量多个蓄电池单元的单元电压，并且，如果所测量的蓄电池单元的所述单元电压超过了预先确定的单元电压阈值，那么防止由于所述附加的电负载的接通过程而使所 述蓄电池的负荷增加。通过这些方法步骤来防止由于通过接通所述附加的电负载而打破了最大单位电压界限进而导致所述蓄电池不受控制地断开。所述蓄电池和所述附加的电负载能够是机动车的组成部分，并且所述机动车的主控制器能够操控所述附加的电负载。此外，所述附加的电负载能够是用于冷却所述蓄电池的电冷却单元，尤其是空调压缩机。根据本发明的优选实施方式而设置的是，除了多个蓄电池单元的所述单元电压夕卜，还以固定的时间间隔测量蓄电池充电电流以及所述蓄电池的至少一个温度，根据所述单元电压、所述蓄电池充电电流和所述温度确定估计值，所述估计值相应于所述充电过程不间断地进行的情况下所估计的在所述蓄电池中的最大温度；并且，如果所述估计值超过了预先确定的温度阈值，但是所测得的蓄电池单元的所述单元电压却没有超过所述预先确定的单元电压阈值，那么接通所述电冷却单元。由此实现了，在时间上在蓄电池充电过程的较早阶段就接通所述冷却单元，在该阶段所述单元电压还符合发展趋势地远远处于所述单元电压阈值之下，即处于如下阶段，其中冷却单元的接通还不会由于打破了最大的单位电压界限而导致所述蓄电池不受控制地断开的危险。在确定所述估计值时能够考虑所述单元电压的滞后现象。由蓄电池管理单元来确定所述估计值，并且将其发送给机动车的主控制器。此外，所述估计值由所述蓄电池管理单元经由CAN(控制器局域网络)总线传送给机动车的主控制器。本发明的另一方面涉及一种具有优选是锂离子蓄电池的蓄电池和与所述蓄电池相连的蓄电池管理单元的蓄电池系统，其中，所述蓄电池包括多个串联的蓄电池单元。所述蓄电池管理单元具有多个电压测量单元，其被构造用于分别测量蓄电池单元的单元电压，所述蓄电池管理单元具有至少一个温度测量单元，其被构造用于测量蓄电池的温度，所述蓄电池管理单元具有至少一个电流测量单元，其被构造用于测量蓄电池的充电电流，以及所述蓄电池管理单元具有与所述电压测量单元、所述温度测量单元和所述电流测量单元相连的控制器。所述控制器被构造用于在蓄电池充电过程期间根据所述蓄电池充电电流、所述单元电压和所述温度确定估计值，所述估计值相应于所述充电过程不间断地进行的情况下所述蓄电池中的最大温度。由此实现了，在包括蓄电池系统的总系统中根据所述估计值在蓄电池的充电过程的较早阶段就能够接通用于冷却蓄电池的冷却单元，在该阶段所述单元电压还符合发展趋势地远远处于所述单元电压阈值之下，即处于如下阶段，其中冷却单元的接通还不会由于打破了最大的单位电压界限而导致所述蓄电池不受控制地断开的危险。多个温度测量单元能够安置在所述 蓄电池中，它们被构造用于测量所述蓄电池不同区域中的温度。在确定所述估计值时能够考虑所述单元电压的滞后现象。此外，所述估计值能够经由所述蓄电池管理单元的接口，尤其是CAN接口，输出。本发明的另一方面涉及一种具有蓄电池系统的机动车，所述蓄电池系统包括优选是锂离子蓄电池的蓄电池和与所述蓄电池相连的蓄电池管理单元；此外，所述机动车具有主控制器和至少一个附加的电负载，其中，所述蓄电池系统与机动车的驱动系统相连，并且所述主控制器操控所述附加的电负载。所述机动车被构造用于在所述蓄电池充电期间实施根据本发明的方法。在优选实施方式中，所述机动车包括根据本发明的蓄电池系统。
借助于附图和后续的说明对本发明的实施例进行详细阐述。其中图I示出了锂离子蓄电池在由现有技术公知的充电过程期间的蓄电池单元的充电电流和单元电压的典型的时间上的曲线；图2示出了现有技术中在整个系统中的电流和电压的时间上的曲线(a)以及蓄电池中的充电电流和充电电压的同期的曲线(b)；图3示出了根据本发明的方法的实施例；图4示出了根据本发明的蓄电池系统的实施例；以及图5示出了根据本发明的蓄电池系统在根据本发明的机动车的实施例中的布线。
具体实施例方式图3示出根据本发明的方法的实施例。该方法用于监控蓄电池的充电过程，该蓄电池在本实施例中设置在机动车中。此外，该机动车还包括适用于冷却蓄电池的、作为附加的电负载的空调压缩机以及主控制器，该主控制器操控该空调压缩机。在步骤SlO中开始该方法。在步骤Sll中，在蓄电池充电过程期间测量多个串联的蓄电池单元的单元电压、蓄电池充电电流以及在蓄电池的不同区域中的多个温度。在步骤S 12中，根据蓄电池充电电流、单元电压和温度来估计蓄电池中的假定的最大温度，如果该充电过程以不间断并且不接通空调压缩机的方式继续进行的话，该蓄电池的某一区域中可能达到该假定的最大温度。为了计算该假定的最大温度的值，能够在蓄电池的蓄电池管理系统的软件中嵌入预测功能，该预测功能从给出的测量值中预测蓄电池单元中的最大温度，只要未接通空调压缩机，该最大温度直至CC-CV充电结束能够在该蓄电池的内部出现。预测功能能够考虑蓄电池单元中的滞后现象，其特征在于，该单元电压在充电和放电过程中与静态电压有偏差。在此，滞后现象的程度越大，那么相应的充电或者放电电流就越大。用于根据所提及的参数来预测最大温度的模型通过对第一原型蓄电池(Prototypen-Batterie)的在先测量来确定。在步骤S13中，通过主控制器将所估计的蓄电池中假定的最大温度与预先确定的温度阈值作比较，该温度阈值相应于蓄电池中不应超过的温度，以避免对其不可逆的损坏。如果所估计的蓄电池中假定的最大温度不大于预先确定的温度阈值，那么返回该方法开始时的步骤S 11，否则的话在步骤S14中通过主控制器来检验所测量的单元电压是否没有高于预先确定的单元电压阈值。如果是这种情况的话，那么在步骤S15中，通过主控制器接通适用于冷却蓄电池的空调压缩机。相反，如果至少一个所测量的单元电压高于预先确定的单元电压阈值的话，那么在步骤S15中接通空调压缩机之前就在步骤S16中通过主控制器中断蓄电池的充电过程或者电解耦该蓄电池。因此，至少在蓄电池的充电过程期间停止(blockieren)和阻止空调压缩机的功耗，空调压缩机的功耗所需要的电流也通过该蓄电池来供应。图4示出了根据本发明的、整体以30来标记的蓄电池系统的实施例。蓄电池20包括多个串联的蓄电池单元21。设置有多个电压测量单元22，其分别测量蓄电池单元的单 元电压。此外，温度测量单元23安置在蓄电池的不同区域中。电流测量单元24在蓄电池20充电期间测量蓄电池充电电流。电压测量单元22、温度单元23和电流测量单元24与控制器25相连，该控制器被构造用于在蓄电池充电过程期间根据由电压测量单元22、温度测量单元23和电流测量单元24提供的测量值来估计蓄电池中的假定的最大温度，如果充电过程以不间断并且不接通空调压缩机的方式继续进行的话，该蓄电池的某一区域中可能达到该假定的最大温度。控制器25能够构造用于实施对该假定的最大温度的计算，如在对图3的描绘中所叙述的方法那样。图5示出根据本发明的蓄电池系统30在根据本发明的机动车的实施例中的布线。图4中所示的根据本发明的蓄电池系统30、机动车32的主控制器以及向蓄电池系统30供应充电电流并且不是根据本发明的机动车的必要组成部分的充电模块33都处于共同的总线系统上，尤其是处于受控局域网络(Controlled Area Network :CAN)总线31上。蓄电池系统30、充电模块33以及空调压缩机34作为电气电路的组件彼此连接，其中，所有这三个组件都并联。根据本发明的蓄电池系统30的蓄电池管理单元通过CAN总线31实时地将下列值发送给机动车32的主控制器并且周期性地更新它们(I)蓄电池20内部的最大的单元电压值；(2)蓄电池20内部的最小的单元电压值；以及(3)蓄电池20中的假定的最大温度，如果充电过程以不间断并且不接通空调压缩机34的方式继续进行的话，该蓄电池20的某一区域中可能达到该假定的最大温度。如果由根据本发明的蓄电池系统30的蓄电池管理单元发送给机动车32的主控制器的该蓄电池20中的假定的最大温度超过了预先确定的温度阈值，那么机动车32的主控制器在下面提到的的条件下接通空调压缩机34。如果在蓄电池20的CC-CV充电期间接通空调压缩机34，那么该空调压缩机短时间内需要例如50A的电流。该电流不能单由充电模块33来提供，而是必须也由蓄电池系统30来供应，由此该充电电流“突破”。这种“突破”原则上由机动车32的主控制器来识别并且将其告知充电模块33的调节器，充电模块33的调节器对此通过提高充电电压来逆向调控，但是这要么可能损坏蓄电池单元21 (其中单元电压值超过了预先确定的单元电压阈值)要么通过蓄电池管理单元引起蓄电池20不受控制地断开。
因此，取而代之地，如果由根据本发明的蓄电池系统30的蓄电池管理单元发送给机动车32的主控制器的蓄电池20内部的最大单元电压值超过了预先确定的单元电压阈值的话，根据本发明的机动车32的主控制 器不接通空调压缩机34。
权利要求
1.一种用于监控蓄电池(20)的充电过程的方法，其中， -所述蓄电池(20)、向所述蓄电池(20)提供充电电流的充电模块(33)以及至少一个附加的电负载(34)是电气电路的组件； -所述蓄电池(20)包括多个串联连接的蓄电池单元(21);以及 -以固定的时间间隔测量多个蓄电池单元(21)的单元电压(Sll)， 其特征在于， 如果所测量的蓄电池单元(21)的单元电压超过了预先确定的单元电压阈值(S14)，那么防止由于所述附加的电负载的接通过程而使所述蓄电池(20)的负荷增加(S16)。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述蓄电池(20)和所述附加的负载(34)是机动车的一部分，并且其中所述机动车(32)的主控制器操控所述附加的负载(34)。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，所述附加的负载(34)是用于冷却所述蓄电池(20)的电冷却单元，尤其是空调压缩机。
4.根据权利要求3所述的方法，其中， -除了多个蓄电池单元(21)的所述单元电压之外，还以固定的时间间隔测量蓄电池充电电流以及所述蓄电池的至少一个温度(Sll)； -根据所述单元电压、所述蓄电池充电电流和所述温度确定如下估计值，所述估计值相应于所述充电过程不间断地进行的情况下所估计的在所述蓄电池(20)中的最大温度(S12);并且 -如果所述估计值超过了预先确定的温度阈值(S13)，则接通所述电冷却单元(34)(S15)，但是如果所测量的蓄电池单元(21)的所述单元电压超过所述预先确定的单元电压阈值(S14)，则不接通。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在确定所述估计值时考虑所述单元电压的滞后现象。
6.根据权利要求4或5和2所述的方法，其中，由蓄电池管理单元来确定所述估计值，并且将其发送至所述机动车(32)的所述主控制器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述估计值由所述蓄电池管理单元经由CAN总线(31)传送至所述车辆(32)的所述主控制器。
8.一种具有蓄电池(20)和与所述蓄电池相连的蓄电池管理单元的蓄电池系统(30)，其中，所述蓄电池(20)包括多个串联连接的蓄电池单元(21);并且所述蓄电池管理单元具有多个电压测量单元(22)、至少一个温度测量单元(23)、至少一个电流测量单元(24)以及与所述电压测量单元(22)、所述温度测量单元(23)和所述电流测量单元(24)相连的控制器(25)，所述多个电压测量单元被构造用于分别测量蓄电池单元(21)的单元电压，所述至少一个温度测量单元被构造用于测量蓄电池的温度，所述至少一个电流测量单元被构造用于测量蓄电池充电电流， 其特征在于， 所述控制器(25)被构造用于在所述蓄电池(20)的充电过程期间根据所述蓄电池充电电流、所述单元电压和所述温度确定估计值，所述估计值相应于所述充电过程不间断地进行的情况下在所述蓄电池(20)中的最大温度。
9.根据权利要求8所述的蓄电池系统，其中，多个温度测量单元(23)安置在所述蓄电池中，所述多个温度测量单元被构造用于测量在所述蓄电池的不同区域中的所述温度。
10.根据权利要求8或9所述的蓄电池系统，其中，所述估计值能够经由所述蓄电池管理单元的接口，尤其是CAN接口，输出。
11.一种具有蓄电池系统(30)、主控制器(32)和至少一个附加的电负载(34)的机动车，所述蓄电池系统包括蓄电池(20)和与所述蓄电池相连的蓄电池管理单元，其中，所述蓄电池系统与所述机动车的驱动系统相连，并且所述主控制器(32)操控所述附加的电负载(34)， 其特征在于， 所述机动车被构造用于在所述蓄电池的充电过程期间实施根据权利要求I至7所述的方法。
12.根据权利要求11所述的机动车，其具有根据权利要求8至10中任一项所述的蓄电池系统。
全文摘要
本发明描述了一种用于监控蓄电池(20)的充电过程的方法，其中，以固定的时间间隔测量多个蓄电池单元(21)的单元电压(S11)，并且如果所测量的蓄电池单元(21)的所述单元电压超过了预先确定的单元电压阈值(S14)，那么防止由于附加的电负载的接通过程而使所述蓄电池(20)的负荷增加(S16)。此外，提供了一种机动车，其被构造用于在所述蓄电池充电过程期间实施依据本发明的方法。此外，还描述了一种蓄电池系统，其中，控制器(25)被构造用于在蓄电池(20)充电过程期间根据所测量的蓄电池参数来确定估计值，所述估计值相应于所述充电过程不间断地进行时在所述蓄电池(20)中的最大温度。
文档编号H01M10/44GK102959790SQ201180031008
公开日2013年3月6日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年6月25日
发明者C·克卢特, F·莫塞斯, B·克里格, S·洛伊特纳, M·朗 申请人:Sb锂摩托有限公司, Sb锂摩托德国有限公司