蓄電池和用于通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)蓄電池電壓的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有多個(gè)蓄電池單元的蓄電池，所述多個(gè)蓄電池單元設(shè)置為，通 過(guò)驅(qū)控耦合電路來(lái)與蓄電池組接通或橋接，其中所述蓄電池具有用于通過(guò)驅(qū)控信號(hào)來(lái)驅(qū)控 耦合電路的驅(qū)控裝置。此外本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)蓄電池的蓄電池電壓的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 不言而喻，在將來(lái)不僅在靜止應(yīng)用而且在車輛中例如混合動(dòng)力車輛和電動(dòng)車輛中 越來(lái)越多地采用蓄電池系統(tǒng)。為了能夠滿足對(duì)于相應(yīng)的應(yīng)用所提出的對(duì)電壓和可提供的功 率的要求，將大量蓄電池單元串聯(lián)連接，由此形成提供蓄電池電壓的蓄電池組。為了實(shí)現(xiàn)高 蓄電池電流經(jīng)常還附加地并聯(lián)連接蓄電池單元。
[0003] 在申請(qǐng)者的之前申請(qǐng)中描述了如下蓄電池，該蓄電池具有帶有可變或可調(diào)節(jié)的蓄 電池電壓的蓄電池組。這通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)，其方法是激活確定數(shù)量的蓄電池單元或蓄電 池模塊，從而其總電壓相應(yīng)于蓄電池電壓的期望的額定值，其中解除或橋接其他的不需要 的蓄電池單元。按照現(xiàn)有技術(shù)，為此通過(guò)微控制器進(jìn)行對(duì)蓄電池單元的耦合電路的驅(qū)控，其 中微控制器典型地越過(guò)電隔離與中央控制裝置通信。耦合電路能夠通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)特別是 MOSFET晶體管以及各個(gè)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)能夠以半橋設(shè)置或全橋設(shè)置 的方式設(shè)置。此外多個(gè)耦合電路中的每個(gè)能夠被設(shè)置用于接通單個(gè)蓄電池單元或具有多個(gè) 蓄電池單元的蓄電池模塊。在此必須通過(guò)通信接口或通過(guò)信號(hào)傳輸連接（通信總線）由中 央控制裝置告知相應(yīng)的耦合電路是否應(yīng)該接通或橋接蓄電池單元或蓄電池模塊或者哪個(gè) 晶體管應(yīng)該接通而哪個(gè)不應(yīng)該接通。
[0004] 然而對(duì)此不利地是需要的高通信成本，如果通過(guò)耦合單元連接的蓄電池模塊或蓄 電池單元的數(shù)量減小以便實(shí)現(xiàn)蓄電池電壓的細(xì)微的電壓分級(jí)，高通信成本將以特別高的程 度出現(xiàn)。高的通信成本特別是源于如下要求，即為了獲得足夠魯棒和有效的蓄電池系統(tǒng)，一 般必須實(shí)時(shí)尋址和連接蓄電池單元或蓄電池模塊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 按照本發(fā)明提供一種具有多個(gè)蓄電池單元的蓄電池，其中所述蓄電池單元設(shè)置 為，通過(guò)驅(qū)控耦合電路選擇性地與蓄電池組接通或橋接。所述蓄電池具有用于通過(guò)驅(qū)控信 號(hào)來(lái)驅(qū)控耦合電路的驅(qū)控裝置，其中所述驅(qū)控裝置設(shè)置為，借助于脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行對(duì)耦 合電路的驅(qū)控。在此，借助于配置給蓄電池單元的加權(quán)電路如此處理脈寬調(diào)制信號(hào)的預(yù)定 參數(shù)（Vorgabe)以產(chǎn)生加權(quán)的脈寬調(diào)制信號(hào)，從而通過(guò)加權(quán)的脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比確定 相應(yīng)的蓄電池單元的平均接通時(shí)間。
[0006] 此外提供了一種用于調(diào)節(jié)具有多個(gè)蓄電池單元的蓄電池的蓄電池電壓的方法，其 中借助于脈寬調(diào)制信號(hào)通過(guò)分別使用對(duì)于脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比各自匹配的加權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)耦合電路的驅(qū)控。在此通過(guò)加權(quán)的脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比確定每個(gè)蓄電池單元的平均接 通時(shí)間，并且所述蓄電池單元如此平均地接通到所述蓄電池組，以便將所述蓄電池電壓調(diào) 節(jié)至期望的額定電壓。
[0007] 作為本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)大幅減小通信成本，因?yàn)槟軌蚴褂妹}寬調(diào)制信號(hào)的一 個(gè)同樣的預(yù)定參數(shù)來(lái)驅(qū)控全部的耦合單元。同時(shí)本發(fā)明允許蓄電池的高度可擴(kuò)展性，因?yàn)?通過(guò)用于每個(gè)蓄電池單元的加權(quán)電路能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能自給自足的調(diào)節(jié)功能。通過(guò)由脈寬調(diào) 制信號(hào)的占空比來(lái)確定每個(gè)蓄電池單元的平均接通時(shí)間，將首先實(shí)現(xiàn)蓄電池電壓簡(jiǎn)單的中 央的調(diào)節(jié)。此外能夠通過(guò)按照本發(fā)明的兩級(jí)式調(diào)節(jié)一一其中首先在中央實(shí)現(xiàn)預(yù)定參數(shù)并且 緊接著在局部實(shí)施加權(quán)一一例如對(duì)衡的控制也根據(jù)加權(quán)電路的設(shè)置直接在蓄電池單元實(shí) 施，而無(wú)需單個(gè)地通過(guò)中央控制裝置預(yù)定或控制每個(gè)蓄電池單元的平衡。在此實(shí)現(xiàn)了如下， 即調(diào)節(jié)總蓄電池電壓，而無(wú)需將所有蓄電池單元電壓傳輸?shù)街醒肟刂蒲b置和/或無(wú)需在那 兒關(guān)于如下決定進(jìn)行分析，該決定是對(duì)于蓄電池組應(yīng)該接通和橋接哪些蓄電池單元。
[0008] 優(yōu)選地，對(duì)于蓄電池的每個(gè)蓄電池單元，具有加權(quán)電路。由此能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池的特 別高的可擴(kuò)展性同時(shí)實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的蓄電池電壓的特別精細(xì)的分級(jí)。在其他實(shí)施形式中逐蓄 電池模塊地設(shè)有加權(quán)電路。
[0009] 按照本發(fā)明的一個(gè)有利的實(shí)施形式，多個(gè)加權(quán)電路分別設(shè)置為根據(jù)所述蓄電池和 /或各個(gè)蓄電池單元的運(yùn)行參數(shù)匹配脈寬調(diào)制信號(hào)的預(yù)定參數(shù)。
[0010] 因此能夠確保蓄電池電壓的可靠的并且按情況匹配的調(diào)節(jié)。
[0011] 此外，所述蓄電池還包括中央調(diào)節(jié)單元，所述中央調(diào)節(jié)單元設(shè)置為，基于由所述蓄 電池產(chǎn)生的蓄電池電壓與預(yù)定的額定電壓的比較產(chǎn)生所述脈寬調(diào)制信號(hào)的預(yù)定參數(shù)。
[0012] 由此實(shí)現(xiàn)了蓄電池電壓的不依賴于蓄電池單元的充電狀態(tài)的有效調(diào)節(jié)。這特別是 由此實(shí)現(xiàn)，即例如在蓄電池單元的更高的平均充電狀態(tài)的情況下通過(guò)中央調(diào)節(jié)單元能夠產(chǎn) 生另一脈寬調(diào)制信號(hào)，其具有較低的占空比（"Duty-Cycle"）用于接通蓄電池單元。
[0013] 按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施形式，所述蓄電池還具有信號(hào)傳輸連接，所述信號(hào)傳輸連 接設(shè)置為，將所產(chǎn)生的預(yù)定參數(shù)直接作為預(yù)定的脈寬調(diào)制信號(hào)傳送到所述多個(gè)加權(quán)電路。
[0014] 備選地可能的是，通過(guò)信號(hào)傳輸連接將關(guān)于預(yù)定的脈寬調(diào)制信號(hào)的模擬或數(shù)字信 息傳送到多個(gè)加權(quán)電路。按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式，信號(hào)傳輸連接構(gòu)成為用于傳輸數(shù)字信號(hào) 的通信總線。
[0015] 此外優(yōu)選地，所述蓄電池配備有用于確定運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前值的測(cè)量和分析電子裝 置，所述當(dāng)前值用于匹配多個(gè)加權(quán)電路的脈寬調(diào)制信號(hào)。在此，確定越多的運(yùn)行參數(shù)，那么 在此越選擇性地應(yīng)用加權(quán)函數(shù)。
[0016] 此外優(yōu)選地，所確定的值由使用的測(cè)量和分析電子裝置傳輸?shù)郊訖?quán)電路。通過(guò)這 種測(cè)量值的直接類型的傳輸進(jìn)一步減小了通信成本，例如在蓄電池單元或耦合單元與中央 控制裝置之間的通信成本。
[0017] 在其他特別的實(shí)施形式中，測(cè)量和分析電子裝置的至少部分設(shè)置在蓄電池單元 上。
[0018] 按照本發(fā)明的一個(gè)特別有利的改進(jìn)，所述測(cè)量和分析電子裝置具有用于確定充電 狀態(tài)、壽命狀態(tài)、和/或計(jì)算的品質(zhì)因子的值的裝置，對(duì)于各個(gè)蓄電池單元這些值能夠是所 有蓄電池單元的平均值和/或有關(guān)所有的蓄電池單元的分布。
[0019] 此外優(yōu)選地，也確定蓄電池電流的當(dāng)前電流方向并且告知加權(quán)電路。因此能夠在 加權(quán)函數(shù)的計(jì)算中尤其地在每個(gè)蓄電池狀態(tài)下足夠考慮平衡-預(yù)定參數(shù)，而無(wú)需由中央控 制裝置告知該預(yù)定參數(shù)。因此尤其根據(jù)加權(quán)函數(shù)計(jì)算加權(quán)，充電狀態(tài)特別是相應(yīng)的待連接 的蓄電池單元的充電狀態(tài)以及蓄電池電流的電流方向和/或所述蓄電池的其他運(yùn)行參數(shù) 輸入到所述加權(quán)函數(shù)中。
[0020] 根據(jù)按照本發(fā)明的方法的一個(gè)特別有利的方法能夠在此設(shè)置，首先對(duì)于每個(gè)蓄電 池單元確定所述蓄電池單元是否位于低充電狀態(tài)或高充電狀態(tài)。如果所述蓄電池單元位于 在低充電狀態(tài)下，則在所述蓄電池單元放電的情況下減小所述脈寬調(diào)制信號(hào)的預(yù)定的占空 比。這優(yōu)選地如此發(fā)生，即使得更小幅度地切換所述蓄電池單元。相反，在所述蓄電池單元 充電的情況下相應(yīng)地提高所述占空比。另一方面，如果所述蓄電池單元位于高充電狀態(tài)，則 在所述蓄電池單元放電的情況下提高所述占空比，從而大幅度地切換蓄電池單元。相反在 此假如存在高充電狀態(tài)，在所述蓄電池單元充電的情況下減小所述占空比。
[0021] 按照本發(fā)明的耦合電路優(yōu)選通過(guò)由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)組成的裝置實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，應(yīng)用由 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)組成的半橋配置。然而本發(fā)明不限于確定類型的耦合電路。耦合電路也能夠設(shè) 計(jì)為由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)組成的全橋配置。
[0022] 按照另一有利的實(shí)施形式，所述多個(gè)加權(quán)電路分別通過(guò)蓄電池單元自身的并且尤 其經(jīng)由通信總線與所述測(cè)量和分析電子裝置和中央調(diào)節(jié)單元連接的微控制器來(lái)實(shí)施。通過(guò) 測(cè)量和分析電子裝置和中央調(diào)節(jié)單元與微控制器的耦合，蓄電池單元能夠通過(guò)特別有效并 自給自足的方式實(shí)施對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)的預(yù)定參數(shù)的處理，并且此外進(jìn)一步改善蓄電池的精 度和可擴(kuò)展性。如此借助于微控制器的相應(yīng)其他的編程能夠?qū)崿F(xiàn)考慮蓄電池或蓄電池系統(tǒng) 的邊界條件的變化。特別是按照本發(fā)明的微控制器能夠優(yōu)選還包括具有用于實(shí)現(xiàn)加權(quán)函數(shù) 的命令的存儲(chǔ)器。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面也提供一種具有電動(dòng)機(jī)的機(jī)動(dòng)車，該機(jī)動(dòng)車具有按照本發(fā) 明的蓄電池，其中該蓄電池與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接。按照本發(fā)明的蓄電池優(yōu)選是鋰離子 蓄電池。
[0024] 本發(fā)明有利的改進(jìn)在從屬權(quán)利要求中提出并且在說(shuō)明書中進(jìn)行描述。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 根據(jù)附圖和以下說(shuō)明進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)施例。其中：
[0026] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施形式的一個(gè)蓄電池系統(tǒng)，其具有由可接通的和可橋 接的蓄電池單元組成的蓄電池組，所述多個(gè)蓄電池單元分別配備有一個(gè)可驅(qū)控的耦合電路 并且能夠通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)控；
[0027] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施形式的關(guān)于按照本發(fā)明的脈寬調(diào)制信號(hào)的加 權(quán)原理的方框圖，該脈寬調(diào)制信號(hào)用于驅(qū)控耦合電路；
[0028] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施形式的關(guān)于脈寬調(diào)制信號(hào)的加權(quán)的方框圖，其 中與圖2不同地附加地包含平均壽命狀態(tài)和平均充電狀態(tài)的值；以及
[0029] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施形式關(guān)于脈寬調(diào)制信號(hào)的加權(quán)的方框圖，其中 與圖3不同地也還考慮充電狀態(tài)和壽命狀態(tài)以及品質(zhì)因子的分布。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 在圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施形式的蓄電池系統(tǒng)10,其包括蓄電池組 13,該蓄電池組具有由多個(gè)蓄電池單元11組成的串聯(lián)電路，這些蓄電池單元能夠分別通過(guò) 耦合電路12選擇性地接通和橋接。在此出于清晰顯示的目的在附圖中明確示出具有所屬 的耦合電路12的蓄電池單元11中的僅僅一個(gè)蓄電池單元。耦合電路12具有半導(dǎo)體電路， 該半導(dǎo)體電路具有以半橋配置19方式設(shè)置的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)例如是MOSFET，其通 過(guò)屬于耦合電路12的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路20驅(qū)動(dòng)。
[0031] 如由圖1清晰可見(jiàn)，根據(jù)半橋配置的開(kāi)關(guān)位置，蓄電池單元11能夠或者位于接通 狀態(tài)，其中蓄電池單元11有助于蓄電池組13的蓄電池電壓；或者位于橋接狀態(tài)，在該狀態(tài) 下蓄電池單元11的至少一側(cè)與蓄電池組13解耦。根據(jù)同時(shí)與蓄電池組接通多少個(gè)蓄電池 單元11，蓄電池單元11的耦合電路12能夠用于調(diào)節(jié)期望的蓄電池電壓。用于驅(qū)動(dòng)半橋配 置19的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路20由按照本發(fā)明的驅(qū)控裝置15以脈寬調(diào)制信號(hào)14驅(qū)控。驅(qū)控裝置 15實(shí)施加權(quán)函數(shù)，該加權(quán)函數(shù)在此基本上以命令的形式存在于微控制器16中，該微控制器 與驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路20連接。微控制器通過(guò)隔離器17與信號(hào)傳輸連接18連接，該信號(hào)傳輸連 接在此構(gòu)成為通