蓄電池及用于利用品質因子來調節(jié)蓄電池電壓的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于調節(jié)蓄電池的蓄電池電壓的方法，該蓄電池包括選擇性地連接和跨接至蓄電池組的多個蓄電池單池，其中，在所述方法中通過多個蓄電池單池的交替的控制(15)將蓄電池電壓調節(jié)至期望的標稱電壓。在此，通過中央的控制信號和該中央的控制信號基于多個品質因子(G)的匹配以分配給相應的蓄電池單池的平均接通時間來連接每個蓄電池單池。分別相應于現(xiàn)有的蓄電池單池狀態(tài)地選擇多個品質因子(G)。此外，本發(fā)明給出一種蓄電池，其被設置具有用于實施該方法的調節(jié)電子裝置。
【專利說明】蓄電池及用于利用品質因子來調節(jié)蓄電池電壓的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種調節(jié)蓄電池的蓄電池電壓的方法，該蓄電池包括選擇性地連接和跨接至蓄電池組的多個蓄電池單池，其中，在該方法中通過多個蓄電池單池的交替的控制將蓄電池電壓調節(jié)至期望的標稱電壓。此外，本發(fā)明涉及一種蓄電池，其具有至少一個具有多個通過控制裝置連接和跨接蓄電池組的蓄電池單池的蓄電池組、用于獲取多個蓄電池單池的運行參數(shù)的獲取裝置和用于調節(jié)蓄電池電壓的調節(jié)電子裝置。
【背景技術】
[0002]將來，無論是靜態(tài)的應用中還是在例如混合動力車輛和電動車輛的車輛中都將越來越多地使用蓄電池系統(tǒng)。為了能夠滿足對于各種應用給出的對于電壓的要求且提供可調節(jié)的功率，要串聯(lián)連接較多的蓄電池單池，從而構成提供蓄電池電壓的蓄電池組。為了獲得高的蓄電池電流還經常并聯(lián)連接額外的蓄電池單池。
[0003]在 申請人:的之前的申請中說明了多個蓄電池，其具有帶有可變的或者可調節(jié)的蓄電池電壓的蓄電池組。其通過激活一定數(shù)量的蓄電池單池或者蓄電池模塊，使得其總電壓對應于對于蓄電池電壓的期望的標稱值來實現(xiàn)，其中將去激活或者跨接其他的、不需要的多個蓄電池單池。此外，根據(jù)現(xiàn)有技術通過微控制器實施對多個蓄電池單池的多個耦合電路的控制，其中，該微控制器通常通過電隔離進而與中央的控制裝置進行通信。該耦合電路能夠通過半導體開關，尤其是MOSFET晶體管和各自所屬的驅動電路來實現(xiàn)。半導體開關能夠安置在半橋設置或者全橋設置中。此外，對個耦合電路中每個能夠被設置用于接通單個的蓄電池單池或者具有多個蓄電池單池的蓄電池模塊。在此必須由中央的控制裝置通過通信接口或者通過信號傳遞連接(通信總線)通知每個耦合電路，是否應該連接或者跨接蓄電池單池或者蓄電池模塊，或者應該連接哪個晶體管并且不連接哪個晶體管。
[0004]該方法的缺點是要求高的通信花費，尤其是當為了實現(xiàn)蓄電池電壓的精細的電壓分級而減少通過耦合單元接通的多個蓄電池模塊或者多個蓄電池單池的數(shù)量時，該通信花費將以尤其高的程度出現(xiàn)。高的通信花費尤其基于對獲得足夠魯棒性的并且有效的蓄電池系統(tǒng)的要求，多個蓄電池單池或者多個蓄電池模塊通常必須實時地定位并且接通。

【發(fā)明內容】

[0005]根據(jù)發(fā)明提出一種用于調節(jié)蓄電池的蓄電池電壓的方法，所述蓄電池包括選擇性地連接和跨接至蓄電池組的多個蓄電池單池。在該方法中通過多個蓄電池單池的交替的控制將將蓄電池電壓調節(jié)至期望的標稱電壓。此外，通過中央的控制信號和中央的控制信號的基于多個品質因子的匹配以分配給相應的蓄電池單池的平均接通時間來連接接通每個蓄電池單池，其中，分別相應于現(xiàn)有的蓄電池單池狀態(tài)地選擇多個品質因子。
[0006]另外根據(jù)本發(fā)明另一方面提供具有至少一個蓄電池組的蓄電池，該蓄電池組具有多個通過控制裝置來連接和跨接蓄電池組的蓄電池單池。該蓄電池還具有用于獲取多個蓄電池單池的運行參數(shù)的獲取裝置和用于調節(jié)蓄電池電壓的調節(jié)電子裝置。該調節(jié)電子裝置具有用于由所獲取的運行參數(shù)確定蓄電池單池的品質因子的確定裝置并設置用于實施依據(jù)本發(fā)明的方法。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一方面提供一種機動車，其具有電機并且被設置具有依據(jù)發(fā)明的蓄電池，該蓄電池為電機提供電能。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點是實現(xiàn)通信成本的大幅降低。該優(yōu)點尤其通過多個蓄電池單池根據(jù)發(fā)明通過中央的控制信號的控制來實現(xiàn)。同時本發(fā)明允許蓄電池的高的可擴展性，這點此外通過使用根據(jù)本發(fā)明的品質因子來確立。本方法實現(xiàn)兩階段式的控制，對于控制通過使用多個品質因子優(yōu)選地實施局部或者單個匹配，其例如實現(xiàn)調節(jié)總蓄電池電壓，而不必將所有的單池電壓傳遞至中央的控制裝置和/或在那里分析關于下述的決定，即哪些蓄電池單池應當接通至蓄電池組并且哪些蓄電池單池應當跨接至蓄電池組。此外，由于通過品質因子只需為了匹配調節(jié)單個參數(shù)，所以能夠以簡單且方便的方式對單個單池進行控制。根據(jù)任務能夠繼續(xù)獨立于蓄電池電壓的調節(jié)進行品質因子的計算，這導致高的靈活性、速度和可靠性。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的改進，由計算函數(shù)得出每個品質因子，該計算函數(shù)分別概括相關的蓄電池單池的多個運行參數(shù)。該運行參數(shù)能夠例如概括充電狀態(tài)、老化狀態(tài)、單池電壓、單池溫度、單池內壓、蓄電池電流方向和/或一個或者多個其他的運行參數(shù)。在此運行參數(shù)能夠例如當前地即時確定或者以合適的間隔更新。
[0010]也能夠確定平均的充電狀態(tài)或者平均的老化狀態(tài)，使得首先提供適用于所有的蓄電池單池的平均值。隨后能夠將關于與平均的老化狀態(tài)相比較的單個的老化狀態(tài)的信息通過特定的蓄電池單池的相應較高的或者較低的品質因子導入控制過程。例如當特定的蓄電池單池的蓄電池溫度或者內壓改變時，通過對品質因子進行特定的增加或者減少，多個品質因子也能夠單獨地并分別根據(jù)情況、需求或者使用狀況地更新和修改。
[0011]以此通過品質因子實現(xiàn)在蓄電池的運行中的隨時提供和可使用的對于蓄電池單池的可用性的指數(shù)，其中能夠最小化蓄電池的原本的電壓調節(jié)的計算成本。因此電壓調節(jié)能夠以快的反應時間調整對當前的要求做出反應，例如連接的電機的快速變化的電流需求。
[0012]根據(jù)一種有利的實施方式，品質因子分別根據(jù)每個對于特定的蓄電池單池所概括的運行參數(shù)的多個值確定為帶有負號或者正號的數(shù)。此外，對于品質因子優(yōu)選地使用無量綱數(shù)。因此進一步簡化了用于進一步的電壓調節(jié)的品質因子的可操作性。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種特別的實施方式規(guī)定，如果對于特定的蓄電池單池確定為負的品質因子，那么分配給蓄電池單池的接通時間減小，而如果對于特定的蓄電池單池確定為正的品質因子，那么分配給蓄電池單池的接通時間增加。因此能夠進一步地取消復雜的計算，例如在驅動電路中，其根據(jù)待調節(jié)實際接通概率控制蓄電池單池。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式規(guī)定，調節(jié)蓄電池單池的平均接通時間作為概率窗內的接通概率，其圍繞這樣的標稱接通概率值設置，該標稱接通概率值對應于中央的控制信號的當前的大小。
[0015]中央的電壓調節(jié)裝置只控制平均值，其中向兩個方向，即更高概率的方向和較低概率的方向，匹配能夠局部地和/或單個地進行。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式標準化品質因子。例如能夠這樣地標準化該品質因子，使得概率窗的上限或者下限對應于具有數(shù)值I的品質因子。
[0017]在此優(yōu)選地，概率窗對稱地圍繞標稱接通概率值設置。
[0018]這樣在同時涉及所有蓄電池單池的狀態(tài)情況下能夠尤其好地控制期望的調節(jié)行為。
[0019]在本發(fā)明的一種尤其優(yōu)選的實施方式中選擇具有這樣的寬度的對稱的概率窗，使得概率窗的下限和上限不超過0%或者100%的概率臨界值。
[0020]此外，根據(jù)這種方式能夠隨時確保通過有限大的品質因子在有效作用范圍內進行功能的調整。
[0021]本發(fā)明能夠應用多個控制機制，其中使用對于所有的蓄電池單池或者蓄電池模塊所確定的控制信號。
[0022]尤其優(yōu)選地，本發(fā)明用于借助于脈沖寬度調制的信號來實施的調節(jié)。因此在一種有利的實施方式中規(guī)定，使用脈沖寬度調制的信號尤其作為中央的控制信號以用于調節(jié)蓄電池電壓，使得通過相應加權的脈沖寬度調制的信號的占空比(Duty-Cycle)為每個蓄電池單池確定平均接通時間或者接通持續(xù)時間或者接通概率。替換地或者額外地規(guī)定將脈沖寬度調制的信號作為在調節(jié)回路中的控制量以用于調節(jié)蓄電池電壓。
[0023]這樣能夠通過使用脈沖寬度調制的信號以尤其有效和簡單的方式實現(xiàn)多個蓄電池單池的連接和斷開，尤其是由于接通概率能夠通過脈沖寬度調制的信號的占空比確定。在此能夠特別有利地使用多個品質因子，例如為了在蓄電池單池中匹配合適地匹配預定的占空比并且因此接通概率或者接通時間(平均接通時間)。
[0024]在該實施例中，也能夠以特殊的方式實現(xiàn)不依賴多個蓄電池單池的充電狀態(tài)的對蓄電池電壓的有效的調節(jié)。這能夠尤其通過例如在多個單池的更高的平均充電狀態(tài)的情況下通過調節(jié)單元生成其他的具有更低的占空比的脈沖寬度調制的信號以用于連接蓄電池來實現(xiàn)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的蓄電池優(yōu)選地為鋰離子蓄電池。
[0026]本發(fā)明的有利的改進在下文中給出并且在說明書中說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]下面借助附圖詳細地說明本發(fā)明的實施例。其中:
[0028]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的用于控制可接通的蓄電池單池的運行參數(shù)的考慮的過程流程圖；
[0029]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的對于特定的蓄電池單池的具有接通概率的位置和分布的示意圖；
[0030]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的通過在蓄電池單池中現(xiàn)有的品質因子改變接通概率的示意圖；以及
[0031]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式對于接通概率窗提供可能的寬度的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]在圖1示出了過程流程圖，由該過程流程圖在調節(jié)可接通的蓄電池單池時在該蓄電池單池中存在的當前的運行參數(shù)11、12的考慮原則是顯而易見的。這里Pl表示期望標稱接通概率或者概率給定或者所分配的平均接通時間，其作為給定值被傳遞至蓄電池單池或者管理蓄電池單池的電子控制電子裝置調節(jié)電子裝置。這也能夠通過調節(jié)特定的占空比來實施。概率給定或者期望標稱接通概率Pl作為中央的控制信號由安置在蓄電池中的調節(jié)單元(未示出)產生。期望標稱接通概率Pl在步驟13中處理。這能夠相比于加權函數(shù)。這樣在步驟13中處理運行參數(shù)11、12，例如與蓄電池單池的運行有關的充電狀態(tài)和老化狀態(tài)。其能夠為第一運行參數(shù)11，該第一運行參數(shù)直接涉及蓄電池單池，例如蓄電池單池的充電狀態(tài)或者單池溫度或者單池內壓。另外還考慮蓄電池的第二運行參數(shù)12，其在其他的蓄電池單池中或者對于蓄電池總體地測量或者確定，并且同樣對這里被觀察的蓄電池單池的待實施的控制產生影響。蓄電池的運行參數(shù)12例如能夠是所有蓄電池單池的平均充電狀態(tài)，在此基礎上根據(jù)本方法建立被觀察的蓄電池單池的充電狀態(tài)與平均充電狀態(tài)的關系。作為依據(jù)步驟13的處理的結果輸出實際接通概率P2，其考慮到蓄電池單池狀態(tài)并且通過該實際接通概率實際控制蓄電池單池。
[0033]所獲得的對于每個蓄電池單池的實際接通概率P2在步驟14中還借助于隨機算法處理。
[0034]因此能夠實現(xiàn)根據(jù)每個實際接通概率P2總體地控制多個蓄電池單池，其中通過調節(jié)實現(xiàn)蓄電池的總電壓與期望的標稱接通概率Pl相協(xié)調。同時保證不會出現(xiàn)多個蓄電池單池的意外的同步化，該同步化會導致在蓄電池電壓中的不希望的電壓波動。
[0035]在步驟15中通過特定的實際接通概率P2控制每個蓄電池單池并且交替地接通和斷開，即與蓄電池組接通或者導通地跨接。
[0036]根據(jù)圖1的方法只示出了對于多個蓄電池單池的控制接通概率的個別適應的基本的普遍的原則。依據(jù)本發(fā)明用于每個蓄電池單池的不同的所測量和確定的運行參數(shù)11、12，例如單池壓力、充電狀態(tài)、老化狀態(tài)等，另外借助于計算函數(shù)歸納為品質因子G，其中品質因子G被相應標準化，例如在+/-1內。
[0037]下面圖2至4示出所確定的品質因子在本發(fā)明的特定的實施方式中如何影響標稱接通概率Pl。
[0038]圖2中示出對于特定的蓄電池單池的具有標稱接通概率Pl的位置和接通概率P的分布的示意圖。標稱接通概率P1，其由中央的控制信號得出，在此處例如采用0%和100%之間的值。當值為0%時，蓄電池單池總是斷開的和跨接的，相反100%的值表示蓄電池單池的持續(xù)的接通。
[0039]另外如圖2所示，概率窗21圍繞預定的標稱接通概率Pl設置，其中在+1的品質因子G處接通概率P對于單個單池設為概率窗21的右端或者上限23而對于-1的品質因子G接通概率P設為概率窗的左端或者下限22。這樣蓄電池單池單個的接通概率P從標稱接通概率Pl或者從相應于中央的控制信號的值出發(fā)向右或者向左移動，即提高或者降低。圖3中專門地明確示出向右移動到接通概率P的較高的值的情況。
[0040]在圖4中示出了示意圖，其示出了對于接通概率窗21的提供的可能的寬度41。根據(jù)圖4所示的實施方式提出概率窗21對稱地圍繞由中央的控制裝置預定的接通概率Pl設置。在此概率窗21的寬度41這樣地選擇，使得其最大達到0%或者100%。替換地，尤其對于平均接通概率P的概率窗21的寬度41能夠由最大值限定。[0041]本發(fā)明不限定于多個蓄電池，在該多個蓄電池中多個蓄電池單池通過由特定的占空比表示特征的信號控制。
[0042]除此以外，本發(fā)明還能夠在以下實施方式中使用，其中，多個蓄電池單池借助于尤其對于所有的蓄電池單池相等地預定的標稱接通概率控制，其能夠可選地借助于品質函數(shù)或者品質因子G分別根據(jù)每個蓄電池單池狀態(tài)加權得來。在這種實施方式中優(yōu)選地在每個蓄電池單池上實施隨機函數(shù)，例如通過微控制器，以便蓄電池單池分別以所分配的、可能加權的、基于標稱接通概率的概率接通或者跨接。
[0043]除了本發(fā)明上述的書面公開之外，在此在附圖中還涉及本發(fā)明的圖形表示以清楚地補充該說明。
【權利要求】
1.一種用于調節(jié)蓄電池的蓄電池電壓的方法，所述蓄電池包括選擇性地連接和跨接至蓄電池組的多個蓄電池單池，其中，在所述方法中通過所述多個蓄電池單池的交替的控制(15)將所述蓄電池電壓調節(jié)至期望的標稱電壓，其特征在于，通過中央的控制信號和所述中央的控制信號的基于多個品質因子(G)的匹配以分配給所述相應的蓄電池單池的平均接通時間來連接每個蓄電池單池，其中，分別相應于現(xiàn)有的蓄電池單池狀態(tài)地選擇所述多個品質因子(G)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，分別借助于概括蓄電池單池的多個運行參數(shù)(11、12)的計算函數(shù)，尤其借助于概括充電狀態(tài)、老化狀態(tài)、單池溫度、單池內壓、蓄電池電流方向和/或一個或者多個其他的運行參數(shù)的計算函數(shù)來確定每個品質因子(G)。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，根據(jù)相應的對于特定的蓄電池單池所概括的運行參數(shù)(11、12)的多個值將品質因子(G)確定為尤其是帶有負號或者正號的無量綱數(shù)，其中，當對于特定的蓄電池單池確定負的品質因子時，分配給所述蓄電池單池的所述平均接通時間減小，而當對于特定的蓄電池單池確定正的品質因子(G)時，分配給所述蓄電池單池的所述平均接通時間增加。
4.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其中，蓄電池單池的所述平均接通時間對應于接通概率，所述接通概率被分配在概率窗(21)之內，所述概率窗圍繞這樣的標稱接通概率值(PD設置，所述標稱接通概率值對應于所述中央的控制信號的當前的大小。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，標準化所述品質因子(G)，使得所述概率窗(21)的下限(22)和上限(23)對應于具有數(shù)值I的品質因子(G)和/或其中圍繞所述標稱接通概率值(Pl)對稱地設置所述概率窗(21)。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，所述概率窗(21)是對稱的并且設置具有這樣的寬度(41)，使得所述概率窗(21)的所述下限(22)不低于0%的概率臨界值并且所述概率窗(21)的上限(23)不高于100%的概率臨界值，和/或其中所述概率窗(21)的所述寬度(41)由預定的最大值限定。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其中，使用脈沖寬度調制的信號尤其作為中央的控制信號以用于調節(jié)所述蓄電池電壓，使得通過相應加權的經脈沖寬度調制的信號的占空比為每個蓄電池單池確定平均接通時間和/或將所述經脈沖寬度調制的信號作為在調節(jié)回路中的控制量使用，以用于調節(jié)所述蓄電池電壓。
8.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其中，為了調節(jié)所述蓄電池電壓將標稱接通概率的值傳送至每個蓄電池單池的多個控制電路，并且借助于所述多個控制電路分別實施隨機函數(shù)，借助于所述隨機函數(shù)以預定的接通概率接通或者跨接所述每個蓄電池單池。
9.一種蓄電池，其具有至少一個具有多個通過控制裝置(15)來連接和跨接所述蓄電池組的蓄電池單池的蓄電池組、用于獲取所述多個蓄電池單池的運行參數(shù)(11、12)的獲取裝置和用于調節(jié)蓄電池電壓的調節(jié)電子裝置，其特征在于，所述調節(jié)電子裝置具有用于由所獲取的運行參數(shù)(11、12)確定所述蓄電池單池的品質因子(G)的確定裝置并且被設置用于實施根據(jù)上述權利中任一項所述的方法。
10.一種機動車，其包括電機和根據(jù)權利要求9所述的、用于為所述電機提供電能的蓄電池。
【文檔編號】H02J7/00GK103986203SQ201410129533
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權日:2013年2月13日
【發(fā)明者】S·布茨曼 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社