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CN102906584B - 用于在电池组进行单电池测量的装置和具有这种装置的电池组 - Google Patents

用于在电池组进行单电池测量的装置和具有这种装置的电池组 Download PDF

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CN102906584B
CN102906584B CN201180025014.3A CN201180025014A CN102906584B CN 102906584 B CN102906584 B CN 102906584B CN 201180025014 A CN201180025014 A CN 201180025014A CN 102906584 B CN102906584 B CN 102906584B
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Abstract

本发明涉及一种在电池组(43)中进行单电池测量的装置(41)，所述电池组(43)包括由多个电池(14、14a、14b)组成的串联电路(13)，两个相邻的电池(14、14a、14b)通过连接支路(20)电地相互连接，所述装置(41)具有测量装置(27)并包括开关装置(19)，所述开关装置设置成用于有选择地将恰好一个连接支路(20)与测量装置(27)的测量输入端(22)连接。为了给出一种用于单电池测量的装置，其中至少基本上避免由于通过测量装置的测量导致各个电池(14、14a、14b)的充电状态失衡，本发明设定，所述装置(41)具有至少一个设置在两个连接支路(20)之间的负载(37)，所述负载(37)能够通过控制信号(s)有选择地被带入激活的运行状态或失效的运行状态，使得在激活状态期间能够通过所述负载(37)由至少一个电池(14、14b)获取电荷。

Description

用于在电池组进行单电池测量的装置和具有这种装置的电池组
技术领域
本发明涉及一种在电池组中进行单电池测量的装置，所述电池组包括由多个电池组成的串联电路，两个相邻的电池通过连接支路电地相互连接，所述装置具有测量装置并包括开关装置，所述开关装置设置成用于有选择地将恰好一个连接支路与测量装置的测量输入端连接。本发明还涉及一种电池组，所述电池组具有所述装置。
背景技术
具有开关装置和测量装置的用于单电池测量的装置是公知的。在这种装置中，测量装置用于测量相对于电池的串联电路的负极的电势。在测量循环期间，开关装置将电池组的各个电池的正极依次与测量装置的测量输入端连接。以这种方式依次检测各个电池的正极上的电势。
在每次测量确定的正极上的电势时，用确定的测量电流对电池组的电池的确定的部分量进行加载。在所述已知的装置中，平均的测量电流在电池之间是变化的。在每个电池的正极上检测电势的一个测量循环之内，从每个电池提取不同的电荷。随着时间的进程，由此各个电池由于测量循环而不同强度地放电，这会导致各个电池的充电状态的失衡。这使得，特别是在电池组在较长时间上或者通过电网负载例如通过电动设备的电动机放电或者通过充电电路充电的情况下，由于各单个电池由于监控导致的充电状态的失衡需要专门的充电过程，以便使各个电池的充电状态重新平衡。这又会导致较高的充电循环次数，并由此导致电池组的各个电池较高的损耗。
发明内容
本发明的目的因此在于，给出一种用于单电池测量的装置或一种集成有这种装置的电池组，其中通过测量装置至少基本上避免由于测量导致的各个电池充电状态的失衡。
所述目的通过一种开头所述类型的用于电池测量的装置来实现，其特征在于，所述装置具有至少一个设置在两个连接支路之间的负载，所述负载能够通过控制信号有选择地被带入激活的运行状态或失效的运行状态，使得在激活状态期间能够通过所述负载由至少一个电池获取电荷。这里可以设定，所述装置具有控制装置，该控制装置设置成用于产生用于至少一个负载的激活和失效的控制信号，使得在依次将不同的连接支路与测量输入端连接时至少基本上避免由于测量输入端上的测量电流导致电池不均匀的放电。控制装置例如可以是具有至少一个数字输出端的微控制器，所述数字输出端与负载的控制输入端连接。
特别优选的是，所述至少一个负载与恰好一个电池并联。就是说，负载可以连接在两个相邻的连接支路上，两个相邻的连接支路分别与同一电池的正极和负极连接。
为了实现所述装置简单的结构，优选的是，测量装置设置成用于检测测量输入端和串联电路内部的基准点之间的电压，其中基准点与测量装置的接线端电连接。
此外优选的是，电池组的所有电池属于所述串联电路和/或串联电路的外端部、优选是串联电路的靠外的电池的负极构成所述基准点。就是说，基准点例如是所述装置的地线。所述地线可以与串联电路的同一电池的负极连接，该电池的负极没有与其他电池连接。由此实现了，接地电势是串联电路内部的最低电势并且测量装置在正常情况下只需要检测相对于接地电势的正电势。
为了降低所述装置的切换消耗，可以设定，只有间接与基准点连接的电池配设有负载。换言之，负极或正极直接与基准点、例如地线连接的电池没有配设负载。
优选的是，所述负载具有至少一个开关元件，所述开关元件在负载激活时闭合并在负载失效时打开，所述开关元件之一同时构成开关装置的开关元件。所述至少一个开关元件可以时半导体开关，优选是双极晶体管或单极晶体管。由于所述开关元件之一同时用于负载的激活和失效并用于确定的连接支路与测量输入端的连接，构成用于电池测量的所述装置所需的构件、特别是晶体管的数量保持较小。
所述负载可以特别简单地实现，其方式是，负载具有一串联电路，所述串联电路包括半导体开关，例如晶体管和电阻。所述电阻可以是可调电阻或固定电阻。
这里可以设定，串联电路附加地具有半导体二极管，所述半导体二极管设置在电阻前面或后面。
作为上面所述目的的另一个解决方案提出一种具有所述装置的电池组，所述电池组包括由多个电池组成的串联电路，两个相邻的电池分别通过一个连接支路电地相互连接，所述装置具有测量装置并包括开关装置，所述开关装置设置成用于有选择地使恰好一个连接支路与测量装置的测量输入端连接。这种根据本发明的电池组的特征在于，所述装置具有至少一个设置在两个连接支路之间的负载，所述负载通过控制信号能够有选择地被带入激活运行状态或失效运行状态，从而在激活运行状态下通过所述负载能有至少一个电池获得电荷。
优选的是，所述用于对电池组进行单电池测量的装置构造成按权利要求1至8中任一项所述的根据本发明的装置。由此在根据本发明的电池组中也能实现根据本发明的用于单电池测量的装置的优点。
附图说明
本发明其他的特征和优点有下面的说明中得出，其中根据附图详细说明了本发明示例性的实施形式。其中：
图1示出具有根据第一优选实施形式的用于单电池测量的装置的电动装置的原理线路图；
图2示出根据第二优选实施形式的用于单电池测量的装置的细节的线路图；以及
图3示出具有已知的用于单电池测量的装置的电动装置。
具体实施方式
图3中示出的已知的电动装置11具有由多个电池组成的串联电路13作为电源。在所示的例子中设有10个串联的电池14。但电池14的数量在需要时是可以变化的。在图3中下面示出的靠外的第一电池14a以其负极与电动装置11的地线17连接。串联电流13的靠外的第二电池14b以其正极与电动装置11的供电线路18连接。各个电池14、14a、14b通过连接支路20相互连接，分别有一个连接支路20将一个电池14、14a的正极与相应相邻的电池14、14b的负极连接。在所示例子中，所述电池是锂离子蓄电池，所述锂离子蓄电池的标称电压为4.1V，从而整个串联电路13具有41V的标称电压。在图3中给出各电池14的各个正极上的相对于地线17上的用GND表示的接地电势的电势。
每个电池14、14a、14b的正极通过专门的开关元件19和专门的电阻R1、R2、R3、...、R10与共同的测量导线21相连。测量导线21此外还通过电阻R11与地线17连接。此外，测量导线21连接在电动装置21的控制装置27的模数转换器23的测量输入端22上。模数转换器23的输出端与控制装置27的微控制器25的输入端连接。控制装置27构造成，使得微控制器25能够使各个开关元件19激活或失效，从而各个电池14、14a、14b相应的正极能有选择地经由相应的电阻R1、R2、R3、...、R10与测量导线21电连接或与测量导线21电分离。各开关元件19因此输入用于有选择地将恰好一个连接支路20与测量输入端22连接的开关装置。
控制装置27的输出端与电动装置11的功率终放级29的控制输入端连接，使得微控制器25能够控制功率终放级29。功率终放级29具有构造成半导体开关、例如构造成MOSFET的功率开关元件。功率终放级29的第一接线端31与地线17连接。在供电线路18和功率终放级29的第二接线端33之间设置电动装置33的耗电器，例如电机35，从而所述耗电器，即电机35能够与串联电路13连接或与其分离。
在电动装置11运行时，控制装置27定期检查各个电池14、14a、14b的状态，其方式是所述控制装置控制启动各开关元件19，使得各开关元件被依次地单个激活，就是说，各个电池14、14a、14b的正极依次地经由相应的电阻R1、R2、R3、...、R10与测量导线21连接。与激活的开关元件19连接的电阻R1、R2、R3、...、R10以及电阻R11构成分压器，所述分压器的中间抽头与模数转换器23的测量输入端22连接。由模数转换器23检测到的相对于地线17的电压由此代表了相应电池14、14a、14b的正极上的电势。就是说，微控制器25根据通过模数转换器23检测到的测量值确定电池14、14a、14b的正极上的电势并由此通过减去相邻的14、14a、14b电池上的电势计算各个电池14、14a、14b上的电压。靠外的第一电池14a的正极上的电势对应于其电池电压，从而所述不需要为了计算电池电压进行所述的减法。
具体而言，控制装置27按规则的间隔，优选周期性地执行测量循环，以便检查各个电池14、14a、14b。在每个测量循环中，控制装置27首先激活连接在电阻R1上的开关元件19，以便检测在图3中在下面画出的靠外的第一电池14a的正极上的电势。接着，控制装置重新打开所述开关元件19，并闭合连接在相邻的电池14上并且在当前测量循环中尚未激活的开关元件19。就是说，各开关元件19轮流地依次被激活。
由此在测量循环的过程中依次得到流过各电阻R1、R2、R3、...、R10的测量电流Im1、Im2、Im3、...、Im10。由于每个开关元件19在一个测量循环的过程中恰好被激活依次，测量电流Im1、Im2、Im3、...、Im10十次流过在图3下面画出的电池14a，相反只有测量电流Im10一次流过在图3上面示出的电池14b。由此由于在一个测量循环期间的各次测量，例如从电池14a获得明显比例如从电池14b多的电荷，由此出现各个电池14、14a、14b的充电状态的偏差。换言之，当串联电路13的电池14、14a、14b没有或仅很少地充电或放电时就是说，当电动装置11较长时间没有运行，但仍监控电池时，存在串联电路13的各个电池14、14a、14b的充电状态失衡的危险
如果电阻R1至R10这样设计大小，使得测量电流Im1至Im10至少基本上具有相同的大小Imess＝Im1＝...＝Im10，则在一个测量循环期间对于电池i＝1、...、10得到的电荷得到
Qi＝(11-i)*tmess*Imess，
其中，时间tmess对应于测量时长，即，只要各开关元件19之一处于被激活状态的时间。测量电流Imess对应于流动通过各开关元件19的电流。通过一个确定的电池i的电流的平均值如下式
Imean，i＝Qi/T，
其中时间间隔T表示整个测量循环的持续时间。在上面给出的两个等式中，标号i表示各个电池14、14a、14b。这里标号i＝1对应于在图3下面画出的靠外的第一电池14a，标号i＝10对应于在图3上面画出的靠外的第二电池14b。其他标号i＝2、...、9表示位于电池14a、14b之间的电池，并且是按从下到上的顺序(基于图3中的图示)。
假定测量电流Imess＝Im1＝...＝Im10＝0.41mA，测量时间tmess＝1ms，则在一个测量循环中，由靠外的第一电池14a(i＝1)获得的电荷为Q1＝4.1μAs，相反，由靠外的第二电池14b(i＝10)获得的电荷仅为Q10＝0.41μAs。如果每秒钟执行一次测量循环，则每天由靠外的第一电池14a由于测量获得354.24mAs的电荷，而由靠外的第二电池14b获得35.42mAs的电荷。
如果测量循环周期性地每秒种执行一次，则会出现各个电池不均匀的放电，这会导致各个电池14、14a、14b的充电状态的失衡。
图1示出电动装置11，例如电动工具的原理线路图，其中，蓄电池14、14a、14b不均匀的放电至少基本上得到避免。在图1的图示中，相同的元件使用和图3中相同的附图标记，并且因此对于相同的元件不再详细说明。与图3中示出的已知电动装置11不同，在图1中示出的电动装置11中，除了电池14a以外，每个电池14、14b配设一个负载37，控制装置27能够有选择地使所述负载激活和失效。负载37连接在两个相邻的连接支路20上，就是说，相对于相应的电池14、14b并联设置。就是说，每个负载37设置在相应的电池14、14b的负极与开关元件19和相应的电阻R1和R2、R3、...、R10之间的连接点之间。
每个负载具有另一个开关元件39和与该开关元件串联的负载电阻Rv。所述电动装置11设置成，使得恰好在确定的开关元件19被激活时配设给相同的电池14、14b的另一个开关元件39也被激活。就是说，控制装置27至少基本上同时时开关元件19、39被激活或失效。
元件19、R1、R2、R3、...、R10、Rv、39、21、R11和27构成用于检查各个电池14a、14、14b的装置41，例如通过测量各个电池14a、14、14b上的电压来进行检查。在所述装置41中，负载37使得在除了第一电池14a以外的所有电池14、14b上附加于本来的测量电流Imess＝测量电流Im1、Im10还流动附加的电流Il2、...、Il10，从而各个电池14a、14、14b在一个测量循环期间均匀地放电。各个电阻Rv的值这样确定，使得在一个测量循环期间，由每个电池14a、14、14b至少基本上获得相同的电荷Qi，i＝1、...、10。负载电阻Rv例如可以是可调电阻，所述可调电阻在电动装置11第一次投入运行之前校正。对此可替代地，可以设置相应设置大小的固定电阻作为负载电阻Rv。
为了通过测量循环实现各个电池14、14a、14b均匀的放电，靠外的第二电池14b必须用较高的附加电流Il10加载，相反，靠外的第一电池14a不必用附加的电流加载。就是说，在串联电流中的电池14、14、14b的序列，从第二个电池(i＝2)开始，附加电流必须具有渐增的值，就是说Il2＜...＜I110。因此，负载电阻Rv的值必须相应地具有逐渐减小的值。
可以设定，装置41包含电池14a、14、14b的串联电路13。在电池组43中此外控制装置27还可以与模数转换器23和微控制器25相集成。但在这种情况下，电动装置11中除了电池组43还设有另一个控制装置(未示出)，用于控制功率终放级29。
图2示出根据另一个实施形式的用于单电池测量的装置41的细节的线路图。开关元件19构造成具有双极晶体管T1和T2的半导体开关元件。PNP晶体管T1以其发射极连接在相应的电池14的正极上。该晶体管T1的集电极经由电阻R2、R3、...、R10与测量导线21连接。在晶体管T1的基极和发射极之间设置基极-发射极电阻45。此外晶体管T1的基极经由基极电阻47连接在构造成NPN晶体管的控制晶体管T2的集电极上。控制晶体管T2的发射极接线端与地线17连接。
控制晶体管T2的基极经由镇流电阻49连接在微控制器25的数字输出端上。除了靠外的第一电池14a以外，每个电池14、14b分别配设有晶体管T1形式的开关元件和配属于该开关元件的、晶体管T2和电阻45、47、49形式的控制电路。相应地，用于每个控制晶体管T2的微控制器25分别具有一个数字输出端，所述数字输出端与恰好一个晶体管T2的镇流电阻49连接，从而微控制器25能够相互分离地控制各控制晶体管T2。
负载37在图2所示的实施形式中具有串联电路，该串联电流包括半导体二极管51和负载电阻Rv。晶体管T1不只是用于将在图2中示出的连接支路20与测量导线21连接，而是也用于使负载37激活和失效。就是说，晶体管T1不仅构成开关装置的开关元件，而且同时还构成可激活和可失效的负载37的开关元件。
根据图1示出的实施形式设定，只有电池14、14b配设有负载37，靠外的第一电池14a没有配设。此外，在图2中示出的实施形式中，与电阻R11并联一个缓冲电容器C1。
在装置41运行时，微控制器25经由数字输出端依次地控制启动各个控制晶体管T2，从而所述控制晶体管和相应的晶体管T1接通并形成相应的测量电流Im1、...、Im10，此外，必要时还附加通过负载的附加电流Il2、...、I110。这里微控制器25经由数字输出端分别输出一个控制信号si，i＝1、...、10，通过所述控制信号控制相应的控制晶体管T2。控制信号si是数字信号，所述数字信号可以具有两个稳定的状态，即低电平(Low)和高电平(High)。开关元件19恰好当控制信号si具有高电平时被激活。
电阻R1、...、R10、R11优选设计成，使得在测量输入端22上形成一个电势，该电势不高于第二电池14，就是说与靠外的第一电池14a相邻的电池的正极上的电势加上配设给第二电池14的相应二极管51的门限电压。由此，避免了各个电池14、14b的正极之间的横向电流。在一个优选的实施形式中，电阻R1、...、R10、R11的大小这样设计，使得测量输入端上的电势相对于接地电势GND大约为0V至5V。
总体上本发明提供了一种用于单电池测量的装置41和一种电池组43，其中通过测量各个电池14a、14、14b至少基本上避免各个电池14、14a、14b的不均匀放电并由此避免充电状态的失衡。由此特别是当电池14、14a、14b在较长的时间上既不充电也不放电，但仅由装置43监控时，确保了各个电池14、14a、14b或电池组43的可靠的运行。

Claims (10)

1.一种在电池组(43)中用于单电池测量的装置(41)，所述电池组(43)包括由多个电池(14、14a、14b)组成的串联电路(13)，两个相邻的电池(14、14a、14b)通过连接支路(20)相互电连接，所述用于单电池测量的装置(41)具有测量装置(27)并包括开关装置(19)，所述开关装置设置成用于有选择地将恰好一个连接支路(20)与测量装置(27)的测量输入端(22)连接，其特征在于，所述用于单电池测量的装置(41)具有至少一个设置在两个连接支路(20)之间的负载(37)，所述负载(37)能够通过控制信号(s)有选择地被带入激活的运行状态或失效的运行状态，使得在激活状态期间能够通过所述负载(37)由至少一个电池(14、14b)获取电荷；
当在测量循环期间对所述电池中的一个进行测量时，测量电流(Im1、…、Im10)是由从被测量的电池到所述串联电路负极的外端部的靠外的电池(14a)之间的电池产生的；
除相应电池(14、14b)中的测量电流之外，每个负载(37)引起流动的附加的电流(112,...,1110)，并且每个负载(37)的电阻值被设置成使得在测量循环期间，从每个电池(14、14a、14b)获得相同的电荷。
2.根据权利要求1所述的用于单电池测量的装置(41)，其特征在于，所述测量装置(27)设置成用于产生至少一个负载(37)的激活和失效的控制信号(s)，使得在依次将不同的连接支路(20)与测量输入端(22)连接时至少基本上避免由于测量输入端(22)上的测量电流(Im1、…、Im10)导致电池(14、14a、14b)不均匀的放电。
3.根据权利要求2所述的用于单电池测量的装置(41)，其特征在于，在所述至少一个设置在两个连接支路(20)之间的负载(37)中，每一个负载(37)与相应的一个电池(14、14b)并联。
4.根据权利要求3所述的用于单电池测量的装置(41)，其特征在于，测量装置(27)设置成用于检测测量输入端(22)和串联电路(13)内部的基准点(17)之间的电压，其中基准点(17)与测量装置(27)的接线端电连接。
5.根据权利要求4所述的用于单电池测量的装置(41)，其特征在于，电池组(43)的所有电池(14、14a、14b)属于所述串联电路，和/或所述串联电路负极的外端部的所述靠外的电池(14a)的负极构成所述基准点(17)。
6.根据权利要求1所述的用于单电池测量的装置(41)，其特征在于，所述负载(37)具有至少一个开关元件(19、39)，所述开关元件在负载(37)激活时闭合并在负载(37)失效时打开，所述开关元件之一(19)同时构成开关装置的开关元件。
7.根据权利要求1所述的用于单电池测量的装置(41)，其特征在于，负载(37)具有半导体开关(T1)和与该半导体开关(T1)串联的电阻(Rv)。
8.根据权利要求7所述的用于单电池测量的装置(41)，其特征在于，所述负载(37)附加地具有半导体二极管(51)，所述半导体二极管与电阻(Rv)串联。
9.一种具有用于单电池测量的装置(41)的电池组(43)，所述电池组(43)包括由多个电池(14、14a、14b)组成的串联电路(13)，两个相邻的电池(14、14a、14b)分别通过一个连接支路(20)相互电连接，所述用于单电池测量的装置(41)具有测量装置(27)并包括开关装置(19)，所述开关装置设置成用于有选择地将恰好一个连接支路(20)与测量装置(27)的测量输入端(22)连接，其特征在于，所述用于单电池测量的装置(41)具有至少一个设置在两个连接支路(20)之间的负载(37)，所述负载(37)能够通过控制信号(s)有选择地被带入激活的运行状态或失效的运行状态，使得在激活状态期间能够通过所述负载(37)由至少一个电池(14、14b)获取电荷；当在测量循环期间对所述电池中的一个进行测量时，测量电流(Im1、…、Im10)是由从被测量的电池到所述串联电路负极的外端部的靠外的电池(14a)之间的电池产生的；除相应电池(14、14b)中的测量电流之外，每个负载(37)引起流动的附加的电流(112,...,1110)，并且每个负载(37)的电阻值被设置成使得在测量循环期间，从每个电池(14、14a、14b)获得相同的电荷。
10.根据权利要求9所述的电池组(43)，其特征在于，所述用于单电池测量的装置(41)按权利要求1至8中任一项构成。
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