具有監測裝置的電池單體及相應的運行方法與流程

本發明涉及一種用于特別是機動車的電池的電池單體。此外本發明涉及一種具有至少一個這種電池單體的電池以及具有這種電池的機動車。此外本發明涉及一種用于監測至少一個電池單體的方法。

背景技術：

鋰離子電池或者說鋰離子電池系統由于其高能量和功率密度已經普遍用于移動式能量存儲器的幾乎所有領域，其中可以是電動自行車、電動工具、混合動力車輛、電動車輛或甚至軌道應用。同時鋰離子電池系統對于固定的電池存儲器系統也越來越重要。多個鋰離子電池或其電池化學系統的特征是荷電狀態-電壓-特征曲線平緩。然而在低于約10％和高于90％的荷電狀態(stateofchargesoc)的邊緣區域中，電池單體的電壓位置非常快地改變。隨著時間推移，電池單體在其電壓位置方面可能彼此不同。上述情況現在可能由于不同的影響、例如不同的自放電率、在運行時不均勻的溫度、或在電池組中單個單體的提前老化或由于不同的批次(由不同的生產批次提供)而出現。

為了能提前判斷電池單體可能失效的風險，可以利用的是，由每個電池單體的持續運行來檢測狀態數據并且為隨后的評估提供依據。對此特別是包含單體在運行中出現的溫度，以及充電或放電電流的進程和分別對應的荷電狀態。由現有技術已知，數據記錄以相同的時間間隔存儲。在最簡單的情況下，上述情況可以通過時鐘發生器觸發，該時鐘發生器以時間不變的間隔分別通過產生相應的觸發信號來觸發存儲數據記錄。此外當提供實時時鐘(realtimeclock–rtc)時，數據記錄此外可以具有時間或日期印記。當以短時間間隔進行存儲時積累了非常大的數據量。然而如果擴大在兩個存儲過程之間的時間間隔，則存在下述危險，對于評判電池單體狀態來說不能檢測出重要的情況。

技術實現要素：

因此本發明的目的在于，提供一種電池單體、具有至少一個這種電池單體的電池、具有這種電池的機動車以及用于監測至少一個電池單體的方法，通過所述的電池單體、電池或機動車或方法能更好地處理電池單體的狀態數據。

所述目的通過具有權利要求1的特征的電池單體、具有權利要求8的特征的電池、具有權利要求9的特征的機動車以及具有權利要求10的特征的方法來實現。本發明的有利的改進方案是從屬權利要求的主題。

根據本發明的電池單體包括監測裝置，所述監測裝置包括：數據處理單元，用于根據觸發脈沖處理電池單體的狀態數據；和觸發單元。觸發單元與數據處理單元聯接并且用于產生觸發脈沖且將觸發脈沖提供給數據處理單元。其中觸發單元構造為：評估測量信號以便根據測量信號產生觸發脈沖，所述測量信號與電池單體的電能相關。數據處理單元尤其可以是微型控制器或微型處理器。狀態數據可以由電池單體的相應的傳感器來提供。從而，例如可以存儲電池單體的電壓、溫度、壓力、電池單體的阻抗或在空間中的位置或電池單體的加速度。在使用相應適合的測量值接收器(傳感器)時，可以檢測電池單體或環境的任意的參數。在此還可以規定，數據處理單元通過附加的、優選無線的通信連接獲得其它數據，該數據并非直接在電池單體內查明。

本發明基于下述知識，在下述情況下可以實現在所需存儲的數據量與相關情況的覆蓋之間的特別有利的比例：根據電池單體的電能執行存儲過程。從而例如可以在下述情況下延長存儲間隔：沒有向電池單體輸送電能或獲取電能。同樣可以規定，在高荷電狀態——即在電池單體電壓接近與電池單體類型相關的充電結束電壓時——的范圍內或在可能出現的深度放電時的低荷電狀態的范圍內提供狀態數據的詳細記錄。

在一種有利的改進方案中，觸發單元構造為：在電池單體具有第一電能含量的第一時刻產生觸發脈沖；并且在電池單體具有第二電能含量的第二時刻—產生觸發脈沖，其中第一電能含量和第二電能含量相差一能預先規定的能量值。由此，在充電結束界限和放電結束界限之間的電池單體能量范圍的整個跨度規則地使用能量單位(ee)，例如瓦秒或千瓦小時。由此能無間隙地記錄完全的充電/放電循環。與電池單體的電能相關——其相應于電池單體的荷電狀態，檢測和記錄關于電池單體的狀態信息。通過適合的能量測量，累計出、入電池單體的能量流。如果一個能量單位流入到電池單體中或從電池單體流出，則存儲電池單體的狀態信息、例如電壓、溫度、壓力、阻抗、在空間中位置、加速度等。上述情況例如在具有集成的存儲器和集成的傳感器的智能電池單體(smartcell)中可以通過形式為微型控制器或狀態機(zustandsautomaten)的集成的智能控制裝置來實現。如果智能電池單體可以向外與外部設備通信，則智能電池單體可以向外部設備請求時間信息并且利用數據記錄存儲該時間信息。上述情況可以在車輛中特別是在充電時且在行駛運行中實現。如果還能由外部設備提供gps位置，則該gps位置還可以利用數據記錄來存儲。在基于能量單位存儲狀態數據的原理的基礎上，電池單體的相關的能量經歷能以能量有效的方式來記錄。特別是由此能完全為電池單體的能量經歷提供記錄。

為了進行有效的數據存儲還可以規定，通過下述方式減小所需存儲的狀態數據的量：僅在變化時寫入，即在當前值相對于最后存儲的值未改變的情況下不存儲參數的當前值。特別是，當所有要檢測的狀態數據自從最后的存儲過程已經不再改變時，則不再存儲這些狀態數據，而僅能量單位值改變。上述情況尤其在充電時使得在與充電相關的高能量單位變化率下也僅形成少量的數據。在這種情況下，存儲記錄僅由(改變的)能量單位值形成。

在一種優選的改進方案中，測量信號與經過電池單體的電流成比例或與電池單體的電功率成比例，其中觸發單元具有用于根據測量信號產生積分信號的器件，并且構造為：在積分信號超過或低于能預先規定的閾值時產生觸發脈沖并且積分信號復位至初始值。在下述情況下是特別有利的：測量信號表示經過電池單體的電流，因為測量信號在這種情況下能特別簡單地利用已經存在于電池單體中的技術器件來獲得。與電池單體的電功率的關系通過與電池單體的電壓相乘獲得。因此在涉及經過電池單體的電流時，能預先規定的能量值被解釋為電荷值。如上所述，對于鋰離子電池在約10％和90％的荷電狀態之間的范圍內得出了電池電壓的平緩走向。因為在這個范圍內，能量值和電荷值通過近似恒定的因數、即電池單體電壓彼此相關聯。因此本發明能不受限制地使用測量值提供的兩種變型例。

對于測量信號的積分，該測量信號轉換為積分信號，該積分信號根據所提供的測量信號的類型代表電荷或電能量。在此尤其重要的是，測量信號在下述情況下無漂移、即采用值0：基于其的物理參量、即電功率或電流也采用值0。因此，借助于檢查積分信號超過或低于能預先規定的閾值，可以查明下述時刻，在該時刻相對于最后產生的觸發脈沖的時刻已經轉換了能預先規定的能量或電荷量。以這種方式能產生觸發脈沖序列，其將傳送的能量或電荷劃分成分別相同的能量單位或電荷單位。由此，電池單體的任意的充電/放電循環利用能預先規定的觸發完全記錄，該觸發與能量單位或電荷單位相關。與預先規定的觸發和測量信號的高度相關地，在此可以實現秒至小時或天的時間片斷之間的、在兩個觸發脈沖之間的間距。在此還可以規定，為在兩個連續的觸發脈沖之間的時間間隔設置上限，其中在達到該上限時處理狀態數據并且存儲，而積分信號不必達到能預先規定的閾值。

在另一種優選實施方式中，觸發單元具有第一電容作為用于產生積分信號的器件，所述第一電容與數據處理單元的第一模擬輸入端以及與第一比較單元電連接，其中積分信號能通過在第一電容上的第一電壓來提供，并且比較單元構造為：在第一電容上的第一電壓超過能預先規定的第一閾值時產生觸發脈沖。由此得出了本發明的特別簡單且節省能量的設計方案。測量信號的提供在此適宜地通過電流實現。被設置用于產生觸發脈沖的組件消耗較少的能量，并且使數據處理單元利用觸發脈沖分別僅短暫地——即該數據處理單元處理狀態數據所需的以及使電容又復位至初始值——運行。

在一種有利的改進方案中，第一電容通過第一電阻與數據處理單元的第一雙向接口電連接。在此術語“電阻”理解成電阻元件、即無源構件且不應理解成電阻值。所述第一雙向接口構造為：采用下述三個狀態之一：低電位/電平，與數據處理單元的基準電位導電連接；高電位，與數據處理單元的供電電位導電連接，其中在供電電位和基準電位之間存在數據處理單元的供電電壓，或不存在導電連接。由此，第一電容可以通過數據處理單元在超過或低于能預先規定的閾值之后又在短時間內返回至初始值。在返回至初始值之后，第一雙向接口返回至高電阻狀態，從而第一電容不再被加載。優選地，因此數據處理單元可以置于休眠狀態，其中其能耗被降低至最小。以這種方式，能耗能通過監測裝置特別小地保持并且因此獲得了電池單體的較低的自放電。

在另一種有利的設計方案中，觸發單元具有第二電容，所述第二電容通過第二電阻與數據處理單元的第二雙向接口電連接并且與數據處理單元的第二模擬輸入端以及與第二比較單元電連接。其中基準信號能通過在第二電容上的第二電壓提供。比較單元構造為：在第二電壓超過能預先規定的第二閾值時產生觸發脈沖。觸發單元具有帶有能預先規定的恒定電流的公共電源，所述公共電源構造為：為了補償第一電容和第二電容的自放電電流，分別輸入補償電流。其中還可以規定，電源能通過數據處理單元配置。優選地，在此第二電容具有與第一電容相同的電容。此外可以規定，分別通過第三電阻和第四電阻來控制一能預先規定的恒定電流向第一電容和第二電容的分配。特別是可以規定，第三電阻的電阻值和第四電阻的電阻值大小相同，從而恒定電流均勻地分配到第一電容和第二電容上。這種布置允許了，補償第一電容的自放電電流。第二電容在此作為用于控制的基準電容，由電源提供的恒定電流剛好涵蓋第一電容的自放電電流。

在一種有利的改進方案中，觸發單元構造為：在第二電壓超過能預先規定的第二閾值時，使第二電壓返回至差分狀態，并且為此要引入到第二電容中的補償電荷量還被輸入到第一電容中。針對下述情況，由公共電源提供的恒定電流未精確地涵蓋第一電容和第二電容的自放電，即過多或過少地輸入電流，可以借助第二電容查明缺乏的或多余的電荷量，并且將其沿相同方向輸送給兩個電容、即第一電容和第二電容或者說由它們獲得，從而在這個補償過程之后，第二電容又處于其基準狀態。由此還能在較長的時間段持久地準確地測量經由第一電容的能量單位或者說電荷單位。

本發明還包括具有至少一個根據本發明的類型的電池單體的電池。根據本發明的電池包括多個根據本發明的電池單體，所述電池單體可以串聯和/或并聯。在此還可以固定，測量信號代表電能，該電能與彼此連接的電池單體的整體相關。

根據本發明的機動車包括至少一個根據本發明的電池。機動車例如可以設計成乘用車、特別是電動車輛或混合動力車輛。另外，機動車還可以是電動摩托車或電動自行車。

另外，電池可以設置在固定的能量存儲器系統中。此外可以規定，曾經在機動車中使用的電池可以作為所謂的二次利用電池(second-life-batterie)繼續使用，其中電池用于不同類型的使用。特別是在二次利用時例如對電池單體的有效功率的要求可以小于在將電池單體應用于機動車電池時。在此，在電池單體中存在的狀態數據可以由電池單體的過去的工作時間有利地用于選擇和測試。

在方法方面，為了監測至少一個電池單體提出了下述步驟：根據觸發脈沖來處理電池單體的狀態數據；評估測量信號，所述測量信號與電池單體的電能相關；根據測量信號產生觸發脈沖；和提供觸發脈沖。

針對根據本發明的電池單體描述的優點和優選實施方式還適用于根據本發明的電池和根據本發明的機動車。

同樣，針對根據本發明的裝置描述的優點和特征以及實施方式同樣適用于相應的方法，反之亦然。因此針對裝置特征可以設置相應的方法特征，反之亦然。

前面在說明書中所述的特征和特征組合以及隨后在附圖說明中所述的和/或在附圖中單獨示出的特征和特征組合不僅能在分別給出的組合中、而且還在其它組合中或單獨使用，而沒有背離本發明的范圍。如下的實施方式不僅由本發明包括而且被視為公開：其在附圖中未清楚示出和闡述，然而通過分開的特征組合由所闡述的實施方式得出且能產生。

附圖說明

本發明的其它優點、特征和細節由權利要求、隨后對優選實施例的描述以及借助附圖得出。其中示出了：

圖1以簡化示意圖示出了電池單體的監測裝置的優選實施例，

圖2示出了在采用理想的自放電補償的情況下根據圖1的監測裝置的表征的信號的時間進程的示意圖，

圖3示出了在采用不理想的自放電補償的情況下根據圖1的監測裝置的表征的信號的時間進程的示意圖，和

圖4示出了在測量信號和基準信號彼此反向漂移時采用不均勻的自放電補償的情況下根據圖1的監測裝置的表征的信號的時間進程的示意圖。

具體實施方式

圖1示意性示出了監測裝置10，如該監測裝置可以安裝在電池單體中。監測裝置10包括數據處理單元12，其與觸發單元14聯接。由在電池單體內部或外部的傳感器將狀態數據13提供給數據處理單元12。觸發單元14將觸發脈沖15提供給數據處理單元12的入口p1。在此可以涉及入口p1，該入口能實現數據處理單元12的所謂的喚醒(wakeup)。測量信號——其優選與流經電池單體的電流成比例——作為電流信號17，在觸發單元14的分支點σ輸入。附加的數據可以由數據處理單元12從外部數據源查詢、例如實時時鐘信號19(realtimeclockrtc)或位置信號21，例如以gps信號的形式(全球定位系統)。

觸發單元14具有對稱布置的部件。第一電容c1——在其上施加第一電壓u1——用作測量電容，第二電容c2——在其上施加第二電壓u2——用作基準電容。兩個電容c1、c2分別連接到公共的基準電位11。與第一電容c1并聯有第一并聯電阻rp1，該第一并聯電阻代表了第一電容c1的自放電。以相同的方式，與第二電容c2并聯有第二并聯電阻rp2，該第二并聯電阻代表了第二電容c2的自放電。為了補償通過第一并聯電阻rp1和第二并聯電阻rp2的自放電，設置恒流源18，該恒流源提供恒定電流i1。恒定電流i1通過第一二極管d1和第二二極管d2分配，其中兩個二極管d1和d2的正極與恒流源18聯接。第一電容c1的、未與基準電位11連接的接頭——其在下面稱為第一電容c1的上接頭——通過第一電阻r1與數據處理單元12的第一雙向接口i/o1聯接。同樣地，第二電容c2的未與基準電位11連接的接頭——其在下面稱為第二電容c2的上接頭——通過第二電阻r2與數據處理單元12的第二雙向接口i/o2聯接。另外，第一電容c1的上接頭與數據處理單元12的第一模擬輸入端adc1以及與第一比較單元22的入口電聯接。同樣，第二電容c2的上接頭與數據處理單元12的第二模擬輸入端adc2以及與第二比較單元26的入口連接。

第一二極管d1的負極與第一電容c1的上接頭通過第三電阻r3聯接。相同地，第二二極管d2的負極通過第四電阻r4與第二電容c2的上接頭聯接。第一比較單元22提供的信號23，該信號表示低于能預先規定的下閾值；以及信號25，該信號表示高于能預先規定的上閾值。同樣地，第二比較單元26提供：信號27，該信號表示低于能預先規定的下閾值；以及信號29，該信號表示高于能預先規定的上閾值。優選地，在此兩個比較單元22和26可以相同地使用上、下閾值。此外，上閾值和下閾值關于第一電容c1和第二電容c2的開始狀態或者說基準狀態對稱地布置，其優選相當于一半供電電壓v/2(＝1/2*供電電壓v)。信號23、25、27、29被提供給邏輯關聯單元/邏輯門單元24，該邏輯關聯單元執行“或”關聯并且由此產生觸發脈沖15。

圖2示出了五個圖表的組合，它們在公共的時間軸上示出。示出了在第一電容c1(測量電容)上的第一電壓u1、也稱為測量電壓，以及在第二電容c2(基準電容)上的第二電壓u2、也稱為基準電壓。第一電壓u1和第二電壓u2可能表現為在位于0與供電電壓v值之間的范圍內的值，該供電電壓為電路的工作電壓。此外示出了二進制工作狀態信號op，該工作狀態信號表征了數據處理單元12的工作狀態。在低電位0時，數據處理單元12處于睡眠模式(sleepmode)，該睡眠模式的特征在于數據處理單元12的能耗特別低，在高電位1時，數據處理單元12處于工作模式(operationmode)。從睡眠模式轉換到工作模式借助在入口p1處提供的觸發脈沖15來實現。從工作模式返回到睡眠模式可以通過數據處理單元12本身、尤其通過執行相應的程序編碼來實現。

另外，與第一電容c1聯接的第一雙向接口i/o和與第二電容c2聯接的第二雙向接口i/o2的狀態分別在一圖表中示出。在此，可以存在三個狀態，即高電阻狀態z，其中第一電容c1或者第二電容c2保持未受影響；高電位1，其中建立了與供電電位的導電連接，由此為相應的電容c1或c2充電。作為另一個狀態可以存在低電位0，其中建立了與基準電位11的導電連接，上述情況導致了為相應的電容c1或c2放電。尤其可以規定，高電位1在物理方面通過電壓表示，其等于供電電壓v。

在時間t0和t1之間的開始狀態中，第二電壓u2為恒定的v/2。同樣地，在此，第一電壓u1同樣為v/2。工作狀態信號op在這種狀態下具有低電位0。兩個雙向接口i/o1和i/o2處于高電阻狀態z。在時刻t1和時刻t2之間，此時通過正電流信號17將電流輸入到電容c1中。在時刻t2，第一電壓u1達到上閾值，該閾值在此為了簡化起見被設置為供電電壓v值。因此，在時刻t1和時刻t2之間流動了確定的能量或電荷量，其在此用δee來標注。因此在時刻t2，在數據處理單元12的第一入口p1處提供觸發脈沖15，由此工作狀態信號op從低電位0轉換為高電位1。數據處理單元12這時開始處理狀態數據并且使得第一電容c1又通過下述方式回到其初始狀態、即一半供電電壓v/2：雙向接口i/o1被設置到低電位0上。隨著第一電壓u1達到一半供電電壓v/2，第一雙向接口i/o1又轉換為高電阻狀態z，并且數據處理單元12又可以回到睡眠模式中。

示例性地，此時在時刻t3，沿相反方向的電流信號17的流動開始。由此，在時刻t3和時刻t4之間剛好又獲取了之前存入的能量單位δee或電荷量。在第一電容c1上的第一電壓u1在時刻t4時達到了下閾值，該下閾值在此為了簡化起見被設置為0。如前面在t2和t3之間的時間段那樣，在第一入口p1處的觸發脈沖15啟動數據處理單元12用以處理狀態數據。與時間段t2、t3中的過程的唯一差別在于，第一雙向接口i/o1現在切換為高電位1，其中與供電電壓v進行連接。在第一電容c1上的第一電壓u1達到一半供電電壓v/2的值之后，在此又存在如在時間段t0、t1中的初始狀態。

圖3示出了同樣的組合圖表，其中現在還示出了兩個電容c1和c2的疊加的行程漂移(wegdriften)。從初始狀態開始——該初始狀態存在于時刻t10和時刻t11之間，在時刻t11時又開始輸入能量單位δee。在此時假設，在這個時間段內在兩個電容c1和c2、即測量電容和基準電容中出現規則的電壓漂移。在時刻t12，在第一電容c1上的第一電壓達到了上閾值。邏輯關聯單元24便產生了觸發脈沖15，該觸發脈沖在第一入口p1處被提供給數據處理單元12。數據處理單元12現在通過第二模擬輸入端adc2確定，第二電容c2、即基準電容不再處于一半供電電壓v/2。因此，不進行狀態數據處理和存儲。此時，在t12和t13之間的時間段內，第二電容c2被放電至額定值、即一半供電電壓v/2。為此由第二電容c2獲取的第一電荷量利用q0來標注。然后，相同的電荷量q0還在t13和t14之間的時間段內由第一電容c1獲取。雙向接口i/o1和i/o2的所屬狀態相應地在各個時間段內是低電位0、此外高電阻狀態z。

同樣地，在另一進程中，在時刻t20和t21之間存在初始狀態，其中在第一電容上的第一電壓和在第二電容上的第二電壓分別是一半供電電壓v/2給出。在此，現在沿反方向獲取電流。在此還假設，在時間段t21到t22中附加地產生了漂移電流的疊加，該漂移電流導致第一電容c1和第二電容c2的持續放電，其未由恒流源18涵蓋。在時刻t22，在第一電容c1上的第一電壓u1達到了下閾值，由此產生觸發脈沖15，該觸發脈沖在入口p1處被提供。另外，在此未存儲狀態數據，因為在第二電容c2上的第二電壓u2偏離于額定值、即一半供電電壓v/2。首先在時間段t22至t23中，使第二電容上的第二電壓u2返回至額定值、即一半供電電壓v/2。在此查明的第二電荷量q1與此相應地又被輸送至第一電容c1。第一雙向接口i/o1的狀態在這種情況下在時刻t23和t24之間通過高電位1給出，第二雙向接口i/o2的狀態在時刻t22和t23之間通過高電位1給出。此外在兩個雙向接口i/o1和i/o2中在這個區段中分別存在高電阻狀態z。

在時刻t30和t31之間存在由電流消耗和漂移引起的另一個疊加過程，其中與之前的情況的不同之處在于，在此第二電容c2、即基準電容的第二電壓u2超過第一閾值。而且在這種情況下，在時刻t31數據處理單元12沒有存儲數據，因為在第二電容c2上的電壓在此不是相當于額定值、即一半供電電壓v/2。在時間段t31至t32中，在第二電容c2上的電壓u2又返回至額定值、即一半供電電壓v/2。在此獲取的第三電荷量q2另外還在時間段t32至t33中由第一電容c1獲取。

特別是，數據處理單元12保持激活的階段——例如可以在時刻t12和t14或時刻t31和t33之間——非常短，例如200納秒。在這一點上要注意，時間未按比例畫出。特別是，例如時間段t11至t12可以在非常長的時間段、特別是小時、天或甚至周上延伸。這一點例如在下述情況下如此：具有這種監測裝置的電池單體所安裝的機動車在較長的時間上停止。

圖4示出了長時間漂移的情況，其中兩個電容c1和c2具有不同程度的自放電。尤其是兩個電容c1、c2之一比所需更高的補償電流，且另一個電容獲得了比所需更低的補償電流。因此兩個電壓u1和u2偏離于額定值、即一半供電電壓v/2而彼此漂移開。在此，第一電壓u1在時刻t42達到上閾值，因此產生觸發脈沖15。數據處理單元12借助在第二電容c2上偏離的第二電壓u2識別出，不應進行存儲。這種不規則的自放電例如可能由于溫度影響或類似影響而產生。將補償電流不匹配地分配給兩個電容c1和c2現在以下述方式校正，由第二電容獲取的第四電荷量q3現在以相反的極性輸入到第一電容c1中。

所述實施例僅用于闡述本發明并且沒有對其構成限制。特別是，之前闡述的電路技術布置可以任意修改，而沒有背離本發明的構思。

如上所述，能量存儲器、特別是電池單體的狀態信息的監控可以并非基于時間，而是基于能量單位，以非常節能的方式實現。