專利名稱：用于蓄電池組的保護電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于由蓄電池組中的大量單電池單元組成的裝置的保護電路，其中預先給定數量的單電池單元串聯成電池單元排。
背景技術：
由例如以化學方式基于鋰的電池單元組成的這種蓄電池組裝置在手持工作設備中被使用并且應該在高功率情況下確保經由蓄電池組供以能量的設備的長運行持續時間。大的電池單元聯合體僅與其最弱的電池單元一樣好；如果一個單電池單元比另一單電池單元更快速地老化，則包含較弱的電池單元的電池單元排總體上受影響，尤其是可能有限制整個蓄電池組的效率的均衡電流在蓄電池組內流動。如果存在有缺陷的電池單元，則即使在蓄電池組上不施加外部負載，均衡電流也可能在蓄電池組內流動。好的單電池單元由此具有較高的自放電。
發明內容
本發明所基于的任務是，這樣構造用于由蓄電池組中的大量單電池單元組成的裝置的保護電路，使得無需費事的監控就可以快速地和可靠地識別整個電池單元裝置中的單電池單元的失靈。該任務根據權利要求1的特征來解決。如果存在至少兩個彼此并聯的電池單元排并且在該排的單電池單元之間分別設置電池單元連接器，則在單電池單元之間處于一個電池單元排的一個位置處的電池單元連接器經由均衡線路與處于并聯的電池單元排的相同位置處的電池單元連接器電連接。在所述一個電池單元排的所述一個位置處的、與均衡線路連接的電池單元連接器的電勢作為第一測量參量被檢測。在所述并聯的電池單元排的所述相同位置處的、與均衡線路電連接的電池單元連接器的電勢同樣作為測量參量被檢測。所檢測的電勢被輸送給分析單元并且適宜地在該分析單元中被分析，其中分析結果允許對電池單元排的該位置處的有缺陷的電池單元做出判斷。如果并聯的電池單元排的單電池單元的強度大致相同并且處于相同的狀況，則在如在靜止狀態下的負載情況下無值得注意的電流經由均衡線路流動。因此，在所述一個排中的位置“2”處的電池單元連接器的電勢與所述并聯的電池單元排的處于相同位置“2”處的電池單元連接器的電勢相同，此外這些電池單元連接器經由均衡線路相互連接。如果電池單元不同強度地老化并且例如在負載下比電池單元排的其他單電池單元強度更大地損壞，則均衡電流將經由均衡線路流動，以便支持較弱的電池單元。由于在均衡線路中的均衡電流和由此在所述均衡線路的歐姆電阻上下降的電壓，相互連接的電池單元連接器的電勢將不同地變化。因此，在并聯的電池單元排的相同位置的兩個電池單元連接器之間的電勢差是均衡電流的尺度并且從而是有缺陷的單電池單元的指示符。從而通過分析所述一個電池單元排的電池單元連接器的電勢連同另外的電池單元排的電池單元連接器的相應電勢，可以生成例如可以被用于關斷蓄電池組的信號。在實踐中表明，在十個和更多的一個接一個成排的單電池單元的大電池聯合體情況下對所有電池單元連接器的電勢的相繼詢問需要大約10至150ms的時間間隔。對電池單元連接器的右邊和左邊的兩個待比較的電勢的詢問也處于I和25ms之間。在對相應的電池單元連接器的電勢的詢問的時間間隔中，單電池單元的電負荷可能變化；但是電負荷的變化導致電池單元連接器自身處的電勢變化，使得所檢測的電勢不再能夠容易地相互比較。因此按照本發明的一種改進方案規定，通過與預先給定的因子相乘對所檢測的電勢進行加權或因子分解。加權因子根據在測量時刻的電負荷來確定并且相應地用該因子對所測量的電勢進行加權。通過在測量時刻所確定的因子可以與在測量時刻的電負荷無關地對所有所檢測的電勢直接進行相互比較和分析。電池單元連接器處的由于電負荷出現的電勢變化不會使所述分析失真。除了根據當前電負荷對電勢進行加權或因子分解之外，也可以根據測量的時刻、根據在蓄電池組中的電池單元聯合體的對稱或非對稱的結構或者根據蓄電池組的對稱或非對稱的成把電纜來選擇因子。以簡單的方式對處于并聯的電池單元排中的相同位置處的電池單元連接器的所檢測的(和適宜地因子分解的)電勢直接相互比較并且有利地通過減法來推導差電壓，所述差電壓的大小可以直接被考慮用于關斷蓄電池組。如果差電壓超過閾值，則發出用于關斷蓄電池組的信號。有利地，在蓄電池組的外殼中設置分析單元，所述一個電池單元排的與均衡線路連接的電池單元連接器的電勢和并聯的電池單元排的相應的電池單元連接器的所檢測的電勢被輸送給所述分析單元。該分析單元可以被構成為微處理器并且經由相應的算法來對分別檢測的電勢進行分析。在電池單元排中所設置的單電池單元可以被構造為電池單元塊，其中電池單元塊由至少一個單電池單元組成并且電池單元連接器形成電池單元塊的電端子極。電池單元塊也可以由多個單電池單元組成，所述單電池單元例如具有以并聯電路方式共同的電池單元連接器作為端子極。但是在電池單元塊內，單電池單元也可以以串聯電路或以由并聯電路和串聯電路組成的組合布線。有利地，蓄電池塊具有多于兩個的電池單元排，所述電池單元排彼此電并聯。所有處于并聯的電池單元排的相同位置處的電池單元連接器有利地經由均衡線路相互電連接。在由多個電池單元排組成的這種并聯電路內，該并聯電路的最后的電池單元排和該并聯電路的第一電池單元排的電池單元連接器的電勢被檢測和分析。這些電池單元排適宜地是并聯電路的外部電池單元排。用于關斷蓄電池組的開關適宜地處于蓄電池組的外殼中，使得在由于有缺陷的單電池單元而關斷之后防止蓄電池組重新投入運行。為了關斷蓄電池組適宜地設置電子開關、尤其是MOSFET。
本發明的其他特征由其他權利要求、說明書和附圖得出，在所述附圖中示出本發明的下面詳細描述的實施例。其中: 圖1以示意圖示出蓄電池組的電等效電路圖，
圖2以示意圖示出根據圖1的蓄電池組的電池單元塊，
圖3示出用于分析所檢測的電勢的圖表，
圖4以示意圖示出在另外的實施中蓄電池組的電等效電路圖。
具體實施例方式在根據圖1的實施例中示出蓄電池組1，其由大量電池單元塊2、3構建。在所示的實施例中，相同數量的電池單元塊2或3分別串聯成電池單元排A、B、C或D。電池單元排
A、B、C和D彼此并聯并且以其端部與蓄電池組I的端子極15或16連接。在端子極15、16之間有外部的供應電壓Uv。在該實施例中，電池單元排A、B、C或D分別由十個電池單元塊2或3組成，所述電池單元塊串聯成排。在此，分別五個電池單元塊2、3形成一個結構單元18。電池單元行A、
B、C和D的結構單元18通過線路段、尤其是電纜13相互電連接。在圖2中示例性地再現電池單元塊3。在所示的實施例中，電池單元塊3由三個單電池單元4組成，這些單電池單元電連接成并聯電路并且它們的端子分別與電池單元連接器Z連接，所述電池單元連接器形成電池單元塊3的相應的端子極5、6。如圖1所示，電池單元塊2僅由兩個處于并聯電路中的電池單元4形成；電池單元塊也可以僅由一個單電池單元形成，如在圖4中示意性再現的。但是適宜地，電池單元塊2、3由多個以并聯電路和/或以串聯電路電布線的單電池單元4組成。在根據圖1的實施例中由四個并聯的電池單元排A、B、C、D組成的蓄電池組I配備有大量均衡線路，所述均衡線路一般化地用Lna，Lnb, Lnc表示，其中η是自然數，所述自然數在所示的實施例中可以采用數字“O”至“10”。均衡線路Lna，Lnb, Ln。被設置為在電池單元排A、B、C和D之間的電橫向連接。在所示實施例中的蓄電池組具有十個串聯成排的單電池單元并且從而提供36伏特的供應電壓。如果希望更高的供應電壓，例如72伏特，則二十個單電池單元一個接一個地成排；于是數字η處于0<η 5; 20的范圍中。在所示的實施例中，在排A、B、C、D的單電池單元4之間或電池單元塊2或3之間存在電池單元連接器，其不僅彼此并聯地連接電池單元塊2、3的單電池單元4并且同時作為根據圖4的線路段12連續地建立電池單元塊2、3的排的電連接。如在圖1中所示，電池單元排A具有電池單元連接器ZQa，Zla, Z2a, Z3a, Z4a, Z5a, Z6a, Z7a, Z8a, Z9a, Zltla，其下面也稱為電池單元連接器Zna (0<Π<10)ο相應地，電池單元排B在電池單元塊3之間具有電池單元連接器Znb，也即電池單元連接器ZQb，Zlb, Z2b, Z3b, Z4b, Z5b, Z6b, Z7b, Z8b, Z9b, Zlob,其一般化地用Znb (0<n < 10)表示。在電池單元排C的電池單元塊3之間的電池單元連接器用zn。，也即 Ztlc, Zlc, Z2c, Z3c, Z4c, Z5c, Z6c, Z7c, Z8c, Z9c, Z10c 表示并且一般化地用 Znc (O < Il < 10)稱呼。電池單元行D的電池單元連接器用附圖標記Znd (O <n< If))、也即ZQd，Zld, Z2d, Z3d,z4d, Z5d, Z6d, Z7d, Z8d, Z9d, Zltld表示。在具有72伏特供應電壓的蓄電池組情況下設置二十個電池連接器Zna (0<n < 20)、二十個電池連接器Znb (0<n < 20)、二十個電池連接器Zn。
(0<n< 20)和二十個電池連接器Znd (O S n S 20)。相應地，均衡線路Lna，Lnb, Lnc處于電池單元連接器之間，其中O S n S 20。電池單元連接器Zla在電池單元排A中處于與電池單元排B中的電池單元連接器Zlb、電池單元排C中的電池單元連接器Z1。和電池單元排D中的電池單元連接器Zld相同的第一位置處。因此相應地，電池單元排A的每個電池單元連接器Zna處于與電池單元排B中的電池單元連接器Znb、電池單元排C中的電池單元連接器Zn。或者電池單元排D的電池單元連接器Znd相同的第η位置處。均衡線路Lna，Lnb和Ln。分別將電池單元排A、B、C和D的處于電池單元排中相同的第η位置處的電池單元連接器Zna，Znb, Znc和Znd相互連接。因此，處于電池單元排的第六位置處的電池單元連接器Z6a經由均衡線路L6a與處于電池單元排B中第六位置處的電池單元連接器Z6b連接，所述電池單元連接器Z6b自身經由均衡線路L6b與電池單元排C的處于電池單元排C的第六位置處的電池單元連接器Z6。連接。電池單元連接器Z6。另外經由均衡線路L6。與處于電池單元排的第六位置處的電池單元連接器Z6d連接。因此關于在圖1中所示的示意性電路圖，處于電池單元排A、B、C、D中第η位置處的電池單元連接器分別經由均衡線路Lna，Lnb, Ln。與相鄰排的處于相同的第η位置處的電池單元連接器連接。因此，電池單元連接器Ζ7。與相鄰電池單元排B和D的處于相同位置處的電池單元連接器Z7b和Z7d經由均衡線路L7b和L7。相連接。相應地，例如電池單元排B的電池單元連接器Z2b經由均衡線路L2a和L2b與處于電池單元排A和C的相同位置處的相鄰電池單元連接器Z2a和Z2。相連接。一般而言，處于在電池單元 塊2或3之間電池單元排A、B、C或D的第η位置處的電池單元連接器Zna，Znb, Znc, Znd經由均衡線路Lna，Lnb, Lnc與處于并聯的電池單元排A、B、C或D的相同的第η位置處的電池單元連接器Zna，Znb, Znc, Znd電連接。蓄電池組I的在圖1中所示的并聯電路具有外部電池單元排A和D以及內部電池單元排B和C。內部電池單元排B和C的電池單元連接器Znb和Zn。分別與處于一個電池單元排的相同側上的、相鄰電池單元排的電池單元連接器電連接。外部電池單元排A和D的電池單元連接器Zna和Znd形成電勢點20至29或30至39，其中抽取處于電勢點之間的電壓
UI r,U3r, IXlr, Uir, Ufcr, U r, Usr, U|(.1r (Ullr 11: H S 10)或
Uu., U2“ U.m., U4L, Ust , Ui；1., U r, Uki , H U亂(Unt 1< n < 10)。因此在蓄電池組的左側上的電勢點20至29 (也即電池單元排A的電勢點20至29)的電勢經由信號線路120被輸送給分析單元10。相應地，在并聯電路右側上的電勢點30至39 (也即外部電池單元排D的電勢點30至39)的電勢經由信號線路130被輸送給分析單元10。在分析單元10內對所檢測的電壓L1.或所檢測的電勢進行分析并根據分析的結果生成信號。在此情況下可能適宜的是，例如根據測量時刻、蓄電池組在測量時刻的電負荷、蓄電池組的構造性結構(對稱的、非對稱的)或者在蓄電池組中電布線的實施(對稱的、非對稱的)，在分析之前對分別檢測的電^!進行因子分解。作為分析的結果所生成的信號優選地作為控制信號經由控制線路41被輸送給斷路器40，該斷路器40在所示的實施例中設置在蓄電池組I的正端子極16中。補充地或替換地也可以在負端子極15中設置斷路器43，該斷路器43經由控制線路42由分析單元10操控。斷路器40和43布置在蓄電池組的外殼7中并且用于在分析單元10基于所檢測的電勢Um和Unl的偏差生成信號并且經由控制線路41或42輸出時關斷整個蓄電池組I。優選地，斷路器40或43被設置為電子開關44，尤其是被構造為M0SFET。在蓄電池組運行中，均衡電流可以經由均衡線路L,la, Lttb, L,w流動，以便均衡單電池單元4中的不相等的電荷量。這些均衡線路Lm, Lnh, Llic這樣被設計，使得所述均衡線路可以可靠地弓I導在正常運行中出現的均衡電流。均衡線路L,w, Lllb和Lw有利地這樣被構成，使得所述均衡線路同時用作在電池
單元排或電池單元塊之間的保險裝置。如果均衡電流在正常運行中處于允許的極限內，則在電池單元塊之間進行這種電荷分布，即在這些電池單元塊中基本上存儲大致相同的電荷。因此，電勢點20至29處的電勢將分別對應于電勢點30至39處的相應的電勢。分析單
元10因此將在并聯電路的左側上在電勢點20至29處檢測電壓U i,其大致對應于在并聯
電路的右側上在電勢點30至39之間可確定的電壓Ultf。如果例如電壓U4,.大致與電壓U4I
一樣大，則可以認為，在電池單元排A、B、C、D中處于第四位置處的電池單元塊Z4a, Z4Ih 24c
和2.按規定地工作。
而如果僅在一個單電池單元4’中出現缺陷，例如在電池單元排C的第三電池單元塊3’中，則提高的均衡電流將經由均衡線路L2b或L2。和L3b或L3。流動。因為均衡線路有利地同時被構造為保險裝置，所以在太高的電流情況下例如均衡線路L3b被熔化。因此在圖3中假設均衡線路L3b的中斷50。由于沒有均衡電流經由均衡線路L3b流動，第三電池單元塊3’的充電狀態將比剩余的電池單元塊2、3更快地變化。但是由此電勢點33中的電勢相對于并聯電路的左側上的電勢點23的電勢改變。因此，分析單元10可以基于相應的電勢點20至29或30至39的經由信號線路120、130輸送的電勢識別出:處于電勢點32和33之間的電壓與在并聯電路的另一側上在電勢點23和22之間測量的電壓有偏差。基于該偏差生成作為控制信號操作蓄電池組中的開關40或43的信號。蓄電池組I被關斷。單電池單元的進一步的損壞得以避免。以簡單的方式將處于相同的第η位置處的電池單元連接器的所檢測的電勢1人 .和
U,,I直接相互比較并且形成差電壓MJ,其中將所述差電壓永久地與閾值Us比較(圖3)。在蓄電池組中，閾值Us優選地處于大約10至150mV。如果差電壓《I在時刻T超過閾值Us,則生成例如導致蓄電池組關斷的信號。差電壓AU的在圖3中所示的波動可以歸因于在均衡線路中的在運行中流動的均衡電流；只有當均衡電流變得太大或者均衡線路根據其作為保險裝置的特性被中斷時，差電壓MJ才增長超過閾值Us并且導致蓄電池組I關斷。在該實施例中，單電池單元4在化學上基于鋰；有利地，單電池單元4是鋰離子電池單元,鋰聚合物電池單元，LiFE電池單元或者諸如此類電池單元。單電池單元4也可以具有其他化學結構，例如NiCcUNiMh等。在圖4中所示的蓄電池組I示出由大量單電池單元4組成的裝置的另一實施例，其中對于相同的部分使用與在圖1中相同的附圖標記。對于各電池單元排A、B、C設置五個單電池單元4，其中在每個電池單元排A、B、C中可以布置電子開關45，所述電子開關經由控制線路46由分析單元10控制。排A、B、C的單電池單元4經由線路段12連接；在根據圖1的實施例中，線路段12通過電池單元連接器Z1*, ZtlC3 Z_ Z, i形成。根據在圖1中的實施例，外部排A和C的電池單元電壓被檢測，為此電勢點21至25或31至35經由信號線路120、130與分析單元10連接。負載電流乙在端子極15、16的開關40或43的內阻上導致可測量的電壓降隊；該電壓降隊可以被檢測并作為運行參量輸送給`分析單元10。
權利要求
1.一種用于由蓄電池組(I)中的大量單電池單元(4)組成的裝置的保護電路，其中預先給定數量的單電池單元(4)串聯成電池單元排(A，B, C，D)并且至少兩個電池單元排(A，B，C，D)彼此并聯，并且至少一個在單電池單元(4)之間處于一個電池單元排(A，B, C，D)的一個位置處的電池單元連接器(Zna，Znb, Znc, Znd)經由均衡線路(Lna，Lnb, Lnc)與處于并聯的電池單元排(A，B, C，D)的相同位置處的電池單元連接器(Zna，Znb, Znc, Znd)電連接，并且所述一個電池單元排(A)的所述一個位置的與均衡線路(Lna，Lnb, Lnc)連接的電池單元連接器(Zna, Znb, Znc, Znd)的電勢(Um)以及所述并聯的電池單元排(A，B，C，D)的所述相同位置處的與均衡線路(Lna，Lnb, Lnc)電連接的電池單元連接器(Zna，Znb, Znc, Znd)的電勢(Unl)被檢測并且所檢測的電勢(Um，Unl)被輸送給分析單元(10)。
2.根據權利要求1的保護電路，其特征在于，根據分析的結果生成信號。
3.根據權利要求1的保護電路，其特征在于，通過與預先給定的因子相乘來對所檢測的電勢(Um，Unl)加權。
4.根據權利要求1的保護電路，其特征在于，將所檢測的電勢(Unr,Unl)直接相互比較。
5.根據權利要求1的保護電路，其特征在于，從所述并聯的電池單元排(A，B,C，D)的所述相同位置處的電池單元連接器(zna，Znb, Znc, Znd)的所檢測的電勢(Um，Unl)推導差電壓(AU)，并且與預先給定的閾值(Us)相比較，其中根據閾值(Us)的超過生成信號。
6.根據權利要求1的保護電路，其特征在于，電池單元排(A，B,C，D)布置在蓄電池組(10)的外殼(7)中并且在外殼(7)中設置分析單元(10)，其中所述一個電池單元排(A，B，C，D)的與均衡線路(Lna，Lnb, Lnc)連接的電池單元連接器(Zna，Znb, Znc, Znd)的電勢(Unr, Unl)和并聯的電池單元排(A，B, C，D)的電池單元連接器(Zna，Znb, Znc, Znd)的所檢測的電勢(Unl)被輸送給分析單元(10)。
7.根據權利要求1的保護電路，其特征在于，至少一個單電池單元(4)形成電池單元塊(2，3 )并且電池單元連接器(Z )形成電池單元塊(3 )的電端子極(5，6 )。
8.根據權利要求7的保護電路，其特征在于，電池單元塊(2，3)由多個單電池單元(4)組成，所述單電池單元以并聯電路和/或串聯電路電布線。
9.根據權利要求1所述的保護電路，其特征在于，多于兩個的電池單元排(A，B,C，D)彼此并聯地處于蓄電池組(I)中并且所有處于并聯的電池單元排(A，B，C，D)的相同位置處的電池單元連接器(Zna，Znb, Znc, Znd)經由均衡線路(Lna，Lnb, Lnc)彼此電連接。
10.根據權利要求9的保護電路，其特征在于，對并聯電路的第一電池單元排(A)的電池單元連接器(Zna)的電勢(Unl)和并聯電路的最后的電池單元排(D)的電池單元連接器(Znd)的電勢(Unl)進行檢測和分析。
11.根據權利要求1的保護電路，其特征在于，從所測量的電勢(Unr,Unl)生成作為控制信號被考慮用于關斷蓄電池組(I)的信號。
12.根據權利要求11的保護電路，其特征在于，在蓄電池組(I)的外殼(7沖布置用于關斷蓄電池組(I)的開關(40，43)。
13.根據權利要求12的保護電路，其特征在于，開關(40)是電子開關(44)。
14.根據權利要求13的保護電路，其特征在于，所述開關(40)是MOSFET。
15.根據權利要求1的保護電路，其特征在于，均衡線路(1^，1^，1^。)被設計為保險裝置。
16.根據權利要求1的保護電路，其特征在于，單電池單元(4)是化學地基于鋰的電池單元。
17.根據權利要求16的保護電路，其特征在于，單電池單元(4)是鋰離子電池單元。
全文摘要
本發明涉及用于由蓄電池組中的大量單電池單元組成的裝置的保護電路，其中預先給定數量的單電池單元串聯成電池單元排并且至少兩個電池單元排彼此并聯，并且至少一個在單電池單元之間處于一個電池單元排的一個位置處的電池單元連接器經由均衡線路與處于并聯的電池單元排的相同位置處的電池單元連接器電連接，并且所述一個電池單元排的所述一個位置的與均衡線路連接的電池單元連接器的電勢以及所述并聯的電池單元排的所述相同位置處的與均衡線路電連接的電池單元連接器的電勢被檢測并且所檢測的電勢被輸送給分析單元。
文檔編號H02H7/18GK103208785SQ20121056105
公開日2013年7月17日 申請日期2012年12月21日 優先權日2011年12月22日
發明者G.利布哈德, H.高爾 申請人:安德烈亞斯 . 斯蒂爾兩合公司