描述了一种具有多个蓄电池单元(11)的蓄电池，所述多个蓄电池单元设置为，通过驱控耦合电路(12)来与蓄电池组(13)接通或桥接。蓄电池还具有用于通过驱控信号来驱控耦合电路(12)的驱控装置(15)。所述驱控装置(15)设置为，借助于脉宽调制信号(14、PWM1、PWM2)进行对耦合电路(12)的驱控。借助于配置给蓄电池单元(11)的加权电路(21)如此地处理脉宽调制信号(14、PWM1)的预定参数以产生加权的脉宽调制信号(PWM2)，从而通过相应的加权的脉宽调制信号(PWM2)的占空比确定相应的蓄电池单元(11)的平均接通时间。此外描述了一种相应的用于调节具有多个蓄电池单元(11)的蓄电池的蓄电池电压的方法。
1.具有多个蓄电池单元(11)的蓄电池，所述多个蓄电池单元设置为，通过驱控多个耦合电路(12)来与蓄电池组(13)接通或桥接，其中所述蓄电池具有用于通过驱控信号来驱控所述多个耦合电路(12)的驱控装置(15)，其特征在于，所述驱控装置(15)设置为，借助于脉宽调制信号(14、PWM1、PWM2)进行对所述多个耦合电路(12)的驱控并且借助于配置给所述多个蓄电池单元(11)的多个加权电路(21)来处理脉宽调制信号(PWM1)的预定参数以产生加权的脉宽调制信号(PWM2)，从而通过相应的加权的脉宽调制信号(PWM2)的占空比来确定相应的蓄电池单元(11)的平均接通时间，并且所述多个蓄电池单元(11)如此平均地接通到所述蓄电池组(13)，以便将蓄电池电压调节至期望的额定电压。
2.根据权利要求1所述的蓄电池，其中，对于所述蓄电池的每个蓄电池单元(11)或每个蓄电池模块，所述蓄电池分别包括一个加权电路(21)，并且所述多个加权电路(21)分别设置为根据所述蓄电池和/或各个蓄电池单元的运行参数(23、24)匹配脉宽调制信号(14、PWM1)的预定参数。
3.根据权利要求2所述的蓄电池，其中，所述蓄电池还包括中央调节单元，所述中央调节单元设置为，基于由所述蓄电池产生的蓄电池电压与所述期望的额定电压的比较产生所述脉宽调制信号(14、PWM1)的预定参数；并且所述蓄电池还包括信号传输连接(18)，所述信号传输连接设置为，将所产生的预定参数直接作为预定的脉宽调制信号(14)或作为有关所述预定的脉宽调制信号(14、PWM1)的模拟或数字信息传送到所述蓄电池单元(11)。
4.根据权利要求3所述的蓄电池，其中，所述蓄电池配备有测量和分析电子装置，所述测量和分析电子装置设置为，确定用于匹配所述多个加权电路(21)的脉宽调制信号(14、PWM1)的、待使用的运行参数(23、24)的当前值并且将所述当前值传输到所述多个加权电路(21)。
5.根据权利要求4所述的蓄电池，其中，所述测量和分析电子装置包括用于确定蓄电池电流的电流方向(22)的装置以及用于确定充电状态(SOC、 σSoc)、寿命状态(SOH、σSoH)、和/或计算的品质因子( σGF)的值的装置，对于所述各个蓄电池单元(11)所述值是所有蓄电池单元(11)的平均值或者是有关所述蓄电池单元(11)的分布。
6.根据权利要求5所述的蓄电池，其中，所述多个耦合电路分别包括半导体开关以及驱动开关电路(20)，并且所述多个加权电路(21)分别通过蓄电池单元自身的并且与所述测量和分析电子装置和所述中央调节单元连接的微控制器(16)来实施，所述微控制器分别包括具有用于实现加权函数(W(x))的命令的存储器。
7.根据权利要求6所述的蓄电池，其中，所述半导体开关包括以半桥配置(19)或全桥配置方式设置的半导体开关。
8.根据权利要求6所述的蓄电池，其中，所述微控制器(16)经由通信总线与所述测量和分析电子装置和所述中央调节单元连接。
9.用于调节具有多个蓄电池单元(11)的蓄电池的蓄电池电压的方法，其中所述多个蓄电池单元(11)设置为，通过驱控耦合电路(12)选择性地来与蓄电池组(13)接通或桥接，其特征在于，借助于脉宽调制信号(PWM1、PWM2)通过分别使用对于脉宽调制信号(PWM1、PWM2)的占空比各自匹配的加权来实现对所述耦合电路(12)的驱控，从而通过加权的脉宽调制信号(PWM2)的占空比确定每个蓄电池单元(11)的平均接通时间，并且所述多个蓄电池单元(11)如此平均地接通到所述蓄电池组(13)，以便将所述蓄电池电压调节至期望的额定电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，由加权函数(W(x))确定加权，充电状态(SOC)以及蓄电池电流的电流方向(22)和/或所述蓄电池的其他运行参数(23、24)输入到所述加权函数中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述充电状态(SOC)包括相应的待连接的蓄电池单元(11)的充电状态(SOC)。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，为每个蓄电池单元(11)确定所述蓄电池单元(11)是否位于在低充电状态(SOC)或高充电状态(SOC)，其中，如果所述蓄电池单元(11)位于低充电状态(SOC)则在所述蓄电池单元(11)放电的情况下减小所述脉宽调制信号(PWM2)的预定的占空比，从而更小幅度地切换所述蓄电池单元(11)，相反在所述蓄电池单元(11)充电的情况下提高所述占空比；并且其中，如果所述蓄电池单元(11)位于高充电状态(SOC)，则在所述蓄电池单元(11)放电的情况下提高所述占空比，并且在所述蓄电池单元(11)充电的情况下减小所述占空比。
13.机动车，所述机动车包括电动机以及根据权利要求1至8之一所述的用于给所述电动机供电的蓄电池。
蓄电池和用于通过脉宽调制信号调节蓄电池电压的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种具有多个蓄电池单元的蓄电池，所述多个蓄电池单元设置为，通过驱控耦合电路来与蓄电池组接通或桥接，其中所述蓄电池具有用于通过驱控信号来驱控耦合电路的驱控装置。此外本发明涉及一种用于调节蓄电池的蓄电池电压的方法。
背景技术
[0002] 不言而喻，在将来不仅在静止应用而且在车辆中例如混合动力车辆和电动车辆中越来越多地采用蓄电池系统。为了能够满足对于相应的应用所提出的对电压和可提供的功率的要求，将大量蓄电池单元串联连接，由此形成提供蓄电池电压的蓄电池组。为了实现高蓄电池电流经常还附加地并联连接蓄电池单元。
[0003] 在申请者的之前申请中描述了如下蓄电池，该蓄电池具有带有可变或可调节的蓄电池电压的蓄电池组。这通过如下方式实现，其方法是激活确定数量的蓄电池单元或蓄电池模块，从而其总电压相应于蓄电池电压的期望的额定值，其中解除或桥接其他的不需要的蓄电池单元。按照现有技术，为此通过微控制器进行对蓄电池单元的耦合电路的驱控，其中微控制器典型地越过电隔离与中央控制装置通信。耦合电路能够通过半导体开关特别是MOSFET晶体管以及各个相应的驱动开关电路实现。半导体开关能够以半桥设置或全桥设置的方式设置。此外多个耦合电路中的每个能够被设置用于接通单个蓄电池单元或具有多个蓄电池单元的蓄电池模块。在此必须通过通信接口或通过信号传输连接(通信总线)由中央控制装置告知相应的耦合电路是否应该接通或桥接蓄电池单元或蓄电池模块或者哪个晶体管应该接通而哪个不应该接通。
[0004] 然而对此不利地是需要的高通信成本，如果通过耦合单元连接的蓄电池模块或蓄电池单元的数量减小以便实现蓄电池电压的细微的电压分级，高通信成本将以特别高的程度出现。高的通信成本特别是源于如下要求，即为了获得足够鲁棒和有效的蓄电池系统，一般必须实时寻址和连接蓄电池单元或蓄电池模块。
发明内容
[0005] 按照本发明提供一种具有多个蓄电池单元的蓄电池，其中所述蓄电池单元设置为，通过驱控耦合电路选择性地与蓄电池组接通或桥接。所述蓄电池具有用于通过驱控信号来驱控耦合电路的驱控装置，其中所述驱控装置设置为，借助于脉宽调制信号进行对耦合电路的驱控。在此，借助于配置给蓄电池单元的加权电路如此处理脉宽调制信号的预定参数(Vorgabe)以产生加权的脉宽调制信号，从而通过加权的脉宽调制信号的占空比确定相应的蓄电池单元的平均接通时间。
[0006] 此外提供了一种用于调节具有多个蓄电池单元的蓄电池的蓄电池电压的方法，其中借助于脉宽调制信号通过分别使用对于脉宽调制信号的占空比各自匹配的加权来实现对耦合电路的驱控。在此通过加权的脉宽调制信号的占空比确定每个蓄电池单元的平均接通时间，并且所述蓄电池单元如此平均地接通到所述蓄电池组，以便将所述蓄电池电压调节至期望的额定电压。
[0007] 作为本发明的优点能够实现大幅减小通信成本，因为能够使用脉宽调制信号的一个同样的预定参数来驱控全部的耦合单元。同时本发明允许蓄电池的高度可扩展性，因为通过用于每个蓄电池单元的加权电路能够实现尽可能自给自足的调节功能。通过由脉宽调制信号的占空比来确定每个蓄电池单元的平均接通时间，将首先实现蓄电池电压简单的中央的调节。此外能够通过按照本发明的两级式调节——其中首先在中央实现预定参数并且紧接着在局部实施加权——例如对衡的控制也根据加权电路的设置直接在蓄电池单元实施，而无需单个地通过中央控制装置预定或控制每个蓄电池单元的平衡。在此实现了如下，即调节总蓄电池电压，而无需将所有蓄电池单元电压传输到中央控制装置和/或无需在那儿关于如下决定进行分析，该决定是对于蓄电池组应该接通和桥接哪些蓄电池单元。
[0008] 优选地，对于蓄电池的每个蓄电池单元，具有加权电路。由此能够实现蓄电池的特别高的可扩展性同时实现可调节的蓄电池电压的特别精细的分级。在其他实施形式中逐蓄电池模块地设有加权电路。
[0009] 按照本发明的一个有利的实施形式，多个加权电路分别设置为根据所述蓄电池和/或各个蓄电池单元的运行参数匹配脉宽调制信号的预定参数。
[0010] 因此能够确保蓄电池电压的可靠的并且按情况匹配的调节。
[0011] 此外，所述蓄电池还包括中央调节单元，所述中央调节单元设置为，基于由所述蓄电池产生的蓄电池电压与预定的额定电压的比较产生所述脉宽调制信号的预定参数。
[0012] 由此实现了蓄电池电压的不依赖于蓄电池单元的充电状态的有效调节。这特别是由此实现，即例如在蓄电池单元的更高的平均充电状态的情况下通过中央调节单元能够产生另一脉宽调制信号，其具有较低的占空比(“Duty-Cycle”)用于接通蓄电池单元。
[0013] 按照本发明的一个实施形式，所述蓄电池还具有信号传输连接，所述信号传输连接设置为，将所产生的预定参数直接作为预定的脉宽调制信号传送到所述多个加权电路。
[0014] 备选地可能的是，通过信号传输连接将关于预定的脉宽调制信号的模拟或数字信息传送到多个加权电路。按照一个优选实施形式，信号传输连接构成为用于传输数字信号的通信总线。
[0015] 此外优选地，所述蓄电池配备有用于确定运行参数的当前值的测量和分析电子装置，所述当前值用于匹配多个加权电路的脉宽调制信号。在此，确定越多的运行参数，那么在此越选择性地应用加权函数。
[0016] 此外优选地，所确定的值由使用的测量和分析电子装置传输到加权电路。通过这种测量值的直接类型的传输进一步减小了通信成本，例如在蓄电池单元或耦合单元与中央控制装置之间的通信成本。
[0017] 在其他特别的实施形式中，测量和分析电子装置的至少部分设置在蓄电池单元上。
[0018] 按照本发明的一个特别有利的改进，所述测量和分析电子装置具有用于确定充电状态、寿命状态、和/或计算的品质因子的值的装置，对于各个蓄电池单元这些值能够是所有蓄电池单元的平均值和/或有关所有的蓄电池单元的分布。
[0019] 此外优选地，也确定蓄电池电流的当前电流方向并且告知加权电路。因此能够在加权函数的计算中尤其地在每个蓄电池状态下足够考虑平衡-预定参数，而无需由中央控制装置告知该预定参数。因此尤其根据加权函数计算加权，充电状态特别是相应的待连接的蓄电池单元的充电状态以及蓄电池电流的电流方向和/或所述蓄电池的其他运行参数输入到所述加权函数中。
[0020] 根据按照本发明的方法的一个特别有利的方法能够在此设置，首先对于每个蓄电池单元确定所述蓄电池单元是否位于低充电状态或高充电状态。如果所述蓄电池单元位于在低充电状态下，则在所述蓄电池单元放电的情况下减小所述脉宽调制信号的预定的占空比。这优选地如此发生，即使得更小幅度地切换所述蓄电池单元。相反，在所述蓄电池单元充电的情况下相应地提高所述占空比。另一方面，如果所述蓄电池单元位于高充电状态，则在所述蓄电池单元放电的情况下提高所述占空比，从而大幅度地切换蓄电池单元。相反在此假如存在高充电状态，在所述蓄电池单元充电的情况下减小所述占空比。
[0021] 按照本发明的耦合电路优选通过由半导体开关组成的装置实现。优选地，应用由半导体开关组成的半桥配置。然而本发明不限于确定类型的耦合电路。耦合电路也能够设计为由半导体开关组成的全桥配置。
[0022] 按照另一有利的实施形式，所述多个加权电路分别通过蓄电池单元自身的并且尤其经由通信总线与所述测量和分析电子装置和中央调节单元连接的微控制器来实施。通过测量和分析电子装置和中央调节单元与微控制器的耦合，蓄电池单元能够通过特别有效并自给自足的方式实施对脉宽调制信号的预定参数的处理，并且此外进一步改善蓄电池的精度和可扩展性。如此借助于微控制器的相应其他的编程能够实现考虑蓄电池或蓄电池系统的边界条件的变化。特别是按照本发明的微控制器能够优选还包括具有用于实现加权函数的命令的存储器。
[0023] 根据本发明的一个方面也提供一种具有电动机的机动车，该机动车具有按照本发明的蓄电池，其中该蓄电池与电动机的驱动系统连接。按照本发明的蓄电池优选是锂离子蓄电池。
[0024] 本发明有利的改进在从属权利要求中提出并且在说明书中进行描述。
附图说明
[0025] 根据附图和以下说明进一步阐明本发明的实施例。其中：
[0026] 图1是根据本发明的第一实施形式的一个蓄电池系统，其具有由可接通的和可桥接的蓄电池单元组成的蓄电池组，所述多个蓄电池单元分别配备有一个可驱控的耦合电路并且能够通过脉宽调制信号驱控；
[0027] 图2示出了根据本发明的第二实施形式的关于按照本发明的脉宽调制信号的加权原理的方框图，该脉宽调制信号用于驱控耦合电路；
[0028] 图3示出了根据本发明的第三实施形式的关于脉宽调制信号的加权的方框图，其中与图2不同地附加地包含平均寿命状态和平均充电状态的值；以及
[0029] 图4示出了根据本发明的第四实施形式关于脉宽调制信号的加权的方框图，其中与图3不同地也还考虑充电状态和寿命状态以及品质因子的分布。
具体实施方式
[0030] 在图1中示出了根据本发明的第一实施形式的蓄电池系统10，其包括蓄电池组13，该蓄电池组具有由多个蓄电池单元11组成的串联电路，这些蓄电池单元能够分别通过耦合电路12选择性地接通和桥接。在此出于清晰显示的目的在附图中明确示出具有所属的耦合电路12的蓄电池单元11中的仅仅一个蓄电池单元。耦合电路12具有半导体电路，该半导体电路具有以半桥配置19方式设置的半导体开关。半导体开关例如是MOSFET，其通过属于耦合电路12的驱动开关电路20驱动。
[0031] 如由图1清晰可见，根据半桥配置的开关位置，蓄电池单元11能够或者位于接通状态，其中蓄电池单元11有助于蓄电池组13的蓄电池电压；或者位于桥接状态，在该状态下蓄电池单元11的至少一侧与蓄电池组13解耦。根据同时与蓄电池组接通多少个蓄电池单元11，蓄电池单元11的耦合电路12能够用于调节期望的蓄电池电压。用于驱动半桥配置19的驱动开关电路20由按照本发明的驱控装置15以脉宽调制信号14驱控。驱控装置15实施加权函数，该加权函数在此基本上以命令的形式存在于微控制器16中，该微控制器与驱动开关电路20连接。微控制器通过隔离器17与信号传输连接18连接，该信号传输连接在此构成为通信总线。信号传输连接18传输源自中央调节单元(未示出)的脉宽调制信号14，该脉宽调制信号用作用于单个地并且按照情况与各个蓄电池单元11相符的加权的预定参数和初始点。
[0032] (未示出)的中央调节单元基于通过蓄电池产生的蓄电池电压与预定的额定电压的比较产生用于脉宽调制信号14的预定参数，由此构成第一调节回路，该第一调节回路输出首先对于所有蓄电池单元11有效的然而还要进行加权的脉宽调制信号14。
[0033] 此外，通过微控制器16与蓄电池的相应测量和分析电子装置以及与中央调节单元的耦合形成加权电路21。加权函数(W(x))在此优选在微控制器16中以例如编程或固件的形式实现。在下文中，根据图2至4根据方框图阐明了按照本发明的加权函数(W(x))的原理。
[0034] 在图2中根据本发明的一个特别的实施形式示出了加权函数(W(x))或者在图1中示出的微控制器16中存储的实现加权函数(W(x))的程序的重要元素。按照该实施形式，微控制器16除了脉宽调制信号14之外也接收蓄电池或蓄电池单元的当前运行参数23、24的测量变量和/或计算的变量以及关于当前蓄电池电流的电流方向22的信息。出于简单的原因，在图2中仅仅标明了相应的程序流程，其中除了示例性的所属的按照硬件方式的连接、例如微控制器16与驱动开关电路20的连接或者驱动开关电路20与半桥设置19的连接，因为这已经在图1中给出。在图2中以PWM1表示初始的按照图1的预定的脉宽调制信号14，或者作为一个替代形式表示关于相应的预定的脉宽调制信号的信息；而以PWM2表示由微控制器16输出的加权的脉宽调制信号。
[0035] 因此使得驱动开关电路20能够在半桥配置19中按照加权的脉宽调制信号PWM2来开关半导体开关。在此根据脉宽调制信号PWM2的占空比更大幅或更小地切换涉及的蓄电池单元11。
[0036] 按照本发明因此提供一种具有独立蓄电池单元的蓄电池的改善的电压调节，其中例如能够以集成的电子装置借助于调节如此切换蓄电池单元，以使得为整个蓄电池调节期望的蓄电池电压。在此按照本发明特别是实现，不是所有蓄电池单元11以相同的占空比(“Duty Cycle”)切换(getaktet)。而是分别进行匹配，也就是加权，其中注入相关的运行参数，所述运行参数按照在图2中示出的第二实施形式一般以附图标记23、24表示。
[0037] 运行参数包括蓄电池单元的例如充电状态SOC(“State of Charge”)或者寿命状态(老化状态)SOH(“State of Health”)。因此能够(尤其是也相比于其他蓄电池单元11地)通过加权电路21处理相应的蓄电池单元11的充电状态SOC和寿命状态SOH。
[0038] 按照第二实施形式，能够例如如下进行占空比的自给自足的延长或缩短，使得具有低的充电状态SOC的蓄电池单元11在蓄电池单元的放电情况下(电流从蓄电池流出)减小占空比的值并因此更小幅度地切换。在具有高SOC的蓄电池单元11中延长占空比。此外，在所有蓄电池单元11相同充电状态的情况下，为了补偿取而代之地通过脉宽调制信号PWM1的改变的预定参数由中央调节单元实现控制，因为所有蓄电池单元以相同的方式改变占空比。因为具有低充电状态SOC的蓄电池单元在该蓄电池放电时应该仅仅较短地接通，在蓄电池充电时相应更长地接通，所以电流方向22或者通过蓄电池单元电子装置自身确定或者例如通过协议告知，该协议也传送脉宽调制信号PWM1的预定参数。
[0039] 在图3中示出了根据本发明的第三实施形式的加权函数(W(x))的扩展，其中每个单个的蓄电池单元11的平均充电状态 ——该平均充电状态由蓄电池的总性能和总电压已知——和/或平均寿命状态 同样通过通信协议告知。
[0040] 在图4中示出了本发明的第四示例性的实施形式，其中也考虑充电状态和寿命状态的分布σSoc、σSoH。在此能够在集中地分析所有蓄电池单元电压以用于确定方差，然而分布σSoc、σSoH例如也能够通过最小和最大充电状态SOC或寿命状态SOH或者例如通过蓄电池组13中的最小和最大存在的电压确定。
[0041] 此外按照第四实施形式也利用另外的品质因子GF，该品质因子输入到加权函数(W(x))中并且考虑其平均值 和在各个蓄电池单元上的分布σGF。这样的品质因子例如能够由蓄电池单元电压、充电状态SOC、充电状态SOC、蓄电池单元的内阻、蓄电池单元温度、蓄电池单元内部压力、蓄电池电流或其他物理测量变量确定。
[0042] 除了本发明的前述书面公开，明确地为了补充所述公开也应该涉及附图中本发明的图示。
