鋰離子蓄能器和確定通過鋰離子蓄能器的通過電流的方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子蓄能器和用于測量通過鋰離子蓄能器的通過電流的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子蓄能器具有高的電池電壓和良好的存儲能量和重量之比，并且因此適合于移動應用，特別適合于電驅(qū)動的車輛。鋰離子蓄能器經(jīng)常以纏繞的結(jié)構(gòu)形式制造，其中卷繞一種平面的材料，該材料包括兩個平面的電極、以及一個分離器，該分離器將所述電極彼此電氣隔離。所述電極典型地包括金屬集電極，該金屬集電極優(yōu)選地雙側(cè)用電極材料涂覆。典型地在陰極電極中使用鋁膜和在陽極電極中使用銅膜作為金屬集電極。通常該分離器在電極之間用離子輸送劑浸透，該離子輸送劑能夠?qū)崿F(xiàn)離子通過該分離器的通路。
[0003]鋰離子蓄能器作為電池組和蓄電池已知。另外已知，用多個不同的傳感器、例如具有分流電阻的傳感器或者用霍爾傳感器測量從鋰離子蓄能器輸出的電流。除了用于直接的通過電流的測量裝置外存在多個其他的傳感器和/或理論模型，用它們能夠檢測鋰離子蓄能器的特性。為此典型地用傳感器檢測蓄能器的一些確定的特性并且根據(jù)所檢測的值應用理論模型，以便推斷出蓄能器的電氣特性或者狀態(tài)。
[0004]EP 2442400 Al公開了一種基于鋰技術(shù)的具有位于內(nèi)部的參考電極的電化學電池。該參考電極被嵌入到分離器內(nèi)，使得在該參考電極和該電池的常規(guī)電極中的每一個之間構(gòu)成參考電池。通過確定兩個代表蓄能器的半電池的參考電池的特性，能夠獲得關(guān)于這些半電池中的每一個的信息并且因此也獲得關(guān)于整個蓄能器的信息。在此要么測量整個電池的電流，或者通過其他的參數(shù)和理論模型推斷出蓄能器的狀態(tài)。引入到分離器中的附加的電極在該位置阻礙離子流動并且?guī)黼姌O短路的危險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明建議:給鋰離子蓄能器配備測量電池、主電池和測量設備，使得能夠借助測量電池測量通過主電池的電流的強度。
[0006]在根據(jù)本發(fā)明的鋰離子蓄能器中陽極和陰極中的至少一個被分成彼此電氣隔離的主段和測量段，由此產(chǎn)生蓄能器的測量電池和主電池。該測量電池包括所述電極的測量段、相對于分離器位于所述電極的測量段對面的配對電極測量段、和分離器的處于所述電極的測量段和配對電極測量段之間的段。該主電池包括所述電極的配對電極主段和類似于測量電池相對于分離器位于所述電極的主段對面的配對電極主段和分離器的處于所述電極的配對電極主段和配對電極的主段之間的段。蓄能器的電極包括該主段和該測量段。典型地測量段顯著地小于主段。配對電極相對于分離器位于所述電極對面并且能夠為主段和測量段同時起作用。配對電極的稱為配對電極測量段的部分位于測量電極對面，而配對電極的稱為配對電極主段的部分位于主電極。既可以把陽極也可以把陰極作為電極使用，而相應地陰極或者陽極用作配對電極。分離器可以作為唯一的關(guān)聯(lián)的元件既被設置用于測量電池也被設置用于主電池。然而可以設想，也把分離器或/和配對電極劃分，使得產(chǎn)生段，這些段分別被分配給所述電極的主段或者所述電極的測量段。
[0007]鋰離子蓄能器的主功率由主電池提供。主電池不僅在蓄能器的存儲容量方面而且關(guān)于其在所述電極或者配對電極上的面積份額通常都顯著地大于測量電池。例如主電池的容量至少為測量電池的容量的十倍。相應地，測量電池的涉及面積的特性、例如電流輸出能力、能函等能夠通過以這兩個電池的面積比的因子縮放而從測量電池推廣到主電池。鋰離子蓄能器的主電流流經(jīng)電極的主段，其中根據(jù)充電狀態(tài)和通過電流在主段上出現(xiàn)另外的電位。為了引起與通過主段的電流成比例的電流流過測量段，其中主段的對準分離器的面積與測量段的對準分離器的面積也成該比例，測量設備既連接到測量段上也連接到主段上。該測量設備引起通過測量段的電流也流過測量設備并且能夠在那里被測量。與主段的連接給測量設備提供主段的電位。該測量優(yōu)選地在主電池輸出或者吸收電流期間進行。通過主電池的電流強度可以借助測量電池和測量設備測量，該測量設備與其針對主電流的直接測量所必須的那樣相比被設計用于顯著更小的電流。當主電池吸收電流時測量電池吸收電流或者當主電池輸出電流時測量電池輸出電流。優(yōu)選地，在主電池內(nèi)和在測量電池內(nèi)導致相同的電化學情況，使得主段的面積和測量段的面積之間的面積比特別合適于從通過測量電池的電流推斷出通過主電池的電流。測量設備包括電流測量裝置，該電流測量裝置的一個連接端子與測量段連接，使得電流從測量電池流過該電流測量裝置。在一個實施例中存在電流測量裝置的另一連接，電流從測量電池經(jīng)由該連接向主段或者配對電極流動，由此能夠閉合用于該電流的電路。
[0008]從屬權(quán)利要求示出本發(fā)明的優(yōu)選的改進方案。
[0009]在鋰離子蓄能器的一種實施方式中電流測量裝置包括電流測量電阻(分流電阻)和電壓測量裝置，用該電壓測量裝置能夠測量電流測量電阻上的電壓。以已知的方式因此能夠檢測電流。在這種情況下電流測量電阻在測量設備內(nèi)被布線，使得流過測量電池的電流以相同的電流強度流經(jīng)電流測量電阻。優(yōu)選地，相同電流流過測量電池和流過電流測量電阻。例如當通過測量電池的電流的一部分被用于調(diào)節(jié)電流強度或者另外的電流通過測量電池電壓的電壓調(diào)節(jié)的執(zhí)行器被添加到該電流上和/或諸如此類時，通過測量電池的電流可以與通過電流測量電阻的電流不同。電流測量電阻可以直接與測量段連接。在一種變型方案中可以在測量段和電流測量電阻之間設置另外的電氣構(gòu)件，電流從測量段經(jīng)由這些電氣部件向電流測量電阻流動。在一個實施例中，在鋰離子蓄能器的主段和測量段之間連接有電流測量電阻。這樣的電流測量電阻優(yōu)選地具有微小的電阻值，使得測量段的電位與主段的電位少許不同。在該變型方案中流過測量電池的電流優(yōu)選地來自和流過主電池的電流相同的充電電源。類似地，來自測量電池的電流能夠供給和來自主電池的電流相同的耗電器。電流測量電阻優(yōu)選地是固定電阻，該固定電阻的值優(yōu)選地是已知的。
[0010]在鋰離子蓄能器的另一種實施方式中測量設備具有調(diào)節(jié)裝置，它的額定值是主段的電位并且它的調(diào)整量是電信號，測量段的電位作為調(diào)節(jié)量可以用該電信號被調(diào)節(jié)到主段的電位上。用該信號優(yōu)選地調(diào)整測量電池輸出或者吸收的電流。因此測量段的電位改變。優(yōu)選地，使用運算放大器作為調(diào)節(jié)器，特別優(yōu)選地作為P調(diào)節(jié)器。運算放大器的正輸入端優(yōu)選地位于主段的電位上，而負輸入端位于測量段的電位上。來自運算放大器的輸出信號優(yōu)選地作用于電流影響裝置，用該電流影響裝置能夠改變通過測量電池或者通過電流測量電阻的電流強度。
[0011]在鋰離子蓄能器的另一種實施方式中測量設備具有可變電阻作為電流影響裝置，該可變電阻優(yōu)選地構(gòu)成調(diào)節(jié)對象的至少一部分。該可變電阻與具有固定電阻的電流測量電阻串聯(lián)，使得電流從測量電池流經(jīng)該可變電阻或經(jīng)由該可變電阻流向測量電阻。該可變電阻在其電阻值上可以通過電信號控制。該可變電阻可以是晶體管，例如雙極型晶體管、FET等。該晶體管能夠在它的控制輸入端上的電位增大時或者在通過它的控制輸入端的電流增大時減小它的電阻，或者在一種變型方案中提高它的電阻。與此相關(guān)的晶體管類型的選擇可以取決于測量設備內(nèi)的布線的方式和/或取決于充電電流或者放電電流是否流經(jīng)電流測量電阻和測量電池。經(jīng)由電流測量電阻的電流可以來自充電電源并且在這種情況下經(jīng)由電流測量裝置向測量電池流動并且從該測量電池向充電裝置返回流動。在從測量電池提取電流的情況下電流經(jīng)由測量段和電流測量裝置向配對電極或者在相反的方向上流動。在一種變型方案中配對電極可以與地電位連接，充電電流或者放電電流流經(jīng)該地電位。
[0012]在鋰離子蓄能器的另一種實施方式中電流測量電阻由充電電流流過，該充電電流經(jīng)由電流測量電阻到達測量電池。電流測量電阻直接地或者經(jīng)由從充電電源向電流測量電阻引導電流的另外的器件與充電電源連接。充電電流經(jīng)由測量電池向配對電極流動并且從該配對電極向充電裝置返回流動。在鋰離子蓄能器的另一種實施方式中電流測量電阻與地電位連接，使得在放電時電流能夠從測量電池流入電流測量電阻、向地電位流動并且從地電位向配對電極返回流動，使得電路閉合。
[0013]在本發(fā)明的另一個方面中建議一種用于確定通過根據(jù)上述實施方式之一所述的鋰離子蓄能器的通過電流的方法。為此借助電流測量電阻上的電壓測量來測量也流過測量電池的電流。所測量的電流取決于測量段上和主段上的電位，這些電位分別例如可以涉及配對電極的電位，并且所測量的電流代表通過主電池的通過電流。
[0014]為了能夠通過測量通過測量電池的電流更精確地測量通過鋰離子蓄能器的電流，在該方法的一種實施方式中建議，把測量段的電位調(diào)節(jié)到主段的電位上。這可以通過以下方式來執(zhí)行，即調(diào)整通過測量電池的通過電流，使得在測量段上產(chǎn)生和在主段上相同的電位。為此可以把調(diào)節(jié)裝置與主段的電位和測量段的電位連接，其中主段的電位用作額定值，并且測量段的電位用作實際值。通過這兩個電位之間的差值形成產(chǎn)生調(diào)整信號，用該調(diào)整信號控制電流影響裝置，該電流影響裝置影響通過測量電池的電流并且因此影響測量電池上的電位。通過該影響，調(diào)節(jié)回路閉合。
[0015]在該方法的另一種實施方式中電流從電極的測量段通過電流測量電阻向配對電極流動或者反之亦然，其中該電流每次至少基本上流過電流測量電阻。附加地，當給測量電池充電時電流可以流經(jīng)充電裝置。在這種情況下該電流優(yōu)選地流經(jīng)與配對電極連接的地電位。
[0016]在該方法的另一種實施方式中通過用主段的面積乘在電流測量電阻上所測量的、至少近似地相應于經(jīng)由測量電池的電流的電流并且用測量段的面積除來計算電極的主段內(nèi)的電流。也可以用一個因子來乘，該因子相應于主段的面積與測量段的面積之比或諸如此類。在電極的主段和測量段上的電位相同的情況下通過主電池的電流可以更精確地被確定。
【附圖說明】
[0017]隨后參考附圖詳細地說明本發(fā)明的實施例。在附圖中:
[0018]圖1是根據(jù)本發(fā)明的鋰離子蓄能器的電化學電池的結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0019]圖2a是所述蓄能器的電化學電池的第一變型方案的電路符號；
[0020]圖2b是所述蓄能器的第二變型方案的電路符號；
[0021]圖3是具有用于確定通過測量電池的電流的測量設備的根據(jù)本發(fā)明的鋰離子蓄能器的第一實施方式；
[0022]圖4是鋰離子蓄能器的第二實施方式的電路設備的示意性電路圖；
[0023]圖5是鋰離子蓄能器的第三實施方式的電路設備的示意性電路圖。
【具體實施方式】
[0024]圖1示意性地示出鋰離子蓄能器I的結(jié)構(gòu)。該鋰離子蓄能器包括電極2、3，該電極分為主段2和測量段3。主段2和測量段3彼此電絕緣。該蓄