專利名稱：蓄電池系統(tǒng)和用于為多個串聯(lián)連接的蓄電池單元充電的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電池系統(tǒng)、具有依據(jù)本發(fā)明所述的蓄電池系統(tǒng)的機動車以及用于為多個串聯(lián)連接的蓄電池單元充電的方法。
背景技術(shù)：
借助于鋰離子技術(shù)能夠生產(chǎn)高功率的蓄電池，其具有比借助于其他的蓄電池技術(shù)生產(chǎn)的蓄電池更高的能量密度。此外，鋰離子蓄電池不會遭受被稱為記憶效應(yīng)的容量損失的影響。相反地，鋰離子蓄電池單元的較少的缺點之一便是對于過壓缺乏抵抗力，該過壓通常在高于4.2V的單元電壓值時出現(xiàn)。在過壓時，金屬鋰淤積在陽極，由此陰極材料將變?yōu)檠趸夭⑹テ浞€(wěn)定性。蓄電池單元由此越來越熱并且在極端情況下導(dǎo)致失火(所謂的熱失控)。在正好存在蓄電池組(其在電動車輛的應(yīng)用中由約上百個串聯(lián)連接的單個單元構(gòu)建而成)的情況下，必須強制避免過壓，因為單個單元的熱失控將觸發(fā)整個蓄電池組內(nèi)的級聯(lián)反應(yīng)。
為了避免熱失控，將通過專用的控制電路來監(jiān)控包含在鋰離子蓄電池組中的單個單元的電壓。在此，一個控制電路能夠監(jiān)控多至十二個蓄電池單元。如果在蓄電池組充電時出現(xiàn)蓄電池單元處的過壓，那么將由控制電路所包括的蓄電池管理系統(tǒng)立刻開啟高壓保護并中斷整個蓄電池組的充電過程。上述過程雖然確保了蓄電池組的安全，但是其具有一定數(shù)量的缺點。
因此，將評估電子單元提供至控制電路將與相當高的成本聯(lián)系在一起。此外，充電過程的中斷將是針對整個蓄電池單元的而非針對具有過高電壓的蓄電池單元的。簡言之，例如由電動車輛的直流斬波器、充電器或電機的開啟或者關(guān)斷所引起的并不嚴重的電壓尖峰將會招致蓄電池的關(guān)斷，其例如將導(dǎo)致電動車輛不能繼續(xù)行駛。再者，當前的概念在使用價廉的單相充電器時并不適用，因為其會產(chǎn)生較高的正弦形式的紋波電流并由此也會產(chǎn)生相應(yīng)的紋波電壓，該紋波電流/電壓將在蓄電池完全充好電之前導(dǎo)致蓄電池的關(guān)斷。最后，因為對于充電過程的持續(xù)時間來說，單元電壓高于靜態(tài)電壓(后者將限定有關(guān)的充電狀態(tài))，所以傳統(tǒng)的方法的應(yīng)用將會限制蓄電池組的可用容量。如果充電由于過壓損壞而中斷，那么蓄電池在該時間點將總是不會被相應(yīng)于其總?cè)萘康爻潆姟?br> 控制電路除了監(jiān)控單元電壓以外還有如下任務(wù)，即平衡蓄電池單元的電壓。在大部分的其余的蓄電池單元還具有明顯低于100%的充電狀態(tài)的情形下，為了防止一些充電狀態(tài)已經(jīng)為100 %的蓄電池且因此接近過壓關(guān)斷邊界，這是必要的。在充電階段之間沒有充電均衡階段的情況下，蓄電池組的可用容量將因此遠遠低于單個單元的可用容量的總和。
因此，至今在充電階段之前或之間將執(zhí)行單元的充電均衡(所謂的單元平衡)，其中分別將已最高充電的蓄電池單元通過控制電路上的電阻放電，直至所有蓄電池單元逼近最低充電單元處的充電狀態(tài)。盡管該至今所使用的策略確保了單元的充電均衡，但是其也與一些缺點聯(lián)系在了一起。
除了再次提及的批評性的控制電路上的評估電子單元的相對高的成本之外，蓄電池組中的溫度分布不均勻也是具有缺點的，這歸因于產(chǎn)生的熱量被集中導(dǎo)出至控制電路。此外，充電均衡需要相當長的持續(xù)時間，因為僅能同時進行較少數(shù)量的蓄電池組的蓄電池單元的充電均衡(典型地僅能在給定的時間點通過控制電路上的電阻為十二個蓄電池單元放電)，且僅能在至靜態(tài)階段的切換中是進行電均衡，以用于蓄電池單元的狀態(tài)識別。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明提供了一種具有多個串聯(lián)連接的蓄電池單元的蓄電池系統(tǒng)，其中電氣組件并聯(lián)至所述多個蓄電池單元中的至少一個蓄電池單元。當共同地施加在所述電氣組件上的和在所述蓄電池單元上的電壓超過預(yù)定的電壓閾值時，所述電氣組件的電阻減小。優(yōu)選地，所述蓄電池系統(tǒng)為鋰離子蓄電池系統(tǒng)。依據(jù)本發(fā)明所述的蓄電池系統(tǒng)具有以下優(yōu)點，即完全不需要智能或軟件來評價施加在蓄電池單元上的電壓。在使用具有期望屬性的價廉的電氣組件的情況下，在依據(jù)本發(fā)明所述的蓄電池系統(tǒng)中執(zhí)行具有魯棒性的方法，以用于蓄電池單元間的充電均衡同時避免其過壓。串聯(lián)連接的蓄電池單元的可用容量等于單個的單元容量的總和。此外，在依據(jù)本發(fā)明所述的蓄電池系統(tǒng)中執(zhí)行的充電過程相對于電壓尖峰是具有魯棒性的，從而使得該充電過程在使用單相的充電器時也能夠無問題地執(zhí)行。因為在充電過程中的熱量將落在所有使用的電氣組件上，所以蓄電池系統(tǒng)中的溫度分布比在背景技術(shù)中已知的系統(tǒng)中更為均勻。最后，充電過程和充電均衡的持續(xù)時間相對短，因為對于所有蓄電池單元(在這些蓄電池單元中并聯(lián)有具有期望的屬性的相應(yīng)的電氣組件)，充電均衡能夠同時進行。優(yōu)選地，為所述多個蓄電池單元中的每個蓄電池單元分別并聯(lián)一個電氣組件，當施加在所述電氣組件上的和在與之并聯(lián)的所述蓄電池單元上的電壓超過所述預(yù)定的電壓閾值時，所述電氣組件的電阻減小。所述電氣組件的電阻在所述預(yù)定的電壓閾值上方能夠隨著上升的施加電壓指數(shù)地降低。所述電氣組件能夠是齊納二極管。然而，其他的實現(xiàn)形式也是可能的，例如使用抑制二極管(也已知為TVS (瞬態(tài)電壓抑制器)二極管)、金屬氧化物壓敏電阻。該組件在其特征曲線方面具有與齊納二極管相似的屬性。上述組件和晶體管的結(jié)合也是可能的。本發(fā)明的另一方面涉及一種機動車，其包括依據(jù)本發(fā)明所述的蓄電池系統(tǒng)，其中所述蓄電池系統(tǒng)與所述機動車的驅(qū)動系統(tǒng)相連接。本發(fā)明的另一方面涉及一種用于為多個串聯(lián)連接的蓄電池單元充電的方法，其中在充電過程期間以充電電流向所述多個串聯(lián)連接的蓄電池單元供電，并且其中當施加在所述蓄電池單元上的電壓超過預(yù)定的電壓閾值時，抑制流過所述多個蓄電池單元中的一個蓄電池單元的電流。進行如下設(shè)置:在超過所述電壓閾值時，并聯(lián)至所述蓄電池單元的電氣元件的電阻減小，以使得所述充電電流的一部分流過所述電氣組件。依據(jù)本發(fā)明所述的方法具有以下優(yōu)點，即蓄電池單元的充電相較于背景技術(shù)變得簡單了。特別地，能夠以恒定的充電電流在所謂的CC(恒定電流)充電過程中為多個蓄電池單元完全充電，而不會出現(xiàn)蓄電池單元中的過壓，與此同時進行蓄電池單元間的充電均衡。在此，如下述地進行充電過程:首先，為具有較小差別的充電狀態(tài)的蓄電池單元充電，直至具有最高的充電狀態(tài)的那些蓄電池單元已經(jīng)達到了電壓閾值(例如齊納二極管的擊穿電壓)。然后，在所述的蓄電池單元中，所述電氣組件的電阻迅速地下降，該電氣組件使得充電電流的越來越多的部分繞過具有高的充電狀態(tài)的蓄電池單元，由此相比具有較低的充電狀態(tài)的蓄電池單元更少地充電具有高的充電狀態(tài)的蓄電池單元。所述電氣組件的并聯(lián)電路由此具有跨接電路的作用。
在后續(xù)的充電中，在具有將近100%的充電狀態(tài)的蓄電池單元中的充電電流停止，因為所述充電電流幾乎完全被引導(dǎo)通過由所述電氣組件所構(gòu)成的跨接電路，而繼續(xù)地充電其余的蓄電池單元，直至其跨接電路阻止了繼續(xù)的充電。
在充電過程結(jié)束時，所有的蓄電池單元都被完全地充電了，而不需要在蓄電池單元間進行后續(xù)的充電均衡。
在整個充電過程期間，在蓄電池單元中不會出現(xiàn)過壓，因為具有增長的電壓的跨接電路的電阻指數(shù)地變小且因此分流整個充電電流。


將借助于附圖及后續(xù)的說明進一步闡述本發(fā)明的實施例。其中:
圖1示出了依據(jù)第一實施形式的蓄電池系統(tǒng)；以及
圖2示出了安置在依據(jù)第一實施形式的蓄電池系統(tǒng)中的齊納二極管的特征曲線。
具體實施方式
圖1示出了依據(jù)本發(fā)明的第一實施形式的蓄電池系統(tǒng)100。該蓄電池系統(tǒng)100包括多個串聯(lián)連接的蓄電池單元10，其分別具有內(nèi)阻14。將一個齊納二極管12分別并聯(lián)至每個蓄電池單元10，其中該齊納二極管12與在圖1所示出的蓄電池單元10的極性相關(guān)地以反向連接。
只要蓄電池單元10的單元電壓在充電過程中超過一確定電壓閾值，那么并聯(lián)至確定的蓄電池單元10的齊納二極管12將承擔被激活的跨接電路的功能。如果超過了該電壓閾值，那么齊納二極管12的電阻將隨著上升的施加電壓指數(shù)地降低。根據(jù)齊納二極管12的電阻與蓄電池單元10的內(nèi)阻14的比例，隨著電壓的增長，充電電流中的越來越多的部分將經(jīng)過齊納二極管12且由此繞過蓄電池單元10。
圖2示出了在圖1中所示出的齊納二極管12的特征曲線。該齊納二極管12在單元電壓的工作區(qū)域16內(nèi)具有極其高的電阻，從而使得在那里僅有可忽略的較小的泄漏電流(典型地小于I μ A)流過該齊納二極管12。因此，在該工作區(qū)域16 (該區(qū)域位于齊納二極管12的擊穿電壓Ubk之下)中，該齊納二極管12的電阻相當高，從而使得實際上總的充電電流被引導(dǎo)通過蓄電池單元10且為其充電。
如此地選擇齊納二極管12的擊穿電壓UBR，即其大致相應(yīng)于蓄電池單元14的過壓限制。在齊納二極管12的擊穿電壓Ubr的情形下，流過電流I115在電壓繼續(xù)升高時(在圖2中以U[V]軸的負的方向)，齊納二極管12的電阻隨著繼續(xù)增長的電壓指數(shù)地降低。齊納二極管12的電阻越低，則被引導(dǎo)通過其的電流越多，且提供越少的電流來為其所屬的蓄電池單元10繼續(xù)充電。
在超過擊穿電壓Ubk時，流過齊納二極管12的電流突然增加，從而使得在電壓U2處實際的總電流I2通過由齊納二極管12構(gòu)造的跨接電路繞過蓄電池單元10，由此保護蓄電池單元10免于過壓。在放電過程中，齊納二極管12的電阻相較于蓄電池單元10的內(nèi)阻相當?shù)酶撸瑥亩沟梅烹婋娏魍耆鬟^蓄電池單元10。
權(quán)利要求
1.一種具有多個串聯(lián)連接的蓄電池單元(10)的蓄電池系統(tǒng)(100)，其特征在于，將電氣組件(12)并聯(lián)至所述多個蓄電池單元(10)中的至少一個蓄電池單元，當施加在所述電氣組件(12)上的和在所述蓄電池單元(10)上的電壓超過預(yù)定的電壓閾值(Ubk)時，所述電氣組件的電阻減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池系統(tǒng)(100)，其中，為所述多個蓄電池單元(10)中的每個蓄電池單元分別并聯(lián)一個電氣組件(12)，當施加在所述電氣組件(12)上的和在與之并聯(lián)的所述蓄電池單元(10)上的電壓超過所述預(yù)定的電壓閾值(Ubk)時，所述電氣組件的電阻減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的蓄電池系統(tǒng)(100)，其中，所述電氣組件(12)的電阻在所述預(yù)定的電壓閾值(Ubk)上方隨著上升的施加電壓指數(shù)地降低。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的蓄電池系統(tǒng)(100)，其中，所述電氣組件是齊納二極管(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的蓄電池系統(tǒng)(100)，其中，所述電氣組件是抑制二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的蓄電池系統(tǒng)(100)，其中，所述電氣組件是金屬氧化物壓敏電阻。
7.一種機動車，其具有根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的蓄電池系統(tǒng)(100)，其中所述蓄電池系統(tǒng)(100)與所述機動車的驅(qū)動系統(tǒng)相連接。
8.一種用于為多個串聯(lián)連接的蓄電池單元(10)充電的方法，其中，在充電過程期間以充電電流向所述多個串聯(lián)連接的蓄電池單元供電，并且其中當施加在所述蓄電池單元(10)上的電壓超過預(yù)定的電壓閾值(Ubk)時，抑制流過所述多個蓄電池單元(10)中的一個蓄電池單元的電流，其特征在于，在超過所述電壓閾值(Ubk)時，并聯(lián)至所述蓄電池單元(10)的電氣元件(12)的電阻減小，以使得所述充電電流的一部分流過所述電氣組件(12)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有多個串聯(lián)連接的蓄電池單元(10)的蓄電池系統(tǒng)(100)，其中電氣組件(12)并聯(lián)至所述多個蓄電池單元(10)中的至少一個蓄電池單元，當施加在所述電氣組件(12)上的和在所述蓄電池單元(10)上的電壓超過預(yù)定的電壓閾值(UBR)時，所述電氣組件的電阻減小。此外，還涉及一種用于為多個串聯(lián)連接的蓄電池單元(10)充電的方法，該方法與依據(jù)本發(fā)明所述的蓄電池系統(tǒng)(100)一起實施。
文檔編號H02J7/00GK103155339SQ201180038139
公開日2013年6月12日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者C·克盧特, F·莫泰斯, F·海特卡埃姆佩爾, R·托馬斯 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社