具有测量电池的锂离子蓄能器及其特性的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及锂离子蓄能器、具有多个锂离子蓄能器的串联电路的串联电路设备和 用于测量锂离子蓄能器的特性的方法以及串联电路。
【背景技术】
[0002] 锂离子蓄能器具有高的电池电压和良好的存储能量与重量之比，并且因此非常好 地适合于移动应用。特别是锂离子蓄能器被用作用于电驱动的车辆的蓄电池。锂离子蓄能 器经常以缠绕的结构形式制造，其中卷绕一种平面的材料，该材料包括两个平面的电极、以 及一个分离器，该分离器将所述电极彼此电气隔离。所述电极典型地包括金属集电极，其优 选地双侧用电极材料涂覆。典型地在阴极电极中使用铝膜和在阳极电极中使用铜膜作为金 属集电极。通常该分离器在所述电极之间用离子输送剂浸透，该离子输送剂能够实现离子 通过分离器的通路。
[0003] 锂离子蓄能器作为电池组和蓄电池已知。作为蓄电池，它们例如在所谓的电池组 直接逆变器（BDI)中使用，这些BDI能够从锂离子蓄能器的多个单电池产生具有几乎可自 由配置的变化曲线的电流或者电压。
[0004] 在现有技术中已知，用多个不同的传感器、例如具有分流电阻的传感器或者用霍 尔传感器来测量从锂离子蓄能器输出的电流。除用于直接的电流流动的测量装置外存在多 个其他的传感器和/或理论模型，用它们能够检测锂离子蓄能器的特性。为此典型地用传 感器检测蓄能器的一些确定的特性并且根据所检测的值应用理论模型，以便推断出蓄能器 的电气特性或者状态。
[0005] EP2442400A1公开了一种基于锂技术的具有位于内部的参考电极的电化学电 池。该参考电极被嵌入到分离器内，使得在该参考电极和该电池的常规电极中的每一个之 间构成参考电池。通过确定两个代表蓄能器的半电池的参考电池的特性，能够获得关于这 些半电池中的每一个的信息并且因此也获得关于整个蓄能器的信息。在此要么测量整个电 池的电流，或者通过其他的参数和理论模型推断出蓄能器的状态。引入到分离器中的附加 的电极在该位置进一步阻碍离子流动并且带来电极短路的危险。
【发明内容】
[0006] 在根据本发明的锂离子蓄能器中阳极和阴极中的至少一个被分成主段和测量段。 由此产生蓄能器的测量电池和主电池。在这种情况下蓄能器的一个电极被定义为包括彼此 电气隔离的主段和测量段的电极。典型地，测量段显著地小于主段。配对电极相对于分离 器位于所述电极对面并且可以为两个电极共同起作用。配对电极的称为配对电极测量段的 部分位于测量电极对面，而配对电极的称为配对电极主段的部分位于主电极对面。配对电 极主段和配对电极测量段可以彼此电气隔离。既可以把阳极也可以把阴极作为电极使用， 而相应地阴极或者阳极用作配对电极。分离器可以作为唯一的关联的元件既被设置用于测 量电池也被设置用于主电池，然而同样可设想，也把分离器划分，使得产生平面的段，这些 段分别被分配给所述电极的主段或者所述电极的测量段。
[0007] 测量电池包括所述电极的测量段、相对于分离器位于所述电极的测量段对面的配 对电极测量段、和分离器的处于所述电极的测量段和配对电极测量段之间的段。借助测量 电池能够以简单的和低成本的方式确定蓄能器的特性。主电池包括所述电极的配对电极主 段和类似测量电池相对于分离器位于所述电极的主段对面的配对电极主段以及分离器的 处于所述电极的配对电极主段和配对电极的主段之间的段。主电池向要供应的单元提供来 自锂离子蓄能器的能量的至少大部分。不仅在蓄能器的存储容量方面，而且关于所述电极 或者配对电极的面积，主电池通常显著地大于测量电池。例如主电池的容量至少为测量电 池的容量的十倍。相应地，测量电池的涉及面积的特性、例如电流输出能力、能函等等可以 通过以两个电池的面积比的因子缩放而从测量电池推广到主电池。蓄能器的其他不涉及面 积的特性、例如老化状态等等能够无需缩放而从测量电池推广到主电池。主电池在正常运 行中为其中使用蓄能器的应用输出电流，并且在充电运行中又被充电。为保持这些电池的 状态相同，这两点也可以适用于测量电池。
[0008] 从属权利要求示出本发明的优选的改进方案。
[0009] 在锂离子蓄能器的一种实施方式中该锂离子蓄能器配备有第一测量设备，用该第 一测量设备能够测量锂离子蓄能器的内阻。为此电压测量装置与所述电极的测量段以及与 配对电极连接，以便测量这两个电位之间的电压差。为实现该电压测量装置例如可以使用 具有运算放大器的减法器电路。替代地，可以使用能够测量两个不同的电位的微处理器等， 例如具有两个不同的模拟数字转换器或者具有前置的转换开关的模拟数字转换器。此外在 测量电极和配对电极之间连接有电源，该电源引起通过测量电池的电流流动。
[0010] 该蓄能器的优点是，该锂离子蓄能器配备有装置，用这些装置能够确定通过测量 电池的电流和电压，使得能够由此计算蓄能器的内阻。如果该内阻以测量电极和主电极之 间的面积比来缩放，则例如在微控制器等中或者在与该蓄能器隔离的计算装置中能够外推 主电极上的内阻。用测量电池的已知的内阻能够计算整个锂离子蓄能器的内阻。有利地能 够确定电源的尺寸，使得电源的效率仅够用于给测量电池通电，然而不够用于给主电池通 电。由此这种自测量的蓄能器是低成本的。
[0011] 在上述实施方式的一种改进方案中电源作为可接通和可切断的电源实施。由此可 以仅在通过测量电池测量电压差期间迫使电流流动。微控制器等可以与减法器的输出端连 接或者包括用于检测该电压差的测量装置，其中同时该微控制器的输出端与电源的控制输 入端连接，用该控制输入端能够接通和切断该电源。
[0012] 在锂离子蓄能器的另一种实施方式中该锂离子蓄能器包括第二测量设备，用该第 二测量设备能够测量蓄能器的效率。为此在测量电极和配对电极之间连接有电阻装置，该 电阻装置具有串联的调整电阻和固定电阻。调整电阻的电阻值可以被改变，例如通过以电 的方式影响调整电阻的控制输入，而固定电阻具有至少近似固定的电阻值。在该实施方式 中在测量效率期间调整电阻自动地被调整，使得由负载电流决定地在测量段的测量连接端 子和配对电极的配对电极连接端子之间至少近似地产生额定电压，该额定电压优选地相应 于测量电池的最小电压。此外电压测量装置连接到固定电阻上，以便测量该固定电阻上的 电压。该电压用作效率测量的原始值并且被进一步解释，以便推断出锂离子蓄能器的效率。
[0013] 在该实施方式的一种改进方案中调整电阻是半导体电阻，例如场效应晶体管或者 双极型晶体管等，该半导体电阻配备有控制输入端。第二测量设备包括输入端，在该输入端 上额定值可以被输入到调节装置中；电气实际值输入端，蓄能器的测量电极的电位进入该 输入端，其中该电位涉及与额定电压相同的参考电位；和输出端，该输出端与调整电阻的控 制输入端连接。优选地，作为调节器使用运算放大器。替代地，例如也可以使用数字调节器。 在后一种情况下额定电压能够通过数字的额定值来代表。还可以设想，使用具有模拟数字 转换器的微控制器等并且将其与测量电极连接。
[0014] 在锂离子蓄能器的另一种实施方案中该锂离子蓄能器具有第三测量设备，用于测 量锂离子蓄能器的阻抗。为此交流电源以其各一个连接端子与测量电极和配对电极连接， 使得该交流电源能够在测量电池上引起交流电流。此外，交流电压测量装置的各一个连接 端子与测量电极和与配对电极连接，所述交流电压测量装置能够测量测量电池上的电压。 优选地，但是并非强制性地，该交流电源以如下频率工作，交流电压测量装置也在该频率处 进行测量。从交流电压和从交流电流能够计算测量电池的阻抗，该阻抗例如包括视在电阻 和在交流电流和交流电压之间的相移。
[0015] 在上述实施方式的一种改进方案中借助第四测量设备不仅确定单独的锂离子蓄 能器的阻抗，而且确定多个串联的锂离子蓄能器的阻抗。为此建议一种具有锂离子蓄能器 的串联电路的串联电路设备。在该序列的一端处，布置有根据本发明的锂离子蓄能器。在 该串联电路中彼此相邻的蓄能器的阳极和阴极分别互相连接。在这种情况下交流电源迫使 通过锂离子蓄能器的整个序列的电流流动，其中该交流电源在串联电路的一端处与在那里 所布置的蓄能器的配对电极连接，并且在该串联电路的另一端处与在那里所布置的根据本 发明的蓄能器的测量电极连接。根据本发明的蓄能器的主电极不与相邻的蓄能器的电极连 接。交流电压测量装置的连接端子与在该蓄能器上的交流电源的连接端子连接。以这种方 式能够确定蓄能器的整个序列的阻抗。正如具有单独的蓄能器的变型方案一样，为此以已 知的方式关联交流电流与交流电压。特别是串联电路可以包括电池组模块，例如BDI。该阻 抗可以借助所述电极的主段和所述电极的测量段之间的面积比从测量电池换算到主电池 和/或整个蓄能器。
[0016] 在本发明的另一方面中建议一种方法，用该方法能够测量锂离子蓄能器的内阻。 该方法被应用于上述的具有第一测量设备的锂离子蓄能器。在这里首先从电源输出电流并 且在电流流动期间用电压测量装置测量在测量连接端子和电极连接端子之间的电压。从该 电流和该电压能够计算测量电池的内阻。为此用电源的电流强度除所测量的电压。然后把 这样确定的测量电池的内阻通过借助主段的面积与测量段的面积之比的外推而外推到主 电池上。该计算例如可以用微控制器执行，该微控制器此外可以具有模拟数字转换器，借助 该模拟数字转换器能够把所测量的电压转换为数字值。用该微控制器的输出能够在一种变 型方案中此外触发电流从电源流出。所测量的电压可以从减法器电路产生。从电源输出的 电流强度优选地是固定地预先给定的并且随着该电源的接通而流动。为了计算内阻，微控 制器知道电源的电流强度。该电流强度例如可以作为数字值被存放。
[0017] 在本发明的另一方面中建议一种用于测量如上所述包括第二测量设备的锂离子 蓄能器的效率的方法。在该方法中从测量电池提取电流，该电流通过电阻调节装置被调整， 使得在测量电池上近似地产生额定电压。在这种情况下来自测量电池的电流此外流经固定 电阻，使得在该固定电阻上施加与