锂离子蓄能器和确定通过锂离子蓄能器的通过电流的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及锂离子蓄能器和用于测量通过锂离子蓄能器的通过电流的方法。
【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和重量之比，并且因此适合于移动应用，特别适合于电驱动的车辆。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，该金属集电极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该分离器的通路。
[0003]锂离子蓄能器作为电池组和蓄电池已知。另外已知，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测量从锂离子蓄能器输出的电流。除了用于直接的通过电流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。
[0004]EP 2442400 Al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阻碍离子流动并且带来电极短路的危险。
【发明内容】
[0005]根据本发明建议:给锂离子蓄能器配备测量电池、主电池和测量设备，使得能够借助测量电池测量通过主电池的电流的强度。
[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彼此电气隔离的主段和测量段，由此产生蓄能器的测量电池和主电池。该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。该主电池包括所述电极的配对电极主段和类似于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和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。蓄能器的电极包括该主段和该测量段。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能够为主段和测量段同时起作用。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。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。然而可以设想，也把分离器或/和配对电极划分，使得产生段，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]锂离子蓄能器的主功率由主电池提供。主电池不仅在蓄能器的存储容量方面而且关于其在所述电极或者配对电极上的面积份额通常都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、能函等能够通过以这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。锂离子蓄能器的主电流流经电极的主段，其中根据充电状态和通过电流在主段上出现另外的电位。为了引起与通过主段的电流成比例的电流流过测量段，其中主段的对准分离器的面积与测量段的对准分离器的面积也成该比例，测量设备既连接到测量段上也连接到主段上。该测量设备引起通过测量段的电流也流过测量设备并且能够在那里被测量。与主段的连接给测量设备提供主段的电位。该测量优选地在主电池输出或者吸收电流期间进行。通过主电池的电流强度可以借助测量电池和测量设备测量，该测量设备与其针对主电流的直接测量所必须的那样相比被设计用于显著更小的电流。当主电池吸收电流时测量电池吸收电流或者当主电池输出电流时测量电池输出电流。优选地，在主电池内和在测量电池内导致相同的电化学情况，使得主段的面积和测量段的面积之间的面积比特别合适于从通过测量电池的电流推断出通过主电池的电流。测量设备包括电流测量装置，该电流测量装置的一个连接端子与测量段连接，使得电流从测量电池流过该电流测量装置。在一个实施例中存在电流测量装置的另一连接，电流从测量电池经由该连接向主段或者配对电极流动，由此能够闭合用于该电流的电路。
[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电流测量装置包括电流测量电阻(分流电阻)和电压测量装置，用该电压测量装置能够测量电流测量电阻上的电压。以已知的方式因此能够检测电流。在这种情况下电流测量电阻在测量设备内被布线，使得流过测量电池的电流以相同的电流强度流经电流测量电阻。优选地，相同电流流过测量电池和流过电流测量电阻。例如当通过测量电池的电流的一部分被用于调节电流强度或者另外的电流通过测量电池电压的电压调节的执行器被添加到该电流上和/或诸如此类时，通过测量电池的电流可以与通过电流测量电阻的电流不同。电流测量电阻可以直接与测量段连接。在一种变型方案中可以在测量段和电流测量电阻之间设置另外的电气构件，电流从测量段经由这些电气部件向电流测量电阻流动。在一个实施例中，在锂离子蓄能器的主段和测量段之间连接有电流测量电阻。这样的电流测量电阻优选地具有微小的电阻值，使得测量段的电位与主段的电位少许不同。在该变型方案中流过测量电池的电流优选地来自和流过主电池的电流相同的充电电源。类似地，来自测量电池的电流能够供给和来自主电池的电流相同的耗电器。电流测量电阻优选地是固定电阻，该固定电阻的值优选地是已知的。
[0010]在锂离子蓄能器的另一种实施方式中测量设备具有调节装置，它的额定值是主段的电位并且它的调整量是电信号，测量段的电位作为调节量可以用该电信号被调节到主段的电位上。用该信号优选地调整测量电池输出或者吸收的电流。因此测量段的电位改变。优选地，使用运算放大器作为调节器，特别优选地作为P调节器。运算放大器的正输入端优选地位于主段的电位上，而负输入端位于测量段的电位上。来自运算放大器的输出信号优选地作用于电流影响装置，用该电流影响装置能够改变通过测量电池或者通过电流测量电阻的电流强度。
[0011]在锂离子蓄能器的另一种实施方式中测量设备具有可变电阻作为电流影响装置，该可变电阻优选地构成调节对象的至少一部分。该可变电阻与具有固定电阻的电流测量电阻串联，使得电流从测量电池流经该可变电阻或经由该可变电阻流向测量电阻。该可变电阻在其电阻值上可以通过电信号控制。该可变电阻可以是晶体管，例如双极型晶体管、FET等。该晶体管能够在它的控制输入端上的电位增大时或者在通过它的控制输入端的电流增大时减小它的电阻，或者在一种变型方案中提高它的电阻。与此相关的晶体管类型的选择可以取决于测量设备内的布线的方式和/或取决于充电电流或者放电电流是否流经电流测量电阻和测量电池。经由电流测量电阻的电流可以来自充电电源并且在这种情况下经由电流测量装置向测量电池流动并且从该测量电池向充电装置返回流动。在从测量电池提取电流的情况下电流经由测量段和电流测量装置向配对电极或者在相反的方向上流动。在一种变型方案中配对电极可以与地电位连接，充电电流或者放电电流流经该地电位。
[0012]在锂离子蓄能器的另一种实施方式中电流测量电阻由充电电流流过，该充电电流经由电流测量电阻到达测量电池。电流测量电阻直接地或者经由从充电电源向电流测量电阻引导电流的另外的器件与充电电源连接。充电电流经由测量电池向配对电极流动并且从该配对电极向充电装置返回流动。在锂离子蓄能器的另一种实施方式中电流测量电阻与地电位连接，使得在放电时电流能够从测量电池流入电流测量电阻、向地电位流动并且从地电位向配对电极返回流动，使得电路闭合。
[0013]在本发明的另一个方面中建议一种用于确定通过根据上述实施方式之一所述的锂离子蓄能器的通过电流的方法。为此借助电流测量电阻上的电压测量来测量也流过测量电池的电流。所测量的电流取决于测量段上和主段上的电位，这些电位分别例如可以涉及配对电极的电位，并且所测量的电流代表通过主电池的通过电流。
[0014]为了能够通过测量通过测量电池的电流更精确地测量通过锂离子蓄能器的电流，在该方法的一种实施方式中建议，把测量段的电位调节到主段的电位上。这可以通过以下方式来执行，即调整通过测量电池的通过电流，使得在测量段上产生和在主段上相同的电位。为此可以把调节装置与主段的电位和测量段的电位连接，其中主段的电位用作额定值，并且测量段的电位用作实际值。通过这两个电位之间的差值形成产生调整信号，用该调整信号控制电流影响装置，该电流影响装置影响通过测量电池的电流并且因此影响测量电池上的电位。通过该影响，调节回路闭合。
[0015]在该方法的另一种实施方式中电流从电极的测量段通过电流测量电阻向配对电极流动或者反之亦然，其中该电流每次至少基本上流过电流测量电阻。附加地，当给测量电池充电时电流可以流经充电装置。在这种情况下该电流优选地流经与配对电极连接的地电位。
[0016]在该方法的另一种实施方式中通过用主段的面积乘在电流测量电阻上所测量的、至少近似地相应于经由测量电池的电流的电流并且用测量段的面积除来计算电极的主段内的电流。也可以用一个因子来乘，该因子相应于主段的面积与测量段的面积之比或诸如此类。在电极的主段和测量段上的电位相同的情况下通过主电池的电流可以更精确地被确定。
【附图说明】
[0017]随后参考附图详细地说明本发明的实施例。在附图中:
[0018]图1是根据本发明的锂离子蓄能器的电化学电池的结构的示意图；
[0019]图2a是所述蓄能器的电化学电池的第一变型方案的电路符号；
[0020]图2b是所述蓄能器的第二变型方案的电路符号；
[0021]图3是具有用于确定通过测量电池的电流的测量设备的根据本发明的锂离子蓄能器的第一实施方式；
[0022]图4是锂离子蓄能器的第二实施方式的电路设备的示意性电路图；
[0023]图5是锂离子蓄能器的第三实施方式的电路设备的示意性电路图。
【具体实施方式】
[0024]图1示意性地示出锂离子蓄能器I的结构。该锂离子蓄能器包括电极2、3，该电极分为主段2和测量段3。主段2和测量段3彼此电绝缘。该蓄