具有多个蓄电池的电池组和操作电池组的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电池组(100)的电池组结构，电池组(100)具有多个蓄电池，其中N个第一蓄电池(111...114)彼此串联以形成至少一个电池线(110)，其中N个第二蓄电池(121...124)布置成，通过N+2个开关元件(131...133′、134、134′)，所述电池的每个可以与N个第一蓄电池(111...114)的各个蓄电池并联。根据本发明专利技术，为了补偿电池之间的电荷，开关元件(131...133′、134、134′)设计成在第一蓄电池和第二蓄电池之间建立双路连接(A、B)，其中每个第二蓄电池(121)可交替地与电池线(110)中的第一蓄电池(111)并联，或者与另一个相邻的第一蓄电池(112)并联。开关元件(131...133′、134、134′)优选为可控的，且在预设时间间隔(TA、TB)内在第一蓄电池和第二蓄电池之间交替且连续地建立双路连接(A、B)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及如权利要求1的前序部分所述的具有多个蓄电池的电池组和如独立权利要求的前序部分所述的用于操作这种电池组的方法。特别地，本专利技术涉及包括多个相同蓄电池的电池组(具有可充电的次级电池)，多个相同的蓄电池彼此串联以形成一个或多个串或链，从而大体上规定期望的操作电压或供电电压。就此而言，多个串可以彼此并联以增加电池的容量和功率。本专利技术特别地涉及大功率电池(例如多单元锂离子电池)的构造。
技术介绍
具有多个蓄电池(在下文中仅称作电池)的电池组是熟知的。近年来，已知的是电池组具有灵活的阵列结构，能够激活或退激活阵列中的各个电池。例如，从WO03/041206Al已知称作“数字电池组”的任何阵列结构，包括可以通过开关元件彼此串联和并联的多个电池。例如，阵列可以具有N＝9乘以M＝6个电池，其中N个电池可以分别串联以形成串。因此至多可以形成M＝6个串，且M＝6个串可以并联。开关元件位于电池之间并且布置成矩阵的形式。这允许激活不同的开关通路，由此允许在单个电池失效时将这些电池从激活电路中取出，由此保持使用性能。而且，存在可以激活的更长或者更短的开关线路(路径)，以实现/提供不同的操作电压和/或容量。这些可从总线型连接线中提取出来。因此，具有多个蓄电池的电池组是已知的，多个蓄电池的N个第一蓄电池串联以形成电池串(例如，顶串)，所述N个第二蓄电池(即，来自另一个串的电池)被布置成通过开关元件与N个第一蓄电池中的每一个并联。r>这个已知的电池组实际上包括允许实现不同电压和容量的灵活结构。而且，可以使故障电池失效。但是，和任何常规的电池组类似，这种类型的电池组具有这样的问题：在单个电池发生故障之前，必须确保防止每个单独且完好的电池在充电过程中出现过压现象以及在放电过程中出现欠压现象。为了实现上述目的，已知所谓的负荷平衡方法(电荷平衡)，这确保串联的电池尽可能地呈现出均匀的电荷状态。这些技术在高性能电池(例如，锂离子电子)中尤为重要，为了实现较高的模块电压，高性能电池包括串联成一个或多个串的多个电池。为防止各个电池出现过压(过充电)或欠压的现象，采用所谓的用于确保彼此串联的各个电池之间的电荷平衡的电池平衡方法和装置。已知以下的用于电荷平衡的不同方法：在所谓的分流方法中，通过支路桥接充分充电的电池，从而桥接每个电池的放电电流。持续该方法直至串内的所有电池的电压尽可能地具有相同的电平，因此电池的充电具有平衡电平(即电池平衡)。这个方法的值得一提的优点为：由低切换频率引起的低EMC问题和低成本可行性。但是，这个方法只在具有某种电池化学物质(例如，LiCo02)的电池组中令人满意地工作，这种电池化学物质呈现出具有陡峭特征曲线的电压充电特性，这是因为电荷状态是从开路电压估计来的。因此，该方法只在电池组处于休息状态且SOC(电荷状态，充电状态)具有高值时工作。在电池组的操作过程中，分流方法是不可应用的。进一步的缺点是，电荷平衡是有损耗的，因为通过电阻(分流)将多余的电荷转换成热能。在所谓的电容性负荷泵方法中，通过电容将具有较高电荷状态(较高电压)的电池的部分电荷排出并通过开关将其转移到相邻的电池。这个方法相对便宜且容易实施。但是，它假设电池之间的电荷差别仅仅是最小限度的，因为通过电容仅能传递相对较少的能量。此外，为了实现一定的效率，切换频率必须高。当存在大的电池不对称性时，使用这种方法得到平衡几乎是不可能的。使用线圈或者变压器的感应方法在电池组的不同操作状态下工作。但是，由于使用感应部件，这种方法是相当昂贵的，并且比分流方法或者电荷泵方法更加复杂和庞大。进一步地，由于时钟电路原理，增加EMC问题。从专利文件U.S.6157165已知一种用于操作电池组的方法，其中提供可以选择性地将电容(见图1中的“电容111”)切换为与电池组中的各个蓄电池(见“单位电池组101至101c”)并联以利用电池组电池的当前电池电压对电容充电的开关元件。与电压检测器的互连允许测量电池电压，其中还提供了另一个电容(“电容104”)以消除电压的变化(即测量电压中的振荡部分)。专利U.S.7193390B2公开了一种用于操作电池组的方法，其中提供选择性地将电容(见图4中的“电容C1和C2”)切换为与电池组中的各个蓄电池(见“电池组电池E1和E2”)并联或者可以将它们互相切换的开关元件。首先，将第一电容(“C1”)切换为与第一电池(“E1”)并联并且利用电池电压对其充电。然后，断开电池与第一电容的连接并将其切换为与第二电容(“C2”)并联，从而两个电容具有相同的电压。其后，断开第二电容，并将第二电容切换为与电压测量装置(“电压检测电路”)并联以测量电压。由于第二电容的一端与地电势连接，因此可以稳定地测量电池(“E1”)的电压。这些已知的方法的缺点是，需要使用额外的部件(例如电容、线圈或变压器)，从而导致大量的花费，尤其是在材料和成本方面。电荷平衡方法很大程度上应用于用于工业驱动技术(例如电动力)和固定式能量储存的电池组中，因为这些电池组必须满足可靠性、稳定性和安全性的高要求。工业应用通常用在不间断的连续性操作的情况中。因此，不存在定义的可以平衡电池的空闲状态。进一步地，在一些应用中，可能发生不能达到最终的充电状态或者放电状态的情况。因此，很难或者几乎不可能通过平衡方法确定电荷状态，因为在充分充电或者清空(empty)的情况下不能进行循环校验。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是开发上述类型的电池组以便以有利的方式克服上述缺点。特别地，应提供一种允许电池结构中的有效且节约成本的电荷平衡/补偿的电池组和操作电池组的方法。上述目的通过具有权利要求1的特征的电池组和具有独立权利要求的特征的用于操作这种电池组的方法实现。因此，在电池组中使用开关元件，所述开关元件适于在第一电池组电池和第二电池组电池之间建立双路连接，其中第二电池组电池的每个交替地切换为与第一电池串中的第一蓄电池并联，或者与与其相邻的另一第一蓄电池并联，其中通过开关元件切换的第二蓄电池串联在一起以形成与第一电池串并联的第二电池串。因此第二电池串构成具有完整能量存储功能的串。进一步地，提供一种操作这种电池组的方法，其中N个蓄电池串联在一起以形成至少一个(第一)电池线(串110)，并且其中布置N个第二蓄电池，N个第二蓄电池的每个通过开关元件可切换为与N个第一蓄电池的各个电池并联以形成第二线(串120)，通过使用开关元件在串100的第一电池和串120的第二电池之间建立双路连接，其中每个第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池组(100)，包括多个蓄电池，所述多个蓄电池的N个第一蓄电池(111...114)串联在一起以形成至少一个电池串(110)，其中N个第二蓄电池(121...124)布置成通过开关元件(131...133，134，134′)分别地切换为与所述N个第一蓄电池(111...114)中的一个并联，其特征在于，所述开关元件(131...133，134，134′)适于在所述第一蓄电池和第二蓄电池之间建立双路连接(A，B)，其中每个所述第二蓄电池(121)可交替地切换为与所述电池串(110)的所述第一蓄电池(111)并联，或是与邻近所述第一蓄电池(111)的另一所述第一蓄电池(112)并联，并且通过所述开关元件(131...133，134，134′)切换的所述第二蓄电池(121...124)串联连接以形成第二电池串(120，120′，120)，所述第二电池串(120，120′，120)与所述第一电池串(110)并联地布置或连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.25 DE 102011054790.81.一种电池组(100)，包括多个蓄电池，所述多个蓄电池的N个第一蓄电池(111...114)
串联在一起以形成至少一个电池串(110)，其中N个第二蓄电池(121...124)布置成通过开
关元件(131...133，134，134′)分别地切换为与所述N个第一蓄电池(111...114)中的一个并
联，
其特征在于，所述开关元件(131...133，134，134′)适于在所述第一蓄电池和第二蓄电池
之间建立双路连接(A，B)，其中每个所述第二蓄电池(121)可交替地切换为与所述电池
串(110)的所述第一蓄电池(111)并联，或是与邻近所述第一蓄电池(111)的另一所述
第一蓄电池(112)并联，并且通过所述开关元件(131...133，134，134′)切换的所述第二蓄电
池(121...124)串联连接以形成第二电池串(120，120′，120\)，所述第二电池串(120，120′，120\)
与所述第一电池串(110)并联地布置或连接。
2.根据权利要求1所述的电池组(100)，其特征在于，所述开关元件(131...133，134，134′)
可被控制为在预设时间间隔(TA，TB)内以交替的方式在所述第一蓄电池和所述第二蓄电
池之间连续地建立所述双路连接(A，B)，以便每个第二蓄电池(121)在第一时间间隔(TA)
内与第一蓄电池(111)并联，在第二时间间隔(TB)内与其他相邻的第一蓄电池(112)并
联。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池组(100)，其特征在于，所述第二蓄电池
(121...124)中的至少一个(124)与多个开关元件(134，134′)相连，所述多个开关元件
(134，134′)适于至少在预设的第三时间间隔(T0)内断开所述第二蓄电池(124)与所述第
一蓄电池和/或所述第二蓄电池的连接，并将所述第二蓄电池(124)连接至测量设备(M)。
4.一种操作电池组(100)的方法，所述电池组(100)包括多个蓄电池，所述多个蓄
电池的N个第一蓄电池(111....

【专利技术属性】
技术研发人员：拉尔夫·迪特曼，
申请(专利权)人：奥尔布赖特德国有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE