具有測量電池的鋰離子蓄能器及其特性的確定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋰離子蓄能器、具有多個鋰離子蓄能器的串聯(lián)電路的串聯(lián)電路設備和 用于測量鋰離子蓄能器的特性的方法以及串聯(lián)電路。
【背景技術】
[0002] 鋰離子蓄能器具有高的電池電壓和良好的存儲能量與重量之比，并且因此非常好 地適合于移動應用。特別是鋰離子蓄能器被用作用于電驅動的車輛的蓄電池。鋰離子蓄能 器經常以纏繞的結構形式制造，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，其優(yōu) 選地雙側用電極材料涂覆。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。通常該分離器在所述電極之間用離子輸送劑浸透，該離子輸送劑能夠實現(xiàn)離子 通過分離器的通路。
[0003] 鋰離子蓄能器作為電池組和蓄電池已知。作為蓄電池，它們例如在所謂的電池組 直接逆變器（BDI)中使用，這些BDI能夠從鋰離子蓄能器的多個單電池產生具有幾乎可自 由配置的變化曲線的電流或者電壓。
[0004] 在現(xiàn)有技術中已知，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 爾傳感器來測量從鋰離子蓄能器輸出的電流。除用于直接的電流流動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)。
[0005] EP2442400A1公開了一種基于鋰技術的具有位于內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，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，能夠獲得關于這 些半電池中的每一個的信息并且因此也獲得關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 的電極在該位置進一步阻礙離子流動并且?guī)黼姌O短路的危險。

【發(fā)明內容】

[0006] 在根據本發(fā)明的鋰離子蓄能器中陽極和陰極中的至少一個被分成主段和測量段。 由此產生蓄能器的測量電池和主電池。在這種情況下蓄能器的一個電極被定義為包括彼此 電氣隔離的主段和測量段的電極。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可以為兩個電極共同起作用。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對面。配對電 極主段和配對電極測量段可以彼此電氣隔離。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，然而同樣可設想，也把分離器劃分，使得產生平面的段，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] 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。借助測量 電池能夠以簡單的和低成本的方式確定蓄能器的特性。主電池包括所述電極的配對電極主 段和類似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以及分離器的 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。主電池向要供應的單元提供來 自鋰離子蓄能器的能量的至少大部分。不僅在蓄能器的存儲容量方面，而且關于所述電極 或者配對電極的面積，主電池通常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、能函等等可以 通過以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。蓄能器的其他不涉及面 積的特性、例如老化狀態(tài)等等能夠無需縮放而從測量電池推廣到主電池。主電池在正常運 行中為其中使用蓄能器的應用輸出電流，并且在充電運行中又被充電。為保持這些電池的 狀態(tài)相同，這兩點也可以適用于測量電池。
[0008] 從屬權利要求示出本發(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該鋰離子蓄能器配備有第一測量設備，用該第 一測量設備能夠測量鋰離子蓄能器的內阻。為此電壓測量裝置與所述電極的測量段以及與 配對電極連接，以便測量這兩個電位之間的電壓差。為實現(xiàn)該電壓測量裝置例如可以使用 具有運算放大器的減法器電路。替代地，可以使用能夠測量兩個不同的電位的微處理器等， 例如具有兩個不同的模擬數(shù)字轉換器或者具有前置的轉換開關的模擬數(shù)字轉換器。此外在 測量電極和配對電極之間連接有電源，該電源引起通過測量電池的電流流動。
[0010] 該蓄能器的優(yōu)點是，該鋰離子蓄能器配備有裝置，用這些裝置能夠確定通過測量 電池的電流和電壓，使得能夠由此計算蓄能器的內阻。如果該內阻以測量電極和主電極之 間的面積比來縮放，則例如在微控制器等中或者在與該蓄能器隔離的計算裝置中能夠外推 主電極上的內阻。用測量電池的已知的內阻能夠計算整個鋰離子蓄能器的內阻。有利地能 夠確定電源的尺寸，使得電源的效率僅夠用于給測量電池通電，然而不夠用于給主電池通 電。由此這種自測量的蓄能器是低成本的。
[0011] 在上述實施方式的一種改進方案中電源作為可接通和可切斷的電源實施。由此可 以僅在通過測量電池測量電壓差期間迫使電流流動。微控制器等可以與減法器的輸出端連 接或者包括用于檢測該電壓差的測量裝置，其中同時該微控制器的輸出端與電源的控制輸 入端連接，用該控制輸入端能夠接通和切斷該電源。
[0012] 在鋰離子蓄能器的另一種實施方式中該鋰離子蓄能器包括第二測量設備，用該第 二測量設備能夠測量蓄能器的效率。為此在測量電極和配對電極之間連接有電阻裝置，該 電阻裝置具有串聯(lián)的調整電阻和固定電阻。調整電阻的電阻值可以被改變，例如通過以電 的方式影響調整電阻的控制輸入，而固定電阻具有至少近似固定的電阻值。在該實施方式 中在測量效率期間調整電阻自動地被調整，使得由負載電流決定地在測量段的測量連接端 子和配對電極的配對電極連接端子之間至少近似地產生額定電壓，該額定電壓優(yōu)選地相應 于測量電池的最小電壓。此外電壓測量裝置連接到固定電阻上，以便測量該固定電阻上的 電壓。該電壓用作效率測量的原始值并且被進一步解釋，以便推斷出鋰離子蓄能器的效率。
[0013] 在該實施方式的一種改進方案中調整電阻是半導體電阻，例如場效應晶體管或者 雙極型晶體管等，該半導體電阻配備有控制輸入端。第二測量設備包括輸入端，在該輸入端 上額定值可以被輸入到調節(jié)裝置中；電氣實際值輸入端，蓄能器的測量電極的電位進入該 輸入端，其中該電位涉及與額定電壓相同的參考電位；和輸出端，該輸出端與調整電阻的控 制輸入端連接。優(yōu)選地，作為調節(jié)器使用運算放大器。替代地，例如也可以使用數(shù)字調節(jié)器。 在后一種情況下額定電壓能夠通過數(shù)字的額定值來代表。還可以設想，使用具有模擬數(shù)字 轉換器的微控制器等并且將其與測量電極連接。
[0014] 在鋰離子蓄能器的另一種實施方案中該鋰離子蓄能器具有第三測量設備，用于測 量鋰離子蓄能器的阻抗。為此交流電源以其各一個連接端子與測量電極和配對電極連接， 使得該交流電源能夠在測量電池上引起交流電流。此外，交流電壓測量裝置的各一個連接 端子與測量電極和與配對電極連接，所述交流電壓測量裝置能夠測量測量電池上的電壓。 優(yōu)選地，但是并非強制性地，該交流電源以如下頻率工作，交流電壓測量裝置也在該頻率處 進行測量。從交流電壓和從交流電流能夠計算測量電池的阻抗，該阻抗例如包括視在電阻 和在交流電流和交流電壓之間的相移。
[0015] 在上述實施方式的一種改進方案中借助第四測量設備不僅確定單獨的鋰離子蓄 能器的阻抗，而且確定多個串聯(lián)的鋰離子蓄能器的阻抗。為此建議一種具有鋰離子蓄能器 的串聯(lián)電路的串聯(lián)電路設備。在該序列的一端處，布置有根據本發(fā)明的鋰離子蓄能器。在 該串聯(lián)電路中彼此相鄰的蓄能器的陽極和陰極分別互相連接。在這種情況下交流電源迫使 通過鋰離子蓄能器的整個序列的電流流動，其中該交流電源在串聯(lián)電路的一端處與在那里 所布置的蓄能器的配對電極連接，并且在該串聯(lián)電路的另一端處與在那里所布置的根據本 發(fā)明的蓄能器的測量電極連接。根據本發(fā)明的蓄能器的主電極不與相鄰的蓄能器的電極連 接。交流電壓測量裝置的連接端子與在該蓄能器上的交流電源的連接端子連接。以這種方 式能夠確定蓄能器的整個序列的阻抗。正如具有單獨的蓄能器的變型方案一樣，為此以已 知的方式關聯(lián)交流電流與交流電壓。特別是串聯(lián)電路可以包括電池組模塊，例如BDI。該阻 抗可以借助所述電極的主段和所述電極的測量段之間的面積比從測量電池換算到主電池 和/或整個蓄能器。
[0016] 在本發(fā)明的另一方面中建議一種方法，用該方法能夠測量鋰離子蓄能器的內阻。 該方法被應用于上述的具有第一測量設備的鋰離子蓄能器。在這里首先從電源輸出電流并 且在電流流動期間用電壓測量裝置測量在測量連接端子和電極連接端子之間的電壓。從該 電流和該電壓能夠計算測量電池的內阻。為此用電源的電流強度除所測量的電壓。然后把 這樣確定的測量電池的內阻通過借助主段的面積與測量段的面積之比的外推而外推到主 電池上。該計算例如可以用微控制器執(zhí)行，該微控制器此外可以具有模擬數(shù)字轉換器，借助 該模擬數(shù)字轉換器能夠把所測量的電壓轉換為數(shù)字值。用該微控制器的輸出能夠在一種變 型方案中此外觸發(fā)電流從電源流出。所測量的電壓可以從減法器電路產生。從電源輸出的 電流強度優(yōu)選地是固定地預先給定的并且隨著該電源的接通而流動。為了計算內阻，微控 制器知道電源的電流強度。該電流強度例如可以作為數(shù)字值被存放。
[0017] 在本發(fā)明的另一方面中建議一種用于測量如上所述包括第二測量設備的鋰離子 蓄能器的效率的方法。在該方法中從測量電池提取電流，該電流通過電阻調節(jié)裝置被調整， 使得在測量電池上近似地產生額定電壓。在這種情況下來自測量電池的電流此外流經固定 電阻，使得在該固定電阻上施加與