用于运行电池的方法和设备.pdf

用于运行电池的方法和设备。本发明涉及一种用于运行具有多个电池单池的电池(1)的方法，所述电池单池可与电池(1)的外部接线端子耦合或与外部接线端子解耦，其中在电池(1)的部分负载运行中，电池单池(1-1、…、3-n)的一部分与外部接线端子耦合，其特征在于，根据电池(1)的热前史与外部接线端子耦合地运行所述电池单池(1-1、…、3-n)的一部分，而与外部接线端子解耦地运行所述电池单池(1-1、…、3-n)的另一部分。

权利要求书1.  用于运行具有多个电池单池的电池(1)的方法，所述电池单池能与电池 (1)的外部接线端子耦合或能与外部接线端子解耦，其中在电池(1)的部分负 载运行中所述电池单池(1-1、...、3-n)的一部分与外部接线端子耦合，其特征 在于，根据电池(1)的热前史与外部接线端子耦合地运行所述电池单池(1-1、...、 3-n)的一部分，而与外部接线端子解耦地运行所述电池单池(1-1、...、3-n) 的另一部分。 2.  按照权利要求1所述的方法，其特征在于，测量至少一个、多个或所有 电池单池(1-1、...、3-n)的温度，并且在电池(1)中将与外部接线端子连接 的电池单池(1-1、...、3-n)在达到阈值温度的情况下与外部接线端子隔离，并 且不与外部接线端子连接的其它电池单池(1-1、...、3-n)与所述外部接线端子 连接。 3.  按照权利要求2所述的方法，其特征在于，要与外部接线端子连接的电 池单池(1-1、...、3-n)具有在上阈值温度和下阈值温度之间的温度，尤其是不 靠近阈值温度的温度。 4.  按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，从电池单池(1-1、...、 3-n)的一部分中比从电池单池(1-1、...、3-n)的另一部分中排出更多的热量。 5.  按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在电池(1)的运行开 始时的时间间隔中，优选或仅仅电池单池(1-1、...、3-n)的一部分被放电和/ 或充电。 6.  按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，电池单池(1-1、...、 3-n)的一部分在与电池单池(1-1、...、3-n)的另一部分相比不同的温度情况 下工作。 7.  具有控制装置(60)和多个电池单池(1-1、...、3-n)的电池，其特征 在于，所述电池被设立为实施按照上述权利要求之一所述的方法。 8.  按照权利要求7所述的电池，其特征在于，电池(1)中的多个电池单池 (1-1、...、3-n)能串联地组合成至少一个支路(10、20、30)。 9.  按照权利要去7或8所述的电池，其特征在于，电池单池(1-1、...、3-n) 的一部分比电池单池(1-1、...、3-n)的另一部分具有到热沉的更好的热耦合。

说明书用于运行电池的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于运行具有多个电池单池的电池的方法，其中在部分负 载运行中一部分电池单池位于充电运行和/或放电运行中。此外，本发明涉及具 有控制装置和多个电池单池的电池。
背景技术
例如在电驱动的车辆中使用具有锂基电池单池的电池。所述锂基电池单池 可以诸如是锂聚合物电池单池。其在完全充电的情况下具有大约4.20V的单池 电压。可以以更大的电流承载能力来制造这样的单池。为了实现在汽车领域中 所要求的高于100kW的功率并且提升电池的电压，串联连接诸如一百个或者更 多这样的电池单池。在此使用的直流电压于是处于诸如400V。在调用尖峰功率 的情况下，典型地有三位数的安培范围中的电流流动。典型地，电驱动车辆的 发动机需要三相电流。已知的是，从电池的直流电流中通过逆变器来生成所述 三相电流。另一种途径利用具有分级可调的输出电压的电池系统而可行。所述 电池系统使用这样的电池模块，其分别包含至少一个电池单池和作为到电池的 耦合元件的半导体整流电路。这样的电池模块在支路中被组合为多相的变流器 电池，所述变流器电池同时包含电池单池。通过适当地操控半导体整流电路而 无需用于运行三相电流发动机的附加逆变器就可以使用所述变流器电池。所述 变流器电池被称作电池直接逆变器(Battery Direct Inverter，BDI)。在该结构形式 中，也出现大的电流和电压，但是在放电运行或充电运行中的模块的所有电池 单池并不总是这样。存在这样的变流器电池的变型，其中电池模块感应式地耦 合连接到其相应的支路中。这导致电池模块彼此间的电隔离。既在电池的充电 情况下又在其放电情况下，由于电池的内部电阻而产生损耗热。可能需要从电 池中排出损耗热，因此单池的温度不被允许超过一定的极限值。特别地，锂基 电池类型对此是敏感的。在大电流的情况下，出现最大的热负荷。如果电池被 装入到车辆中，则在行驶运行中也出现大电流，但是通常不是连续的、而是仅 仅在尖峰负荷时(诸如在交通灯处起动(Ampelstart)那样)短时地出现。在山 中行驶的情况下，也可能较长地出现这样的状态。电流负荷也依赖于车辆类型 和驾驶员的行驶风格。相比于小型的用于运输至工作地点的日常车辆而言，带 有运动型驾驶员的运动型车辆通常被更多地要求。在具有多个电池单池的传统 电池的情况下，总的系统电流流过所有的单池。因此，所有的电池单池总是以 相同程度被加负荷。相应地，每个电池单池也基本上产生相同的损耗热。因此， 电池的热管理可以对于所有的电池单池而言以相同的方式执行。对于上面描述 的具有多个在支路中可连接在一起的电池模块的变流器电池而言，这样的用于 所有电池单池的相同类型的热管理却不是最优的。
发明内容
提出一种用于运行具有多个电池单池的电池的方法，其中根据事先对于电 池和电池单池发生了什么，并且在此尤其是根据所涉及的电池单池经受了什么 温度或什么样的温度变化或什么样的电荷吸收或电荷输出，电池的所有电池单 池的部分被充电和/或放电。
典型的运行状态是部分负载运行，其中电池的电池单池的一部分被转移到 静止状态中，在所述静止状态中所述电池单池不吸收或输出电流。于是，电池 并没有提供其用于放电的全部效率，或者在充电的情况下并没有吸收最大可能 的电荷量。于是，电池的所有电池单池的仅仅一部分与外部接线端子耦合。在 外部接线端子处，电池可以被放电和/或充电。这可以在时间上相继进行，这也 适用于单个的电池单池。如果电池被装入至车辆中，则可以进行放电以用于行 驶和加速，同时可以通过回收刹车能量来引起充电。也可以借助外部的充电设 备来进行单池的充电。
按照本发明的方法的优点是，可以使用电池单池用于充电或放电，所述电 池单池为此在热上处于特别合适的状态。例如，由于较长时间的电流输出或电 流吸收而面临过热的电池单池可以由另一处于在热上非临界状态的电池单池来 代替。此外可以考虑的是，有针对性地加热电池单池，其方式是，持续地通过 电流取出或电流吸收来对其加热负荷。例如在电池或其中可以装入这样电池的 车辆冷起动的情况下，这可以是有助的。
从属权利要求示出本发明的优选扩展方案。
在所述方法的实施方式中，测量至少一个、多个或所有电池单池的温度。 为了运行电池单池，存在阈值温度，在超过阈值温度的情况下电池单池有危险 或者单池的运行变得安全临界。在此，通常涉及上阈值温度和下阈值温度，允 许的运行温度位于其之间。如果电池单池离开允许范围达到阈值温度，则该单 池可以出于安全考虑而与外部接线端子隔离，从而其不再被放电或充电。为了 保证无干扰地进一步运行电池，根据该实施方式，另一单池与外部接线端子连 接，所述另一单池在热临界的单池达到阈值温度的时刻不与外部接线端子隔离。 下阈值温度可以尤其是诸如0℃。
在所述方法的另一实施方式中，电池单池与外部接线端子连接，所述电池 单池的温度位于阈值温度之间并且因此关于温度处于允许的运行状态中。尤其 是，该电池单池的温度并不非常接近阈值温度之一，而是优选地该电池单池尤 其在电池密集运行的情况下明显比已经超过上阈值温度的单池冷，或者当要从 运行中取出的单池被过冷却时，该电池单池比其暖。
在所述方法的另一实施方式中，电池单池的一部分比电池单池的另一部分 被更强地冷却。在此，可以静态地(诸如通过经由固体至热沉的良好热传导) 或者动态地(例如通过主动通风或冷却剂循环)来从电池单池中排出热量。通 过对单池的不同部分的不同冷却，在电池的运行方式中得出更多的结构回旋余 地。尤其是，相比于较少地强冷却的、例如可以用作备用的电池单池而言，被 更好冷却的电池单池更为可用。在寒冷环境中运行时，例如在冬天，可以关掉 主动冷却。这也适用于所有其它的实施方式。
经常地，在运行开始时，并不要求电池的全部负载，尤其在放电情况下不 做这种要求。在所述方法的另一实施方式中，因此在例如可以被装入至电动车 辆中的电池开始运行时，在部分负载运行中，所有电池单池的仅仅特定部分被 放电和/或充电，或者至少优选被放电和/或充电。这例如可以在着手行驶运行或 者在冷电池情况下开始充电过程时是有意义的，以便尽可能顺利地加热待充电 的单池并且快速地达到电池的有利运行状态，例如完全的功率输出或最大的电 流吸收。因此，利用电池单池的一部分可以在有利的运行状态下工作，同时逐 渐地其它电池单池可以被带入到该状态中。这实现了电池的顺利的开动以充电 或放电。有利地，还可以放弃加热元件，所述加热元件用于从一开始就运行的 电池单池。其它的电池单池通常利用加热元件被加热。与之相对地，根据现有 技术电池整体地被加热。
在所述方法的另一实施方式中，电池单池的一部分与电池单池的另一部分 以不同的温度运行。以这种方式可以冷却电池单池，同时加热其它电池单池， 这总体上可以减少用于冷却电池的能量开销，因为加热的电池的温度可以比均 匀冷却的电池单池的温度高，这导致更快的热量排出。这例如可以这样实现， 即为电池单池的一部分设置被动冷却。
在本发明的另一方面中提出一种电池，其具有多个电池单池、控制装置和 用于每个电池单池的、将电池单池与电池的接线端子相连接的耦合装置，其中 所述控制装置和耦合装置被设立为实施前面所描述的方法之一。
在所述电池的实施方式中，电池的电池单池中的多个可以串联地组合。以 这种方式得出支路，在所述支路的端部之间可以根据在所述支路中连接多少个 电池单池来施加不同的电压。优选地，电池具有多个这样的支路。所述电池可 以通过这些支路和与电池单池的相应的耦合和解耦来产生可变的电压变化曲线 并且作为变流器来起作用。
在所述电池的另一实施方式中，电池单池的一部分比电池单池的另一部分 更好地耦合于热沉以从一个或多个电池单池中排出热量。这实现了，与较差热 耦合的电池单池相比较，在热方面更好耦合的电池单池在放电和充电情况下可 以更强地被加负荷。最后提到的电池单池的部分因此可以例如满足备用功能或 者可以用于很少发生的或类似的任务。总体来说，扩展了使用或控制这样的电 池的可能性。
附图说明
下面参考附图详细地描述本发明的实施例。在附图中：
图1示出电池的第一实施方式的示意图，
图2示出第二实施方式的示意图，和
图3示出按照本发明的用于运行电池的方法流程的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出在第一实施方式中作为变流器实施的电池1的构造。电 池1包含三个支路10、20和30，它们分别包含多个串联连接的电池单池1-1、 1-2、...、1-n、2-1、2-2、...、2-n或3-1、3-2、...、3-n。支路10、20、30的端 部分别与另一支路10、20、30的端部一起连接在连接点40上。该连接点优选 与地电位50耦合。利用电池1可以运行电动机M。电动机M经由主开关S可 以与电池1相连接或相隔离。主开关S对于每个支路10、20、30包含一个开关， 支路10、20、30利用所述开关可以与电动机M相隔离。电池单池1-1、1-2、...、 1-n、2-1、2-2、...、2-n或3-1、3-2、...、3-n(下文中和在权利要求中1-1、...、 3-n)分别可以与其所属的支路10、20、30电隔离或与其电连接。为此，电池单 池1-1、...、3-n中的每一个具有耦合装置，利用所述耦合装置可以向支路10、 20、30的总电压添加电池单池1-1、...、3-n的电压或者可以从支路中断开电池 单池1-1、...、3-n，其方式是，可用于将电池单池1-1、...、3-n与支路10、20、 30相连接的接线端子被短路，以便不使所述支路中断。同时，电池单池1-1、...、 3-n自身与支路10、20、30电隔离并且因此也与该短路电隔离。因此，在支路 10、20、30的每一个上可以调节电压，所述电压根据在支路10、20、30中接通 的电池单池1-1、...、3-n的数目来得出。因此，可以例如直接从电池1中以任 意的频率生成三相交流电流并且提供给电动机M。通过适当地操控耦合装置， 可以根据本发明引起根据电池单池1-1、...、3-n的热前史(Vorgeschichte)来将 所述电池单池绑定到其支路中。优选地，为此测量电池单池1-1、...、3-n的温 度。然而替换地或者附加地，也可以在理论上确定：电池单池1-1、...、3-n根 据其前面的负荷必然具有什么温度。于是可以考虑放弃温度测量。利用电池单 池1-1、...、3-n的、与单个电池单池1-1、...、3-n的热前史有关的运行方式， 例如可以在部分负载运行中确定：电池单池1-1、...、3-n中的单个电池单池是 否由于超过上阈值温度或下阈值温度而离开允许的温度范围，或者将来会离开， 并且马上或者及时地通过耦合连接另一在允许温度范围中工作的电池单池 1-1、...、3-n来代替该电池单池。也可以例如在电池1开动的情况下，诸如在 被装入到电驱动车辆中的电池1冷起动的情况下，优选地或仅仅使用在部分负 载运行中所选择的电池单池1-1、...、3-n，使得这些电池单池比其它电池单池 1-1、...、3-n更快地加热。例如，对于这些电池单池1-1、...、3-n而言可以由 此放弃加热装置，在均匀地使用电池单池1-1、...、3-n的情况下所述电池单池 1-1、...、3-n可能会需要所述加热装置。
图2示出与图1中示出的实施方式相似的电池1的另一实施方式。相同的 特征、尤其是电池单池1-1、...、3-n的按照本发明的与温度有关的控制是相同 的，并且不再次特别地描述。用相同的附图标记表示相同的特征。与在图1中 示出的实施方式不同之处在于，在图2中示出的实施方式没有示出主开关S，但 是其也可以存在于该实施方式中。此外，连接点40并没有与地电位50耦合地 示出，但是这也可以与图2不同地同样是这种情况。在图1和2的实施方式之 间的主要区别体现在，电池单池1-1、...、3-n中的每一个感应式地通过感应连 接装置K1-1、K1-2、...、K1-n、K2-1、K2-2、...、K2-n和K3-1、K3-2、...、 K3-n可耦合连接到或耦合连接到了其相应的支路10、20、30中。
图3示意性地示出与电池单池1-1、...、3-n或电池1的热前史来控制电池 1的方法的流程。就像关于电池1的第一和第二实施方式所解释的那样，电池单 池1-1、...、3-n可以单个地耦合连接至其相应的支路10、20、30中或者与其相 隔离。在步骤S1中，为了使用电池1以放电或充电，发生这样的耦合连接例如 以产生或吸收交流电压或交流电流，其中单个的电池单池1-1、...、3-n重复地 为了充电或放电而与其支路10、20、30隔离或再次与所述支路相连接，由此得 出所使用的单池1-1、...、3-n的热负荷。尤其是在其中并不需要所有单池1-1、...、 3-n的部分负载运行中，从电池单池1-1、...、3-n的这样的使用中所得出的热负 荷可以导致单池的不同温度。因此，电池单池1-1、...、3-n中的单个电池单池 例如通过过热或通过过冷却可以到达温度极限，由此电池单池中的单个电池单 池可以超过或低于温度阈值。在执行步骤S1的情况下，因为并没有使用电池1， 电池1可以处于冷状态下，诸如在停下的车辆中。于是可以优选或仅仅使用特 定的电池单池1-1、...、3-n，以便通过其运行来更快速地对其进行加热并且这 样实现了更快速的开动。
在步骤S2中，如下地改变电池单池1-1、...、3-n的运行方式，使得在步骤 S2中对电池1的热状态发生反应。例如，在步骤S2中，已经超过阈值温度的 电池单池1-1、...、3-n在部分负载运行中不再耦合连接到其支路10、20、30中， 以便阻止这些电池单池1-1、...、3-n的热损伤并且引起其冷却。也可考虑的是， 如果没有达到对于最优运行所需的温度，则特别强烈地使用特定的电池单池， 以便其更强烈地加热。以这种方式，在步骤S2中得出新的热状态，在该新的热 状态中与步骤S1中不同的电池单池1-1、...、3-n被加负荷或被保护(schonen)。 由此，其它电池单池1-1、...、3-n也可以超过或低于阈值温度。
在步骤S3中，以相似的方式对步骤S2中电池1的温度状态进行反应，就 像步骤S2中对步骤S1中电池1的温度状态进行反应那样。可以考虑的是，从 步骤S2和S3中用于引入电池单池1-1、...、3-n的新的使用模式的顺序以时间 上恒定的间隔继续或者分别在电池单池1-1、...、3-n超过阈值温度的情况下以 其它步骤继续。对于热管理也还可以考虑专业人员基于其专业知识可想到的其 它做法。
仅仅在调用全部功率时或仅仅在刹车情况下电池单池1-1、...、3-n被最大 地充电时，才需要所有的电池单池1-1、...、3-n来用于车辆运行。但是这很少 出现，诸如在红灯之后加速的情况下或在斜坡上加速的情况下，其中电池1被 装入到电动车辆1中。如果例如仅仅需要一半或者少于一半的功率，则在放电 运行中也仅仅有一半或者更少的电池单池1-1、...、3-n，而其它电池单池处于 绕过模式(Bypass-Modus)中，在所述绕过模式中电池单池1-1、...、3-n并不 与其相应的支路10、20、30耦合。该行驶状态例如出现在具有明显低于最高速 度的恒定速度的高速公路行驶中，如果最高速度例如超过170km/h，则所述恒定 速度诸如在100或130km/h。也就是仅仅在放电运行中的电池单池1-1、...、3-n 被加热负荷。按照本发明，在根据图1或2之一的电池1的实施方式之一中， 可以挑出这样的电池单池1-1、...、3-n用于该负荷，所述电池单池比其它电池 单池1-1、...、3-n具有更低的温度，例如因为其由于结构类型所决定地比其它 电池单池1-1、...、3-n更好地与冷却耦合。如果被加负荷的电池单池1-1、...、 3-n通过运行而被过强地加热，则可以例如在达到特定温度的情况下选择其它电 池单池1-1、...、3-n以用于进一步运行。所述其它电池单池例如由于其更小的 负荷、其不运行或者其更好的冷却而具有较低的温度。在另一变型中，可以将 冷却设计为使得整个电池1、而不是一部分电池单池1-1、...、3-n被冷却。这 实现不同于现有技术的冷却策略，并且因此实现成本节省和效率提升。经冷却 的电池单池1-1、...、3-n现在可以与未冷却的电池单池不同地被加负荷，这允 许在电池1的运行方法中有一定的回旋余地。
在冬天通常不必冷却，因为通过其中装入这样的电池1的电动车辆中存在 的行驶风就足够了。由于在电池1内部的化学反应的延迟，必须在温度例如低 于0℃的情况下对所述电池1进行加热。根据现有技术，必须加热整个电池1。 根据按照本发明的方法的变型，在低温情况下特定的电池单池1-1、...、3-n被 更强地加负荷并且通过运行来更快地加热，而无需在此一并加热电池1的其余 部分。由此可以更快地起动其中装入这样的电池1的电动车辆，并且可以节省 单独的加热元件。
可以在控制设备60中实施所述方法的流程，所述控制设备利用耦合装置的 每一个来与电池单池1-1、...、3-n中的每一个连接。这适用于所有的实施方式。