用于监测和控制电池单池单元的方法

技术领域

本发明涉及一种用于监测和控制电池单池单元的方法。此外，本发明还涉及一种电池单池单元、电池系统和用于监测和控制电池系统的方法的用途。

背景技术

电池单池、尤其是次级电池在使用寿命期间改变其特性。在使用在移动应用中、尤其是车辆中时可能出现的是，电池单池的使用寿命小于车辆的使用寿命。在使用多个单池时可能出现的是，非所有单池均匀地老化，而是以不同的速度老化。这经常导致的是，在单个单池出故障时，必须更换整个电池系统。因此，在监测和控制电池单池时有利的是，可测量的参量可以用作特别精确地反映电池单池的状态的参数。

发明内容

本发明的主题是具有权利要求1的特征的方法、具有权利要求6的特征的电池单池单元、具有权利要求8的特征的电池系统和具有权利要求9的特征的方法的用途。

一种用于监测和控制电池单池单元的方法尤其受到保护，所述方法具有以下步骤：

- 提供至少一个具有第一极和第二极的电池单池，第一极与输入端连接，输入端可以与第一电气元件连接；第二极与输出端连接，输出端可以与第二电气元件连接。同样提供了开关，该开关适用于连接第一极与输入端或分离该连接；

- 另一步骤表示第一开关的断开，用于分离输入端和第一极之间的连接；

- 在另一步骤中，确定与输入端分离的电池单池的测量参量。对确定的测量参量进行评估，其中基于测量参量确定至少一个开关值。同样基于至少一个开关值适配第一开关的开关状态。在此，上述的步骤用于控制和监测电池单池单元。

换言之，提供形式为具有正极和负极的电池单池、尤其是次级电池的能量存储器。因为结合本发明不重要的是电流线路的物理过程，所以术语正极和负极是可互换的。输入端可以与第一电气元件连接，其中第一电气元件例如可以是另外的电池单池单元、电路、耗电器或尤其形式为插头或插座的连接元件。可以与输出端连接的第二电气元件也可以至少具有同样提到的电气元件。

替代唯一的电池单池地，也可以在电池单池单元内部布置有多个电池单池、尤其是两个电池单池，其中所述电池单池不仅可以并联地，而且也可以串联地连接。在此，在串联电路中，分别仅一个电池单池与输入端连接，并且另外的电池单池与输出端连接，并且在并联电路中，必要时多个电池单池与输入端和输出端连接。多个电池单池的使用提供以下优点，即可以提高电压或电流。

此外设置有第一开关，第一开关在闭合状态下连接电池单池的第一极与输入端，并且在断开状态下分离该连接。在此，在输入端和电池单池的第一极之间的连接可以直接通过开关并且可以通过一个或多个单池线路实现。在此，开关本身可以例如实施为继电器，这提供电流的和特别安全的分离的优点。备选地也可以设置的是，开关以半导体为基础，由此，能够实现大数量的开关周期。开关同样也可以实施为MOSFET或IGFET，其可以特别小地和有利地实施。

通过断开第一开关使至少一个电池单池、尤其两个或更多个电池单池与输入端分离。由此，至少一个电池单池、尤其两个或更多个电池单池不再能够将电流输出到第一电气元件和/或第二电气元件。在该状态下，电池单池的充电也是不可能的。

第一开关的断开可以在特定的间隔中进行，所述间隔尤其是适配于要确定的测量参量。

由与输入端分离的电池单池确定的测量参量可以是每个可测量的参量、尤其是温度、压力、浓度或电气参量、例如电压、电流或阻抗。测量参量可以由测量器件检测，其中相应的入口设置在电池单池单元上。为了测量电气参量，另外的接头可以设置在至少一个电池单池上、尤其多个电池单池上。因此，用于测量阻抗的器件例如可以连接至至少一个或尤其多个电池单池，并且在第一开关断开并且一个电池单池或多个电池单池无电流的时刻中测量阻抗。这提供以下优点，即可以特别精确地确定阻抗，这能够实现对单池的状态的更好的描述。

在评估测量参量时，基于测量参量确定开关值。在此，开关值可以具有逻辑值，逻辑值可以用作针对开关的额定值。例如，开关值1相应于闭合的开关，而开关值0相应于断开的开关。在评估测量参量时，被测量的参量可以与额定值或额定范围比较。额定值可以例如是通常有利的额定值、例如不能够被低于的单池电压。这提供以下优点，即与电池单池的必要时存在的状态差异无关，可以确定第一开关的开关值。备选地或补充地也可能的是，测量参量与额定值比较，额定值单独适配于电池单池。因此例如可能发生的是，电池单池取决于制造地承受一定的波动。因此，从生产开始就具有低电压但为此例如具有容量增加的单池例如可以得到相应适配的额定值。

为了评估可以设置有评估单元，评估单元尤其可以构造为微控制器。微控制器提供以下优点，即其可以特别小地和有利地实施。此外可以设置的是，评估单元构造为FPGA，其可以特别容易地适配于测量任务。备选地或补充地，评估单元也可以构造为ASIC，其可以在大的件数中特别有利地制造。

被确定的开关值用作针对第一开关的额定值。如果例如确定的是，电池单池具有太小的电压，那么第一开关可以断开，并且电池单池与输入端和输出端保持分离。然而，如果测量值相应于额定值或额定范围，那么电池单池可以在测量之后又与输入端和输出端连接，其方法是，第一开关闭合。

此外可以设置的是，测量器件和/或评估器件与电池单池单元和/或电池单池固定连接，从而它们可以一起被去除。这提供以下优点，即可以容易地更换电池单池单元或电池单池。

可能有利的是，方法附加地具有以下步骤：

- 可以提供第二开关，其与电池单池平行地布置在输入端和输出端之间；

- 在另一步骤中，可以闭合第二开关，由此，输入端与输出端短路。

换言之，可以设置的是，与至少一个电池单池、尤其多个电池单池平行地，设置有另外的电流路径，另外的电流路径通过第二开关不仅可以被中断，而且也可以被短路。这提供以下优点，即可以跨接至少一个电池单池、尤其多个电池单池。尤其是当电池单池单元通过输入端和/或输出端与另外的电池单池单元连接时，可以通过闭合第二开关跨接电池单池单元的电池单池。第二开关的闭合可以刚好在断开第一开关的时刻中进行。这提供以下优点，即可以在分离的至少一个、尤其多个电池单池上确定测量参量，并且输入端在此没有与输出端电分离。由此，连接至输入端和/或输出端的另外的电气元件可以在确定测量参量期间被继续使用，并且必要时补偿现在被测量的单池的故障。如果存在两个开关，那么开关值可以包括针对两个开关的额定值。

此外可以设置的是，存储至少一个测量参量。这提供以下优点，即能够实现数据的更可靠的评估。可以设置的是，为了存储测量参量设置有存储器，存储器尤其可以与测量或评估单元连接。也可以设置的是，存储器是测量和/或评估单元的一部分。此外可以设置的是，存储器布置在电池单池单元上，从而该存储器作为共同的单元添加到电池系统中，或可以被取出。这提供以下优点，即关于至少一个、尤其多个电池单池的数据在其整个使用寿命上被存储，并且可以与电池单池本身一起被进一步使用。这例如能够实现，针对特定的应用、例如作为使用在飞机中的电池单池不再具有需要的特性来进行拆卸，并且可以安装其他的具有更低的要求的设备。

此外可以设置的是，通过评估单元，从存储的测量参量确定至少一个开关值。在此设置的是，数据存在于存储器中，存储器可以布置在电池单池单元的内部，从而电池单池单元和存储器一起是可更换的。可以设置的是，存储器也包含来自其他的可能不是电池单池单元的一部分的电池单池的数据。在此，与测量参量比较以便确定开关值的额定值可以进行适配，从而系统的功能性能总体上得到确保。可以设置有信号器件，当超过或低于额定值时，信号器件用信号表示用于更换单池的建议。这提供以下优点，即替代多个电池单池地，仅更换与适配于应用的阈值不同并且因此不能够被进一步使用的单池。

可以设置的是，至少一个测量参量包括至少一个以下参量，和/或为了计算出开关值考虑到其中至少一个以下参量：

- 电池单池的电压，尤其作为时间函数，

- 电池单池的充电电流，尤其作为时间函数，

- 电池单池的温度，尤其作为时间函数，

- 电池单池的电容量，尤其作为时间函数，

- 电池单池的阻抗，尤其作为时间函数。

在此可以设置的是，通过至少一个测量器件确定测量参量。不仅可以确定单个测量参量也可以确定多个测量参量，其中为了计算出开关值，不仅可以考虑到单个测量参量也可以多个测量参量，或由多个测量参量构成的组合，用以计算出开关值。尤其通过分离至少一个或尤其多个电池单池与输入端和输出端，能够实现特别精确地确定测量参量。

本发明的另外的主题是尤其用于移动能量供应的电池单池单元，其具有至少一个电池单池、输入端和输出端，输入端在第一极上与至少一个电池单池连接，输出端在第二极上与至少一个电池单池连接。此外，电池单池单元具有第一开关，第一开关适用于连接输入端与至少一个电池单池，或与至少一个电池单池分离。此外，电池单池单元具有至少一个测量器件，所述测量器件适用于确定至少一个测量参量，并且与电池单池连接。电池单池单元此外具有评估单元，评估单元与至少一个测量器件连接并且适用于评估由至少一个测量器件确定的至少一个测量参量，并且计算出至少一个开关值，所述开关值与至少一个测量参量在功能上相关联。电池单池单元尤其可以用于移动能量供应、例如用于飞机、机动车、轨道车辆或其他的可运动的耗电器。

电池单池单元提供以下优点，即电池单池单元可以根据确定的测量值被切断和接通。在确定的没有达到额定值或额定范围的测量参量的情况下，电池单池被切断，其方法是，又没有闭合第一开关。然而，如果测量参量达到额定值或额定范围，那么第一开关又闭合，并且电池单池保持接通。第一开关的断开可以在特定的尤其适配于要确定的测量参量的间隔中进行。这提供以下优点，即电池单元的分离可以尽可能少地进行，并且电池单池单元的功率性能在运行安全提高的情况下提高。

输入端和输出端分别可以与第一和第二电气元件连接，其中电气元件例如可以是另外的电池单池单元、电路、耗电器或尤其形式为插头或插座的连接元件。这具有以下优点，即电池单池单元可以集成在电池系统中。

替代唯一的电池单池地，也可以不仅将多个电池单池并联连接也可以串联连接。在此，在串联连接时，分别仅一个电池单池与输入端连接，并且另外的电池单池与输出端连接，并且在并联连接时，可能有多个电池单池与输入端和输出端连接。多个电池单池的使用提供以下优点，即可以提高电压或电流。

在闭合的状态下，第一开关连接电池单池的第一极与输入端，并且在断开的状态下分离该连接。在此，在输入端和电池单池的第一极之间的连接可以直接通过开关也可以通过一个或多个单池线路实现。开关本身在此可以实施为继电器，这提供电流的和特别安全的分离的优点。备选地也可以设置的是，开关以半导体基体为基础，由此，能够实现大数量的开关周期。开关同样也可以实施为MOSFET或IGFET，其可以特别小地和有利地实施。

由与输入端分离的电池单池确定的测量参量可以是每个可测量的参量、尤其是温度、压力、浓度或电气参量、例如电压、电流或阻抗。测量参量由测量器件检测，其中相应的入口设置在电池单池单元上。为了测量电气参量，另外的接头可以设置在至少一个电池单池上、尤其多个电池单池上。因此，用于测量阻抗的器件可以连接至至少一个或尤其多个电池单池，并且在第一开关断开并且一个电池单池或多个电池单池无电流的时刻中测量阻抗。这提供以下优点，即可以特别精确地确定阻抗，这能够实现对单池的状态的更好的描述。

在评估测量参量时，基于测量参量确定开关值。如果设置有多个开关，那么开关值也可以针对所有开关包含分别适配的额定值。在此，开关值可以具有逻辑值，逻辑值可以用作针对开关的额定值。例如，开关值1相应于闭合的开关，开关值0相应于断开的开关。在通过评估单元评估测量参量时，被测量的参量可以与额定值或额定范围比较。额定值可以例如是通常有利的额定值、例如不能够被低于的单池电压。这提供以下优点，即与电池单池的必要时存在的状态差异无关，可以确定第一开关的开关值。对此备选地或补充地也可能的是，测量参量与额定值比较，额定值单独适配于电池单池。因此例如可能发生的是，电池单池取决于制造地承受一定的波动。因此，从生产开始就具有低电压但为此例如具有容量增加的单池可以得到相应适配的额定值。

为了评估而设置有评估单元，评估单元可以构造为微控制器。微控制器提供以下优点，即其可以特别小地和有利地实施。此外可以设置的是，评估单元构造为FPGA，其可以特别容易地适配于测量任务。对此备选地或补充地，评估单元也可以构造为ASIC，其可以在大的件数中特别有利地制造。

被确定的开关值用作针对第一开关的额定值。如果例如确定的是，电池单池具有太小的电压，那么第一开关可以断开，并且电池单池与输入端和输出端保持分离。然而，如果测量值相应于额定值或额定范围，那么电池单池可以在测量之后又与输入端和输出端连接，其方法是，第一开关闭合。

此外可以设置的是，测量器件和/或评估器件与电池单池单元和/或电池单池固定连接，从而它们可以一起被去除。这提供以下优点，即可以容易地更换电池单池单元或电池单池。

此外可以设置的是，设置有第二开关，第二开关在输入端和输出端之间平行于电池单池地布置。换言之，在通过断开第一开关分离电池单池与电路期间，电流可以平行于电池单池地从输入端进一步引导到输出端，或反之亦然。这提供以下优点，即尽管分离至少一个、尤其多个电池单池，但仍然确保从输入端到输出端的进一步引导，或反之亦然。

本发明的另外的主题是一种电池系统，其具有多个根据权利要求6或7的电池单池单元，电池单池单元相互串联连接和/或并联连接。在此可以设置的是，至少一个测量器件与多个电池单池单元连接，并且适用于确定至少一个测量参量。这提供以下优点，即不必针对每个电池单池单元单独设置测量器件，从而可以节约成本。此外可以设置的是，评估单元与多个测量器件连接并且适用于评估利用测量器件确定的测量参量，并且计算出至少一个开关值，所述开关值与测量参量在功能上相关联。这也提供以下优点，即与当每个测量器件具有自身的评估单元时相比需要更少的评估单元。

然而对此备选地也可以设置的是，电池单池单元在电池系统中分别具有自身的测量器件和评估单元，从而电池单池单元可以从电池系统取出或添加，而不干扰电池系统的功能。尤其可以设置的是，如果通过评估单元确定电池单池单元不再满足更高的要求，那么电池单池单元从具有更高的要求的电池系统取出，并且安装到具有更小的要求的电池系统中。

本发明的另外的主题是用于监测和控制根据权利要求8的电池系统的方法的用途。在此，此外可以设置以下步骤：

- 断开至少一个第一开关，由此从输入端中断至少一个电池单池，

- 闭合至少一个第二开关，由此输入端与输出端短路，

- 通过至少一个测量器件确定至少一个电池单池的测量参量，

- 通过评估单元评估测量参量，其中基于测量参量确定至少一个开关值，

- 基于至少一个开关值适配至少一个第一开关的开关状态，

- 基于至少一个开关值适配至少一个第二开关的开关状态，

用于监测和控制电池系统。在此可以设置的是，在定义的时间间隔中断开第一开关，以便实施对电池单池的无电流的测量，并且在测量期间闭合第二开关，以便因此跨接电池单元，并且确保电池系统的功能性能。

在系统内可以设置的是，测量在时间上相互协调，使得同时总是测量仅一个或至少一些电池单池，从而总体上确保电池系统的功能性能。

同样可以设置的是，基于对电池系统的当前需要的要求，通过闭合第一开关并且通过断开第二开关给特别适当的电池单元提供功率，并且通过断开第一开关并且闭合第二开关将不适当的电池单池单元排除在使用之外。当在车辆加速的情况下，应该由电池单池单元输出特别高的功率时，例如可以是这样的情况，为此，尽可能少的电池单池单元是不适当的。但电池单池单元完全还可以具有大的容量，电池单池单元例如可以用于对功率输出要求较低的阶段。

此外可以设置的是，一电池单池单元与另一电池单池单元相比的偏差被考虑到通过评估单元计算开关值中。换言之，评估单元可以将各个电池单池单元的状态进行相互比较，并且决定对于当前的要求需要其中哪个电池单池单元，并且哪个电池单池单元为此是最适当的。相应地，电池单池单元的两个第一开关的开关状态可以被适配，从而电池单池单元的电池单池要么与相应的输入端和输出端连接，要么分离。

本发明的另外的特征和细节由从属权利要求、说明书和附图得到。在此显然地，结合根据本发明的方法描述的特征和细节也适用于结合根据本发明的电池单池单元、根据本发明的电池单池系统和/或根据本发明的用途，相应地反之亦然，从而关于各个发明方面的公开始终相互参考或可以相互参考。

附图说明

另外的改进本发明的措施由随后对本发明的一些实施例的描述得到，实施例在附图中示意性示出。所有由权利要求、说明书或附图产生的特征和/或优点包括结构细节、空间布置和方法步骤不仅可以单独地也可以在不同的组合中对于本发明来说是重要的。在此要注意，附图仅具有描述性的特性，并且并不旨在以任何形式限制本发明。其中：

图1示出了在不同的开关状态中的电池单池单元的示意性视图；

图2示出了电池单池单元的另外的示意图；

图3示出了电池系统的示意图；

图4示出了根据本发明的方法的过程图；

在随后的附图中，即使针对不同的实施例的相同的技术特征也使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1左边示出了具有输入端103和输出端104的电池单池单元100。输入端103与电池单池150在电池单池151的第一极上通过第一开关111连接。在输入端103通过开关111和电池单池150到输出端104之间的电流路径随后被称为单池线路106。通过该单池线路106，电流可以通过电池单池150从输入端103引导到输出端104或反之亦然。与之平行地示出了第二电流路径105，第二电流路径同样通过第二开关112连接输入端103与输出端104。在图1左边示出的状态中，电池单池150与输入端103和输出端104连接。在此，在输入端103和输出端104之间例如可以设置耗电器，其可以通过电池单池150的输出的功率运行。备选地同样可想到的是，在输入端103和/或输出端104上，串联或并联连接地设置另外的电池单池单元，由此形成电池系统1000。为了使电流可以从电池单池150流入电池系统1000或耗电器中，此外必须断开可能存在的开关112。这在图1中的左边的和中间的图示中示出。

在确定电池单池150的测量参量时断开第一开关111，其中第二开关112可以闭合。由此，电池单池单元150是无电流的，这能够实现更精确地确定测量参量。该过程在图1的右侧示出。

在图2中示出了电池单池单元100的另外的视图，在其中还示意性示出了测量器件120和评估单元140以及存储器141。测量器件120用于确定电池单池150的测量参量。测量器件120与评估单元140连接，评估单元对测量值进行评估，并且以此为基础确定开关值，开关值至少确定第一开关111的开关状态或第一和第二开关111、112的开关状态。评估单元140在此可以使用要么由测量器件120直接检测要么存储在存储器141中的值。评估单元140可以使第一和/或第二开关111、112的开关状态适配于额定值。

在图3中示出了电池系统1000，在电池系统中，电池单池单元100串联连接地示出。

显然，各个电池单池单元也可以并联和/或串联连接。这提供以下优点，即可以提高电压或电流强度。

在图4中示出了流程图，该流程图示例性地示出了根据本发明的方法的设计方案。在第一方法步骤500中，首先提供电池单池单元100、第一开关111、尤其是第二开关112、测量器件120和评估单元140。在定义的时间间隔中可以重复的下一步骤510中，断开第一开关111，并且闭合第二开关112。在随后的步骤520中，测量器件120检测至少一个测量值。该至少一个测量值在随后的步骤530中由评估单元140评估，评估单元基于至少一个测量值计算出针对第一开关111、尤其是第二开关112的开关值。在下一步骤540中，根据开关值适配第一开关111、尤其是第二开关112的开关状态。这意味着，电池单池150要么返回到其初始状态中，要么与输入端103和输出端104保持分离。

对实施方式的之前的阐述仅在示例的范围内描述了本发明。显然，如果在技术上有意义的话，实施方式的各个特征可以自由地相互组合，而不会脱离本发明的范围。