專利名稱：用于測量多個串聯的蓄電池中的電池電壓的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于測量如例如在所謂的蓄電池組或電池組、比如鋰離子電池組中所使用的多個串聯的蓄電池中的蓄電池的電池電壓的方法和裝置。另外，本發明還涉及具有 這樣的裝置的用于蓄電池組的充電設備。
背景技術：
這種可再充電的蓄電池組的典型的應用領域例如是電機床、手持家用電器、比如 吸塵器、手電筒、清洗設備、或者其它用于花園、樹木、以及灌木養護的設備。一般而言，所述和其它類型的蓄電池組含有多個串聯的單獨的蓄電池。在此，尤其 是在鋰離子蓄電池組的情況下常常存在的需要是測量各個串聯(即串行)的電池上的電 壓(所謂的單電池電壓或電池電壓)，以便由此例如確定所述蓄電池組的容量狀態或者能 夠最佳地控制充電/放電周期。一般而言，相對于所述串聯電路或蓄電池組的公共電位、尤其是負極進行所述電 池電壓的測量。在此常常產生的問題是在測量電池電壓期間，各個電池承受不同大小的負 載，并且因此失去平衡。已經表明由于這種失衡(Debalancierimg)，蓄電池組的有效容量 可能減小。因此，例如在DE 103 47 110中描述了用于測量蓄能器的電池堆中的各個電池電 壓的裝置和方法。在此，與每個電池并聯地布置有兩個二極管的串聯電路，所述二極管的連 接點分別通過電容器和轉換開關與差分放大器相連接。確定頻率和幅度的交變電流被饋入 到所述電容器中，所述交變電流生成對應于電池電壓的交變電壓，所述交變電壓在經過整 流以后被轉換成該電池電壓的相對于地的直流電壓值。從DE 103 20 127中公知用于蓄電池(Speicherbatterie)的控制裝置和控制方 法，其中設置有第一控制設備，用于在蓄電池的端電壓處于或高于預先給定的閾值的情況 下釋放在所述蓄電池(電容器)中所存儲的電荷；溫度檢測設備，用于檢測所述蓄電池的溫 度；以及第二控制設備，其根據所述蓄電池的溫度改變所述預先給定的閾值。通過在由溫度 變化造成蓄電池的端電壓變化的情況下同樣改變閾值，將避免不必要的放電并且提高所存 儲的充電量。DE 100 51 984公開了一種電池電壓測量裝置，其尤其是用于如下的電池所述 電池由多個串聯的模塊組成，所述模塊分別具有多個串聯的次級電池。該裝置基本上針對 每個模塊都分別包括電容器，其被充電到有關模塊的電壓；將所述電容器同該模塊相連 接和斷開的開關；電壓跟隨器，其輸出所述電容器上的電壓；以及將所述電壓跟隨器同所 述電容器相連接和斷開的開關。因此，電池電壓將以高精確度被檢測。在EP 1 750 139中描述了 一種用于由多個串聯的電池組成的電池組的電壓 測量裝置。該測量裝置基本上包括采樣開關，其用于將一個或多個要測量的電池與 電容器相連接，使得所述電容器通過所述電池被充電；測量部分，其檢測并校正作為測 量電壓的被充電的電容器上的電壓，使得減小測量電壓的由所述采樣開關的端子電容(Anschlusskapazitat)造成的電壓誤差；以及過壓保護開關，其在即將接通所述采樣開關之前被接通并且將所述測量部分的輸入端子接地，使得保護所述測量部分不致于過 壓。因此，將基本上提高測量精確度，并且避免所述測量部分上達到過壓。最后，從US 2004/0051534中公知了另一用于由多個串聯的電池組成的電池組的 電壓測量裝置。多個串聯的并且通過開關能夠交替地與不同電池相連接的電容器用于存儲 電池電壓，所述電池電壓被加以A/D轉換并且通過模擬的保護開關被輸送給電壓檢測器。 另外，還設置有噪聲抑制裝置。因此將以可靠的方式以小的測量誤差測量電池電壓。
發明內容
因此，本發明所基于的任務在于，提供用于測量(尤其是蓄電池組中的)多個串聯 的蓄電池中的蓄電池的電池電壓的方法和裝置，利用所述方法/裝置，可以至少顯著地減 小由于對各個電池上的電池電壓進行所述測量而造成的電池串聯電路的失衡。該任務根據權利要求1利用一種用于測量具有公共參考電位的多個串聯的蓄電 池中的蓄電池的電池電壓的方法來解決，具有數目與要測量的電池的數目相對應的多個串 聯的測量電阻；以及在所述測量電阻與所述電池之間的多個開關，經由所述開關通過閉合 能夠分別將所述測量電阻之一與所述電池之一并聯，該方法具有下列步驟-閉合與要測量的電池的第一電極相連接的開關以及在具有與要測量的電池相比 相對于參考電位而言絕對值更高的電壓的電池的電極處的另外的開關，并且必要時打開所 有其它開關；-確定并存儲在第一電極上相對于參考電位降落的電壓；-打開與要測量的電池的第一電極相連接的開關，并且閉合與要測量的電池的第 二電極相連接的開關；-確定并存儲在第二電極上相對于參考電位降落的電壓；-通過將在所述兩個電極上所確定的電壓相減來確定電池電壓。此外，該任務根據權利要求4利用一種用于測量具有公共參考電位的多個串聯的 蓄電池中的蓄電池的電池電壓的裝置來解決，其中該裝置具有-數目與要測量的電池的數目相對應的多個串聯的測量電阻；-在所述測量電阻與所述電池或所述電池的端子之間的多個開關，經由所述開關 通過閉合能夠分別將所述測量電阻之一與所述電池之一并聯，以及-測量與控制設備，用于根據所選擇的要測量的電池打開或閉合所述開關，以及用 于根據上述方法通過將在所述電池的兩個電極上相對于參考電位降落的電壓相減來確定 所述電池的電池電壓。所述解決方案的特別的優點在于由此可以將失衡至少減小到以下程度，即與公 知的解決方案不同，所述解決方案不再對抗干擾性、測量精確度、采樣時間、反應時間、測量 時間、或者其它參數有重要影響。此外，根據本發明的方法以及根據本法明的裝置可以用于測量具有幾乎任意數目 的電池的蓄電池組的電池。從屬權利要求以本發明的有利改進方案為內容。
根據附圖，從下面對示例性和優選實施方式的描述中得出本發明的其它細節、特征、以及優點。圖1示出本發明的這樣的優選實施方式的示意性框圖。
具體實施例方式根據本發明的用于測量電池電壓的裝置大體上包括數目與要測量的串聯的電池 Zi的數目相對應的多個串聯的測量電阻Ri ；以及在所述測量電阻與所述電池之間的多個 開關Si，經由所述開關Si通過閉合可以分別將所述測量電阻之一與所述電池之一并聯。因 此，測量電阻Ri和開關Si被布置為使得可以分別將一個測量電阻Ri與每個要測量的電池 Zi并聯并且將所有的測量電阻Ri串聯。在此，所述測量電阻的串聯電路與所述電池的串聯電路并聯，也就是說，所述測量 電阻的串聯電路的外部端子分別與所述電池的串聯電路的外部端子相連接。電池串聯電路 的兩個外部端子之一(優選地為負極)構成用于測量所述電池上的電池電壓的參考電位， 使得由于公共參考電位而在通向測量電阻的串聯電路的有關外部端子的所述連接中不需 要存在開關。為了完整起見，必須說明，這當然相應地在如下情況下也適用所述電池的串聯電 路內的零電位被選擇作為參考電位，并且在所述串聯電路的外部端子處提供相對于通過相 應的第三外部(例如中間的)端子所引出的零電位的正或負電壓，使得在這種情況下也可 以應用根據本發明的原理。如果各個電池Zi的額定電壓都分別是大小相同的，則測量電阻Ri也都具有相同 的大小。如果所述電池之一具有比其它電池更高的額定電壓，則也應當把可以與該電池并 聯的測量電阻確定為以相同的比例大于所述串聯電路的可以與其它電池并聯的測量電阻。此外，根據本發明的裝置包括測量與控制設備，利用所述測量與控制設備，按照根 據本發明的方法，根據應當被確定電池電壓的那個電池來打開或閉合開關Si，以便然后根 據所測量的降落在測量電阻Ri之一上的電壓來計算電池電壓。在此，通過將相對于參考電位施加在要測量的電池的兩極上的那些電壓相減來確 定要測量的電池上的電池電壓。為了確定所述兩個電壓，優選地測量降落在利用端子之一(該端子也是所述串聯 電路的一個外部端子)與參考電位相連接的那個測量電阻(“第一”測量電阻Rl)上的(測 量)電壓。要測量的電池的電極上的兩個電壓分別在考慮處于要測量的電池的有關電極與 參考電位之間的測量電阻的串聯電路同第一測量電阻之間的分壓比的情況下被確定。這所 具有的優點是，在確定所有電池上的所有電池電壓時，用于電壓測量的測量分接頭可以是 同一測量分接頭(即在與參考電位相連接的第一測量電阻Rl處)，并且因此不必借助于另 外的開關等來改變。為了確定施加在要測量的電池的電極上的相對于參考電位的電壓，借助于測量與 控制設備閉合與所述電極相連接的開關。另外，還閉合在具有與要測量的電池相比相對于 參考電位而言更高的電壓的電池的電極處的至少一個另外的開關、優選地為具有最高電壓 的開關(一般而言為在電池串聯電路的正極處的開關)。而所有其它的開關被打開。(應當補充說明，在選擇正極作為參考電位的情況下，閉合在具有與要測量的電池相比相對于 參考電位而言絕對值更高的電壓的電池的電極處的開關、優選地為在電池串聯電路的負極 處的開關)。如下面還要詳細闡述的那樣，因此實現相同的測量電流通過所述串聯電路的所 有電池以及在具有最高電壓的電池處的閉合的開關和與所述開關相連接的測量電阻串聯 電路而流到參考電位，而沒有(顯著的)電流流經在要測量的電池的電極處的閉合的開關， 因為在那里不存在同與所述開關相連接的測量電阻的電位差，或者該電位差可以通過電流 被補償。現在將根據本發明的在圖1中所示的實施例來闡述另外的細節。圖1示意性地示出蓄電池組100，所述蓄電池組100具有多個單獨的串聯的蓄電池 Zi (在所示的情況下示例性地為第一至第十電池Zl，. . . Z10)，所述蓄電池Zi分別具有至少 基本上相等的電池額定電壓，其中所述串聯電路的外部端子(即第十電池ZlO的正極以及 第一電池Zl的負極)構成蓄電池組100的正極(+)和負極(-)。在此，該負極將是用于測 量電壓的參考電位。根據本發明的裝置包括串聯的第一至第十測量電阻Rl，...R10，其分別具有相 同的電阻值；以及第一至第十開關Si，. . . S10，通過所述開關可以分別建立電池Z1，... ZlO 之一的正極與可分別與電池Z1，... ZlO之一并聯的測量電阻R1，... RlO之間的連接。此外，在圖1中還示出了測量與控制設備10，其為了操作每個開關Si，. . . SlO而 分別具有開關輸出端。另外，測量與控制設備10還包括電壓測量輸入端，其中給所述電壓 測量輸入端輸送降落在第一測量電阻Rl上的測量電壓Vnress以用于測量。優選地，測量與控制設備10借助于微處理器來構建。開關Sl，. . . SlO優選地以可 切換的半導體開關、比如雙極型晶體管、MOSFET等等的形式來實施。最后，在圖1中用虛線示出了第一至第十電流II，... 110，所述電流分別從電池 Zl，... ZlO之一的正極通過與之相連接的(閉合的)開關S1，...S10以及與之相連接的測 量電阻R1，. . . RlO的串聯電阻流向地。為了確定Z1，. . . Z9之一上的電池電壓，首先閉合在該電池處的開關、即與所述要 測量的電池的正極相連接的(所屬的)開關S1，...S9。其次，同樣閉合在具有相對于參考電位而言較高的電壓的電池處的至少一個另外 的開關、優選地在具有最高電壓的電池處的開關、在圖1中所示的實施方式中即第十開關 Sioo作為另一優選的替代方案，也可以閉合比要測量的電池具有更高電壓的所有電池的開 關。所有其它的開關保持打開或者被打開。在第十開關SlO作為另外的開關被閉合的情況下實現以平衡的蓄電池組100為 出發點，由于共同的相同的測量電流I 10通過所有電池Z1，. . . ZlO以及所有的測量電阻 R10,. . . R1，因此在所有電池Z1，... ZlO上產生相同的電壓。這導致流過要測量的電池的閉 合的開關Si的電流最小或者基本上為零。由于在每個時刻都有相同的電流流經每個電池 Zl,... Z10,因此該測量不造成失衡。除此之外，通過根據本發明的裝置，電池的可能的失衡 的狀態盡最大可能地被平衡。例如，在蓄電池組100在外部端子之間的總額定電壓為40V、第十開關SlO閉合并且電池平衡的情況下在每個電池Z1，... ZlO上以及在每個測量電阻R1，... RlO上分別得到4V的額定電壓降。如果現在考慮第八電池Z8的正極處的電壓的測量，則在第八至第一 測量電阻R8，...Rl的串聯電路上的電壓不會由于閉合第八開關S8而改變。原因在于，測 量電阻Rl至R8的串聯電路上的電壓和電池Zl至Z8上的總電壓分別是大小相同的，在這 種情況下分別為8*4V = 32V。由于通過閉合第八開關S8沒有電位差被補償，因此通過所 述第八開關S8的有關的第八電流18基本上等于零。另外，測量電流IlO僅僅被引導通過 第十開關SlO和測量電阻R10，...Rl的串聯電路。由于所述測量電流還流經所有的電池 Zl,... Z10,因此蓄電池組100不會變成失衡。通過將降落在第一測量電阻Rl上的兩個測量電壓Vmess相減并且在考慮基于測量 電阻Ri的相應電壓分壓比的情況下如下確定某一電池Z1，... ZlO上的電池電壓。當例如應確定第八電池Z8上的實際電池電壓時，借助于測量與控制設備10閉合 第八開關S8以及優選地如上面所闡述的那樣閉合第十開關S10。然后借助于測量與控制設 備10測量并存儲第一測量電阻Rl上的電壓降、即測量電壓Vmess。接著，第八開關S8被打 開，并且第七開關S7被閉合。現在，再次借助于測量與控制設備10測量并存儲第一測量電 阻Rl上的測量電壓Vmess。然后，借助于測量與控制設備10將在閉合第八開關S8之后所測量的測量電壓 Vmess與電壓分壓比(R1+R2+... R8)/R1相乘，從而得出處于電阻Rl至R8的串聯電路上的總 電壓以及由此得出處于串聯的電池Zl至Z8上的總電壓。針對在閉合第七開關S7之后所測量并存儲的測量電壓Vnress也進行相應的計算，也 就是說，將該測量電壓與電壓分壓比(R1+R2+... R7) /Rl相乘，從而得出降落在電阻Rl至R7 的串聯電路上的電壓或者電池Z1至Z7上的總電壓。最后，通過將這兩個所計算出的電壓彼此相減，得到第八電池Z8上的所期望的實 際電池電壓。上述兩個電壓分壓比針對全部的測量電壓優選地被存儲在測量與控制設備10 中，使得不必針對每次測量而重新計算所述電壓分壓比。優選地，測量與控制設備10被設計為使得用戶可以選擇或輸入要測量的電池并 且測量與控制設備10然后據此根據上述方法打開以及閉合有關開關并且計算并顯示處于 所選擇的電池上的電池電壓。為此目的，測量與控制設備10優選地具有被相應地編程的微 處理器單元、存儲器以及輸入和輸出設備。如果蓄電池組100的電池Z1，. . . ZlO具有不同的電池電壓，則根據電池電壓彼此 之間的電壓分壓比來相應地匹配串聯的測量電阻R1，... RlO的電阻值，使得如果第十開關 是閉合的并且所有其它開關都是打開的，則在每個測量電阻上降落與在有關的與該測量電 阻并聯的電池上相同的電壓。根據本發明的裝置可以有利地例如與充電設備組合使用，以便在充電/放電過程 期間監測各個電池的狀態。
權利要求
一種用于測量具有公共參考電位的多個串聯的蓄電池中的蓄電池的電池電壓的方法，具有數目與要測量的電池(Zi)的數目相對應的多個串聯的測量電阻(Ri)；以及在所述測量電阻與所述電池之間的多個開關，經由所述開關通過閉合能夠分別將所述測量電阻之一與所述電池之一并聯，該方法具有下列步驟-閉合與要測量的電池的第一電極相連接的開關以及在具有與所述要測量的電池相比相對于所述參考電位而言絕對值更高的電壓的電池的電極處的另外的開關，并且必要時打開所有其它開關；-確定并存儲在所述第一電極上相對于所述參考電位降落的電壓；-打開與所述要測量的電池的所述第一電極相連接的開關，并且閉合與所述要測量的電池的第二電極相連接的開關；-確定并存儲在所述第二電極上相對于所述參考電位降落的電壓；-通過將在所述兩個電極上所確定的電壓相減來確定電池電壓。
2.根據權利要求1所述的方法，其中通過如下方式來確定在要測量的電池(Zi)的電極 上相對于所述參考電位降落的電壓測量在測量電阻(Ri)的串聯電路的與所述參考電位 相連接的第一測量電阻(Rl)上降落的電壓；以及由此在考慮處于所述電極與所述參考電 位之間的測量電阻的串聯電路與所述第一測量電阻(Rl)之間的分壓比的情況下計算在所 述電極上降落的電壓。
3.根據權利要求2所述的方法，其中借助于微處理器控制的測量與控制設備(10)來進 行開關(Si)的打開和閉合、在要測量的電池(Zi)的電極上降落的電壓的計算、以及電池電 壓的計算。
4.一種用于測量具有公共參考電位的多個串聯的蓄電池(Zi)中的蓄電池的電池電壓 的裝置，具有_數目與要測量的電池(Zi)的數目相對應的多個串聯的測量電阻(Ri)；-在所述測量電阻與所述電池或所述電池的端子之間的多個開關(Si)，經由所述開關 通過閉合能夠分別將所述測量電阻之一與所述電池之一并聯，以及-測量與控制設備(10)，用于根據所選擇的要測量的電池打開或閉合開關(Si)，以及 用于按照根據權利要求1至3之一所述的方法通過將在所述電池的兩個電極上相對于所述 參考電位降落的電壓相減來確定所述電池的電池電壓。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中所述測量與控制設備(10)具有計算單元和/或存 儲單元，用于計算或存儲要連接在要測量的電池(Zi)的電極與所述參考電位之間的測量 電阻的串聯電路(R1+R2+R3+…)和與所述參考電位相連接的第一測量電阻(Rl)之間的至 少一個電壓分壓比。
6.根據權利要求4或5所述的裝置，其中所述測量與控制設備(10)具有微處理器單元 以及存儲器，用于檢測和存儲施加在所述測量與控制設備的輸入端上的測量電壓(Vmess)， 用于根據由用戶所選擇的要測量的電池來打開和閉合開關(Si)，以及用于按照根據權利要 求1至3之一所述的方法計算電池電壓。
7.一種具有根據權利要求4至6之一所述的裝置的充電設備。
全文摘要
描述用于測量尤其是所謂的蓄電池組或電池組(100)、比如鋰離子電池組的多個串聯的蓄電池中的蓄電池(Z1，...Z10)的電池電壓的方法和裝置，所述電池組具有多個這樣的串聯的蓄電池。該方法和裝置的特征尤其在于，不會由于測量各個蓄電池上的電池電壓而造成所述蓄電池組的失衡。
文檔編號G01R31/36GK101828123SQ200880111787
公開日2010年9月8日 申請日期2008年10月14日 優先權日2007年10月15日
發明者B·奧斯特舒爾特 申請人:安德烈亞斯.斯蒂爾兩合公司
專業數控銑床產品供應商
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