[发明专利]具有多个蓄电池的电池组和操作电池组的方法

说明书

技术领域

本发明涉及如权利要求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，本发明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。本发明特别地涉及大功率电池(例如多单元锂离子电池)的构造。

背景技术

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。

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)。