用于测量多个串联的蓄电池中的电池电压的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及用于测量如例如在所谓的蓄电池组或电池组、比如锂离子电池组中所使用的多个串联的蓄电池中的蓄电池的电池电压的方法和装置。另外，本发明还涉及具有这样的装置的用于蓄电池组的充电设备。
背景技术
这种可再充电的蓄电池组的典型的应用领域例如是电机床、手持家用电器、比如吸尘器、手电筒、清洗设备、或者其它用于花园、树木、以及灌木养护的设备。
一般而言，所述和其它类型的蓄电池组含有多个串联的单独的蓄电池。在此，尤其是在锂离子蓄电池组的情况下常常存在的需要是：测量各个串联(即串行)的电池上的电压(所谓的单电池电压或电池电压)，以便由此例如确定所述蓄电池组的容量状态或者能够最佳地控制充电/放电周期。
一般而言，相对于所述串联电路或蓄电池组的公共电位、尤其是负极进行所述电池电压的测量。在此常常产生的问题是：在测量电池电压期间，各个电池承受不同大小的负载，并且因此失去平衡。已经表明：由于这种失衡(Debalancierung)，蓄电池组的有效容量可能减小。
因此，例如在DE 103 47 110中描述了用于测量蓄能器的电池堆中的各个电池电压的装置和方法。在此，与每个电池并联地布置有两个二极管的串联电路，所述二极管的连接点分别通过电容器和转换开关与差分放大器相连接。确定频率和幅度的交变电流被馈入到所述电容器中，所述交变电流生成对应于电池电压的交变电压，所述交变电压在经过整流以后被转换成该电池电压的相对于地的直流电压值。
从DE 103 20 127中公知用于蓄电池(Speicherbatterie)的控制装置和控制方法，其中设置有：第一控制设备，用于在蓄电池的端电压处于或高于预先给定的阈值的情况下释放在所述蓄电池(电容器)中所存储的电荷；温度检测设备，用于检测所述蓄电池的温度；以及第二控制设备，其根据所述蓄电池的温度改变所述预先给定的阈值。通过在由温度变化造成蓄电池的端电压变化的情况下同样改变阈值，将避免不必要的放电并且提高所存储的充电量。
DE 100 51 984公开了一种电池电压测量装置，其尤其是用于如下的电池：所述电池由多个串联的模块组成，所述模块分别具有多个串联的次级电池。该装置基本上针对每个模块都分别包括：电容器，其被充电到有关模块的电压；将所述电容器同该模块相连接和断开的开关；电压跟随器，其输出所述电容器上的电压；以及将所述电压跟随器同所述电容器相连接和断开的开关。因此，电池电压将以高精确度被检测。
在EP 1 750 139中描述了一种用于由多个串联的电池组成的电池组的电压测量装置。该测量装置基本上包括：采样开关，其用于将一个或多个要测量的电池与电容器相连接，使得所述电容器通过所述电池被充电；测量部分，其检测并校正作为测量电压的被充电的电容器上的电压，使得减小测量电压的由所述采样开关的端子电容造成的电压误差；以及过压保护开关，其在即将接通所述采样开关之前被接通并且将所述测量部分的输入端子接地，使得保护所述测量部分不致于过压。因此，将基本上提高测量精确度，并且避免所述测量部分上达到过压。
最后，从US 2004/0051534中公知了另一用于由多个串联的电池组成的电池组的电压测量装置。多个串联的并且通过开关能够交替地与不同电池相连接的电容器用于存储电池电压，所述电池电压被加以A/D转换并且通过模拟的保护开关被输送给电压检测器。另外，还设置有噪声抑制装置。因此将以可靠的方式以小的测量误差测量电池电压。
【发明内容】
因此，本发明所基于的任务在于，提供用于测量(尤其是蓄电池组中的)多个串联的蓄电池中的蓄电池的电池电压的方法和装置，利用所述方法/装置，可以至少显著地减小由于对各个电池上的电池电压进行所述测量而造成的电池串联电路的失衡。
该任务根据权利要求1利用一种用于测量具有公共参考电位的多个串联的蓄电池中的蓄电池的电池电压的方法来解决，具有数目与要测量的电池的数目相对应的多个串联的测量电阻；以及在所述测量电阻与所述电池之间的多个开关，经由所述开关通过闭合能够分别将所述测量电阻之一与所述电池之一并联，该方法具有下列步骤：
-闭合与要测量的电池的第一电极相连接的开关以及在具有与要测量的电池相比相对于参考电位而言绝对值更高的电压的电池的电极处的另外的开关，并且必要时打开所有其它开关；
-确定并存储在第一电极上相对于参考电位降落的电压；
-打开与要测量的电池的第一电极相连接的开关，并且闭合与要测量的电池的第二电极相连接的开关；
-确定并存储在第二电极上相对于参考电位降落的电压；
-通过将在所述两个电极上所确定的电压相减来确定电池电压。
此外，该任务根据权利要求4利用一种用于测量具有公共参考电位的多个串联的蓄电池中的蓄电池的电池电压的装置来解决，其中该装置具有：
-数目与要测量的电池的数目相对应的多个串联的测量电阻；
-在所述测量电阻与所述电池或所述电池的端子之间的多个开关，经由所述开关通过闭合能够分别将所述测量电阻之一与所述电池之一并联，以及
-测量与控制设备，用于根据所选择的要测量的电池打开或闭合所述开关，以及用于根据上述方法通过将在所述电池的两个电极上相对于参考电位降落的电压相减来确定所述电池的电池电压。
所述解决方案的特别的优点在于：由此可以将失衡至少减小到以下程度，即与公知的解决方案不同，所述解决方案不再对抗干扰性、测量精确度、采样时间、反应时间、测量时间、或者其它参数有重要影响。
此外，根据本发明的方法以及根据本法明的装置可以用于测量具有几乎任意数目的电池的蓄电池组的电池。
从属权利要求以本发明的有利改进方案为内容。
【附图说明】
根据附图，从下面对示例性和优选实施方式的描述中得出本发明的其它细节、特征、以及优点。
图1示出本发明的这样的优选实施方式的示意性框图。
【具体实施方式】
根据本发明的用于测量电池电压的装置大体上包括：数目与要测量的串联的电池Zi的数目相对应的多个串联的测量电阻Ri；以及在所述测量电阻与所述电池之间的多个开关Si，经由所述开关Si通过闭合可以分别将所述测量电阻之一与所述电池之一并联。因此，测量电阻Ri和开关Si被布置为使得可以分别将一个测量电阻Ri与每个要测量的电池Zi并联并且将所有的测量电阻Ri串联。
在此，所述测量电阻的串联电路与所述电池的串联电路并联，也就是说，所述测量电阻的串联电路的外部端子分别与所述电池的串联电路的外部端子相连接。电池串联电路的两个外部端子之一(优选地为负极)构成用于测量所述电池上的电池电压的参考电位，使得由于公共参考电位而在通向测量电阻的串联电路的有关外部端子的所述连接中不需要存在开关。
为了完整起见，必须说明，这当然相应地在如下情况下也适用：所述电池的串联电路内的零电位被选择作为参考电位，并且在所述串联电路的外部端子处提供相对于通过相应的第三外部(例如中间的)端子所引出的零电位的正或负电压，使得在这种情况下也可以应用根据本发明的原理。
如果各个电池Zi的额定电压都分别是大小相同的，则测量电阻Ri也都具有相同的大小。如果所述电池之一具有比其它电池更高的额定电压，则也应当把可以与该电池并联的测量电阻确定为以相同的比例大于所述串联电路的可以与其它电池并联的测量电阻。
此外，根据本发明的装置包括测量与控制设备，利用所述测量与控制设备，按照根据本发明的方法，根据应当被确定电池电压的那个电池来打开或闭合开关Si，以便然后根据所测量的降落在测量电阻Ri之一上的电压来计算电池电压。
在此，通过将相对于参考电位施加在要测量的电池的两极上的那些电压相减来确定要测量的电池上的电池电压。
为了确定所述两个电压，优选地测量降落在利用端子之一(该端子也是所述串联电路的一个外部端子)与参考电位相连接的那个测量电阻(“第一”测量电阻R1)上的(测量)电压。要测量的电池的电极上的两个电压分别在考虑处于要测量的电池的有关电极与参考电位之间的测量电阻的串联电路同第一测量电阻之间的分压比的情况下被确定。这所具有的优点是，在确定所有电池上的所有电池电压时，用于电压测量的测量分接头可以是同一测量分接头(即在与参考电位相连接的第一测量电阻R1处)，并且因此不必借助于另外的开关等来改变。
为了确定施加在要测量的电池的电极上的相对于参考电位的电压，借助于测量与控制设备闭合与所述电极相连接的开关。另外，还闭合在具有与要测量的电池相比相对于参考电位而言更高的电压的电池的电极处的至少一个另外的开关、优选地为具有最高电压的开关(一般而言为在电池串联电路的正极处的开关)。而所有其它的开关被打开。(应当补充说明，在选择正极作为参考电位的情况下，闭合在具有与要测量的电池相比相对于参考电位而言绝对值更高的电压的电池的电极处的开关、优选地为在电池串联电路的负极处的开关)。
如下面还要详细阐述的那样，因此实现：相同的测量电流通过所述串联电路的所有电池以及在具有最高电压的电池处的闭合的开关和与所述开关相连接的测量电阻串联电路而流到参考电位，而没有(显著的)电流流经在要测量的电池的电极处的闭合的开关，因为在那里不存在同与所述开关相连接的测量电阻的电位差，或者该电位差可以通过电流被补偿。
现在将根据本发明的在图1中所示的实施例来阐述另外的细节。
图1示意性地示出蓄电池组100，所述蓄电池组100具有多个单独的串联的蓄电池Zi(在所示的情况下示例性地为第一至第十电池Z1，...Z10)，所述蓄电池Zi分别具有至少基本上相等的电池额定电压，其中所述串联电路的外部端子(即第十电池Z10的正极以及第一电池Z1的负极)构成蓄电池组100的正极(+)和负极(-)。在此，该负极将是用于测量电压的参考电位。
根据本发明的装置包括：串联的第一至第十测量电阻R1，...R10，其分别具有相同的电阻值；以及第一至第十开关S1，...S10，通过所述开关可以分别建立电池Z1，...Z10之一的正极与可分别与电池Z1，...Z10之一并联的测量电阻R1，...R10之间的连接。
此外，在图1中还示出了测量与控制设备10，其为了操作每个开关S1，...S10而分别具有开关输出端。另外，测量与控制设备10还包括电压测量输入端，其中给所述电压测量输入端输送降落在第一测量电阻R1上的测量电压Vmess以用于测量。
优选地，测量与控制设备10借助于微处理器来构建。开关S1，...S10优选地以可切换的半导体开关、比如双极型晶体管、MOSFET等等的形式来实施。
最后，在图1中用虚线示出了第一至第十电流I1，...I10，所述电流分别从电池Z1，...Z10之一的正极通过与之相连接的(闭合的)开关S1，...S10以及与之相连接的测量电阻R1，...R10的串联电阻流向地。
为了确定Z1，...Z9之一上的电池电压，首先闭合在该电池处的开关、即与所述要测量的电池的正极相连接的(所属的)开关S1，...S9。
其次，同样闭合在具有相对于参考电位而言较高的电压的电池处的至少一个另外的开关、优选地在具有最高电压的电池处的开关、在图1中所示的实施方式中即第十开关S10。作为另一优选的替代方案，也可以闭合比要测量的电池具有更高电压的所有电池的开关。所有其它的开关保持打开或者被打开。
在第十开关S10作为另外的开关被闭合的情况下实现：以平衡的蓄电池组100为出发点，由于共同的相同的测量电流I 10通过所有电池Z1，...Z10以及所有的测量电阻R10，...R1，因此在所有电池Z1，...Z10上产生相同的电压。这导致流过要测量的电池的闭合的开关Si的电流最小或者基本上为零。由于在每个时刻都有相同的电流流经每个电池Z1，...Z10，因此该测量不造成失衡。除此之外，通过根据本发明的装置，电池的可能的失衡的状态尽最大可能地被平衡。
例如，在蓄电池组100在外部端子之间的总额定电压为40V、第十开关S10闭合并且电池平衡的情况下在每个电池Z1，...Z10上以及在每个测量电阻R1，...R10上分别得到4V的额定电压降。如果现在考虑第八电池Z8的正极处的电压的测量，则在第八至第一测量电阻R8，...R1的串联电路上的电压不会由于闭合第八开关S8而改变。原因在于，测量电阻R1至R8的串联电路上的电压和电池Z1至Z8上的总电压分别是大小相同的，在这种情况下分别为8*4V＝32V。由于通过闭合第八开关S8没有电位差被补偿，因此通过所述第八开关S8的有关的第八电流I8基本上等于零。另外，测量电流I10仅仅被引导通过第十开关S10和测量电阻R10，...R1的串联电路。由于所述测量电流还流经所有的电池Z1，...Z10，因此蓄电池组100不会变成失衡。
通过将降落在第一测量电阻R1上的两个测量电压Vmess相减并且在考虑基于测量电阻Ri的相应电压分压比的情况下如下确定某一电池Z1，...Z10上的电池电压。
当例如应确定第八电池Z8上的实际电池电压时，借助于测量与控制设备10闭合第八开关S8以及优选地如上面所阐述的那样闭合第十开关S10。然后借助于测量与控制设备10测量并存储第一测量电阻R1上的电压降、即测量电压Vmess。接着，第八开关S8被打开，并且第七开关S7被闭合。现在，再次借助于测量与控制设备10测量并存储第一测量电阻R1上的测量电压Vmess。
然后，借助于测量与控制设备10将在闭合第八开关S8之后所测量的测量电压Vmess与电压分压比(R1+R2+...R8)/R1相乘，从而得出处于电阻R1至R8的串联电路上的总电压以及由此得出处于串联的电池Z1至Z8上的总电压。
针对在闭合第七开关S7之后所测量并存储的测量电压Vmess也进行相应的计算，也就是说，将该测量电压与电压分压比(R1+R2+...R7)/R1相乘，从而得出降落在电阻R1至R7的串联电路上的电压或者电池Z1至Z7上的总电压。
最后，通过将这两个所计算出的电压彼此相减，得到第八电池Z8上的所期望的实际电池电压。
上述两个电压分压比针对全部的测量电压优选地被存储在测量与控制设备10中，使得不必针对每次测量而重新计算所述电压分压比。
优选地，测量与控制设备10被设计为使得用户可以选择或输入要测量的电池并且测量与控制设备10然后据此根据上述方法打开以及闭合有关开关并且计算并显示处于所选择的电池上的电池电压。为此目的，测量与控制设备10优选地具有被相应地编程的微处理器单元、存储器以及输入和输出设备。
如果蓄电池组100的电池Z1，...Z10具有不同的电池电压，则根据电池电压彼此之间的电压分压比来相应地匹配串联的测量电阻R1，...R10的电阻值，使得如果第十开关是闭合的并且所有其它开关都是打开的，则在每个测量电阻上降落与在有关的与该测量电阻并联的电池上相同的电压。
根据本发明的装置可以有利地例如与充电设备组合使用，以便在充电/放电过程期间监测各个电池的状态。