CN102308416A - 具有更高可靠性的牵引电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种牵引电池，具有第一电池单元组(1)和第二电池单元组(2)，其中，所述第一电池单元组(1)的第一连接端子通过充电与分离装置(3)与第一电池极(4)连接，所述第一电池单元组(1)的第二连接端子与第一服务插接件连接端子(5)连接，所述第二电池单元组(2)的第一连接端子与第二服务插接件连接端子(6)连接，并且所述第二电池单元组(2)的第二连接端子通过分离装置(7)与第二电池极(8)连接，其中，所述第一服务插接件连接端子(5)和所述第二服务插接件连接端子(6)可以通过外部的服务插接件(9)短接。根据本发明，这样的牵引电池具有第一跨接装置(10)，其连接在所述第一电池极(4)和所述第一服务插接件连接端子(5)之间，并且通过所述第一跨接装置可以使所述第一电池极(4)和所述第一服务插接件连接端子(5)短接；和/或设有第二跨接装置(11)，其连接在所述第二电池极(8)和所述第二服务插接件连接端子(6)之间，并且通过所述第二跨接装置可以使所述第二电池极(8)和所述第二服务插接件连接端子(6)短接。

Description

具有更高可靠性的牵引电池
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电池，尤其是牵引电池。
背景技术
现在看来，在将来会越来越多地使用混合动力车辆和电动车辆。在这些车辆概念中，对电池提出了与当前12V车载电网完全不同的要求。在本说明书中将用于混合动力车辆和电动车辆的电池称作牵引电池，因为其用于电驱动装置的馈给，在图2中示出了这种电池的电路原理图。为了实现混合动力车辆和电动车辆所要求的功率和能量数据，将单个电池单元串联地并且部分附加并联地连接。用于混合动力车辆的基于锂离子电池单元的牵引电池例如可以构造如下：
整个牵引电池：
●额定电压：360V
●容量：4Ah
●能量：1440Wh
单个电池单元(锂离子)
●额定电压：3.60V
●容量：4Ah
●能量：14.4Wh
电池由100个电池单元的串联电路组成。
在图3中示出了用于混合动力车辆和电动车辆的电路原理图。通过逆变器16向电动机1馈电。例如在制动过程中，也可以通过逆变器16将能量反馈到电池15中。逆变器16在其直流电压侧通常具有平滑电容器，以便缓存输入电压。
在图2中示出的牵引电池除电池单元外还具有其他功能组：
●电池的正极4上的充电与分离装置3
●电池的负极8上的分离装置7
●服务插接件9
这些功能组具有以下任务：
借助牵引电池的正极4和负极8上的分离装置中的两个分离开关，可以在两个极上关断电池单元。这也称作电池单元的两极关断。因此，在静止状态中或在安全临界情形中(例如在故障时)可以将电池与车辆的牵引车载电网分离并且在行驶状态中将电池接入到牵引车载电网中。
电池的正极上的充电装置具有以下任务：在接入牵引电池时限制牵引车载电网中的补偿电流。在这种接入过程中，首先闭合电池的负极8上的分离装置7中的分离开关和电池4的正极上的充电与分离装置3中的充电开关。首先打开电池4的正极4上的充电与分离装置3中的分离开关。因此，通过电池的正极4上的充电与分离装置3的充电电阻对逆变器16的平滑电容器进行充电。如果逆变器16中的平滑电容器上的电压几乎具有串联的电池单元的总电压，则电池的正极4上的充电与分离装置3中的分离开关闭合。通过这种处理方式可以如此限制牵引车载电网中的补偿电流，从而不会以不可靠大小的电流运行电池单元以及逆变器16中的平滑电容器。
出于安全的原因，在电池的维护工作时，必须拔出服务插接件9。这例如可以通过如下方式确保：仅当已经事先拔出服务插接件9时才可以打开电池壳体。由此可靠地单极地分离电池单元，即使由于功能故障没有断开以上所述的两个分离开关。
对于牵引电池对其可靠性提出了比现在常用的起动器电池明显更高的要求。背景是：例如在电动车辆中，牵引电池的失效会导致所谓的“抛锚”。在图2中示出的牵引电池很难实现所需的高可用性。其原因在于单个电池单元的失效导致整个牵引电池的失效。可以如下求得具有单个电池单元的串联电路的电池的失效率：
失效率牵引电池＝1-(1-失效率电池单元)电池单元数量         (1)
对于具有100个在所观察的时间间隔中具有100ppm/电池单元的失效率的电池单元的牵引电池：
失效率牵引电池＝1-(1-100ppm)电池单元数量＝9.95‰         (2)
在所观察的时间间隔中电池单元的失效率很小的情况下(例如，失效电 池单元＜1‰)，近似地如下计算失效率(二项级数幂序列展开在第一环节后断开)
失效率牵引电池≈电池单元数量*失效率电池单元              (3)
因此，所观察的牵引电池的失效率接近于单个电池单元的失效率的100倍。对于整个电池的失效率所要求的值，必须使单个电池单元的失效率大约小100倍。如果对于具有100个串联的电池单元的整个电池在一个确定的时间间隔上要求100ppm的失效率，则所述电池单元在所述时间间隔上必须具有1ppm的失效率。这是极其难以满足的要求。
发明内容
本发明的任务是提高混合动力车辆和电动车辆中的牵引电池的可靠性。在此，牵引电池仍可以向牵引车载电网提供有限的有效功率。
相比之下，具有权利要求1的特征的根据本发明的装置具有以下优点：牵引电池扩展一个、优选两个附加的跨接开关，由此可以分别跨接一半电池单元。由此可以在第一电池单元失效时关断相关的半个电池1、2。在此，电池的正极4和服务插接件(服务插接件连接端子)5的第一输出端之间的电池单元串联电路和电池的负极8和第二服务插接件连接端子6之间的电池单元串联电路分别称作半个电池1、2。在跨接半个电池时，具有一半有效功率的电池仍可供牵引车载电网使用。因此，可以避免抛锚，并且通过信号通知驾驶员：在牵引电池中出现需要维修的故障。因此，本发明的优点是可以一直运行电池直到出现第一电池单元失效，而不危及电池的可用性。在电池单元失效时立即全部失效的驱动系统中，必须向驾驶员提供例如基于电池状态识别和预测生成的电池更换显示。但因为这种系统不可以准确地确定剩余的使用寿命，所以必须过早地更换电池，并且还存在以下风险：电池更换显示未能事先识别到第一电池单元的失效。因此，借助本发明一方面显著地提高了牵引电池的可靠性。另一方面，也使牵引电池可以在车辆中更长时间地运行。
从属权利要求示出本发明的有利扩展构型。
特别有利地，根据本发明的电池包括与分离装置并联的充电装置。在此情形中，在第一电池单元组失效时也确保了牵引车载电网中补偿电流的限制。
附加地或替代地，根据本发明的装置还优选地具有第一检测装置和/或第二检测装置，所述第一检测装置检测第一电池单元组的功能并且在第一电池组发生故障时通过充电与分离装置断开第一电池单元组的第一连接端子与第一电池极的连接并且通过第一跨接装置闭合第一电池极与第一服务插接件连接端子的连接，所述第二检测装置检测第二电池单元组的功能并且在第二电池组发生故障时通过分离装置断开第二电池单元组的第二连接端子与第二电池极的连接并且通过第二跨接装置闭合第二电池极与第二服务插接件连接端子的连接。
附图说明
以下参照附图详细描述本发明的实施例。附图示出：
图1：根据本发明的优选实施方式的电池、优选牵引电池的电路原理图，
图2：根据现有技术的牵引电池的电路原理图，
图3：用在混合动力车辆和电动车辆中的驱动系统的电路原理图。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的实施例。
根据本发明相对于现有技术显著地提高了牵引电池的可靠性，因为单个电池的失效不会直接导致系统的失效(抛锚)。为此目的，根据本发明的优选实施方式，如图1中所示，在(电池的正极4上和负极8上的)两个跨接单元10、11中额外地引入两个跨接开关。在当前的现有技术中会导致两个分离开关断开的第一电池单元失效时，如下操作：
●正极上的半个电池中的电池单元失效：
断开电池的正极4上的充电与分离装置3的开关。由此单极地关断上半个电池1。在电池的负极8上的分离装置7中断开分离开关，并且在负极8上的充电装置12中闭合充电开关。附加地，闭合电池的正极4上的跨接单元10中的跨接开关。由此跨接上半个电池1。通过负极8上的充电装置12的充电电阻将逆变器16中的平滑电容器充电或再次充电至下半个电池2的电池单元的总电压。如果平滑电容器上的电压近似地具有下半个电池2的总电压，则闭合电池的负极8上的分离装置7中的分离开关。此后，在牵引电池的正极4和负极8上有具有一半电压和不变容量的电池可供使用。由此，电池的功率和能量相对于常规运行减半。
●负极上的半个电池中的电池单元失效：
通过变换充电与分离装置3；7、12、跨接装置10、11和两个半个电池1；2的角色来类似地实施上半个电池1中的电池单元失效时的处理方式。此后，在牵引电池的正极4和负极8上又有具有一半电压和不变容量的电池可供使用。同样，电池的功率和能量相对于常规运行减半。
在应用本发明的情况下，在牵引电池的电池单元失效后仍可以通过一半功率和一半能量运行混合动力车辆或电动车辆的电驱动系统。由此，避免了由于单个电池单元的失效导致的抛锚。
这具有以下优点：更长时间地运行车辆中的电池，而不会以较高的概率在电池使用寿命结束时遭受抛锚的风险。
根据本发明，充电与分离装置3；7、12以及跨接装置10、11中的不同开关实施为机电开关或实施为电开关或实施为机电开关和电开关的组合。
除以上文字公开外，在此明确地参考附图中的公开。

Claims (3)

1.电池，尤其是牵引电池，具有第一电池单元组(1)和第二电池单元组(2)，其中，所述第一电池单元组(1)的第一连接端子通过充电与分离装置(3)与第一电池极(4)连接，所述第一电池单元组(1)的第二连接端子与第一服务插接件连接端子(5)连接，所述第二电池单元组(2)的第一连接端子与第二服务插接件连接端子(6)连接，并且所述第二电池单元组(2)的第二连接端子通过分离装置(7)与第二电池极(8)连接，其中，所述第一服务插接件连接端子(5)和所述第二服务插接件连接端子(6)可以通过外部的服务插接件(9)短接，
其特征在于，
设有第一跨接装置(10)，其连接在所述第一电池极(4)和所述第一服务插接件连接端子(5)之间，通过所述第一跨接装置可以使所述第一电池极(4)和所述第一服务插接件连接端子(5)短接，和/或
设有第二跨接装置(11)，其连接在所述第二电池极(8)和所述第二服务插接件连接端子(6)之间，通过所述第二跨接装置可以使所述第二电池极(8)和所述第二服务插接件连接端子(6)短接。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，设有充电装置(12)，其与所述分离装置(7)并联。
3.根据权利要求1或2所述的电池，其特征在于，
设有第一检测装置(13)，其检测所述第一电池组(1)的功能，并且在所述第一电池组(1)发生故障时通过所述充电与分离装置(3)断开所述第一电池组(1)的所述第一连接端子与所述第一电池极(4)的连接，并且通过所述第一跨接装置(10)闭合所述第一电池极(4)与所述第一服务插接件连接端子(5)之间的连接，和/或
设有第二检测装置(14)，其检测所述第二电池组(2)的功能，并且在所述第二电池组(2)发生故障时通过所述分离装置(7)断开所述第二电池组(2)的所述第二连接端子与所述第二电池极(8)的连接，并且通过所述第二跨接装置(11)闭合所述第二电池极(8)与所述第二服务插接件连接端子(6)之间的连接。
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