CN102308430A - 具有更高可靠性的牵引用电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种牵引用电池，具有至少两个串联的电池模块(1，2)，其分别包括第一电池模块极(1a，2a)、第二电池模块极(1b，2b)和至少一个连接在之间的电池单元(1c，2c)的串联电路和/或并联电路，其中，电池模块(1，2)的串联电路的第一连接端子(3)与第一电池极(4)连接，而电池模块(1，2)的串联电路的第二连接端子(5)与第二电池极(6)连接。根据本发明，所述至少两个串联的电池模块(1，2)中的至少一个电池模块(1)是第一电池模块(1)，其具有至少一个分离装置(1d)和跨接装置(1e)，其中，所述至少一个分离装置(1d)在相应控制时断开电池单元(1c)的串联电路和/或并联电路与第一电池模块极(1a)和/或第二电池模块极(1b)的连接和/或断开电池单元(1c)的串联电路和/或并联电路，其中，通过连接在所述第一电池模块极(1a)与所述第二电池模块极(1b)之间的所述跨接装置(1d)在相应控制时短接所述第一电池模块极(1a)和所述第二电池模块极(1b)，和/或所述至少两个串联的电池模块(1，2)中的至少一个电池模块(2)是第二电池模块(2)，其具有至少一个充电与分离装置(2d)和跨接装置(2e)，其中，所述至少一个充电与分离装置(2d)在相应控制时断开电池单元(2c)的串联电路和/或并联电路与第一电池模块极(2a)和/或第二电池模块极(2b)的连接和/或断开电池单元(2c)的串联电路和/或并联电路，并且限制在接入所述电池模块(2)或具有所述电池模块(2)的电池时出现的充电电流或补偿电流，其中，通过连接在所述第一电池模块极(2a)与所述第二电池模块极(2b)之间的所述跨接装置(2e)在相应控制时短接所述第一电池模块极(2a)和所述第二电池模块极(2b)。

Description

具有更高可靠性的牵引用电池
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、尤其是牵引用电池。
背景技术
已经显现出，在将来不仅在静止应用中(例如，风电设备)而且在车辆中(例如，在混合动力车辆和电动车辆中)会越来越多地使用新的电池系统，对这些新的电池系统提出了非常高的要求或者可靠性。这些高要求的背景是：电池的失效可能导致整个系统的失效(例如，在电动车辆中牵引用电池的失效导致所谓的“抛锚”)或者甚至可能导致关乎安全的问题(在风电设备中例如使用电池，以便在强风时通过转子叶片调节以免设备出现不可靠的运行状态)。
在图9中示出了根据当前的现有技术的电池系统的电路原理图。为了通过电池系统实现所要求的功率数据和能量数据，将单个电池单元串联地并且部分附加并联地连接。除电池单元外，电池系统还具有所谓的充电与分离装置，其在图9中不失一般性地设置在电池的正极和电池单元之间。通过分离开关TS可以单极地接通或关断电池。作为可选的功能单元，在图9中还示出了另一分离装置，借助其可以在需要时通过第二分离开关双极地关断电池。在充电与分离装置中还存在所谓的充电开关，借助其可以将充电电阻连接到电池单元与外部连接的系统之间，以便限制在接入电池时的补偿电流。在这样的接入过程中，在充电与分离装置中在断开分离开关时首先闭合充电开关并且附加地(只要存在)闭合电池系统的负极上的可选的分离装置中的分离开关。然后，通过充电电阻对外部连接的系统的输入电容进行充电。如果电池系统的正极和负极之间的电压仅仅不明显地偏离电池单元的总电压，则通过闭合充电与分离装置中的分离开关来结束充电过程。然后，电池系统低欧姆地连接到外部的系统上并且可以以其专门的功率数据运行。通过所描述的处理方式可以将在外部系统与电池系统之间在电池系统接入过程中出现的补偿电流限制在允许的值上。
通过失效率或故障率表征电池系统的可靠性。失效率描述在所观察的时间间隔中平均预期的失效数量。
可以如下求得具有单电池单元的串联电路的电池的失效率：
失效率牵引用电池＝1-(1-失效率电池单元)电池单元数量        (1)
因此，对于具有100个电池单元的串联电路以及在所观察的时间间隔中100ppm/电池单元的失效率的电动车辆的牵引用电池例如得出：
失效率牵引用电池＝1-(1-100ppm)100＝9.95‰                 (2)
在单个电池单元的失效率很小的情况下(例如，在所观察的时间间隔中失效率电池单元＜1‰)，可以近似地如下计算失效率(二项式级数的幂级数展开式的在第一项后的舍项)
失效率牵引用电池≈电池单元数量×失效率电池单元            (3)
因此，所观察的牵引用电池的失效率接近于单个电池单元的失效率的100倍。对于电池系统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电池系统在所观察的时间间隔上要求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
本发明的任务是相对于当前的现有技术提高电池系统的可靠性。在此电池模块的一个电池单元或多个电池单元的失效不应导致电池系统的完全失效。电池系统应可以以有限的有效功率可供使用。
相比之下，根据本发明的具有权利要求1的特征的电池具有以下优点：电池系统相对于当前的现有技术在内部扩展了额外的功能单元。在此涉及：
●分离装置和/或
●充电与分离装置和/或
●跨接装置
以下对这些进行详细描述。根据本发明，基于这些功能单元构造在一个或多个电池单元失效时可以跨接的电池模块。如果整个系统由多个这样的电池模块组成，则可以在相应的模块中一个或多个电池单元失效时根据电池系统的要求或实施方式跨接电池模块中的一个或多个。电池系统虽然具有在其端子上相对于常规运行受限的有效功率，但在电池系统的适当设计下可以避免系统的失效或者系统的安全临界状态。此外，识别电池单元或模块的失效，并且可以引入维修措施。由此提高电池系统的可靠性。
从属权利要求示出本发明的优选扩展构型。
特别优选地，根据本发明的电池包括充电装置，其连接在电池模块的串联电路的第一连接端子与第一电池极之间和/或连接在电池模块的串联电路的第二连接端子与第二电池极之间，其中，电池仅仅包括第一电池模块。在此情形中，确保了在任意电池模块发生故障时对牵引车载电网中的补偿电流的限制，其中，仅仅设有简单构造的第一电池模块。
替代地，根据本发明的电池优选仅仅包括第二电池模块。在此情形中，确保了在任意电池模块发生故障时牵引车载电网中的补偿电流的限制，其中，无需设置单独的充电装置，因为第二电池模块分别包括一个这样的充电装置。由此可以通过完全相同的模块实现电池的更简单的装配。
替代地，根据本发明的电池优选包括n个电池模块，其中，设有2个第二电池模块和n-2个第一电池模块。在此情形中，也确保了在第二电池模块发生故障时牵引车载电网中的补偿电流的限制，因为在此情形中仍然存在并且可以使用第二电池模块的充电装置。
附加地或替代地，在根据本发明的电池中，跨接装置优选如此构造，使得其仅仅当电池单元的串联电路和/或并联电路与第一电池模块极的连接断开和/或电池单元的串联电路和/或并联电路与第二电池模块极的连接断开和/或电池单元的串联电路和/或并联电路断开时才能引起第一电池模块极与第二电池模块极的短接。
附图说明
以下参照附图详细描述本发明的实施例。在附图中示出：
图1：根据本发明的第一优选实施方式的电池、优选牵引用电池的电路原理图，
图2：根据本发明的第二优选实施方式的电池、优选牵引用电池的电路原理图，
图3：根据本发明的第三优选实施方式的电池、优选牵引用电池的电路原理图，
图4：根据本发明的优选实施方式的第一电池模块的电路原理图，
图5：根据本发明的优选实施方式的第二电池模块的电路原理图，
图6：根据本发明的优选实施方式的分离装置的电路原理图，
图7：根据本发明的优选实施方式的充电与分离装置的电路原理图，
图8：根据本发明的优选实施方式的跨接装置的电路原理图，
图9：根据现有技术的牵引用电池的电路原理图。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的优选实施方式。
首先，在这里使用的意义上定义概念“可靠性”(根据Lauber/所著的《Prozessautomatisierung》第1、3版，Springer出版社)：
“可靠性(Reliability)”是系统对于预给定的时间正确地工作的能力(也称为可靠性)。
根据本发明，电池系统的可靠性相对于现有技术被提高，因为单个电池单元的失效不会直接导致电池系统的失效。在本发明中，电池系统相对于当前的现有技术在具有电池单元的串联电路的电池模块中优选内部地扩展了额外的功能单元，以下首先对这些额外的功能单元进行描述：
●分离装置1d，如在图6a中以原理和在图6b中以实施方式示出：分离装置1d用于将第一电池模块1的电池单元1c与电池模块1的两个极1a、1b之一单级地断开或者将电池单元1c低欧姆地连接到相应的极1a、1b上。
对于电池单元1c与电池模块1的两个极1a、1b的两极断开，在电池模块1中也可以使用两个分离装置1d(有利的方式是分别为一个直接设置在电池模块的正极上的分离装置和一个直接设置在电池模块的负极上的一个分离装置)。
本发明的基本原理与分离装置1d中的分离开关TS的具体实现无关，对于分离开关可以考虑实现为机电开关(继电器或接触器)、实现为电子开关(半导体开关)或机电开关与电子开关的组合。
●充电与分离装置2d，如在图7a中通过原理和在图7b中通过实施方式示出：
充电与分离装置2d表示如之前参考图6描述的分离装置1d那样起作用并且具有其目的的分离装置2d1在功能上扩展出充电装置2d2，其限制在接入电池系统或电池模块时出现的充电或补偿电流。所述电流的原因是外部系统的输入电容，所述外部系统通常在接入电池之前不具有与电池系统的总电压相同的电压。在最简单的情形中充电与补偿电流的限制通过与充电开关LS串联的电阻LW进行。通过适当地选择电阻值可以将补偿电流限制到电池系统和外部系统允许的值上。如果具有充电与分离装置2d的电池系统的极上或电池模块2的极上的电压具有与相应的电池单元2c的总电压近似相同的电压(也就是说，充电电阻上的电压降很小)，则可以闭合充电与分离装置2d中的分离开关TS。
因此，如下进行电池系统或电池模块的接入过程。首先，在分离开关TS断开时闭合充电与分离模块2d的充电开关LS。随后对外部的电容进行充电或重新充电，直到电池系统或电池模块的极上的电压大致等于所对应的电池单元的总电压。然后，闭合分离开关TS并且结束充电过程。然后，电池单元与电池系统或电池模块的极低欧姆地连接。
充电与分离模块2d的分离开关TS和充电开关LS能以与分离装置1d的分离开关TS相同的方式具体地实现。
●跨接装置1e；2e，如在图8a中以原理和在图8b中以实施方式示出：跨接装置1e；2e用于当在电池模块1、2中一个或多个电池单元1c、2c失效时低欧姆地跨接电池模块1、2，也就是说，低欧姆地连接电池模块1、2的正极和负极。本发明的基本原理与跨接装置中的跨接开关的具体实现无关，对于跨接开关(如对于分离开关所描述的那样)可以考虑实现为机电开关(继电器或接触器)、实现为电子开关(半导体开关)或机电开关与电子开关的组合。
基于所述功能单元，可以构造随后连接成电池系统的电池模块。取决于对系统的要求，以下拓扑的应用对于电池模块可能是有意义的：
●具有分离装置和跨接装置的第一电池模块(拓扑1)，如在图4中所示。
在所述拓扑中使用分离装置1d，以便将电池单元1c与第一电池模块1的两个极1a、1b之一单极地断开或者将电池单元1c低欧姆地连接到相应的极1a、1b上。分离装置1d在图4中不失一般性地设置在正极1a上。
与分离装置1d和电池单元1c并联使用的跨接装置1e用于在第一电池模块1的一个或多个电池单元1c失效时低欧姆地跨接第一电池模块1。优选仅仅当分离装置中的分离开关断开时才闭合跨接装置1e中的跨接开关。
通过信号线路控制分离装置1d和跨接装置1e以控制和诊断电池模块的未示出的功能单元。
●具有充电装置、分离装置和跨接装置的第二电池模块(拓扑2)，如在图5中所示。
在所述拓扑中，相对于拓扑1附加地在第二电池模块2中使用充电装置，即在图7中示出的充电与分离装置2d取代分离装置1d，以便限制在接入电池系统时的充电与补偿电流(其他特性与拓扑1相同)。通过信号线路控制充电与分离装置2d和跨接装置2e以控制和诊断电池模块的未示出的功能单元。
以所述电池模块根据本发明构造模块化的电池系统，其相对于当前的现有技术具有更高的可靠性。作为所述电池模块的连接的示例，应观察具有不同拓扑(称作拓扑A、B、C)的三个电池系统。
●根据本发明的第二优选实施方式的按照拓扑A的电池系统，如在图2中所示，具有：
单独的充电与分离装置7，
多个串联的第一电池模块1(拓扑1)。
优点是：
使用统一的电池模块。
总体上使用仅仅一个充电装置，其在接入电池系统时有效。
●根据本发明的第三优选实施方式的按照拓扑B的电池系统，如在图3中所示，具有：
多个串联的第二电池模块2(拓扑2)。
优点是：
使用统一的电池模块。
比拓扑A更小的内阻，因为少串联了一个分离装置。
●根据本发明的第一优选实施方式的按照拓扑C的电池系统，如在图1中所示，具有：
两个串联的第二电池模块2(拓扑2)。
一个至多个串联的第一电池模块1(拓扑1)。
优点是：
比拓扑A更小的内阻，因为少串联了一个分离装置。
比拓扑B更小的用于仅仅在两个电池模块中存在的充电装置的附加开销(成本，结构空间)。需要两个具有充电装置的电池模块，因此在这两个模块之一中发生故障时在跨接之后仍然存在用于将电池接入到外部系统上的充电装置。
对于所有描述的电池系统适用的是：
在电池模块中的一个或多个电池单元失效时，可以在断开模块的一个或多个分离装置中的分离开关后通过闭合跨接开关低欧姆地短接相关的模块。
取决于电池系统的电池模块的数量和跨接的电池模块的数量，随后相对于具有所有电池模块的常规运行具有以下数据的电池系统重新可供使用：
在具有5个电池模块的电池系统中，在跨接一个电池模块后，仍有一个具有完整电池系统的80％的功率和80％的能量的电池系统可供使用。
除以上文字公开外，在此明确地参考附图中的公开内容。

Claims (5)

1.电池、尤其是牵引用电池，具有至少两个串联的电池模块(1，2)，它们分别包括第一电池模块极(1a，2a)、第二电池模块极(1b，2b)和至少一个连接在第一电池模块极与第二电池模块极之间的电池单元(1c，2c)的串联电路和/或并联电路，其中，电池模块(1，2)的串联电路的第一连接端子(3)与第一电池极(4)连接，而电池模块(1，2)的串联电路的第二连接端子(5)与第二电池极(6)连接，
其特征在于，
所述至少两个串联的电池模块(1，2)中的至少一个电池模块(1)是第一电池模块(1)，所述第一电池模块具有至少一个分离装置(1d)和跨接装置(1e)，其中，所述至少一个分离装置(1d)在相应控制时引起电池单元(1c)的串联电路和/或并联电路与第一电池模块极(1a)和/或第二电池模块极(1b)的连接的断开和/或电池单元(1c)的串联电路和/或并联电路的断开，其中，通过连接在所述第一电池模块极(1a)与所述第二电池模块极(1b)之间的跨接装置(1d)在相应控制时短接所述第一电池模块极(1a)和所述第二电池模块极(1b)，和/或
所述至少两个串联的电池模块(1，2)中的至少一个电池模块(2)是第二电池模块(2)，所述第二电池模块具有至少一个充电与分离装置(2d)和跨接装置(2e)，其中，所述至少一个充电与分离装置(2d)在相应控制时引起电池单元(2c)的串联电路和/或并联电路与第一电池模块极(2a)和/或第二电池模块极(2b)的连接的断开和/或电池单元(2c)的串联电路和/或并联电路的断开并且限制在接入所述电池模块(2)或具有所述电池模块(2)的电池时出现的充电电流或补偿电流，其中，通过连接在所述第一电池模块极(2a)与所述第二电池模块极(2b)之间的所述跨接装置(2e)在相应控制时短接所述第一电池模块极(2a)和所述第二电池模块极(2b)。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，设有充电装置(7)，其连接在电池模块(1，2)的串联电路的第一连接端子(3)与所述第一电池极(4)之间和/或其连接在电池模块(1，2)的串联电路的第二连接端子(5)与所述第二电池极(6)之间，其中，所述电池仅仅包括第一电池模块(1)。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池仅仅包括第二电池模块(2)。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池包括n个电池模块(1，2)，其中，设有2个第二电池模块(2)和n-2个第一电池模块(1)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的电池，其特征在于，所述跨接装置(1e，2e)如此构造，使得其仅仅当电池模块(1c，2c)的串联电路和/或并联电路与所述第一电池模块极(1a，2a)的连接断开和/或电池模块(1c，2c)的串联电路和/或并联电路与所述第二电池模块极(1b，2b)的连接断开和/或电池单元(1c，2c)的串联电路和/或并联电路断开时才能引起所述第一电池模块极(1a，2a)和第二电池模块极(1b，2b)的短接。
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