CN104104129A - 电池系统、具有该系统的车辆和运行该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池系统，包括多个单电池，在其上施加了单电池的电压的负载电路，构造为采集流经负载电路的电流的电流传感器，构造为评估电流传感器的信号的电子单元，构造为借助电阻来限制流经负载电路的电流的、可连接到负载电路的预充电电路，在负载电路的、能够通过预充电电路桥接的片段中的分离装置，互相并联布置并且与负载电路相连的第一耗电器电路和至少一个第二耗电器电路，其中与每个耗电器电路至少对应一个熔断器，其中，所述电子单元构造为基于电流传感器的信号来推断是否有一个熔断器熔断。本发明还涉及一种具有电池系统的车辆和一种用于运行车辆中的电池系统的方法。

Description

电池系统、具有该系统的车辆和运行该系统的方法
技术领域
本发明涉及一种电池系统，包括：多个单电池（Zellen），在其上施加了单电池的电压的负载电路，构造为采集流经负载电路的电流的电流传感器，构造为评估电流传感器的信号的电子单元，构造为借助电阻来限制流经负载电路的电流的、可连接到负载电路的预充电电路，在负载电路的、可以通过预充电电路桥接的片段中的分离装置，互相并联布置并且与负载电路相连的第一耗电器电路和至少一个第二耗电器电路，其中与每个耗电器电路至少对应一个熔断器。此外，本发明还涉及一种具有电池系统的车辆，其中第一耗电器电容与第一耗电器电路对应，并且其中第二耗电器电容与第二耗电器电路对应，以及本发明还涉及一种用于运行车辆中的按照本发明的电池系统的方法。 
背景技术
具有多个单电池的电池系统特别地作为用于驱动电动和混合动力车辆的储能器被采用。作为过载保护，例如在与电池系统对应的耗电器中短路的情况下，在电池系统和耗电器之间的电路中通常布置一个熔断器。如果在电池系统和耗电器之间的电路中流过的电流达到边界值，则熔断器熔断并且由此断开电路。如果导致过高的电流的原因消除了，则通过更换熔断器又使得电池系统和与电池系统对应的耗电器重新运行。对于熔断器是否熔断的检测，减轻了对具有这样的电池系统的车辆的维护。 
从专利申请文件JP2010-146773A中公开一种电池系统，其中给出了一种用于电池包的监视装置，在所述监视装置中保护装置的触发通过在电池包内部的两个测量点上的电压测量和通过微型计算机对电压测量的评估来识别。 
其缺陷在于，对于保护装置是否熔断的检测需要自身的电压测量。这一点一方面增加了电池系统的安装方面的开销，因为需要附加的测量线。监视装置的复杂性也提高，因为必须采集附加的信号并且转换到合适的形式。该附加开销在与电池系统对应多个分别具有一个本身的熔断器的耗电器时还要翻倍。 
发明内容
本发明的要解决的技术问题是，改善提到类型的电池系统以及具有这样的电池系统的车辆，使得熔断器的熔断可以可靠地被识别，并且尽管如此却在制造方面是简单和低成本的，以及给出一种用于制造用于车辆的这样的电池系统的方法。 
上述技术问题通过一种电池系统解决，所述电池系统包括：多个单电池，在其上施加了单电池的电压的负载电路，构造为采集流经负载电路的电流的电流传感器，构造为评估电流传感器的信号的电子单元，构造为借助电阻来限制流经负载电路的电流的、可连接到负载电路的预负载电路，在负载电路的、可以通过预负载电路桥接的片段中的分离装置，互相并联布置并且与负载电路相连的第一耗电器电路和至少一个第二耗电器电路，其中与每个耗电器电路至少对应一个熔断器，其中，电子单元构造为基于电流传感器的信号来推断是否有一个熔断器熔断。 
上述技术问题还通过一种用于运行车辆中的电池系统的方法解决，所述电池系统包括多个单电池，在其上施加了单电池的电压的负载电路，构造为采集流经负载电路的电流的电流传感器，构造为评估电流传感器的信号的电子单元，构造为借助电阻来限制流经负载电路的电流的、可连接到负载电路的预负载电路，在负载电路的、可以通过预充电电路桥接的片段中的分离装置，互相并联布置并且与负载电路相连的第一耗电器电路和至少一个第二耗电器电路，其中与每个耗电器电路至少对应一个熔断器，其中电子单元采集在预充电过程中流经负载电路的电流的实际的电流曲线，或者在预充电过程中通过流经负载电路的电流而转化的实际的电荷量，并且与在电子单元上存储的额定的电流曲线或额定的电荷量进行比较，它们分别与在预充电过程中在负载电路中流过的电流相应或者与在预充电过程中转化的电荷量相应，并且电子单元基于在实际的电流曲线或实际的电荷量与额定的电流曲线或额定的电荷量之间的比较来推断是否有一个熔断器熔断了。 
按照本发明在电池系统和耗电器之间的电路闭合的情况下首先对耗电器的电容充电。为了避免分离装置在此遭受太高的电流，将电路首先经过预充电电路闭合。在预充电电路中的电阻在此限制电流。在此在充电电路中调节的电流曲线取决于电阻、取决于相应于其连接的单电池的总电压、取决于耗电器的电 容、以及取决于在预充电过程之前在电容上施加的电压。如果与负载电路并联对应多个耗电器，则对于电流曲线起作用的电容与各个耗电器电容的和相当。如果所有这些参量都已知，则可以事先确定预计的电流曲线并且存储在电子单元中。因为对于电流曲线起作用的电容当在耗电器电路中熔断器熔断时改变，所以通过测量流经负载电路的电流并与预计的电流曲线进行比较可以推断是否有一个熔断器熔断。 
替代电流曲线，也可以使用电流的时间积分。通过形成电流的积分，可以确定在预充电过程中转换的电荷量，如果在预充电时起作用的电容完全充电则所述电荷量取离散的值。这样确定的实际的电荷量可以与预计的额定电荷量进行比较，由此可以推断熔断器的熔断。在实际的电荷量和额定的电荷量之间的比较与在实际的电流曲线和额定的电流曲线之间的比较在技术上是同等价值的。但是在电子单元中的相应的数据处理中两个离散的值的比较比两个时间曲线的比较更容易进行。 
按照本发明，耗电器在预充电过程期间表示一个除了结构上引起的微小的电阻和电感之外的纯的电容性负载。通常在预充电过程中就是这样。如果耗电器激活，即，如果在耗电器上下降了一个明显的电压，则不可能可靠推断熔断器熔断。 
按照本发明，电容在预充电过程开始之前尽可能放电。通常在第一预充电过程开始之前就是这样，因为在车辆中的高压电容通常具有至少一个放电装置。通过这样的放电装置，耗电器的电容在耗电器一旦解除激活时放电。如果电容在预充电过程开始之前完全或几乎完全充电，则在预充电过程中没有或仅有很小的电流流动。在该情况下不可能可靠推断电容器熔断。但是如果电容在预充电过程开始之前例如充电到大约一半或少于一半，则可以可靠推断熔断器熔断，而无需通过电子单元对电流信号进行采集的时间分辨率不合理地提高。 
本发明的扩展在从属权利要求、说明书以及附图中给出。 
优选地在电子单元上存储多个额定的电流曲线，其分别与在预充电过程中在负载电路中流过的电流相应，其中每个存储的额定的电流曲线对于具有至少一个熔断的熔断器的电流曲线来说是特征性的。此外电子单元还构造为，根据在实际的电流曲线和存储的额定的电流曲线之间的比较来推断熔断器是否熔断。通过实现在实际的电流曲线和具体的额定的电流曲线之间的具体的比较可能性，使得实际上熔断器熔断的确定变得精确。由此可以以更好的可靠性来推 断导致与额定的电流曲线偏离的实际的电流曲线的其他原因，例如由耗电器本身的故障引起的。 
按照本发明的另一个构造，电子单元构造为，根据在实际的电流曲线和存储的额定的电流曲线之间的比较来推断熔断器中的哪一个熔断。相应地设置具有按照本发明的电池系统的车辆，其中第一耗电器电容与第一耗电器电路对应，并且其中第二耗电器电容与第二耗电器电路对应，其中第一耗电器电容具有与第二耗电器电容不同大小的电容。视哪个熔断器熔断而定，在预充电过程中电流曲线通过不同的电容而互相区别。在电池系统的维护时的诊断通过对于哪个熔断器熔断的区分而变得特别容易。 
按照本发明的一种实施方式，可以在第一耗电器电路上连接第一变流器，其构造为将由电池系统提供的直流电转换为交流电并且将其输送给车辆的驱动电机。第一耗电器电容用作对于第一变流器的开关元件的能量中间存储器，并且也称为中间电路电容。为了使得在开关元件上的电压在开关过程期间不会崩溃，有利地将具有尽可能小的阻抗和电感的中间电路电容连接到开关元件。由此第一耗电器电容优选直接布置在变流器中。 
按照本发明，在电池系统的第二耗电器电路上可以连接第二变流器，其构造为将由电池系统提供的电压向下变换并且输送到车辆的车载电网。为了支持车载电网而需要的电流需求与车辆驱动电机的电流需求相比明显更小。因此作为中间电路电容与第二变流器对应的第二耗电器电容通常比第一耗电器电容更小。 
按照本发明的另一个构造，具有按照本发明的电池系统的车辆具有第三耗电器电路，其与第一和第二耗电器电路并联布置并且与负载电路相连，并且其中与第三耗电器电路至少对应一个熔断器，其中在第三耗电器电路上可以连接充电设备，其构造为通过位于车辆外部的能量源对单电池充电。 
按照本发明的实施方式，在电子单元上存储的额定的电流曲线分别表征一个具有至少一个熔断的熔断器的、在预充电过程中流过的电流曲线。通过该表征，通过电流传感器确定的实际的电流曲线与在电子单元上存储的额定的电流曲线的对应，和由此对于熔断器是否熔断的识别，变得特别简单可行。 
按照本发明，电子单元根据在实际的电流曲线和额定的电流曲线之间的比较来推断，是第一耗电器电路的熔断器还是第二耗电器电路的熔断器熔断了。在电池系统的维护时的诊断通过对于哪个熔断器熔断的区分而变得特别容易。 
附图说明
以下示例性在参考附图的情况下描述本发明。其中： 
图1示出具有电池系统的车辆的示意图 
图2示出在预充电过程中转换的额定的电荷量的时间曲线，以及实际的电荷量的曲线 
图3示出在预充电过程中时间上的额定的电流曲线以及时间上的实际的电流曲线。 
具体实施方式
图1示出了具有电池系统1的车辆2的示意图。多个单电池3互相串联地导电连接。单电池3的总电压施加在负载电路4上。第一耗电器电路9.1具有熔断器10.1并且与负载电路4相连。第二耗电器电路9.2具有熔断器10.2并且也与负载电路4相连。第一耗电器9.1和第二耗电器9.2互相并联布置。第三耗电器电路9.3具有熔断器10.3，与负载电路4相连并且与第一和第二耗电器电路9.1和9.2并联布置。在负载电路4中布置了电流传感器5，其构造为采集流经负载电路4的电流。电子单元6构造为评估电流传感器5的信号。负载电路4具有片段4.1，在该片段中布置了分离装置8，通过所述分离装置，负载电路4可以被断开。负载电路4的该片段4.1可以通过预充电电路7桥接。预充电电路7具有电阻7.1。预充电电路可以通过预充电电路分离装置7.2断开。负载电路4可选地也可以具有附加的分离装置8.1。 
第一耗电器电路9.1配备有第一耗电器电容11.1。第一耗电器电容11.1是第一变流器12.1的组成部分，所述变流器构造为将电池系统1的直流电转换为交流电并且将该交流电输送给车辆2的驱动电机13。第二耗电器电路9.2配备有第二耗电器电容11.2。第二耗电器电容11.2是第二变流器的组成部分，所述变流器构造为将由电池系统（1）提供的电压向下变换并且输送给车辆（2）的车载电网14。第三耗电器电路9.3配备有第三耗电器电容11.3。第三耗电器电容11.3与充电设备12.3对应。充电设备12.3构造为通过位于车辆2外部的能量源对单电池3充电。 
在图2中示意性示出了在预充电过程中转换的电荷量L关于时间t的多条曲线。Vs1相应于在预充电过程中转换的电荷量L的第一时间曲线，其中所有的 耗电器电容11.1、11.2、11.3起作用。在该第一时间曲线中相应地耗电器电路9.1、9.2、9.3的所有的熔断器10.1、10.2、10.3都完好。如果所有的耗电器电容11.1、11.2、11.3完全充电，则在此转换的第一额定的电荷量取值Ls1。Vs2相应于在预充电过程中转换的电荷量L的第二时间曲线，其中仅第二和第三耗电器电容11.2、11.3起作用。第一耗电器电容11.1不起作用，这可以推断出，第一耗电器电路10.1的熔断器熔断。在第二时间曲线中Vs2第二转换的额定的电荷量取值Ls2，其明显低于值Ls1，因为第一耗电器电路11.1具有比第二和第三耗电器电容11.2、11.3之和更低的电容。第一和第二额定的电荷量Ls1和Ls2的值存储在电子单元6上。 
Vi相应于在预充电过程中转换的实际的电荷量的时间曲线，如由电子单元6基于电流传感器5的信号确定的那样。在该预充电过程中转换的实际的电荷量取值Li。测量的电荷量Li的值与存储在电子单元6上的第一和第二额定电荷量Ls1和Ls2的值比较。如果在实际的电荷量Li和第一或第二额定的电荷量Ls1或Ls2之间的差的绝对值低于边界值，则可以可靠地推断，与第一耗电器电路对应的熔断器10.1熔断。 
在图3中示意性示出了在负载电路4中流过的电流i关于时间t的多个曲线，如在预充电过程中出现的那样。is1相应于在预充电过程中在负载电路4中流过的电流的第一额定的电流曲线，其中所有的耗电器电容11.1、11.2、11.3起作用。在该第一电流曲线is1中相应地耗电器电路9.1、9.2、9.3的所有的熔断器10.1、10.2、10.3完好。is2相应于在预充电过程中在负载电路4中流过的电流的第二额定的电流曲线，其中仅第二和第三耗电器电容11.2、11.3起作用。第一耗电器电容11.1不起作用，这可以推断出，与第一耗电器电路9.1对应的熔断器10.1熔断。第一和第二额定的电流曲线is1和is2存储在电子单元6上。 
ii相应于在预充电过程中流经负载电路4的电流的实际的电流曲线，如由电流传感器5确定的那样。实际的电流曲线ii通过电子单元6与在其上存储的额定的电流曲线is1和is2进行比较，例如通过合适的窗口函数。如果在此识别，实际的电流曲线ii与额定的电流曲线is2在很大程度上相应，可以可靠地推断出，与第一耗电器电路9.1对应的熔断器10.1熔断。 
附图标记列表 
1  电池系统 
2  车辆 
3  单电池 
4  负载电路 
4.1  负载电路的片段 
5  电流传感器 
6  电子单元 
7  预充电电路 
7.1  电阻 
7.2  预充电电路分离装置 
8  分离装置 
8.1  附加的分离装置 
9.1  第一耗电器电路 
9.2  第二耗电器电路 
9.3  第三耗电器电路 
10.1 第一耗电器电路的熔断器 
10.2 第二耗电器电路的熔断器 
10.3 第三耗电器电路的熔断器 
11.1 第一耗电器电容 
11.2 第二耗电器电容 
11.3 第三耗电器电容 
12.1 第一变流器 
12.2 第二变流器 
12.3 第三变流器 
13  驱动电机 
14  车载电网 
Vs1 额定的电荷量的第一时间曲线 
Vs2 额定的电荷量的第二时间曲线 
Vi  实际的电荷量的时间曲线 
L  电荷量 
Ls1 第一额定的电荷量 
Ls2 第二额定的电荷量 
Li  实际的电荷量 
is1 第一额定的电流曲线 
is2 第二额定的电流曲线 
ii  实际的电流曲线 
t  时间。 

Claims (12)

1.一种电池系统（1），包括：多个单电池（3），在其上施加了单电池（3）的电压的负载电路（4），构造为采集流经负载电路（4）的电流的电流传感器（5），构造为评估电流传感器（5）的信号的电子单元（6），构造为借助电阻（7.1）来限制流经负载电路（4）的电流的、可连接到负载电路（4）的预充电电路（7），在负载电路（4）的、能够通过预充电电路（7）桥接的片段（4.1）中的分离装置（8），互相并联布置并且与负载电路（4）相连的第一耗电器电路（9.1）和至少一个第二耗电器电路（9.2），其中与每个耗电器电路（9.1,9.2,9.3）至少对应一个熔断器（10.1,10.2,10.3），
其特征在于，所述电子单元（6）构造为基于电流传感器（5）的信号来推断是否有一个熔断器（10.1,10.2,10.3）熔断。
2.根据权利要求1所述的电池系统（1），其特征在于，在所述电子单元（6）上存储多个额定的电流曲线（is1,is2）或额定的电荷量（Ls1,Ls2），其分别与在预充电过程中流经负载电路（4）的电流相应，其中每个存储的额定的电流曲线（is1,is2）或额定的电荷量（Ls1,Ls2）对于具有至少一个熔断的熔断器（10.1,10.2,10.3）的电流曲线或转换的电荷量来说是特征性的。
3.根据权利要求2所述的电池系统（1），其特征在于，所述电子单元（6）构造为，根据在实际的电流曲线（ii）或实际的电荷量（Li）和存储的额定的电流曲线（is1,is2）或额定的电荷量（Ls1,Ls2）之间的比较来推断是否有一个熔断器（10.1,10.2,10.3）熔断。
4.根据权利要求3所述的电池系统（1），其特征在于，所述电子单元（6）构造为，根据在实际的电流曲线（ii）或实际的电荷量（Li）和存储的额定的电流曲线（is1,is2）或额定的电荷量（Ls1,Ls2）之间的比较来推断熔断器（10.1,10.2,10.3）中的哪一个熔断了。
5.一种具有根据权利要求1所述的电池系统（1）的车辆（2），其中第一耗电器电容（11.1）与第一耗电器电路（9.1）对应，并且其中第二耗电器电容（11.2）与第二耗电器电路（9.2）对应，其特征在于，第一耗电器电容（11.1）具有与第二耗电器电容（11.2）不同大小的电容。
6.具有根据权利要求1所述的电池系统（1）的车辆（2），其特征在于，在所述第一耗电器电路（9.1）上能够连接第一变流器（12.1），其构造为将由电池系统（1）提供的直流电转换为交流电并且将其输送给车辆（2）的驱动电机（13）。
7.具有根据权利要求1所述的电池系统（1）的车辆（2），其特征在于，在所述第二耗电器电路（9.2）上能够连接第二变流器（12.2），其构造为将由电池系统（1）提供的电压向下变换并且输送到车辆（2）的车载电网（14）。
8.具有根据权利要求1所述的电池系统（1）的车辆（2），其中所述电池系统（1），具有第三耗电器电路（9.3），其与第一和第二耗电器电路（9.1,9.2）并联布置并且与负载电路（4）相连，并且其中与第三耗电器电路（9.3）至少对应一个熔断器（10.3），
其特征在于，在所述第三耗电器电路（9.3）上能够连接充电设备（12.3），其构造为通过位于车辆（2）外部的能量源对单电池（3）充电。
9.一种用于运行车辆（2）中的电池系统（1）的方法，所述电池系统（1），包括：多个单电池（3），在其上施加了单电池（3）的电压的负载电路（4），构造为采集流经负载电路（4）的电流的电流传感器（5），构造为评估电流传感器（5）的信号的电子单元（6），构造为借助电阻（7.1）来限制流经负载电路（4）的电流的、可连接到负载电路（4）的预充电电路（7），在负载电路（4）的、能够通过预充电电路（7）桥接的片段（4.1）中的分离装置（8），互相并联布置并且与负载电路（4）相连的第一耗电器电路（9.1）和至少一个第二耗电器电路（9.2），其中与每个耗电器电（9.1,9.2,9.3）路至少对应一个熔断器（10.1,10.2,10.3），
其特征在于，所述电子单元（6）采集在预充电过程中流经负载电路（4）的电流的实际的电流曲线（ii），或者在预充电过程中通过流经负载电路（4）的电流而转化的实际的电荷量（Li），并且与在电子单元（6）上存储的额定的电流曲线（is1,is2）或额定的电荷量（Ls1,Ls2）进行比较，它们分别与在预充电过程中流经负载电路（4）的电流相应或者与在预充电过程中转化的电荷量相应，并且所述电子单元（6）基于在实际的电流曲线（ii）或实际的电荷量（Li）与额定的电流曲线（is1,is2）或额定的电荷量（Ls1,Ls2）之间的比较来推断是否有一个熔断器（10.1,10.2,10.3）熔断。
10.根据权利要求9所述的用于运行车辆（2）中的电池系统（1）的方法，
其特征在于，在所述电子单元（6）上存储的额定的电流曲线（is1,is2）分别表征一个具有至少一个熔断的熔断器（10.1,10.2,10.3）的、在预充电过程中流过的电流曲线。
11.根据权利要求9所述的用于运行车辆（2）中的电池系统（1）的方法，
其特征在于，在所述电子单元（6）上存储的额定的电荷量（Ls1,Ls2）分别表征一个具有至少一个熔断的熔断器（10.1,10.2,10.3）的、在预充电过程中转换的电流。
12.根据权利要求9所述的用于运行车辆（2）中的电池系统（1）的方法，
其特征在于，所述电子单元（6）根据在实际的电流曲线（ii）或实际的电荷量（Li）和额定的电流曲线（is1,is2）或额定的电荷量（Ls1,Ls2）之间的比较来推断，是第一耗电器电路（9.1）的熔断器（10.1）还是第二耗电器电路（9.2）的熔断器（10.2）熔断了。
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