CN104810500A - 用于牵引电池组的电流中断装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于牵引电池组的电流中断装置。提供一种电池组包(13)，具有多个电池组电池(12)，具有电池组隔离单元(18)，所述电池组隔离单元具有用于电池组包(13)的正极(20)的充电和隔离装置(24)和用于电池组包(13)的负极(22)的隔离装置(26)。此外，电池组包(13)被分配至少一个电流中断装置(CID)(33)。所述电流中断装置被布置在电流路径(38、40)内，使得多个电池组电池(12)形成第一子电池组(54)和至少一个其它的第二子电池组(56、58)。

Description

用于牵引电池组的电流中断装置
技术领域
用于在电动或混合动力车辆中在电驱动的馈电中使用的牵引电池组。为了获得在电动或混合动力车辆中所需的功率数据和能量数据，各个电池组电池被串联连接，并且部分地各个附加的电池组电池被并联连接。在电动车辆中，经常100个以及更多的电池组电池被串联连接，其中这样的电池组引导直至450伏的电压。在混合动力车辆中，也更通常地超过60伏的电压极限，所述电压极限在人接触的情况下仍被归入不危急的。
背景技术
在图1中示出的牵引电池组除了电池组电池之外还具有其他功能组，诸如在该电池组的正极处的充电和隔离装置、在该电池组的负极处的隔离装置、服务插头(Servicestecker)以及电流中断装置(Current Interruptive Device，CID)。牵引电池组的上面所提及的其他功能组具有以下任务：
利用不仅在牵引电池组的正极处而且在负极处所设置的隔离装置中的两个隔离开关，可以在两极处切断电池组电池。这被称作电池组电池的双极切断。因此存在以下可能性，即在静止状态下或者在安全危急情形下、因此例如在出现车辆的牵引车载电网(Traktionsbordnetz)的事故的情况下将电池组分离，或者在行驶运行中根据需求和行驶情形将电池组接入所述牵引车载电网。
例如可以设置在电池组正极的充电装置具有的任务是，在牵引车载电网中在接入牵引电池组的情况下将补偿电流限制在极限值内。借助电流中断装置(CID)可以在牵引电池组的外部短路的情况下保护各个电池组电池不受由不允许的大电流引起的过载影响。若没有该措施，例如锂离子电池组电池可能经历“热击穿(Thermal Runaway)”，其中电池组模块和构造于该电池组模块中的电池组电池可能受到严重的损害。
从根据图1的图示中可以获悉，上文提到的在电池组的两极处的充电和隔离装置以及电流中断装置(CID)根据现有技术以外壳联合体的形式作为在电池组系统中的部件被构造在电池组断开单元(BDU)中。同样在图1中示出的服务插头在电池组的维护工作中出于安全原因必须被去除。这可以通过以下方式来强迫，即，只有当事先去除了服务插头时，才能打开电池组外壳。因此，即使当由于故障而不应当已打开隔离装置中的两个隔离开关时，电池组电池也可靠地被单极分离。
在根据图2的图示中，进一步示出了按照现有技术的锂离子电池组电池的等效电路图。特别地，在用于与消费者密切的应用、例如用于膝上型电脑和用于器械的电池组电池中，电流中断装置(CID)被集成到电池组电池中。在此，通常涉及集成到相应电池组电池中的过电流保护机构，其类似于熔断器。如果有关的电池组电池(因此例如由于其中构造有电池组的电池组系统的外部短路)被加载过高的电流，则例如通过熔化被构成为逐渐变细的电流引导元件来激活电流中断装置(CID)。由此保护电池组电池免受过载影响，由于过载可能发生不允许地高的加热。该温度限制特别在锂离子电池组电池中是重要的，因为不允许地高的加热可能导致电池组电池的热击穿。
如果按照图1中所示的架构来构建用于混合动力车辆和电动车辆的电池组系统、特别是牵引电池组系统并且在这些牵引电池组系统中使用集成有电流中断装置(CID)的电池组电池，那么电池组电池在布置于电池内部的电流中断装置(CID)的触发过程中可能遭受非常高的负电压。该负电压根据绝对值可以采用几乎可以相当于总电池组电压的值。由此对布置于电池内部的电流中断装置(CID)提出非常高的关于电流切断能力的要求，因为应相对于非常高的电压切断。另一方面，电池组电池在其电流中断装置(CID)激活之后必须能够阻断在其两个电池端子之间、也就是在正极和负极之间的非常高的负电压，而不会例如在电池组电池的电极整体(Elektrodenensemble)中发生电飞弧或者电化学反应。
发明内容
按照本发明，提出一种电池组包，其由多个电池组电池构成并且包括电池组隔离单元，所述电池组隔离单元包含用于正极的充电和隔离装置并且具有用于负极的隔离装置，其中所述电池组包包括至少一个电流中断装置(CID)并且被布置，使得所述电池组电池被划分为第一子电池组和至少一个第二子电池组。
通过借助相应地巧妙地选择至少一个电流中断装置(CID)的安装部位将总数目大于一百的各个电池组电池按照本发明所提出地划分为至少两个子电池组或子模块，可以实现，在布置于电池内部的电流中断装置(CID)的触发过程中出现的非常大的负电压可以至少被减半。由此，在布置于电池组内部的电流中断单元中可以明显地降低关于电流切断能力的要求。同时，通过按照本发明提出地选择至少一个电流中断装置(CID)的安装部位，可以实现，相应的电池组电池可以阻断在两个端子之间的在激活相应电流中断装置(CID)之后出现的电压，其中与按照现有技术的解决方案相比较，电压的绝对值被显著地降低、至少被减半。由此，可以避免电飞弧或电反应。
在本发明所基于的构思的有利的扩展方案中，至少一个电流中断装置(CID)被实施为熔断器。在成本低的并且可靠的实施可能性中，熔断器的构成被设置为电导体的横截面逐渐变细。此外，遵循按照本发明所提出的解决方案，多个电池组电池通过使用至少两个电流中断装置(CID)而被划分为第一子电池组或第一电池组模块、第二子电池组或第二电池组模块和第三子电池组或第三电池组模块，多个电池组电池中的直至一百个以及更多电池组电池相互电连接。在该实施变型方案中存在以下可能性，即，不仅仅将在电流中断装置(CID)的触发过程中出现的负电压减半，而是还进一步降低。
在制造技术上特别简单的方面存在以下可能性，即在使用电池内部的电流中断装置(CID)的情况下安装所述电流中断装置，使得形成彼此对称的第一和第二子电池组或电池组模块，也就是说，各个通过对称划分所形成的子电池组或电池组模块分别具有相同数目的相互连接的电池组电池。
按照本发明提出地选择至少一个电流中断装置(CID)的安装部位的有利实施可能性一方面在于，至少一个电流中断装置(CID)被布置在第一子电池组或第一电池组模块和服务插头之间的电流路径内。服务插头在电池组包或电池组模块的外壳上用于，在移除服务插头之后，电池组模块或电池组包的外壳盖才可以被打开，使得可接近外壳的内部空间。此外，至少一个电流中断装置(CID)也可以被布置在服务插头和从该服务插头顺流而下(stromab)地布置的第二子电池组或第二电池组模块之间。还存在如下可能性，即，将至少一个电流中断装置(CID)立即直接集成到服务插头中。
至少一个所使用的电流中断装置(CID)可以例如被布置在电池组模块的两个电池组电池之间的高电流连接器内，使得可以防止在两个相邻电池组电池之间的内部短路。内部的电流中断装置(CID)也可以布置在电池组包的至少两个所形成的子电池组或至少两个所形成的电池组模块内，使得鉴于电流切断能力和要防止的剩余电压能够防止在相应子电池组之内的短路。
本发明的优点
根据至少一个电流中断装置(CID)在多个相互电连接的电池组电池之内按照本发明提出的布置，可以至少实现在布置于电池内部的电流中断装置(CID)的触发过程中出现的负电压的减半。由此，可以降低对在电池组内部构造的电流中断装置(CID)的关于电流切断能力的要求，因为现在不再必须相对于非常高的处于400伏以及更高的数量级的电压进行切断，而是相对于其必须切断的电压例如处于200伏的数量级。
此外，通过按照本发明提出的解决方案可以实现，电池组电池自己在激活其相应的电流中断装置(CID)之后可以可靠地阻断在两个电池端子之间的电压，因为在那里出现的大的负电压被减半。由此保证了在牵引电池组的电池组电池的电极整体中避免电飞弧或电化学反应。通过按照本发明提出的不同实施可能性形式的解决方案，可以显著地改善如在电动车辆和混合动力车辆上使用的牵引电池组的安全性。
如从现有技术中已知的电流中断装置(CID)不能阻止可能由于事故而形成的内部短路。单独的绝缘地布置的电流中断装置(CID)不能一次发现出现的短路。
利用多个安装在电流路径中的电流中断装置(CID)，可以提供显著地安全的电池组系统。至少一个电流中断装置(CID)在电池组系统之内的定位并且特别是电池组系统到分别作为单独的单元的电池组模块或子电池组的划分(参考图4和图5的图示)提供显著地更安全的电池组系统。在每个子电池组或每个电池组模块中产生的总电压明显低于在电池组电池的整体将作为独特的单元运行时出现的总电压。由多个电流中断装置(CID)的使用得出，不再需要单独的电池组电池安全装置、也就是要在每个电池组电池之内设置的电流中断装置(CID)的存在。通过按照本发明提出的解决方案可以创建如下电池组系统，这些电池组系统没有单独的电池组电池安全装置的附加要求也行。
附图说明
下面借助附图详细地描述本发明。
图1示出根据现有技术的牵引电池组的原理电路图，所述牵引电池组与电池组隔离单元电连接，
图2示出在内部短路的情况下和在外部短路的情况下在电动车辆和混合动力车辆的牵引电池组中出现的短路路径，
图3示出一族触发特性曲线，所述触发特性曲线表征在过电流范围之内用于触发电流中断装置的特征，
图4示出电流中断单元在电池组包之内不同部位处的布置可能性，和
图5示出多个电池组电池，其相互电连接并且通过两个电流中断单元的按照本发明的布置而被划分为子电池组或电池组模块。
具体实施方式
图1示出如在电动车辆和混合动力车辆上使用的根据现有技术的牵引电池组的原理电路图。
图1示出外壳10，其中安置有多个电池组电池12、例如一百个以及更多。多个电池组电池12形成电池组包13。各个电池组电池12彼此通过电池连接器14而相互电连接，通常以串联连接的方式；但是也可以并联地电连接电池组电池12的组。
电池组隔离单元18(Battery Disconect Unit＝BDU)被连接在具有多个电池组电池12的外壳10之前。所述电池组隔离单元在其侧既与电池组包13的正极20又与电池组包13的负极22相连接。电池组隔离单元18包括被分配给正极20的充电和隔离装置24，此外包括用于负极22的隔离装置26。用于正极20的充电和隔离装置24包括用于中断至正极20的电连接的隔离开关28以及后面连接有充电电阻32的充电开关30。从根据图1的图示中此外得知，电流中断装置(CID)33位于电池组隔离单元18之内。所述电流中断装置例如被构造为熔断器34。除此之外，在被分配给负极22的隔离装置26之内，电池组隔离单元18包括隔离开关36，通过所述隔离开关可以中断至负极22的导电连接。为了完整起见要提到的是，为电池组包13的外壳10分配服务插头16。一旦从电池组包13的外壳10移除服务插头16，就可以从外部接近其中容纳有相互电连接的电池组电池12的外壳10的内部。通过服务插头16，提供了入口安全装置。即使当两个设置在电池组隔离单元18中的隔离开关28和36可能由于故障而没有被打开时，通过移除服务插头16，在外壳10内所容纳的电池组电池12也被可靠地单极分离。
从根据图2的图示可以获悉，在电动车辆和混合动力车辆的牵引电池组之内出现内部短路的情况下和在出现外部短路的情况下电流的短路路径。
如已经结合图1所讨论的那样，图2参考牵引电池组的上文已经概述的部件同样示出外壳10，在所述外壳内安置有多个相互电连接的电池组电池12。多个、例如多于一百个电池组电池12形成电池组包13。各个电池组电池12通过电池连接器14串联或并联地电连接。出于安全原因在电池组包13处的维护工作中应去除服务插头16。服务插头16的去除能够实现外壳10的打开，使得仅仅在移除服务插头16的情况下才可以接近外壳10的内部。即使当在根据图2的图示中的建立至正极20或负极22的电连接的两个隔离开关28、36由于故障而不应打开时，电池组电池12也以这种方式被可靠地单极分离。从图2中此外得到，在该实施变型方案中，电池组隔离单元18包括被分配给正极20的充电和隔离装置24和熔断器34形式的电流中断装置(CID)33。图2示出，在牵引电池组外部短路的情况下存在低欧姆的短路路径38。例如如果在牵引驱动装置的逆变器中出现“热分支”，在所述热分支中一相的两个功率开关由于错误而被接通并且由此形成低欧姆的短路路径，那么可以实现外部短路。
另一方面，可能由于事故而产生内部短路路径40。在这种情况下，多个电池组电池12的端子由于机械变形而与能导电的电池组部分、诸如覆盖外壳10的金属蓄电池盖接触。在外部短路路径38的情况下，短路电流流经电池组系统的电流中断装置(CID)33。如果使用具有电池组电池内部的电流中断装置(CID)33的电池组电池12，则以如下形式进行该电流中断装置的触发特性曲线的调整：
在电池组隔离单元18中所设置的电流中断装置(CID)33在出现不允许地高的电流的情况下比电池内部所布置的电流中断装置(CID)33明显更快地触发。通常，与在电池内部构造的电流中断单元(CID)33所具有的触发时间相比较，在过电流范围42上关于电池组隔离单元18的电流中断单元(CID)33的触发时刻的触发特性(参见根据图3的图示)具有1/10的触发时间。由此保证，在出现根据图2中的短路路径38的外部短路的情况下，在牵引电池组中快速地触发电池组系统的电流中断单元(CID)33并且同时并不触发在电池组电池内部设置的电流中断单元(CID)33。因此，在电池组隔离单元18中针对整个电池组系统所设置的电流中断装置(CID)33必须能够相对于整个电池组电压切断流经外部短路路径38的短路电流。这是用于电流中断装置(CID)33的切断能力的设计标准。
在出现电池组内部的短路的情况下，参见内部短路路径40，出现的短路电流通常不流经电池组隔离单元18的电流中断单元33；更确切地说，涉及低欧姆的短路，所述短路与位于内部短路路径40内的电池组电池12的不允许地高的电流相关联，使得在电池组电池内部所设置的电流中断装置(CID)33中的至少一个触发。在电池内部所设置的电流中断装置(CID)33通常被实现为电导体的逐渐变细，并且因此关于彼此具有大容差。由于该高容差而存在高的概率，即在电池组电池内部的电流中断装置(CID)33之一比其他的位于内部短路路径40内的电流中断装置(CID)33更快地触发。在这种情况下出现的短路电流应相对于所有处于短路路径中的电池组电池12的总电压被切断。
在根据现有技术的电池组系统中，这意味着，在最不利的情况下即使在电池组内部短路时也必须根据所述内部短路路径40相对于总的电池组电压切断所有布置在那里的电池组电池12。在现在在出现电池组内部短路的情况下电流中断装置(CID)33已经以最短的触发时间作出反应之后，该电池组电池12在继续维持的内部短路路径40中在负方向上阻断所有处于内部短路路径40中的电池组电池12的总电压(也就是在最不利的情况下总的电池组电压)。这对在电池组电池内部所使用的电流中断单元33提出非常高的要求，这些要求只能以非常高的花费并且由此决定地以巨大的附加的成本来满足。
实施变型方案
根据图3的图示将不仅针对电池组系统或电池组隔离单元而且在电池内部针对各个电池组电池的电流中断单元的触发特性曲线进行对比。
从图3的图示中得知，触发特性曲线族44具有基本上渐进的变化过程。在根据图3中的图示在800安培至8000安培之间延伸的过电流范围42上所绘出地，与每个触发特性曲线48相对应地绘出了触发时间。
远离极限特性曲线46得到不同的范围。处于极限特性曲线46之上的触发特性曲线48示出电池内部的电流中断单元33的触发时间，而利用附图标记50所标识的触发特性曲线示出根据图2中的图示布置在牵引电池组的电池组系统的电池组隔离单元18中的电流中断装置(CID)33的触发时间。
通过双箭头来表明，与根据在极限特性曲线46之上伸展的触发特性曲线48的、布置在电池组电池内部的电流中断单元33的触发时间相比较，与极限特性曲线46之下的触发特性曲线50相对应的、在电池组隔离单元18中的电流中断装置(CID)33的触发时间至多是该触发时间的1/10。
在根据图4的图示中，示出了按照本发明提出的用于一个或多个电流中断装置(CID)33的安装部位。
通过敷设用于电池组系统的至少一个电流中断装置33的安装部位，或者通过使用其他电流中断装置(CID)33，可以实现：可以显著地改善电流中断单元的电流切断能力和电压阻断特性。如果例如在根据图4的图示中构造的电池组电池12具有相对于至少一半的电池组电压切断过电流的能力并且其此外能够在触发在电池内部布置的电流中断装置(CID)33之后在负方向上阻断至少一半的电池组电压，那么电池组系统的电流中断装置(CID)33可以移出电池组隔离单元18。在图4中示出了，电流中断装置(CID)33被放置于第一位置60、第二位置62和第三位置64处、在电池组电池12或服务插头16的串联电路的中心。
从根据图4的图示出发可以采用位置60、62、64，所述位置是按照本发明提出的用于实施为熔断器34的电流中断装置(CID)33的安装部位。在此，电流中断单元33的布置不应强制性地选择为在电池组电池12的中心精确对称，因此例如在一百个电池组电池12的情况下不应强制性地选择为在第50个和第51个电池组电池12之间。应关心的是，通过将电流中断单元33或者布置在第一位置60中或者在第二位置62中或者在第三位置64中来保证，可以保护所形成的第一子电池组54(其也可以被称作电池组模块)以及至少一个另外的第二子电池组56(电池组模块)的随之出现的形成，所述第二子电池组通过电流中断单元33的安装部位产生。
图4示出在电流中断装置(CID)33的第一位置60中形成第一子电池组54(电池组模块)。也存在以下可能性，即，电流中断装置33从其在根据图2中的图示的电池组隔离单元18中的安装部位立即直接集成到服务插头16中。在这种情况下，通过第二位置62来表示安装部位。
也存在如下可能性，即，从服务插头16顺流而下地将电流中断单元33安装在第三位置64中，也就是说，将该电流中断单元分配给第二子电池组56。在根据图4的图示中，此外画出了不同的电池组内部的短路路径。如果短路路径包括电池组系统的电流中断装置(CID)33，则该电池组系统由于较短的触发时间而承担短路电流的切断。最不利的情况是如下情况，在该情况下应切断沿着短路路径66的切断，所述短路路径涉及完整的子电池组、在该情况下第二子电池组56，其中针对最不利的情况应设计布置在电池组电池内部的电流中断装置(CID)33。在该最不利的情况下，布置在电池组电池内部的电流中断装置(CID)33必须被设计用于一半的电池组电压或用于第一或第二子电池组54、56中具有最大数目的电池组电池12的那一个子电池组的最大电压。
对于根据图4的图示还要说明的是，例如构成为横截面逐渐变细的各个电流中断装置(CID)33例如可以集成在子电池组54、56之内的电池连接器14内，所述电池连接器将电池组电池12相互串联地或并联地电连接。在根据图4的图示中还可获悉电池组隔离单元18(Battery disconnect unit＝BDU)。这基本上对应于已经结合图1和图2更详细地描述的电池组隔离单元18。在图4中与内部短路路径40一样示出了电池组外部的短路路径38。利用附图标记52来表示电池内部的短路路径52，而附图标记66表示如下短路路径，该短路路径在最不利的情况下延伸通过整个子电池组、在该情况下通过第二子电池组56和在那里串联连接的各个电池组电池12。
对于电池组电池12的布置在电池组电池内部的电流中断装置(CID)33应不能在低欧姆短路的情况下切断一半的电池组电压的情况，遵循按照本发明提出的解决方案，存在如下可能性，即，集成多个电流中断单元33。
按照本发明提出的解决方案的该实施可能性可以从根据图5的图示中获悉。
从图5中得知，在该实施可能性中，布置在电池组电池内部的电流中断装置(CID)33可以可靠地切断三分之一的电池组电压。在这种情况下，需要使用至少两个电流中断装置(CID)33，使得将电池组包13划分为三个单独的子电池组，即第一子电池组54、第二子电池组56和第三子电池组58。所述单独的子电池组54、56、58分别包括电池组包13的电池组电池12的总数目的三分之一。
从根据图5的图示中得出，与根据图2的布置相比较，在使用两个电流中断装置(CID)33的情况下电压并不减半，而是可以进一步降低，并且此外(如在图5中通过附图标记68和70所表明的)还针对可最不利地采用的短路路径形成优化短路路径。
在用于电动和混合动力车辆的牵引电池组的电池组系统中的至少一个电流中断装置(CID)33的根据图3、4和5所描述的、在安全方面显著改善的布置随着以下缺点而出现，即，至少一个电流中断装置(CID)33不再能够放置在电池组隔离单元18中，而是应作为电池组系统中的分离的一个或多个部件分散地安置。在图5中示出的本发明的实施变型方案中，也在其中容纳有多个电池组电池12的外壳10之前连接电池组隔离单元18(Battery disconnect unit＝BDU)。在外壳10之内，各个电池组电池12通过电池连接器而相互电连接。在图5中示出的实施变型方案中，通过布置分别作为熔断器34构成的电流中断装置(CID)33，形成第一子电池组54、第二子电池组56以及第三子电池组58，使得在该情况下在短路路径38中出现短路时只应通过相应的电流中断装置(CID)33切断三分之一的电池组电压。在根据图5的实施变型方案中，电池组隔离单元(Battery Disconnect Unit＝BDU)也基本上对应于已经结合图1、2和4所描述的电池组隔离单元18。
按照本发明提出的解决方案并不局限于在用于车辆中的应用的牵引电池组上的使用，而是可以以相同的方式也使用在用于静止应用的电池组中。如果在电池组系统之内串联连接多个电池组电池12，也就是说，电池组系统的电压因此可以采用非常高的最大值，那么按照本发明提出的解决方案可以特别有意义地被使用。

Claims (9)

1.一种电池组包(13)，具有多个电池组电池(12)，具有电池组隔离单元(18)，所述电池组隔离单元具有用于所述电池组包(13)的正极(20)的充电和隔离装置(24)和用于所述电池组包(13)的负极(22)的隔离装置(26)并且包括至少一个电流中断装置(CID)(33)，其特征在于，所述至少一个电流中断装置(CID)(33)被布置在电流路径(38、40)内，使得所述多个电池组电池(12)被划分为第一子电池组(54)和至少一个其它的第二子电池组(56、58)。
2.根据权利要求1所述的电池组包(13)，其特征在于，所述至少一个电流中断装置(CID)(33)被实施为熔断器(34)、尤其被实施为电导体的横截面逐渐变细。
3.根据上述权利要求之一所述的电池组包(13)，其特征在于，通过至少两个电流中断装置(CID)(33)，所述多个电池组电池(12)被划分为第一子电池组(54)、第二子电池组(56)和第三子电池组(58)。
4.根据上述权利要求之一所述的电池组包(13)，其特征在于，所述至少一个电流中断单元(CID)(33)被布置在电流路径(38、40)内，使得形成多个彼此对称布置的子电池组(54、56、58)。
5.根据上述权利要求之一所述的电池组包(13)，其特征在于，所述至少一个电流中断装置(CID)(33)被布置在第一子电池组(54)和服务插头(16)之间的电流路径(38、40)内。
6.根据权利要求1所述的电池组包(13)，其特征在于，所述至少一个电流中断装置(CID)(33)被集成到服务插头(16)内。
7.根据上述权利要求之一所述的电池组包(13)，其特征在于，在所述子电池组(54、56、58)中的至少一个内布置有内部的电流中断装置(CID)(33)，所述电流中断装置防止相应的子电池组(54、56、58)之内的短路。
8.根据上述权利要求之一所述的电池组包(13)，其特征在于，至少在第一和第二子电池组(54)、(56)内分别布置有内部的电流中断装置(CID)(33)，所述电流中断装置防止在两个相邻电池组电池(12)之间的短路。
9.根据上述权利要求之一所述的电池组包(13)，其特征在于，至少一个电流中断装置(CID)(33)被集成到第一和第二子电池组(54、56)之间和/或第二和第三子电池组(56、58)之间的高电流路径内。
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