CN104934953B - 具有电位平衡元件的系统，尤其电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系统（1），其具有相互电连接的系统部件（2），所述系统部件至少部分地带电压，并且具有至少一个另外的系统部件（3、4、5），所述至少一个另外的系统部件是能导电的，所述至少一个另外的系统部件（3、4、5）借助于至少一个电位平衡元件（6）置于地电位（11）上。电位平衡元件（6）包括并联电路，其由电位平衡路径和短路电流限制路径构成，电位平衡路径与短路电流限制路径相比以如下方式具有更低的电阻，即，从所述至少一个另外的系统部件（3、4、5）经由电位平衡元件（6）导出的电位平衡电流基本上经由电位平衡路径流动，并且其中，电位平衡路径构造成当电位平衡路径中的电流超过一预先限定的边界值时能够断开。

Description

具有电位平衡元件的系统，尤其电池系统

技术领域

本发明涉及一种系统，尤其是一种电池系统，其具有相互电连接的系统部件，所述系统部件至少部分地带电压，并且具有至少一个另外的系统部件，所述至少一个另外的系统部件是能导电的，其中，所述至少一个另外的系统部件借助于至少一个电位平衡元件置于地电位上。

背景技术

在本发明的意义中的开头提到的系统尤其是用于在混合动力车辆、插电混合动力车辆或电动车辆中提供电能的系统。对此尤其是指这样的电池系统，这些电池系统具有多个彼此电连接的电池单元，尤其彼此电连接成电池模块的电池单元。此外，对此也指另外的电流系统（galvanische Systeme），尤其是燃料电池系统。这类系统具有一高压回路，该高压回路包括彼此电连接的系统部件，在一电池系统中尤其包括带电压的电池系统部件，就像电池单元、单元连接器（Zellverbinder）和切换元件。这样的系统通常作为整体绝缘并且构造在闭合网络中。

已知的是这样的系统配备有用于检测绝缘故障的装置，尤其是所谓的绝缘监控装置。在该意义中的绝缘故障是高压回路的带电压的系统部件与另一能导电的系统部件例如冷却体或壳体部件之间的不希望的导电连接。为了使这些另外的系统部件在出现这样的绝缘故障的情况下保持无电位，已知的是这些系统部件通过一电位平衡元件置于地电位。

从文献DE 10 2011 077 306A1中公开了一种用于车辆的能量系统。在此公开了在能量系统的电池管理系统之内布置的、优选高欧姆地与电池的对应触点连接的电压分配件，用于在绝缘故障的情况下记录（verzeichnen）电压分配的改变。通过评价对应的电阻在此探测绝缘故障。此外，从文献DE 10 2010 054 413 A1中公开了一种用于确定绝缘故障位置的方法。

此外，由文献DE 10 2011 015 694 A1公开了一种功率切换模块和一电池单元，利用它们应当改善绝缘故障测量的品质。

此外，由文献DE 44 42 825 A1公开了一种用于存储电能的系统。该系统具有一控制设备单元，该控制设备单元包括一种用于测量存储器系统相对于车辆底盘的电位端部耦合（Potentialendkopplung）的品质的绝缘测量单元。

如果在高压回路中在至少两个不同的、具有不同电位的部位上出现绝缘故障，那么形成短路电流。在此情况下，根据在哪些部位上出现绝缘故障的不同，短路电流流过多个电位平衡元件。在此情况下，常规的电位平衡元件显示出在短路电流的电流承载能力方面的弱点，这是因为这些电位平衡元件作为简单的电导体通常实现得尽可能薄，以便节省重量、结构空间和成本。一旦在多个绝缘故障的情况下出现短路电流时烧断了一电位平衡元件，那么就中断了短路电流。由于该中断，绝缘故障利用通常使用的绝缘监控装置的探测不再能够实现。

还存在这样的问题：在出现一内部系统部件上的绝缘故障和出现一外部部件上的，例如使用所述系统所处的车辆的高压缆线上的另一绝缘故障时，在系统外部的绝缘故障被识别之前，用于该系统与车辆的电流分离的保护继电器就断开了。在此，如果绝缘故障检测仅尤其像在电池系统的情况下那样在系统内部是可行的，那么外部的绝缘故障基于断开的保护继电器而保持未识别。如果电池系统在这样的情况下通过闭合所述保护继电器重新被接通，尽管外部的绝缘故障继续存在或甚至加重，那么尤其会通过尤其就像冷却体那样的能导电的电池系统部件与能导电的电池壳体部件的偶然接触此外产生短路电流，该短路电流进一步损坏所述电池系统部件。此外，当不同的电位施加在不同的壳体部件上时，还存在这样的危险：人员由于触碰车辆而被电击。

在该背景下，本发明的任务是改善开头提到的系统，尤其这样改善：系统部件较低欧姆地连接到地电位上。尤其应当在因为多个绝缘故障而出现一短路电流的情况下更换地保护这些系统部件到所述地电位上的连接部不被熔断，并且由此改善了绝缘故障的识别。

发明内容

为了解决该任务提出一种系统，其具有相互电连接的系统部件，所述系统部件至少部分地带电压或者说引导电压（Spannungsführend），并且具有至少一个另外的系统部件，所述至少一个另外的系统部件是能导电的，其中，所述至少一个另外的系统部件借助于至少一个电位平衡元件置于地电位上，其中，所述电位平衡元件包括一并联电路，该并联电路由一电位平衡路径和一短路电流限制路径构成，其中，所述电位平衡路径与所述短路电流限制路径相比以如下方式具有更低的电阻，即，从所述至少一个另外的系统部件经由所述电位平衡元件导出的电位平衡电流基本上经由所述电位平衡路径流动。在此有利地还这样构造所述电位平衡路径，当所述电位平衡路径中的电流超过一预先限定的边界值时，该电位平衡路径断开。在所述电位平衡路径断开的情况下，电流然后因此完全流过所述电位平衡元件的短路电流限制路径。

根据本发明尤其设置：所述电位平衡路径构造成较低欧姆并且所述短路电流限制路径构造成较高欧姆。在此尤其设置：所述电位平衡路径构造为普通的电导体，尤其是铜导体，其电阻仅与导体材料的单位电阻和该导体的相应几何尺寸相关。与之相反，就短路电流限制路径而言尤其设置：使用提高短路电流限制路径的电阻的器件，从而使得该短路电流限制路径的电阻优选地为至少1欧姆。

该系统具有至少一个电位平衡元件，该电位平衡元件包括一并联电路，该并联电路包括一较低欧姆的电位平衡路径和一较高欧姆的短路电流限制路径，通过所述系统的该根据本发明的设计方案，尤其在因为两个绝缘故障而出现一短路电流时，也能够有利地当较低欧姆的电位平衡路径因为出现该短路电流而熔断时也实现所述绝缘故障的探测。那么电位平衡元件的短路电流限制路径的电阻限制了所述短路电流并且有利地阻止了短路电流回路的中断。

尤其设置：根据本发明的系统是一电池系统，尤其是一高压电池系统，优选是一构造用于混合动力车辆、插电混合动力车辆或电动车辆中运行的电池系统。至少部分带电压的彼此电连接的系统部件在此尤其是电池系统的电池单元以及电路部件，尤其像电池连接器、切换保护继电器和类似的电路部件。能导电的其它系统部件在此尤其是其中布置有电池单元的电池壳体的部件和/或用于电池单元的调温的冷却体和/或保持片和/或连接元件。

如果在根据本发明构造的电池系统中因为绝缘故障而以如下方式出现短路电流，即，至少一个电位平衡元件的电位平衡路径断开，则电池系统的电池单元有利地经由短路电流限制路径的电阻放电。至少一个电位平衡元件的短路电流限制路径的电阻有利地以如下方式设定大小，即，进行电池单元的放电，而没有不允许地高的电流流动并且电池系统部件不通过该电阻中进行的热产生而受损。

按照根据本发明的系统的一特别优选的设计方案设置：所述电位平衡元件的电位平衡路径包括一保险元件，该保险元件构造用于触发并且断开所述电位平衡路径，如果电位平衡路径中的电流超过一预先限定的边界值。也就是说：不属于该系统的高压回路的并且尤其不设置用于导引电流的至少一个能导电的系统部件的连接部有利地至少这样长时间地经由所述电位平衡元件的电位平衡路径较低欧姆地连接到所述地电位上，直到短路电流经由电位平衡元件流动。如果短路电流经由电位平衡元件这样流动，那么电位平衡路径中的保险元件有利地触发并且由此断开所述电位平衡路径。由此，短路电流可以不继续经由电位平衡路径流动，而是由电位平衡元件的短路电流限制路径引导。所述电位平衡路径的电导体由此有利地被保护，以防通过短路电流而受损，同样就像布置在所述电位平衡路径附近中的那些部件那样。

尤其设置：所述至少一个电位平衡元件的电位平衡路径的保险元件是一熔断保险。该熔断保险在出现一短路电流时有利地熔断，从而使得所述电位平衡路径断开。所述短路电流然后完全由所述电位平衡元件的短路电流限制路径引导。

按照根据本发明的系统的另一特别优选的设计方案设置：短路电流限制路径包括一电阻。该电阻尤其也可以是多个电阻的串联电路。如果根据本发明的系统是一电池系统，尤其设置：短路电流限制路径的电阻以如下方式设计，即，电池系统的电池单元即使在最大充电状态，即在最大SOC（SOC：电荷状态，英文：State of Charge）下也通过至少一个电位平衡元件的短路电流限制路径的电阻放电，而不使电阻热失效。有利地也能够在电池单元的完全放电之后借助于该系统的绝缘监控装置基于此外功能正常的短路电流限制路径探测绝缘故障。尤其设置：所述短路电流限制路径的电阻以如下方式构造，即，该电阻明显处于用于探测绝缘故障所使用的电子装置的测量阈值之下。

优选地，该短路电流限制路径的电阻具有1欧姆和1千欧姆之间的欧姆电阻。如已经实施的那样，该电阻在此有利地以如下方式设定大小，即，所述短路电流限制路径能够在电位平衡路径断开的情况下继续引导短路电流，而在此不发生热失效。如果根据本发明的系统是一电池系统，那么该电阻还有利地以如下方式提供，即，电池系统的电池单元的放电能够经由短路电流限制路径的电阻实现。在电阻的设定大小在1欧姆和1千欧姆之间时，其中，这些边界不必精确维持，该电阻有利地明显小于用于识别绝缘故障而使用的电子装置的测量阈值。该测量阈值通常处在大致50千欧姆和300千欧姆之间。

根据本发明的系统的另一特别有利的设计方案设置：所述系统具有一用于检测绝缘故障的装置。在本发明的意义上的绝缘故障尤其是该系统的高压回路与不属于该系统的高压回路的能导电的系统部件、尤其是属于该系统的低压回路的部件之间的传导连接。尤其设置：所述系统具有用于检测绝缘故障的所谓的绝缘监控装置。用于检测绝缘故障的装置尤其可以这样地构造，就像在开头提到的文献中公开的那样。优选地，该系统是一IT网络，也就是说一完全绝缘的并且闭合的网络，具有一用于监控绝缘故障的绝缘监控装置。

尤其地，在根据本发明的系统中设置：所述用于检测绝缘故障的装置包括用于检测绝缘故障的至少一个测量装置，其中，所述至少一个测量装置构造用于检测流经所述至少一个电位平衡元件的电流。通过所述根据本发明的系统的至少一个电位平衡元件本身在出现短路电流时经由所述短路电流限制路径导引所述短路电流，有利地也在短路情况下，因此当两个绝缘故障在具有不同电位的该系统的不同部位上出现时能够实现绝缘故障的检测，有利地即使当用于检测绝缘故障的装置的电子装置具有例如大致10秒至30秒的小的扫描率（Abtastrate）时也是这样。由此，通过在至少一个电位平衡元件的情况下的电位平衡路径和短路电流限制路径的并联电路而有利地在绝缘故障的可靠的可探测性的情况下提供了能导电的系统部件到所述地电位上的较低欧姆的连接部。

按照根据本发明的系统的另一优选的设计方式，所述至少一个电位平衡元件的短路电流限制路径的电阻值就欧姆电阻而言与所述至少一个测量装置的测量阈值相比至少小50倍。由此有利地进一步提高了有效地识别出绝缘故障的可靠性。

附图说明

本发明的其它有利的详情、特征和设计细节结合在附图中所示的实施例来详细说明。其中：

图1在一示意图中示出了一用于根据本发明的系统的电位平衡元件的实施例；

图2在一示意图中示出了一用于根据本发明的系统的实施例，在出现一简单的绝缘故障的情况下；

图3在一示意图中示出了一用于根据本发明的系统的实施例，在出现两个绝缘故障的情况下；

图4在一示意图中示出了一用于根据本发明的系统的实施例，在出现一内部的和一外部的绝缘故障的情况下。

具体实施方式

在图1中示出了用于电位平衡元件6的一实施例，该电位平衡元件设置用于使用在根据本发明的系统中。所述电位平衡元件6包括一并联电路，该并联电路包括一电位平衡路径7和一短路电流限制路径8。所述电位平衡路径7在此包括一保险元件9，该保险元件在该实施例中构造为熔断保险。尤其地，所述保险元件9构造用于触发并且断开所述电位平衡路径7，如果电位平衡路径7中的电流超过预先限定的边界值。所述电位平衡路径7还以较低欧姆的形式构造，也就是说所述电位平衡路径7尤其作为结构元件不具有电阻，而电阻仅通过材料的单位电阻并且通过电位平衡路径7的几何尺寸所确定。尤其地，所述电位平衡路径7可以构造为铜导体。

所述电位平衡元件6的短路电流限制路径8包括一电阻10。该电阻10优选具有1欧姆和1千欧姆之间的欧姆电阻。尤其地，所述电阻10以如下方式确定大小，即，在电位平衡元件6在一电池系统中使用时，电池系统的电池单元可以在出现绝缘故障（Isolationsfehlern）时通过所述电阻10放电，而所述电阻10不被热损坏。尤其地，所述电阻10可以具有100欧姆的欧姆电阻。

在所述电位平衡元件6的这类设计成较低欧姆的电位平衡路径7和较高欧姆的短路电流限制路径8的并联电路的情况下，电流基于与电位平衡路径7相比明显较高欧姆的短路电流限制路径8而几乎完全通过所述电位平衡电流7流动。只有当电位平衡路径7的保险元件9触发并且由此中断所述电位平衡路径7时，电流才仅通过短路电流限制路径8和布置在其中的电阻10流动。通过所述电阻10在此有利地限界了短路电流。

在图2、图3和图4中示出了根据本发明的系统1的有利的设计方案，其中，该系统在所示的实施例中分别是一电池系统。所示的系统1在此分别具有多个电池单元2，这些电池单元彼此电连接。作为能导电的另外的系统部件，所述系统1尤其具有壳体部件4、5和冷却体3。它们在无故障的情况下是不引导电流的并且不属于电压回路。这些另外的不属于电压回路的系统部件，也就是在图2、图3和图4所示的实施例中冷却体3以及壳体部件4、5分别通过电位平衡元件6置于地电位11上。尤其地，所述地电位11可以是车辆的地电位。在此，电位平衡元件6至少根据图1中示出的那样的原理构造。

在图2中示例性地示出了系统1中绝缘故障12的出现。该绝缘故障12导致形成从电池单元2通过冷却体3、第一电位平衡元件6、下部的壳体部件4和第二电位平衡元件6直至地电位11的平衡电流13（在图2中在符号上作为虚线示出）。通过具有由较低欧姆的电位平衡路径和较高欧姆的短路电流限制路径构成的并联电路的电位平衡元件6的构造，这些电位平衡元件6总体上是较低欧姆的。由此给出了系统部件3、4、5到所述地电位11上的较低欧姆的连接。

在图3中示出的实施例中，示例性地示出了两个绝缘故障12的出现。由于绝缘故障12出现在系统1中的分别具有不同的电位的部位上，所以经由电池单元2、冷却体3、电位平衡元件6和下部的壳体部件4形成了短路电流14（在图3中在符号上作为虚线示出）。通过短路电流14触发了由短路电流14通流的电位平衡元件6的电位平衡路径中的保险元件。由此断开了对应的电位平衡路径，从而使得涉及的电位平衡元件6变成较高欧姆，其中，所涉及的电位平衡元件6的电阻然后通过电位平衡元件6的对应的短路电流限制路径的电阻来确定。因为在断开所述电位平衡路径之后所述短路电流经由对应的电位平衡元件6的短路电流限制路径以及布置在所述短路电流限制路径中的电阻流动，所以该短路电流有利地通过对应的短路电流限制路径中的电阻被限制。在此有利地，所述电池单元2可以通过所涉及的电位平衡元件6的对应的短路电流限制路径的电阻卸载。通过这种方式，即，通过电位平衡元件6所提供的电连接在短路时不被破坏，而是变成较高欧姆，有利地能够实现绝缘故障12的识别。所述绝缘故障12的识别在此有利地借助于系统1的电子绝缘监控装置（在图2、图3和图4中没有详尽示出）来进行。

在图4中示出了用于构造为电池系统的根据本发明的系统1的另一实施例。在这里同样出现两个绝缘故障12。在此，一个绝缘故障12出现在系统1之内（从电池单元2向冷却体3的过渡部）。第二绝缘故障12出现在系统1之外（到一电消耗器、尤其是到一车辆上的连接部向地电位11的过渡部）。通过绝缘故障12又成形经由电池单元2、冷却体3、电位平衡单元6、下部的壳体部件4和地电位11（例如车辆质量（Fahrzeugmasse））的短路电流14（在图4中在符号上作为虚线示出）。由于短路电流14分别断开电位平衡元件6的电位平衡路径，从而使得电流分别经由对应的电位平衡元件的短路电流限制路径流动。通过短路电流限制路径的电阻限制了所述短路电流14。

由此，电位平衡元件6保持能导电。绝缘故障12的探测由此有利地能够继续实现，尤其是借助于系统1的用于检测绝缘故障的装置（在图4中没有详尽示出）。

在附图中示出的且结合所阐释的实施例用于阐述本发明并且不用于限制本发明。

Claims (9)

1.具有电位平衡元件（6）的系统（1），具有相互电连接的系统部件（2），所述系统部件至少部分地带电压，并且具有至少一个另外的系统部件（3、4、5），所述至少一个另外的系统部件是能导电的，其中，所述至少一个另外的系统部件（3、4、5）借助于至少一个电位平衡元件（6）置于地电位（11）上，其特征在于，所述电位平衡元件（6）包括一并联电路，该并联电路由一电位平衡路径（7）和一短路电流限制路径（8）构成，其中，所述电位平衡路径（7）与所述短路电流限制路径（8）相比以如下方式具有更低的电阻，即，从所述至少一个另外的系统部件（3、4、5）经由所述电位平衡元件（6）导出的电位平衡电流基本上经由所述电位平衡路径（7）流动，并且其中，所述电位平衡路径（7）构造成当所述电位平衡路径（7）中的电流超过一预先限定的边界值时能够断开。

2.根据权利要求1所述的系统（1），其特征在于，所述系统（1）是一电池系统。

3.根据前述权利要求之一所述的系统（1），其特征在于，所述电位平衡元件（6）的电位平衡路径（7）包括一保险元件（9），所述保险元件构造用于触发并且断开所述电位平衡路径（7），如果所述电位平衡路径（7）中的电流超过一预先限定的边界值。

4.根据权利要求3所述的系统（1），其特征在于，所述保险元件（9）是一熔断保险。

5.根据权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，所述电位平衡元件（6）的短路电流限制路径（8）包括一电阻（10）。

6.根据权利要求5所述的系统（1），其特征在于，所述电阻（10）具有1欧姆和1千欧姆之间的欧姆电阻。

7.根据权利要求6所述的系统（1），其特征在于，所述系统（1）具有一用于检测绝缘故障的装置。

8.根据权利要求7所述的系统（1），其特征在于，所述用于检测绝缘故障的装置包括用于检测绝缘故障的至少一个测量装置，其中，所述至少一个测量装置构造用于检测流经所述至少一个电位平衡元件（6）的电流。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，就所述欧姆电阻而言，所述至少一个电位平衡元件（6）的短路电流限制路径（8）的电阻值与所述至少一个测量装置的测量阈值相比小至少50倍。