CN105684254B - 电池系统、限制故障电流和/或故障电压的方法和车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池系统，具有被构造用于给高压电网的至少两个彼此并联的负载供电的电池，其在其高压接线端子之一处与至少两个保险装置连接，保险装置之一分别被分配给负载之一并且与该负载连接。电池系统包括至少一个具有两个开关状态的开关单元，其在负载连接到电池的高压接线端子上的状态下被切换为第一开关状态，其中每个保险装置在存在流经负载的运行电流的情况下被该运行电流流经，并且开关单元被设置为在保险装置之一触发时从第一开关状态切换到第二开关状态，其中开关单元中断流经电池、其高压接线端子和保险装置还未被触发的每个负载的故障电流和/或关断每个由电池通过其高压接线端子和未被触发的保险装置施加到高压电网上的故障电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池系统，其具有被构造用于给高压电网的至少两个彼此并联的负载供电的电池。本发明还涉及一种相应的方法，其用于限制流经被构造用于给高压电网的至少两个彼此并联的负载供电的电池和流经电池的高压接线端子的故障电流和/或用于限制由电池通过电池的高压接线端子施加到高压电网的电压。另外，本发明涉及一种具有如前所述的电池系统的车辆。
背景技术
在车辆（载人车辆）中，使用具有电池的电池系统，所述电池可以分别给高压电网供应高电压（高压电压）。因此，这样的电池的电池单元或电池模块被串联。于是，这样的电池必然在高功率的情况下也仅提供小电流。在此，电池通过高压导线与其高压接线端子、即电池通过其给高压电网输出高压电压的接线端子连接。通常，在高压导线中，在电池的正高压接线端子以及负高压接线端子处都使用接触器。借助于接触器，这样的电池可以在停车的情况下或者在有误的功能状态（故障情况）下同高压电网或同车辆的其余高压系统断开。
这样的可用在电池的高压导线中的接触器10在图1至3中予以示出。在此，为相同部件使用相同附图标记。
在图1中示出了闭合的接触器10，并且在图2中示出了断开的接触器10。接触器10被构造成具有控制线圈20的磁开关11。在此，磁开关11包括可移动接触桥30和两个端子40。接触器10在有控制电流流经控制线圈20的状态下闭合，并且在没有电流流经控制线圈20的另一状态下断开。
如果有控制电流流经控制线圈20，则接触桥30借助于磁力朝向端子40移动并且被按压到所述端子40上。如果没有电流流经控制线圈20，则接触桥30直接回到其相对于端子40间隔开的位置。
为了生成控制电流，控制线圈20必须被供应电能，也就是说，控制线圈20必须被提供合适的供电电压。
这样的接触器10的断开和闭合通常由高压导线中使用接触器10的电池的电池控制设备60通过如下方式来执行：接触器10通过电池控制设备60被供应电能。通常，由电池控制设备60将由车辆的被用作能量源50的低压电网所提供的12V的低压电压转交给接触器10以用于生成控制电流。
这样的接触器通常通过高的起动电压被闭合。然后，流经线圈20的控制电流通过经脉宽调制的信号或者通过降低的供电电压（保持电压）或通过所使用的节省线圈（“节能器线圈”）被降低。因此，接触器10在其闭合状态下需要明显更少的电功率。然而，如果接触器10以更高电功率运行，则接触桥30对端子40的按压力容易提高。由此，控制线圈20在一定时间以后过热并且烧断。然后，接触器10通过每次在接触器10闭合时都被预张紧的弹簧而断开，并且不再能够运行。
这样的用在电池的高压导线中的接触器可以在有误的功能状态下断开大约1kA至2kA的电流。对于更高电流，通常使用保险装置（熔断保险装置）。
如图3中所示，对于在3kA至10kA之上的电流，在端子40与接触桥30之间发生由于在闭合的接触器10中存在的洛伦兹力70所引起的排斥。在3kA至10kA之上的电流例如可能在电池的高压导线中存在短路的情况下或在与电池电耦合的逆变器中存在短路的情况下出现。该现象被称为悬浮。在此，尽管被控制电流流经的控制线圈20是活动的，但是在端子40与接触桥30之间形成小间隔。在该空气段上形成电弧71，所述电弧71熔化端子40的接触表面。如果短路电流然后通过与相应高压接线端子连接的保险装置而被中断，则接触桥30将两个熔化的端子40按压到一起。在此，材料固化，并且接触桥30在关断流经控制线圈20的控制电流以后不再能够断开。该故障被称为接触器粘接。接触器10的两个端子40导电地彼此连接，并且不能被断开。
如果接触器10由车辆的低压电网来供应电能，并且低压电网的12V低压电压发生故障，则接触器10立即断开。在车辆的低压电网中的电压波动的情况下也存在的危险是，接触器10不希望地断开。如果接触器10在其被电流流经的期间断开，则从流经接触器10的该电流的一定强度起类似于在出现悬浮的情况下那样形成电弧71，所述电弧71导致接触器10的端子40的接触表面熔化。于是如果由低压电网提供的12V电压又完全稳定化，使得接触器10又可以闭合或者如果接触桥30通过机械推动而又被闭合，则端子40的熔化的接触表面粘接在一起，并且接触器10被焊接在一起。
这样的接触器10必须能够承载短路电流而在闭合的接触器10中不出现悬浮的时间在理想地确定尺寸的接触器10的情况下总是长于被分配给接触器10的保险装置（熔断保险装置）为了断开该短路电流所需的时间。如果接触器10被这样确定尺寸，则接触器10由于出现的悬浮而不被焊接在一起，在通过被触发的保险装置断开短路电流以后仍然可开关，并且可以将电池同车辆的高压电网断开。这在如下情况下是特别重要的：电池（电池组）必须给高压电网的两个在该电池的高压接线端子处并联的负载供电并且不具有布置在其中间的保险装置，而是每个负载单独地通过自身的保险装置被保护。
图4示出了从现有技术中公知的具有电池101的电池系统100，所述电池101给高压电网103的在电池101的高压接线端子130、131处并联的两个负载140、141供电。电池101包括多个串联的电池模块102以用于生成适用于高压电网103的电池电压。在电池101的两个高压导线120、121的每个中都布置有接触器10。电池101可以通过两个接触器10之一与其正高压接线端子130并且通过两个接触器10中的另一个与其负高压接线端子131连接。
正高压接线端子130与里面布置有负载140的负载通路150连接，并且与里面布置有负载141的负载通路151连接。电池系统（电池组）100的电池101不具有布置在其中间的保险装置。负载140、141中的每个通过电池系统100的所分配的保险装置110、111单独地被保护。两个保险装置110、111与高压接线端子130直接连接。
这些上述架构用在电池系统100中，其中整个电池电流对于处于电池中间的单个保险装置（熔断保险装置）而言过大，也就是说，在市场上不存在在电池101的寿命内能够满足对电池电流的要求的保险装置。负载通路150、151之一中的短路触发布置在该负载通路150、151中的保险装置110、111。为了将另一负载140、141和车辆的高压电网103开关为无电压的，两个接触器10然后都断开。
但是还存在可以生成例如12000A以上的短路电流的有效率的电池系统。但是在这样的电池系统的情况下，也一直存在的危险是，在接触器中出现悬浮并因此还出现接触器粘接。如果这样的很有效率的电池系统具有图4中所示的架构，则电池101在接触器10中存在接触器粘接的情况下不再能够同车辆的高压电网103断开。在图4中所示的电池系统100的情况下，这样的情况例如将在负载140的负载通路150中出现导致熔断保险装置110烧断的低欧姆短路时发生。两个接触器10在这种情况下被粘接在一起。另一负载141以及由此该负载141的接线端子处的高压电网103将由于所分配的负载通路151的处于完好功能状态的熔断保险装置111而继续承受电压。换言之，如果在图4中所示的该电池系统100的情况下，接触器10由于在负载140、141之一中出现的短路电流而被焊接在一起，则另一负载140、141不再能够被开关为无电压的，并且在接触该另一负载140、141的露出部分时存在电击的危险。
另外，从文献US 2012/0105015公知了一种用于电池的过载保护装置。在此，该过载保护装置被构造为在存在过载的电池的情况下将该电池的电池接线端子短路。由此，由过载电池生成的这样高的电流流经布置在电池接线端子之一与电池之间的保险装置，使得该保险装置在短时间以后触发。
发明内容
根据本发明，提供了一种电池系统，其具有被构造用于给高压电网的至少两个彼此并联的负载供电的电池。该电池在其高压接线端子之一处与至少两个保险装置连接或者可连接。在此，所述至少两个保险装置之一分别被分配给所述至少两个负载之一，并且与所分配的负载连接或可连接。另外，电池系统包括至少一个具有两个开关状态的开关单元，所述开关单元在所述至少两个负载连接到电池的高压接线端子上的状态下被开关为所述两个开关状态的第一开关状态，在所述第一开关状态下，每个保险装置在存在流经所分配的负载的运行电流的情况下都被该运行电流流经。所述至少一个开关单元被设置为在所述至少两个保险装置之一触发时从第一开关状态开关到所述两个开关状态的第二开关状态中，在所述第二开关状态下，所述至少一个开关单元中断流经电池、电池的高压接线端子和所分配的保险装置未被触发的每个负载的故障电流，和/或关断每个由电池通过电池的高压接线端子和未被触发的保险装置施加到高压电网上的故障电压。
根据本发明还提供了一种方法，其用于限制流经被构造用于给高压电网的至少两个彼此并联的负载供电的电池和流经电池的高压接线端子的故障电流、和/或用于限制由电池通过电池的高压接线端子施加到高压电网上的故障电压。该电池在其高压接线端子之一处与至少两个保险装置连接。在此，所述至少两个保险装置之一分别被分配给所述至少两个负载之一，并且与所分配的负载连接。在该方法中使用至少一个具有两个开关状态的开关单元。所述至少一个开关单元在所述至少两个负载连接到电池的高压接线端子上的状态下被开关为所述两个开关状态的第一开关状态，在所述第一开关状态下，每个保险装置都被流经所分配的负载的运行电流流经。另外，所述至少一个开关单元在所述至少两个保险装置之一触发时从第一开关状态开关到两个开关状态的第二开关状态中，在所述第二开关状态下，所述至少一个开关单元中断流经电池、电池的高压接线端子和所分配的保险装置未被触发的每个负载的故障电流，和/或关断每个由电池通过电池的高压接线端子和未被触发的保险装置施加到高压电网上的故障电压。
从属权利要求示出了本发明的优选改进方案。
所述至少一个开关单元优选地被设置为通过断开经过电池、电池的高压接线端子和保险装置未被触发的每个负载延伸的电流回路来直接中断故障电流。
在本发明中，可以将高压电网的至少两个并联的负载连接到根据本发明的电池系统的电池的高压接线端子上。在此，所述至少两个负载中的每个都与所述至少两个保险装置中的所分配的保险装置串联连接或可串联连接，使得在根据本发明的电池系统的正常运行期间——在正常运行期间，所述至少两个并联的负载连接到高压接线端子上——所述至少两个保险装置中的每个在存在流经分别分配的负载的运行电流的情况下也被该运行电流流经。根据本发明的电池系统包括至少一个具有两个开关状态的开关单元，所述开关单元在根据本发明的电池系统的正常运行期间被开关为第一开关状态。在此，所述至少一个开关单元被构造和布置为使得如果其被开关为第一开关状态，则在电池系统的正常运行期间存在的运行电流能够继续不受干扰地流经电池、电池的高压接线端子并且流经所述至少两个所连接的负载或者流经所述至少两个负载中的被接通的负载。另外，所述至少一个开关单元被构造和布置为使得如果在所述至少两个负载之一中出现导致触发分配给该负载的保险装置的短路，则开关单元开关到第二开关状态中，并且断开流经电池、电池的高压接线端子和所分配的保险装置未被触发的每个负载的故障电流，和/或关断每个由电池通过电池的高压接线端子和未被触发的保险装置施加到高压电网上的故障电压。
在根据本发明的电池系统中，电池可以优选通过至少一个接触器与该电池的高压接线端子连接，所述接触器在其导通的开关状态下被流经电池和电池的高压接线端子的电流所流经并且在其不导通的开关状态下中断所述流经电池和电池的高压接线端子的电流。如果由于在所述至少两个负载之一中出现的短路，所述至少一个接触器被焊接在一起并且不再能够断开，则前述故障电流可以流经电池、电池的高压接线端子和所分配的保险装置未被触发的每个负载。如果例如所分配的保险装置未被触发的至少一个负载被关断或者由于事故而被损坏，则没有故障电流流经该负载。但是由电池通过电池的高压接线端子和被分配给关断或损坏的负载的每个未被触发的保险装置将故障电压施加到高压电网上。因此，保险装置未被触发的每个负载都不再能够被开关为无电压的，并且在接触在每个并非被开关为无电压的负载上露出的部分时存在发生电击的危险。借助于所述至少一个被开关为第二开关状态的开关单元，前述故障电流被中断和/或每个施加在高压电网上的故障电压被关断。通过中断故障电流和/或关断每个施加在高压电网上的故障电压，保险装置未被触发的每个负载也被开关为无电压的。
所述至少一个开关单元被设置为通过断开经过电池、电池的高压接线端子和保险装置未被触发的每个负载延伸的电流回路，直接中断流经电池、电池的高压接线端子和所分配的保险装置未被触发的每个负载的故障电流，和/或直接关断每个由电池通过电池的高压接线端子和未被触发的保险装置施加到高压电网上的故障电压。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，根据本发明的电池系统具有被构造成烟火断路元件的单个开关单元、以及控制电路。在此，烟火断路元件在至少两个负载连接到电池的高压接线端子上的状态下被开关为其导通开关状态，在所述导通开关状态下，断路元件在存在流经电池和电池的高压接线端子的运行电流的情况下被该运行电流流经。另外，断路元件被设置为在存在由控制电路提供的控制信号或由其提供的控制电压的情况下从其导通开关状态开关到其不导通的开关状态。此外，控制电路被设置为确定在所述至少两个保险装置中的每个上下降的电压并且在存在所确定的电压与在触发相应保险装置时出现的触发电压相等的情况下生成控制信号并且提供给断路元件、或者在存在在所述至少两个保险装置之一上下降的触发电压的情况下向断路元件提供触发电压的相应部分作为控制电压。
在本发明的该实施方式中，每个烧断的保险装置（熔断保险装置）之上的电压降借助于控制电路以非常简单的方式被用作烟火断路元件的触发手段。
控制电压优选地对应于在所述至少两个保险装置中的每个之上下降的触发电压。在此，控制电路被设置为在存在在所述至少两个保险装置之一上下降的触发电压的情况下向断路元件直接提供该触发电压作为控制电压。
更优选地将控制电路构造成专用集成电路或者可编程集成电路或者微控制器或者半导体电路，所述半导体电路优选地包括晶体管或施密特触发器。
在本发明的另一实施方式中，两个并联的负载可以连接到电池的高压接线端子上，并且根据本发明的电池系统具有两个开关单元，所述开关单元分别被构造成烟火断路元件。在此，将两个断路元件中的各一个断路元件分配给所述两个负载中的一个负载。另外，每个断路元件在两个负载连接到电池的高压接线端子上的状态下被开关为其导通开关状态，在所述导通开关状态下，相应断路元件在存在流经所述两个负载中的所分配的负载的运行电流的情况下被该运行电流所流经。每个断路元件还被设置为在存在分配给未分配给其的负载的保险装置上下降的并且在触发该保险装置时出现的触发电压的情况下被开关到其不导通开关状态。
在本发明的一个非常有利的实施方式中，每个断路元件具有两个激励导线，所述激励导线的接线端子与分配给未分配给该断路元件的负载的保险装置的接线端子连接。在此，每个断路元件都被构造为在存在施加在其激励导线的接线端子之间的电压与分配给未分配给该断路元件的负载的保险装置的触发电压相等的情况下从其导通开关状态切换到其不导通开关状态。
在本发明的该实施方式中，每个烟火断路元件都被动地被激活，其方式是，烧断的保险装置之上的电压降以非常简单的方式直接通过激励导线被提供给相应断路元件。
在每个烟火断路元件的两个激励导线之一中优选地布置有电阻和/或另外的保险装置。由此，流经相应激励导线的大电流可以以非常简单方式通过电阻来限制或者通过所述另外的保险装置（熔断保险装置）来中断。
所述至少一个开关单元优选地被设置为通过触发每个未被触发的保险装置来中断流经电池、电池的高压接线端子和所分配的保险装置未被触发的每个负载的故障电流、和/或关断每个由电池通过电池的高压接线端子和未被触发的保险装置施加到高压电网上的故障电压。
在本发明的一个非常优选的实施方式中，所述至少一个开关单元被构造成至少一个闭合元件、尤其是至少一个烟火闭合元件或者至少一个接触器。另外，所述至少一个闭合元件在所述至少两个负载连接到电池的高压接线端子的状态下被开关为其不导通开关状态，在所述不导通开关状态下，没有电流流经所述至少一个闭合元件。此外，所述至少一个闭合元件被设置为在所述至少两个保险装置之一触发的情况下开关到其导通开关状态中，在所述导通开关状态下，为了触发每个未被触发的保险装置，由电池生成的故障电流流经电池的高压接线端子并且流经经过所分配的保险装置已经被触发的负载、所述至少一个闭合元件和每个未被触发的保险装置延伸的电流路径。
该故障电流例如在如下情况下出现：电池优选通过接触器与该电池的高压接线端子至少之一连接，该接触器由于所述短路被焊接在一起并且不再能够断开。
在存在由于在所述至少两个负载之一中出现的短路而触发的保险装置的情况下，借助于所述至少一个被开关为第二开关状态的开关单元将这样的故障电流从经过保险装置未被触发的每个负载延伸的电流路径改道到经过保险装置已经被触发的负载并且经过每个未被触发的保险装置延伸的电路通路。在此，通过如下方式将这样的故障电流改道：借助于所述至少一个被开关为第二开关状态的开关单元，通过保险装置已经被触发的负载将保险装置还未被触发的负载短路。如果例如所分配的保险装置还未被触发的至少一个负载被关断或者由于事故而被损坏，则所述至少一个负载也借助于所述至少一个被开关为第二开关状态的开关单元通过受到短路影响的负载而被短路。在这种情况下，故障电流于是从经过保险装置还未被触发的每个能够运行的被接通的负载延伸的电流路径被改道到经过保险装置已经被触发的负载并且经过每个未被触发的保险装置延伸的电流路径。在任何情况下，在存在由于在所述至少两个负载之一中出现的短路而被触发的保险装置的情况下，由电池生成的故障电流流经电池的高压接线端子并且流经经过保险装置已经被触发的负载、所述至少一个被开关为第二开关状态的开关单元和每个未被触发的保险装置延伸的电流路径。
由于在所述至少两个负载之一中出现的短路，该受到短路影响的负载的电阻显著降低。通过另一未受到短路影响的负载分别通过受到短路影响的负载被短路，故障电流流经受影响的负载和未被触发的保险装置，所述故障电流具有由于受影响的负载的显著减小的电阻而也显著提高的电流值，所述电流值在一定时间以后导致触发每个未被触发的保险装置。因此，在这种情况下，故障电流也被中断和/或每个由电池通过电池的高压接线端子和未被触发的保险装置施加到高压电网上的故障电压、尤其是每个由电池通过电池的高压接线端子和被分配给关断或损坏的负载的未被触发的保险装置施加到高压电网上的故障电压也被关断，并且由此保险装置由于所述短路还未被触发的每个负载也被开关为无电压的。
所述至少一个闭合元件优选地被设置为在存在至少一个由布置在电池系统中的电池控制设备所提供的控制信号的情况下从其不导通开关状态开关到其导通开关状态。另外，电池控制设备被设置为优选地借助分析在所述至少两个保险装置上分别下降的电压来检测被触发的保险装置的存在并且在存在被触发的保险装置的情况下生成所述至少一个控制信号并且提供给所述至少一个闭合元件。
根据本发明的方法优选单独或相组合地包括根据本发明的电池系统的功能特征。
本发明的另一方面涉及一种具有根据本发明的电池系统的车辆。
本发明的重要优点是，在根据本发明的电池系统——其包括电池，所述电池可以通过接触器与该电池的高压接线端子至少之一连接并且在其高压接线端子处可以连接高压电网的多个并联的负载，所述负载分别通过所分配的保险装置被保护——中，在存在导致出现所述至少一个接触器的接触器粘接的短路的情况下，可以以非常简单的方式通过使用所述至少一个根据本发明的开关单元将经过电池和其高压接线端子延伸的主电流回路同高压电网断开。由此，提高了根据本发明的电池系统（电池组）的安全性并且保证了其完全的功能。
因此，具有根据本发明的电池系统的事故车辆可以由救援人员无危险地触摸。
附图说明
接下来参考附图详细描述本发明的实施例。为相同部件也使用相同的附图标记。在附图中：
图1示出了从现有技术中公知的处于闭合状态的接触器；
图2示出了图1中所示的处于断开状态的接触器；
图3示出了图1中所示的在存在悬浮情况下的接触器；
图4示出了从现有技术中公知的电池系统，其具有被构造用于给高压电网供电的电池，其中该电池可以通过在图1至3中所示的接触器与电池的高压接线端子至少之一连接；
图5示出了根据本发明的第一实施方式的电池系统，其中该电池系统包括根据本发明的开关单元，该开关单元被构造成烟火断路元件；
图6示出了根据本发明的第二实施方式的电池系统，其中该电池系统包括两个根据本发明的开关单元，所述开关单元分别被构造成烟火断路元件；
图7示出了根据本发明的第三实施方式的电池系统，其中该电池系统包括根据本发明的闭合元件；
图8示出了根据本发明的第三实施方式的电池系统的等效电路图；
图9示出了根据本发明的第三实施方式的电池系统的闭合元件，所述闭合元件被构造成烟火闭合元件，其以如下状态被示出：在该状态下，烟火闭合元件的烟火装料借助于点火信号被点燃；
图10示出了图9中所示的烟火闭合元件，该闭合元件以紧接在点燃烟火装料以后存在的状态示出；以及
图11示出了图10中所示的烟火闭合元件，该闭合元件以在点燃烟火装料以后更久存在的状态示出。
具体实施方式
图5示出了根据本发明的第一实施方式的电池系统100。电池系统100包括电池101，所述电池101给高压电网103的在电池101的高压接线端子130、131处并联的两个负载140、141供电。电池101包括多个串联的电池模块102以用于生成适用于高压电网103的电池电压。在电池101的两个高压导线120、121的每个中都布置有接触器10。电池101可以通过两个接触器10之一与电池的正高压接线端子130并且通过两个接触器10中的另一个与其负高压接线端子131连接。
正高压接线端子130与里面布置有负载140的负载路径150连接，并且与里面布置有负载141的负载路径151连接。在每个负载路径150、151中分别布置有分配给相应负载140、141的保险装置110、111。两个保险装置110、111与高压接线端子130直接连接。
负载路径150、151之一中的短路触发布置在该负载路径150、151中的保险装置110、111。为了将另一负载140、141和车辆的高压电网103开关为无电压的，两个接触器10然后都断开。
在这样的根据本发明的电池系统中，可能出现例如高于12000A的短路电流。但是在存在这样的高短路电流的情况下，也一直存在的危险是，在接触器10中出现悬浮并因此还出现接触器粘接。这样的高短路电流例如可以在如下情况下出现：在负载140的负载路径150中出现造成熔断保险装置110烧断的低欧姆短路。两个接触器10在这种情况下被粘接在一起。另一负载141以及因此该负载141的接线端子处的高压电网103将由于所分配的负载路径151的处于完好功能状态的熔断保险装置111而继续承受电压。为了尽管如此在这样的情况下仍然能够将电池101同其高压接线端子130、131断开，在根据本发明的第一实施方式的根据本发明的电池系统100中使用烟火断路元件155，该烟火断路元件155布置在电池101的通过电池101、接触器10和高压接线端子130、131延伸的主电流回路（主电流路径）104中。
在根据本发明的第一实施方式的电池系统100中，被烧断的保险装置（熔断保险装置）110、111上的电压降被用作烟火断路元件（烟火断路设备）155的触发手段。因此，实现了对烟火断路元件155的智能和快速的激励。在此，两个保险装置（熔断保险装置）110、111之上的电压降U1、U2分别通过分别连接在相应保险装置110、111之前和之后的两个导线162、163、164、165转交给布置在电池系统100中的控制电路（控制电子设备）160，该控制电路160例如被构造成控制设备。在此，烟火断路元件155可以由控制电路160例如通过控制导线161来激励。
如果现在保险装置110、111之一烧断，则在此刻在所述保险装置110、111处产生高电压降。该电压降又以电或电子方式在控制电路160中触发烟火断路元件155的点燃。在烟火断路元件155将电池101的主电流回路104断开以后，电池100同例如为车辆的高压电网的高压电网103断开。在这种情况下，这样的车辆于是将是无电压的。
在此，控制电路160对保险装置110、111之上的电压降U1、U2的改变做出反应。如果例如在负载140中出现短路，则负载140的负载路径150中的短路电流在确定的时间以后通过触发保险装置110被断开。在短路电流被断开的时刻，在保险装置110处在继续存在该外部短路的情况下得出电压降U1，该电压降U1大约对应于电池电压（电池组电压）。在此，所述通过电池101、高压接线端子130、131和负载140、141延伸的电流回路中的另外的过渡电阻之上的电压降是可忽略的。
所述在保险装置110处得出的、在短路之前为0V并且在相应保险装置110烧断以后跳变到几乎位于电池电压水平的触发电压上的电压降U1优选地直接触发烟火断路元件155。
替代地，控制电路160被构造成与硬件相关联的电路。在此，控制电路160包括ASIC组件（未单独示出）或者FPGA组件（未单独示出），其直接读入保险装置110、111之上的电压降U1、U2并且在保险装置110、111之一烧断时生成用于触发烟火断路元件155的控制信号（触发脉冲或点火信号）。使用这样的与硬件相关联的电路的优点在于与常规微控制器的反应时间相比该组件的极快反应时间、以及在于与前述直接使用电压降U1、U2相比提高的可靠性。
控制电路160优选地可以包括微控制器（未单独示出），该微控制器读入并分析电压降U1、U2，并且在保险装置110、111之一烧断时生成用于触发烟火断路元件155的控制信号（触发脉冲或点火信号）。
控制电路160可选地由纯半导体电路构成。该半导体电路包括分压器（未单独示出），该分压器对在保险装置110、111上下降的电压U1、U2进行分压。优选地在该分压器上连接晶体管（未单独示出），该晶体管例如被构造成场效应晶体管或双极晶体管。该晶体管从一定阈值电压起将控制电压（供电电压）接通到烟火断路元件155的触发装置。为了生成工整的边沿，更优选地可以替代于单个晶体管使用诸如施密特触发器之类的元件。
图6示出了根据本发明的第二实施方式的电池系统100。与根据本发明的第一实施方式的在图5中所示的电池系统不同，根据本发明的第二实施方式的电池系统100替代于单个烟火断路元件155和控制电路160包括两个单独的烟火断路元件170、180。在此，每个负载140、141也可以被构造成逆变器。
每个烟火断路元件（烟火开关）170、180布置在分别所分配的负载路径150、151中。在此，每个烟火断路元件170、180都具有四个接线端子。四个接线端子中的两个被构造成每个烟火断路元件170、180的主接线端子（主接触部），并且每个烟火断路元件170、180的四个接线端子中的其它两个被构造成激励接线端子（从接触部）。每个烟火断路元件170、180的两个主接线端子分别集成在所分配的负载路径150、151中。如果在每个烟火断路元件170、180的两个激励接线端子处施加预定电压或预定电流，则布置在相应断路元件170、180中的启动器（未单独示出）负责相应断路元件170、180的腔室中的压力形成，该压力形成导致在受影响的断路元件170、180的主接线端子之间延伸的并且位于相应断路元件170、180内的电流路径（未单独示出）的机械断开。利用位于每个断路元件170、180内的内部电流路径的机械断开，也将位于相应烟火断路元件170、180中的负载路径150、151断开。
在本发明的第二实施方式中，每个烟火断路元件170、180被动地被激活。这意味着，两个与位于负载路径150中的烟火断路元件170的激励接线端子连接的激励导线171、172布置在位于负载路径151中的保险装置111的两侧，并且两个与位于负载路径151中的烟火断路元件180的激励接线端子连接的激励导线181、182布置在位于负载路径150中的保险装置110的两侧。
如果例如在例如被构造成逆变器的负载140中出现造成接触器10例如由于在相应接触器10中出现的接触器粘接而未断开或未及时地断开并同时触发保险装置110的短路，则电压U1在保险装置110之上下降，该电压U1处于整个电池电压（电池组电压）的数量级。该被触发的保险装置110上的电压降U1导致位于未受短路影响的负载141的负载路径151中的烟火断路元件180的激励导线181、182中的电流流动。该电流流动也导致激活相应烟火断路元件180，该烟火断路元件180在其激活状态下中断负载141的负载路径151。因此，负载141被开关为无电压的（没有电压的）。
如果例如在例如也被构造成逆变器的负载141中出现造成接触器10例如由于在相应接触器10中出现的接触器粘接而未断开或未及时地断开并同时触发另一保险装置111的短路，则电压U2在该保险装置111之上下降，该电压U2也处于整个电池电压（电池组电压）的数量级。该被触发的保险装置111上的电压降U2导致位于在这种情况下未受短路影响的负载141的负载路径150中的烟火断路元件170的激励导线171、172中的电流流动。该电流流动导致激活相应烟火断路元件170，该烟火断路元件170在其激活状态下中断负载140的负载路径150。因此，负载140被开关为无电压的（没有电压的）。
在根据本发明的第二实施方式的电池系统100中，被烧断的保险装置110、111上的电压降U1、U2分别被用于点燃两个烟火断路元件170、180中的相应烟火断路元件。如果保险装置110烧断，则所述烧断的保险装置110通过烟火断路元件180的激励导线181、182被短路。如果另一保险装置111烧断，则该另一烧断的保险装置111通过烟火断路元件170的激励导线171、172被短路。
优选地，为了限制在保险装置111烧断时流经激励导线171、172的电流，在激励导线171、172中分别安装欧姆电阻（未单独示出）或者替代地安装保险装置（未单独示出）。在激励导线171、172中使用欧姆电阻或保险装置（熔断保险装置）导致激励导线171、172分别不被加过强的热负荷。由此，同样防止：在点燃烟火断路元件170以后，即使位于负载141的负载路径151中的保险装置111烧断并且已经断开该负载路径151，危险的电压仍然通过激励导线171、172转交给负载141并且这样也转交给例如是车辆的高压电网103的高压电网103。
更优选地，为了限制在保险装置110烧断时流经激励导线181、182的电流，在激励导线181、182中分别安装欧姆电阻（未单独示出）或者替代地安装保险装置（未单独示出）。在激励导线181、182中使用欧姆电阻或保险装置（熔断保险装置）导致激励导线181、182也分别不被加过强的热负荷。由此，同样防止：在点燃烟火断路元件180以后，即使位于负载140的负载路径150中的保险装置110烧断并且已经断开该负载路径150，危险的电压也仍然通过激励导线181、182转交给负载140并且这样也转交给例如是车辆的高压电网103的高压电网103。
这样的烟火断路元件已经在较长时间以来批量地用在车辆的低压电网（12V电网）中，其中这样的烟火断路元件的激励导线通过气囊控制设备被激活。在此缺点是，这样使用的烟火断路元件在高电压下仅能断开低电流。
图7示出了根据本发明的第三实施方式的电池系统100。与根据本发明的第一实施方式的在图5中所示的电池系统不同，根据本发明的第三实施方式的电池系统100替代于单个烟火断路元件155和控制电路160包括单个闭合元件190，该闭合元件190在其未激活状态下断开并且不能传导电流，并且在其激活状态下分别闭合并且可以传导电流。
在图7中，闭合元件190以其未激活状态、即以其断开状态示出。在此，闭合元件190在其两个接线端子之一处与布置在负载路径150中的保险装置110的、直接同布置在负载路径150中的负载140连接的接线端子连接，并且在其两个接线端子中的另一个接线端子处与布置在另一负载路径151中的保险装置111的、直接同布置在负载路径151中另一负载141连接的接线端子连接。在此，每个负载140、141也可以被构造成逆变器。
如果根据本发明的第三实施方式的根据本发明的电池系统100被用于给车辆（未示出）的高压电网103供电，则闭合元件190与两个负载路径150、151的保险装置110、111相对优选地被布置在车辆侧。该闭合元件190在正常情况下断开。优选地在负载140中出现导致分配给该负载140的保险装置110被触发的短路时，闭合元件190被激活。如果接触器10由于该短路而被焊接在一起，则电流一直流经被激活的闭合元件190、受短路影响的负载140、以及被分配给未受短路影响的负载141的保险装置111，直到保险装置111触发。因此，未受短路影响的负载141或未受短路影响的负载141的电流回路可以被开关为无电压的。
更优选地，闭合元件190在另一负载141中出现分配给该另一负载141的保险装置111被触发的短路时也被激活。如果接触器10由于该短路而被焊接在一起，则电流一直流经被激活的闭合元件190、该另一受短路影响的负载141、以及被分配给未受短路影响的负载140的保险装置110，直到保险装置110触发。因此，未受短路影响的负载140或未受短路影响的负载140的电流回路可以被开关为无电压的。总之可以排除例如在触摸未受短路影响、施加有危险高电压的负载140、141的露出部件（部分）时、或由于通过未受短路影响的负载140、141的电流回路使电池过载而出现的全部危险。最危险的情形可能在如下情况下出现：电池100通过未受短路影响的负载140、141的电流回路被过载，并且电池101的电池单元转变为非常危险的放热反应。同样可能发生的是，未受短路影响的负载140、141的部件由于事故被损坏并且露出。于是，对这样的部件的触摸可能导致电击。
当在负载140、141之一中出现导致出现通常大于3kA至7kA的高短路电流的短路时，接触器10可能焊接在一起。如果情况如此，则相应保险装置110、111紧接于此在几毫秒内触发。在图7中，在保险装置110之上下降的电压用U1来表征，并且在保险装置111之上下降的电压用U2来表征。
优选地，通过电池系统100的电池控制设备（未单独示出）来探测被触发的保险装置110、111和/或至少一个粘接的接触器10的存在。更优选地，通过电池控制设备在存在被触发的保险装置110、111和/或至少一个粘接的接触器10的情况下激活根据本发明的闭合元件（闭合单元）190。
闭合元件原则上可以被设计成正常开关。通过市售开关不能接入直至10kA的这样的短路电流，特殊构造形式适用于根据本发明的闭合元件（闭合单元）190。根据本发明的闭合元件优选地可以被构造成接触器，该接触器在未激活状态（通常为断开）下断开，并且通过施加控制电压被开关到其激活状态中，在该状态下接触器被闭合。根据本发明的闭合元件190优选地可以被构造成常规烟火闭合元件（烟火闭合设备），其中通过烟火装料加速销钉并且这样加速的销钉将两个汇流排短路。
在图8中示出了根据本发明的第三实施方式的根据本发明的电池系统100的等效电路图。在图8中通过多个箭头示出了如下电流流动：该电流流动在负载140中出现导致被分配给该负载140的保险装置110被触发并且电池系统100的接触器10被焊接在一起的短路时在闭合元件190被激活以后在电池系统100中存在。在这种情况下，电流一直流经电池101、电池101的高压接线端子130、131、被激活的闭合元件190、受短路影响的负载140以及被分配给未受短路影响的负载141的保险装置111，直到保险装置111触发。
在图9至11中示出了根据本发明的闭合元件190，其被构造成烟火闭合元件（PCD）191。
在图9中，烟火闭合元件191以以下状态来示出，在该状态中烟火闭合元件191的烟火装料210借助于点火信号200被点燃。在图8中也示出了烟火闭合元件191的汇流排230、231，所述汇流排230、231还未被烟火闭合元件191的销钉220短路。
在图10中，烟火闭合元件191以紧接在点燃烟火装料210以后存在的状态来示出，在该状态下，销钉220通过烟火装料210被加速并且在该状态下，汇流排230、231还未被烟火闭合元件191的销钉220短路。
在图11中，烟火闭合元件191以在点燃烟火装料210更久以后存在的状态来示出，在该状态下，通过烟火装料210被加速的销钉220已经使汇流排230、231短路。
除了前述文字公开以外，特此为了进一步公开本发明补充地参考图5至11中的图示。
Claims (18)
1.一种电池系统（100），其具有被构造用于给高压电网(103)的至少两个彼此并联的负载（140，141）供电的电池（101），所述电池（101）在其高压接线端子（130，131）之一处与至少两个保险装置（110，111）连接，其中所述至少两个保险装置（110，111）之一分别被分配给所述至少两个负载（140，141）之一并且与所分配的负载（140，141）连接，其特征在于至少一个具有两个开关状态的开关单元（155，170，180，190），所述开关单元（155，170，180，190）在所述至少两个负载（140，141）连接到电池（101）的高压接线端子（130，131）上的状态下被切换为所述两个开关状态中的第一开关状态，在所述第一开关状态下，每个保险装置（110，111）在存在流经所分配的负载（140，141）的运行电流的情况下被所述运行电流流经，并且所述至少一个开关单元（155，170，180，190）被设置为在所述至少两个保险装置（110，111）之一触发时从第一开关状态切换到所述两个开关状态中的第二开关状态，在所述第二开关状态下，所述至少一个开关单元（155，170，180，190）中断流经电池（101）、电池（101）的高压接线端子（130，131）和所分配的保险装置（110，111）还未被触发的每个负载（140，141）的故障电流，和/或关断每个由电池（101）通过电池（101）的高压接线端子（130，131）和未被触发的保险装置（110，111）施加到高压电网（103）上的故障电压。
2.根据权利要求1所述的电池系统（100），其中所述至少一个开关单元（155，170，180）被设置为通过断开延伸经过电池（101）、电池（101）的高压接线端子（130，131）和所分配的保险装置（110，111）未被触发的每个负载（140，141）的电流回路来直接中断故障电流和/或直接关断故障电压，或者所述至少一个开关单元（190）被设置为通过触发每个未被触发的保险装置（110，111）来中断故障电流和/或关断故障电压。
3.根据权利要求1或2所述的电池系统（100），具有被构造成烟火断路元件（155）的单个开关单元、以及控制电路（160），其中所述烟火断路元件（155）在所述至少两个负载（140，141）连接到电池（101）的高压接线端子（130，131）上的状态下被切换为其导通开关状态，在所述导通开关状态下，断路元件（155）在存在流经电池（101）和高压接线端子（130，131）的运行电流的情况下被所述运行电流流经并且被设置为在存在由控制电路（160）提供的控制信号或者由控制电路（160）提供的控制电压的情况下从其导通开关状态切换到其不导通开关状态，并且其中控制电路（160）被设置用于确定在所述至少两个保险装置（110，111）中的每个上下降的电压（U1，U2）并且在存在与在触发相应保险装置（110，111）时出现的触发电压相等的所确定的电压（U1，U2）的情况下生成控制信号并且提供给断路元件（155）、或者在存在在所述至少两个保险装置（110，111）之一上下降的触发电压的情况下向断路元件（155）提供触发电压的相应部分作为控制电压。
4.根据权利要求3所述的电池系统（100），其中控制电压对应于在所述至少两个保险装置（110，111）中的每个上下降的触发电压，并且控制电路（160）被设置为在存在在所述至少两个保险装置（110，111）之一上下降的触发电压的情况下向断路元件（155）直接提供所述触发电压作为控制电压。
5.根据权利要求3所述的电池系统（100），其中控制电路（160）被构造成专用集成电路或者可编程集成电路或者微控制器或者半导体电路，所述半导体电路包括晶体管或施密特触发器。
6.根据权利要求1或2所述的电池系统（100），其中两个并联的负载（140，141）能够连接到电池（101）的高压接线端子（130，131）上，并且电池系统（100）具有两个开关单元，所述开关单元分别被构造成烟火断路元件（170，180），其中所述两个断路元件（170，180）中的各一个断路元件被分配给所述两个负载（140，141）中的一个负载，并且其中每个断路元件（170，180）在两个负载（140，141）连接到电池（101）的高压接线端子(130,131)上的状态下被切换为其导通开关状态，在所述导通开关状态下，相应断路元件(170,180)在存在流经所述两个负载（140，141）中的所分配的负载的运行电流的情况下被所述运行电流流经并且被设置为在存在在分配给未分配给所述断路元件的负载(140,141)的保险装置(110,111)上下降的并且在触发该保险装置(110,111)时出现的触发电压的情况下被切换到其不导通开关状态。
7.根据权利要求6所述的电池系统（100），其中每个断路元件（170，180）具有两个激励导线（171，172，181，182），所述激励导线（171，172，181，182）的接线端子与分配给未分配给所述断路元件的负载（140，141）的保险装置（110，111）的接线端子连接，并且其中每个断路元件（170，180）被构造为在存在施加在其激励导线（171，172，181，182）的接线端子之间的、与分配给未分配给所述断路元件的负载（140，141）的保险装置（110，111）的触发电压相等的电压（U1，U2）的情况下从其导通开关状态切换到其不导通开关状态。
8.根据权利要求7所述的电池系统（100），其中在每个烟火断路元件(170,180)的两个激励导线（171，172，181，182）之一中布置有电阻和/或另外的保险装置。
9.根据权利要求1或2所述的电池系统（100），其中所述至少一个开关单元（190）被构造成至少一个闭合元件（190）或者至少一个接触器，其中所述至少一个闭合元件（190）在所述至少两个负载（140，141）连接到电池（101）的高压接线端子（130，131）上的状态下被切换为其不导通开关状态，在所述不导通开关状态下，没有电流流经所述至少一个闭合元件（190）并且所述至少一个闭合元件（190）被设置为在所述至少两个保险装置（110，111）之一触发的情况下切换到其导通开关状态，在所述导通开关状态下，为了触发每个未被触发的保险装置（110，111），由电池（101）生成的故障电流流经电池（101）的高压接线端子（130，131）并且流经延伸经过所分配的保险装置（110，111）已经被触发的负载（140，141）、所述至少一个闭合元件（190）和每个未被触发的保险装置（110，111）的电流路径。
10.根据权利要求9所述的电池系统（100），其中所述至少一个闭合元件（190）是至少一个烟火闭合元件（191）。
11.根据权利要求9所述的电池系统（100），其中所述至少一个闭合元件（190）被设置为在存在至少一个由布置在电池系统（100）中的电池控制设备所提供的控制信号的情况下从其不导通开关状态切换到其导通开关状态，并且电池控制设备被设置为借助分析在所述至少两个保险装置（110，111）上分别下降的电压（U1，U2）来检测被触发的保险装置（110，111）的存在并且在存在被触发的保险装置（110，111）的情况下生成所述至少一个控制信号并且提供给所述至少一个闭合元件（190）。
12.一种用于限制故障电流和/或用于限制故障电压的方法，所述故障电流流经被构造用于给高压电网（103）的至少两个彼此并联的负载（140，141）供电的电池（101）并且流经电池（101）的高压接线端子（130，131），所述故障电压由电池（101）通过电池（101）的高压接线端子（130，131）施加到高压电网（103）上，其中电池（101）在其高压接线端子（130，131）之一处与至少两个保险装置（110，111）连接，并且其中所述至少两个保险装置（110，111）之一分别被分配给所述至少两个负载（140，141）之一并且与所分配的负载（140，141）连接，其特征在于，使用至少一个具有两个开关状态的开关单元（155，170，180，190），其中所述至少一个开关单元（155，170，180，190）在所述至少两个负载（140，141）连接到电池（101）的高压接线端子（130，131）上的状态下被切换为所述两个开关状态中的第一开关状态，在所述第一开关状态下，每个保险装置（110，111）在存在流经所分配的负载（140，141）的运行电流的情况下被所述运行电流流经，并且其中所述至少一个开关单元（155，170，180，190）在所述至少两个保险装置（110，111）之一触发时从第一开关状态切换到所述两个开关状态中的第二开关状态，在所述第二开关状态下，所述至少一个开关单元（155，170，180，190）中断流经电池（101）、电池（101）的高压接线端子（130，131）和所分配的保险装置（110，111）还未被触发的每个负载（140，141）的故障电流，和/或关断每个由电池（101）通过电池（101）的高压接线端子（130，131）和未被触发的保险装置（110，111）施加到高压电网（103）上的故障电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中借助于所述至少一个开关单元（155，170，180）通过断开延伸经过电池(101)、电池(101)的高压接线端子(130,131)和保险装置(110,111)未被触发的每个负载(140,141)的电流回路来直接中断故障电流和/或直接关断故障电压，或者借助于所述至少一个开关单元（190）通过触发每个未被触发的保险装置（110，111）来中断故障电流和/或关断故障电压。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中使用被构造成烟火断路元件（155）的单个开关单元、以及控制电路（160），其中所述烟火断路元件（155）在所述至少两个负载（140，141）连接到电池（101）的高压接线端子（130，131）上的状态下被切换为其导通开关状态，在所述导通开关状态下，断路元件（155）在存在流经电池单元（101）和电池（101）的高压接线端子（130，131）的运行电流的情况下被所述运行电流流经，并且在存在由控制电路（160）提供的控制信号或者控制电压的情况下从其导通开关状态切换到其不导通开关状态，并且其中借助于控制电路（160）来确定在所述至少两个保险装置（110，111）中的每个上下降的电压（U1，U2）并且在存在与在触发相应保险装置（110，111）时出现的触发电压相等的所确定的电压（U1，U2）的情况下生成控制信号并且提供给断路元件（155），或者其中借助于控制电路（160），在存在在所述至少两个保险装置（110，111）之一上下降的触发电压的情况下向断路元件（155）提供触发电压的相应部分作为控制电压。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中两个并联的负载（140，141）连接到电池（101）的高压接线端子（130，131）上，并且使用两个开关单元，所述开关单元分别被构造成烟火断路元件（170，180），其中所述两个断路元件（170，180）中的各一个断路元件被分配给所述两个负载（140，141）中的一个负载，并且其中每个断路元件（170，180）在两个负载（140，141）连接到电池（101）的高压接线端子(130,131)上的状态下被切换为其导通开关状态，在所述导通开关状态下，相应断路元件(170,180)在存在流经所分配的负载（140，141）的运行电流的情况下被所述运行电流流经并且在存在在分配给未分配给所述断路元件的负载(140,141)的保险装置(110,111)上下降的并且在触发该保险装置(110,111)时出现的触发电压的情况下被切换到其不导通开关状态。
16.根据权利要求12或13所述的方法，其中使用至少一个开关单元（190），其被构造为至少一个闭合元件（190），其中所述至少一个闭合元件（190）在所述至少两个负载（140，141）连接到电池（101）的高压接线端子（130，131）上的状态下被切换为其不导通开关状态，在所述不导通开关状态下，没有电流流经所述至少一个闭合元件（190）并且在所述至少两个保险装置（110，111）之一触发的情况下切换到其导通开关状态，在所述导通开关状态下，为了触发每个未被触发的保险装置（110，111），由电池（101）生成的故障电流流经电池（101）的高压接线端子（130，131）并且流经延伸经过所分配的保险装置（110，111）已经被触发的负载（140，141）、所述至少一个闭合元件（190）和每个未被触发的保险装置（110，111）的电流路径。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在存在至少一个由电池控制设备所提供的控制信号的情况下，所述至少一个闭合元件（190）从其不导通开关状态切换到其导通开关状态，并且其中借助于电池控制设备，借助分析在所述至少两个保险装置（110，111）上分别下降的电压（U1，U2）来检测被触发的保险装置（110，111）的存在并且在存在被触发的保险装置（110，111）的情况下生成所述至少一个控制信号并且提供给所述至少一个闭合元件（190）。
18.一种车辆，具有根据权利要求1至11之一所述的电池系统(100)。
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