CN105873788B - 具有可通过接触器与其高压端子中的至少一个相连的电池的电池系统和用于切换这种接触器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有被构造用于给高压电网供电的电池的电池系统，所述电池可通过接触器（10）与该电池的高压电网端子中的至少一个相连，所述接触器（10）包括控制线圈（20）并且在控制电流流经控制线圈的状态下闭合，而在没有电流流经控制线圈的另一状态下断开。在此，为了产生控制电流，控制线圈可通过供电电路（80）被连接到供电单元（50）上，借助于所述供电单元（50）可提供预先确定的电压，所述预先确定的电压小于由电池所产生的电压。此外，该接触器或者该供电电路还包括蓄能器（90），所述蓄能器（90）可借助于在控制线圈上连接的并且提供所述预先确定的电压的供电单元以预先确定的电能量来充电，而且所述蓄能器（90）可在去掉预先确定的电压的情况下在第一时间内通过放出所充电的能量而继续产生流经控制线圈的控制电流。

Description

具有可通过接触器与其高压端子中的至少一个相连的电池的 电池系统和用于切换这种接触器的方法

技术领域

本发明涉及一种具有被构造用于给高压电网供电的电池的电池系统，所述电池可通过接触器与该电池的高压电网端子中的至少一个相连。本发明也涉及一种用于切换针对被构造用于给高压电网供电的电池的接触器的方法，所述电池可通过该接触器与所述电池的高压电网端子中的一个相连。此外，本发明还涉及一种具有刚才所提到的电池系统的车辆。

背景技术

在车辆（PKW）中采用具有如下电池的电池系统，所述电池可以分别给高压电网供应高的电压（高电压）。因此，这种电池的电池单元或电池模块大多串联。接着，这种电池即使在高功率时也必须只提供小电流。在此，所述电池通过牵引线路与所述电池的高压端子、也就是说电池通过其将高电压放出给高压电网的端子相连。通常，在牵引线路中，不仅在电池的正高压端子上而且在电池的负高压端子上都采用接触器。借助于所述接触器，这种电池可以在停车时或者在有故障的功能状态（故障情况（Fehlerfahl））下与车辆的高压电网或与车辆的剩下的高压系统分开。

在图1至3中示出了这种接触器10。在此，相同的参考符号被用于相同的部件。

在图1中示出了闭合的接触器10，而在图2中示出了断开的接触器10。接触器10被构造为具有控制线圈20的电磁开关11。在此，该电磁开关11包括可移动的触桥30和两个接线端子（Terminal）40。接触器10在控制电流流经控制线圈20的状态下闭合，而在没有电流流经控制线圈20的另一状态下断开。

如果控制电流流经控制线圈20，那么触桥30借助于磁力朝接线端子40移动并且被压到所述接线端子40上。如果没有电流流经控制线圈20，那么所述触桥30紧接着回复到它们的相对于接线端子40被间隔开的位置。

为了产生控制电流，必须给控制线圈20供应电能。为此，接触器10例如可通过优选地是电池控制设备的控制设备60与供电单元（能源）50相连。

在此，供电单元50可以是车辆的提供为12V的电压的低压电网（车载电网）。如果控制线圈20通过控制设备60与供电单元50相连，那么控制电流流经控制线圈20并且接触器10闭合。如果在控制线圈20与能源50之间的连接被控制设备60中断，那么没有电流流经控制线圈20并且接触器10断开。

这种在电池的牵引线路中所采用的接触器10可以在有故障的功能状态下分开为大约1至2kA的电流。通常，对于较高的电流采用保险装置（熔断器）。

这样，如在图3中所示出的那样，对于超过3至10kA的电流发生由于在闭合的接触器10中出现的洛伦兹力70所造成的在接线端子40与触桥30之间的推斥。例如，在电池的牵引线路中存在短路时或在与电池电耦合的逆变器中存在短路时可能出现超过3至10kA的电流。该现象被称作悬浮（Levitation）。在此，尽管有在工作中的（aktive）、被控制电流流经的控制线圈20，但是在接线端子40与触桥30之间形成了小的间距。通过该空气隙形成电弧71，所述电弧71使接线端子40的接触表面熔化。如果短路电流此后被与相对应的高压端子相连的保险装置中断，那么触桥30将所述两个被熔化的接线端子40压紧。在此，所述材料凝固，而在切断流经控制线圈20的控制电流之后，触桥30可不再被断开。该故障被称作接触器粘附（Schuetzkleber）。接触器10的两个接线端子40彼此导通地相连并且不能被分开。

在理想地被确定尺寸的接触器10的情况下，接触器10必须可以承受短路电流而不遭受该效应的时间始终高于所关联的保险装置（熔断器）为了分开该短路电流而必需的时间。如果接触器10这样被确定尺寸，那么该接触器10由于所述效应而没有焊接，在通过被触发的保险装置分开短路电流之后仍是可切换的，而且可以将电池与车辆的高压电网分开。

这种接触器10的断开和闭合通常由其中采用接触器10的电池的电池控制设备来执行。在此，由车辆的低压电网所提供的为12V的低电压可通过电池控制设备被转交给接触器10。

如果所述为12V的低电压失效，那么接触器10立即被断开。即使在车辆的低压电网中有电压波动的情况下也存在接触器10意想不到地被断开的危险。

根据文献DE 199 47 105 C2，公知一种具有磁力驱动装置和以电路技术来实现的快速断路装置的开关接触器。在存在流经该开关接触器的短路电流时，该开关接触器可通过所述快速断路装置来持久地被断开，以便防止接触焊接。

发明内容

按照本发明，提供了一种具有被构造用于给高压电网供电的电池的电池系统，所述电池可通过接触器与所述电池的高压电网端子中的至少一个相连，所述接触器包括控制线圈并且在控制电流流经控制线圈的状态下闭合，而在没有电流流经控制线圈的另一状态下断开。在此，为了产生控制电流，控制线圈可通过供电电路被连接到供电单元上，借助于所述供电单元可提供预先确定的电压，所述预先确定的电压小于由电池所产生的电压。此外，该接触器或者该供电电路还包括蓄能器，所述蓄能器可借助于在控制线圈上连接的并且提供预先确定的电压的供电单元以预先确定的电能量来充电。在此，该蓄能器可以在去掉（Wegfall）预先确定的电压的情况下在第一时间内通过放出所充电的能量而继续产生流经控制线圈的控制电流。

此外，按照本发明，还提供了一种用于切换针对被构造用于给高压电网供电的电池的接触器的方法，所述电池可通过该接触器与所述电池的高压电网端子中的一个相连，其中该接触器包括控制线圈并且在控制电流流经控制线圈的状态下闭合，而在没有电流流经控制线圈的另一状态下断开。在此，为了产生控制电流，控制线圈通过供电电路被连接到供电单元上，借助于所述供电单元提供了预先确定的电压，所述预先确定的电压小于由电池所产生的电压。此外，被布置在供电电路中或者被布置在接触器中的蓄能器还借助于在控制线圈上连接的并且提供预先确定的电压的供电单元以预先确定的电能量来充电。在去掉预先确定的电压的情况下，借助于蓄能器在第一时间内通过放出所充电的能量来继续产生流经控制线圈的控制电流。

从属权利要求表明了本发明的优选的扩展方案。

在本发明中，即使在去掉也被称作供电电压的预先确定的电压的情况下也借助于至少一个按照本发明的蓄能器继续给被用于将电池与该电池的高压端子分开的接触器供应电能。该电池例如可通过该电池的高压端子被连接到车辆的高压电网上，并且给所述高压端子供应电能。在此，在去掉供电电压的情况下，借助于按照本发明的蓄能器在第一时间期间产生这样的控制电流，使得相对应的接触器在第一时间期间保持闭合并且没有意想不到地断开。这也意味着：即使在存在预先确定的电压的波动（扰动（Einbruch））的情况下也借助于按照本发明的蓄能器继续至少在第一时间内给接触器供应足够的电能，而且接触器在第一时间期间没有意想不到地断开。由此避免了所述接触器至少在第一时间期间由于可能出现的电弧而焊接并且可不重新断开。如果接触器在所述接触器传导电流的状态下意想不到地断开，那么从由所述接触器传导的电流的确定的强度起，与在存在悬浮时相似地可形成导致接触器的焊接的电弧。

在按照本发明的电池系统的优选的实施形式中，可通过接触器与电池相连的高压电网端子此外还与至少一个保险装置相连或者是可与至少一个保险装置相连的。在此，所述保险装置被构造为：传导流经闭合的接触器的电流的至少一部分，而且在存在流经该保险装置的具有超过了预先确定的界限的电流强度的电流的情况下在小于第一时间的第二时间之内触发。

在接触器由于供电电压波动或者供电电压失效而断开之前，如果接触器传导这样强的电流（诸如短路电流），使得在断开接触器时可出现这种导致接触器的焊接的电弧，那么由接触器所传导的电流被所触发的保险装置中断。这样避免了接触器由于出现的电弧而焊接并且可不再断开。

优选地，保险装置被触发的第二时间短于在传导了相对应地强烈的电流（诸如短路电流）的接触器中可出现悬浮的时间。

在按照本发明的电池系统的进一步优选的实施形式中，控制线圈可通过供电电路被连接到低压电网上，所述低压电网提供了预先确定的电压或供电电压。

优选地，该控制线圈被连接到车辆的提供了为12V的供电电压的低压电网上。

优选地，蓄能器包括电容器或者另一线圈或者蓄电池单元。优选地，所述电容器或者所述另一线圈或者所述蓄电池单元与供电单元和/或与控制线圈并联或者是可并联的。进一步优选地，所述另一线圈与供电单元和/或控制线圈串联或者是可串联的。

通过采用蓄能器、尤其是电容（诸如在每个接触器的控制线圈的端子之间的电容器），不仅在供电电压中的波动（扰动）而且供电电压的失效都可以被缓冲。由此在这些情况下可以继续使接触器保持闭合（zuhalten）。

在具有按照本发明的带有接触器（所述接触器的控制线圈借助于车辆的低压电网被供应电能）的电池系统的车辆中，通过本发明可以截住由低压电网提供的供电电压的例如可通过事故而出现的波动和失效，车辆的低压电网由于所述事故部分地或者甚至完全被损坏或者被切断。（车辆的这种低压电网提供为12V的电压。）通过如下方式阻止了接触器在过高的电负荷时断开并且借此阻止了接触器的粘合：接触器可靠地被保持闭合，直到电池系统的所述保险装置（熔断器）中的至少一个例如在车辆的高压电网中存在由事故引起的短路时被触发。

在按照本发明的电池系统的很有利的实施形式中，供电电路包括控制设备，所述控制设备被连接或者可连接在供电单元上，而且所述控制设备在其被连接在供电单元上的状态下继续提供由该供电单元所提供的电压。优选地，被布置在供电电路中的控制设备被构造为：为了切换接触器而将控制线圈连接到供电单元上并且与供电单元分开。进一步优选地，被布置在供电电路中的控制设备被构造为：调整、尤其是降低流经控制线圈的控制电流。

优选地，该控制设备是电池控制设备。

这种在按照本发明的电池系统中采用的接触器通过高的启动电压（Anzugsspannung）被闭合。优选地，由电池控制设备来执行接触器的断开和闭合。在此，可以通过电池控制设备来给接触器的控制线圈供应电能。优选地，车辆的低压电网的为12V的电压通过电池控制设备被转交给接触器。

优选地，在接触器闭合之后，通过经过脉宽调制的信号和/或通过被减少的保持电压和/或通过使用所谓的经济器线圈（Economiser-Spule）来降低流经接触器的控制线圈的控制电流。在闭合的状态下，接触器明显消耗了更少的功率。

本发明的另一方面涉及一种具有按照本发明的电池系统的车辆。

因为保证按照本发明的电池系统的整个功能性不再与低压电网（12V供电）的百分之百的功能性有关，所以本发明的一重要的优点是提高了这种按照本发明的电池系统（电池组）的安全性，所述按照本发明的电池系统被用于车辆中，而且所述按照本发明的电池系统的接触器借助于车辆的低压电网被供应电能。

附图说明

随后，本发明的实施例参考附上的附图详细地被描述。在附图中：

图1是从现有技术公知的在闭合的状态下的接触器，

图2是在断开的状态下的在图1中所示出的接触器，

图3是在存在悬浮时的在图1中所示出的接触器，

图4是按照本发明的根据本发明的第一实施形式的电池系统，其中所述电池系统包括被构造用于给高压电网供电的电池和至少一个用于附加地给存在于电池的牵引线路中的接触器供应电能的蓄能器，

图5是在来自图4的按照本发明的电池系统中所采用的具有所关联的蓄能器的接触器的详细的图示，

图6是在来自图4的按照本发明的电池系统中所采用的具有所关联的包括电容器的蓄能器的接触器的详细的图示，以及

图7是在来自图4的按照本发明的电池系统中所采用的具有所关联的包括另一线圈的蓄能器的接触器的详细的图示。

具体实施方式

在图4中示出了根据本发明的第一实施形式的电池系统100，所述电池系统100包括被构造用于给车辆的高压电网供电的电池101和至少一个用于给在电池101的牵引线路120、121中存在的接触器10供应电能的蓄能器（未示出）。电池101包括多个串联的用于产生适合于高压电网的电池电压的电池模块102。接触器10被布置在所述牵引线路120、121的每个中。电池101可通过所述两个接触器10中的一个与该电池101的正高压端子130相连，而通过所述两个接触器中的另一个与该电池101的负高压端子131相连。

两个并联的耗电器140、141被连接在电池101的高压端子130、131之间。在此，所述正高压端子130通过耗电器路径150与耗电器140相连，而通过耗电器路径151与耗电器141相连。电池系统（电池组）100的电池101在中间没有保险装置。每个耗电器路径150、151都通过电池系统100的所关联的保险装置110单个地得到保障。两个保险装置110都与高压端子130直接相连。

所述上面被提到的架构在如下电池系统中得到其应用：在所述电池系统中，整个电池电流对于在电池中间的单个的保险装置（熔断器）过大，也就是说在市场上没有可在电池101的使用寿命期间满足对电池电流的要求的保险装置。在所述耗电器路径150、151之一中的短路触发了在电池系统100中被关联给所述耗电器路径150、151之一的保险装置110。此后，为了无电压地切换其它的耗电器150、151和车辆的高压电网，所述两个接触器10断开。

在图5中，详细地示出了用于在按照本发明的根据本发明的第一实施形式的电池系统100中采用的接触器10。

接触器10被构造为具有控制线圈20的电磁开关11。该电磁开关11包括可移动的触桥30和两个接线端子40。接触器10在控制电流流经控制线圈20的状态下闭合，而在没有电流流经控制线圈20的另一状态下断开。如果控制电流流经控制线圈20，那么触桥30借助于磁力朝接线端子40移动并且被压到所述接线端子40上。如果没有电流流经控制线圈20，那么所述触桥30紧接着回复到它们的相对于接线端子40被间隔开的位置。在图5中示出了在其闭合的状态下的接触器10，在所述闭合的状态下，接触器10也可通过接线端子40与触桥30来传导高电流、尤其是可流经电池的牵引线路120、121的短路电流。

为了产生控制电流，控制线圈20可通过供电电路80与提供预先确定的电压的供电单元50相连，所述预先确定的电压小于由电池101所产生的电池电压。在此，供电单元50可以是车辆的提供了为12V的电压的低压电网（车载电网）。

在此，供电电路（操控线路（Ansteuerleitung））80包括控制设备61和用于将控制线圈20与控制设备61相连的电缆束（Kabelbaum）。控制设备61被构造为：为了闭合接触器10而将控制线圈20与供电单元50相连，而为了断开接触器10而将控制线圈20与供电单元50分开。优选地，控制设备61被构造为：为了切换接触器10而适当地调整流经控制线圈20的电流。进一步优选地，控制设备61是电池系统100的电池控制设备。

此外，供电电路70还包括蓄能器（能量稳定化单元）90，所述蓄能器90在来自图5的图示中被布置在控制设备61中。蓄能器90可以被安装在控制设备61的电路板上或者被安装在用于连接控制线圈20与控制设备61的电缆束中，也就是说被安装在处于控制设备61与接触器10之间的电缆束中。可替换地，蓄能器90可以被安装在接触器10中或者在接触器10上。在此，蓄能器90被设置为：借助于连接在控制线圈20上的并且提供预先确定的电压的供电单元50以预先确定的电能量来充电，而且在去掉所述预先确定的电压的情况下在第一时间内通过放出被充电的能量而继续产生流经控制线圈的控制电流。

这样，如在图6中所示出的那样，蓄能器90优选地包括至少一个电容器91（诸如电解电容器），所述至少一个电容器91与供电单元50和/或控制线圈20电并联或者是可电并联的。

如果接触器10的借助于供电单元50来实现的电压供给失效或者临时被中断，那么被存储在蓄能器90中或被存储在蓄能器90的电容器91中的电能导致：因为继续给接触器10的控制线圈20供应电能，所以该接触器10继续保持闭合。

这样，如在图7中所示出的那样，在电容器91的位置上，蓄能器90优选地包括另一具有合适的电感的线圈92，所述另一线圈92与供电单元50和/或控制线圈20串联或者是可串联的，而且所述另一线圈92在借助于供电单元50所提供的为例如12V的供电电压失效的情况下继续维持流经控制线圈20的控制电流的通过电流。可替换地，蓄能器90的另一线圈92可以与供电单元50和/或控制线圈（励磁线圈）20并联或者是可并联的。

进一步优选地，在电容器91的位置上，蓄能器90可以包括蓄电池单元（可再充电的单元），所述蓄电池单元与供电单元50和/或控制线圈20电并联或者是可电并联的。优选地，该蓄电池单元与供电单元50并行地（例如在控制设备61或电池系统100的电池控制设备的电路板上）被引入到接触器10的供电路径中。接着，在由供电单元50所提供的为例如12V的供电电压失效的情况下，该蓄电池单元继续维持控制线圈20的电压供应。

借助于按照本发明的电池系统100来运行的车辆可经受可导致电弧的形成和接触器10的焊接的事故测试（碰撞测试（Crashtest））。

在车辆的事故期间，车辆的低压电网通过车辆的设备被隔开。低压电网的相关的线路也可能由于事故而被扯断。但是，在有事故的情况下，车辆的高压电网还继续在运行中。在所述高压电网中，由于该事故而形成低欧姆的短路。如果该车辆借助于按照本发明的电池系统100运行，那么例如被构造为电容器92的蓄能器90在电池101的所述两个接触器10上导致了：尽管低压电网已经在通过被触发的保险装置110将高压电网分开之前崩溃，但是接触器10在通过至少一个被触发的保险装置（熔断器）110将高压电网分开之后才被断开。这导致：接触器10在通过所述熔断器110中的至少一个将高压电网分开之后、也就是说在不再有电流流过其的时间点按规定地断开。因此，接触器10没有粘合并且车辆的高压电网是无电压的，因为电池101已经与之分开。现在，救援人员可以在没有电击的危险的情况下营救可能受伤的乘客。

除了上述书面的公开内容之外，为了进一步公开本发明特此补充地参考图1至7中的图示。

Claims (13)

1.具有被构造用于给高压电网供电的电池（101）的电池系统（100），所述电池（101）能通过接触器（10）与所述电池（101）的高压电网端子（130、131）中的至少一个相连，所述接触器（10）包括控制线圈（20）并且在控制电流流经控制线圈（20）的状态下闭合，而在没有电流流经控制线圈（20）的另一状态下断开，而且为了产生控制电流，控制线圈（20）能通过供电电路（80）被连接到供电单元（50）上，借助于所述供电单元（50）能提供预先确定的电压，所述预先确定的电压小于由电池（101）所产生的电压，其特征在于，所述接触器（10）或者所述供电电路（80）包括蓄能器（90），所述蓄能器（90）能借助于在控制线圈（20）上连接的并且提供所述预先确定的电压的供电单元（50）以预先确定的电能量而被充电，而且所述蓄能器（90）被设置为，在去掉所述预先确定的电压的情况下在第一时间内通过放出所充电的能量而继续产生流经控制线圈（20）的控制电流，并且所述接触器（10）被设置为在第一时间之后断开。

2.根据权利要求1所述的电池系统（100），其中，所述接触器（10）此外还与至少一个保险装置（110）相连或者是能相连的，所述至少一个保险装置（110）被构造为：传导流经闭合的接触器（10）的电流的至少一部分并且在存在具有超过预先确定的界限的电流强度的流经所述保险装置（110）的电流的情况下在小于第一时间的第二时间之内触发。

3.根据权利要求1至2之一所述的电池系统（100），其中，所述控制线圈（20）能通过供电电路（80）被连接到提供所述预先确定的电压的低压电网上。

4.根据权利要求1至2之一所述的电池系统（100），其中，所述蓄能器（90）包括电容器（91）或者另一线圈（92）或者蓄电池单元，其中所述电容器（91）或者所述另一线圈（92）或者所述蓄电池单元与供电单元（50）和/或与控制线圈（20）并联或者是能并联的，或者所述另一线圈与供电单元（50）和/或控制线圈（20）串联或者是能串联的。

5.根据权利要求1至2之一所述的电池系统（100），其中，所述供电电路（80）包括控制设备（61），所述控制设备（61）被连接或者能被连接在供电单元（50）上，而且所述控制设备（61）在其被连接在供电单元上的状态下继续提供由所述供电单元（50）提供的电压，和/或所述控制设备（61）被构造为：为了切换接触器（10）而将控制线圈（20）连接到供电单元（50）上并且与所述供电单元（50）分开和/或调整流经控制线圈（20）的控制电流。

6.根据权利要求5所述的电池系统（100），其中所述调整指的是降低。

7.用于切换针对被构造用于给高压电网供电的电池（101）的接触器（10）的方法，所述电池（101）能通过接触器（10）与所述电池（101）的高压电网端子（130、131）中的一个相连，其中所述接触器（10）包括控制线圈（20）并且在控制电流流经控制线圈（20）的状态下闭合，而在没有电流流经控制线圈（20）的另一状态下断开，而且其中为了产生控制电流，控制线圈（20）通过供电电路（80）被连接到供电单元（50）上，借助于所述供电单元（50）来提供预先确定的电压，所述预先确定的电压小于由电池所产生的电压，其特征在于，被布置在供电电路（80）中或者被布置在接触器（10）中的蓄能器借助于在控制线圈（20）上连接的并且提供所述预先确定的电压的供电单元（50）以预先确定的电能量来充电，而且在去掉所述预先确定的电压的情况下，借助于所述蓄能器（90）在第一时间内通过放出所充电的能量来继续产生流经控制线圈（20）的控制电流并且所述接触器（10）在第一时间之后断开。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述接触器（10）此外还与至少一个用于传导至少一部分流经闭合的接触器（10）的电流的保险装置（110）相连或者被连接，其中所述保险装置（110）在存在具有超过预先确定的界限的电流强度的流经所述保险装置的电流的情况下在小于第一时间的第二时间之内被触发。

9.根据权利要求7至8之一所述的方法，其中，所述控制线圈（20）通过供电电路（80）与借助来提供所述预先确定的电压的低压电网连接。

10.根据权利要求7至8之一所述的方法，其中，所述蓄能器（90）包括电容器（91）、另一线圈（92）或者蓄电池单元，其中所述电容器（91）或者所述另一线圈（92）或者所述蓄电池单元与供电单元（50）和/或与控制线圈（20）并联或者被并联，或者所述另一线圈与供电单元（50）和/或控制线圈（20）串联或者被串联。

11.根据权利要求7至8之一所述的方法，其中，所述预先确定的电压借助于被布置在供电电路（80）中的并且被连接在供电单元（50）上的控制设备（61）被提供，和/或所述接触器（10）借助于被布置在供电电路（80）中的控制设备（61）被切换，其方式是所述控制线圈（20）借助于控制设备（61）被连接到供电单元（50）上或者与供电单元（50）分开和/或所述流经控制线圈（20）的控制电流借助于被布置在供电电路（80）中的控制设备（61）来被调整。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述调整指的是降低。

13.具有根据权利要求1至6之一所述的电池系统（100）的车辆。