CN106030951A - 电池组系统和用于运行这样的电池组系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运行用于给耗电器供应电功率的电池组系统（10）的方法，所述电池组系统具有至少一个布置在电池组和耗电器之间的电子开关单元（14、16），其中至少一个电子开关单元（14、16）具有主电流路径（22），所述主电流路径（22）尤其可以通过总开关（24）被断开，并且其中所述电子开关单元（14、16）具有与主电流路径（22）并联地布置的可断开的辅助电流路径（26），分流电阻（29）和必要时辅助开关（28）布置在所述辅助电流路径（26）中，所述方法具有方法步骤：a）给耗电器供应电功率，其中所述主电流路径（22）和辅助电流路径（26）是闭合的；b）探测安全关键的状态；c）将主电流路径（22）断开。上述方法基本上基于电开关单元（14、16）的定义的操控，由此可以实现在运行电池组系统10时显著提高的安全性和此外电池组系统10的特别成本低的运行。本发明此外涉及电池组系统10，所述电池组系统10被设计用于实施这样的方法。

Description

电池组系统和用于运行这样的电池组系统的方法

技术领域

本发明涉及电池组系统以及用于运行尤其在电驱动的车辆中的这样的电池组系统的方法。本发明尤其涉及用于运行电池组系统来减少或者防止在电子开关断开时的电弧的方法。

背景技术

在用于机动车辆的电池组系统中，各个电池组经常被串联，以便能够提供高的电压和因此在高的功率时小的电流。为了能够例如在静止状态时或者在故障状态时将电池组与剩余的高压系统或者尤其耗电器分离，通常在用于牵引线路的正和负电压端子处设置接触器。所述接触器可以在需要时并且根据精确的构型将直至大约1-2kA的电流分离。尤其当在高的电流强度情况下将接触器断开或者闭合时，可能在相应的触点之间形成电弧，所述触点拥有比接触器的最初的接触电阻更高的电阻，所述电弧可能将接触点熔化或者将相应的材料剥蚀，使得构件预老化。电弧越强烈，在此越多的材料可能被剥蚀并且在开关之内分布。由此，不仅在主触点、也即正极和负极之间、而且在主触点和线圈之间、也即在高电压范围（HV）和低电压范围（LV）之间可以降低绝缘电阻和耐压强度。

为了减少这样的效应已知的是，与总开关并联地设置具有预充电电阻和预充电开关的预充电电路。在此，总开关在接入过程中通过预充电电路桥接。通过于是在主电路中存在预充电电阻，可以限制流动的电流。例如在接通时，在结束预充电过程之后定义的时间间隔之后可以闭合主接触器，并且断开预充电接触器，以便因此能够实现期望的充电和放电过程。

发明内容

本发明的主题是用于运行用于给耗电器供应电功率的电池组系统的方法，所述电池组系统具有至少一个布置在电池组和耗电器之间的电子开关单元，其中至少一个电子开关单元具有主电流路径，所述主电流路径尤其可以通过总开关被断开，并且其中电子开关单元具有与主电流路径并联地布置的可断开的辅助电流路径，分流电阻和必要时辅助开关布置在所述辅助电流路径中，所述方法具有以下方法步骤：

a）给耗电器供应电功率，其中主电流路径和辅助电流路径是闭合的；

b）探测安全关键的状态；

c）将主电流路径断开。

通过上述方法以简单的方式变得可能的是，最小化或者最好情况地完全地防止在出现高电流时并且在此在断开开关时潜在地构成的电弧。

因此，上述方法尤其用于运行电池组系统，所述电池组系统例如可以是至少部分电驱动的车辆的组成部分。在此，电池组系统以自身已知的方式用于给耗电器、诸如电动机供应电功率。为此，电池组系统包括一个电池组，所述电池组具有至少一个电池组电池（诸如锂离子电池组的电池）、优选地具有多个例如串联的电池组电池；或者必要时包括多个电池组。在此，本发明以下利用电池组和耗电器被描述，然而其中以对于专业人员可理解的方式，本发明也可以包括设置多个耗电器以及尤其多个电池组。在此，电子开关单元布置在电池组和耗电器之间，所述电子开关单元可以将在电池组和耗电器之间的电线路中断。这样的开关单元例如是自身已知的接触器。

在此，电子开关单元可以具有能够通过总开关断开的主电流路径。在此，在本发明的意义上，电流路径的断开（Öffnen）可以意味着：电流可以流过所述电流路径，反之，电流路径的闭合（Schließen）可以意味着：所述电流路径不能引导电流。在此，通过断开开关、诸如对于主电流路径的情况断开总开关，能够实现电流路径的开放。相应地，电流路径的闭合可以意味着闭合开关、诸如对于主电流路径的情况闭合总开关用于能够实现电流流动。

除了主电流路径之外，开关单元包括辅助电流路径，所述辅助电流路径这样地布置，使得所述辅助电流路径与主电流路径并联地布置，并且因此可以桥接所述主电流路径。在此，辅助电流路径可以例如通过布置在该路径中的可选的辅助开关被断开。此外，分流电阻被布置到辅助电流路径中，必要时所述分流电阻同样尤其可以用于将辅助电流路径中断或者断开。这样的电阻尤其是除了路径本身的电阻之外布置的附加的所定义的电阻。因此，通过辅助电流路径的电流流动可以通过所述电阻来限制。对于电子开关单元是自身已知的接触器的情况，主电流路径可以被称作主接触器，反之，辅助电流路径可以作为具有预充电电阻和预充电接触器的预充电电路。

用于运行这样的电池组系统的上述方法按照方法步骤a）包括给耗电器供应电功率，其中主电流路径和辅助电流路径是闭合的。因此，所述方法步骤描述在例如给电动机供应电功率的情况下电池组的期望的放电以及因此电池组系统的期望的和正常的工作，在该方法步骤中，从现在开始规定，主电流路径和辅助电流路径是闭合的，例如其方式是：不仅总开关而且辅助开关闭合。换句话说，在期望的放电过程时，电流可以不仅流过主电流路径，而且流过辅助电流路径。这是与按照现有技术的方法的决定性的区别，因为在用于运行电池组系统的这样的已知的方法中，辅助电流路径（诸如预充电电路）通常在期望的工作时被断开，因此电流可以仅仅流过主电流路径而不流过辅助电流路径。

在上述方法中，虽然布置在辅助电流路径中的电阻的加热可以通过与主电流路径并行的电流进行，然而在总开关处的接触电阻是明显更低的。此外，例如可以通过电阻的适当的构型或者尺寸确定实现：电阻的加热保持在不成问题的界限中，并且因此不采用临界值。因此，通过根据所期望的参数并且参考所期望的应用的构型通过各个组件的所定义的构型能够实现在电流流过主电流路径和辅助电流路径时无问题的工作。

在上述方法中，在另一方法步骤b）中探测安全关键的状态。在此，这样的安全关键的状态尤其可以被理解为这样的状态：所述状态与电池组系统的正常工作不同，并且例如以及不受限制地随着提高的电流的流动而出现。因此，安全关键的状态例如可以被理解为出现了短路的故障情况，由此出现尤其通过开关单元的明显增大的电流流动。故障情况或者安全关键的状态例如包括定义的和预先确定的提高的电流的流动。这样的故障情况例如可以通过设置相应的传感器、诸如电流传感器是可探测的，所述传感器布置在例如与主电流路径连接的电池组和耗电器之间。因此，这样的传感器例如可以测量流过开关的主电流路径的电流。

在此，在超过定义的阈值的情况下，例如可以通过控制单元开始定义的对策，如这在下面详细地阐述的那样。

对于出现这样的安全关键的状态的情况，按照方法步骤c）断开主电流路径。

在断开主电流路径时、例如在断开总开关时并且因此在分离高的电流时，在总开关处通过电池组中的电感形成高的电压降（瞬变）。所述电压降导致：在开关中形成电弧，所述电弧原则上使接触表面老化，并且可能导致构件的热损伤。通过现在主电流路径断开然而辅助电流路径闭合，从现在开始电流还可以流过辅助电流路径。因此，辅助电流路径可以被使用用于消除瞬变（Transiente）并且传导电流的一部分。因此，分离（Trennen）例如被划分到总开关和辅助电流路径中的开关上。由此，在断开总开关的情况下，仅仅还形成弱的电弧，或者电弧的出现可以完全地被防止。从现在开始，电流仅仅流过辅助电流路径，并且通过电阻被限制，使得太高的电流的引导可以被限制。

因此，上述方法能够以简单的方式实现减少在总开关处的、在安全关键的状态情况下出现的电弧，并且因此将在开关处的损伤最小化。由此，这样的电池组系统的寿命可以被延长，并且故障频率相应地被减少。因此例如装备有这样的电池组系统的车辆也可以在故障情况之后原则上继续工作。

概括地说，基本上基于电开关单元的定义的操控的上述方法能够实现在运行本申请的电池组系统时显著提高的安全性并且此外能够实现电池组系统的特别成本低的运行。

在一种构型的范围内，可以使用具有可变的电阻值的分流电阻，其中在方法步骤a）之后电阻值逐渐地被增大。电阻值例如可以被设置在小于或等于30欧姆、尤其小于或等于15欧姆、例如小于或等于8欧姆的范围内。例如使用短暂低欧姆、比如在100毫欧姆（mOhm）的范围内并且在短时间之后才变得更高欧姆的电阻。为此，例如多个分电阻的并联电路可以被使用。在断开所述一个电流路径或多个电流路径时，于是首先总开关可以断开，并且然后辅助路径中的并联连接的分电阻可以按顺序地被操控或者被断开，使得流过辅助电流路径的电流可以逐渐更强烈地被限制。

分流电阻的这样的构型尤其可以以特别有效的和有利的方式实现：在运行电池组系统时并且由此尤其在通过总开关中断电路的时刻，可以将电流的足够大的分量通过辅助电流路径传导，并且仅将有限的电流通过主电流路径传导。因此，电流与辅助电流路径中的电阻和在刚好断开的主电流路径处的电弧的电阻的比例成反比例地划分。由此，可以以特别有利的方式在断开总开关时仅还有与在按照电流技术分离过电流的情况下相比相对更小的电流流过主电流路径，由此在断开总开关时，形成特别弱的电弧或者最好情况地不形成电弧。可以看作如上面描述的所构成的分流电阻的另一优点的是，例如车辆的中间电路电容、也即逆变器较快速地被充电，并且耗电器、例如车辆由此较速快地是随时可使用的。

在另一构型的范围内，在按照方法步骤a）给耗电器供应电功率时，流过主电流路径和流过辅助电流路径的电流的比例可以处于大于或等于10/1直至小于或等于10­⁵/1的比例。通过主电流路径的低电流尤其可以通过选择布置在辅助电流路径中的电阻可实现，其方式是，所述电阻这样地被构成，使得如上面所描述的划分的电流可以流动。尤其在所述构型中可以被实现的是，在电池组系统的正常运行时流过主电流路径的电流特别强烈地被限制。由此，在断开总开关时，可以特别显著地减少在开关的触点之间的电弧的出现。

在另一构型的范围内，所述方法可以包括另一步骤：尤其在方法步骤c）之后，d）将辅助电流路径断开。在该构型中，因此在出现安全关键的状态时，可以完全地阻止电流的流动，由此进一步的危害被避免或者至少显著地被减少。这例如可以通过将辅助开关断开或者也通过操控分流电阻可实现。因此在后者构型中，电流通过辅助电流路径的流动可以通过分流电阻的构型完全地被阻止，其方式是，例如分电阻具有这样高的电阻值，使得电流的流动被阻止。因此，在所述构型中，例如可以放弃设置辅助开关。这能够实现特别成本低的和简单地要控制的方法。

在另一构型的范围内，以定义的方式提高的电流的流动可以作为安全关键的状态被探测。在此，以定义的方式提高的电流作为安全关键的状态或者故障情况尤其可以包括超过定义的阈值并且因此具有危害潜在性的电流。

鉴于上述方法的其他优点和特征，对此明确地参考结合按照本发明的电池组系统以及图的阐述。按照本发明的方法的按照本发明的特征和优点也应当可应用于按照本发明的电池组系统，并且被认为公开的并且反之亦然。由至少两个在说明书中和/或权利要求中所公开的特征组成的全部组合也属于本发明。

此外，本发明的主题是电池组系统，所述电池组系统被构成用于执行如上描述地构造的方法。因此，这样的电池组系统尤其用于给耗电器供应电功率。这样的耗电器例如可以是机动车辆的电动机。因此，电池组系统例如可以是至少部分电驱动的车辆的组成部分。作为电驱动的车辆，电子驱动的车辆或者混合动力车辆非限制性地完全考虑在内。然而，电池组系统不局限于前述示例。

在此，电池组系统包括具有尤其至少一个电池组电池或者优选地多个串联的电池组电池的电池组。相应的电池组例如可以是如基本上可以由现有技术已知的锂离子电池组。在此，电子开关单元布置在电池组和电耗电器之间，所述开关单元可以选择性地建立或者分离在电池组和耗电器之间的电子连接。这样的电子开关单元原则上可以由现有技术已知。在此，电子开关单元、诸如接触器包括第一电流路径或者主电流路径，所述第一电流路径或者主电流路径尤其可以通过总开关被断开。所述总开关也可以被称作主接触器。此外，电子开关单元包括与第一电流路径并联地布置的第二电流路径或者辅助电流路径，所述第二电流路径或者辅助电流路径同样可以例如通过辅助开关被中断或者被断开，并且分流电阻布置在所述第二电流路径或者辅助电流路径中。辅助电流路径也可以被称作预充电电路，预充电电阻和预充电接触器布置在所述预充电电路中。

此外，控制单元可以被分配给电池组系统，所述控制单元这样地操控电子开关单元，使得在期望的放电过程中、也即在给耗电器供应电能时，不仅主电流路径而且辅助电流路径是闭合的。换句话说，控制系统这样地操控开关单元或者两个开关或者电阻，使得在电池组系统的正常状态中并且在电池组的期望的放电中，电流不仅可以流过主电流路径而且可以流过辅助电流路径。

此外，电池组系统包括一个或多个传感器，所述传感器可以探测电池组系统的安全关键的状态或者有故障的运行。电池组系统的这样的安全关键的状态例如可以意味着提高的电流的流动，所述电流例如通过电池组系统中的短路引起。这样的短路例如可能通过缺陷或者通过事故引起。因此，用于探测有故障的状态的传感器例如可以是电流传感器。

如果这样的安全关键的或者有故障的状态通过传感器探测，那么控制单元接着可以这样地操控开关，使得例如通过断开总开关来断开主电流路径，使得电流可以仅流过辅助电流路径。在此，流动的电流可以由当前的电阻决定地被限制到辅助电流路径中。通过在电池组系统的正常的运行期间，电流不仅可以流过主电流路径而且可以流过辅助电流路径，在断开主电流路径时电弧的出现能够显著地被减少，因为瞬变可以通过辅助电流路径消除，如这之前详细地阐述的。

在此，上述电池组系统可以实现用于操控电子开关单元并且在此尤其是用于将主电流路径或者辅助电流路径中断的开关的特别有利的方法。例如通过对总开关以及辅助开关确定尺寸，其中相应的开关和相应的电流路径可以与按照现有技术通常的尺寸确定不同地被构成，或者例如通过在辅助电流路径中构造电阻，可以特别成本低地来构成这样的系统。因为已经通过可以明显地减小辅助电流路径中的电阻，能够降低成本，因为相应的组件的成本比例过大地随着电流分离能力升高。如果现在较小的电流在两个路径中流动，那么最大的电流分离能力可以显著地被降低，这导致明显的成本节省。除了成本节省外，上述电池组系统能够实现显著的安全收益。

在此，以有利的方式可以存在分流电阻，所述分流电阻具有在小于或者等于30欧姆、尤其小于或者等于15欧姆、例如小于或者等于8欧姆的范围内的电阻值。因此尤其在所述构型中，在辅助电流路径中的电流比较小地被限制，使得在正常的运行期间，相对大的电流分量可以流过辅助电流路径，并且仅比较有限的电流可以流过主电流路径。因此，在断开主电流路径时在存在故障时可以以特别有利的方式并且特别有效地减少电弧的出现。

在另一构型的范围内，分流电阻可以具有可变的电阻值。分流电阻例如可以被构成为多个分电阻的并联电路。在此，在探测安全关键的状态之后，各个并联路径（Parallelpfade）或者并联分电阻顺序地被接入，使得流过辅助电流路径的电流逐渐地被减小。在此情况下，例如通过功率MOSFET进行切换。因此，电阻可以是可变电阻，所述可变电阻在断开总开关时是尽可能低欧姆的，以便避免电弧。只有当主接触器中的电弧熄灭之后、例如在10μs-100ms的范围内，电阻值才被调节到较高的值，并且电流以尽可能小的瞬变被关断。在上述的构型情况下，尤其可以在辅助电流路径中出现处于10A至短暂1000A的范围内的电流。（即使通过这样地设计开关而形成较高的成本，所述成本也可以通过总开关的比较小的尺寸确定（如这在下面描述的）被均衡，使得相比较于来自现有技术的解决方案，成本总地来说是相同的或者更低的。

在此可以规定，总开关和辅助开关相同地或者一致地来构成。所述构型尤其可以通过选择到辅助电流路径中的电阻来实现，所述电阻能够实现流动的电流到主电流路径和辅助电流路径中的所定义的划分。在该构型中能够实现开关的特别简单的制造或者具有开关的电池组系统的特别成本低的装备，因为制造可以利用相同的开关并且因此利用较小数量的不同的部件来实现。此外，因为小数量的部件需要被暂时提供（vorgehalten），所以所述构型能够实现电池组系统的简化的维护。

鉴于上述电池组系统的其他优点和特征，对此明确地参考结合按照本发明的方法以及图的阐述。按照本发明的电池组系统的按照本发明的特征和优点对于按照本发明的方法也应当是可应用的，并且被认为公开的并且反之亦然。由至少两个在说明书中和/或权利要求中所公开的特征组成的全部的组合也属于本发明。

附图说明

通过附图阐明并且在以下描述中阐述按照本发明的主题的其他优点和有利的构型。在此要注意的是，附图仅具有描述特性，并且不被认为以任何形式限制本发明。其中：

图1示出按照本发明的电池组系统的构型的示意图。

具体实施方式

在图1中示出用于给耗电器供应电功率的电池组系统10。电池组系统10例如是电驱动的车辆的组成部分。

按照图1的电池组系统10具有包括多个电池组电池12的电池组，所述电池组电池串联。在此，电池组或者电池组电池12可以以自身已知的方式通过正极和负极通过相应的牵引线路18、20与耗电器连接，以便给耗电器供应电能。在分配给正极以及分配给负极的牵引线路18、20中分别设置用于选择性地将相应的牵引线路18、20断开或者闭合的电子开关单元14、16。在此，开关单元14、16中的一个可以包括单独的开关，尤其开关单元14、16中的一个或者两个可以具有如以下以不受限制的方式针对开关单元14描述的构型。

开关单元14在牵引线路18中布置在电池组或者电池组电池12与未示出的耗电器之间。在此，电子开关单元14具有第一电流路径或者主电流路径22，所述第一电流路径或者主电流路径22可以通过总开关24断开。此外，电子开关单元14具有与第一主电流路径22并联地布置的辅助电流路径26，所述辅助电流路径26可以通过辅助开关28断开。此外，分流电阻29布置在辅助电流路径26中。在此，辅助电流路径26这样地布置，使得主电流路径22可以通过所述辅助电流路径26桥接。

关于分流电阻29，所述分流电阻29可以这样地构成，使得所述分流电阻具有在小于或者等于30欧姆、尤其小于或者等于15欧姆、例如小于或者等于8欧姆的范围内的电阻值。例如通过设置多个选择性地可接入的和可关断的分电阻的并联电路，分流电阻29例如可以具有可变的电阻值。

此外，辅助开关28和总开关24可以一致地构成。

为了减少在断开主电流路径22时的电弧的出现，通过设置如上述构成的电池组系统10，用于运行这样的电池组系统10的方法可以具有以下方法步骤：

a）给耗电器供应电功率，其中主电流路径22和辅助电流路径26是闭合的；

b）探测安全关键的状态、例如尤其以定义的方式提高的电流；

c）断开主电流路径22。

在此，在按照方法步骤a）给耗电器供应能量时，流过主电流路径和流过辅助电流路径的电流的比例可以以特别有利的方式处于大于或者等于10/1至小于或者等于10⁵/1的比例中。

Claims (10)

1.用于运行用于给耗电器供应电功率的电池组系统（10）的方法，所述电池组系统具有至少一个布置在电池组和耗电器之间的电子开关单元（14），其中至少一个电子开关单元（14）具有主电流路径（22），所述主电流路径（22）尤其可以通过总开关（24）被断开，并且其中所述电子开关单元（14）具有与主电流路径（22）并联地布置的可断开的辅助电流路径（26），分流电阻（29）和必要时辅助开关（28）布置在所述辅助电流路径（26）中，所述方法具有以下方法步骤：

a）给耗电器供应电功率，其中所述主电流路径（22）和辅助电流路径（26）是闭合的；

b）探测安全关键的状态；

c）将主电流路径（22）断开。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，具有可变的电阻值的分流电阻（29）被使用，其中在方法步骤a）之后电阻值逐渐地被增大。

3.按照权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，在按照方法步骤a）给耗电器供应电功率时，流过主电流路径（22）和流过辅助电流路径（26）的电流的比例处于大于或者等于10/1至小于或者等于10⁵/1的比例中。

4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述方法具有另外的步骤：

d）将辅助电流路径（26）断开。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，通过将辅助电流路径（28）断开或者通过操控具有可变电阻值的分路电路（29）来执行方法步骤d）。

6.按照权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，以定义的方式提高的电流的流动作为安全关键的状态被探测。

7.电池组系统，其被构成用于实施按照权利要求1至6之一所述的方法。

8.按照权利要求7所述的电池组系统，其特征在于，存在分流电阻（29），所述分流电阻（29）具有在小于或者等于30欧姆、尤其小于或者等于15欧姆、例如小于或者等于8欧姆的范围内的电阻值。

9.按照权利要求7或8所述的电池组系统，其特征在于，所述分流电阻（29）具有可变的电阻值。

10.按照权利要求7至9之一所述的电池组系统，其特征在于，所述总开关（24）和所述辅助开关（28）一致地被构成。