CN107650684A - 高电压电池、用于运行高电压电池的方法、电池系统和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于车辆、尤其是用于混合动力车辆、电动车辆和/或自主驾驶的车辆的高电压电池（1），所述高电压电池具有：高电压电池模块（10）；电池控制件（20），所述电池控制件构造用于：控制所述高电压电池模块（10）接通到接头（11、12）以及从所述接头切断并且针对所述电池控制件的运行能够与外部能量源（50）连接；和自供给的内部能量源（40），所述内部能量源在没有连接的或不充分的外部能量源（50）的情况下为了给所述电池控制件（20）供应能量用以使其尤其是不中断地运行而能够与所述电池控制件（20）连接。

Description

高电压电池、用于运行高电压电池的方法、电池系统和车辆

技术领域

本发明涉及高电压电池、用于运行高电压电池的方法、电池系统以及车辆。本发明尤其是涉及用于车辆、混合动力车辆、电动车辆和/或自主驾驶的车辆的高电压电池、用于运行针对车辆的高电压电池的方法、用于车辆的电池系统以及混合动力车辆、电动车辆和/或自主驾驶的车辆本身。

背景技术

在常规的用于运行总成、尤其是驱动器的高电压电池中，通过也被称为电池管理系统的电池控制件来控制作为高电压电池的基础的高电压电池模块接通到接头以及从所述接头切断。为此，电池控制件在外部被供应能量。

在这种高电压电池使用在车辆、尤其是自主驾驶的车辆中的情况下，存在如下问题：在外部能量源耗尽的情况下或者在外部能量源的能量输入发生故障的情况下，电池控制件自动失效并且在此固有地作用于（greifen）安全机构，安全机构松开用于给总成供电的高电压电池模块的连接。即使不存在意外或类似情况，这也会发生。这些情况于是例如必然导致车辆的停止，即使为此没有起因。

发明内容

根据本发明的具有独立权利要求1的特征的高电压电池与此相对地具有如下优点：在与外部能量源相关联的故障情况下还是能够使电池控制件的运行得到保持，以便确保以此为基础的车辆的运行。这根据本发明利用独立权利要求1的特征以如下方式实现：提供用于车辆、尤其是用于混合动力车辆、电动车辆和/或自主驾驶的车辆的高电压电池，所述高电压电池具有高电压电池模块；电池控制件，电池控制件构造用于：控制高电压电池模块接通到接头以及从所述接头切断并且针对所述电池控制件的运行能够与外部能量源连接；和自供给的内部能量源，所述内部能量源在没有连接的或不充分的外部能量源的情况下为了给电池控制件供应能量用以使其尤其是不中断地运行而能够与电池控制件连接。通过提供和使用自供给的和内部的能量源结合外部能量源能够克服供电问题。由此在电池控制件的未改变地保持的运行的情况下也确保了对以此为基础的总成或车辆的供电，能够防止突然的运行中断、例如车辆的静止或停止。

从属权利要求是本发明的优选的改进方案。

在根据本发明的高电压电池的优选的实施方式中，以如下方式实现特别可靠的运行：高电压电池构造有切换装置，所述切换装置用于与电池控制件有关地能控制地接通或切断或者连接或分离内部能量源，尤其是连同优选同时分离或建立到外部能量源的连接，尤其是构造有在相应的供应线路中用于能控制地连接和分离的开关元件。

可靠性的进一步的提升通过根据本发明的高电压电池和其运行的自动化的可行方案得到。

这能够在有利的改进方案中以如下方式实现：高电压电池构造有开关控制单元，所述开关控制单元用于尤其是通过操控供应线路中的开关元件和切换装置来控制：与电池控制件有关地接通或切断或者说连接或分离内部能量源以及尤其是优选同时分离或建立到外部能量源的连接。

提供了不同的可行方案来具体地实现通过开关控制单元获取的控制。

因此能够规定，开关控制单元设定用于：

-尤其是通过检测线路检测由外部能量源提供的供应电压的值；

-当由外部能量源提供的供应电压的所检测的值在一个或多个时间点中低于预定的阈值时，识别出存在切换情况；

-当由外部能量源提供的供应电压的所检测的值在一个或多个时间点中高于预定的阈值时，识别出存在复位情况；

-当存在切换情况时，引起与电池控制件有关地接通内部能量源或与内部能量源连接以及切断外部能量源或从外部能量源分离；并且/或者

-当存在复位情况时，引起与电池控制件有关地切断内部能量源或从内部能量源分离以及接通外部能量源或与外部能量源连接。

这些措施能够任意地相互组合。

为此替选地或附加地提供了不同的可行方案来实现用于提供针对电池控制件的电运行能量的内部能量源。这些措施也能够相互组合。

因此能够按照根据本发明的高电压电池的优选的实施方式规定，自供给的内部能量源构造有或构造为电池、构造有或构造为尤其是由高电压电池模块馈电的电容器、构造有或构造为尤其是由高电压电池模块馈电的直流电压逆变器或DC/DC转换器并且/或者构造有或构造为燃料电池。

此外本发明还涉及用于运行针对车辆、尤其是针对混合动力车辆、电动车辆和/或自主驾驶的车辆的高电压电池的方法，其中电池控制件构造用于控制高电压电池的高电压电池模块接通到接头以及从所述接头切断并且为此能够利用外部能量源运行，电池控制件能够利用自供给的内部能量源运行，内部能量源在没有连接的或不充分的外部能量源的情况下为了供应能量用以使其尤其是不中断地运行而被连接。

在有利的改进方案中，根据本发明的方法具有如下步骤：

-尤其是通过检测线路检测由外部能量源提供的供应电压的值；

-当由外部能量源提供的供应电压的所检测的值在一个或多个时间点中低于预定的阈值时，识别出存在切换情况；

-当由外部能量源提供的供应电压的所检测的值在一个或多个时间点中高于预定的阈值时，识别出存在复位情况；

-当存在切换情况时，引起接通内部能量源或与内部能量源连接以及切断外部能量源或从外部能量源分离；并且/或者

-当存在复位情况时，引起切断内部能量源或从内部能量源分离以及接通外部能量源或与外部能量源连接。

根据本发明的另外的方面提供了用于车辆的电池系统。

这能够尤其是构造用于混合动力车辆、电动车辆和/或自主驾驶的车辆。

根据本发明的电池系统具有高电压电池，所述高电压电池具有根据本发明的结构。

此外在每个电压范围内构造了高电压电池和/或相应的车载系统，所述高电压电池和/或相应的车载系统用作外部能量源并且能够与高电压电池的电池控制件尤其是以受控的方式连接。

根据本发明的另外的方面也提供了车辆、尤其是混合动力车辆、电动车辆和/或自主驾驶的车辆。所述车辆构造有总成、尤其是驱动器并且具有根据本发明的高电压电池和/或根据本发明的电池系统，所述高电压电池和/或电池系统用于给总成供应电能。

附图说明

本发明的实施方式参考附图详细描述。附图中：

图1和2以示意图示出了在使用根据本发明的高电压电池的情况下根据本发明的电池系统在两个运行状态下的实施方式；

图3和4以示意图示出了根据本发明的电池系统的其他的实施方式；并且

图5和6示意性地示出了在使用常规的高电压电池的情况下的常规的电池系统。

具体实施方式

本发明的实施例和技术背景随后参考图1至6详细描述。相同的和等价的以及相同或等价地作用的元件和部件用相同的附图标记表示。对所表示的元件和部件的细节描述没有在其出现的每个情况下都给出。

所示的特征和另外的特性能够在任意形式下相互隔离并且任意地相互组合，而不会离开本发明的核心。

图1和2示意性地根据框图的方式示出在使用根据本发明的高电压电池1的实施方式的情况下根据本发明的电池系统100的实施方式。

根据本发明的高电压电池1具有第一和第二接头11或12，所述接头用于与有待被供应运行能量的总成连接，总成在图1中未示出。接头11、12的第二或外部的接头区段11-2和12-2在此用于直接连接有待供电的总成或者连接到相应的高电压车载电网。

根据本发明的高电压电池1通过电池控制件20控制，电池控制件也能够被称为电池管理系统或BMS。

电池控制件20本身必须针对其运行同样被供应能量。像在根据图5和6的常规的电池系统100'中那样，这也通过外部能量源50、例如12伏或14伏车载电网的电池实现，这例如也结合图5和6针对具有常规的高电压电池1'的常规的电池系统100'示出。

然而，如果与外部能量源50相关联的车载电网失灵，或者在外部能量源50本身内出现缺陷，那么根据本发明规定，在该情况下针对电池控制件20的运行的能量供应能够得到保持。

根据本发明的措施在于，提供例如形式为电池又或者DC/DC转换器80的自供给的内部能量源40，如DC/DC转换器在图4中示出，当通过外部能量源50的能量供应是不足够或失灵时，自供给的内部能量源能控制地在某个情况下承担对电池控制件20的能量供应。

为此，在根据图1和2的实施方式中，要么独立地要么整合在电池控制件20中地设置了例如具有控制线路71至74和检测线路75和76的开关控制单元70。

通过检测线路75和76获知：在外部能量源50的供应线路51和52上施加的电压是否足够用于运行电池控制件20。

如果开关控制单元70获知了：在供应线路51和52上施加的电压足够用于运行电池控制件20，那么通过控制线路71和72引起开关元件61和62保持在闭合状态中或者转移到闭合状态中，因此，外部能量源50能够通过供应线路51和52输入用于电池控制件20的运行电压。

同时，在该情况下通过相应的控制线路73和74引起开关元件63和64转移到断开状态中或者保持在断开状态中。由此实现的是，根据本发明设置的自供给的内部能量源40通过供应线路41和42没有为了给电池控制件20供电而被接通或者接通。

开关元件61至64在其整体上形成切换装置60，所述切换装置设计用于：与开关控制单元70共同作用地引起在外部能量源50和内部能量源40之间的切换。

电池控制件20本身构造用于：通过相应的控制线路21、22和23根据有待供电的总成的运行状态或其他的情况断开或闭合开关元件31、32和33，所述开关元件也被称为保护件并且形成开关单元30。

在图1和2中，开关单元30的开关元件32构造在第二接头的第一和第二接头区段12-1和12-2之间。

在第一接头11的第一和第二接头区段11-1和11-2之间构造有开关单元30的开关元件31和33，其中开关元件33布置在旁路线路中，旁路线路具有区段11-3和11-4以及预充电电阻11-5。

高电压电池模块10本身必要时位于自身的具有壳体的区间内并且具有多个例如串联的高电压单池15。

在根据图1的运行状态中，通过开关元件61和62的闭合位置接通了外部能量源50，相反地，自供给的内部能量源40通过开关元件63和64的断开位置切断。

在根据图2的运行状态中相反地，通过断开开关元件61和62使外部能量源50与电池控制件20分离，相反地，通过闭合的开关元件63和64使自供给的内部能量源50为了给电池控制件20供电而与之连接。

本发明的该特征和另外的特征和特性借助随后的陈述来进一步阐述。

将来的高自动和全自动驾驶功能明显提高了对电能供应的可靠性的要求。容错的电车载电网是针对导入该系统的重要的前提。随着导入高自动的驾驶功能还进一步加剧了对供电的可靠性的要求。

现代车辆具有通过驾驶员引起的控制或调节技术的、机械的和能量的后备层面（Rückfallebene）。然而，因为在高自动的驾驶中驾驶员的驾驶之外的活动是允许的，所以该基于驾驶员的后备层面消失。因此在高自动的驾驶中，供电具有迄今为止在机动车中未公知的安全重要性。高可靠的容错的电车载电网因此是针对导入该系统的重要前提。车载电网的容错通过拓扑结构和选择相应的部件来确定。因此，电池是非常重要的。

必要地且根据本发明提供了两个彼此完全独立的、具有各一个自身的同样独立的传递装置的能量存储器，以便满足安全要求。

为了满足法律要求，迄今为止使用多个电池，也就是至少两个电池作为存储器来使用。

当前，电池管理系统（BMS）20例如仅通过具有外部电池50的外部的12V车载电网供电。

当12V车载电网50失灵时，高电压电池保护件21至23不能够由电池管理系统20操控，车辆于是转移为静止状态。

自主驾驶然而针对车载电网中的能量供应或电池管理系统20需要更高的安全要求。

在电动车辆中，电动马达被高电压电池1供电。

高电压电池1必须满足高的安全要求。

高电压电池1在碰撞时例如可能爆炸。由此对人员来说具有生命危险。

基于该原因，高电压电池1尤其是针对每个单池15具有至少一个保护件21至23，如这在图1和2中示出。

在碰撞时，保护件21至23通过电池管理系统20断开，因此高电压电池1不能够爆炸。因此保护件21至23由电池管理系统20操控。

在此，在迄今为止的方法中存在如下缺点：

•存在的拓扑结构需要高可靠的电池管理系统20用于操控高电压电池1的保护件21至23；

•当外部的12V车载电网50失灵时，电池管理系统20不再被供应能量。保护件21至23于是自动断开。高电压车载电网1由此也取消；

•通过断开保护件21至23，电动马达例如不再被供电。车辆转移到静止状态中并且不再能够继续行驶。不再能够实现安全的停车状态或类似状态；

•因此，针对自主驾驶的4级要求不能够得到满足；

•在12V车载电网50的情况下，需要多个12V电池作为冗余部分，以便实现针对自主驾驶的要求。这伴随有高的成本和大的结构空间；

•由于车辆的突然的静止状态而面临意外危险或者可能出现生命危险；

•因此在没有对电池管理系统20供应能量的情况下不能够实现电动车辆的安全的行驶运行；

•在12V车载电网50故障的情况下，12V电池的电容量可能不足以达到安全状态。由于该原因以常规方式需要复杂的能量管理系统或降级设计方案。这伴随有高的成本；

•OEM要求因此不能够得到满足。

本发明示出针对高电压电池1的新拓扑结构，所述拓扑结构具有自供给的并且与高电压电池1有关的内部的、优选非常小的能量源40，以便在车辆中明显优化功能性、成本、诊断和结构空间并且实现4级自主驾驶。

因此要满足针对自主驾驶的如下重要前提：

•在自主驾驶时实现针对电动车辆的要求；

•建立针对高电压电池1的具有内部电源40的拓扑结构；

•实现针对电池管理系统20的容错的能量供应；

•高电压电池1冗余地供电。因此能够利用具有更大的电容量的高电压电池1实现一些应用。满足针对自主驾驶的4级要求；

•防止发生车辆静止状态（抛锚）或针对电动车辆的意外危险；

•满足针对滑行和回收的拓扑结构。

在本发明中形成如下优点：

•存在的拓扑结构需要高可靠的电池管理系统20用于通过保护件21、22、23操控高电压电池1；

•当12V车载电网50失灵时，针对电池管理系统20的冗余的供电存在；

•因此此外能够例如给电动马达供电。车辆能够无静止状态地继续行驶；

•由此能够防止发生意外情况或生命危险；

•车辆能够在故障情况下总是进入安全状态，这是因为高电压电池的电容量是足够的；

•针对自主驾驶的4级要求因此能够得到满足；

•在12V车载电网50中不需要多个12V电池作为冗余部分来实现针对自主驾驶的要求。通过使用高电压电池1能够节省车载电网中的多个12V电池40。这也节省了结构空间和成本；

•高电压电池1具有足够的能量来使车辆在故障时进入安全状态。能量管理系统和降级设计方案不必是复杂的；

•成本能够通过使用更少的12V电池50和不那么复杂的能量管理系统或降级设计方案来减少；

•能够满足OEM要求。

当在行驶期间出现故障时，车辆必须在短时间内例如转移到限定的安全状态中。为此，车辆中的能量供应是很重要的。高电压电池1具有足够的电容量来使车辆进入限定的安全状态。这以常规的方式只有在外部的12V电池50没有故障时才是可能的。当12V车载电网有故障时，电池保护件21、22、23不再能够被操控，这是因为电池管理系统20不再被供应能量。

利用本发明提供了用于高电压电池1的冗余的供电源40。

在根据图1的正常情况下：

-保护件21、22和23闭合；

-开关元件61、62例如构造为晶体管，是闭合的；并且

-开关元件63、64例如也构造为晶体管，是断开的。

当车载电网电压在极限值之上时，电池管理系统20通过外部的12V车载电网50供电。

电池管理系统20因此能够操控保护件21至23并且保护件21至23是闭合的。

电动马达因此被供应电流。

在故障情况下：

-保护件21、22、23是闭合的；

-开关元件61、62是断开的；并且

-开关元件63、64是闭合的。

因为车载电网电压位于极限值之下，所以12V车载电网50被视为失灵，电池管理系统20不再能够通过12V车载电网50供电。

根据本发明，开关元件61、62因此断开，并且开关元件63、64闭合。

电池管理系统20因此能够进一步被供电，确切地说现在通过自供给的和内部的电源40供电。

由此，电池管理系统20能够未改变地操控保护件21至23，保护件21至23保持闭合。

电动马达能够被供应电流。

Claims (9)

1.用于车辆、尤其是用于混合动力车辆、电动车辆和/或自主驾驶的车辆的高电压电池（1），所述高电压电池具有：

-高电压电池模块（10）；

-电池控制件（20），所述电池控制件构造用于：控制所述高电压电池模块（10）接通到接头（11、12）以及从所述接头切断并且针对所述电池控制件的运行能够与外部能量源（50）连接；和

-自供给的内部能量源（40），所述内部能量源在没有连接的或不充分的外部能量源（50）的情况下为了给所述电池控制件（20）供应能量用以使其尤其是不中断地运行而能够与所述电池控制件（20）连接。

2.根据权利要求1所述的高电压电池（1），所述高电压电池：

-具有切换装置（60），所述切换装置用于与所述电池控制件（20）有关地能控制地接通或切断或者说连接或分离所述内部能量源（40），尤其是连同优选同时分离或建立到所述外部能量源（50）的连接；

-尤其是具有在相应的供应线路（41、42、51、52）中用于能控制地连接和分离的开关元件（61、62、63、64）。

3.根据前述权利要求中任一项所述的高电压电池（1），所述高电压电池具有开关控制单元（70），所述开关控制单元用于尤其是通过操控供应线路（41、42、51、52）中的开关元件（61、62、63、64）和切换装置（60）来控制：与电池控制件（20）有关地接通或切断或者说连接或分离所述内部能量源（40）以及尤其是优选同时分离或建立到所述外部能量源（50）的连接。

4.根据权利要求3所述的高电压电池（1），其中所述开关控制单元（70）设定用于：

-尤其是通过检测线路（75、76）检测由所述外部能量源（50）提供的供应电压的值；

-当由所述外部能量源（50）提供的供应电压的所检测的值在一个或多个时间点中低于预定的阈值时，识别出存在切换情况；

-当由所述外部能量源（50）提供的供应电压的所检测的值在一个或多个时间点中高于预定的阈值时，识别出存在复位情况；

-当存在切换情况时，引起与所述电池控制件（20）有关地接通所述内部能量源（40）或与所述内部能量源连接以及切断所述外部能量源（50）或从所述外部能量源分离；并且/或者

-当存在复位情况时，引起与所述电池控制件（20）有关地切断所述内部能量源（40）或从所述内部能量源分离以及接通所述外部能量源（50）或与所述外部能量源连接。

5.根据前述权利要求中任一项所述的高电压电池（1），其中所述自供给的内部能量源（40）：

-构造有或构造为电池；

-构造有或构造为尤其是由高电压电池模块（10）馈电的电容器；

-构造有或构造为尤其是由高电压电池模块（10）馈电的直流电压逆变器（80）；并且/或者

-构造有或构造为燃料电池。

6.用于运行针对车辆、尤其是针对混合动力车辆、电动车辆和/或自主驾驶的车辆的高电压电池（1）的方法，其中：

-电池控制件（20）构造用于：控制所述高电压电池（1）的高电压电池模块（10）接通到接头（11、12）以及从所述接头切断并且为此能够利用外部能量源（50）运行，

-所述电池控制件（20）能够利用自供给的内部能量源（40）运行，所述内部能量源在没有连接的或不充分的外部能量源（50）的情况下为了供应能量用以使其尤其是不中断地运行而被连接。

7.根据权利要求6所述的方法，所述方法具有如下步骤：

-尤其是通过检测线路（75、76）检测由所述外部能量源（50）提供的供应电压的值；

-当由所述外部能量源（50）提供的供应电压的所检测的值在一个或多个时间点中低于预定的阈值时，识别出存在切换情况；

-当由所述外部能量源（50）提供的供应电压的所检测的值在一个或多个时间点中高于预定的阈值时，识别出存在复位情况；

-当存在切换情况时，引起接通所述内部能量源（40）或与所述内部能量源连接以及切断所述外部能量源（50）或从所述外部能量源分离；并且/或者

-当存在复位情况时，引起切断所述内部能量源（40）或从所述内部能量源分离以及接通所述外部能量源（50）或与所述外部能量源连接。

8.用于车辆、尤其是混合动力车辆或电动车辆和/或自主驾驶的车辆的电池系统（100），所述电池系统具有：

-根据权利要求1至5中任一项所述的高电压电池（1）；和

-低电压电池（51），所述低电压电池作为外部能量源（50）能够与所述高电压电池（1）的电池控制件（20）连接。

9.车辆以及尤其是混合动力车辆或电动车辆和/或自主驾驶的车辆，所述车辆具有：

-总成、尤其是驱动器；和

-根据权利要求1至5中任一项所述的高电压电池（1）和/或

-根据权利要求9所述的电池系统（100），以用于给总成供应电能。