CN110271433A - 用于机动车的可动态切断的电池系统、用于运行可动态切断的电池系统的方法以及机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车(10)的可动态切断的电池系统(12)，包括多个电池单体(14)，该电池单体具有相应的电池单体壳体(24)，该电池单体壳体具有电气接头(26、28)，电池单体(14)通过电气接头彼此电气连接，其中，在电池单体壳体(24)中相应布置有使接头(26、28)相连接的单体支路(30)，该单体支路具有原电池单体(32)，其中，每个单体支路(30)具有开关元件(36)，以用于断开和闭合单体支路(30)；电池系统(12)具有控制装置(16)，该控制装置被设置成，当控制装置(16)接收到至少一个传感器(22)的危险信号时，驱控单体支路(30)的所有的开关元件(36)，以断开开关元件(36)。本发明还涉及一种用于运行可动态切断的电池系统(12)的方法。

Description

用于机动车的可动态切断的电池系统、用于运行可动态切断 的电池系统的方法以及机动车
技术领域
本发明涉及一种在权利要求1的前序部分中说明的类型的用于机动车的可动态切断的电池系统。本发明还涉及一种具有这种电池系统的机动车以及一种用于运行可动态切断的电池系统的方法。
背景技术
尤其由于机动车的越来越高的电气化，电池、主要是高压电池越来越多地用在电驱动的机动车中。这种电池系统或电池例如包括多个彼此连接的锂离子单体。在碰撞情况下，这种电池单体可能造成某种潜在风险，例如由于变形引起的短路、急剧的发热等。由现有技术已经已知多种机构尤其在碰撞情况下或在其他紧要情况下使源自于电池的风险最小化。
文献DE 10 2007 017 018 A1示出了在电池中跨接有故障的单体的方案。为了在单体中形成过压的情况下跨接单个的单体，提出了一种设置在单体外侧的单体跨接装置，该单体跨接装置包括可动地切换的电气接触元件，该接触元件可从第一切换状态切换到第二切换状态中。
文献DE 10 2010 041 024 A1说明了一种方法，在其中可停用和跨接被归为危险级的电池模块。
文献DE 10 2014 218 850 A1说明了一种用于控制机动车的电池组件的方法，其中在电池单体中有故障的情况下，可借助于布置在电池单体之外的切换装置分开和跨接有故障的电池单体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种这样的解决方案，借助于该解决方案可以特别高效的方式改善具有多个电池单体的电池系统的安全性和可用性。
该目的通过具有独立权利要求的特征的用于机动车的可动态切断的电池系统以及用于运行可动态切断的电池系统的方法实现。在从属权利要求中给出了具有本发明的适宜的并且非凡的改进方案的有利的设计方案。
用于机动车的可动态切断的电池系统包括多个电池单体，该电池单体具有相应的电池单体壳体，该电池单体壳体具有电气接头，电池单体通过电气接头彼此电气连接，其中，在电池单体壳体中相应布置有使接头相连接的单体支路，该单体支路具有原电池单体。在此，每个单体支路具有开关元件，以用于断开和闭合该单体支路。此外，电池系统具有控制装置，其被设置成，在控制装置接收到至少一个传感器的危险信号时，驱控单体支路的所有的开关元件以断开开关元件。
在本发明的意义中，电池系统包括多个相同类型的原电池单体或元件的相互连接。其中原则上可以是一次电池单体和二次电池单体。因此，单体例如还可以是所谓的固态电池单体以及常规的伽凡尼电池单体、例如锂离子电池单体等。同样地，单体例如还可为燃料电池单体。
所述开关元件可以是电子开关元件，即，例如场效应晶体管或二极管。原则上开关元件还可以是机电式开关，例如继电器。在开关元件中重要的是，其可对具有原电池单体的相应的单体支路进行切换，即，使相应的单体支路导电地接通或电气断开，并且足够紧凑，以便可安置在电池单体壳体内。
借助于根据本发明的电池系统可在单体层面上使所有的原电池单体在需要时与电池系统的电路分开、即彼此分开。例如，如果电池系统的一部分由于使用了该电池系统的机动车的碰撞而变形，此时可出于安全原因首先以以下方式切断具有原电池单体的所有单体支路，即，通过控制装置相应地驱控相应的开关元件的方式。控制装置例如可被设置成接收来自机动车的碰撞传感器的危险信号。碰撞传感器、还被称为撞击传感器通常在机动车中用于探测车辆对障碍物的撞击。如果传感器识别到撞击，传感器就将电脉冲发送给各种控制器，其中还可包括电池系统的控制装置。碰撞传感器例如可以是加速度传感器、压力传感器或可基于在撞击时变形的车身板件的固体噪声变化识别出碰撞的传感器。同样还可行的是，控制装置例如被设置成接收来自机动车的安全气囊控制器的危险信号。如果控制装置接收到机动车的至少一个传感器的至少一个危险信号，控制装置就驱控相应的电池单体的各开关元件，使得开关元件断开。在机动车撞碰的情况下，可由此在最短的时间内确保所有的电池单体彼此或相对彼此电气分开。由此尤其可防止完好的电池单体将其能量例如分配到短路支路中，由此可流过非常高的电流。因为借助于根据本发明的可动态切断的电池系统可在需要时在电池单体层面切断所有电路。独立于电池单体中的一些例如在碰撞时受到损伤而另一些未受损的情况，此时能可靠地防止电流在电池系统内流动。借助于根据本发明的电池系统可使所有的电池单体彼此电气分开。由此提供特别安全的电池系统。
根据本发明的有利的实施方式提出，电池单体具有至少一个传感器以用于产生危险信号，其中，控制装置针对每个电池单体具有集成到电池单体中的分散控制单元，尤其是集成到电池单体中的微控制器，其被设置成驱控开关元件，以断开开关元件。因此，分散控制单元与相应的传感器信号连接。所述传感器例如可以是冲击传感器、陀螺测试仪和/或加速度传感器。因此，每个电池单体都能识别机动车的危险情况，例如碰撞或呈滑移和/或倾翻的形式的不稳定的车辆状态。此外，电池单体可自行判定是否应操纵开关元件。以这种方式，来自车辆侧的相比之下更费时的传感器的信号不必例如通过总线系统到达电池单体。替代于此，可在单体层面上独立识别机动车的紧急的危险情况，并且必要时通过自主断开开关元件对此作出反应。因此，特别在非常严重的碰撞的情况下可节省宝贵的时间。
本发明的有利的实施方式提出，控制装置具有中央控制单元，该中央控制单元可与至少一个传感器信号连接，其中，控制装置针对每个电池单体具有相应的分散控制单元，尤其是集成到电池单体中的微控制器，其被设置成用于驱控开关元件，以断开开关元件。因此，中央控制单元可例如接收来自机动车的碰撞传感器或安全气囊传感器的危险信号。因此，中央控制单元将相应的控制指令发送给分散控制单元，然后该分散控制的单元本身用于使单体支路的相应的开关元件断开。中央控制单元例如可以本身已知的方式通过机动车的总线系统以及其他的方式获取碰撞传感器或安全气囊传感器的信号。在中央控制单元和分散控制单元之间的通信可例如无线地实现，其中，同样可行的是有线的数据传输或信号传输。通过分散控制单元提供了一种特别安全可靠的系统，因为为每个电池单体设置有自己的控制单元，例如呈微控制器的形式。此外，原则上还可考虑取消中央控制单元，其中，控制装置此时仅具有分散控制单元，其可例如与机动车的碰撞传感器或安全气囊控制器在信息或信号技术方面耦联。
在本发明的另一有利的设计方案中提出，电池系统具有至少一个保护装置/接触器，以分开电池系统的正极和负极，其中，控制装置被设置成在控制装置接收到危险信号时驱控保护装置，以断开保护装置。因此，保护装置用作负荷隔离器，一旦控制装置接收到至少一个传感器的至少一个危险信号，就断开该保护装置。优选地，电池系统在正极以及负极附近具有相应的保护装置。由此可在电池系统的两极处确保，在危险情况下不再有电流流过这两个极。
本发明的另一有利的实施方式提出，控制装置被设置成，当保护装置已经断开时，才驱控单体支路的开关元件，以断开开关元件。在此，本发明基于的认识是，保护装置通常具有比可用在单体支路中的开关元件更缓慢的反应或断开特性，在单体支路中的开关元件通常优选地为电子开关元件。至少一个保护装置可例如在毫秒范围内断开。一旦发生这种情况，开关元件——除了在电池系统内相应的内部短路的情况外——可无负荷地在微秒至纳秒范围内断开。如果电池系统例如不是由于碰撞而完全受损，以致所有的电池单体都不再能使用的情况，可以这种方式保证开关元件在断开时不会不必要地受损，这是因为只要至少一个保护装置先前已经断开，就可至少基本上无负荷地切换这些开关元件。
在本发明的另一有利的设计方案中提出，在电池单体壳体中相应布置有旁通支路，以跨接相应的原电池单体，并且每个旁通支路具有跨接开关元件，以用于断开和闭合旁通支路，其中，控制装置被设置成，在控制装置接收到危险信号时，对断开开关元件和跨接开关元件进行驱控。以这种方式可确保，一旦断开了相应的开关元件或跨接开关元件，电流就不能流过旁通支路以及相应的单体支路。
本发明的另一有利的实施方式提出，控制装置被设置成，在断开开关元件和跨接开关元件之后，对于无故障地工作的电池单体，在跨接开关元件始终断开的情况下，驱控开关元件，以闭合开关元件。因此，可动态切断的电池系统可优选地识别出，电池单体中的哪些无故障地工作，并且哪些电池单元受到严重损坏，以致不能再无故障地工作。前者例如可在碰撞之后通过以下方式再次激活，即，之前断开的跨接开关元件可仍旧断开，同时闭合单体支路的开关元件。因此，对于可动态切断的电池系统可在电池单体层面实现，在事故情况下在单体层面上判定电池单体中的哪些可继续无问题地用于能量供给。例如可考虑的是，由于仅在电池系统的前部区域中的正面撞击，电池单体中的一些受损，而在中部区域和后部区域中的电池单体保持完好。此时，后者保持完好的电池单体——只要在安全方面没有问题——可用于对相关机动车供电。由此即使在碰撞之后也可继续行驶。
根据本发明的另一有利的实施方式提出，控制装置被设置成，在断开开关元件和跨接开关元件之后，对于没有无故障地工作的电池单体，在开关元件始终断开的情况下，驱控跨接开关元件，以闭合跨接开关元件。由此可简单地在单体层面上跨接非无故障工作的电池单体。如果电池单体例如部分地串联连接，此时可在费无故障地工作的电池单体中闭合旁通支路，使得相关的电池单体的串联电路尽管仍可引导电流，然而在非无故障地工作的电池单体中没有电流流过相应的原电池单体。相反，对于部分故障的电池单体与部分无故障的电池单体的并联电路，不强制要求旁通支路闭合。由于电池单体具有包括跨接开关元件的旁通支路，在电池单体的互联方面提供了最大的设计自由空间，其中，在碰撞之后，根据电池单体中的哪些受损哪些未受损，电池单体还可没问题地继续用在电池系统的总组合中或可予以跨接。
在本发明的另一有利的设计方案中提出，电池单体相应具有至少一个传感器，其设计成探测电池单体是否无故障，并且将对此相关的数据传输给控制装置。例如还可在电池单体中集成有多个传感器，这些传感器设计成用于测量温度、电压、电流、单体内部压力等，并且将对此相关的数据传输给控制装置。因此，电池单体本身可在单体层面上相应单独地进行检查和监测。因此，在机动车的事故之后可在单体层面上进行相应的诊断，以确定电池单体中的哪些仍然无故障地工作，哪些不是。
根据本发明的机动车包括根据本发明的可动态切断的电池系统或可动态切断的电池系统的有利的实施方式。
在根据本发明的用于运行根据本发明的可动态切断的电池系统或可动态切断的电池系统的有利的实施方式的方法中，如果控制装置接收到至少一个传感器的危险信号，借助于电池系统的控制装置驱控单体支路的所有的开关元件，用于断开开关元件。根据本发明的电池系统的有利的设计方案可看作根据本发明的方法的有利的设计方案，其中，电池系统尤其具有用于执行所述方法步骤的器件。
附图说明
从优选实施例的以下说明中以及借助附图得到本发明的其他优点、特征和细节。在不脱离本发明的范围的情况下，上文在说明书中提到的特征和特征组合以及下文在附图说明中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以相应给出的组合使用，而且可以其他组合使用或单独使用。
附图示出：
图1示出了具有可动态切断的电池系统的机动车的示意性的图示，该电池系统用于为电机供给能量，以驱动机动车；
图2示出了电池系统的示意性的详细视图，该电池系统在电池单体层面具有相应的开关元件和跨接开关元件。
在附图中，相同或功能相同的元件设有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中以高度示意性的图示示出了机动车10。机动车10包括可动态切断的电池系统12。电池系统12包括多个电池单体14，这些电池单体彼此电气连接。此外，电池系统12包括控制装置16，以用于驱控相应的电池单体14。电池单体14例如可为锂离子单体，然而其他的单体技术也是可行的。
电池单体14的互连总地得到用于机动车10的高压电池。电池系统12可为电力电子设备18供给电能，该电力电子设备又用于驱控用来驱动机动车10的电机20。此外，电池系统12的控制装置16还与机动车10的至少一个传感器22耦联。传感器22可以是例如碰撞传感器或例如安全气囊传感器。此外，同样可行的是，控制装置16与多个这种传感器22耦联。在电池单体14本身中还可分别集成有在此未示出的呈冲击传感器、陀螺测试仪和/或加速度传感器的形式的传感器。
在图2中以示意性的详细视图示出了电池系统12。又示出了电池单体14中的一些电池单体，其中，电池单体14分别具有相应的电池单体壳体24，该电池单体壳体具有相应的电气接头26、28，电池单体14通过该电气接头彼此电气连接。在电池单体壳体24中相应布置有使接头26、28相连接的单体支路30，该单体支路还具有原电池单体32。
此外，在电池单体壳体24中还布置有旁通支路34，以用于跨接相应的原电池单体32。每个单体支路30还包括开关元件36，以用于断开和闭合单体支路30，其中，每个旁通支路34具有跨接开关元件38，以用于断开和闭合相应的旁通支路34。
每个电池单体14还具有微控制器40，该微控制器可对用于断开和闭合的各开关元件36和各跨接开关元件38进行驱控。微控制器40又与中央控制单元42在数据技术或信号技术方面相连接。例如，该连接可以是无线连接，连接例如也可以是有线连接。中央控制单元42和相应的微控制器40一起形成电池系统12的在图1中示意性地说明的控制装置16。中央控制单元42与机动车10的传感器22连接。
此外，电池系统12在整个电池系统12的正极44附近具有保护装置46，并且在整个电池系统12的负极48附近具有另一保护装置50。
如果机动车10例如与另一车辆或与静止的对象碰撞，则至少一个传感器22可探测到这种情况，并且将相应的危险信号传递给中央控制单元42。因此，中央控制单元42将相应的信号传输给相应的微控制器40，该微控制器因此驱控开关元件36和跨接开关元件38，使得这些开关元件断开。中央控制单元42还驱控保护装置46、50，使保护装置断开。还可设置成，相应的微控制器40只有在保护装置46、50已经断开时才驱控在相应的电池单体14内部的开关元件36和跨接开关元件38断开。保护装置46、50具有比布置在电池单体14中的开关元件36、38更迟钝的响应特性，开关元件36、38优选地为电子开关元件，例如场效应晶体管或二极管。如果设置在电池单体14中的开关元件36和跨接开关元件38只有在保护装置46、50已经断开时才断开，则可确保——除了在电池单体14之间的可能的短路外——无负荷地切换单体内部的开关元件36、38。
在碰撞情况下，例如电池系统12的一部分扭曲地变形，此时可确保相应的电池单体14的所有原电池单体32彼此电气隔离。即使由于各单体壳体24的严重变形出现基本的短路可能性，但在电池单体14内无电流流，并且在电池单体14之间也无电流。
在电池单体14内可布置有多个在此未示出的传感器，其设计成探测各种不同的运行参数和测量变量。传感器例如可探测温度、电流、电压、单体内部压力等。在机动车10碰撞之后，相应的传感器可将关于所收集的测量值的数据例如传递给中央控制单元42和/或微控制器40。
基于此，中央控制单元42例如可确定电池单体14中的哪些还无故障地正常工作，而哪些不是。例如，如果由于机动车10的正面碰撞仅仅使位于电池系统12的前部区域中的电池单体14受到损害，而其余电池单体14未受损伤，因此，未受损伤的并且仍然无故障地工作的电池单体14可继续用于能量供给并且因此用于驱动机动车10。
此外，在电池单体14内部还可集成有已经提到的传感器，其呈冲击传感器、陀螺测试仪和/或加速度传感器的形式。因此，在这种情况下，电池单体14本身可在不与至少一个车辆侧的传感器22数据连接的情况下识别是否发生危险情况，例如发生机动车10的碰撞、滑移或倾翻。微控制器40可基于由单体内部的传感器提供的危险信号分散地断开开关元件36和跨接开关元件38。电池系统12还可在考虑和处理危险信号方面冗余地设计，从而可考虑在车辆侧以及在单体侧提供的危险信号。例如可考虑的是，在这种冗余的设计方案中例如为加速度预先给定确定的阈值。如果单体内部的传感器探测到的加速度超过了阈值，直接断开开关元件36和跨接开关元件38。如果单体内部的传感器探测到的加速度低于阈值，还需要等待车辆侧的传感器22的信号输入，并且只有接收到该信号输入时才断开开关元件36和跨接开关元件38。由此可防止操之过急地并且可能不必要地断开开关元件36和跨接开关元件38。而例如如果机动车10的碰撞非常严重，以致超过阈值，电池单体14就可自主地通过断开开关元件36和跨接开关元件38，在车辆侧的传感器22的危险信号到达之前非常快速地作出反应。
控制装置16、即中央控制单元42和微控制器4的组合被设置成，在断开开关元件36和跨接开关元件38之后，对于无故障地工作的电池单体14，在跨接开关元件38始终断开的情况下，驱控开关元件36，以使开关元件36闭合。因此，换句话说，再次将完好的电池单体14的原电池单体32彼此导电地连接。
对于非无故障地工作的电池单体14，在开关元件36始终断开的情况下，使跨接开关元件38闭合。在电池单体14纯串联连接的情况下以这种方式确保，故障的电池单体14的原电池单体32可简单地在单体内部被跨接，使得在将故障的电池单体和无故障的电池单体14串联连接时能够实现电流通过。
当然，电池单体14还可不同于本发明被组合成单独的单体组或模块，其中，在该模块内例如还可使电池单体14并联连接。在电池单体14并联连接时，只要电池单体14中的至少一个仍然完好，并且开关元件36在碰撞之后已经相应地闭合，则不必强制性地通过闭合跨接开关元件38对不再完好的电池单体14进行并联连接以用于引导电流。
因此，借助于所说明的电池系统12一方面可以可靠的方式在单体层面上实现，在机动车10的碰撞或相撞的情况下将各个原电池单体32彼此分离。另一方面还可在电池系统12中实现，在单体层面上判定电池单体14中的那些仍然完好，并且在碰撞之后必要时可继续用于能量供给。

Claims (13)

1.一种用于机动车(10)的可动态切断的电池系统(12)，该电池系统包括多个电池单体(14)，该电池单体具有带电气接头(26、28)的相应的电池单体壳体(24)，所述电池单体(14)通过电气接头彼此电气连接，其中，在所述电池单体壳体(24)中相应布置有使所述接头(26、28)相连接的单体支路(30)，该单体支路包括原电池单体(32)；
其特征在于，
-每个单体支路(30)具有用于断开和闭合所述单体支路(30)的开关元件(36)；
-所述电池系统(12)具有控制装置(16)，该控制装置被设置成，在所述控制装置(16)接收到至少一个传感器(22)的危险信号时，驱控所述单体支路(30)的所有的开关元件(36)，以断开所述开关元件(36)。
2.根据权利要求1所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，所述控制装置(16)被设置成，接收所述机动车(10)的碰撞传感器的危险信号。
3.根据权利要求1或2所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，所述电池单体(14)具有用于产生危险信号的至少一个传感器，其中，所述控制装置(16)针对各电池单体(14)具有集成到所述电池单体(14)中的分散的控制单元、尤其是集成到所述电池单体(14)中的微控制器(40)，该分散的控制单元被设置成，驱控所述开关元件(36)，以断开所述开关元件(36)。
4.根据权利要求3所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，所述传感器为冲击传感器、陀螺测试仪和/或加速度传感器。
5.根据上述权利要求中任一项所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，所述控制装置(16)具有中央控制单元(42)，该中央控制单元能与所述至少一个传感器(22)信号连接，其中，所述控制装置(16)针对各电池单体(14)具有相应的分散的控制单元、尤其是集成到所述电池单体(14)中的微控制器(40)，该分散的控制单元被设置成，驱控所述开关元件(36)，以断开所述开关元件(36)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，所述电池系统(12)具有至少一个保护装置(46、50)以用于将所述电池系统(12)的正极(44)与负极(48)分离，其中，所述控制装置(16)被设置成，在所述控制装置(16)接收到危险信号时驱控所述保护装置(46、50)，以断开所述保护装置(46、50)。
7.根据权利要求6所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，所述控制装置(16)被设置成，只有在所述保护装置(46、50)已经断开时才驱控所述单体支路(30)的开关元件(36)，以断开所述开关元件(36)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，在所述电池单体壳体(24)中相应布置有旁通支路(34)，以跨接相应的原电池单体(32)，并且每个旁通支路(34)具有跨接开关元件(38)，以用于断开和闭合所述旁通支路(34)，其中，所述控制装置(16)被设置成，在所述控制装置(16)接收到危险信号时驱控所述开关元件(36)和所述跨接开关元件(38)，以便断开。
9.根据权利要求8所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，所述控制装置(16)被设置成，在断开所述开关元件(36)和跨接开关元件(38)之后，对于无故障地工作的电池单体(14)，在跨接开关元件(38)始终断开的情况下，驱控所述开关元件(36)，以闭合所述开关元件(36)。
10.根据权利要求9所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，所述控制装置(16)被设置成，在断开所述开关元件(36)和跨接开关元件(38)之后，对于非无故障工作的电池单体(14)，在开关元件(36)始终断开的情况下，驱控所述跨接开关元件(38)，以闭合所述跨接开关元件(38)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的可动态切断的电池系统(12)，其特征在于，所述电池单体(14)相应具有至少一个传感器(22)，所述至少一个传感器被设置成检测电池单体(14)是否无故障，并且将相关的数据传输给控制装置(16)。
12.一种机动车(10)，其具有根据上述权利要求中任一项所述的可动态切断的电池系统(12)。
13.一种用于运行根据权利要求1至9中任一项所述的可动态切断的电池系统(12)的方法，其中，如果控制装置(16)接受到至少一个传感器(22)的危险信号，借助于所述电池系统(12)的控制装置(16)驱控所述单体支路(30)的所有开关元件(36)，以断开所述开关元件(36)。
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