CN110945731A - 用于在电池系统充电时识别故障电弧的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在特别是铅蓄电池的电池系统(4)充电时识别故障电弧(60)的方法(58)，电池系统以电的方式串联为链(10)，链(10)通过直流电压换流器(18)来馈电。建立对应于施加到链(10)上的电压(30)的第一值(64)和对应于流过链(10)的电流(32)的第二值(70)。作为第一条件，检验第一值(64)在第一时间窗(76)之内是否改变了多于第一边界值(78)。作为第二条件，检验第二值(70)在第二时间窗(82)之内是否改变了多于第二边界值(84)。当在第三时间窗(88)之内存在第一条件和第二条件时，识别出电弧(60)。本发明此外涉及用于制造特别是铅蓄电池的电池系统(4)的方法(2)以及涉及关断设备(12)。

Description

用于在电池系统充电时识别故障电弧的方法
技术领域
本发明涉及一种用于电池系统充电时识别故障电弧的方法。优选地考虑铅蓄电池作为电池系统。本发明此外涉及一种用于制造电池系统的方法和一种关断设备。
背景技术
铅蓄电池通常用作汽车电池。在此电池中，通常将六个或十二个分别带有2V的电池单元串联相接。每个电池单元分别具有两个布置在稀硫酸中的铅电极，稀硫酸用作电解质。在放电状态中，硫酸铅(II)层沉积在两个电极上。在充电状态下，两个电极之一，即正电极，具有氧化铅(IV)层，而负的电极则基本上由多孔铅组成。为避免通常相对紧凑布置的电极之间的短路，在电极之间布置有分离器，例如由穿孔的、波纹式的聚氯乙烯(PVC)制成的分离器。
在机械制造之后要求对铅蓄电池充电，因为铅蓄电池通常在汽车领域用作起动机电池，并且在更换起动机电池后要立即准备使用汽车。为此，要求在制造时将电压施加到铅蓄电池上确定的时间段，并且以此对铅蓄电池充电。为使得在相对短的时间段之内制造大量铅蓄电池，这些铅蓄电池通常被串联相接并且与电压源接触。为此，一方面要求使铅蓄电池相互电接触。这通常通过松动地安放连接线缆、相对简单地夹紧到铅蓄电池的各个接头来实现。但是，在此例如由于污染或安装不当，在其中一个线缆与相关的接头之间的连接可能松动。由于施加的电压，在这些组件之间可能构成电弧，通过电弧此外流过电流。换言之，以此方式无法中断充电过程。
由于施加电压使用作电解质的硫酸解离，并且至少部分地形成氢，氢与氧混合并因此形成氢氧爆鸣气。通常将氢氧爆鸣气保持在相应的铅蓄电池的壳体内。然而由于制造公差，也可能形成相对大量的氢氧爆鸣气。在此情况中，为了避免铅蓄电池的壳体由于过压破裂，将壳体的封闭件打开，使得氢氧爆鸣气可以逸出。在此，此类氢氧爆鸣气云可能运动到电弧的区域内。由于通过电弧提供的火花，即特别是由于等离子体和此等离子体的相对高的温度，可能引爆氢氧爆鸣气云。这可能导致用于制造铅蓄电池的机组和布置在其处的铅蓄电池的损坏，以及导致对于在场的任何人的伤害。
从US 2017/0126036 A1中已知一种用于电池的充电系统。WO 2017/079041 A1也示出了一种电池系统，通过所述电池系统可以辨识出充电时的故障。
发明内容
本发明的任务是改进电池系统的充电，其中特别是降低爆炸的风险和/或提高可靠性。
关于用于电池系统充电时识别故障电弧的方法，此任务通过权利要求1的特征解决，关于用于制造电池系统的方法，此任务通过权利要求9的特征解决，以及关于关断设备，此任务通过权利要求11的特征解决。有利的改进方案和构造是相应的从属权利要求的主题。
该方法用于识别故障电弧，特别是识别出在两个充电部件之间构成等离子体，其中，通过等离子体在两个充电部件之间建立或维持电流流动。为了构成此类故障电弧(ARC)需要大于最小电压的电压。例如，该最小电压取决于接触材料、电流强度和/或空气温度。特别是最小电压基本上等于15伏。
通过此方法在电池系统充电时识别故障电弧。电池系统以电的方式串联接线为链。链本身通过直流电压换流器来馈电。因此实现从直流电压换流器到链的能量流动。因此，链至少部分地、优选完全地形成负载，并且直流电压换流器至少部分地、优选完全地形成源。换言之，通过直流电压换流器将直流电压施加到链上，直流电压合适地基本是恒定的。例如，将分别带有所配属的调节部的多个链彼此并联相接，这些链特别地是彼此结构相同的。链具有至少两个电池系统，优选地具有5个电池系统至50个电池系统之间，特别地具有10个电池系统至30个电池系统之间，并且例如具有15个电池系统。
特别地，每个电池系统具有电解质和/或每个电池系统是电化学的电池系统。每个电池系统的电解质特别是水性的和/或在水溶液中。合适地，每个电池系统是带有水性电解质的电池系统。例如，每个电池系统具有被合适地接线的多个电化学电池单元。合适地，电池系统是结构相同的。电池系统例如是蓄电池，并且因此是可充电的。特别地，电池系统是开放系统。换言之，例如在电池系统充电时，确定的化学物质离开或例如从环境空气中接收确定的化学物，例如特别是空气、氧或氢。电池系统特别优选地是铅蓄电池，如用于机动车辆的所谓的起动电池。例如，特别是铅蓄电池的电池系统在已充电的状态中具有12伏或24伏的电压(额定电压值)。为了进行电池系统的充电合适地使用如下充电策略，该充电策略包括分段的电流和/或电压调节。特别地，为电池系统的每个可能的单元施加直至2.4伏的电压(充电电压)，例如为每个电池系统施加直至13.8伏或14.8伏的电压。由于串联接线，因此需要通过直流电压换流器提供此充电电压的数倍的电压，其中，倍数等于每链的电池系统的数量。
例如，通过调节施加在链上的电压或通过调节流过链的电流来进行电池系统的充电。例如，首先调节流过链的电流。如果将电池系统充电到确定的程度，则特别地改变对施加在电池系统上并且因此施加在链上的电压的调节。
方法规定，在一个工作步骤中，建立对应于施加到链上的电压的第一值。例如，施加到链的电压被直接用作第一值。替代地，根据该电压来建立第一值。例如，第一值根据该电压计算或根据特性曲线簇获知。但是，第一值至少取决于所施加的电压。在例如时间上在第一工作步骤之前或之后进行的另一工作步骤中建立第二值，第二值对应于流过链的电流。合适地，第一值和第二值的建立基本上同时进行。优选地，第一值基于如下电压，在根据其建立第二值的电流流动时施加该电压。例如，将电流直接用作第二值，或根据电流来计算第二值，或根据特性曲线簇来获知第二值。特别地，适当地测量电压或电流，以用于建立第一值和第二值，特别是直接测量电压或电流。
在另一步骤中，作为(一个)第一条件，检验在第一时间窗之内第一值是否改变了多于第一边界值。改变被理解为例如增加或减少。特别地，仅检验第一值是否升高了多于第一边界值。优选地检验，在第一时间窗之内或在对应于第一时间窗的时间段之内根据其建立第一值的电压是否升高了对应于第一边界值的确定的值。优选地，如果通过直流电压换流器对链馈电，则基本上连续地检验第一条件。
此外，作为(一个)第二条件，检验在第二时间窗之内第二值是否改变了多于第二边界值。改变被理解为例如增加或减少。合适地，仅检验第二值是否降低了多于第二边界值。优选地检验，在对应于第二时间窗的时间段之内，基于其建立第二值的电流是否降低了多于对应于第二边界值的确定的值。总之，因此特别是隐含地检验施加在链上的电压在确定的时间段之内是否升高，以及电流在另一时间段之内是否降低。例如，如果通过直流电压换流器为链馈电，则至少例如基本上连续地检验第二条件的存在。替代地，仅在满足第一条件时检验第二条件的存在。
合适地，分别建立第一值或第二值的时间走向的导数，以用于确定第一值或第二值是否改变了多于第一边界值或第二边界值，这简化了对于两个条件的检验。如果在第三时间窗之内存在第一条件和第二条件，则识别出电弧。例如，仅时间上在第一个条件出现后才出现第二个条件时，才识别出电弧。合适地，在此也仅当存在第一条件时才检验第二条件。
总之，因此特别地检验施加在链上的电压是否升高并且流过链的电流是否降低。当出现电弧时，该电弧例如在其中一个电池系统的电接触部与将电池系统连接的线缆等之间形成，使得电弧与电池系统串联相接。由于电弧并且由于各个电池系统以及直流电压换流器的组件和其他组件(例如特别是向直流电压换流器馈电的变压器)提供了(等效)电容，整个链上的出现的电压升高并且电流降低。在一定的振荡和再调节阶段之后，此阶段特别地大于第一、第二和第三时间窗，施加在链上的电压或流过链的电流将变得正常。
由于识别出电弧，可以实现例如切断直流电压换流器或将链从直流电压换流器分离或至少电中断，使得电弧熄灭。这意味着可以比较快地识别出可能的松动的电连接，使得在电池系统充电时产生的可能的爆炸性气体到达电弧的区域/松动连接的区域中之前就切断电弧。因此，降低了电池系统充电时的爆炸风险，并且因此提高了可靠性。也避免由于在充电期间存在的电弧和升高的温度发生相应的电池系统的极的烧毁或至少避免其变形。因此也减少了在电池系统充电时的废品。由于对两个条件进行检验，此方法是相对稳健的，并且与所出现的电弧的数量以及基本上与电弧的相应的持续时间无关。特别地，仅在电池系统、特别是例如铅蓄电池的可再充电的电池系统充电时才执行用于识别故障电弧的方法。替代地，当已被充电至少一次的电池系统被再次充电和/或继续充电时，实施用于识别故障电弧的方法。
优选地，通过对在第四时间窗内施加在链上的电压求平均来建立第一值。换言之，检测在第四时间窗期间在链上施加的电压。在第四时间窗期间多次获知电压，特别是两次以上、五次以上或十次以上获知电压。例如，连续地获知电压，或例如根据合适地数字式进行的进一步处理来获知电压。获知特别地与可能的A/D转换器相协调，例如与其采样率相协调。例如，每隔一微秒、每隔二微秒、每隔五微秒、每隔十微秒、每隔二十微秒、每隔五十微秒或每隔一百微秒新检测一次电压。特别地，使用算术平均来求平均，使得首先形成所施加的电压的值的总和，并且将其除以值(测量值)的数量。合适地，如果获知了新的电压值，即特别是每10微秒新建立第一值。对在第四时间窗期间所获知的电压的值求平均并且将此值例如用作第一值。换言之，平均值本身被用作第一值。然而，特别优选地，将平均值的时间走向的导数用作第一值并且将其与第一边界值进行比较，该导数特别地通过数值计算来近似地获知。
替代地或特别优选地组合地，第二值通过在第五时间窗内对流过链的电流求平均来建立。在此，在第五时间窗期间合适地多次检测，例如测量电流，并且将这些值(测量值)用于求平均。在第五时间窗期间多次获知电流，特别是两次以上，五次以上或十次以上获知电流。例如，电流被连续地获知(检测)，或例如合适地数字式进行的进一步处理来获知。获知特别地与可能的A/D转换器相协调，例如与其采样率相协调。合适地，建立算数平均值。例如，平均值本身被用作第二值。但是，特别地优选将平均值的时间走向的导数用作第二值，并且与第二边界值进行比较。
特别地，为了获知第一值或第二值，分别考虑100个测量值与400个测量值之间，例如考虑300个测量值。第四时间窗的长度优选地等于第五时间窗的长度，这简化了处理。由于求平均将暂时的电流或电压的峰值整平滑，这避免了电弧的错误辨识。此外也考虑了直流电压转换器的供电电压的可能的波动。替代地，作为求平均的替代，例如使用第四时间窗期间施加的电压的最大值或最小值或第五时间窗期间流动的电流的最大值或最小值。
合适地，分别形成经平滑的平均值，使得如果提供另外的测量值，则不再使用更早时间的测量值用于形成平均值。合适地，第四和/或第五时间窗的长度是恒定的。特别是，如果存在电压或电流的新测量值，则新获知第一值或第二值。例如，为了进行获知使用所谓的FIFO存储器(“先进先出”)，这简化了计算。在此特别地仅将被用于求平均的值储存在存储器内，并且基于它们建立第一值和第二值。例如为形成平均值，从已建立的平均值中减去要从存储器中消除的值的那部分，并且添加新的要存储的值的部分。
特别地，第四时间窗的长度等于直流电压换流器的相数的两倍与直流电压换流器的馈电频率之积的倒数。换言之，首先确定借助它们使直流电压换流器运行的相的数量的两倍。例如，将直流电压换流器联接到三相交流电网上。在此情况中，相数等于三(“3”)。相数的两倍特别地对应于直流电压换流器的子电桥的数量。如果直流电压换流器特别地具有例如被构建为B6电路的电桥电路，并且因此具有六个半导体，则相数的两倍等于六(“6”)。如果直流电压换流器连接到单相交流电网上，则两倍等于二(“2”)。
馈电频率是直流电压换流器的各个相中的每一个相所具有的频率，即例如50Hz或60Hz。在其馈电频率为60Hz的三相直流电压换流器的情况中，第四时间窗的长度为1/360s，即大约2.8ms。在其馈电频率为50Hz的三相直流电压换流器的情况中，第四时间窗的长度为1/300s，即大约3.3ms。替代地分别使用其整数倍。换言之，第四时间窗的长度等于该倒数的两倍、三倍、四倍……。因此，第四时间窗的长度等于该倒数的多倍，即该倒数的单倍、两倍、三倍……..。由于第四时间窗的长度和用于确定第一值的平均值，由通过其运行直流电压换流器的交流电压所引起的电压波动被基本上完全整平滑。以此，可以避免错误地辨识电弧。
替代地或特别优选地，与此相结合，第五时间窗的长度等于直流电压换流器的相数的两倍与直流电压换流器的馈电频率或馈电频率的整数倍之积的倒数。特别地，因此如果直流电压换流器具有B6电路并且以60Hz的馈电频率运行，则第五时间窗的长度为1/360s、2/360s、3/360s、4/360s、5/360s……。因此，由直流电压换流器的结构所引起的而非取决于电弧的电流波动被整平滑，这避免了电弧的错误辨识。合适地，第四时间窗的长度等于第五时间窗的长度。如果直流电压换流器仅具有唯一的相，则第四时间窗或第五时间窗的长度等于通过其为直流电压换流器馈电的频率的两倍的倒数。
例如，将第三时间窗的长度选择为等于第四时间窗的长度。替代地，将第三时间窗的长度选择为等于第五时间窗的长度。特别地优选地，将第三时间窗的长度选择为等于第四时间窗的长度并且等于第五时间窗的长度。换言之，第四时间窗的长度等于第五时间窗的长度。由于这样的选择避免了错误判断，并且相对快速和可靠地识别出可能的电弧。例如，对于第三时间窗的长度使用1毫秒至65毫秒之间，例如使用3毫秒。替代地，选择2毫秒作为第三时间窗的长度。
第一边界值例如被选择为大于或等于15伏。为了维持电弧要求至少15伏的电压，使得如果出现电弧并且电弧与电池系统串联相接，则出现至少15伏的电压的升高。因此，如果施加在链上的电压升高多于15伏，则可靠地识别出电弧。但是特别地优选地将第一边界值选择为小于12伏。替代地或特别地优选地组合地，第一边界值大于6伏。例如，第一边界值在10伏与8伏之间。如果第一值因此在第一时间窗之内增加了多于6伏、8伏、10伏或12伏，则满足第一条件。对于第一边界值的此类选择，由于该下边界，基本上排除了电弧的错误识别。上边界被选择为小于电弧所要求的电压。特别地，如果将电压求平均以用于建立第一值，则以此方式在电弧发生之后已相对快速地识别出电弧。此外，无需电弧基本上连续地出现。以此方式，也识别出例如由于电池系统相互的连接松动而周期性地或不规则地出现的电弧，或者其持续时间短于第一和/或第二时间窗的电弧。
例如，选择第一边界值除以系统电感的两倍之商作为第二边界值。在此，系统电感例如通过测量来确定、计算或估计。系统电感描述了用于电池系统充电的系统的电感，并且在很大程度上特别地根据可能的通过其为直流电压换流器馈电的变压器来确定。另外，系统电感特别地在小程度上取决于链，即线缆和电池系统。系统电感特别地与直流电压换流器和/或所使用的电池系统及其数量相协调。例如，第二边界值大于或小于所述商。因此，如果第二值特别是降低了多于所述商，则满足第二条件。
特别地，第一时间窗的长度等于直流电压换流器的相数的两倍与直流电压换流器的馈电频率之积的倒数。换言之，首先确定通过它们使直流电压换流器运行的相的数量的两倍。例如，直流电压换流器联接到三相交流电网上。在此情况中，相数为三(“3”)。相数的两倍特别地等于直流电压换流器的子电桥的数量。如果此直流电压换流器特别地具有例如构造为B6电路的电桥电路，并且因此具有六个半导体，则相数的两倍等于六(“6”)。如果直流电压换流器连接到单相交流电网上，则两倍等于二(“2”)。
馈电频率是直流电压换流器的各个相中的每个相所具有的频率，例如50Hz或60Hz。因此，在馈电频率为60Hz的三相直流电压换流器的情况中，第一时间窗的长度因此为1/360s，即大约2.8毫秒。在三相直流电压换流器的馈电频率为50Hz的情况中，第一时间窗的长度为1/300s，即大约3.3ms。换言之，检验第一值在2.8ms或3.3ms内是否改变了多于第一边界值，并且特别是增大了多于第一边界值。替代地，分别使用其整数倍。换言之，第一时间窗的长度等于倒数的两倍、三倍、四倍……。因此，第一时间窗的长度等于倒数的数倍，即倒数的单倍、两倍、三倍……。
替代地或特别优选地组合地，第二时间窗的长度等于直流电压换流器的相数的两倍与直流电压换流器的馈电频率之积的倒数或以其整数倍。特别地，因此如果直流电压换流器具有B6电路并且以60Hz的馈电频率运行，则第二时间窗的长度因此特别是1/360s、2/360s、3/360s、4/360s、5/360s……。
如果直流电压换流器仅具有唯一的相，则第一或第二时间窗的长度等于通过其为直流电压换流器馈电的频率的两倍。第一时间窗的长度优选地等于第二时间窗的长度。由于此类对于第一或第二时间窗的长度的选择实现了相对更可靠的故障电弧的识别，因为当故障电弧出现时电压和电流的改变在时间上相对靠近地相互跟随。但是，例如由于直流电压换流器的制造公差所引起的相对暂时的波动不被错误地辨识为电弧。合适地，第一和/或第二时间窗基于采样频率，特别是根据其使可能的A/D转换器运行的频率。例如，第一时间窗的长度是等于对应于采样频率的时间段的整数倍。
合适地，仅当在其之内出现了第一和第二条件的第三时间窗之前施加在链上的电压大于第三边界值时，才识别出电弧。换言之，如果在第三时间窗之内存在第一条件和第二条件，则检验直接在此第三时间窗之前电压是否大于第三边界值。第三边界值例如大于100伏，大于120伏并，且特别地小于200伏。例如，第三边界值基本上等于150伏。例如，第三边界值处在链的单元的数量与2V之积的50％到75％之间。替代地或组合地，仅当在第三时间窗之前流过链的电流大于第四边界值时，才识别出电弧，其中，在此第三时间窗之内既满足第一条件又满足第二条件。因此，检验直接在其之内出现了第一和第二条件的第三时间窗之前流过链的电流是否大于第四边界值。第四边界值例如取决于电池系统和/或大于1安培(A)，2安培或3安培，并且例如小于10安培。例如，将5安培用作第四边界值。替代地或特别优选地，与前述两个条件组合，仅在以下情况下才识别出电弧：在其之内既满足第一条件又满足第二条件的第三时间窗期间流经链的电流大于第五边界值。第五边界值例如大于0.5安培，1安培，并且例如小于3安培或2安培。
由于另外的条件确保对电池系统进行实际充电，并且确保系统已处于振荡后的状态和/或稳定状态。换言之，第一条件和第二条件例如不会由于直流电压换流器或其他部件的接通效应而出现。也不辨识在接通过程期间出现的电弧。在电池系统接通时，以及基本上在接通电源并且电池系统开始充电之后不久尚不形成爆炸性气体，因此无爆炸危险。作为检验另外的条件的替代，例如检验电池系统是否已充电了确定的时间段。此信息例如通过线缆、线路、数字信号或总线系统被传输。在此情况中，仅在电池系统已充电了确定的时间段之后，特别是已充电10秒或1分钟之后，才识别电弧。
用于制造电池系统的方法规定，首先提供多个未充电的电池系统。基于电化学原理的蓄电池例如用作电池系统。特别地，提供了包括电解质的可再充电的电池系统。为此，例如首先将电极和电解质机械地放置在壳体内。铅蓄电池特别优选地被用作电池系统。在未充电的铅蓄电池的情况中，在硫酸溶液中基本上布置有多个由铅制成并且相互适当接线的电极。
未充电的电池系统以电的方式串联为链。例如，线缆等被安放或固定到每个电池系统的极上，并且与其中一个另外的未充电的电池系统的另一极电接触。链与直流电压换流器电接触，例如直接地或特别优选地通过关断设备与直流电压换流器电接触。换言之，链与关断设备电接触，并且关断设备与直流电压换流器电接触。特别地，通过关断设备实现链与直流电压换流器的电分离或至少电中断。将未充电的电池系统接线为链以及与直流电压换流器的接触例如在唯一的方法步骤中进行。
在另外的方法步骤中，通过直流电压换流器将电压施加到链上，并且建立经过链的电流。为此，优选地合适地控制关断设备。施加到链上的电压等于电池系统的数量与其中一个电池系统所需的充电电压之积，并且例如基本上等于400伏。电流特别地处在5安培与100安培之间，处在10安培与90安培之间，并且例如处在30安培与80安培之间。
此外实施有一种用于在电池系统充电时识别故障电弧的方法。在此，建立对应于施加到链的电压的第一值。此外，建立对应于流过链的电流的第二值。作为第一条件，检验在第一时间窗之内第一值是否改变了多于第一边界值。在此特别地检验，在第一时间窗之内第一值是否增加了多于第一边界值。作为第二条件，检验在第一时间窗之内第二值是否改变了多于第二边界值。在此特别地检验，第二值是否增加了多于第二边界值。为了获知条件，特别地确定第一和/或第二值的时间走向的导数。
当在第三时间窗之内存在第一条件和第二条件时，识别出电弧。第三时间窗的长度特别地基本上等于3毫秒或例如更短，特别地等于2毫秒或1毫秒。因此，相对更可靠地识别出在制造电池系统时出现电弧。
例如，如果自施加电压并建立电流以来已经过了确定的时间段和/或在链上施加了确定的电流强度和/或确定的电压，则电池系统将被完全充电并因此建立电池系统。在此情况中，优选地中断通电和/或中断电压的施加。此外，特别地将电池系统相互之间的接线取消。换言之，将链再次分开，使得各个电池系统分开。例如，将电池系统装运和/或包装。
例如，在施加电压并建立电流流动之后，首先将电流调节到确定的值。在经过确定的时间之后，合适地调节到确定的电压。电池系统优选在充电期间被冷却，即只要将电压施加在链上和/或只要存在电流流动则将电池系统冷却。为此，电池系统例如被施加以冷却空气。替代地或组合地，电池系统例如被布置在冷却盆中，冷却盆至少部分地被填充以液体，特别是水。
合适的是，在识别出电弧时，将链与直流电压换流器电分离或至少电中断。换言之，电池链的通电以及因此电池系统的充电结束。电压到链的施加也结束。因此电弧中断，并且用于维持电弧的等离子体冷却。因此，在链的环境中无火花，使得例如由于充电、特别是由于水的解离而产生的任何氢氧爆鸣气云不会被点燃。
关断设备用于将链与直流电压源、特别是直流电压换流器电中断(切断)。特别地，关断设备用于将链与直流电压换流器电流分离。链本身具有多个电相接的电池系统，例如特别是铅蓄电池。关断设备包括电流传感器，通过电流传感器可以检测电流。此外，关断设备具有电压传感器，通过电压传感器在运行中检测电压。关断设备优选具有开关，例如继电器或半导体开关，例如功率晶体管，特别是MOSFET、IGBT或晶闸管。例如，关断设备具有到总线系统等的接口。关断设备还具有控制单元，控制单元特别地在信号技术上与电流传感器和/或电压传感器耦联。例如，控制单元包括A/D转换器，通过A/D转换器在运行中将电流传感器或电压传感器的输入信号转换为数字值。合适地，开关和/或接口也与控制单元耦联，使得通过控制单元能操作开关和/或接口。在此，电流传感器、电压传感器和开关被合适地布置，使得如果将关断设备电相接在直流电压换流器与链之间，则在运行期间借助于电流传感器检测流过链的电流。在运行中通过电压传感器检测施加在链上的电压。通过开关可以实现建立或中断从直流电压转换器流到链的电流流动。通过接口实现将控制信号或电报输出到特别是总线系统(数据总线)上。
根据该方法运行控制单元，在该方法中建立对应于施加在链上的电压的第一值。此外，建立对应于流过链的电流的第二值。作为第一条件，检验在第一时间窗之内第一值是否改变了多于第一边界值，并且作为第二条件，检验在第一时间窗之内第二值是否改变了多于第二边界值。如果在第三时间窗之内存在第一条件和第二条件，则识别出电弧。如果识别出电弧，则特别地控制开关，使得不再由直流电压换流器向链馈电。换言之，特别地中断开关。替代地或组合地，通过接口输出控制命令或电报。优选地借助于控制命令或电报将直流电压换流器切断。控制单元适合于、特别是设置和设立成执行此方法。
与在电池系统充电时识别故障电弧的方法相关地论述的改进方案和优点在意义上也转移到用于制造电池系统的方法和/或关断设备，并且反之亦然。
附图说明
下文根据附图更详细地解释本发明的实施例。其中各图为：
图1示出用于制造电池系统的方法，所述方法带有用于在电池系统充电时识别故障电弧的方法；
图2示意性地简化示出多个电池系统，这些电池系统被串联电接线为通过直流电压换流器来馈电的链，
图3示出直流电压换流器的用于电中断链的关断设备，
图4示出在出现故障电弧时施加在链上的电压的时间走向，
图5示出在出现故障电弧时流过链的电流的时间走向，
图6示出在出现故障电弧时第一值的时间走向，和
图7示出在出现故障电弧时第二值的时间走向。
在所有附图中，对应的部分设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了用于制造呈铅蓄电池形式的电池系统4的方法2。在第一工作步骤6中提供未充电的电池系统4。在第二工作步骤8中，将未充电的电池系统4彼此串联接线为链10，并且将它们与关断设备12接线，如在图2中所图示。在此，电池系统4的一个的负极分别与其中另一个电池系统4的一个正极电接触，用以分别通过呈线缆形式的电桥14构成链10。链10的两个接头端与关断设备12电接触。
在第三工作步骤16中，例如在与第二工作步骤在时间上同时、之前或之后进行的第三工作步骤中，使关断设备12与直流电压换流器18电接触。直流电压换流器18具有电桥电路20，该电桥电路带有六个呈MOSFET或晶闸管形式的半导体开关22。替代地，半导体开关22是功率半导体二极管。因此，电桥电路20因此是B6电路，并且因此具有六个子电桥。通过与三相交流电网26电接触的三相变压器24为直流电压换流器18馈电。因此，交流电网26具有三个相，其中，每个相是正弦形的并且具有60赫兹的频率。
时间上随后进行的第四工作步骤28中，通过直流电压换流器18将电压30施加到关断设备12上，并且因此施加到链10上。此外，由于电压30，建立通过关断设备12和通过链10的电流32的流动。通过直流电压换流器18提供392伏的电压和50安培的电流，其中，提供了28个电池系统4。此外，首先调节到期望的电流32。在确定的时间段之后，调节到电压30。
在图2中示意性简化地图示了关断设备12，关断设备具有送出导体34和返回导体36。送出导体34在第一接头38与第二接头40之间延伸并且例如通过电流轨形成。在安装状态中，直流电压换流器38的接头的其中一个接头电联接在第一接头38上。在安装状态中，链10的其中一个接头联接在第二接头40上。返回导体36在第三接头42与第四接头44之间延伸，其中，直流电压换流器18的剩下的接头联接在第三接头42上，并且在安装状态中，链10的剩下的接头联接在第四接头44上。呈继电器形式的开关46被引入到返回导体36内，使得可以通过开关46来中断在第三接头42与第四接头44之间的电流流动。开关46在信号技术上与控制单元48连接，使得通过控制单元48操作开关46。
此外，关断设备12具有电压传感器50，电压传感器包括A/D转换器。在运行期间，通过电压传感器50检测施加在第二接头40与第四接头44之间的电压，并且将其转换成数字值，该数字值被传递到控制单元48上。在此，在运行期间通过电压传感器50每10微秒重新检测一次电压。此外，关断设备12具有电流传感器52，其用于测量在第三接头42与第四接头44之间流动的电流。电流传感器52包括传感器探头54。通过传感器探头54检测在返回导体36上流动的电流。此外，电流传感器52具有A/D转换器56，通过该A/D转换器将传感器探头54的测量值转换成数字值，并且将数字值传递到控制单元48上。在此，在运行期间通过A/D转换器56每10微秒分别建立新的数字值。
在用于制造电池系统4的方法2期间，此外执行用于识别故障电弧60的方法58，其中，例如在其中一个电池系统4的极与所配属的电桥14之间构成故障电弧60，例如因为电桥14由于错误的固定而从所配属的极脱开。用于识别故障电弧60的方法58规定，在第五工作步骤62中，根据通过电压传感器50检测到的并且施加在链10上的电压30来建立第一值64。为此，通过电压传感器50每10微秒分别检测新的电压值(测量值)。在第四时间窗66内将这些测量值求平均，并且因此建立这些测量值的算术平均值。第一值64是电压30的平均值的走向的时间导数。
在图4中图示了电压30的平均值的时间走向，并且在图6中图示了第一值64的时间走向。第四时间窗66的长度等于直流电压换流器18的相数的两倍与直流电压换流器18的馈电频率之积的倒数。直流电压换流器18的相数为3并且馈电频率为60赫兹，因此为了建立其中一个平均值分别使用大约270个测量值，并且因此为了建立其中一个第一值64分别使用大约560个测量值。为了形成平均值，例如在此将所有测量值重新相加，或使用已得到的平均值，并且从中减去时间上最旧的第一值64，并添加时间上最新的第一值64。
在第六方法步骤68中，根据通过电流传感器52检测到的电流32建立第二值70。为此，首先在第五时间窗72内建立流过链10的电流32的算术平均值。电流32的平均值的时间走向在图5中示出。第二值70是平均值的走向的时间导数，并且如在图7所示。第五时间窗72的长度是恒定的并且等于第四时间窗66的长度，因此等于直流电压换流器18的相数的两倍和直流电压换流器18的馈电频率之积的倒数。由于第四时间窗66和第五时间窗67的长度的选择，在由于直流电压换流器18的各个相所引起的在电压30和电流32中的可能的波动上进行平均，使得如果不出现电弧60，则平均值基本上是恒定的。
控制单元48具有两个根据FIFO原理工作的存储器。电流传感器52的测量值在此被储存在两个存储器的一个内，而电压传感器50的测量值储存在两个存储器中的另一个内。两个存储器是结构相同的，并且基本上具有270个存储位置。在此使用储存在存储器中的所有测量值来分别形成电压30或电流32的平均值。
在第七工作步骤74中，检验在第一时间窗76之内第一值64是否改变了多于第一边界值78。第一边界值78被选择为小于12伏且大于6伏，并且等于8伏。选择10微秒作为第一时间窗76的长度。因此，检验在重新获知第一值64之间的时间段之内，第一值64是否改变了多于第一边界值78。如果故障电弧60在点火时刻79点燃，则电压30升高了与维持电池系统4串联相接的故障电弧60所需的值。此电压至少为15伏。
在第八工作步骤80中，作为第二条件检验在第二时间窗82之内第二值70是否改变了多于第二边界值84。第二时间窗82的长度等于第一时间窗76的长度，并且等于10微秒，使得每次重新获知第二值70时也检验第二值70是否已改变了多于第二边界值84。第一边界值78，即10伏除以系统电感的两倍之商被用作第二边界值84。系统电感在此取决于变压器24和电桥14的线缆长度以及其他线缆长度，以及取决于各个电池系统4的数量。
在第九工作步骤86中，检验在第三时间窗88之内是否存在第一条件和第二条件。换言之，检验在相应的时间窗76、82之内，在第一值74改变了多于第一边界值78与第二值70改变了多于第二边界值84之间是否经过了小于第三时间窗88的长度的时间。第三时间窗88的长度被选择为等于第四时间窗66和第五时间窗72的长度，并且因此等于1/360s。
如果满足第一条件和第二条件，则在第十工作步骤90中检验，在其中既满足第一条件又满足第二条件的第三时间窗88之前，施加在链10上的电压30是否已大于第三边界值92，即150伏。此外检验，在其中既满足第一条件又满足第二条件的第三时间窗88之前，流过链10的电流32是否已大于第四边界值94，即5安培。此外检验，在其中既满足第一条件又满足第二条件的第三时间窗88期间，流过链10的电流32是否大于第五边界值96。使用2安培作为第五边界值96。
如果满足这三个另外的条件以及第一条件和第二条件，则在第十一工作步骤98中识别出电弧60。在此，例如输出消息。此外，然后实施第十二工作步骤100，其中，操纵开关46并且因此将链10与直流电压换流器58电分离。如果根本不满足第一条件和第二条件或在第三时间窗88之内不存在第一条件和第二条件，则不识别出电弧60，并且在确定的时间段期满之后，取决于给定的特性曲线地和/或取决于由链10提供/施加的电压/电流地在第十三工作步骤102中结束通过直流电压换流器18对链10的通电。此外，电桥14被脱开并且将现在已充电的电池系统4移除。如果在第三时间窗88之内满足第一和第二条件，但是在第三时间窗88之前施加在链上的电压不大于第三边界值，或者在第三时间窗之前流过链10的电流32不大于第四边界值，或在第三时间窗88期间流过链10的电流32不大于第五边界值96，则不(错误地)识别出电弧60。
总之，当已识别出电弧60时，中断各个电池系统4的充电。以此方式避免点燃在充电期间形成的可能的氢氧爆鸣气云。此外，在识别出电弧60之后，可以检查电池系统4的各个电桥14和/或各个极，并且在必要时对其进行更换。也可实现电桥14的重新施装。在此，使用关断设备12的电流传感器52和电压传感器50，其中，通过相应的A/D转换器56将模拟测量数据分别转换为数字值。通过控制单元48尤其是辨识故障电弧60的典型特征。如果已辨识出故障电弧60，则操纵开关46使得链10与直流电压换流器18电分离。
通过在第四时间窗66和第五时间窗72内的平均将高频成分滤除，这些高频成分特别地由于半导体元件22的操纵而出现。换言之进行整平滑。在此，选择第四和第五时间窗76、72的长度，使得至少分别使用20个测量值来获知第一或第二值64、70，从而获得足够的精度。
由于相对较高的电池容量，在故障电弧60出现时电压30升高了至少15伏，而电流32以指数方式下降，其中，指数最初等于电弧60的初始电压除以系统电感之商的负值。在确定的时间段之后，由于各个电池系统4的放电和再调节，这些效应减弱。
作为第一条件，检验在第一时间窗46之内第一值64是否改变了多于第一边界值78。由于求平均值，这因此对应于检验电压的右侧的平滑的平均值与左侧的平滑的平均值之间的差是否在第一边界值78之上。此外，作为第二条件，检验在第二时间窗82之内第二值70是否改变了多于第二边界值84，即电流32的从右侧获知的平滑的平均值与从左侧获知的平滑的平均值之间的差是否大于第二边界值84，其中，第二边界值84例如是第一边界值78除以系统电感的两倍之商的负值。
此外检验，第一条件是否与第二条件基本同时出现或至少在第三时间窗88之内出现，其中，例如仅当在第三时间窗88之内存在两个条件时才识别出电弧60。例如，此外检验第二条件是否时间上仅在第一条件之后出现。如果为否，则不识别出电弧60。此外，在第十工作步骤90中检验，在假定的电弧60的时刻之前，电压30是否已大于第三边界值92，以及在假定的电弧60的时刻之前，最小电流32是否已大于第四边界值。还检验，在假定的电弧60期间，流动的电流32是否大于第五边界值。以此方式避免了在通电开始期间，即在变压器24和/或直流电压换流器18接通期间，错误地识别出电弧60。
本发明不限于上述示例性实施例。相反，本领域技术人员也可以从中得出本发明的其他变型而不背离本发明的主题。特别地，结合实施例描述的所有单独特征此外也可以以另外的方式相互组合而不背离本发明的主题。
附图标记列表
2 用于制造电池系统的方法
4 电池系统
6 第一工作步骤
8 第二工作步骤
10 链
12 关断设备
14 电桥
16 第三工作步骤
18 直流电压换流器
20 电桥电路
22 半导体开关
24 变压器
26 交流电网
28 第四工作步骤
30 电压
32 电流
34 送出导体
36 返回导体
38 第一接头
40 第二接头
42 第三接头
44 第四接头
46 开关
48 控制单元
50 电压传感器
52 电流传感器
54 传感器探头
56 A/D转换器
58 用于识别故障电弧的方法
60 故障电弧
62 第五工作步骤
64 第一值
66 第四时间窗
68 第六工作步骤
70 第二值
72 第五时间窗
74 第七工作步骤
76 第一时间窗
78 第一边界值
79 点火时刻
80 第八工作步骤
82 第二时间窗
84 第二边界值
86 第九工作步骤
88 第三时间窗
90 第十工作步骤
92 第三边界值
94 第四边界值
96 第五边界值
98 第十一工作步骤
100 第十二工作步骤
102 第十三工作步骤

Claims (11)

1.用于在特别是铅蓄电池的电池系统(4)充电时识别故障电弧(60)的方法(58)，所述电池系统以电的方式串联为链(10)，所述链(10)通过直流电压换流器(18)来馈电，其中，
-建立对应于施加到所述链(10)上的电压(30)的第一值(64)，
-建立对应于流过所述链(10)的电流(32)的第二值(70)，
-作为第一条件，检验所述第一值(64)在第一时间窗(76)之内是否改变了多于第一边界值(78)，
-作为第二条件，检验所述第二值(70)在第二时间窗(82)之内是否改变了多于第二边界值(84)，并且
-当在第三时间窗(88)之内存在所述第一条件和所述第二条件时，识别出电弧(60)。
2.根据权利要求1所述的方法(58)，
其特征在于，
通过对在第四时间窗(66)内施加到所述链(10)上的电压(30)的求平均来建立所述第一值(64)，并且/或者通过对在第五时间窗(72)内流过所述链(10)的电流(32)的求平均来建立所述第二值(70)。
3.根据权利要求2所述的方法(58)，
其特征在于，
所述第四时间窗(66)或所述第五时间窗(72)的长度选择为恒定的，并且相当于所述直流电压换流器(18)的相数的两倍与所述直流电压换流器(18)的馈电频率之积的倒数或该倒数的整数倍。
4.根据权利要求2或3所述的方法(58)，
其特征在于，
所述第三时间窗(88)的长度选择为等于所述第四时间窗(66)或第五时间窗(72)的长度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法(58)，
其特征在于，
所述第一边界值(78)选择为小于12V和/或大于6V。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(58)，
其特征在于，
所述第二边界值(84)选择为等于所述第一边界值(78)除以系统电感的两倍之商。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法(58)，
其特征在于，
所述第一时间窗(66)和/或所述第二时间窗(72)的长度选择为恒定的，并且相当于所述直流电压换流器(18)的相数的两倍与所述直流电压换流器(18)的馈电频率之积的倒数或该倒数的整数倍。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法(58)，
其特征在于，
仅当在以下情况中才识别出电弧(60)：
-在所述第三时间窗(88)之前施加在所述链(10)上的电压(30)大于第三边界值(92)，
-在所述第三时间窗(88)之前流过所述链(10)的电流(32)大于第四边界值(94)，和/或
-在所述第三时间窗(88)期间流过所述链(10)的电流(32)大于第五边界值(96)。
9.用于制造电池系统(4)、特别是铅蓄电池的方法(2)，其中，
-提供多个未充电的电池系统(4)，
-将所述未充电的电池系统(4)以电的方式串联为链(10)，
-将所述链(10)与直流电压换流器(18)电接触，
-通过所述直流电压换流器(18)将电压(30)施加在所述链(10)上并且建立流过所述链(10)的电流(32)，和
-实施根据权利要求1至8中任一项所述的用于识别故障电弧(60)的方法(58)。
10.根据权利要求9所述的方法(2)，
其特征在于，
在识别出电弧(60)时，将所述链(10)与所述直流电压换流器(18)电分离。
11.用于将具有多个以电的方式串联相接的电池系统(4)的链(10)与特别是直流电压换流器(18)的直流电压源电中断的关断设备(12)，所述关断设备带有电流传感器(52)、电压传感器(50)以及控制单元(48)，所述控制单元(48)根据权利要求1至8中任一项所述的方法(58)来运行。
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