CN111591139A - 保护装置和方法、电池系统和带有保护装置的电池单体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在电气短路(24)的情况下在机动车(10)的电池系统(11)中关断至少一个电池单体(14)的保护装置(18)，其中保护装置(18)设置成，引导流经所述至少一个电池单体(14)的电流(I)通过测量元件(19)，其中所述电流(I)根据其电流强度和/或其电流强度梯度产生测量电压(21)。本发明设定，测量元件(19)与模拟监控电路(20)耦联，其中比较装置(30)设置成，对于如下情况产生触发信号(23)，即所述电流强度在预定持续时间(35)内至少提高预定的德尔塔值(D)；以及开关装置(25)设置成，接收所述触发信号(23)且在接收到所述触发信号(23)时通过至少一个开关元件(S1、S2)的开关中断所述电流(I)。

Description

保护装置和方法、电池系统和带有保护装置的电池单体
技术领域
本发明涉及一种用于在识别到电气短路的情况下在电池系统中关断至少一个电池单体的保护装置。保护装置可用于机动车或静态蓄能器的电池系统。本发明也包括电池单体和电池系统，其各自设置成，借助于保护装置中断短路。本发明也包括带有按照本发明的电池系统的机动车。最后也提供一种用于在至少一个电池单体中关断产生的短路电流的方法。
背景技术
在机动车中感兴趣的是，在短路的情况下在其电气网络中保护电池系统免于损害，因为短路电路可以持久伤害电池系统的电池单体。因此，在出现短路时必须识别该短路以及中断短路电流。这越快地实施，那么在电池单体中的损害越小，例如热损害或者电化学单体的损坏。
由专利文献EP 2 194 600 B1为此已知的是，用于中断电池电流的开关元件可集成到这样的电池中。
由专利文献DE 10 2011 121 604 A1已知的是，在短路达到其完全的短路电流强度之前，就已经可以识别短路，其方法是检测电流强度的梯度的不允许的大的电流升高而随后打开保护开关。
由专利文献DE 10 2013 220 760 A1同样描述基于电流梯度的短路探测装置，其还可以集成到电池单体中。电池单体的电流的电流强度可以借助于分流电阻检测。电流梯度可以直接借助于线圈测量。
由专利文献DE 10 2017 203 211 A1已知机动车的车载电网的监控，其也监控电流强度的梯度。
由专利文献US 2015 048 799 A1已知所谓的智能电池，其中根据当前的运行状态可以实施充电和放电过程。
已知的监控方法基于：用于中断短路的开关元件的控制可由微控制器控制，微控制器可在达到完全短路电流强度之前已经识别在短路情况下的电流强度的升高。但是这需要：以相应大的扫描频率实施测量信号的数字化。由此，这样的保护装置在实施中是非常昂贵的。
发明内容
本发明的目的在于，在短路的情况下中断在至少一个电池单体中的电流。
该目的通过独立权利要求的主题解决。本发明有利的实施形式通过从属权利要求、如下说明书中的描述以及附图描述。
通过本发明提供一种用于在电池系统中关断至少一个电池单体的保护装置。电池系统在此可运行在机动车或静态蓄能器中。关断在电气短路的情况下进行。保护装置设置成，引导流经所述至少一个要保护的电池单体的电流通过测量元件，在测量元件中，电流根据其电流强度和/或根据其电流强度梯度(电流强度随时间的变换)产生测量电压。这样的测量元件例如可以具有分流电阻(用于电流强度关系)和/或电感(用于梯度关系的电气线圈)。电池单体的关断如此实现，其方法是通过切换/关断至少一个开关元件的来中断或关断所述电流。
为了将在识别短路中的技术成本保持小，本发明设定，测量元件与模拟监控电路耦联，其中比较装置设置成，对于如下情况产生或至少激活一触发信号，即电流强度在预定持续时间内至少提高预定的德尔塔值/差值(Deltawert)。换言之，短路的识别通过如下方式实现，即要监控的电流的电流强度和/或电流强度梯度的监控借助于模拟监控电路实现。这因此不指定借助于模拟数字转换器的扫描且因此不受奈奎斯特频率的限制，如借助于微控制器进行数字监控那样。一旦模拟监控电路产生触发信号，那么可以中断电流。为此保护装置的开关装置设置成，接收触发信号且在接收到触发信号时中断电流。开关装置又可以以模拟电路或数字电路，例如微控制器为基础。开关装置可以将开关元件——电流流经该开关元件——切换到电气中断状态。模拟开关电路在此无需等待，直至电流强度超过预定边界值，亦即直至已经完全构成短路(达到短路电流强度)。而是已经在如下情况下识别到短路或探测到短路，即当电流强度在预定持续时间内至少升高预定的德尔塔值，亦即在该持续时间内产生大于德尔塔值的电流强度变化。因此可以已经在产生短路时——同时电流强度还升高——将这种情况识别为短路且开关装置中断电流。
本发明具有如下优点，即不依赖快速模拟数字转换器，用以分析监控的电流的电流强度的梯度。触发信号的产生可以借助于模拟监控电路基于纯模拟实施，从而不产生针对奈奎斯特频率的限制。
本发明也包括如下各实施形式，通过这些实施形式产生附加的优点。
在一种实施形式中，测量元件根据电流强度、亦即特别是不根据电流强度梯度产生测量电压。换言之，测量元件以测量元件的阻性电阻值为基础，测量元件为此例如可以具有分流电阻。换言之，测量电压与电流强度值成比例。比较装置具有电容器和/或电感且设置成，在保护装置运行时以预定的时间常数限制电容器的再充电。电容器与测量元件耦联。如果测量电压基于电流强度的变化而变化，那么这也作用于电容器上的电压。如果电流强度的变换足够快速地进行，那么比较装置可以仅仅以限定的时间常数对电容器再充电，从而不能足够快速地(甚至仅仅以时间常数限定地)补偿电流强度的快速变化，由此隐含地产生电流强度的升高与时间常数的比较。如果电流强度的升高相应以相比于相应于时间常数的梯度更小的梯度进行，那么在电容器上基于比较装置本身产生更快速的再充电过程，从而电流强度的变化相应小地作用于电容器的荷电状态。那么电容器是否实际上再充电取决于测量电压多快地，亦即以何种梯度或以单位时间的何种值升高或降低电流强度。
在一种实施形式中，比较装置具有高通滤波电路，其设置成，根据测量电压的信号曲线产生触发信号。换言之，测量电压的信号曲线如下通过高通滤波电路滤波或分析：是否存在位于在高通滤波电路的边界频率之上的频率部分。这样的在边界频率之上的频率部分仅仅在具有预定的按照数值的最小升高的信号曲线的上升沿或下降沿产生。那么，如果电流强度较缓慢升高，那么不产生在边界频率/临界频率之上的频率部分。如果电流强度相比之下以位于阈值——该阈值与边界频率对应——之上的梯度变化，那么产生在边界频率之上的频率部分，这由高通滤波电路如下识别，使得产生或激活一触发信号。模拟高通滤波电路的优点在于，通过确定边界频率可以区分一方面短路电流的开始与另一方面基于机动车的例如加速阶段受控的电流升高。特别优选地，基于微分器提供比较装置。微分器的电路可以以已知的方式基于运算放大器形成。微分器是高通滤波电路的特定的形式，其特别鲁棒地探测在短路情况下的电流升高。
在一个优选实施形式中，所述方式的测量元件是分流电阻。作为测量元件为此例如可以应用具有预定的小于5毫欧、特别是小于1毫欧的电阻值的电气组件，电流被引导通过该电气组件。对此附加或备选地，线路元件和/或导体电路可用作分流电阻。分流电阻具有如下优点，即分流电阻附加地也可用于测量用于至少一个电池单体的功率输出和/或功率消耗的监控的电流的电流强度。在测量元件的触点上可设有用于测量电压的电压分接部/电压抽头。
在一种实施形式中，比较装置包括模拟比较电路，模拟比较电路设置成，根据比较装置的输出信号产生触发信号。借助于模拟比较电路可以通过确定比较值或参考值来区分触发情况(其中应产生触发信号)与正常运行情况(其中不应产生触发信号)，比较值或参考值由比较电路接收且与例如所述高通滤波电路和/或带有电容器和/或电感的所述电路的输出信号进行比较。优选地设定，比较值适应性地设计，从而例如对于如下情况，即设有机动车的所述加速运行(所谓的增压运行)和/或机动车或充电站的快速充电运行，随后可以改变或调整比较值，从而即使暂时存在在没有匹配比较值的情况下本来将导致产生触发信号的电流升高和/或电流强度，也不会导致触发信号的误触发。
在一种实施形式中，在测量元件下游连接用于放大测量信号的放大电路和/或滤波电路。由此产生如下优点，即可使测量元件对电流的影响保持小，从而例如在分流电阻的情况下仅仅小的电阻值、特别是小于2毫欧的电阻值是必要的，以便检测电流强度的信号曲线。在放大电路下游那么可以连接有所述比较装置。放大电路可以基于运算放大器。滤波电路可以设计为，例如借助于平滑化或低通滤波或带通滤波滤除电压峰值。这可以避免误触发。
所述保护装置可以设计为单个电池单体的一体的组成部分，从而通过其保护装置本身保护电池单体免于短路。在此通过本发明也提供一种电池单体，其通过已知的方式具有用于产生单体电流的电化学单体。电池单体优选具有单个的电化学的单体。这样的单体例如可实现为所谓的单体卷。在电池单体中集成有至少一个开关元件，其设计为用于开关单体电流。开关元件例如可以是晶体管或由多个晶体管组成的装置。在按照本发明的电池单体中，按照本发明的保护装置集成到电池单体中。如果在电池单体的单体电极之间产生短路，那么电池单体借助于其保护装置本身得到保护，其方法是保护装置借助于开关元件关断或中断其单体电流。
保护装置也可集成到电池系统中，但在此是设置在单体之外，用以保护多个电池单体。在此，本发明也设有带有多个电池单体的电池系统，其中电池系统包括按照本发明的保护装置的实施形式。对此备选地，电池系统也可以由多个按照本发明的电池单元形成，亦即，电池系统的每个电池单体本身借助于本身的集成的保护装置得到保护。
本发明也包括带有按照本发明的电池系统的至少一种实施形式的机动车，用于多个电池单体的保护装置集成到其中或者每个电池单体已经集成其本身的保护装置。按照本发明的机动车优选设计为汽车、特别是轿车或卡车或者设计为客车或摩托车。如上所述，本发明也可以实现在静态蓄能器中，其例如可以与充电桩一起运行，用以为之暂存能量。
按照本发明的保护装置的运行产生一种方法，其同样是本发明的组成部分。该方法在电气短路的情况下关断在电池系统中至少一个电池单体。为此，所述保护装置用于，引导也流经至少一个电池单体的电流通过测量系统或测量元件，在测量系统或测量元件中，电流根据电流的电流强度和/或电流强度梯度产生测量电压。那么不测量原本的由电池单体产生的电压，而是测量电流强度或电流强度的梯度，其中提供相应的测量元件、例如分流电阻和/或电感，电流被引导通过相应的测量元件。
测量元件与模拟监控电路以所述方式耦联，其中比较装置对于如下情况产生或激活一触发信号，即电流强度在预定持续时间内提高至少预定的德尔塔值，亦即电流强度在预定持续时间内改变预定的电流强度值。持续时间可以位于在0.1毫秒至10毫秒的范围中。德尔塔值可以位于在10安培至500安培的范围中。
开关装置根据触发信号通过切换/关断至少一个开关元件来中断电流。如果因为电流强度在预定持续时间内提高至少一个德尔塔值产生了触发信号，那么通过开关装置中断电流。为此能以所述方式将电流流经的开关单元切换到电气中断状态。
附图说明
在下文中描述本发明的实施例。其中：
图1示出按照本发明的机动车的一种实施形式的示意图；
图2示出按照本发明的保护装置的示意图；
图3示出带有在第一短路情况下图1的机动车电池的电池单体的运行参量的示意曲线的视图；
图4示出带有在第二短路情况下运行参量的示意曲线的视图；以及
图5示出带有在第三短路情况下运行参量的示意曲线的视图。
在下文中阐明的实施例是本发明的优选实施形式。在各实施例中，各实施形式的所述构件各自表示本发明单个的要相互无关考虑的特征，其各自也相互无关地改进本发明。因此本公开也应包括各实施形式的特征的不同于示出组合的组合。此外，所述实施形式也可通过本发明的上述特征中的另外的特征补充。
在附图中相同附图标记各自表示功能相同的元件。
具体实施方式
图1示出了机动车10，机动车10可以是汽车，特别是轿车或卡车。在机动车10中可以设有电池或电池系统11，以便能够在机动车10中产生电功率。电池系统11例如可以是高压电池系统，借助于该高压电池系统可提供电池电压给电池电极12，电池电压大于60伏特，特别是大于100伏特。在电池电极12上可连接有车载电网13，车载电网13例如可具有功率电子装置用以运行机动车10的驱动电动机。
为了在电池电极12上提供电池电压，在电池系统11中可以提供多个电池单体14，其中在图1中为清晰起见仅仅示出单个电池单体14，而其余的电池单体通过省略号15象征性地代表。电池单体14可连接在电池系统11的电路连接装置16上，电池单体14可通过其与电池电极12电路连接或连接。电路连接装置16例如可以包括至少一个汇流排和/或至少一个金属线。
通过每个电池单体14可以提供单体电压U，单体电压U可处于在1伏特至8伏特的范围中。为了产生单体电压U可以在电池单体14中设有电化学单体C，电化学单体C例如可以设计为单体卷。每个电池单体14可以设计为所谓的智能单体或可开关的电池单体。为此可以在电池单体14中提供至少一个开关元件S1、S2，通过开关元件S1、S2可以关断各一个电流I，从而可以中断或阻止该电流I。通过该至少一个开关元件S1、S2可以中断电流I从电化学单体C朝电池单体14的单体电极17的电流。此外可以设定，在电池单体14中提供保护装置18，用以在短路情况下——如果电流I大于最大允许的最大值——保护电池单体14免于损坏。为此保护装置18能以示出的方式提供在电池单体14中。在另一实施形式中，保护装置也可以由外部连接到单体电极17上，且由此唯一的保护装置可对于多个电池单体14有效或有用。
保护装置18可以具有测量元件19，单体C的电流I可引导通过该测量元件19。与测量元件19可耦联模拟监控电路20，模拟监控电路20可根据测量元件19的测量电压21借助于比较装置22产生触发信号23，触发信号23信号表示：短路已经开始且因此至少一个开关元件S1、S2可切换到中断。短路可能存在于电池单体14中，或者如图1所示在电池单体14之外作为短路24例如在电路连接装置16中或者在另一电池单体中或者在车载电网13中存在。
开关装置25可接收触发信号23且接着驱控至少一个开关元件S1、S2，用以将其切换到中断状态，由此阻止或阻碍电流I的电流强度的进一步升高。开关装置25可以以微控制器为基础。
附加地可以提供另一传感器装置26，通过该另一传感器装置26可以运行另外的传感器27，例如温度传感器。此外可以借助于电压测量单元28监控单体电压U。传感器装置26和电压测量单元28以及适合的传感器27本身由现有技术已知。
关于免于短路24的保护，可以通过在图2中示出的方式设计保护装置18。在图2中再次示出测量元件19，电流I可从电化学单体C朝单体电极17流经该测量元件19。测量元件19例如可以基于分流电阻29实现，通过分流电阻29测量电压21根据电流I的电流强度下降，亦即测量电压21的数值按照欧姆定律与电流强度有关。
模拟监控电路20可以具有比较装置30，其与测量元件19耦联。在比较装置30的输出端31上可以设有比较器32，用以比较比较装置30的输出信号33与比较值34，且对于输出信号33超过或低于比较值34的情况，可以通过比较器32产生触发信号23。
比较装置30的工作原理在下文中根据图2和3阐明。
图3在图表中示出单体电压U和电流I的随时间t的时间曲线，电流I在此可以是电化学单体C的单体电流。为进一步阐明应假定：在短路时刻T出现短路24。通过比较装置30可以监控：电流I的电流强度的时间变化是否在预定持续时间35内变化大于预定的德尔塔值D。在示出的示例中将德尔塔值调节到值800安培，其中这仅仅是示例性的德尔塔值D。在图3中基于如下示例，其中短路24引起在单体电极17之间具有1毫欧电阻值的电气连接。比较装置30在短路时刻T或者自从短路时刻T识别到：电流I的电流强度在持续时间值35内改变大于德尔塔值D。由此产生电流I的电流强度的梯度dI/dt，其位于在边界值之上，这通过信号表示基于短路24的陡的电流升高。
输出信号33可产生用于例如借助于在图2中示出的模拟电路的比较，其中测量元件19与放大电路36耦联，放大电路36放大测量电压21。放大电路36可以在需要时设置。经放大的测量电压21’(或者未放大的测量电压21)可以调节或确定比较装置30的电容器38的电容器电压37。如果电容器38将其电荷再充电超过接地电位40，但是这不是任意快速的，而是时间常数——以该时间常数可改变电容器38的电压——可通过电感39限定。时间常数可以由此通过电感39的值和电阻41调节并由此匹配于在车载电网13中可能的负载情况或时间过程。因此可以区分预定的负载请求如例如机动车10的加速与起始或开始的短路24。示出的电路可以如下实现，其方法是作为模拟电路实现或提供二阶高通滤波器42。输出信号33可以在所述设计方案中是输出电压39’，如果再充电过程在电容器38中基于经放大的测量电压21’的变化发生，那么输出电压39’可以通过电感39下降。
备选地，比较装置30可以基于微分器的电路，为此也可以设有运算放大器。
为了能实现短路24的开始的更清晰的限定或更无干扰的识别，可以将比较装置30的输出信号33通过比较器32与比较值34比较，用以提供触发信号23作为开关信号，开关信号在两个信号状态之间切换。比较值34在此也可以是可匹配或可调节的，以及例如通过控制装置44预先规定，控制装置44识别或规划在车载电网13中即将来临的或规划的加载过程或开关过程。因此，比较值34例如可以通过通信连接45由控制装置44朝电池单体14或保护装置18的通信装置46发送或传输。保护装置18那么可以调节或提供用于比较器32的接收的比较值34。如果例如应给用于机动车10的运行的电动机在增压模式下供以电流，该电流在预定的最高持续时间上大于额定电流，或者开始快速充电运行，那么可以由此阻止保护装置18的触发，即相应地匹配比较值34。随后又可以调回到之前调节的或设定用于正常运行的比较值34。
图4阐明：短路24借助于保护装置18的所述探测或识别在如下情况下也是可能的，即假如短路24引起在单体电极17之间5毫欧而不是1毫欧的电阻值。德尔塔值D在此是相应匹配/调整的。
图5阐明：如果德尔塔值D调节到例如在50安培至300安培的范围中的值，那么探测在具有10毫欧的短路24的情况下也是可能的。
由此仅仅德尔塔值D的调整是必要的，以便可以对不同的短路类型做出反应或者可以考虑不同电阻值的短路24。
此外示出如下，如何在结束时刻T1结束短路以及由此又形成单体电压U。应注意的是，结束时刻T1不相应于关断时刻，如关断时刻可通过保护装置引起。保护装置18的关断过程在图3至5中未示出。关断过程将在短路时刻T或直接在之后(亦即在短路时刻T之后1秒钟之内)进行。为了阐明短路的影响而是示出在没有短路识别和没有短路关断的情况下的传统流程。换言之示出：如果什么都不做，会发生什么。
因此，借助于电流梯度测量dI/dt可以识别短路24或在电流中较强的变化。为此，测量元件19(例如分流电阻29)形式的电流测量装置和时间上的电流梯度确定是需要的，其在模拟监控电路20中可借助于比较装置30实现。保护装置18因此可以在短路24的开始或起始在持续时间——其可以处于在10微秒至10毫秒的范围中——内将一个开关元件S1、S2或多个开关元件S1、S2切换到电气中断或保持电气中断(在已经打开或电气中断的开关元件的情况下)，从而不产生如下电流，如该电流在维持短路24和继续接通的电化学单体C的情况下将出现。由此避免在电池单体14上的损坏。
通信连接45例如可以基于有线通信或无线电通信。例如可以在电池系统11中设有通信总线和/或光纤通信网。无线电连接例如可以基于蓝牙技术和/或WLAN技术(WLAN-无线局域网)实现。
在识别到短路的情况下，如果产生触发信号23，也可以经由通信装置46将指示信号43发送给至少另一电池单体14，例如发送给至少一个相邻单体和/或控制装置44，从而由此也可以控制或采取附加的保护措施。
因此产生非常快速的短路探测并因此在短路电流形成的同时就关断电流。在此涉及在电池单体14中可易于实现的附加功能。而且也可以鲁棒和可靠地区分短路24与在机动车10的加速期间和/或在增压模式期间常规的电流。由此产生在电池单体14运行可靠性方面的提升。因为阻止短路电流的形成，所以实现避免不期望的强烈的电池单体负载。用于产生触发信号的触发阈值可以通过至少一个可调节的阈值和/或参数值改变或适配，如这结合比较值34所述。但是也可以设定，将至少另一阈值和/或参数值设计为可变的且根据车载电网13的规划的或即将来临的负载情况进行匹配，用以避免保护装置的误触发。例如，德尔塔值D和/或持续时间值35可以设定为保护装置18的相应的可调节的或可设置的参数值。
总体上上述实施例揭示了如何可以通过本发明借助于电流梯度测量在可开关的电池单体(智能单体)的情况下提供短路探测。

Claims (10)

1.一种用于在电气短路(24)的情况下在电池系统(11)中关断至少一个电池单体(14)的保护装置(18)，该保护装置(18)设置成，引导流经所述至少一个电池单体(14)的电流(I)通过测量元件(19)，在该测量元件中，该电流(I)根据其电流强度和/或其电流强度梯度产生测量电压(21)，其特征在于，测量元件(19)与模拟监控电路(20)耦联，其中比较装置(30)设置成，对于电流强度在预定持续时间(35)内至少提高了预定的德尔塔值(D)的情况激活一触发信号(23)，以及开关装置(25)设置成，接收所述触发信号(23)并且在接收到所述触发信号(23)时通过切换至少一个开关元件(S1、S2)来中断所述电流(I)。
2.根据权利要求1所述的保护装置(18)，其中，测量元件(19)根据电流强度产生测量电压(21)，所述比较装置(30)具有电容器(38)和/或电感(39)且设置成，在保护装置(18)运行时以预定的时间常数限制所述电容器(38)的再充电，其中，所述电容器(38)与测量元件(19)耦联。
3.根据上述权利要求之一所述的保护装置(18)，其中，比较装置(30)具有高通滤波电路(42)。
4.根据上述权利要求之一所述的保护装置(18)，其中，所述测量元件(19)以分流电阻(29)为基础形成。
5.根据上述权利要求之一所述的保护装置(18)，其中，监控电路(20)包括模拟比较电路(32)，该模拟比较电路设置成，根据比较装置(30)的输出信号(33)产生触发信号(23)。
6.根据上述权利要求之一所述的保护装置(18)，其中，在所述测量元件(19)下游连接有用于放大测量信号(21)的放大电路(36)和/或滤波电路。
7.一种电池单体(14)，包括用于产生单体电流(I)的电化学单体(16)和用于开关所述单体电流(I)的至少一个集成的开关元件(S1、S2)，其中根据上述权利要求之一所述的保护装置(18)被集成到所述电池单体(14)中。
8.一种电池系统(11)，包括多个电池单体(14)和至少一个根据权利要求1至6之一所述的保护装置(18)。
9.一种机动车(10)或静态蓄能器，各自带有根据权利要求8所述的电池系统(11)。
10.一种用于在电气短路(24)的情况下在电池系统(11)中关断至少一个电池单体(14)的方法，其中保护装置(18)引导流经所述至少一个电池单体(14)的电流(I)通过测量元件(19)，在测量元件中，所述电流(I)根据其电流强度和/或其电流强度梯度产生测量电压(21)，其特征在于，测量元件(19)与模拟监控电路(20)耦联，其中比较装置(30)对于电流强度在预定持续时间(35)内提高至少预定的德尔塔值(D)的情况激活一触发信号(23)，以及开关装置(25)根据所述触发信号(23)通过切换至少一个开关元件(S1、S2)来中断所述电流(I)。
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