CN111801867A - 用于车载电网的电池连接端 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池连接端(10，12)，所述电池连接端借助电子控制的电流分配来实现电子控制的车载电网耦合‑断开功能性，其中，所述电池连接端包括一定数量的开关元件，所述开关元件中的至少一些分别星点状地彼此连接，其中，所述星点状连接设置为用于与电压源的正极连接。

Description

用于车载电网的电池连接端
技术领域
本发明涉及一种用于车载电网、尤其用于容错型车载电网的尤其是智能的电池连接端，涉及一种具有这种电池连接端的车载电网以及一种用于运行这种车载电网的方法。
背景技术
车载电网尤其在汽车应用中应理解为机动车中所有电气组件的总体。因此，这不仅包括耗电器、而且包括供电源例如发电机或电储能器(例如电池)。在机动车中应注意，电能如此可用，使得可以随时启动机动车并在运行期间确保足够的电流供给。但在停机状态下耗电器也应当仍能运行一个适当时间段而不会影响随后的启动。
应当注意的是，由于机组的电气程度提高和新驾驶功能的引入，对机动车中电能供给的可靠性和容错性的要求不断提高。还应考虑到，将来在高度自动化驾驶中应在有限范围内允许与非驾驶的活动。在这种情况下，在传感器方面、调节技术方面、机械方面和能量方面的通过驾驶员实现的回归层面仅有限地存在。因此，在高度自动化或完全自动化或自主驾驶的情况下，电源具有以前在机动车中未知的安全性相关性。因此，必须可靠且尽可能完全地识别并隔离车载电网中的故障。
自动化或高度自动化的驾驶应理解为介于辅助驾驶和自主驾驶之间的中间阶段：在辅助驾驶中驾驶员受辅助系统支持，在自主驾驶中车辆独立地且不受驾驶员影响地行驶。在高度自动化驾驶中车辆具有自身的智能，智能进行预先计划并且至少在大多数驾驶情况下可以承担驾驶任务。因此，在高度自动化驾驶中供电具有高度的安全性相关性。因此可以冗余地实施能量供给和耗电器。冗余式制动执行器的能量供给就是这方面一个示例，其中，通过第一(部分)车载电网对电子稳定程序(ESP：Electronic Stability Program)进行供给并且通过第二(部分)车载电网对机电式制动助力器(EBB：ElectromechanicalBrake Booster)进行供给。因此，由两个冗余的能源供电可能是目的明确的。
因此，需要耦合元件来耦合安全性相关的(部分)车载电网，这些(部分)车载电网能够独立地识别故障的耗电器或耗电器组或部分电网，并将它们没有反作用地且可靠地与其余(部分)车载电网断开，以便满足在对安全性相关的耗电器的供给中对容错的要求，这些要求在私家车、商用车或载货车的自动化驾驶中给出。
发明内容
在这种背景下，提出根据权利要求1的智能电池连接端(IBAT：IntelligentBattery Terminal)和根据权利要求8的具有至少两个这种智能电池连接端的容错型车载电网。此外，提出根据权利要求10的用于运行这种车载电网的方法。实施方式由从属权利要求和说明书中得出。
在此，尤其提出一种借助于基于开关的耦合或断开元件来提高在机动车的多通道车载电网中的电能量供给的容错性的做法或方法。
因此，提出一种智能电池连接端(IBAT)，该智能电池连接端合并了耦合及断开元件和多通道电子保险装置的功能并且还可以配备其他功能，例如电池状态识别或电池管理。该智能电池连接端可以用在车载电网中，并且在本文中也被称为耦合/断开元件、电子保险装置或电子电流分配器。
在此，两个智能电池连接端是替换一个设置用于耦合两个安全性相关的(部分)车载电网的集中式耦合/断开元件的结果，该集中式耦合/断开元件具有对断开功能的可靠性的更高要求，其不利的相互作用特性逐步消除。
在这些地方都要求断开功能的高度可靠性：耦合/断开元件将两个或多个安全性相关的(部分)车载电网耦合；在耦合状态下(部分)车载电网之一中的故障可能导致同时在耦合到该网上的其他与安全性相关的(部分)车载电网中造成影响。
在此，智能电池连接端应理解为耦合/断开元件的特别有利的构型或起开关作用的元件、尤其是功率电子部件的特定布置，其带有从属的连接端、传感器、分析处理电路和操控电路，所述构型或布置能够自动地探测所连接的耗电器和线路中的故障，并将故障的耗电器或线路与其余(部分)车载电网无反作用且可靠地隔离，并且，基于在电压源正极上的优化定位，具体说直接或通过短导线连接到正极上，所述构型或布置可以有利地在功能上被扩展以可选的附加功能，例如电池状态识别(BSD：Battery State Detection)、电池管理系统(BMS：Battery Management System)、数据记录等。
由于触发装置的非常短的响应时间和可准确配置的阈值，电子保险装置的功能使受保护的电缆的电负荷和热负荷最小，从而能够实现对横截面的更好的利用，因此减少总的电缆重量、能量消耗和空气污染。
所提出的智能电池连接端实现尤其自主驾驶所需的电子控制的车载电网耦合-断开功能与电子控制的电流分配的功能合并。在此可以借助半导体开关或继电器来实现。在此，还提出通过分布式耦合/断开元件及其在电压源正极上的电定位(即直接或通过短线路连接到该正极上)实现这种功能联合。
因此，代替起开关作用的耦合/断开元件的集中式实施方案，提出具有两个单元的分布式实现方式，所述两个单元各包括否则必需的冗余开关布置的一半。该实现方式可以要么直接在电压源的正极连接端上，例如电池正极上，要么通过短导线连接到该电极上，并且装备有附加的开关元件，以保护由该电压源供电的耗电器或部分车载电网或耗电器组。
应当注意的是，电池连接端导线是被(电池)总电流流经的有电阻和有电感的线路区段，所述线路区段与电池的内部阻抗串联连接并且对作为电压源的电池的电性能产生负面影响。因此，电池连接端导线的长度必须最小化。
另一方面，要求限制处于电池和为了对所连接的导线进行热保护而要安装的过电流设备之间的导线长度，该另一方面使得随着导线长度增加而在导线上出现故障、例如正极导线的接地短路的可能性增大。
DIN EN ISO 10133还要求，在导体上测量，在系统的每个电流回路或导体中在距电源200mm的距离内必须安装保险装置。
应当注意的是，由于将集中式开关功能划分开，构成对断开功能的可靠性具有较高要求的耦合/断开元件(多个双向断开开关的串联电路)的冗余开关单元可以相同地实施并且与集中式实施相比附加地可以实施得较小并具有减少的冷却耗费，因为功率损失被分布在两个物理单元上。以这种方式不仅可以降低开发成本、而且可以降低制造成本。
在构型方面，在电压源的正极连接端上设置开关元件的星点状电连接。这具有以下优点：通过电压源将在断开负载时产生的感应电压过冲和电压下冲在电压方面钳制住，因此不会影响对所连接的耗电器或(部分)车载电网的电压供给的品质。
如果设置了附加集成的开关元件以保护由电压源供电的耗电器或部分车载电网或耗电器组，则具有以下优点：由于耗电器本身或在其供电线路中(例如由于过载或相对于车身或接地的短路)可能引起的故障电流可以通过同一耦合/断开元件或相同的智能电池连接端来探测并与其余(部分)车载电网断开或隔离，而在使用集中式耦合/断开元件时，即使在电压源的正极连接端上实现耗电器的星点状连线的情况下，这也是不可能的。
另一优点在于，可能出现的故障电流(所述故障电流例如由于过载或相对于车身或接地的短路而在要耦合的(部分)车载电网之间的线路段中出现)，可以通过智能电池连接端来探测和断开。这可以冗余地实现，这在使用集中式耦合/断开元件时也是不可能的。集中式耦合/断开元件虽然可以探测电压骤变并断开先前耦合的车载电网，但是无法断开在所述(部分)车载电网断开之后仍加载在其中之一上的故障电流。
通过所提出的智能电池连接端或耦合元件(该电池连接端或耦合元件也用作电子保险盒或电流分配器)在汽车电池的正极上或正极处的优化定位，不仅可以进一步减少用于功率耦合的耗费，而且也可以将附加的应用功能(例如电池状态感测或电池单元管理)集成在所提出的智能电池连接端中。在这里还值得一提的是集成到电池壳体中的可能性。智能电池连接端的集成可能性尤其适合于锂离子电池。
借助多个IBAT，可以简单地实现可扩展的容错型功率网络或车载电网，具有多个被准确监控的功率通道或车载电网通道，包括每个通道中的故障耗电器的自动的、无反作用的断开功能以及所耦合的车载电网通道的自动的、无反作用的断开功能。
所提出的智能电池连接端尤其使得在过电压或欠电压或过电流的情况下能够无反作用地、即不影响剩余的要保护的(部分)车载电网中的电压供给地关断耗电器或部分网络。因此，没有违反要保护的(部分)车载电网中的耗电器的运行电压极限和有故障的部分车载电网中的线路的运行电流极限。
本发明的其他优点和构型从说明书和附图中得出。
当然，在不脱离本发明的范围的情况下，以上提及的和下面还要阐述的特征不仅能够以分别说明过的组合使用，而且能够以其他组合或独自地使用。
附图说明
图1示出在使用两个所提出的智能电池连接端的情况下的容错型车载电网的一种实施方式，具有所提出的分布式耦合/断开元件，所述分布式耦合/断开元件具有对断开功能的可靠性的更高要求。
图2示出根据现有技术借助集中式耦合/断开元件耦合的两个(部分)车载电网，所述集中式耦合/断开元件具有对断开功能(两个双向断开开关的串联连接)的可靠性的更高要求。
图3示出图2的借助集中式耦合/断开元件耦合的两个(部分)车载电网，其中，由于耦合/断开元件的开关功能造成的感应式电压过冲和电压下冲对所耦合的(部分)车载电网的耗电器的影响通过所述车载电网到相应的电压源(例如电池)的星点连接而得以最小化。
图4示出图3的两个(部分)车载电网，它们使用所提出的两个智能电池连接端被耦合。通过两个分布式双向断开开关(分布式耦合元件)的串联连接考虑了对断开功能可靠性的更高要求。通过耦合/断开元件在空间上的划分附加地实现了针对连接两个(部分)车载电网的中间线路段中的接地短路的容错性。各个耗电器或耗电器组到对应的(部分)车载电网的电压源(电池)的星点连接以可切换的方式实现，因此可以对耗电器或耗电器组进行单独监控并且在故障情况下将其隔离或断开。星点连接附加地使由于开关元件的功能而在待耦合或待断开的(部分)车载电网中引起的感应电压过冲和电压下冲的影响最小化。
图5示出图4中的两个(部分)车载电网，它们使用两个所提出的智能电池连接端耦合，其中，即使在分布式耦合元件中发生简单故障的情况下也实现了针对连接两个(部分)车载电网的中间线路段的接地短路的容错。
具体实施方式
根据实施方式在附图中示意性地示出本发明并且下面参考附图详细地描述本发明。
图1示出由两个耦合的容错型(部分)车载电网30、40组成的容错型车载电网2，其中，不仅(部分)车载电网30、40的容错、而且整个车载电网2的容错都通过使用所提出的智能电池连接端来实现，即借助第一电池端10和第二电池端12实现。这两个电池端10、12也可以称为智能电池端。第一电池连接端10设置为用于第一电池20，在此例如为铅酸电池，第二电池连接端12设置为用于第二电池22，在此例如为具有单电池接触部或BMS接口65的锂离子电池。此外，第一电池20配属于具有耗电器32、34、36的第一部分车载电网30，第二电池22配属于具有耗电器42、44、46的第二部分车载电网40。可以将这两个部分车载电网30、40彼此耦合和相互断开。
为了监控第一电池20，设置电流表50、电压表52和温度传感器54。相应地，为了监控第二电池22，设置电流表60、电压表62(具有通过BMS接口65感测各个电池单元的电压的可能性)和温度传感器64。在电池端10、12中设有一系列例如构型为MOSFET的开关元件或开关。下面将进一步讨论该结构。
还可以在连接(部分)车载电网30、40的线路86的任意区段中设置具有柔性连接点70、71的起动器21和具有柔性馈电点70、71的辅助能源或主要能源23，例如电机、发电机或DC/DC转换器等。此外，提供用于与上级控制器进行通信的通信接口，例如CAN(74、75)、LIN(72、73)等。此外可以设置控制接口或信号线路以及BMS接口65。
所提出的电池连接端10、12可以在容错型车载电网2中满足多个功能。因此，所述电池连接端不仅可以用于电流分配，也可以用于(部分)车载电网30、40的耦合。可以以这种方式监控所示出的(部分)车载电网30、40以及连接这些(部分)车载电网的线路86。此外，可以结合电池管理系统(BMS：Battery Management System)和/或电池单元管理装置65设置电池状态识别(BZE/英语BSD：Battery State Detection)。尤其在违反运行电压极限的情况下，可以将(部分)车载电网彼此断开或者将部分网络或耗电器组与电压源断开。为此，在第一智能电池端10中设置一系列具有从属的电压测量点、电流测量点和温度测量点90、92、93、94和95的开关元件，在第二智能电池端12中也设置一序列具有从属的电压测量点、电流测量点和温度测量点80、82、83、84和85的开关元件。开关元件可以为了提高载流能力而并联连接，也可以为了实现双向断开能力(例如在以半导体开关实现的情况下)而串联连接。
重要的是，所提出的智能电池连接端10、12在不同的车载电网配置中的灵活应用可能性，例如用于辅助或主要能源(例如电机、发电机或中央直流电压转换器)或起动器到图1中略示出的容错型车载电网2中的连接。
图2表明开发过程中的初始情况，并且示出第一(部分)车载电网102和第二(部分)车载电网104，所述第一车载电网和第二车载电网要根据现有技术通过线路段140借助集中式耦合/断开元件106耦合。
在第一(部分)车载电网102中设置第一电池110、第一电池状态监控装置112、第一第一耗电器R1,1114和第一第n耗电器R1,n116。在第二(部分)车载电网104中设置第二电池120、第二电池状态监控装置122、第二第一耗电器R2,1124和第二第n耗电器R2,n126。此外，在图示中表明由于寄生电感和潜在长的、未受保护的线路段140引起的与距离有关的开关过电压强度130。
图3示出第一部分车载电网202和第二部分车载电网204，所述第一部分车载电网和第二部分车载电网要通过线路段240借助集中式耦合/断开元件206彼此耦合。
在第一部分车载电网202中设置第一电池210、第一电池状态监控装置212、第一第一耗电器R1,1214和第一第n耗电器R1,n216。在第二部分车载电网204中设置第二电池220、第二电池状态监控装置222、第二第一耗电器R2,1224和第二第n耗电器R2,n226。此外在图中示出由于耦合元件206的开关功能引起的感应式电压过冲和电压下冲230，所述电压过冲和电压下冲被锁定在具有低阻抗的储能器之间，由此使得其对所耦合的(部分)车载电网的耗电器的影响最小化，该图中还表明潜在长的、未受保护的线路段240。此外应当注意，耦合元件206可以说对于区域250中的电流故障是盲的。
显然，在图2和3中所示的耦合元件106、206构造为集中式单元。
图4示出两个部分车载电网302、304，它们使用两个所提出的智能电池连接端330、332通过线路段360耦合。在第一部分车载电网302中设置第一电池310、第一电池状态监控装置312、第一第一耗电器R1,1314和第一第n耗电器R1,n316。在第二部分车载电网304中设置第二电池320、第二电池状态监控装置322、第二第一耗电器R2,1324和第二第n耗电器R2, n326。
第一智能电池连接端330配属于第一部分车载电网302，第二智能电池连接端332配属于第二部分车载电网304。在第一电池连接端330中设置有开关或者开关元件，即第一MOSFET 340、第二MOSFET 342、第三MOSFET344和第四MOSFET 346。第一MOSFET 340和第二MOSFET 342彼此并联布置。第三MOSFET 344和第四MOSFET 346彼此串联布置，具体说反向串联，例如“背对背”或具有共同的源极连接端。此外可以看清楚，作为开关元件的第一MOSFET 340、第二MOSFET 342和第三MOSFET 344之间的星点状连接与第一电池310的正极连接。
在第二电池连接端332中设置有开关或者开关元件，即第一MOSFET350、第二MOSFET 352和第三MOSFET 354和第四MOSFET 355。第一MOSFET 350和第二MOSFET 352彼此并联布置。第三MOSFET 354和第四MOSFET 355彼此串联布置，具体说反向串联，例如“背对背”或具有共同的源极连接端。此外可以看清楚，作为开关元件的第一MOSFET 350、第二MOSFET 352和第四MOSFET 355之间的星点状连接与第二电池320的正极连接。
例如，也可以使用继电器、双极晶体管或具有并联二极管的IGBT代替MOSFET。
该图示还示出受保护的电网连接360并表明分布式开关元件370、受保护的电网区域380和锁定在具有低阻抗的储能器之间的开关过电压330，所述分布式开关元件构成具有对断开功能的可靠性的更高要求的、合成的分布式耦合/断开元件。
图5示出两个部分车载电网402、404，它们使用两个所提出的智能电池连接端430、432通过线路段460耦合。在第一部分车载电网402中设置有第一电池410、第一电池状态监控装置412、第一第一耗电器R1,1414和第一第n耗电器R1,n416。在第二部分车载电网404中设置有第二电池420、第二电池状态监控装置422、第二第一耗电器R2,1424和第二第n耗电器R2,n426。
第一智能电池连接端430配属于第一部分车载电网402，第二智能电池连接端432配属于第二部分车载电网404。在第一电池连接端430中设置有开关或者开关元件，即第一MOSFET 440、第二MOSFET 442、第三MOSFET444和第四MOSFET 446。第一MOSFET 440和第二MOSFET 442彼此并联布置。第三MOSFET 444和第四MOSFET 446彼此串联布置，具体说反向串联。此外可以看清楚，作为开关元件的第一MOSFET 440、第二MOSFET442和第三MOSFET444之间的星点状连接与第一电池410的正极连接。
在第二电池连接端432中设置有开关或者开关元件，即第一MOSFET450、第二MOSFET 452和第三MOSFET 454和第四MOSFET 456。第一MOSFET 450和第二MOSFET 452彼此并联布置。第三MOSFET 454和第四MOSFET 456彼此串联布置，具体说反向串联。此外可以看清楚，作为开关元件的第一MOSFET 450、第二MOSFET 452和第四MOSFET 456之间的星点状连接与第二电池420的正极连接。
该图示还示出受保护的电网连接460并表明分布式开关元件470、受保护的电网区域480和锁定在具有低阻抗的储能器之间的开关过电压490，所述分布式开关元件构成具有对断开功能的可靠性的更高要求的、合成的分布式耦合/断开元件。
要考虑的是，通过构成分布式开关元件470的开关元件(这里是MOSFET)的要特别强调的同向布置来实现对连接两个(部分)车载电网的中间线路区段460中的接地短路的更好的容错，该容错允许开关元件470中的简单故障。

Claims (10)

1.一种电池连接端，所述电池连接端实现带有电子控制的电流分配的、电子控制的车载电网耦合-断开功能，其中，所述电池连接端(10，12，330，332，430，432)包括一定数量的开关元件，所述开关元件中的至少一些分别星点状地彼此连接，其中，所述星点状连接设置为用于与电压源的正极连接。
2.根据权利要求1所述的电池连接端，所述电池连接端包括作为开关元件的第一MOSFET(340，350，440，450)、第二MOSFET(342，352，442，452)、第三MOSFET(344，354，444，454)和第四MOSFET(346，355，446，456)，其中，所述第一MOSFET(340，350，440，450)和所述第二MOSFET(342，352，442，452)彼此并联布置，而所述第三MOSFET(344，354，444，454)和所述第四MOSFET(346，355，446，456)彼此串联布置，其中，所述第一MOSFET(340，350，440，450)与所述第二MOSFET(342，352，442，452)以及所述第三MOSFET(344，354，444，454)或所述第四MOSFET(346，355，446，456)星点状地彼此连接。
3.根据权利要求2所述的电池连接端，在所述电池连接端中，所述第三MOSFET(344，354，444，454)和所述第四MOSFET(346，355，446，456)彼此反向地布置。
4.根据权利要求2所述的电池连接端，在所述电池连接端中，所述第三MOSFET(344，354，444，454)和所述第四MOSFET(346，355，446，456)彼此同向地布置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池连接端，在所述电池连接端中，附加地设置有至少一个电池状态识别装置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池连接端，在所述电池连接端中，附加地设置有至少一个电池单元管理装置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池连接端，在所述电池连接端中，附加地设置至少一个电池管理系统。
8.一种车载电网，所述车载电网具有第一(部分)车载电网(30，202，302，402)和至少一个另外的(部分)车载电网(40，204，304，404)，其中，所述第一(部分)车载电网(30，202，302，402)通过第一根据权利要求1至7中任一项所述的电池连接端(10，330，430)并且所述至少一个另外的(部分)车载电网(40，204，304，404)通过一个另外的根据权利要求1至7中任一项所述的电池连接端(12，332，432)彼此耦合。
9.根据权利要求8所述的车载电网，在所述车载电网中，在每个(部分)车载电网(30，40，202，204，302，304，402，404)中，耗电器星点状地彼此连接。
10.一种用于运行根据权利要求8或9所述的车载电网(2)的方法，在所述方法中，将所述第一(部分)车载电网(30，202，302，402)和至少一个另外的(部分)车载电网(40，204，304，404)通过配属于所述(部分)车载电网的根据权利要求1至7中任一项所述的电池连接端(10，12，330，332，430，432)彼此耦合。
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