CN117413403A - 电池和电池控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池，该电池构造为高压电池(HV电池)，所述电池包括至少下述电池元件：电池单元隔室，所述电池单元隔室具有多个电池单元模块和配属的电池单元测量电路板；主控制单元，所述主控制单元具有主电路板、主处理器和多个微电子元件/电子元件；开关盒，所述开关盒包括用于正HV线路和负HV线路的两个接触器，其中，设置有压力传感器，用于在电池内部空间中的压力测量，并且其中，该压力传感器在主电路板之外布置在下述位置之一处，即在开关盒中、在中央的次级电路板上和/或在至少一个电池单元测量电路板上。

Description

电池和电池控制方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的电池以及一种根据权利要求9前序部分的电池控制方法。
背景技术
在电状态和物理状态方面对电池、尤其是具有多个电池单元模块的电池进行监控。这也包括对热状态的监控，尤其是对所谓的热击穿的探测。为了探测在电池的或者电池系统的一个或者多个电池单元中的热事件(热失控，Thermal Runaway)，对压力或者压力变化曲线进行分析处理，压力升高作为打开过压阀的结果，其结果是在电池的内部空间中在短时间内压力剧烈升高。该压力测量例如借助压力传感器进行，该压力传感器例如可以作为电池管理系统(BMS)的部件布置在主电路板上。这样的“热事件”(热失控，ThermalRunaway)是如下状态：在没有外部的其他影响(例如电流负载)的情况下，升温通过化学过程自动增加，并且其中，该化学过程并行地加速。
例如DE 10 2018 210 975 B4示出这样的组件，其中，借助压力传感器检测热事件，该压力传感器布置在电池控制单元的主电路板上。
将压力传感器安置在主电路板上是不利的，因为该主电路板为此必须进一步在结构上增大，因此安置在电池中是困难的，并且根据ASIL标准对主电路板上的压力传感器的数据的验证被进一步复杂化。
发明内容
本发明的任务在于提供一种改进的压力检测装置。
根据本发明，该任务通过根据权利要求1的特征的电池和根据权利要求9的特征的方法来解决。在相应的、配属的从属权利要求中给出有利的构型。
然后，该任务通过构造为高压电池(HV电池)的电池来解决，该电池包括下述电池元件：
单层的或者多层的电池单元隔室，所述电池单元隔室具有多个电池单元模块和配属的电池单元测量电路板；
主控制单元，该主控制单元具有主电路板、主处理器和多个微电子/电子元件或者构件；
开关盒，在该开关盒中布置有至少两个接触器、分别用于HV+线路和HV-线路的至少一个接触器，用于连接到主电流回路上。本发明的核心在此是，为了识别热事件，即为了识别超过额定温度，设置有压力传感器，用于电池内部空间中的压力测量，并且其中，该压力传感器在主电路板之外布置在下述位置之一处：
开关盒内或者开关盒的区域中；
中央的次级电路板上，该中央的次级电路板同样是电池的元件或者构件；和/或
至少一个电池单元测量电路板上，该电池单元测量电路板通常直接布置在电池单元模块上。
在此，电池单元测量电路板指的是如下电路板：该电路板直接布置在电池单元模块上或者电池单元模块中并且包括微电子构件和部件，所述微电子构件和部件基本上用于控制和分析处理相应的电池单元模块并且与主控制单元连接并由该主控制单元操控。次级电路板是同样与主控制单元连接的另外的中央电路板，该另外的中央电路板与主控制单元和/或主电路板不同。
替代于在此所使用的术语“开关盒”，通常也使用“S盒(S-Box)”、“开关箱(Switch-Box)”或者“BJB(电池接线盒，battery junction box)”。较罕见地，对于相同构件也使用名称“E盒(E-Box)”。
在此，“连接”不应限制性地理解，并且不仅指的是用于电压供给和电流供给的一个或者多个连接，还指的是用于以数据传导的方式进行通信的一个或者多个连接。所述通信尤其可以构造为常见的总线技术或者串行接口中的一种，例如isoSPI，通过单独的单个线缆或者以调制到一个或者多个引导电流的单个线缆上的方式来构造。
在此有利的是，在多个电池单元测量电路板上分别布置压力传感器，尤其是在每个电池单元测量电路板上设置压力传感器。
该解决方案的很大优势在于，在具体的电池单元模块或者电池单元模块组的情况下，在其位置附近直接识别热事件。尤其是，在布置多个压力传感器的情况下，可以从进行探测的压力传感器的顺序中界定该事件的来源。
在一种改进的实施方式中，另外在电池单元测量电路板中的至少一个电池单元测量电路板上设置温度传感器，该温度传感器与至少一个压力传感器相邻地布置在相同的电池单元测量电路板上和/或布置在相邻的电池单元模块的电池单元测量电路板上。
由此也可能的是，借助少量的压力传感器和温度传感器快速且可靠地检测热事件，并且另外在输出源(即有缺陷的电池单元模块或者由电池单元模块组成的组)方面界定这些事件。
在另一种实施方式中，至少一个压力传感器布置在中央的次级电路板上，其中，次级电路板紧固在开关盒中，其中，对此的一种改进方案在于，在开关盒中布置至少一个、尤其是所有微电子高压元件(HV元件)，其方式是，所述高压元件要么布置在次级电路板上、要么布置在自己的高压电路板上。将微电子HV元件转移到中央的次级电路板上的很大优势在于，在高压线路(HV+、HV-)的附近以及在电池单元模块的附近进行状态检测和分析处理，并且另外改进相对于其他微电子元件和构件对来自这些HV元件的数据的屏蔽和保护，并且非常易于遵守ASIL标准。
由于在当前情况下对于中央的次级电路板而言需要与ASIL标准的通信并且将该通信用于压力信号，有利地不需要附加的通信接口。
HV元件在此尤其指的是模数转换器(ADC)作为电隔离的电容耦合器、感应耦合器或者光电耦合器，用于从高压范围到低压范围中的数据传输，以及电压测量元件/芯片。
有利地，在次级电路板和/或高压电路板上布置有μ次级处理器，该μ次级处理器主要用于处理数据和处理布置在相应的电路板上的μ构件，并且与主控制单元和尤其是与该主控制单元的主微处理器连接。
理想地，该电池具有外部的电池壳体，该外部的电池壳体通常以防尘和/或防蒸汽的方式封闭，并且电池元件总体上布置在该电池壳体内。在此，作为一种实施方式，当各个壳体部分彼此经由连接通道或者连接空间合并在一起，但是向外仍然形成共同的电池空间时，电池壳体也应理解为多件式壳体。在当前情况下，当开关盒以法兰连接在或者旋拧在电池壳体上或者电池壳体处并且在开关盒与电池壳体的内部空间之间构造有开口或者相对于大气封闭的通道时，可能是这种情况。通常，在该通道或者该开口中布设连接线路。
为了屏蔽电池的内部空间、为了进行屏蔽以防电磁干扰影响并且为了保护以防被污染，有利的是，开关盒具有自己的、至少部分闭合的、尤其是完全闭合的盒壳体。这对于以下情况是有利的：在盒中安装有电子装置，该盒具有金属壳体或者由金属壳体形成。在此，很有利的是容易操作和能够预制造。因此，由很多部件构成的开关盒可以在外部制造为结构单元并且在少量步骤中与HV电池连接成一个单元。
本发明还包括一种用于运行电池、尤其是HV电池的方法，该电池具有电池管理系统(BMS)和多个电池单元模块，该电池管理系统具有主控制装置和主电路板。
根据本发明的方法的核心在于，为了检测超过热极限值(通常也被称为热事件)，在电池的内部空间中和/或在电池单元隔室的或者电池单元模块的区域中，设置至少一个压力传感器，该压力传感器布置在主电路板之外。
有利地，根据上述实施变型之一构造所述电池，该电池尤其构造为HV电池。总而言之，高压(HV)在当前情况下主要指的是60V至2000V、尤其是60V至1500V的直流电压范围，该电压范围尤其涉及电动车辆(例如电驱动的载客车、载重车和公共汽车)的功率需求。
附图说明
现在，根据在附图中示出的实施例来更详尽地阐述本发明的其他细节和优点。
附图示出：
图1 HV电池的示意性俯视图，该HV电池具有双层电池单元隔室，
图2 HV电池的一种示意性替代实施方式，该HV电池具有单层电池单元隔室和在开关盒中的次级电路板，和
图3 HV电池的与图2相似的另一种实施方式，其中，该次级电路板包括HV元件。
具体实施方式
图1示出HV电池1的示意性构造，该HV电池具有电池壳体15作为重要的部件，在该电池壳体内布置有主控制单元10、开关盒20和电池单元隔室30，该电池单元隔室具有两个层级35、36。电池单元隔室20划分为多个电池单元模块31.1…31.n，这通过横向虚线标示。每个电池单元模块31.1…31.n具有配属的电池单元测量电路板32.1…32.n。主控制单元10和该主控制单元的主电路板11经由LV线路43与中央的控制和供给单元2以数据传导和电流传导的方式连接。电池1经由HV线路40、41与一个或者多个消耗器3连接，如强烈示意性地所标示的那样。
HV+线路40被引导到开关盒20中并且引导至那里的接触器8，通过该接触器来切换线路40。类似地，HV-线路41同样被引导到开关盒20中并且引导至那里的接触器9。另外，在开关盒20中在HV+线路上设置有分流路径42，用于运行接触器12，该接触器用作预充电接触器。另外，在开关盒20中设置有电流传感器24，其他的保险装置、电阻或者另外的部件未示出。主电路板11经由线路连接44与开关盒20或开关盒20中的各个部件和构件连接，这在当前情况下没有详细区分。主电路板11包括多个微电子/电子元件5.1、5.2、5.3和主微处理器4。在示出的实施例中，根据本发明的压力传感器6布置在开关盒20中，并且经由单独的线路连接45与主控制单元10或该主控制单元的主电路板11连接。
在电池单元测量电路板32.2上并且因此在压力传感器6的紧邻处，安装有温度传感器7。在此，温度传感器7作为表面安装装置(Surface Mounted Device，SMD构件)直接施加在电池单元测量电路板32.2上。在通过压力传感器6检测到快速的压力升高的情况下，可以求取热事件是来源于层级35还是由于温度传感器7没有通知或者非常晚地通知增加的值而必然来源于电池单元隔室30的层级36。
在根据图2的实施方式中，电池1具有电池单元隔室30的仅一个层级。在中央的是，在开关盒20中布置有次级电路板21，在该次级电路板上放置有压力传感器6作为SMD构件。另外，该次级电路板21包括μ次级处理器23和微电子HV元件5.1，所述微电子HV元件是检测和处理HV状态所必需的。这些HV元件尤其是电隔离的模数转换器(ADC)和电压测量元件。
HV-线路的电流传感器24经由自己的线路47与次级电路板21和/或μ次级处理器23连接。该次级电路板21本身作为BMS中的下级元件一方面经由线路44与主电路板11连接并且经由线路46与电池单元隔室30的部件连接。因此，监控和处理HV功能的所有部件集合在单独的空间、即开关盒20中，并且可以以适合的方式被屏蔽和保护。
在与图2的实施例非常相似的根据图3的实施例中，同样在开关盒20中设置有次级电路板21，该次级电路板具有相同的部件。另外，现在电流传感器24也作为SMD构件布置在该次级电路板21上。与根据图2的示例的区别在于压力传感器和温度传感器6、7的布置。示出了两种不同的布置可能性，以便避免需要设置过多的传感器。一种实施方式在于，压力传感器6和温度传感器7以彼此相邻的方式布置在电池单元测量电路板32.1、32.2上。替代于此地，在电池单元模块31.n中，压力传感器6和温度传感器7作为SMD构件布置在配属的电池单元测量电路板32.n上。
在图3中，另外示出在开关盒20内的通常要设置的预充电电阻13。该预充电电阻可以布置在用作预充电接触器的接触器12前方或者后方。
两种替代方案允许如下逻辑分析处理：热事件是否来源于电池单元模块本身、来源于直接相邻的电池单元模块或来源于布置在远处的电池单元模块。
附图标记列表
1 电池
2 控制和供给单元
3 消耗器
4 主微处理器
5 (微)电子元件
5.1 微电子高压元件
5.2 电元件
5.3 电元件
6 压力传感器
7 温度传感器
8 接触器
9 接触器
10 主控制单元
11 主电路板
12 接触器
13 预充电电阻
15 电池壳体
20 开关盒
21 次级电路板
23 μ次级处理器
24 电流传感器
30 电池单元隔室
31 电池单元模块(31.1…31.n)
32 电池单元测量电路板(32.1…32.n)
35 下层级
36 上层级
40 HV+线路
41 HV-线路
42 分流路径
43 LV线路
44 线路连接
45 线路连接
46 线路
47 线路

Claims (10)

1.一种电池(1)，所述电池构造为高压电池(HV电池)，所述电池包括至少下述电池元件：
电池单元隔室(30)，所述电池单元隔室具有多个电池单元模块(31.1…31.n)和配属的电池单元测量电路板(32.1…32.n)；
主控制单元(10)，所述主控制单元具有主电路板(11)、主处理器(4)和多个电子元件(5.1、5.2、5.3)；
开关盒(20)，所述开关盒包括用于HV+线路(40)和HV-线路(41)的两个接触器(8、9)，其特征在于，设置有压力传感器(6)，用于电池内部空间中的压力测量，并且其中，所述压力传感器(6)在所述主电路板(11)之外布置在下述位置之一处：
所述开关盒(20)中，
中央的次级电路板(21)上，和/或
至少一个电池单元测量电路板(32.1…32.n)上。
2.根据权利要求1所述的电池(1)，其特征在于，所述压力传感器(6)布置在多个电池单元测量电路板(32.1…32.n)上。
3.根据权利要求1或者2中任一项所述的电池(1)，其特征在于，在所述电池单元测量电路板(32.1…32.n)中的至少一个电池单元测量电路板上设置有温度传感器(7)，其中，
所述温度传感器(7)布置在相同的电池单元测量电路板(32.1…32.n)上，和/或
所述温度传感器布置在相邻的电池单元模块(31.1…31.n)的电池单元测量电路板(32.1…32.n)上。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电池(1)，其特征在于，至少一个压力传感器(6)布置在中央的次级电路板(21)上，其中，所述次级电路板(21)紧固在所述开关盒(20)中。
5.根据权利要求4所述的电池(1)，其特征在于，在所述开关盒(20)中布置至少一个高压元件、尤其是所有高压元件(5.1)，其方式是，所述高压元件要么布置在所述次级电路板(21)上、要么布置在自己的高压电路板上，并且其中，所述高压元件(5.1)尤其是电隔离的模数转换器(ADC)和/或电压测量元件。
6.根据权利要求4或者5中任一项所述的电池(1)，其特征在于，所述次级电路板(21)和/或所述高压电路板具有μ次级处理器(23)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电池(1)，其特征在于，所述电池(1)具有外部的电池壳体(15)并且所述电池元件布置在所述电池壳体(15)内。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电池(1)，其特征在于，所述开关盒(20)具有自己的、至少部分闭合的、尤其是完全闭合的盒壳体。
9.一种用于运行电池(1)的方法，所述电池具有电池管理系统(BMS)并且包括多个电池单元模块(31.1…31.n)，所述电池管理系统具有主控制单元(10)，所述主控制单元包括主电路板(11)，其特征在于，为了检测超过热极限值，在所述电池(1)的内部空间中和/或在所述电池单元模块(31.1…31.n)的区域中设置至少一个压力传感器(6)，所述压力传感器布置在所述主电路板(11)之外。
10.一种用于运行电池(1)的方法，其特征在于，所述电池(1)根据权利要求1至8中任一项构造。
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