CN117728057A - 电池系统、用于诊断电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

电池系统，包括：具有正极、负极、至少一个电池单池和电池组分压器的电池组；和至少一个能与电池组电连接的高压‑耦合电网，其具有正端子、负端子和链路分压器。电池组分压器包括：与彼此串联联接在负极与第一基准点之间的第一测量电阻和第一测量开关、和与彼此串联联接在正极与第一基准点之间的第二测量电阻和第二测量开关。链路分压器包括：联接在负端子与第二基准点之间的第三测量电阻、和联接在正端子与第二基准点之间的第四测量电阻。电池系统还包括第一、第二、第三和第四测量单元。第一和第二测量单元与第一基准点电连接且第三和第四测量单元与第二基准点电连接。第一基准点与低压‑耦合电网‑接地部连接且第二基准点与电池组的负极连接。

Description

电池系统、用于诊断电池系统的方法
技术领域
本发明涉及一种电池系统，该电池系统包括：电池组，该电池组具有正极、负极、至少一个电池单池和电池组分压器(Packspannungsteiler)；以及至少一个能与电池组电连接的高压-耦合电网，该高压-耦合电网具有正端子、负端子和链路分压器(Linkspannungsteiler)。
本发明还涉及一种用于诊断电池系统的方法。
背景技术
呈现出的是，未来越来越多地使用电驱动的机动车辆。在这样的电动车辆中使用能充电的电池，主要以便为电驱动装置供给电能。
电池组能够包括多个电池单池，这些电池单池能够不仅串联地而且也并联地与彼此电联接。这类电池组具有施加在正极与负极之间的、处在例如400V至800V的范围中的输出电压。此外，设置了管理系统，该管理系统监测并如此控制电池组的运行，使得电池单池可靠且持久地在其寿命方面运行。在此，也监测绝缘电阻。管理系统的绝缘监测功能通常测量仅高压-耦合电网(也就是说通过电分离而与高电流线路分开的耦合电网)内的电势。
文献DE 10 2013 012 151 A1公开了一种用于测量绝缘电阻的测量设备，其具有电压源，该电压源的输出端与第一电网耦接，该第一电网具有电绝缘部。
文献DE 10 2012 215 619 A1描述了一种用于测量布置在低压-电网与高压-电网之间的电分离部的绝缘电阻的测量装置。
文献DE 10 2018 211 625 A1涉及一种车载电网设备，其具有第一高压-电势与预先确定的电的接地部之间的第一绝缘电阻、以及第二高压-电势与预先确定的电接地部之间的第二绝缘电阻。该文献还涉及一种用于监测车载电网对称结构的方法。
发明内容
提出了一种电池系统。在此，该电池系统包括：电池组，该电池组具有正极、负极、至少一个电池单池和电池组分压器；以及至少一个能与电池组电连接的高压-耦合电网，该高压-耦合电网具有正端子、负端子和链路分压器。电池系统也能够包括低压-耦合电网。为了将电池组或者说高压-耦合电网与低压-耦合电网分离，电池系统此外包括绝缘电阻，如例如第一和第二电池组绝缘电阻以及第一和第二链路绝缘电阻。在此，绝缘电阻与低压-耦合电网-接地部电连接。概念“绝缘电阻”在本发明的框架中更确切地说理解为对应的电势之间的寄生电阻的整体。在此，第一电池组绝缘电阻处于负极与低压-耦合电网-接地部之间，而第二电池组绝缘电阻处于正极与低压-耦合电网-接地部之间。在此，第一链路绝缘电阻处于负端子与低压-耦合电网-接地部之间，而第二链路绝缘电阻处于正端子与低压-耦合电网-接地部之间。
在此，电池组分压器包括：第一测量电阻和第一测量开关，它们与彼此串联地联接在负极与第一基准点之间；以及第二测量电阻和第二测量开关，它们与彼此串联地联接在正极与第一基准点之间。
在此，链路分压器包括联接在负端子与第二基准点之间的第三测量电阻、以及联接在正端子与第二基准点之间的第四测量电阻。
电池系统此外包括：用于检测第一测量电阻处下降的第一测量电压的第一测量单元、用于检测第二测量电阻处下降的第二测量电压的第二测量单元、用于检测第三测量电阻处下降的第三测量电压的第三测量单元、以及用于检测第四测量电阻处下降的第四测量电压的第四测量单元。在此，第一和第二测量单元与第一基准点电连接，并且第三和第四测量单元与第二基准点电连接。
按照本发明，第一基准点与低压-耦合电网-接地部连接，并且第二基准点与电池组的负极连接。
优选电池组能够借助于至少一个开关和/或DC/DC转换器与至少一个高压-耦合电网电连接。
优选第一、第二、第三和第四测量单元构造为模数转换器。
优选第一和第二测量单元布置在电池组内。
优选第三和第四测量单元同样布置在电池组内。
优选至少一个高压-耦合电网构造为用于牵引车辆的牵引电网或用于对电池组充电的充电电网。
本发明的另一种方面是一种用于诊断电池系统的方法。优选在使用按照本发明所提出的电池系统的情况下实施按照本发明的方法。对应地，在电池系统的框架中所描述的特征适用于所述方法，反之在所述方法的框架中所描述的特征适用于所述电池系统。
当电池组与至少一个高压-耦合电网分离时，在执行按照本发明的方法时，在第一和第二测量开关的不同的开关位置的情况下借助于对应的测量单元来检测相应的测量电压。随后计算绝缘电阻。
当电池组与至少高压-耦合电网连接时，在执行按照本发明的方法时，在第一和第二测量开关的不同的开关位置的情况下借助于对应的第一和第二测量单元来检测第一和第二测量电压。此后计算绝缘电阻。
“第一和第二测量开关的不同的开关位置”理解为，例如两个测量开关都闭合或断开，或者测量开关中的一个测量开关闭合而另一个测量开关断开。
此外提出了一种用于车辆、尤其电驱动的车辆的车载电网。在此，车载电网包括按照本发明所提出的电池系统，并且/或者该车载电网设定用于执行按照本发明所提出的方法。
还提出了一种车辆、尤其电驱动的车辆，其包括按照本发明的车载电网。
本发明的优点。
利用本发明提供了一种用于绝缘测量的新的结构，其也能够实现耦合电网中的绝缘测量，该耦合电网在高电流路径中电分离，或者例如在通过高压-DC/DC转换器进行的充电期间处于另一高压-电压水平上，以便在其绝缘电阻方面进行诊断。
这种用于确定绝缘电阻的新的结构或者说方法此外能够用于对所述测量进行可信度测试验证，或者得到在测量的高速性方面的优点。后者尤其在下述情况下是重要的，即：到达稳态的弛豫时间对于不同的等式而言区别非常大。
附图说明
根据附图和以下说明来更详细地阐释本发明的实施方式。
其中：
图1示出了按照第一种实施方式的电池系统的示意图，并且
图2示出了按照第二种实施方式的电池系统的示意图。
具体实施方式
在接下来对本发明的实施方式的说明中，相同或类似的元件标有相同的附图标记，其中，在个别情况下省去对这些元件的重复说明。附图仅示意性地示出了本发明的主题。
图1能够得出按照第一种实施方式的按照本发明的电池系统100。
在此，电池系统100包括电池组5，该电池组具有正极22、负极21、多个电池单池2和电池组分压器20。电池组5具有电池组电压UB。当前在图1中示出了三个串联的电池单池2。不言而喻的是，电池组5能够包括少于或多于三个的电池单池2。多个电池单池2优选构造为锂离子单池，并且也能够并联地或者串联地和/或并联地连接。
电池系统100此外包括能与电池组5电连接的高压-耦合电网10，该高压-耦合电网具有正端子12、负端子11和链路分压器30。链路分压器30包括多个欧姆电阻的串联联接结构，以便如此划分例如车辆和/或充电桩的车载电网侧的高压，使得能够用模数转换器来测量该高压。由图1可知，电池组5能够通过第一开关SP1和第二开关SP2与高压-耦合电网10电连接。第一和第二开关SP1、SP2在此也被称为主接触器。电池系统100还能够包括另外的高压-耦合电网10。
在此，电池系统100也包括这里没有更详细地示出的低压-耦合电网。为了将电池组5或者说高压-耦合电网10与低压-耦合电网分离，电池系统100此外包括绝缘电阻，更确切地说第一电池组绝缘电阻RB1和第二电池组绝缘电阻RB2以及第一链路绝缘电阻RL1和第二链路绝缘电阻RL2。在此，绝缘电阻与低压-耦合电网-接地部52电连接。图1或者说图2中所示出的绝缘电阻RB1、RB2、RL1、RL2不是电子元器件，而是更确切地象征性地表示对应的电势之间的寄生电阻的整体。
在此，第一电池组绝缘电阻RB1处于负极21与低压-耦合电网-接地部52之间，而第二电池组绝缘电阻RB2处于正极22与低压-耦合电网-接地部52之间。在此，第一链路绝缘电阻RL1处于负端子11与低压-耦合电网-接地部52之间，而第二链路绝缘电阻RL2处于正端子12与低压-耦合电网-接地部52之间。
在此，电池组分压器20包括第一测量电阻RM1和第一测量开关SM1，它们与彼此串联地联接在负极21与第一基准点50之间。在此，第一测量电阻RM1与第一基准点50直接连接，而第一测量开关SM1通过第一附加电阻R1与负极21连接。
电池组分压器20此外包括第二测量电阻RM2和第二测量开关SM2，它们与彼此串联地联接在正极22与第一基准点50之间。在此，第二测量电阻RM2与第一基准点50直接连接，而第二测量开关SM2通过第二附加电阻R2与正极22连接。
在此，链路分压器30包括第三测量电阻RM3和第四测量电阻RM4，该第三测量电阻联接在负端子11与第二基准点60之间，该第四测量电阻联接在正端子12与第二基准点60之间。在此，第三测量电阻RM3的第一接头与第二基准点60直接连接，并且第三测量电阻RM3的第二接头通过第三附加电阻R3与负端子11连接。在此，第四测量电阻RM4的第一接头与第二基准点60直接连接，而第四测量电阻RM4的第二接头通过第四附加电阻R4与正端子12连接。
电池系统100此外包括：用于检测第一测量电阻RM1处下降的第一测量电压UM1的第一测量单元32、用于检测第二测量电阻RM2处下降的第二测量电压UM2的第二测量单元34、用于检测第三测量电阻RM3处下降的第三测量电压UM3的第三测量单元36、以及用于检测第四测量电阻RM4处下降的第四测量电压UM4的第四测量单元38。在此，第一和第二测量单元32、34与第一基准点50电连接，并且第三和第四测量单元36、38与第二基准点60电连接。
图1此外能够得出，第一基准点50与低压-耦合电网-接地部52连接，并且第二基准点60与电池组5的负极21连接。在此，电池组5的负极21表现为高压-耦合电网-接地部62。
当前在图1中第一、第二、第三和第四测量单元32、34、36、38构造为模数转换器。
在此，第一和第二测量单元32、34能够布置在电池组5内。同样，第三和第四测量单元36、38能够布置在电池组5内。
当电池组5与高压-耦合电网10连接、也就是说第一和第二开关SP1、SP2闭合时，在执行按照本发明的方法时，在第一和第二测量开关SM1、SM2的不同的开关位置的情况下借助于对应的第一和第二测量单元32、34来检测第一和第二测量电压UM1、UM2。此后，计算电池组绝缘电阻和链路绝缘电阻RB1、RB2、RL1、RL2。
首先，在第一开关位置CC和第二开关位置OC的第一组合的情况下检测第一和第二测量电压UM1、UM2，该第一开关位置意味着第二测量开关SM2闭合且第一测量开关SM1闭合，并且该第二开关位置意味着第二测量开关SM2断开且第一测量开关SM1闭合。在此应用以下等式：
并且
在此，RisoP和RisoN是针对电池组绝缘电阻和链路绝缘电阻RB1、RB2、RL1、RL2的并联电路在正极22处以及在负极21处的等效电阻，其中：
并且
在此，Rmeas1是第一测量电阻RM1和第一附加电阻R1的总和，Rmeas2是第二测量电阻RM2和第二附加电阻R2的总和，UM1 CC是在第一开关位置CC的情况下的第一测量电压UM1，UM1 OC是在第二开关位置OC的情况下的第一测量电压UM1。
第三开关位置CO意味着第二测量开关SM2闭合且第一测量开关SM1断开，类似地，对于在第一开关位置CC和该第三开关位置的第二组合的情况下对电压的测量而言得到：
并且
在此，UM 2CC是在第一开关位置CC的情况下的第二测量电压UM2，UM2 CO是在第三开关位置CO的情况下的第二测量电压UM2。
对于第二开关位置OC和第三开关位置CO的第三组合也能够解算出在此没有更详细地示出的方程组。
当电池组5与高压-耦合电网10分离、也就是说第一和第二开关SP1、SP2断开时，在执行按照本发明的方法时在第一和第二测量开关SM1、SM2的不同的开关位置的情况下借助于对应的测量单元32、34、36、38来检测相应的测量电压UM1、UM2、UM3、UM4。随后，计算电池组绝缘电阻和链路绝缘电阻RB1、RB2、RL1、RL2。
在此，能够单独地确定电池组绝缘电阻和链路绝缘电阻RB1、RB2、RL1、RL2。
例如对于第一开关位置CC和第二开关位置OC的第一组合应用以下方程组：
RB2＝RisoP
在此，Rmeas3是第三测量电阻RM3和第三附加电阻R3的总和，Rmeas4是第四测量电阻RM4和第四附加电阻R4的总和，UM3 OC是在第二开关位置OC的情况下的第三测量电压UM3，UM4 OC是在第二开关位置OC的情况下的第四测量电压UM4。
能够与上面在第一开关位置CC和第二开关位置OC的第一组合的情况下、在闭合第一和第二开关SP1、SP2时相同地来计算等效电阻RisoP、RisoN。
以相同的方式，能够在第一开关位置CC和第三开关位置CO的第二组合的情况下、以及在第二开关位置OC和第三开关位置CO的第三组合的情况下来推导出所述等式。
图2示意性地示出了按照第二种实施方式的按照本发明的电池系统100。图2中所示出的电池系统100与图1中所示出的电池系统100的区别在于，电池组5在图2中借助于DC/DC转换器70与高压-耦合电网10电连接，该高压-耦合电网与充电桩80连接以用于对电池组5进行充电，该充电桩当前在图2中示出为电池单池2。在此，充电桩80具有充电电压UL，该充电电压小于电池组5的电池组电压UB。例如充电电压UL等于400V，而电池组电压UB等于800V。
在假设测量电阻RM1、RM2、RM3、RM4近似相同大小、或者说附加电阻R1、R2、R3、R4近似相同大小的情况下，能够确定电池组绝缘电阻和链路绝缘电阻RB1、RB2、RL1、RL2的传导能力的总和。
在此适用的是：
在此，Gmeas是相应的测量链的导电能力，作为对应的测量链的电阻Rmeas的倒数。如上面已经针对四个不同的测量链那样，进一步借助于相应的测量电阻RM1、RM2、RM3、RM4来定义Rmeas。
在此，使用所述定义
Gtotal＝GB1+GL1+GB2+GL2
其中
并且
如果电池组绝缘电阻和链路绝缘电阻RB1、RB2、RL1、RL2之一下降，那么则能够在电池组绝缘电阻和链路绝缘电阻RB1、RB2、RL1、RL2的传导能力的总和Gtotal的上升中确定这一点。之后才能够实现对故障的定位、也就是说对各个绝缘电阻的单独的测量。例如能够通过上面所列举的方程组来计算绝缘电阻。
本发明不限于这里所描述的实施例和其中得出的方面。更确切地说，在通过权利要求所规定的范围内能够实现处于专业实践范围内的多种变型方案。

Claims (10)

1.电池系统(100)，其包括
-电池组(5)，该电池组具有正极(22)、负极(21)、至少一个电池单池(2)、和电池组分压器(20)，以及
-至少一个能与所述电池组(5)电连接的高压-耦合电网(10)，该高压-耦合电网具有正端子(12)、负端子(11)和链路分压器(30)，其中，
所述电池组分压器(20)包括：
-第一测量电阻(RM1)和第一测量开关(SM1)，它们与彼此串联地联接在所述负极(21)与第一基准点(50)之间，以及
-第二测量电阻(RM2)和第二测量开关(SM2)，它们与彼此串联地联接在所述正极(22)与所述第一基准点(50)之间，其中，
所述链路分压器(30)包括：
-第三测量电阻(RM3)，该第三测量电阻联接在所述负端子(11)与第二基准点(60)之间，以及
-第四测量电阻(RM4)，该第四测量电阻联接在所述正端子(12)与所述第二基准点(60)之间，并且其中，
所述电池系统(100)此外包括：用于检测所述第一测量电阻(RM1)处下降的第一测量电压(UM1)的第一测量单元(32)、用于检测所述第二测量电阻(RM2)处下降的第二测量电压(UM2)的第二测量单元(34)、用于检测所述第三测量电阻(RM3)处下降的第三测量电压(UM3)的第三测量单元(36)、以及用于检测所述第四测量电阻(RM4)处下降的第四测量电压(UM4)的第四测量单元(38)，其中，
所述第一测量单元和第二测量单元(32、34)与所述第一基准点(50)电连接，并且所述第三测量单元和所述第四测量单元(36、38)与所述第二基准点(60)电连接，
其特征在于，
所述第一基准点(50)与低压-耦合电网-接地部(52)连接，并且所述第二基准点(60)与所述电池组(5)的负极(21)连接。
2.根据权利要求1所述的电池系统(100)，其特征在于，
所述电池组(5)能够借助于至少一个开关(SP1、SP2)和/或DC/DC转换器(70)与所述至少一个高压-耦合电网(10)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的电池系统(100)，其特征在于，
所述第一测量单元、第二测量单元、第三测量单元和第四测量单元(32、34、36、38)构造为模数转换器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池系统(100)，其特征在于，
所述第一测量单元和第二测量单元(32、34)布置在所述电池组(5)内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池系统(100)，其特征在于，
所述第三测量单元和所述第四测量单元(36、38)布置在所述电池组(5)内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池系统(100)，其特征在于，
所述至少一个高压-耦合电网(10)构造为牵引电网或充电电网。
7.用于诊断根据权利要求1至6中任一项所述的电池系统(100)的方法，该方法包括以下方法步骤，当所述电池组(5)与所述至少一个高压-耦合电网(10)分离时：
-在所述第一测量开关和所述第二测量开关(SM1、SM2)的不同的开关位置的情况下借助于对应的测量单元(32、34、36、38)来检测相应的测量电压(UM1、UM2、UM3、UM4)；
-计算绝缘电阻(RB1、RB2、RL1、RL2)。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法包括以下方法步骤，当所述电池组(5)与所述至少高压-耦合电网(10)连接时：
-在所述第一测量开关和第二测量开关(SM1、SM2)的不同的开关位置的情况下借助于对应的第一测量单元和第二测量单元(32、34)来检测所述第一测量电压和第二测量电压(UM1、UM2)；
-计算所述绝缘电阻(RB1、RB2、RL1、RL2)。
9.车载电网，该车载电网包括根据权利要求1至6中任一项所述的电池系统(100)，并且/或者该车载电网设定用于执行根据权利要求7或8所述的方法。
10.车辆，其包括根据权利要求9所述的车载电网。
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