CN118044087A - 用于电池蓄存器的电池管理系统，组合系统和方法 - Google Patents

用于电池蓄存器的电池管理系统，组合系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电池蓄存器(10)并且用于将电池蓄存器(10)与直流电源(2)、优选与电池充电装置(2)或与车辆中的电路(2)连接的电池管理系统(1)，所述电池管理系统具有至少一个半导体组件(8a、8b)以及至少一个二极管(15a，15b)，电池蓄存器(10)以错误的极性连接在直流电源(2)上引起在相应的半导体组件(8a、8b)上的电流。可选地，探测电路(9)用于探测所述错误的极性并用于驱控半导体组件(8a、8b)。以这种方式能够有利地保护二极管(15a、15b)。

Description

用于电池蓄存器的电池管理系统，组合系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于电池蓄存器的电池管理系统，并且所述电池管理系统用于将电池蓄存器与直流电源连接，优选与电池充电装置或与在车辆中的电路连接，所述电池管理系统具有：用于与电池充电装置连接或用于与车辆中的电路连接的至少一个输入端，所述至少一个输入端具有用于所述电池充电装置或所述电路的正电势的第一接口和用于所述电池充电装置或所述电路的负电势的第二接口；具有第一接口和第二接口的至少一个输出端，其中，所述第一接口能至少间接地与电池蓄存器的阳极连接，并且第二接口能至少间接地与电池蓄存器的阴极连接；至少一个电池断路开关，其中，电池断路开关的第一接口与输入端的第一接口连接，并且电池断路开关的第二接口与输出端的第一接口连接。本发明还涉及一种用于运行所述电池管理系统的组合系统和方法。
背景技术
能量效率和电气化在所有经济领域的重要性提高。特别是在汽车工业中，在这些领域中的进一步开发正在加强。由于对环境可持续性的要求不断提高、特别是二氧化碳排放的下降，电动汽车变得越来越重要。
除了纯电驱动的车辆外，混合动力驱动或轻度混合动力驱动也变得重要。轻度混合动力车辆的特点在于其不能全电行驶。内燃机仅由电机支持。系统在滑行和制动时通过制动系统自动充电。
由于在车辆内的用电设备的数量不断增加，如下系统越来越多地被认可，所述系统不是仅在一般的12V车载电网电压下运行，而且还具有带有更高电压水平的电压网络，所述电压网络一般处于针对高压系统的60V直流电压限制之下。由此能够在保持相同的导体横截面的情况下传输数倍的功率。
电池蓄存器经历老化现象并且必须被维护和/或更换。为此，一般将电池蓄存器从车辆取出并例如在外部的电池充电装置上充电。在维护和/或充电过程之后，将电池蓄存器再装入到车辆中。这些工作步骤因含有错误可能性。特别是可以设想的是，在将电池蓄存器连接到外部的电池充电装置时，电池充电装置的连接器没有被附接到电池管理系统的输入端的为此设置的接口上，而是被互换。这种情况称为反极性状态。在电路到电池管理系统的输入端上的任何类型的连接中也可以想到相同的情况。
如果不采取保护措施，反极性状态将导致电池管理系统的故障。电池断路开关一般被损伤或破坏。此外，这种损伤或破坏导致电池管理系统的故障。电池管理系统的故障是不期望的并且应当避免。
发明内容
在此处开始本发明。
本发明的目的是改进电池管理系统并且特别是在反极性的情况下阻止构件的损坏。
所述目的特别是通过提出一种用于电池蓄存器的电池管理来实现，并且所述电池管理用于将电池蓄存器与直流电源连接、优选与电池充电装置或与车辆中的电路连接，所述电池管理具有：
-至少一个输入端，所述至少一个输入端用于与电池充电装置连接或用于与车辆中的电路连接，所述输入端具有用于电池充电装置或电路的正电势的第一接口和用于电池充电装置或电路的负电势的第二接口；
-至少一个输出端，所述至少一个输出端具有第一接口和第二接口，第一接口能至少间接地与电池蓄存器的阳极连接，并且第二接口能至少间接地与电池蓄存器的阴极连接；
-至少一个电池断路开关，所述电池断路开关的第一接口与输入端的第一接口连接，并且电池断路开关的第二接口与输出端的第一接口连接；
其中，
-至少一个半导体组件与输入端的第一接口和第二接口连接，
-所述至少一个半导体组件具有第一支路和第二支路，第一支路和第二支路并联地位于所述半导体组件的第一接口与第二接口之间，
-第一支路具有至少一个二极管，所述二极管的阳极至少间接地与输入端的第二接口连接并且阴极至少间接地与输入端的第一接口连接，
-在第一状态中、即当在输入端的第一接口处存在正电势并且在输入端的第二接口处存在负电势时，所述二极管阻断，并且在第二状态中、即当在输入端的第一接口处存在负电势并且在输入端的第二接口处存在正电势，即反极性状态中，所述二极管导通，
-第二支路具有至少一个可控制的开关元件，在可控制的开关元件的接通状态中，第二支路的欧姆电阻显著低于第一支路的欧姆电阻，
-在反极性状态下，能够阻止通过所述至少一个电池断路开关的电流流动。
通过以半导体组件扩展电池管理系统，在反极性状态的情况下，电流流动首先被引导通过布置在半导体组件的第一支路中的二极管、即所谓的体二极管。在这里有利的是，当出现反极性状态时，二极管沿流通方向运行。由此能够使得将电流流动自动引导通过半导体组件的第一支路，而不必首先在其他位置上识别错误。然而，通过二极管的电流流动导致显著的损耗功率，损耗功率又导致二极管的发热。针对这种损耗功率而设计的二极管或具有这种二极管的半导体组件昂贵并且因此应当避免。为此目的，半导体器件具有带有可控制的开关元件的第二支路。如果可控制的开关元件驱控以闭合，则电流流动由第二支路接管。第二支路具有显著低于第一支路的欧姆电阻，由此减少损耗功率，并且因此减少半导体组件的发热。
在例如外部电池充电装置正确连接的情况下，电池管理系统不受到半导体组件的影响，因为设置在半导体组件的第一支路中的二极管阻断。
存在如下可行方案：电池管理系统具有探测电路，借助于探测电路能识别反极性状态。
可以规定，探测电路在探测到反极性状态之后向控制和/或调节器件传递信号，所述控制和/或调节器件然后驱控可控制的开关元件闭合。
存在如下可行方案：所述控制和/或调节器件是微控制器。
特别有利地可以规定，所述探测电路不承受任何静态电流，即，所述电池蓄存器仅在反极性状态的情况下为控制和/或调节器件提供能量。这是特别重要的，因此当车辆例如停放时，电池蓄存器不受载，并且在行驶时电池蓄存器不通过回收而充电。避免由于探测电路对电池蓄存器的放电。
存在如下可行方案：所述电池蓄存器是低电压电池蓄存器。这种低电压蓄能器可以具有12V、24V或48V的电压。除了已知的24V电池蓄存器之外，在车辆中越来越多地实施48V电池蓄存器，这在轻度混合动力车辆中实现更高的电池蓄存器功率。
可以规定，所述半导体组件是MOSFET、特别是功率MOSFET。也可以设想的是，使用其他半导体组件，其特征在于两个并联的支路，其中一个支路直接导通并且一个支路是可接通的。也可以设想的是，通过组件的组合来实现具有所期望特征的两个并联的支路。
存在如下可行方案：所述至少一个电池断路开关是MOSFET、特别是功率MOSFET。通过电池断路开关在必要时(例如在故障的情况下)在电池蓄存器与车辆车载电网之间实现断路。
有利地，一种装置具有至少一个根据本发明的电池管理系统、电池蓄存器和直流电源。
用于运行根据本发明的电池管理系统的方法规定：
-在反极性状态中，在所述反极性状态中，在输入端的第一接口处存在负电势，并且在输入端的第二接口处存在正电势，
-所述至少一个半导体组件的二极管将电流从输入端的第二接口通过所述至少一个半导体组件的第一支路传导至输入端的第一接口并且由此阻止通过所述至少一个电池断路开关的电流流动。
也可以规定，探测电路探测反极性状态，并且在探测之后将信号传送给控制和/或调节器件，所述控制和/或调节器件然后驱控可控制的开关元件闭合。
附图说明
下面参考附图更详细地阐述本发明。图中：
图1示出根据本发明的具有直流电源的组合系统的方框电路图。
具体实施方式
在图1中示出的根据本发明的组合系统A包括用于电池蓄存器10的电池管理系统1、电池蓄存器10和直流电源2、在此为电池充电装置2。
电池管理系统1就其而言包括具有第一接口3和第二接口4的输入端、具有第一接口5和第二接口6的输出端、两个电池断路开关7a、7b、两个半导体组件8a、8b和探测电路9。输入端的第一接口3至少间接地与输出端的第一接口5连接，并且输入端的第二接口4至少间接地与输出端的第二接口6连接。
输出端的第一接口5与电池蓄存器10的阳极连接，并且输出端的第二接口6与电池蓄存器10的阴极连接。电池充电装置2的第一接口与输入端的第一接口3连接，并且电池充电装置2的第二接口与输入端的第二接口4连接。
图1示出两个常闭的n沟道功率MOSFET作为电池断路开关7a、7b，所述两个常闭的n沟道功率MOSFET串联在输入端的第一接口3与输出端的第一接口5之间。第一电池断路开关7a的漏极端子与输入端的第一接口3连接。第二电池断路开关7b的漏极端子与输出端的第一接口5连接。这两个电池断路开关7a、7b的源极端子彼此连接。
在电池管理系统1中设置有两个串联连接的半导体组件8a、8b。在图1中使用MOSFET作为半导体组件8a、8b。输入端的第一接口3与第一半导体组件8a的漏极端子连接。输入端的第二接口4与第二半导体组件8b的源极端子连接。第一半导体组件8a的源极端子与第二半导体组件8b的漏极端子连接。
探测电路9具有晶体管11(优选双极晶体管11)、电阻器12、两个二极管15a、15b、两个分压器13、14以及MOSFET16。
在探测电路9中设有串联连接的两个二极管15a、15b。输入端的第一接口3与第一二极管15a的阴极连接。输入端的第二接口4与第二二极管15b的阴极连接。这两个二极管15a、15b的阳极彼此连接。
晶体管11的发射极与所述两个二极管15a、15b的阳极连接。晶体管11的集电极与第一分压器13的第一接口连接。晶体管11的基极经由电阻器12间接地与输入端的第二接口4连接。第一分压器13的第二接口与输出端的第一接口5连接。当探测电路激活时，提供“唤醒”信号WS。借助“唤醒”信号WS，可以激活/唤醒控制器、特别是电池管理系统1。
MOSFET16的漏极端子与第二分压器14的第一接口连接。MOSFET16的源极端子与输出端的第一接口5连接。MOSFET16的栅极端子连接到第一分压器13的电阻器之间的节点上。第二分压器14的第二接口与输出端的第二接口6连接。
在图1中可以看出，电池充电装置2的负电势存在于输入端的第一接口3处，并且电池充电装置2的正电势存在于输入端的第二接口4处。例如，在服务情况期间将电池蓄存器10连同电池管理系统1连接到电池充电装置2上并且没有遵守连接器的所规定的布置时，则可能是这种情况。一般这作为反极性状态已知。每当借助于电池管理系统1的输入端将电池蓄存器10连同电池管理系统1重新连接时，这种反极性状态也可能以其他方式产生。
在反极性状态的情况下，电池充电装置2的电流流过所述两个半导体组件8a、8b。通过电池充电装置2限制所述电流。一般的用于电流的大小规模可以以100A给出。由于仅在反极性状态的情况下发生通过所述两个半导体组件8a、8b的电流流动，因此将半导体组件8a、8b的尺寸设计成使得它们能够承受电池充电装置2的电流而不损坏就足够了。
首先，电流通过半导体组件8a、8b的第一支路流动通过沿电流流动方向导通的二极管(所谓的体二极管或衬底二极管)。二极管相对高的正向电压导致损耗功率增加。这种损耗功率进而导致半导体组件的温度升高。在大约几秒的时间段(根据半导体组件直至2至10秒)之后，半导体组件8a、8b可能被损坏。
除了通过半导体组件8a、8b的第一支路的电流之外，还有小的电流流动通过电阻器12、晶体管11和所述两个二极管中的一个二极管15a。
小的控制电流、例如10μA在晶体管11上使晶体管切换到导通状态。晶体管11的导通状态能实现通过第一分压器13的电流流动，这又将MOSFET16置入导通状态中。然后，电流可以流过第二分压器14。电压在第二分压器14上下降，通过所述电压激励未详细示出的控制和/或调节器件以将半导体组件8a、8b的可控制的开关元件驱控成闭合。所述控制和/或调节器件连接到第二分压器14的电阻器之间的节点上。
在可控制的开关元件闭合之后，半导体组件8a、8b的第二支路导通。然后，从所连接的电池充电装置2流动通过电路的电流经由第二支路传导。第二支路的电阻显著低于第一支路的电阻。由此能够强烈降低在半导体组件8a、8b之内的损耗功率。在半导体组件8a、8b中的温度升高减少或被逆转，并且半导体组件8a、8b再次冷却。
通过少的温度升高能够使得半导体组件8a、8b能被施加来自电池充电装置2的电流更长的持续时间、优选60秒。
在根据本发明的电池管理系统1的实施方案中防止通过电池断路开关7a、7b的电流流动并因此防止电池断路开关7a、7b的损伤。在识别并排除反极性状态后，电池管理系统1可以无损伤地继续运行。
在电池充电装置2以这样的方式连接到电池管理系统1的输入端的情况下：在输入端的第一接口3处存在正电势并且在输入端的第二接口4处存在负电势，如果可控制的开关元件接通，则在半导体组件8a、8b的第一支路中的二极管阻断，并且发生经由电池断路开关7a、7b到电池蓄存器10中的电流流动。
总之，本发明涉及一种用于电池蓄存器10的电池管理系统1，所述电池管理系统用于将电池蓄存器10与直流电源2连接、优选与电池充电装置2连接或与在车辆2中的电路连接，所述电池管理系统具有至少一个半导体组件8a、8b以及至少一个二极管15a、15b，其中，电池蓄存器10以错误的极性连接在直流电源2上引起相应的半导体组件8a、8b上的电流。可选地，探测电路9用于探测不正确的(倒转的)极性并用于驱控半导体组件8a、8b。以这种方式能够有利地保护二极管15a、15b。
附图标记列表
1 电池管理系统
2 电池充电装置或在车辆中的电路
3 输入端的第一接口
4 输入端的第二接口
5 输出端的第一接口
6 输出端的第二接口
7a、7b 电池断路开关
8a、8b 半导体组件
9 探测电路
10 蓄能器
11 晶体管
12 电阻
13 第一分压器
14 第二分压器
15a、15b 二极管
16 MOSFET

Claims (11)

1.用于电池蓄存器(10)的电池管理系统(1)，所述电池管理系统用于将电池蓄存器(10)与直流电源(2)、优选与电池充电装置(2)或与车辆中的电路(2)连接，所述电池管理系统具有：
-至少一个输入端，所述至少一个输入端用于与电池充电装置(2)连接或用于与车辆中的电路(2)连接，所述输入端具有用于电池充电装置(2)或电路(2)的正电势的第一接口(3)和用于电池充电装置或电路的负电势的第二接口(4)；
-至少一个输出端，所述至少一个输出端具有第一接口(5)和第二接口(6)，第一接口(5)能至少间接地与电池蓄存器(10)的阳极连接，并且第二接口(6)能至少间接地与电池蓄存器(10)的阴极连接；
-至少一个电池断路开关(7a、7b)，所述电池断路开关(7a、7b)的第一接口与输入端的第一接口(3)连接，并且电池断路开关(7a、7b)的第二接口与输出端的第一接口(5)连接；
其特征在于，
-至少一个半导体组件(8a、8b)与输入端的第一接口(3)和第二接口(4)连接，
-所述至少一个半导体组件(8a、8b)具有第一支路和第二支路，第一支路和第二支路并联地位于所述半导体组件的第一接口与第二接口之间，
-第一支路具有至少一个二极管，所述二极管的阳极至少间接地与输入端的第二接口(4)连接并且阴极至少间接地与输入端的第一接口(3)连接，
-在第一状态中、即当在输入端的第一接口(3)处存在正电势并且在输入端的第二接口(4)处存在负电势时，所述二极管阻断，并且在第二状态中、即当在输入端的第一接口(3)处存在负电势并且在输入端的第二接口(4)处存在正电势时，即反极性状态中，所述二极管导通，
-第二支路具有至少一个可控制的开关元件，在可控制的开关元件的接通状态中，第二支路的欧姆电阻比第一支路的欧姆电阻低至少2倍、优选10倍，
-在反极性状态下，能够阻止通过所述至少一个电池断路开关(7a、7b)的电流流动。
2.根据权利要求1所述的用于电池蓄存器(10)的电池管理系统(1)，其特征在于，所述电池管理系统(1)具有探测电路(9)，借助于所述探测电路(9)能识别反极性状态。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的用于电池蓄存器(10)的电池管理系统(1)，其特征在于，所述探测电路(9)在探测到反极性状态之后向控制和/或调节器件提供信号，所述控制和/或调节器件然后设置用于闭合可控制的开关元件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于电池蓄存器(10)的电池管理系统(1)，其特征在于，所述控制和/或调节器件是微控制器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于电池蓄存器(10)的电池管理系统(1)，其特征在于，所述探测电路(9)不承受任何静态电流，即，所述电池蓄存器(10)仅在反极性状态的情况下为控制和/或调节器件提供能量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于电池蓄存器(10)的电池管理系统(1)，其特征在于，所述电池蓄存器(10)是低电压电池蓄存器、特别是具有12至60伏特的标称电压的低电压电池蓄存器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于电池蓄存器(10)的电池管理系统(1)，其特征在于，所述半导体组件(8a、8b)是MOSFET或功率MOSFET。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于电池蓄存器(10)的电池管理系统(1)，其特征在于，所述至少一个电池断路开关(7a、7b)是MOSFET或功率MOSFET。
9.组合系统(A)，所述组合系统至少具有：
-根据权利要求1至8中任一项所述的电池管理系统(1)，
-电池蓄存器(10)
-直流电源(2)。
10.用于运行具有权利要求1至8所述特征的电池管理系统(1)的方法，其中：
在反极性状态中，在所述反极性状态中，在输入端的第一接口(3)处存在负电势，并且在输入端的第二接口(4)处存在正电势，
所述至少一个半导体组件(8a、8b)的二极管将电流从输入端的第二接口(4)通过所述至少一个半导体组件(8a、8b)的第一支路传导至输入端的第一接口(3)并且由此阻止通过所述至少一个电池断路开关(7a、7b)的电流流动。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，探测电路(9)探测反极性状态，并且在探测之后将信号传送给控制和/或调节器件，所述控制和/或调节器件然后驱控可控制的开关元件闭合。
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