CN110027411A - 电动车的电池组***、运行电池组***的方法和电动车 - Google Patents

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Abstract

电动车的电池组***、运行电池组***的方法和电动车。本发明涉及电动车的电池组***，包括至少两个电池组分支和用于控制至少两个电池组分支的电池组控制设备，其中电池组分支中的每个包括至少一个电池组模块，且其中至少一个电池组模块包括：至少一个电池组电池，其具有快速放电装置；和用于控制至少一个电池组电池的模块控制设备。在电池组分支中的每个中分别设置电流测量器，其将在电池组分支中流动的电流的大小和在电池组分支中流动的电流的方向发送给至少一个控制设备。电池组分支中的每个分别包括用于将电池组分支关断的隔离装置，其能够由至少一个控制设备操控。本发明也涉及用于运行根据本发明的电池组***的方法。

Description

电动车的电池组***、运行电池组***的方法和电动车
技术领域
本发明涉及电动车的电池组***，该电池组***包括至少两个电池组分支和用于控制所述至少两个电池组分支的电池组控制设备。在此，所述电池组分支中的每个包括至少一个电池组模块，并且所述至少一个电池组模块包括：至少一个电池组电池，所述电池组电池具有快速放电装置；和用于控制所述至少一个电池组电池的模块控制设备。本发明还涉及用于运行根据本发明的电池组***的方法和相应的电动车。
背景技术
呈现的是，在未来尤其是在电动车中越来越多地应用到电池组***，对这些电池组***提出关于可靠性、效率、安全性和使用寿命的高要求。尤其是具有锂离子电池组电池的电池组***适用于这样的应用。这些电池组***尤其以高能量密度、热学稳定性和极其小的自放电而突出。
电池组电池具有与负端子连接的阳极和与正端子连接的阴极。多个这样的电池组电池电串联地并且也并联地相互接线并且连接成电池组模块。多个这样的电池组模块尤其是串联地被相互接线成电池组分支。多个这样构造的电池组分支然后尤其是并联地相互接线并且这样构成电动车的电池组***。
具有锂离子电池组电池的电池组***具有关于功能安全性的高要求。电池组电池的不适当的运行可能导致放热反应直至导致火灾和/或脱气。当金属部侵入到电池组电池中时，尤其可能出现火灾或***。但是电池组电池的电池壳体的变形也已经可能触发放热反应。
在电池组电池中有故障、例如在阳极和阴极之间的内部短路的情况下，可能必要的是，对电池组电池放电，以便避免临界状态，所述临界状态可能导致电池组的过热和***。对此已知有快速放电装置。这样的快速放电装置是跨接元件，所述跨接元件与电池组电池的端子连接。在正常运行中，所述快速放电装置是断开的并且使电池组电池的端子相互电绝缘。在故障情况下，快速放电装置被激活并且然后将电池组电池的端子相互电连接。接着，放电电流流经所述快速放电装置并且所述电池组电池被放电。文献 DE 10 2012 005979 B4公开了一种这样的用于在故障情况下跨接电池组电池的电跨接元件。
发明内容
提出电动车的电池组***。所述电池组***在此包括至少两个电池组分支和用于控制所述至少两个电池组分支的电池组控制设备。所述至少两个电池组分支优选相互电并联地接线。
在此，电池组***的电池组分支中的每个包括至少一个电池组模块，优选多个电池组模块，所述电池组模块电串联地相互接线。所述至少一个电池组模块包括：至少一个电池组电池、优选多个电池组电池，所述电池组电池电串联地并且也并联地相互接线。所述至少一个电池组电池具有快速放电装置。所述至少一个电池组模块也包括用于控制至少一个电池组电池的模块控制设备。
根据本发明，在电池组分支中的每个中分别设有电流测量器，所述电流测量器探测在所述电池组分支中流动的电流的大小和在所述电池组分支中流动的电流的方向并且发送给至少一个控制设备。此外，所述电池组***的电池组分支中的每个分别包括用于将所述电池组分支关断的隔离装置。所述隔离装置在此能够由至少一个控制设备、也即由电池组控制设备和/或由至少一个模块控制设备来操控。
电流测量器例如包括分流电阻。所述电流测量器可以也包括磁传感器、例如霍尔传感器。所述隔离装置可以例如是机电接触器或继电器。但是所述隔离装置例如也可以被构型为烟火保险装置或者半导体开关，尤其是以金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）的形式。
根据本发明一种有利的扩展方案，设置用于测量在电池组分支上施加的电压的装置。所述装置例如是至少一个电压测量器，所述电压测量器将所测量的电压的大小也发送给至少一个控制设备，也即发送给电池组控制设备和/或模块控制设中的至少一个。只要电池组***的所有电池组分支是相互电并联地接线的，在所述电池组分支上就施加相同的电压。在该情况下，唯一的电压测量器就足够了。
按照本发明的一种有利的构型方案，所述至少一个电池组模块包括变形传感器，所述变形传感器监控电池组模块、尤其是电池组模块的壳体。在已识别到故障的情况下，例如在金属部侵入到电池组模块的壳体中的情况下或者在壳体变形的情况下，变形传感器促使所涉及的电池组模块的电池组电池的所有快速放电装置的激活。
优选地，所述电池组控制设备、模块控制设备和电流测量器经由数据线路来相互通信。所述数据线路例如是总线***的部分。
也提出用于运行根据本发明的电池组***的方法。在激活至少一个快速放电装置之后，例如通过电池组模块的变形传感器识别到故障之后，根据本发明在电池组分支中的每个中分别由电流测量器来探测在所述电池组分支中流动的电流的大小和在所述电池组分支中流动的电流的方向并且发送给至少一个控制设备、也即发送给所述电池组控制设备和/或所述模块控制设备中的一个模块控制设备。
在此，在电池组分支中的每一个中，当电流是充电电流并且至少在第一持续时间期间流动时，或者当电流是放电电流并且至少在第二持续时间期间流动时，所述隔离装置能够由至少一个控制设备、也即由电池组控制设备和/或由模块控制设备中的至少一个模块控制设备来操控。在此，第二持续时间大于第一持续时间。第一持续时间例如为10秒，并且第二持续时间例如为30秒。第二持续时间优选是第一持续时间的2倍至5倍大。
在激活电池组电池的快速放电装置之后，所涉及的电池组模块被短路。由此减小所述被短路的电池组模块被布置在其中的电池组分支的电压。从剩余的、完好的电池组分支中现在分别流动放电电流，并且在具有被短路的电池组模块的电池组分支中流动充电电流。
当通过所述充电电流所传输的电荷量超出预先给定的极限值时，这可能导致在具有被短路的电池组模块的电池组分支中的电池组电池的损坏和过载。同样地，通过放电电流所传输的、超出预先给定的极限值的电荷量，可能导致在完好的电池组分支中的电池组电池的损坏。当相应的电池组分支借助隔离装置被关断时，这样的损坏可被避免。
根据本发明的方法允许在激活至少一个快速放电装置之后电池组***的电池组分支的两级关断。在此，在每个电池组分支中，流动的电流的方向被检查。
如果在电池组分支中探测到充电电流，则所述电池组分支的至少一个电池组模块被短路。所述电池组分支于是在经过第一持续时间之后、也即比较快速地被关断。然后，在所述具有被短路的电池组模块的电池组分支中不再有危险的充电电流流动。然后，在其他完好的电池组分支中也不再有危险的放电电流流动。
如果在所述电池组分支中探测到放电电流，则另一电池组分支的至少一个电池组模块被短路。如果所述放电电流在大于第一持续时间的第二持续时间之后仍然还流动，则所述具有被短路的电池组模块的电池组分支还没有被关断。这可能例如在所述具有被短路的电池组模块的电池组分支的隔离装置故障时出现。在该情况下，所述完好的电池组分支于是在经过第二持续时间之后、也即时间上延迟地被关断。然后，在所述完好的电池组分支中不再有危险的放电电流流动。然后，在所述具有被短路的电池组模块的电池组分支中也不再有危险的充电电流流动。
优选地，只有在由流经所述电池组分支的电流所传输的电荷量的大小超出预先给定的极限值时，所述隔离装置才***控。如果由流经所述电池组分支的电流所传输的电荷量的大小不超过预先给定的极限值，那么所述隔离装置的操控就不发生。预先给定的极限值例如处于0.5AH和2AH之间。
按照根据本发明的方法的有利的构型方案，在激活至少一个快速放电装置之后，首先测量在所述电池组分支中的每个上施加的电压。只有在所述电池组分支上施加的电压超出预先给定的阈值时，所述隔离装置在此才***控。如果在所述电池组分支上施加的电压不超过预先给定的阈值，则所述隔离装置的操控就不发生。所述预先给定的阈值例如处于电池组分支的额定电压的65%和70%之间。
按照根据本发明的方法的优选的构型方案，在激活至少一个快速放电装置之后，将控制信号发送给电池组控制设备和/或发送给模块控制设备。所述控制信号尤其是唤醒信号，所述唤醒信号用于在控制设备被关断的情况下接通所述控制设备。
优选地，当在所述电池组分支中流动的电流的大小不超过预先给定的极限值时，电池组控制设备和/或模块控制设备被关断。
也提出一种电动车，所述电动车包括根据本发明的电池组***，利用根据本发明的方法来运行所述电池组***。
本发明的优点：
根据本发明的用于运行电池组***的方法允许：在激活受损的电池组模块的电池组电池的所有快速放电装置时其余的电池组***继续保持为有效的。电动车因此继续保持可投入使用并且例如还能够被驾驶至用于更换受损的电池组模块的车间。尤其是，通过平衡电流有效地也防止对其他电池组模块中的电池组电池的损坏。因此，在电池组***上产生的损害被最小化。根据本发明的方法也在变形传感器的错误触发之后有效，所述变形传感器例如监控所述电池组模块的壳体。如果也无意地对完好的电池组模块的电池组电池的所述快速放电装置进行激活，则防止对其他电池组模块中的电池组电池的损坏。借助根据本发明的方法，如果隔离装置故障并且不能够关断所涉及的电池组分支，则通过平衡电流自身就能够避免对电池组电池的损坏。
附图说明
本发明的实施方式根据附图和接下来的描述来进一步阐述。
图1示出具有多个电池组电池的电池组模块的示意图；
图2示出具有多个电池组分支的电池组***的示意图；和
图3 示出用于运行在图2中所示的电池组***的方法的流程图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的接下来的描述中，相同的或相似的元素以相同的附图标记来表示，其中在个别情况中放弃对这些元素的重复描述。所述图仅示意性地示出本发明的主题。
图1示出具有多个、在当前具有10个电池组电池2的电池组模块5的示意图。电池组电池2在此电串联地接线。每个电池组电池2包括电极单元10，所述电极单元分别具有阳极11和阴极12。所述电极单元10的阳极11在此与负端子15连接。所述电极单元10的阴极12与正端子16连接。为了电池组模块5的串联接线，分别将电池组电池2的负端子15与相邻的电池组电池2的正端子16电连接。
每个电池组电池2此外具有快速放电装置20。所述快速放电装置20与电池组电池2的负端子15以及与正端子16电连接。所述快速放电装置20在这里示出的图示中被关断，也即处在无源状态中。这意味着，电池组电池2的负端子15和正端子16不通过快速放电装置20来相互电连接。
电池组模块5也包括用于控制电池组电池2的模块控制设备50。所述电池组模块5也包括变形传感器51，所述变形传感器尤其监控所述电池组模块5的壳体。如果变形传感器51识别到故障，例如侵入到壳体中的金属部或壳体的变形，则所述变形传感器51促使电池组模块5的电池组电池2的所有快速放电装置20的激活。所述变形传感器51可以直接激活快速放电装置20或者所述变形传感器51发送信号给模块控制设备50，所述模块控制设备接着激活快速放电装置20。
在激活之后，所述快速放电装置20处于激活状态中，在所述激活状态中，所述快速放电装置20形成在所述电池组电池2的负端子15和正端子16之间的短路。接着，放电电流流经快速放电装置20并且电池组电池2由此被放电。在激活所述电池组电池2的快速放电装置20之后，整个电池组模块5被短路。
图2示出具有多个、在当前具有10个电池组分支6的电动车的电池组***7的示意图。所述电池组分支6当前电并联地接线。所述电池组***7也包括用于控制电池组分支6的电池组控制设备70。
所述电池组***7的电池组分支6中的每个包括多个、在当前为10个电池组模块5，所述电池组模块电串联地相互接线。此外，所述电池组分支6中的每个分别包括用于关断该电池组分支6的隔离装置62。所述隔离装置62在此分别电串联地与电池组模块5接线。如果所述隔离装置62***控，则电连接被中断并且电池组分支6被关断。所述隔离装置62例如是机电接触器或继电器、烟火保险装置或半导体开关，尤其是以金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）的形式。
每个电池组分支6的隔离装置62当前能够由电池组***7的电池组控制设备70操控。此外，每个电池组分支6的隔离装置62当前也能够由在相应的电池组分支6中的电池组模块5的模块控制设备50操控。
所述电池组分支6中的每个分别也包括电流测量器61，所述电流测量器测量流经电池组分支6的电流I。电池组分支6的电流测量器61、电池组模块5的模块控制设备50和电池组***7的电池组控制设备70经由数据线路30相互连接并且经由所述数据线路30相互通信。
所述电流测量器61在此测量在所述电池组分支6中流动的电流I的大小和在所述电池组分支6中流动的电流I的方向。所述电流测量器61经由数据线路30将相应的值发送给电池组分支6中的模块控制设备50和电池组***7的电池组控制设备70。
图3示出用于运行图2中示出的电池组***7的方法的流程图。在开始时间点100，对电池组模块5之一中的电池组电池2的快速放电装置20进行激活。然后，所涉及的电池组模块5被短路。由此减小该被短路的电池组模块5被布置在其中的电池组分支6的电压。从其余的、完好的电池组分支6中现在分别流动放电电流，并且在具有被短路的电池组模块5的电池组分支6中现在流动充电电流。
在步骤101中，接着将控制信号发送给电池组控制设备70以及模块控制设备50。所述控制信号在此是唤醒信号，当电池组控制设备70以及模块控制设备50被关断时，所述唤醒信号用于接通所述电池组控制设备70以及模块控制设备50。
在步骤102中，尤其是在所述被短路的电池组模块5被布置在其中的电池组分支6中的电池组电池2的充电电流被控制。
在步骤103中，施加在所述电池组分支6上的电压被测量并且与预先给定的阈值比较。所述预先给定的阈值例如处于电池组分支6的额定电压的65%和70%之间。
如果在所述电池组分支6上施加的电压超出预先给定的阈值，则在步骤104中在电池组分支6中的每个中探测在所述电池组分支6中流动的电流I的方向。
如果所述电流I是充电电流，则在步骤105中等待第一持续时间。如果电流I是放电电流，则在步骤106中等待第二持续时间。在经过第一持续时间之后，或在经过第二持续时间之后，在步骤107中将在电池组分支6中流动的电流I的大小与预先给定的极限电流比较。
如果在电池组分支6中流动的电流I的大小在经过第一持续时间之后或在经过第二持续时间之后仍超出预先给定的极限值，则在触发步骤120中操控所述电池组分支6的隔离装置62。
如果在所述电池组分支6中流动的电流I的大小在经过所述第一持续时间之后或在经过所述第二持续时间之后不再超出预先给定的极限值，则可以在可选的关断步骤130中关断电池组控制设备70以及模块控制设备50。
如果在步骤103中所测量的、在电池组分支6上施加的电压不超过预先给定的阈值，则在步骤108中继续测量和监控在所述电池组分支6上的电压。在步骤109中，在所述电池组分支6上施加的电压被与预先给定的阈值比较。
如果在步骤108中所测量的、在电池组分支6上施加的电压超出预先给定的阈值，则在触发步骤120中操控所述电池组分支6的隔离装置62。
如果在步骤108中所测量的、在电池组分支6上施加的电压不超过预先给定的阈值，则在步骤110中将在所述电池组分支6中流动的电流I的大小与预先给定的极限值比较。
如果在电池组分支6中流动的电流I的大小不再超出预先给定的极限值，则可以在可选的关断步骤130中关断所述电池组控制设备70以及所述模块控制设备50。
如果在电池组分支6中流动的电流I的大小超出预先给定的极限值，则在步骤108中继续测量和监控在所述电池组分支6上的电压。
本发明并不限于在此所描述的实施例和在此强调的方面。更确切地，在通过权利要求所说明的范围之内，处于专业人员处理范畴内的大量的变化是可能的。

Claims (10)

1.电动车的电池组***（7），所述电池组***包括至少两个电池组分支（6）和用于控制所述至少两个电池组分支（6）的电池组控制设备（70），其中
所述电池组分支（6）中的每个包括至少一个电池组模块（5），
并且其中
所述至少一个电池组模块（5）包括：至少一个电池组电池（2），所述电池组电池具有快速放电装置（20）；和用于控制所述至少一个电池组电池（2）的模块控制设备（50），
其特征在于，
在所述电池组分支（6）中的每个中分别设置电流测量器（61），所述电流测量器将在所述电池组分支（6）中流动的电流（I）的大小和在所述电池组分支（6）中流动的电流（I）的方向发送给至少一个控制设备（50，70），并且
所述电池组分支（6）中的每个分别包括用于将所述电池组分支（6）关断的隔离装置（62），所述隔离装置能够由至少一个控制设备（50，70）来操控。
2.根据权利要求1所述的电池组***（7），其特征在于，设置用于测量在所述电池组分支（6）上施加的电压的装置。
3.根据上述权利要求中任意一项所述的电池组***（7），其特征在于，
所述至少一个电池组模块（5）包括变形传感器（51），所述变形传感器监控所述电池组模块（5），并且所述变形传感器在故障情况下促使所述电池组模块（5）的电池组电池（2）的所有快速放电装置（20）的激活。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的电池组***（7），其特征在于，
所述电池组控制设备（70）、所述模块控制设备（50）和所述电流测量器（61）经由数据线路（30）来相互通信。
5.用于运行根据上述权利要求中任意一项所述的电池组***（7）的方法，其中
在激活至少一个快速放电装置（20）之后，在电池组分支（6）中的每个中分别由电流测量器（61）将在所述电池组分支（6）中流动的电流（I）的大小和在所述电池组分支（6）中流动的电流（I）的方向发送给至少一个控制设备（50，70），并且
当所述电流（I）是充电电流并且至少在第一持续时间期间流动时，或者当所述电流（I）是放电电流并且至少在第二持续时间期间流动时，在所述电池组分支（6）中的每个中所述隔离装置（62）由至少一个控制设备（50，70）操控，其中所述第二持续时间大于所述第一持续时间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中
只有在由所述电池组分支（6）中流动的电流（I）所传输的电荷量的大小超出预先给定的极限值时，所述隔离装置（62）才***控。
7.根据权利要求5至6中任意一项所述的方法，其中
在激活至少一个快速放电装置（20）之后，首先测量在所述电池组分支（6）中的每个上施加的电压，并且其中
只有在所述电池组分支（6）上施加的电压超出预先给定的极限值时，所述隔离装置（62）才***控。
8.根据权利要求5至7中任意一项所述的方法，其中
在激活至少一个快速放电装置（20）之后，将控制信号发送给所述电池组控制设备（70）和/或所述模块控制设备（50）。
9.根据权利要求8所述的方法，其中
当在所述电池组分支（6）中流动的电流（I）的大小不超过预先给定的极限值时，所述电池组控制设备（70）和/或所述模块控制设备（50）被关断。
10.电动车，所述电动车包括至少一个根据权利要求1至4中任意一项所述的电池组***（7），利用根据权利要求5至9中任意一项所述的方法来运行所述电池组***。
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