CN114583292A

CN114583292A - 用于监控在休眠状态下的电池组串的电池组电池的设备

Info

Publication number: CN114583292A
Application number: CN202111458683.1A
Authority: CN
Inventors: C·维克; S·博里; S·格洛格; M·霍伊泽; J·班德纳; P·谢尔
Original assignee: Volkswagen Automotive Co ltd
Current assignee: Volkswagen Automotive Co ltd
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-06-03
Also published as: DE102020215243A1; DE102020215243B4

Abstract

本发明涉及一种用于监控在休眠状态下的电池组串（10）的电池组电池（BT1–BTX）的设备（1），所述设备包括针对每个电池组电池（BT1–BTX）的差分电压单元（30），其中在每个差分电压单元（30）的下游都布置有带通滤波器（35），其中每两个带通滤波器（35）的输出端与差分放大器（36）的输入端连接，所述差分放大器具有下游的整流器（37），其中所述整流器（37）的输出端与比较器（38）的各一个输入端连接，其中所述比较器（38）的输出端与用于产生监控信号的至少一个逻辑单元（40）连接，其中所述设备（1）具有激励电路（20），所述激励电路被设计为在预先给定的时间内产生放电电流。

Description

用于监控在休眠状态下的电池组串的电池组电池的设备

技术领域

本发明涉及一种用于监控在休眠状态下的电池组串的电池组电池的设备。

背景技术

在电池组串中的电池组电池例如由于制造缺陷、不容许的加热或其它损伤而引起尚未发现的损坏的情况下，可能发生热传播（热失控（thermal runaway））。出于安全原因，会努力尽早探测到该事件。在此，公知的传感装置具有各种缺点。

例如，公知气体或压力传感装置，借助于这些气体或压力传感装置来探测电池组电池是否脱气。这是在可能的热传播之前的相对短的时间点，使得反应时间相对应地被缩短。传统的电池电压测量也相互缓慢。直接测量所有电池组电池上的温度在电路技术方面非常复杂。另一种可能的方法是阻抗谱，该阻抗谱执行电流和电压测量并且据此根据频率来确定具有幅度和相位的阻抗。这样的测量周期持续几分钟并且消耗大量能量。

发明内容

因而，本发明所基于的技术问题在于：提供一种替代的用于监控在休眠状态下的电池组串的电池组电池的设备，该设备能够实现对热传播的及早的报警。

通过按照本发明的设备得到该技术问题的解决方案。本发明的其它有利的设计方案从从属权利要求中得到。

用于监控在休眠状态下的电池组串的电池组电池的设备具有针对该电池组串的每个电池组电池的差分电压单元。在此，电池组串是电池组电池的串联。在此，电池组串可以是电池组模块或者整个电池组，例如电动车辆或混合动力车辆的高压电池组。在此，借助于这些差分电压单元，在电池组电池的两个电池极处进行差分电压测量。在这些差分电压单元的下游分别布置有带通滤波器，以便将频率范围限制到特别有效力的频带上。在此，该频带取决于电池组电池类型，其中在这种情况下可以动用对这些电池组电池类型的阻抗谱测量的结果。每两个带通滤波器的输出端与差分放大器的输入端连接，以便这样来检测在这些带通滤波器处的两个输出信号之间的偏差。在此，分别相邻的带通滤波器可以被引导到一个差分放大器上，但是彼此相距更远的带通滤波器也可以被引导到一个差分放大器上。差分放大器的输出端与整流器、优选地双向整流器连接。接着，在整流器的输出端上存在单极电压信号。接着，整流器的输出端与比较器的输入端连接，这些比较器的输出端与用于产生监控信号的逻辑单元的输入端连接，其中该逻辑单元在最简单的情况下是或门。该设备还具有激励电路，该激励电路被设计为在预先给定的时间内产生放电电流。经此，使电池组串临时承受负载，这在电池组电池上的电压变化中能被察觉到。现在，在特定的频带中将这些差分电压变化彼此进行比较。在带通滤波器处的输出信号与其余的输出信号有偏差的情况下，这表明：有电池组电池损坏和/或与其它电池组电池相比过热，因此这能在没有直接温度测量的情况下就被检测到。如果情况如此，则逻辑单元产生信号，以便引入相对应的措施。例如，可以激活更复杂的监控装置，该监控装置具有更高的静态电流需求，但是为此可以对电池组电池进行精确检查。替代地或补充地，可以生成报警消息和/或开始对电池组电池的冷却。该设备的优点在于：该设备无需更复杂的微处理器就提供对电池组电池的可能的故障的初始指示，其中由于很多单元都可以用无源元件来形成，所以静态电流需求非常低。在此可以规定：有源器件（诸如差分放大器）只在测量时间内与供电电压连接，也就是说激励电路对该设备进行接通和关断。

在一个实施方式中，激励电路具有继电器或半导体开关（例如MOSFET或IGBT）以及控制电路。继电器的优点在于电流隔离，但是与半导体开关相比，可达到的切换时间短，使得应优选半导体开关来执行更快的测量。

在另一实施方式中，控制电路被设计成定时器，那么该控制电路分别在预先给定的时间之后激活该激励电路或该设备并且在预先给定的时间之后重新停用该激励电路或该设备。

在另一实施方式中，激励电路具有单独的负载电阻，或者半导体开关与其体积电阻（Durchgangswiderstand）一起构成负载。

在另一实施方式中，差分电压单元具有：两个直流电压滤波器，这两个直流电压滤波器分别被分配给电池组极；以及一个差分放大器。直流电压滤波器也可以被称为DC阻断器（DC-Blocker），而且在最简单的情况下被设计成电容器。通过直流电压成分的分离，随后的信号处理被显著简化，原因在于接着所有信号都可以相对同一参考接地被测量。

在另一实施方式中，在直流电压滤波器与差分放大器的输入端之间分别布置有放大器。在此，该放大器主要用于放大电压信号，但是由于其惯性而附加地滤除高频成分，这对于随后的差分放大器和带通滤波器来说是有利的。

在另一实施方式中，该预先给定的时间大于100 ms并且小于1 s，而且优选地在150 ms与250 ms之间。经此，产生足够长的电压响应，其中静态电流需求非常低。

在另一实施方式中，带通滤波器的下限频率大于50 Hz并且上限频率小于500 Hz，进一步优选地，带通为100 Hz下限频率和300 Hz上限频率。

在另一实施方式中，至少一个电池组电池分配有温度传感器，其中该设备被设计为在没有温度传感器的情况下基于差分电压单元的测量结果和温度传感器的测量值来估计电池组电池的温度。

在另一实施方式中，该设备是电动车辆或混合动力车辆的牵引电网的组成部分。

附图说明

随后，本发明依据一个优选的实施例更详细地予以阐述。唯一的附图示出了用于监控在休眠状态下的电池组串的电池组电池的设备的示意性方框电路图。

具体实施方式

在图1中示出了用于监控具有多个电池组电池BT1 – BTX 的电池组串10的设备1的方框电路图。在此，示出了设备1的针对前四个电池组电池BT1 – BT4的以电路技术方式的实现方案，其中针对其它电池组电池BTX的延续仅用虚线来表示。设备1具有激励电路20，该激励电路具有：作为控制单元21的定时器22、负载电阻23以及开关元件24，该开关元件优选地被设计成半导体开关25。与电池组电池BT1 – BTX的数目相对应地，设备1还具有差分电压单元30。每个差分电压单元30都具有两个直流电压滤波器31，这两个直流电压滤波器分别与所分配的电池组电池BT1 – BTX的电池组极连接。直流电压滤波器31的输出端分别与放大器32的输入端连接，其中放大器32的两个输出端与差分放大器34的输入端连接。设备1还具有带通滤波器35，其中差分放大器34的输出端分别与带通滤波器35的输入端连接，该带通滤波器例如具有为100 Hz的下限频率和为300 Hz的上限频率。每两个带通滤波器的输出端与另一差分放大器36的输入端连接。在此示出了：第一电池组电池BT1和第三电池组电池BT3的带通滤波器35被引导到共同的差分放大器36上；以及第二电池组电池BT2和第四电池组电池BT4的带通滤波器35被引导到共同的差分放大器36上。其它分配是可能的，诸如：分别直接相邻的带通滤波器35成对地组合。差分放大器36的输出端与整流器37的输入端连接，这些整流器的输出端与比较器38的各一个输入端连接。在比较器38的相应另一输入端处连接有参考电压源Vref。比较器38的输出端与逻辑单元40连接，其中逻辑单元40例如是或门。逻辑单元40的输出端提供监控信号，该监控信号可以是针对电池组电池BT1 –BTX的更复杂的测量装置50的触发或唤醒信号。最后，设备1还具有至少一个温度传感器T，该至少一个温度传感器被分配给第一电池组电池BT1。

现在应简要阐述设备1的工作原理。电池组串10处在休眠状态下，使得没有充电或放电电流流动。接着，激励电路20的控制单元21在预先给定的时间（例如每15分钟）激活设备1的其余部分，并且在例如为200 ms的预先给定的时间内将开关元件24切换成闭合，使得负载电流可以流经负载电阻23，其中然后将开关元件24重新断开。该负载电流引起了在电池组电池BT1 – BTX处的电压变化。在理想情况下，在电池组极处的这些差分电压变化全都大小相同，也就是说所有电池组电池都承受一样大的负载。现在，通过直流电压滤波器31来阻断直流电压成分，而且只允许交变电压成分通过以用于进一步处理，其中通过放大器32或差分放大器34来滤除非常高频的成分。接着，在差分放大器34的输出端处存在各个电池组电池BT1 – BTX的交变电压，作为对激励电路20的短暂的负载电流的电压响应。接着，通过带通滤波器35，将该电压响应的频带限制到有效力的范围上。在理想情况下，在带通滤波器35的输出端处的这些信号对于所有电池组电池BT1 – BTX来说同样是相同的。现在，通过随后的分别将两个带通滤波器35的信号进行比较的差分放大器36，查明两个电池组电池BT1 – BTX是否有所不同。如果有电池组电池BT1 – BTX的电压响应不同于其它电池组电池BT1 – BTX的电压响应，则这表明有所不同的电池组电池BT1 – BTX有制造缺陷、被机械损坏和/或过热。由于现在并不清楚这些电池组电池BT1 – BTX中的哪个电池组电池有故障，所以在差分放大器处的输出信号可以为正或者为负。通过整流器37的随后的整流来解决该问题。清楚的是，整流器37将负电压转换成正电压。现在，在比较器38处，将整流器37的这些电压信号与参考电压源Vref进行比较。如果现在有电池组电池BT1 – BTX有故障，则在所分派的整流器37处存在的电压大于参考电压，并且在比较器38的输出端处产生电压信号。这又在逻辑单元40的输出端处产生电压信号。在此，该逻辑也可以被修改，使得例如在比较器38处总是有电压信号附在输出端处，并且只有在整流器37处的电压大的情况下，电压才变为零。在这种情况下，逻辑单元40是与门。

附图标记清单

1) 设备

10) 电池组串

20) 激励电路

21) 控制单元

22) 定时器

23) 负载电阻

24) 开关元件

25) 半导体开关

30) 差分电压单元

31) 直流电压滤波器

32) 放大器

34) 差分放大器

35) 带通滤波器

36) 差分放大器

37) 整流器

38) 比较器

40) 逻辑单元

50) 测量装置

T) 温度传感器

BT1 – BTX) 电池组电池

Vref) 参考电压源

Claims

1.一种用于监控在休眠状态下的电池组串（10）的电池组电池（BT1 – BTX）的设备（1），所述设备包括针对每个电池组电池（BT1 – BTX）的差分电压单元（30），其中在每个差分电压单元（30）的下游都布置有带通滤波器（35），其中每两个带通滤波器（35）的输出端与差分放大器（36）的输入端连接，所述差分放大器具有下游的整流器（37），其中所述整流器（37）的输出端与比较器（38）的各一个输入端连接，其中所述比较器（38）的输出端与用于产生监控信号的至少一个逻辑单元（40）连接，其中所述设备（1）具有激励电路（20），所述激励电路被设计为在预先给定的时间内产生放电电流。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述激励电路（20）具有继电器或半导体开关（25）以及控制单元（21）。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制单元（21）被设计成定时器（22）。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的设备，其特征在于，所述激励电路（20）具有单独的负载电阻（23），或者所述半导体开关（25）构成负载。

5.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，差分电压单元（30）具有：两个直流电压滤波器（31），所述两个直流电压滤波器分别被分配给电池组电池（BT1 – BTX）的电池组极；以及一个差分放大器（34）。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，在直流电压滤波器（31）与所述差分放大器（34）的输入端之间分别布置有放大器（32）。

7.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述预先给定的时间大于100ms并且小于1 s。

8.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述带通滤波器（35）的下限频率大于50 Hz并且上限频率小于500 Hz。

9.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，至少一个电池组电池（BT1 –BTX）分配有温度传感器（T），其中所述设备（1）被设计为在没有温度传感器（T）的情况下基于所述差分电压单元（30）的测量结果来估计所述电池组电池（BT1 – BTX）的温度。

10.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备（1）是电动车辆或混合动力车辆的牵引电网的组成部分。