用于电池系统的电路布置

技术领域

本发明涉及一种用于可重复充电的电池系统的电路布置。本发明还涉及一种用于对可重复充电的电池系统的单个电池单元进行安全放电的方法。

背景技术

从现有技术中已知，例如用于电动车的电池系统、优选蓄电池和/或高压电池可以由具有多个电池单元的电池组(阵列)构造。

从WO 2010/118 310 A2中已知例如以下电池系统：在该电池系统中设有旁路机制(Bypass-Mechanismus)，以重新配置电池系统。

由EP 1 289 096 A2得知一种电池系统，在该电池系统中使用二极管，用以阻止电池单元的放电。

由WO 2016/012247 A1得知一种模块化的储能直接转换器系统。

在此已经表明，由于干扰部位

为了在这种故障情况下避免临界状态，已知技术上复杂的和/或昂贵的解决方案，用以保证冷却。

发明内容

本发明的主题是一种具有权利要求1的特征的电路布置和一种具有权利要求7的特征的方法。本发明的其他特征和细节从相应的从属权利要求、说明书和附图中得出。在此，结合根据本发明的电路布置所描述的特征和细节显然也适用结合根据本发明的方法，并且分别反之亦然，从而关于本发明各个方面的公开，始终可以相互参考。

特别地，保护一种用于可重复充电的电池系统、优选地用于车辆或移动无线电设备的电池系统的电路布置。

电池系统尤其可以构造为可重复充电的高压电池。有利地，电池系统具有多个电池单元(单元电池)，并且以这种方式形成电池组。电池单元尤其是实施为3.7伏电池单元。此外，电池可以进一步细分为分别例如具有12至16个电池单元的模块。可能的是，整个电池组提供约400伏的总电压。例如，总电压可以为200至600伏。

该车辆例如构造为乘用车和/或卡车和/或电动车。此外，可以涉及混合动力车辆或涉及仅电驱动的纯电动车。移动无线电设备例如实施为智能手机等。

在根据本发明的电路布置中可以设置，使用以下(例如电子的)部件：

至少一个执行器，该执行器被分配给电池系统的单个电池单元，用以尤其是通过其固有电阻(Eigenwiderstand)来开关电池单元的放电；

至少一个传感装置，该传感装置被分配给单个电池单元，用以监测电池单元，并且优选地，根据监测来操控执行器用以在故障状态(尤其是故障情况)下放电。

这具有以下优点：在故障情况下(在存在或出现故障状态时)，通过传感装置和/或执行器能够将电池单元作为有缺陷的电池单元主动地放空(Entleeren)和/或停用。在此，放电可以例如通过电池单元的内部电阻(固有电阻)发生。这虽然也可能导致电池单元发热，但是在很大程度上是均匀的并且不再是局部地在干扰部位处(在电池系统的电池单元的区域中)。为了实现提高稳健性，电池系统的每个电池单元都可以在必要时配备有自己的诊断传感器(即传感装置)以及自己的执行器(例如一个或多个电子开关)。

有利地，传感装置可以包括至少一个传感器，用以检测电池单元电压和/或电流和/或电池单元的温度和/或电池单元中的压力。执行器可以例如具有电开关，该电开关实施用于使分配给执行器的电池单元短路。

如果电池系统的每个电池单元具有至少一个所分配的执行器和/或至少一个所分配的传感装置，用以监测相应的电池单元和/或根据监测来操控执行器用以在故障状态下放电，则也是有利的。

例如可以设置，电池单元的传感装置实施用于直接操控该电池单元的执行器。特别地，传感装置可以直接与执行器电连接，用以开关执行器。执行器具有例如至少一个电开关，例如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。有利地，传感装置与电开关的控制输入端连接，用以将该电开关从打开状态转换到闭合状态(或者反之)。由此能够保证特别快的响应时间。

有利地，分配给单个电池单元的执行器可以实施为仅用于对该单个电池单元进行放电。替代地或附加地，分配给单个电池单元的传感装置可以实施为仅用于监测该单个电池单元和/或仅用于操控分配给该单个电池单元的执行器。以这种方式，可以在故障情况下对该单个电池单元进行快速放电，而无需经由另一设备(例如中央电池管理系统或车辆的控制设备等)绕道而行。

在另一可能性中可以设置，传感装置实施用于，为了进行监测，检测单个电池单元中的电压以及电流并且优选地还检测温度和/或压力，并且优选地将其与预给定(Vorgabe)进行比较，用以通过监测和/或基于比较来探测电池单元中的故障状态。预给定可以例如非易失性地存储在传感装置的数据存储器中。这使得能够可靠地探测到临界状态(即故障状态)。可选地，传感装置可以具有集成电路、优选为ASIC(专用集成电路)，用以提供监测和/或操控。以这种方式，可以使用高度集成的且智能的、直接分配给该电池单元的电子设备，用以提供监测和/或操控。

此外，可选地设置，传感装置是分布式电池管理的一部分，优选地实施为分布式电池管理单元，用以独立于中央电池管理系统和/或电池系统的至少一个另外的电池单元的至少一个另外的分布式电池管理单元来提供监测和/或操控。例如，分布式电池管理可以具有多个电池管理单元，该电池管理单元分布式地分配给各个电池单元。这使得能够实现故障情况下的特别快速的操控。

如果在本发明的范畴内，执行器实施为功率开关、优选地实施为场效应晶体管，并且尤其是与电池单元并联连接，用以使电池单元短路以通过电池单元的固有电阻(尤其是内部电阻)进行放电，则可能是有利的。在此，虽然电池单元也可能发热，但是在很大程度上均匀发热，从而不再发生过度发热。

同样地，本发明的主题包括一种用于可重复充电的电池系统的单个电池单元的安全放电的方法。

在此设置，执行以下步骤，优选地依次执行或以任何顺序执行，其中，必要时也可以重复执行单个步骤：

通过传感装置监测单个电池单元，该传感装置(尤其是仅)分配给单个电池单元，其中，监测至少一个电池单元电压；

至少基于监测、优选地基于电池单元电压的时间变化过程来探测故障状态；

根据探测来操控执行器，用以在故障状态下对电池单元进行放电。

因此，根据本发明的方法具有与已经参照根据本发明的电路布置详细描述的优点相同的优点。此外，该方法可以适合于运行根据本发明的电路布置。如此，例如，传感装置和执行器可以按照根据本发明的电路布置来实施和/或与电池单元连接。

优选地，探测和/或前面提到的步骤中的每个步骤通过电池单元的传感装置来进行。

有利地，为了求取电池单元电压的时间变化过程，可以在监测中重复地求取电池单元处的电压值，其中，该电压值对于单个电池单元的电池单元电压是特定的。在此，由此求取的电压值可以例如被缓存(zwischenspeichern)，用以分析处理变化过程。缓存和/或分析处理可以例如通过传感装置进行。优选地，当通过分析处理识别出电池单元的电压的过度下降时，探测到故障状态。例如通过低于作为阈值的预给定的负斜率(例如-0.5V/μs)来识别该下降。

可选地可以设置，根据监测，在探测到故障状态时发起电池单元的短路。该短路尤其可以以受控的方式进行，用以避免过度发热。

优选地，在本发明的范畴内可以设置，根据监测，在探测到故障状态时，操控至少一个另外的执行器以对至少一个与电池单元相邻的电池单元(即有缺陷的电池单元)进行放电，优选地通过中央电池管理系统，优选地独立于通过另外的传感装置对相邻电池单元的另外的监测，其中，相邻电池单元有利地是与有缺陷的电池单元具有机械接触点的那些电池单元。由此可以进一步提高安全性，其中，在探测到故障状态时，也自动地对例如固定数量的相邻电池单元进行放电。相邻电池单元例如是电池系统中在空间上最接近有缺陷的电池单元的那些电池单元。

如果操控包括执行器的重复的、优选脉冲式的开关，用以限制电池单元的放电电流，则也是有利的。因此可以避免过度的发热发展。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节由以下描述得出，在该描述中参照附图详细地描述本发明的实施例。在此，在权利要求书中和在说明书中所提及的特征分别单独地或以任意组合地是本发明关键性的。

在此示出：

图1示出电池系统的一个示意图，

图2示出电池系统的另一示意图，

图3示出根据本发明的电路布置的一个示意图，

图4示出根据本发明的电路布置的另一示意图，

图5示出在单个电池单元中所测量的电压值的变化过程的示意图，

图6示出电池单元的示意图。

在以下附图中，针对来自不同实施例的相同技术特征使用相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示意性地示出电池系统1的模块3。为了更好的理解，还标明模块电压Um。电池系统1的单个模块3具有例如多个电池单元2、2‘。

此外，多个模块3可以在电池系统1中、尤其是在用于车辆的高压电池中互相连接。

这在图2中清楚地示出。模块3的互相连接可以实现提供整个电池组的更大的总电压Up。

在图3中示意性地示出根据本发明的用于可重复充电的电池系统1的电路布置10。在此，电路布置10可以具有至少一个执行器30，该执行器被分配给电池系统1的单个电池单元2。该执行器30具有例如至少一个电子开关31、32，用以开关电池单元2的放电。示例性地示出与单个电池单元2均连接的第一电子开关31和第二电子开关32。在正常状态下，即在电池系统1的无故障运行中，第二电子开关32闭合并且第一电子开关31打开。

此外，设置有传感装置20，该传感装置被分配给单个电池单元2，用以监测电池单元2并根据该监测来操控执行器30在故障状态F下放电。为了通过监测来探测故障状态，例如通过传感装置20测量电池单元2中的电压。为了实现放电，可以在故障状态F下例如闭合第一电子开关31并且使第二电子开关32保持闭合，从而所涉及的电池单元2可以通过其固有电阻自身放电。通过闭合第一电子开关31，还可以使模块3的其他电池单元2‘的电流改变线路(umleiten)。该方法虽然可能引起电池单元2发热，但是并非如在干扰部位处那样局部发热。干扰部位例如是电池单元2的引起故障状态F的损坏。

此外，在探测到故障状态F时，可以在必要时通过传感装置20通知电池管理系统5。为此，例如可以在传感装置20与可选的(中央)电池管理系统5之间设置数据线路。尽管如此，传感装置20与电池管理系统5之间的数据线路和/或通信对于通过传感装置20操控执行器30而言可能不是必需的，从而在故障状态F下的放电也可以独立于(中央)电池管理系统5进行。

根据图4，电池系统1的另外的或所有另外的电池单元2‘可以分别具有所分配的另外的传感装置20‘和/或所分配的另外的执行器30‘和/或电路布置10。以这种方式，可能的是，在另外的电池单元2‘中也可以探测到故障状态F，并且在必要时自动进行放电。也可能的是，有缺陷的电池单元2的相邻电池2‘同样地进行放电。

此外，可能的是，通过传感装置20监测电池单元2中的温度。例如，如果温度要进入到临界范围中，则可以通过执行器30终止放电和/或短路。

还可能的是，最大放电电流可以通过第二电子开关32的脉冲(重复的接通和关断或者说闭合和打开)来控制。特别地，这也可以通过传感装置20来执行。

也可能的是，传感装置20独立于和/或自主于(autark)电池系统的另外的电子设备和/或中央电池管理系统5执行监测和/或操控。

如在图5中所示，传感装置20可以例如以规则的时间间隔检测电池单元2中的测量电压Ua，该测量电压是特定的和/或取决于电池单元电压Uz。基于该电压Ua的快速下降可以探测故障状态F的出现。为此，例如对该电压Ua随时间t的变化过程进行分析处理。

在图6中示意性地示出电池单元2(或另外的电池单元2‘)的等效电路图。可以看出，可以通过过渡电阻(übergangswiderstand)Rs和通过固有电阻Ri影响电池单元的电流流动I。过渡电阻Rs例如是在故障状态下的干扰部位处产生的电阻。通过有意地通过传感装置20所导致的短路(例如根据图3通过操控执行器30和/或闭合第二电子开关32)，可以将电流I仅部分地引导通过Rs并且主要通过Ri导出(低欧姆接触)。

根据本发明的电路布置10的放电和/或根据本发明的方法的放电可以例如由电池管理系统5如此控制，使得在电池系统和/或短路的电池单元2、2‘中放电到充电状态为60％或更低，例如30％(取决于所使用的电池单元)。

实施方式的以上阐述仅在示例的范畴内描述本发明。显然，在不脱离本发明的范畴的情况下，只要技术上是有意义的，实施方式的各个特征可以自由地彼此组合。