本質安全的電池組電池的接通延遲的製作方法

2023-07-30 10:27:31

本發明涉及可再充電的電池組電池單元（batteriezelleinheit），所述電池組電池單元可以被聯接成電池組模塊，並且本發明尤其是涉及具有接通延遲的本質安全的電池組電池單元，以及涉及一種用於本質安全的電池組電池單元的開關方法（schaltverfahren）。

背景技術：

有工作能力的可一再充電的（通常包括多個相互電接線的電池組電池的）電池組模塊是電動和混合動力車輛技術的重要部件。特別地，在該行業中所需的對如下電池組系統的性能（leistungsfaehigkeit）和安全的要求（auflage）屬於對開發蓄電池工藝的挑戰：所述電池系統可以包括多個相互接線的電池組模塊並且因此包括相對大數目的電池組電池。在汽車工業中，越來越多地使用鋰離子電池。鋰離子電池組的特點在於其高的能量密度和電池電壓。然而，鋰離子電池組關於過量充電以及過度放電是相對敏感的。

為了提高主要是鋰離子電池組的安全，值得去追求的是本質安全的電池組電池和電池組模塊，所述本質安全的電池組電池和電池組模塊可以利用與其關聯的電子裝置本身來防止不允許的電運行狀態，而在此不應依賴電池組管理系統的電子裝置的功能。本質安全的電池組電池要是防短路的、不易燃的並且是無爆炸性的，而且也沒有觸發放熱反應（按英語用法也稱作為「thermalrunaway（熱失控）」）。從現有技術中，例如已知了本質安全的電池組電池，所述本質安全的電池組電池具有電子部件、譬如超快速的放電電路，所述超快速的放電電路保護電池組電池不受幹擾情況（如內部的或者外部的短路、過載、過度放電或者不允許的外部加熱）影響。

為了達到電池組模塊或者電池組系統的總電壓的確定的值，根據當前的現有技術，多個電本質安全的電池組電池由上級的控制單元（例如電池組管理系統）根據預給定的概率而被接通，所述電本質安全的電池組電池要麼相互串聯接線和/或相互並聯接線。為了使各個電池組電池的性能最大化並且延長所述各個電池組電池的使用壽命，各個電池組電池配備有電子裝置，以便測定（ermitteln）自己的狀態條件，並且與此相應地實施自己的開關狀態。使用電池組電池的優先級設定典型地要麼根據各個電池組電池的充電狀態要麼根據各個電池組電池的老化來進行，所述各個電池組電池的充電狀態按英語用法也稱作stateofcharge（soc，充電狀態），所述各個電池組電池的老化按英語用法也稱作stateofhealth（soh，健康狀態）。為了實現該開關方法，按照當前的現有技術，每個單個電池組電池都配備有微處理器單元，該微處理器單元按英語用法也稱作micro-control-unit（mcu，微控制單元），所述微處理器單元測定相對應的電池組電池的開關概率。這是極大的技術開銷，並且此外還使電池組管理系統承受負荷，並且尤其是使通信總線的信息密度承受負荷。

從us2012/0274140a1中公開了一種電池組系統，該電池組系統具有與控制單元相連的開關裝置。該開關裝置包括多個電池組電池和布線，該布線使得控制單元能夠改變在電池組模塊中的各個電池組電池的組合。在此，可以考慮各個電池組電池的充電狀態和老化、電池組模塊的以前的發展情況，以及考慮環境條件和製造商預給定。藉助該開關裝置，可以使電池組模塊的輸出電壓與消費者的需要、例如電動機相適應。

從現有技術中已知的用於電池組電池或者電池組模塊的開關方法具有相對高的複雜度，所述開關方法以效率為代價並且導致在各個電池組電池與電池組管理系統之間的通信總線的強烈滿載。通信總線的過載可能引起在接通或斷開電池組模塊或者電池組系統的電池組電池時的延遲。經此，可能損害用於調節（einstellung）確定的額定電壓的控制裝置的精度。

技術實現要素：

在此背景下，本發明的任務是，尤其是關於減小電池組模塊或者電池組系統的複雜度和減小在各個電池組電池與電池組管理系統之間的通信總線上的信息負荷，改進本質安全的電池組電池、尤其是鋰離子電池組電池的可開關性（schaltbarkeit）。

為了解決該任務，建議了一種根據權利要求1所述的具有接通延遲的本質安全的電池組電池單元和一種根據權利要求10所述的用於本質安全的電池組電池單元的開關方法。

與此相應地，本發明設置了一種電池組電池單元，該電池組電池單元包括可再充電的電化學電池組電池、與所述電池組電池並聯連接的監控和控制單元和構造為半橋的耦合單元，所述半橋具有第一功率半導體和第二功率半導體。電池組電池單元配備有集成電路，該集成電路具有噪聲源。藉助噪聲源可實現接通延遲。

根據本發明的本質安全的電池組電池單元相對於現有技術提供了如下優點：迄今用於開關方法的微處理器單元可以通過具有噪聲源的集成電路來代替，並且因此可以降低電池組系統的成本和複雜度。不再必需軟體和處理器晶片。通過使用集成電路而不是微處理器單元，減少了如下通信總線上的數據負荷：該通信總線將各個電池組電池單元與電池組管理系統相連。通過採用噪聲源來產生本質安全的電池組電池單元的單獨的接通延遲，此外還可以提高激活或停用（deaktivierung）電池組電池單元的頻率，並且更精確地調節如下電池組模塊或電池組系統的額定電壓：所述電池組模塊或電池組系統具有多個根據本發明的電池組電池單元。

在本發明的有利的設計方案中設置了，噪聲源是感應線圈，並且尤其是小信號感應線圈。通過採用相對簡單的器件，可以減小根據本發明的電池組電池單元的成本和複雜度。

在本發明的另一有利的設計方案中設置了，多個電池組電池單元相互接線成電池組模塊，其中各個電池組電池單元的接通延遲是可單獨調節的。利用根據本發明的電池組電池單元可以建立電池組系統，在所述電池組系統中，對所關聯的電池組管理系統提出了實質上較低的要求。由此，能夠實現靈活的且用戶特定的電池組模塊或電池組系統。

根據本發明的優選的設計方案設置了，藉助噪聲源的不同的電壓，可產生電池組電池單元的不同的電壓特性曲線，並且因此可產生不同的接通瞬間（einschaltmoment）。經此，可以提高激活或停用電池組電池單元的頻率，並且可以更精確地調節如下電池組模塊或電池組系統的額定電壓：所述電池組模塊或電池組系統具有多個根據本發明的電池組電池單元。

根據本發明的另一優選的設計方案設置了，可規定閾值電壓u1，該閾值電壓u1確定接通或斷開電池組電池單元的時間點。此外還設置了，在超過閾值電壓u1時，可接通電池組電池單元；而在低於閾值電壓u1時，可斷開電池組電池單元。因此，電池組電池單元的電池組電池的電池組電池狀態（尤其是充電狀態或者老化狀態）在電池組電池單元開關時可予以考慮。這能導致使用壽命的延長，並且導致各個電池組電池的性能提高。

本發明的另一有利的設計方案設置了，電池組電池是鋰離子電池組電池。鋰離子電池組系統當前為混合動力和電動汽車的成功提供最好的開發機會。

本發明的另一有利的設計方案設置了，第一二極體與第一功率半導體並聯連接，而第二二極體與第二功率半導體並聯連接，其中第一功率半導體和第一二極體形成第一功率半導體開關，而第二功率半導體和第二二極體形成第二功率半導體開關。通過採用功率電子裝置，可靈活地控制根據本發明的電池組電池單元。此外，功率電子系統提供了如下優點：所述功率電子系統具有相對高的效率。

為了解決開頭所述的任務，此外還建議了一種用於電池組系統的開關方法，所述電池組系統包括多個本質安全的電池組電池單元，所述電池組電池單元分別具有可再充電的電化學電池組電池、與電池組電池並聯連接的監控和控制單元和構造為半橋的耦合單元，該半橋具有第一功率半導體和第二功率半導體，該開關方法的特徵在於，通過將噪聲源集成到每個單個電池組電池單元中，針對每個單個電池組電池單元實現單獨的接通延遲。

附圖說明

本發明的其他有利的細節、特徵和設計方案細節結合在附圖中所示的實施例更詳細地予以闡述。在此：

圖1以示意圖示出了根據本發明的本質安全的電池組電池單元的實施例；

圖2以示意圖示出了不同的根據本發明的本質安全的電池組電池單元的與噪聲源的電壓相關的電壓特性曲線；

圖3以示意圖示出了根據本發明的本質安全的電池組電池單元的閾值電壓；以及

圖4以示意圖示出了各個根據本發明的本質安全的電池組電池單元的各個單獨的閾值電壓。

具體實施方式

在圖1中示出了根據本發明的實施形式的本質安全的電池組電池單元10的原理電路圖。電本質安全的電池組電池單元10包括電化學電池組電池11、尤其是鋰離子電池組電池，並且包括與電池組電池11並聯連接的監控和控制單元12。監控和控制單元12具有監控電子裝置13，用於監控所述電池組電池11。此外，監控和控制單元12例如可以具有：傳感器裝置，用於檢測物理量；狀態測定裝置（電池組電池狀態識別和預報），所述狀態測定裝置從傳感器信號中識別出當前的尤其是在其安全方面的電池組電池狀態，並且也可以預測或預報電池組電池11的未來的行為；以及執行器裝置（安全致動器），利用該執行器裝置，在識別出變為臨界的電池組電池狀態時，可以將電池組電池11轉換到安全的運行模式中。

在電池組電池單元11中，可以布置放電裝置（未分開示出），該放電裝置可以藉助執行器裝置而被激活。該放電裝置設置用於，在被激活的放電模式下，電池組電池11藉助適度的放電電流放電，和/或在被激活的快速放電模式下，電池組電池11藉助接近短路電流的高放電電流來放電。此外，在電池組電池單元10中，可以集成有安全功能、例如過度放電安全功能，所述安全功能由監控和控制單元12提供，並且在存在臨界的或者變成臨界的電池組電池狀態時，所述安全功能可以立即將電池組電池11轉換到安全的運行模式中。

電池組電池單元10此外還具有耦合單元，該耦合單元由半橋14構造，該半橋14具有第一功率半導體15和第二功率半導體16。功率半導體15和16例如可以是電晶體。與第一功率半導體15並聯連接有第一二極體17，並且與第二功率半導體16並聯連接有第二二極體18。二極體17和18優選是續流二極體。二極體17和18的導通方向與相對應的功率半導體15或16的導通方向相反。第一功率半導體15和第一二極體17形成第一功率半導體開關，而第二功率半導體16和第二二極體18形成第二功率半導體開關。

半橋14在與第一功率半導體15關聯的第一端子上與電池組電池11的正極相連，而在與第二功率半導體16關聯的第二端子上與電池組電池11的負極相連。半橋14此外還在中間端子上與電池組電池單元10的第一輸出端子相連。監控和控制單元12根據本發明設立具有用於功率半導體15和16的集成操控裝置（ansteuerung）。

在正常運行中，電池組電池10藉助半橋13的上部部分（即由第一功率半導體15和第一二極體17形成的第一功率半導體開關）而被接入（anschalten），並且藉助半橋14的下部部分（即由第二功率半導體16和第二二極體18形成的第二功率半導體開關）而被斷開。

如果電池組電池10達到確定的電池組電池狀態，則半橋14的上部部分（並且因此第一功率半導體開關）被斷開，而半橋14的下部部分（並且因此第二功率半導體開關）被接通，其中所述確定的電池組電池狀態譬如是該電池組電池11可以放電直至的預給定的最小電壓值，或者是該電池組電池11可以充電直至的預給定的最大電壓值。

多個本質安全的電池組電池單元10可以或者相互串聯接線和/或相互並聯接線，並且因此形成電池組模塊或電池組系統。為了達到這種電池組模塊或者電池組系統的總電壓的確定的值，本質安全的電池組電池單元10由上級的中央控制單元（例如電池組管理系統）根據預給定的概率來接通或斷開。

為了使各個電池組電池11的性能最大化並且延長各個電池組電池11的使用壽命，各個電池組電池單元10配備有電子裝置，以便測定自己的狀態條件並且與此相應地實施自己的開關狀態。使用電池組電池單元10的優先級設定典型地要麼根據各個電池組電池11的充電狀態要麼根據各個電池組電池11的老化來進行，所述各個電池組電池11的充電狀態按英語用法也稱作stateofcharge（soc），所述各個電池組電池11的老化按英語用法也稱作stateofhealth（soh）。

為了實現該開關方法，根據本發明的電池組電池單元10配備有集成電路20、例如邏輯電路，該集成電路20具有噪聲源21。該邏輯電路可以在其已獲得使能信號之後獨立地工作。噪聲源21優選是感應線圈，並且尤其是小信號感應線圈。藉助小信號感應線圈，可在各個電池組電池單元10之間產生明顯的接通延遲。集成電路20可以根據一實施形式集成到監控和控制單元12中。藉助噪聲源21，達到如下接通延遲：該接通延遲可以針對每個電池組電池單元10單獨地被調節。由此，能夠實現靈活的且用戶特定的電池組模塊或電池組系統。

在圖2中示出了不同的根據本發明的本質安全的電池組電池單元31、32和33的與噪聲源21的電壓相關的電壓特性曲線。本質安全的電池組電池單元31、32和33在其結構方面對應於前面所描述的本質安全的電池組電池單元10。如從圖2中可看出的那樣，利用噪聲源21的不同的電壓，可在各個電池組電池單元31、32和33中產生不同的電壓特性曲線，並且因此可針對各個電池組電池單元31、32和33產生不同的接通瞬間。

在圖3中示出了根據本發明的本質安全的電池組電池單元31的閾值電壓。除了藉助噪聲源21產生接通延遲之外，可以規定每個單個電池組電池單元的閾值電壓，該噪聲源21簡化和優化了多個電池組電池單元31、32和33的開關。在圖3中示出了電池組電池單元31的閾值電壓u1。該閾值電壓u1確定，何時接通或斷開電池組電池單元31。當超過閾值電壓u1時，接通電池組電池單元31；而當低於閾值電壓u1時，斷開電池組電池單元31。

如從圖4中可看出的那樣，可以單獨地規定每個單個電池組電池單元的閾值電壓。圖4示出了相對應的各個電池組電池單元31和32的各個單獨的閾值電壓u1和u2。用於確定或者規定各個單獨的閾值電壓u1和u2的標準例如可以是電池組電池單元31和32的電池組電池11的電池組電池狀態、尤其是充電狀態或者老化狀態。因此，當電池組電池單元的充電狀態和/或老化狀態高時，閾值電壓被置為低的，並且因此能夠實現短的接通延遲。

通過採用噪聲源21來產生本質安全的電池組電池單元10的單獨的接通延遲，可以降低電池組系統的成本和複雜度，而可以提高激活或停用電池組電池單元10的頻率。此外，通過減少在通信總線上的數據負荷，可以更精確地調節電池組模塊或電池組系統的額定電壓，所述通信總線將各個電池組電池單元10與電池組管理系統相連，所述電池組模塊或電池組系統具有多個電池組電池單元10。

根據本發明的電池組電池單元10並不限於採用鋰離子電池組電池，而是也可以被用於其他電池組電池工藝，譬如用於鎳金屬氫化物電池組電池。

在所述附圖中示出的和結合所述附圖闡述的實施例用於闡述本發明，並且對於本發明並不是限制性的。