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CN104040816A - 电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池系统(1)，其具有电池(2)，特别是具有带有过电流关断装置(3)的锂离子单元的电池，其中至少一根保险丝(6)和至少一个开关继电器(4)串联电连接，并具有用于检测电池电流(I)的至少一个电流传感器(5a；5b)，藉此开关继电器(4)有具有最大可切换电流(Imax)的第一关断电流范围(I3)，且保险丝(6)有具有最小可切换电流(Imin)的第二关断电流范围(I4)，藉此第一电流范围(I3)的最大可切换电流(Imax)和第二电流范围(I4)的最小可切换电流(Imin)在工作电流范围(I1)的最大电流(IP)之上，且藉此第二关断电流范围(I4)的可切换电流(I)至少主要是大于第一关断电流范围(I3)的可切换电流(I)。为了确保电池电流的可靠关断而不破坏组件，第一和第二关断电流范围(I3；I4)具有重叠范围(ΔI)，且至少一个第一电流传感器(5a)以这样的方式配置来检测至少最高达第二关断电流范围(I4)的最小可切换电流(Imin)的电流(I)，优选地检测最高达第一关断电流范围(I3)的最大可切换电流(Imax)的电流(I)。

Description

电池系统
本发明涉及电池系统，其包括：电池(尤其是具有锂离子单元的电池)，过电流关断装置，其中至少一根保险丝和至少一个开关继电器串联电连接，并包括用于检测电池电流的至少一个电流传感器，其中该开关继电器有具有最大可切换电流的第一关断电流范围，且该保险丝有具有最小可切换电流的第二关断电流范围，其中第一电流范围的最大可切换电流和第二电流范围的最小可切换电流在工作电流范围的最大电流之上，且其中第二关断电流范围的可切换电流至少主要是大于第一关断电流范围的可切换电流。
仅通过断开主继电器来执行过流的关断是已知的。此外，保险丝常常安装在高电压通路中，以提供防止过流和在短路情况中的冗余保护。
例如从JP2008-193776A1知晓这样的电池系统。该电池系统包括通过保险丝串联连接的电池块。此外，该电池系统包括连接到电池的输出侧的继电器。在这个电池系统中，在过多电流流入驱动电池时保险丝将熔断并关断电池中的电流。此外，控制继电器的控制电路关断继电器以切断电流。电池系统的控制电路设置有用于检测电池电流的电流检测电路，其中基于所检测到的电流来控制电池的充电和放电。电流检测电路检测正常电池充电和放电范围内的电流，例如在汽车的电池系统中等于或低于200A。如果比这个更高的电流在电池中流动，特别是当反常的高电流在电池中流动时，继电器被切换到“关”以中断电池电流。
在系统故障的情况中，或者作为短路或者作为电池以外的功率电子器件错误或组件故障的结果，可能出现高于正常允许的或指定的电流范围的电流。在这样的电池组中使用的保险丝具有限制切断过流使用的不利特性。保险丝必须能够承受工作电流范围而不会老化且不会过早熔断。为了确保这一点，必须相应地设计保险丝元件。这导致了保险丝的最低关断电流限制(最小可切换电流)。不能使该保险丝在这个最低关断限制之下熔断。稍微低于这个最低阈值的电流可导致过热和周围部分的熔化达到火灾形成。
在另一方面，适用于上述类型的电池系统的继电器在电流的关断能力上有不利的特性。作为高电流关断的结果，触头可能被损坏到这样的程度：在恢复的情况下触头的电阻太差以致于在进一步工作期间继电器过热并因此可能发生整个系统性能上的明显下降。此外，触头材料在高电流范围关断期间因强电弧而分布在触头室中，导致了继电器的一个触头电极到另一个触头电极的绝缘电阻低于允许阈值。这导致了电压流出到电池外侧的可能性，尽管开关继电器是断开的。
还从DE102009053712A1知晓带有连接到电池的保险丝的电池系统，其保险丝在过大的电流的流动期间将熔断。继电器还被连接到电池的输出侧。通过电流中断电路，可检测过大的电池电流并可控制继电器。电流中断电路连接到确定继电器的跳闸延迟时间的计时器部分。因为计时器部分的延迟时间，保险丝的熔断电流将被设置到低于继电器的最大中断电流的水平并高于允许的最大电池充电和放电电流。在大于继电器的最大中断电流的过大电流流过电池的情况下，保险丝将在计时器延迟时间期间熔断，且当延迟时间期满时电流中断电路将继电器从“开”切换到“关”。在延迟时间期间保险丝将熔断，以在大到足以熔断继电器触头的电流时中断电流。在延迟期间不允许保险丝熔断的过大电流因此将是不允许继电器触头熔断的电流，这就是为什么继电器可以在延迟时间后跳闸的原因。
过大电流的水平没有被检测且继电器仅在延迟时间期满后才跳闸是不利的。尽管延迟时间仅0.3秒，周围部分的过热可在大于最大工作电流强度但仅略低于保险丝的跳闸电流强度的电流强度处发生，结果是不能排除本地热过载。
本发明的目的是以最简单的可能方式提供能够可靠地中断或关断电池电流而不导致组件热过载的电池系统。
根据本发明，这是通过这样的方式来实现的：第一和第二关断电流范围具有重叠范围，且至少一个电流传感器被配置来检测最高达第二关断电流范围的最小可切换电流(优选被配置来检测最高达第一关断电流范围的最大可切换电流)的电流。
优选地设置第二电流传感器被布置以检测仅在工作电流范围内的电流。
工作电流范围是这样的电流范围，其中可操作地发生正常充电和放电过程，而没有任何时间限制，没有热过载组件。然而，大于工作电流范围的充电和放电电流的电流在过流范围出现。过流范围因此从过流范围的最大允许电流延伸到短路电流。过流导致组件的热应力，尤其是当它们持续了延长了的时间段时。
重叠范围可至少是第一关断电流范围的5％，优选至少是第一关断电流范围的10％。
与DE102009053712A1相对，不需要等待延迟时间以将开关继电器跳闸。一旦已经被电池控制单元确定由电流传感器测量的电流在第一关断电流范围以内但在最大工作电流范围之上时，开关继电器的跳闸就因此立刻发生。
在电流低于第二关断电流范围的最小可切换电流(优选地高于最大工作电流范围)的情况下，电池电流优选地通过断开开关继电器来中断。
还可以设置在电池电流高于第一关断电流范围或高于第二关断电流范围的最小可切换电流的情况下，阻止断开开关继电器。在另一方面，在电流低于第二关断电流范围的情况下，保险丝对电池电流的中断被阻止。
由于至少一个电流传感器具有在至少最高达重叠范围开始处执行测量的能力，可以直接确定开关继电器是否被启动。接着基于电流测量决定开关继电器是维持闭合(在测量电流高于继电器的切换电流时)还是被断开(因为所测量的电流低于继电器的最大可切换电流)并中断电子电路。
如果电流持续过高，保险丝将中断电子电路。随后可由电流测量识别到电流低于继电器的最大可切换电流，并且因此继电器可再次被断开。
下面参照附图更详细地解释本发明，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明的电池系统，以及
图2示出根据本发明的电池系统的过流关断装置的工作范围。
电池系统1包括可充电电池2(例如，锂离子存储电池)，和带有开关继电器4的过流关断装置3，第一电流传感器5a，第二电流传感器5b，和布置成熔断器的保险丝6。电池2、开关继电器4和电流传感器5a、5b与电池控制单元BCU连接。开关继电器4具有第一关断电流范围I3，在其中开关继电器4可以安全方式被切换至少一次，从而使开关继电器4的绝缘电阻在足够高的范围内。
两个电流传感器5a、5b具有不同的测量范围。第一电流传感器5a包括进一步的测量范围I2，其基本上覆盖了开关继电器4的第一关断电流范围I3。该电流传感器5a的测量精度不需要很高。
第二电流传感器5b被配置用于最高达最大允许的峰值电流IP的工作电流范围I1。保险丝6具有第二关断电流范围I4。第二关断电流范围I4在更高的电流I处主要高于第一关断电流范围I3，其中第一关断电流范围I3和第二关断电流范围I4具有重叠范围ΔI。IC指示持续的工作电流，其中没有任何组件热过载的不受限于时间的工作是可能的。
IU指示过流范围，其在工作范围I1之上延伸到最高达短路电流ISC。NA在图2中指示继电器4和保险丝6的不可切换的电流范围。
第一电流传感器5a提供了测量最高达重叠范围ΔI的能力。基于第一电流传感器5a的测量决定开关继电器4是维持闭合还是被断开。开关继电器4在电流I处于高于第一电流传感器5a的测量范围时总是维持闭合，因为在这个情况中电流I对于开关继电器4而言太高了。如果电流I处于过流范围IU中但低于开关继电器4的最大可切换电流Imax，开关继电器4可被用来中断电流I并可被断开。
如果在另一方面，电流I持续高于开关继电器4可切换的最大电流Imax，保险丝6将通过熔断来中断电子电路。随后，如果电流传感器5a、5b之一识别到电流在开关继电器4的最大可切换电流Imax之下，开关继电器4还可被断开用于附加的安全性。
开关继电器4和保险丝6必须被配置成考虑它们具有特定重叠范围ΔI的关断能力特性。在图2所示的示例中，开关继电器4具有在0A和1000A之间的第一关断电流范围I3内的关断能力，而保险丝具有约900A到最高达短路电流ISC的第二关断电流范围I4的关断能力。第一电流传感器5a必须能够测量最高达约1000A的当前I，其中粗略分辨率足够。
在过流情况中，最高达1000A的电流I被第一电流传感器5a测量。如果电流上升维持在低于1000A，开关继电器4跳闸且电子电路因此中断。如果电流I上升到超过第二电流传感器的测量范围I2或维持在保险丝6的最小可切换电流Imin之上，开关继电器4维持闭合直到保险丝6断开连接电子电路。
这确保了从0A到最高达短路电流ISC的全部电流阶跃从组件安全地断开连接而不导致对系统的任何破坏。

Claims (7)

1.一种电池系统(1)，包括：电池(2)，尤其是具有锂离子单元的电池，过电流关断装置(3)，其中至少一根保险丝(6)和至少一个开关继电器(4)串联电连接，并包括用于检测电池电流(I)的至少一个电流传感器(5a；5b)，其中所述开关继电器(4)有具有最大可切换电流(Imax)的第一关断电流范围(I3)，且所述保险丝(6)有具有最小可切换电流(Imin)的第二关断电流范围(I4)，其中第一电流范围(I3)的最大可切换电流(Imax)和第二电流范围(I4)的最小可切换电流(Imin)在工作电流范围(I1)的最大电流(Ip)之上，且其中第二关断电流范围(I4)的可切换电流(I)至少主要是大于第一关断电流范围(I3)的可切换电流(I)，其特征在于，所述第一和第二关断电流范围(I3；I4)具有重叠范围(ΔI)，且至少一个第一电流传感器(5a)被配置成以这样的方式来检测至少最高达所述第二关断电流范围(I4)的最小可切换电流(Imin)的电流(I)，优选地检测最高达所述第一关断电流范围(I3)的最大可切换电流(Imax)的电流(I)。
2.如权利要求1所述的电池系统(1)，其特征在于，布置第二电流传感器(5b)以检测仅在工作电流范围(I1)以内的电流(I)。
3.如权利要求1或2所述的电池系统(1)，其特征在于，所述重叠电流范围(ΔI)为所述第一关断电流范围(I3)的至少5％，优选为所述第一关断电流范围(I3)的至少10％。
4.一种用于在电池系统(1)过流的情况下关断电池(2)的方法，所述电池系统(1)包括：电池(2)，尤其是具有锂离子单元的电池，过电流关断装置(3)，其中至少一根保险丝(6)和至少一个开关继电器(4)串联电连接，并包括用于检测电池电流(I)的至少一个电流传感器(5a；5b)，其中所述开关继电器(4)有具有最大可切换电流(Imax)的第一关断电流范围(I3)，且所述保险丝(6)有具有最小可切换电流(Imin)的第二关断电流范围(I4)，其中第一电流范围(I3)的最大可切换电流(Imax)和第二电流范围(I4)的最小可切换电流(Imin)在工作电流范围(I1)的最大电流(Ip)之上，且其中第二关断电流范围(I4)的可切换电流(I)至少主要是大于第一关断电流范围(I3)的可切换电流(I)，其特征在于，通过至少一个电流传感器(5a，5b)来测量所述电池电流(I)，并且通过在所述第一关断电流范围(I3)内且在最大工作电流范围(I1)之上的电流(I)处断开所述开关继电器(4)来中断所述电池电流(I)。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过在所述第二电流范围(I4)的最小可切换电流(Imin)之下的电流(I)处断开所述开关继电器(4)来中断所述电池电流(I)。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述开关继电器(4)的断开在所述第一关断电流范围(I3)之上或在所述第二关断电流范围(I4)的最小可切换电流(Imin)之下的电流(I)处被阻止。
7.如权利要求4到6之一所述的方法，其特征在于由所述保险丝(6)对所述电池电流的中断在所述第二关断电流范围(I4)之下的电流(I)处被阻止。
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