CN111584816A - 保护装置、电池、机动车和用于关断电池单体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在电气短路的情况下关断机动车电池(30)的电池单体(10)的保护装置(12)，电池单体具有两个单体电极和用于存储能量的蓄能器单元；蓄能器单元(16)至少在电池单体(10)特定的运行状态下与单体电极导电连接，用以在单体电极上提供单体电压(U、32)；保护装置(12)设计为，根据至少涉及电池单体(10)的单体电压(U、32)探测短路。电池单体(10)包括保护装置(12)和至少一个开关装置(S1、S2)，开关装置设置在蓄能器单元(16)与单体电极中的至少之一之间，保护装置(12)设计为，为了关断电池单体(10)借助于开关装置(S1、S2)断开蓄能器单元(16)与单体电极中的至少之一。

Description

保护装置、电池、机动车和用于关断电池单体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在电气短路的情况下关断机动车电池的电池单体的保护装置。电池单体具有两个单体电极和用于存储能量的蓄能器单元；蓄能器单元至少在电池单体特定的运行状态下与单体电极导电连接，用以在单体电极上提供单体电压。此外，保护装置设计为，根据至少涉及电池单体的单体电压探测短路。本发明还包括电池、特别是用于带有这样的保护装置的机动车的高压电池、带有这样的电池的机动车以及用于关断电池单体的方法。

背景技术

由现有技术已知机动车，特别是电动车，其具有作为蓄能器的电池，特别是高压电池，其设计为用于提供非常高的电压，当前典型地在400伏特与800伏特之间的范围中。由于该高电压，监控这样的电池系统是最重要的，以及尽可能快速地对检测的故障情况、如探测到的短路做出反应是最重要的。

在此，文献DE 10 2013 214 726 A1描述了一种用于在带有系统有关的能量源的源内阻可变的电网中在第一运行状态用于电气保护的装置，该能源可构成为高压电池，其中该装置一方面包括第一保护装置、如熔断式保护装置——其响应性能不足以用于保护电网在第一运行状态下免于预定的负载——以及第二保护装置，其可以相对于负载保护电网。该第二保护装置在此可以包括用于高压电池的低压关断器，其如此设立，使得在检测到低压时打开主接触器——经由主接触器高压电池与其余的车载电网联接——且由此关断高压电池。

此外，文献DE 10 2011 079 292 A1描述一种电池管理系统，其包括控制装置和一个或多个单体监控单元，单体监控单元用于监控电池的至少一个电池模块的各自多个电池单体，其中单体监控单元各自包括微控制器，其通过通信连接与控制装置连接。此外设有用于检测来自电池单体的一个或多个测量参量的电子测量装置，且其出于该目的具有用于电流和电压检测的装置。此外，微控制器构成为计算荷电状态。

此外，文献WO 2018/142139 A1描述了一种智能电池单体，其具有正极和负极以及开关电路，开关电路设计为，在第一开关状态与第二开工状态之间切换，在第一开关状态下蓄能器装置与正极和负极连接，而在第二开关状态下桥接蓄能器装置。此外，智能单体在正极与开关网的输出端之间具有电感，其中控制单元监控在电感上下降的电压且基于在电感上检测的电压变化的大小来控制开关电路的占空比。基于此，控制单元可以确定其它串联连接的智能电池单体的荷电状态，而没有在单体之间任意的通信。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种保护装置、电池、机动车和用于关断电池单体的方法，其能实现进一步提高电池的安全性。

该目的通过带有按照相应的独立权利要求的特征的保护装置、电池、机动车和方法解决。本发明有利的设计方案是从属权利要求、说明书和附图的主题。

在按照本发明用于在电气短路的情况下关断机动车电池的电池单体的保护装置中，电池单体具有两个单体电极和用于存储能量的蓄能器单元。其中，蓄能器单元至少在电池单体特定的运行状态下与单体电极导电连接，用以在单体电极上提供单体电压。此外，保护装置设计为，根据至少涉及电池单体的单体电压探测短路。此外，电池单体具有保护装置以及至少一个开关装置，开关装置设置在蓄能器单元与单体电极中的至少之一之间，其中保护装置设计为，为了关断电池单体借助于开关装置将蓄能器单元与单体电极中的至少之一断开。

在探测到短路的情况下的安全关断通过本发明由此有利地不仅转化到电池层面或电池模块层面，而且已经转化到电池的相应的单个单体的单体层面上。再者，这样的电气短路在此通过特别简单和可靠的方式可基于在电池单体的各个蓄能器单元上存在的单体电压检测，这同样在多个方面带来优点。一方面，已经存在所谓的智能单体或智能电池单体，其各自具有自身为其配置的控制单元、例如微控制器且在其中也可以集成一个或多个开关元件。此外，这样的智能电池单体也可以包括多种传感器，如电压传感器和/或电流传感器，从而基于这样的智能电池单体按照本发明的看保护装置是可通过特别简单和成本有利的方式实现的，因为为了短路探测可以应用安装在这样的智能单体中的传感器、特别是至少一个这样的可用于确定在蓄能器单元上下降的电压的传感器，以及还有智能开关装置，用以在检测到短路的情况下断开蓄能器单元与单体电极中的至少之一。为了驱控至少一个开关装置，保护装置可以具有例如控制单元，其同样集成到电池单体中且可通过例如微控制器提供，微控制器如所述地同样可在这样的智能单体中找到。备选地，这样的控制单元也可以构成为模拟电路。这样的模拟电路例如可以具有比较器，其比较作为输入信号的单体电压信号与规定的电压阈值且根据比较结果输出输出信号，根据输出信号控制至少一个开关装置。将单个单体电压用于短路探测的另一大的优点还在于，由此不仅可检测单体内部的短路而且可以检测外部的短路，以及也可以例如单体特定地选择临界值，如该临界值还被进一步阐明，从而由此可以进一步提高短路探测的可靠性并继而提高电池的安全性。然而本发明特别大的优点正是在于，相比于在过去的方案中可显著更快速地进行安全关断，过去的方案是通过打开总高压电池的主接触器来实现电池单体的关断。这由此实现，即，开关装置可设计为对于相比于高压电池的高压接触器显著更小的电流强度来断开电池单体的蓄能器单元与电池单体的至少一个单体电极，从而开关装置可构成为电子可控的开关，由此可提供显著更短的关闭和打开时间，特别是在毫秒范围或更短的时间中。如此，相比于过去的方案总体上也可以显著更快速地提供电流关断，且由此进一步提高电池的安全性。

电池单体的蓄能器单元在此例如可以是电元件，特别是电单体。这样的电元件可以连同所述保护装置——包括至少一个开关装置以及特别是至少一个传感器，如这在下文中将进行进一步阐明——安置在共同的单体壳体中。由此能够以特别紧凑的方式提供带有基于电压的短路探测和相应由此产生的安全关断的智能电池单体。出于该目的，保护装置可以如所述地包括例如微控制器形式的控制单元，微控制器那么同样可以设置在单体壳体中。至少一个开关装置优选构成为电子可控制的开关，例如构成为MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)。电池单体的单体电极在此包括正极和负极。至少一个开关装置那么例如可以设置在蓄能器单元与电池单体的正极之间，或者设置在蓄能器单元与电池单体的负极之间。但是，电池单体也可以具有两个这样的开关装置，亦即一个设置在蓄能器单元与正极之间，而另一个设置在蓄能器单元与负极之间。在这样的情况下，在短路探测的情况下可以驱控所述一个或另一开关装置用于断开蓄能器单元与正极或者与负极，或者打开对应的开关，或者也可以驱控两个开关装置且如此实现蓄能器单元不仅与正极而且与负极的连接的断开。由此可以提供更高程度的安全性。

电池单体的至少一个运行状态——在该运行状态下蓄能器单元与单体电极导电连接，亦即至少一个开关装置是闭合的——在此可以是确定的无故障的状态或适合运行的状态，至少在该状态下未检测到短路，且优选地也未检测到不同于短路的故障情况，特别是对此蓄能器单元与单体电极中的至少之一的脱离是有利的和/或设定的。

在本发明的一个有利设计方案中，用于探测短路的保护装置设计为，将涉及电池单体的单体电压检测为在蓄能器单元上下降的电压。检测直接位于在电池单体的蓄能器单元上下降的电压以用于探测短路例如相比于检测在全部电池单体上、特别是在其单体电极上下降的电压具有如下优点，即，即便如果蓄能器单元例如通过至少一个开关装置与单体电极或单体电极中的至少之一脱耦，电压检测也是可能的。例如，适合用于检测在蓄能器单元上下降的电压的传感器可以如此设置在电池单体内，使得即便在如下情况下——即蓄能器单元与单体电极中之一或其中的两个通过至少一个开关装置隔离——也可以检测在蓄能器单元上下降的电压。由此例如也可以确定：至少一个开关装置的打开是否中断短路和由此引起的短路电流。通过这种方式例如也可以区分：探测到的短路是内部短路还是外部短路。如果涉及外部短路，那么蓄能器单元可以通过开关装置的打开和由此引起的与单体电极中的至少之一的脱离也与外部短路的影响隔离，且在蓄能器单元上下降的单体电压将在此又正常化。如果不是这样的情况，如此涉及内部短路，内部短路例如可通过在电元件的薄膜之间的微粒引起。通过这种方式，那么可以显著不同地考虑短路探测。

在此特别有利的是，保护装置为了检测单体电压具有电压传感器，电压传感器与单体电极并联连接且与蓄能器单元并联连接。原则上在蓄能器单元上下降的电压也可以根据电流测量来确定，例如借助于电流传感器对流经蓄能器单元的电流的电流测量，然而借助于与蓄能器单元并联连接的电压传感器对电压进行的直接检测显然更简单且关于检测的电压也更准确。该电压传感器的抽头在此那么设置在蓄能器单元与电池单体的相应的单体电极之间，亦即优选地如此，使得抽头中的至少之一设置在蓄能器单元与至少一个开关装置之间。如果电池单体具有两个开关装置，一个位于相应的单体电极与蓄能器单元之间，那么优选的是，电压传感器的两个抽头各自设置在蓄能器单元与相应的开关装置之间。由此，如上所述也可以在如下情况下检测在蓄能器单元上下降的电压，即如果一个或两个开关装置是打开的。

在本发明的一个特别有利的设计方案中，保护装置设计为，在如下至少一个条件下探测短路，即检测到的单体电压低于能预先规定的电压临界值和/或检测到的单体电压随时间的变化超过能预先规定的梯度临界值。这基于如下构思，短路或通过电池单体的至少强烈的电流引起典型的电压干扰，电压干扰/电压扰动可有利地用于短路探测。在此，在如下情况下可视为检测到短路，即如果检测的单体电压低于能预先规定的电压临界值或者检测到的单体电压随时间的变化低于能预先规定的梯度临界值，或者仅仅在两种情况下时。不仅电压降自身的大小而且电压的时间梯度有利地是如下参量，基于这些参量可非常高度可靠地探测短路。特别是在这些参量中表现出来的短路显著不同于例如带有高功率要求的运行状态，例如在增压运行或强加速时。因此可以基于所述参量、特别是所述参量中的至少之一提供不仅一方面短路的可靠检测，另一方面还有短路与增压运行或加速运行的可靠区分。为了通过所述方式探测短路，保护装置又可以具有微控制器或模拟电路。为了检查：单体电压随时间的变化是否超过确定的梯度临界值，模拟电路例如可以具有微分器，亦即运算放大器-微分电路，其产生输出信号，该输出信号是输入信号的一阶导数，在此是单体电压的一阶导数。输出信号因此是单体电压随时间的变化。该时间变化可作为输入信号供给比较器，比较器比较该输入信号与规定的梯度临界值并且根据比较结果提供输出信号，根据输出信号驱控至少一个开关装置。为了检查：检测的单体电压是否低于能预先规定的电压临界值，同样可以应用模拟电路，特别是还有比较器，比较器比较作为输入信号的单体电压信号与规定的电压阈值且根据比较的结果输出一输出信号，根据输出信号可以驱控至少一个开关装置。

电压随时间的变化例如可以通过多次反复的检测、特别是连续检测在蓄能器单元上下降的电压来提供。换言之，为了检测电压的时间变化同样可以应用所谓的电压传感器。正是通过连续的电压检测可以特别快速和可靠提供短路探测。

在本发明的另一有利设计方案中，保护装置设计为，根据电池单体的至少一个确定的单体参数确定电压临界值和/或梯度临界值。在此可以预先规定电池单体的对于这样的电压临界值和/或梯度临界值的确定相关/重要的单体参数，且例如将其存储在保护装置的存储器中。这样的单体参数也可以由保护装置自身确定。单体参数——考虑该单体参数在确定电压临界值和/或梯度临界值时是有利的——例如是电池单体的单体类型和/或单体化学特性。换言之，梯度临界值和/或电压临界值可根据如下确定，即例如电池单体是否是所谓的功率单体或能量单体。功率单体例如设计为，在短时间内提供大量的能量，亦即提供非常高的电气功率，其特别是大于典型的能量单体，而能量单体相比之下设计为用于存储更大量的能量。这些单体类型例如通过在电元件内不同厚度的薄膜实现。相应地，短路有关的电压干扰在这样的不同单体类型中不同强度地呈现。类似地，单体化学特性自身也可以影响在确定的短路的情况下生成的电压干扰，从而考虑相应的电池单体的相应的单体化学特性是有利的。这些特征、亦即单体类型和/或单体化学特性和/或另外的参数、如电容、内阻等也可通过相应的测量通过保护装置自身确定，特别是无需每个预定。保护装置可以相应地设计为，根据实施的测量自动规定用于电压或电压梯度的阈值。出于该目的，保护装置可以除了优选电压传感器或提及的电流传感器之外也还包括多种另外的和其它传感器。

在本发明的另一有利设计方案中，保护装置设计为，检测至少一个确定的单体参数的变化，且根据检测到的至少一个确定的单体参数的变化改变确定的电压值和/或确定的梯度临界值。在此，单体参数也可以是不同于上述单体参数的单体参数。该设计方案主要在如下情况下是特别有利的，即如果在短路情况下影响电压干扰的特性的单体参数会在电池单体的寿命中变化。例如电池单体、特别是电元件的单体化学特性会随着时间的推移变化且相应地影响电压干扰特性。这样的变化例如同样可以由保护装置、例如基于适合的测量被检测，且可以相应地匹配用于电压或电压梯度的阈值。特别有利地是，单体参数在此例如是电池单体的老化状态或电池单体的健康状态。该单体参数可以基于由现有技术已知的方法得到确定，特别是随着时间反复进行。正是电池单体的老化在此影响所述电压干扰特性。因此在所述阈值的老化或其反复或持续匹配中对电池单体老化的考虑是特别有利的。

电压临界值或梯度临界值的大小可以由保护装置例如基于查阅表、特性曲线组合或预定的函数或诸如此类实现。不仅这样的函数而且这样的查阅表可以保存在保护装置的存储器中。对于电池单体的各自当前确定的老化状态那么例如可以基于这样的查阅表重新确定电压临界值和/或梯度临界值。相应地也适用于单体化学特性的变化或单体类型的初始确定以及由此引起的所述阈值的确定。如此也可以随着时间以及在电池单体的增加的老化的情况下总是确保对短路尽可能可靠的检测。此外，在一个或两个临界值的确定和/或变化中也可以同时考虑多个不同的单体参数。

此外，电压、特别是电压变化和/或电压随时间的变化的大小的确定不必须特别准确地实现，因为结合短路探测而言，趋势的检测正好已经足够。换言之，在短路的情况下引起如此显著的电压变化，即例如大幅有错的估计电压变化也还总是足以非常可靠地检测这样的短路。例如，这样的测量误差也能以相应的方式通过确定相应的临界值或阈值得到考虑。例如可以将上述电压临界值提高一个能预先规定的安全缓冲地设置，而相应地所述梯度临界值低一个能预先规定的安全缓冲地设置。如果出现短路，那么即便在具有非常大的不确定性或测量不准确的电压检测中也非常可能的是，基于如此选择的阈值——其中那么考虑相应的安全缓冲——也由保护装置检测出短路，以及实施所述保护措施，亦即关断涉及的电池单体。

在本发明的另一特别有利的设计方案中，保护装置还设计为，在探测到短路的情况下，传送关于短路的检测的信息给上级的控制装置和/或由电池的第二电池单体包括的第二保护装置。在此特别有利的主要是，也通知电池的其它电池单体的其它保护装置由本保护装置探测到的短路，因为可能发生的是，这样的短路仅仅影响确定的电池单体且完全不可以由其它电池单体的保护装置检测到。这样的特别情况例如可以在如下情况下出现，即如果——如这同样可以按照本发明的一个实施形式设定——多个电池单体位于在一个并联组合中，其中例如多个这样的并联组合可以串联连接，但是其中不是所有电池单体在一个共同的并联组合中必须活动/激活地连接，而一些可以是非活动/非激活的，例如在确定的运行模式下，如ECO模式，其中例如功率要求显著更低。这样的非活动连接的单体那么例如通过其至少一个开关装置与单体组合的其它电池单体隔离，且在并联组合的活动的电池单体中的短路也随后将不会由非活动连接的电池单体在这样的情况下、至少没有另外措施地感知。如此可以通过传送关于由一个电池单体探测到的短路的信息给其它电池单体也进行其它电池单体的安全关断，即使这些其它电池单体完全不可能检测到涉及的短路。由此又可以进一步提高电池的安全性。然而正是这样的内部短路可能具有严重的后果，因为这些短路例如未必可以通过所述开关装置阻止。可能的后果例如是所谓的“热逃逸”，亦即自从一个确定的温度开始，单体或单体化学的热失控，这可以导致单体的破坏且在最糟糕情况下可以导致火灾。通过现在有利地至少可以检测这样的短路且主要也可以将此告知上级的控制装置或其它电池单体的其它保护装置，尽管如此有利地总地可以采取安全措施，如也关断其它电池单体或关断整个电池，以便防止更严重后果。也可以采取用于冷却电池单体的冷却功率的激活或提高，例如用以预防涉及的电池单体的大幅变热以及这样的变热经由其它电池单体扩散或者对抗于这样的情况。正是在短路的情况下，主要在不可以迅速被阻止的这样的短路的情况下，可以导致在涉及的单体中非常大幅的温度升高，这随后可以相应地扩散。通过上述措施，特别是通过也检测这样的短路的可能，可以极大地提高电池安全性，特别是通过避免传播，亦即预防相互热耦合的其它单体的热参与，以及还有通过各单体的热隔离，该热隔离通过断开至少其开关装置引起。

相应地，本发明的另一有利的设计方案在于，保护装置设计为，从由电池的第二电池单体包括的第二保护装置接收关于短路的检测的信息，且在接收到信息时关断电池单体。通过相应的方式，保护装置也可以关断电池单体，亦即借助于至少一个识别装置(Kenneinrichtung)断开电池单体的蓄能器单元与单体电极中的至少之一，即使通过保护装置自身未检测到短路，而是例如仅仅由相邻的电池单体或其保护装置检测到短路。

此外，本发明也涉及一种电池，特别是高压电池，其具有电池单体，电池单体包括按照本发明的保护装置或其扩展设计方案。优选地，电池在此包括多个电池单体，其可以各自包括这样的保护装置。特别是电池的所有电池单体可以构成为上述智能电池单体。在此，多个电池单体可以相互间设置在由串联和/或并联电路组成的任意组合上。例如电池可以具有多个单体组，其中相应的单体组具有多个相互并联连接的电池单体。单体组自身可以相互串联连接。由此例如可以提供特别强功率的高压电池。

此外，本发明也涉及一种机动车，其包括按照本发明的电池或其扩展设计方案。

对于按照本发明的保护装置及其扩展设计方案所述的优点由此以相同方式也适用于按照本发明的电池和按照本发明的机动车。

按照本发明的机动车优选设计为汽车、特别是轿车或卡车或者设计为客车或摩托车。此外，按照本发明的机动车优选地是电动车和/或混合动力车辆。

此外，按照本发明的保护装置及其扩展设计方案和按照本发明的电池不仅可用于机动车中，而且也可用于静态蓄能器/固定蓄能器中，其中相应地可实现相同安全优点。

此外，本发明也涉及用于在电气短路的情况下关断机动车电池的电池单体的方法，其中：电池单体具有两个单体电极和用于存储能量的蓄能器单元；蓄能器单元至少在电池单体特定的运行状态下与单体电极导电连接，用以在单体电极上提供单体电压；以及根据至少涉及电池单体的单体电压探测短路。在此，电池单体具有至少一个开关装置，开关装置设置在蓄能器单元与单体电极中的至少之一之间，其中为了关断电池单体借助于开关装置断开蓄能器单元与单体电极中的至少之一。

在此关于按照本发明的保护装置及其扩展设计方案所述的优点以相同方式也适用于按照本发明的方法。

本发明也包括按照本发明的方法的改进，其具有如已经结合按照本发明的保护装置的改进所述的特征。出于这个原因在此不再对按照本发明的方法的相应的改进再次进行赘述。

本发明也包括所述实施形式的特征的组合。

附图说明

在下文中描述本发明的实施例。其中：

图1示出带有按照本发明的一个实施例的保护装置的智能电池单体的示意图；

图2示出带有按照本发明的一个实施例的多个智能电池单体的机动车电池的示意图；

图3示出用于阐明在小的短路电阻的情况下传统的电池单体的由于短路引起的电压干扰的图形的示意图；

图4示出用于阐明在中等的短路电阻的情况下传统的电池单体的由于短路引起的电压干扰的图形的示意图；

图5示出用于阐明由于具有高的短路电阻的短路传统的电池单体的电压干扰的图形的示意图；以及

图6示出用于阐明在带有按照本发明的一个实施例的保护装置的电池单体的情况下在小的短路电阻的情况下由于短路引起的电压干扰的图形的示意图。

在下文中阐明的实施例是本发明的优选实施形式。在各实施例中，各实施形式的所述构件表示本发明的各自单个的可相互无关考虑的特征，其各自也相互无关地改进本发明。因此，本公开也应包括各实施形式的特征的不同于示出组合的组合。此外，所述实施形式也可通过本发明的已经所述特征中的另外的特征补充。

在附图中，相同附图标记分别表示功能相同的元件。

具体实施方式

图1示出带有按照本发明的一个实施例的、用于关断电池单体10的保护装置12的智能电池单体10的示意图。保护装置12在此设计为，检测电气短路且在检测到这样的短路的情况下关断电池单体10。保护装置12在此一方面包括控制单元14，其例如可构成为微控制器或模拟电路。此外，电池单体10包括电元件16以及两个单体电极18a、18b，其中单体电极18a是电池单体10的正极，而单体电极18b是其负极。电池单体10在该示例中具有两个开关S1、S2，开关S1、S2设置在电元件16与相应的单体电极18a、18b之间。这两个开关S1、S2例如可以构成为电子可控的开关、特别是功率开关且还能通过保护装置12的控制单元14驱控。但是，原则上仅仅两个开关S1、S2中之一就足够。换言之，按照另一变型，电池单体10可以具有仅仅第一开关S1，而没有第二开关S2；而在另一变型中电池单体10可以具有仅仅第二开关S2，而没有第一开关S1。此外，保护装置也可以包括一个或多个传感器。在如下示例中，保护装置12包括作为电池单体10的一部分的电压传感器20，电压传感器20与电元件16并联连接而且也与相应的单体电极18a、18b并联连接并设计为，检测在电元件16——其在此表示蓄能器单元的一个示例——上的电压。此外，至少假如存在两个开关S1和S2的话，电压传感器20的抽头20a、20b各自设置在电元件16与相应的开关S1、S2之间。否则，仅仅两个抽头20a、20b中之一设置在电元件16与唯一的开关S1和S2之间，而两个抽头20a、20b中的另一个那么设置在电元件16与涉及的单体电极18a或18b之前的任意位置上。由此，如果一个或两个开关S1、S2打开，那么也可以检测在电元件16上下降的电压U。

备选或附加地，保护装置12也可以具有用于检测单体电流I的电流传感器22。基于检测到的单体电流I同样可以确定或估计在电元件16上下降的电压U。然而在本发明的范围中优选的是，基于由电压传感器20检测的电压值U实现短路探测。此外，电池单体10还可以具有另外的传感器24，其在此仅仅示例性地阐明为x、y、z。借助于这样的另外的传感器例如可以检测在电池单体10内的压力和/或电池单体10的绝缘故障(Isolationsfehler)和/或进行电解质分析，基于此例如也可以确定单体化学特性的变化。

此外，所述构件可以特别是除了两个单体电极18a、18b之外设置在电池单体10的单体壳体26内。此外，控制单元14设计为与在此未示出的上级的控制装置通信和/或与配置给其它电池单体10的其它控制单元14通信。该通信在图1中通过附图标记28表示。

本发明现在一方面利用如下认知：短路或强烈的电流在电池单体10或电元件16的单体电压U的显著的电压干扰中体现。由此，有利地可以通过特别简单的和成本有利的方式通过电压U的仅仅一个电压测量、特别是通过电压传感器20检测这样的短路。在单体层面上的短路探测在此具有多种优点。主要地由此也可以检测单体内部的短路，其例如也可以出现在电元件16内，这在考虑模块层面或整个电池层面上的特征的情况下未必表现出来，例如如果涉及的电池单体10位于在与其它电池单体10的并联组合中，然而其它电池单体10基于确定的运行模式是未切换到活动状态。外部短路相比之下可以由多个这样的智能电池单体10同时检测，这使得短路探测基于其冗余性设计得显著更安全。此外，一个电池单体10的探测到的短路的事件也可以立即告知相邻单体10或上级控制装置。相邻单体10在此例如可以是位于在相同的并联组合中的单体10，和/或也可以是与电池单体10串联连接的另外的电池单体10。但是，短路的通信也可以对于每个任意另外的电池单体10进行，无关于：是否涉及相邻单体10。即使出于任何原因其它电池单体10未检测到这样的短路——例如因为其当前是非激活的，因为其当前是不被需要的——，这些电池单体10同样可以采取相应的措施，特别是安全措施，如关断电池单体10，特别是持续关断至少直至消除故障。

特别大的优点主要在于，涉及的电池单体10的关断由此实现，其方法是控制装置14根据电池单体是否具有仅仅一个开关S1或S2或两个开关S1和S2来驱控并相应地打开两个开关S1、S2中的至少之一，从而将电元件16至少与单体电极18a、18b中之一隔离。可由此提供特别高的安全性，其方法是至少当电池单体10具有两个开关S1和S2时打开两个开关S1、S2。因为两个开关S1、S2如上所述可设计为电子可控制的开关，所以由此能实现特别快速的电流关断，从而可以更快速限制或阻止短路有关的高电流，并由此可以显著更快速对抗电池单体10可能的损坏或者可以立刻阻止这样的损坏。这相应地也适用于如下情况，即如果设有两个开关S1或S2中的仅仅一个。也可以对抗其它电池单体10的损坏，因为短路的事件同样可非常快速地告知上级控制装置和/或其它电池单体10。

图2示出了电池30的一个示例的示意图，特别是用于电动车的高压电池，其具有如图1所述地构造的多个电池单体10。这些电池单体10在此示例性地位于在由这些电池单体10的多个并联电路组成的串联电路中。特别是在此作为示例，每两个电池单体10相互并联连接，且这些单体组又相互串联连接。在高压电池30的单体电极30a、30b上那么相应地提供正的高压电位HV+和负的高压电位HV-。一般地，这样的高压电池30可以具有由所述电池单体10组成的并联和/或串联电路的任意组合，特别是根据应用情况仅仅纯串联电路或纯并联电路。

图3示出用于阐明在具有非常小的短路电阻、特别是在1毫欧的短路电阻的短路情况下，传统的电池单体的电压干扰的图形的示意图。在此，图形一方面示出了单体电压32以及短路电路34的时间曲线。在此，时间t以分钟给出，电压U以伏特给出，而电流强度I以安培给出。短路在此在时刻t0开始，短路引起特别是电流峰值形式的、突然的电流34，其导致单体电压32、特别是电池单体的静电压的时间曲线的干扰/扰动。基于单体电压32的时间曲线的电压干扰，可以简单和可靠检测这样的短路，这相应地可用于带有按照本发明的一个实施例的保护装置的电池单体10的相应的构型中。

图4在此示出在具有中等短路电阻、特别是5毫欧短路电阻的短路情况下，传统的电池单体的单体电压32的时间曲线的另一示例。在此短路也在时刻t0开始，这导致通过电池单体的电流34的突然升高。这又导致单体电压32的时间曲线的电压干扰，其在此特别是又表示电池单体的静电压。相比于图3的示例，按照图4该短路显著更晚地被阻止，用以阐明单体电压32和电流34的另一时间曲线，其在短路期间将保持近似不变。在本发明的范围中，然而实现这样的短路的显著更快速的中断，至少如果在此涉及外部短路时，特别是在微秒范围至毫秒范围中，如这根据图6进一步阐明。

图5阐明在具有高的短路电阻、特别是在该示例中10毫欧的短路的情况下，传统的电池单体的单体电压32的时间曲线的另一示例，以及还有电流34的时间曲线，其中在此短路又在时刻t0开始且同样未立刻被阻止，而是仅仅在大约10分钟处。而且在此又表明：在短路的情况下突然的电流升高34导致传统的电池单体的单体电压32或静电压的时间曲线的电压干扰，这在按照本发明的一个实施例的电池单体10中可用于检测这样的短路。

特别是为了探测短路，在此将单体电压32的时间曲线与临界值G比较，临界值G在图3、图4和图5以及特别是在图6中通过虚线的水平线示出。如可见那样，通过这样的临界值G在所有这些情况下——亦即从非常小的短路电阻直至非常大的短路电阻——可以确定适合的临界值G，借此可在所有这些情况下可靠地探测短路。备选或附加地，也可以将单体电压32随时间的变化与能预先规定的阈值进行比较。如在所有这些附图、亦即图3、图4和图5中可见的是，电压随时间的变化在所有情况下具有如此高的数值，从而基于此还可更可靠地探测短路。在此，相应的条件可以与不仅电压干扰的水平而且与电压曲线32随时间的变化的大小联系在一起，特别是以能预先规定的阈值的形式，用以探测短路。相应地可以仅仅在如下情况下检测到这样的短路，即如果满足两个这样的标准，亦即当电压U落到预定的临界值G之下，以及还有当电压曲线32随时间的变化落到另一梯度临界值之下。

为此，图6示出用于阐明带有按照本发明的一个实施例的保护装置12的电池单体10在小的短路电阻的情况下单体电压32’的时间曲线由于短路引起的电压干扰以及短路电流34’的时间曲线的示意图。在此，短路又在时刻t0开始。一旦电压U或其时间曲线34’低于预定的电压临界值G，那么通过保护装置12检测到该短路。不同于上述实例，短路由此可以在毫秒范围中或者更快地被中断，特别是通过打开开关S1或S2或者打开两个开关S1和S2。因此，短路电流在该示例中不可以达到如在图3中那样高的最大值。特别是如此确定电压临界值G和/或梯度临界值的大小，使得确保：最大短路电流总是保持在限定的阈值、例如400安培之下，如这也是在该示例中的情况。

因此，可通过特别简单和可靠的方式借助于电压检测或电压干扰的检测识别短路或至少一个强烈和可能有害的电流。这样的电压干扰可以连续地且特别是在最短时间中、特别是在微秒范围至毫秒范围中打开电池单体10的一个或多个开关S1、S2，从而可阻止短路电流，或者如此快，使得完全不可导致如可能损坏或完全破坏电池单体10的高电流。这样检测的事件还可立刻告知相邻单体，一般地是其它单体或上级控制装置。

总体上示出这样的示例，即如何通过本发明可在智能单体中借助于电压干扰识别提供短路探测，其是非常廉价的变型，因为仅仅需要电压测量就能实现非常快速的短路探测并因此非常快速的电流关断，特别是能简单地作为附加功能在智能单体-总方案中实现，因为原则上不需要附加的硬件构件、如开关或传感器，这些开关或传感器无论如何存在于这样的智能电池单体中，本发明还允许清楚地区分短路与例如增压或加速，可有力地提高安全性，通过本发明能实现避免短路和不期望的强烈电池单体负载，且本发明还能实现：使得用于短路探测的阈值或参数是可编程和可容易规定的，且本发明备选地也能够借助于模拟电路简单地实现。

Claims (10)

1.一种用于在电气短路的情况下关断机动车电池(30)的电池单体(10)的保护装置(12)，其中：

-电池单体(10)具有两个单体电极(18a、18b)和用于存储能量的蓄能器单元(16)；

-蓄能器单元(16)至少在电池单体(10)特定的运行状态下与单体电极(18a、18b)导电连接，用于在单体电极(18a、18b)上提供单体电压(U、32)；以及

-保护装置(12)设计为，根据至少涉及电池单体(10)的单体电压(U、32)来探测短路，

其特征在于，电池单体(10)包括保护装置(12)且具有至少一个开关装置(S1、S2)，所述开关装置设置在蓄能器单元(16)与单体电极(18a、18b)中的至少之一之间，其中，保护装置(12)设计为，为了关断电池单体(10)借助于开关装置(S1、S2)将蓄能器单元(16)与所述单体电极(18a、18b)中的至少之一断开。

2.根据权利要求1所述的保护装置(12)，其特征在于，保护装置(12)为了探测短路设计为，检测涉及电池单体(10)的单体电压(32)作为在蓄能器单元(16)上下降的电压(U、32)，特别是其中，保护装置(12)为了检测单体电压(U、32)具有电压传感器(20)，该电压传感器与单体电极(18a、18b)并联连接以及与蓄能器单元(16)并联连接。

3.根据上述权利要求之一所述的保护装置(12)，其特征在于，保护装置(12)设计为在如下的至少一个条件下探测短路，即，所检测到的单体电压(U、32)低于能预先规定的电压临界值(G)和/或检测到的单体电压(U、32)随时间的变化超过能预先规定的梯度临界值。

4.根据上述权利要求之一所述的保护装置(12)，其特征在于，保护装置(12)设计为，根据电池单体(10)的至少一个确定的单体参数确定所述电压临界值(G)和/或梯度临界值。

5.根据权利要求4所述的保护装置(12)，其特征在于，保护装置(12)设计为，检测至少一个确定的单体参数的变化，以及根据所检测到的至少一个确定的单体参数的变化改变所确定的电压临界值(G)和/或所确定的梯度临界值。

6.根据上述权利要求之一所述的保护装置(12)，其特征在于，保护装置(12)设计为，在探测到短路的情况下，将关于短路探测的信息发送给上级的控制装置和/或由电池(30)的第二电池单体(10)所包括的第二保护装置(12)。

7.根据上述权利要求之一所述的保护装置(12)，其特征在于，保护装置(12)设计为，从由电池(30)的第二电池单体(10)包括的第二保护装置(12)接收关于短路探测的信息，以及在接收到信息时关断所述电池单体(10)。

8.一种用于机动车的电池(30)，其中，电池(30)包括电池单体(10)，所述电池单体包括根据上述权利要求之一所述的保护装置(12)。

9.一种机动车，其具有根据权利要求8所述的电池(30)。

10.一种用于在电气短路的情况下关断机动车电池(30)的电池单体(10)的方法，其中：

-电池单体(10)具有两个单体电极(18a、18b)和用于存储能量的蓄能器单元(16)；

-蓄能器单元(16)至少在电池单体(10)特定的运行状态下与单体电极(18a、18b)导电连接，用于在单体电极(18a、18b)上提供单体电压(U、32)；以及

-根据至少涉及电池单体(10)的单体电压(32)探测短路，

-其特征在于，电池单体(10)具有至少一个开关装置(S1、S2)，所述开关装置设置在蓄能器单元(16)与所述单体电极(18a、18b)中的至少之一之间，其中为了关断电池单体(10)借助于开关装置(S1、S2)将蓄能器单元(16)与所述单体电极(18a、18b)中的至少之一断开。

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