电池系统和用于运行电池系统的方法与流程

本发明涉及一种电池系统和用于运行这种电池系统的方法。此外，本发明还涉及带有这种电池系统的机动车。

背景技术：

本身已经已知的是，在电池系统中例如在故障的情况下或根据功率需求去激活或不同地连接共同连接成模块的电池单体或单个电池单体。如此，例如专利文献de102011053728a1公开了一种电池系统和用于关断电池系统的电池的串联连接的供能模块的方法。电池系统由多个连接成模块的单体组成，模块设有控制和通信装置，以便在识别到故障时去激活电池单体。

专利文献de102011013182a1揭示了一种用于电动车的安全动力电池。安全动力电池由配备有外部可开关的分离元件的单体组构成，借助于可开关的分离元件在电池故障时分离单体组之一。

专利文献de102011056135a1揭示了一种带有蓄能系统的能量产生设备以及所属运行方法。电池单体的多个组合根据需要通过开关单元串联或并联连接。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种解决方案，具有多个电池单体的电池系统借助于该解决方案能特别简单地匹配于不同的要求。

该目的通过具有独立权利要求的特征的电池系统以及用于运行这种电池系统的方法解决。具有本发明的适宜的和非一般的改进的有利设计方案在从属权利要求中提出。

特别是用于机动车的、根据本发明的电池系统包括多个电池单体，电池单体具有相应的带有电气连接端的电池单体壳体，电池单体通过电气连接端相互电气连接，其中，在电池单体壳体中分别设置有连接该连接端的单体支路，单体支路包括伽凡尼单体/电化学单体/原电池单体(galvanischezelle)。按照本发明的电池系统的特征在于，在电池单体壳体中分别设置有用于桥接相应的伽凡尼单体的旁路支路。单体支路包括用于断开和闭合单体支路的开关元件且旁路支路包括用于断开和闭合旁路支路的桥接开关元件。此外，电池系统具有在单体外部的电路装置，其包括多个用于在不同电路配置下连接电池单体的开关。电池系统还包括控制装置，该控制装置设置成，为了满足至少一个要求驱控电池单体的全部开关元件和桥接开关元件用于接通和桥接电池单体的伽凡尼单体以及驱控在单体外部的电路装置的全部开关用于建立不同的电路配置。

在本发明的意义上的电池系统原则上应理解为多个伽凡尼单体或元件的组合电路。其中原则上可以包括不仅原电池而且二次电池。电池系统在此也不仅限于在机动车中的应用，而且也可用于任意装置的供能。电池单体也可以是所谓的固态单体以及传统的伽凡尼单体，如例如锂离子单体或诸如此类。同样电池单体例如也可以是燃料电池单体。开关元件、桥接开关元件和开关可以是电气开关元件，亦即例如场效应晶体管或二极管。在此但是原则上也可以涉及机电开关，例如继电器。在开关元件、桥接开关元件和开关中重要的是：这些可以开关具有伽凡尼单体和旁路支路的相应的单体支路或者可以在单体外部分离和连接电池单体之间相应的电气连接。

在按照本发明的电池系统中重要的方面在于，不仅所述旁路支路而且单体支路和旁路支路的相应的开关元件或者桥接开关元件直接在电池单体中、更准确地在电池单体壳体内集成地设置。借助于按照本发明的电池系统可能的是，在单体层面上控制各个能量流，以传统的方法迄今不可以对其进行控制。在按照本发明的电池系统中那么不仅可能的是涉及到模块层面或总电池层面上而且单体层面上。原则上，不仅电池单体的接通和桥接的中央控制而且对其进行的分散控制也是可能的。仅仅通过开关元件和桥接开关元件集成到相应的电池单体壳体中如此通过有效的方式总地来说可能的是，在电池单体层面上接通以及切断单个电池单体。借助于按照本发明的电池系统因此产生完全新的可能，其在传统的电池系统中迄今完全不可实现。

此外，按照本发明的电池系统的另一重要方面涉及在单体外部的电路装置，其包括多个用于将电池单体在不同电路配置下相连接的开关。借助于电池系统的控制装置可能的是，为了满足至少一个要求、例如为了满足不同的功率要求，驱控在单体外部的电路装置、亦即在单体外部的电路装置的相应的开关用于各个电池单体相互间不同的连接。此外，控制装置也可以驱控设置在电池单体内的开关元件和桥接开关元件。

借助于按照本发明的电池系统那么可能的是，一方面在单体内部控制电流或能量流，而另一方面还有实现单体外部不同的电流或单体设置。在按照本发明的电池系统中那么通过特别灵活的方式可能的是，满足不同的要求，其方法是一方面可以在单体层面上而另一方面在单位外部层面上可以调节在电池单体的连接方面不同的设置。在电池单体层面上的各个伽凡尼单体可如此如桥接或接通，其中此外在单体外部的层面上也可能的是，在不同的设置下相互连接单个电池单体、由电池单体组成的模块和诸如此类。

本发明的一个有利实施形式设定，电池单体中的多个分别在并联电路中相互连接成相应的单体块，其中，单体块中的多个、优选在串联电路中相互连接成相应的模块。通过单个电池单体并联连接成相应的单体块还在单体块层面上可能的是，提供相对大的电流并因此相对大的功率。如果单体块例如随后还相互串联连接，那么可以根据需求实现相应高的电压水平。

本发明的另一有利实施形式设定，模块中的多个分别串联连接成相应的模块支路，其中控制装置设置成，如此驱控开关，使得模块支路中的至少一部分在串联电路中和/或在并联电路中相互连接。通过这种方式例如可能的还是，以在单体外部的电路装置的相对小的数量的开关——根据需求——串联或并联开关模块支路。如果例如需要相对高的电流，那么可考虑的是，将相应的模块支路例如严格相互在并联电路中连接。如果相比之下例如如此高的电流不是必要的，相比之下例如相对高的电压是需要的，那么例如也可能的是，将模块支路严格相互串联连接。自然根据功率需求和电压需求，混合形式也是可能的。

按照本发明的另一有利实施形式设定，控制装置设置成，如此驱控开关，使得模块支路中至少之一与剩余的模块支路分离且因此去激活。如果例如在模块支路的模块中之一中出现故障，那么通过简单的方式可能的是，通过为此适合的开关的相应的驱控分离涉及的模块支路与剩余的模块支路。通过这种方式，自身在模块支路中之一故障的情况下那么可能的是，借助于电池系统还无风险且由此无问题地供能。

在本发明的另一有利实施形式中设定，控制装置设置成，如此驱控开关，使得模块支路中的一部分连接成第一子系统用于提供第一电压而模块支路中的另一部分连接成第二子系统用于提供第二电压。换言之那么可能的是，提供一种类型的选择电路，借助于选择电路动态地模块支路中的一部分可连接成电池系统的一种类型的辅助支路。特别是结合电动车或混合动力车辆的全自动行驶可以设定，例如在车载电网中以冗余的形式应设有两个12伏特电池。借助于按照本发明的电池系统因此可能的是，节省这些12伏特电池中的一个。因为借助于所述选择电路可能的是，动态地将模块支路中的一部分连接成电池系统的至少一个辅助支路，借助于该辅助支路虚拟地代替或分支此外需要的第二12伏特电池。选择电路例如可以具有一个或多个复用器，借助于复用器可以将各个模块支路动态地在不同的情况下连接成所述辅助支路、亦即第二子系统，其那么例如通入dc/dc转换器，借助于该转换器随后可以提供相应需要的车载电网电压。那么例如假如存在用于车载电网供电的另一电池故障，那么借助于按照本发明的电池系统可能的是，代替故障的电池。因此可以节省所述附加电池——例如以12伏特电池或48伏特电池形式——的结构空间和相应的重量。尽管如此，总体上能实现特别是防故障的/可靠的能量提供系统。

本发明的另一有利实施形式设定，控制装置设置成，如此驱控开关，使得第一子系统与第二子系统电流分离。电流分离、也称为电流解耦理解为避免在两个电路之间的电气线路，在这两个电路之间应交换功率或信号。电流分离在彼处是必要的，其中电路位于在共同的壳体中或者在相似的功能单元中且至少之一应作用于另一，它们在此但是在其参考电位上必须保持分离。由此可以在需要时特别安全地构成电池系统。也可以出于测量技术的原因实现，例如以便实现测量装置的供电的电位分离。此外由此例如也可能的是，避免所谓的接地回路或电磁干扰。完全一般地也可以由此实现电位差的解耦。一贯执行的电流分离是免于电磁干扰的特别有效的保护。

在本发明的另一有利实施形式中设定，在单体外部的电路装置具有如此多的如此设置的开关，使得所有模块在任意组合中可相互导电连接以及能相互分离。由此，在模块的连接方面产生特别大的变化可能性。根据对电池系统的要求那么可能的是，以特别灵活的方式对此做出反应，其方法是如此驱控在单体外部的电路装置的相应开关，使得电池系统的模块在正好特别有利的情况下相互导电连接。

在本发明的另一有利实施形式中设定，控制装置设置成，如此驱控单体内部的开关元件和桥接开关元件，使得桥接并因此去激活各个模块。那么也可能的是，将单体内部的开关元件和桥接开关元件用于桥接和去激活各个模块。如果例如各个模块故障，那么控制装置可以驱控单体内部的开关元件和桥接开关元件，用以桥接并因此去激活这些故障的模块。即使各个模块故障，整个电池系统此外还可以无问题地用于供能。

按照本发明的另一有利实施形式设定，在单体外部的电路装置具有如此多的如此设置的开关，使得所有电池单体在任意组合中可相互导电连接以及能相互分离。在该情况下，关于单个电池单体相互间的连接产生最大的灵活性。如此例如可以将各个故障的电池单体通过简单的方式与剩余的电池系统分离。也可能的是，按照要求不同地串联和并联相互连接单个电池单体，以便满足不同的功率需求和其他边界条件。

本发明的另一有利实施形式设定，控制装置对于每个电池单体具有控制单元，其设置成，驱控电池单体的相应的开关元件和桥接开关元件用以接通和桥接伽凡尼单体。单体内部的控制单元可以是例如微控制器，其设置成，对于每个电池单体驱控相应的开关元件和桥接开关元件。那么优选分别在单体内部设定用于驱控开关元件和桥接开关元件的智能。

在本发明的另一设计方案中设定，电池单体具有用于检测至少一个运行参数的相应的传感器，其设计为，传输涉及运行参数的数据给控制装置。通过这种方式可能的是，对于每个电池单体测量不同的运行参数如例如电压、电流、单体内部压力和诸如此类，其中控制装置可以考虑这些运行参数。单个电池单体可以如此通过可靠的方式连续被监控，其中在需要情况下例如可以将单个电池单体与剩余的电池系统分离。

按照本发明的另一有利实施形式设定，电池单体包括相应的通信模块用于在电池单体之间和/或与控制装置交换数据。如此例如可能的是，单个电池单体相互间可以交换其涉及运行参数的数据，其中在如下情况下——即电池单体具有相应的单体内部的控制单元，例如以微控制器的形式——单个电池单体例如可以分散地自身关于伽凡尼单体的接通和桥接得到驱控。通信模块例如可以设计为，无线交换涉及的数据。数据的有线交换自然也是可能的。

本发明的另一有利实施形式设定，控制装置设置成，根据如下要求中至少一个建立不同的电路配置：

-应桥接并因此去激活故障的电池单体、单体块和/或模块；

-应均匀放电或充电电池单体、单体块和/或模块；

-电池系统应匹配于充电装置的电压水平；

-电池单体应均匀老化；

-应满足借助于电池系统可供能的电机的功率需求。

那么例如毫无问题可能的是，桥接和去激活故障的电池单体、单体块或整个模块。此外也可能的是，确保在单体层面、单体块层面和/或模块层面上均匀的老化。也可能的是，均匀地给电池系统放电或充电。如果电池系统例如用于电动机动车中，那么也可能的是，使得电池系统的电压水平匹配于充电装置的电压水平。通过这种方式可以特别普遍地且在不同的充电装置上给电池系统充电。此外也可能的是，根据电机、例如机动车的电动驱动装置或诸如此类的功率需求调节在电池系统中各自适合的电路配置。如果例如正好需要特别少的功率，那么可能的是，在单体层面、单体块层面或在模块层面上暂时桥接电池系统的各个元件。如果相比之下调节特别高的功率要求，那么例如也可能的是，将电池系统的全部电池单体相互连接用于能量提供或功率提供。

按照本发明的机动车包括按照本发明的电池系统或按照本发明的电池系统的有利实施形式。

在用于运行按照本发明的电池系统或按照本发明的电池系统的一个有利实施形式的方法中，电池系统的控制装置为了满足至少一个要求驱控电池单体的开关元件和桥接开关元件的至少一部分用于接通和桥接电池单体的伽凡尼单体和/或在单体外部的电路装置的开关的至少一部分用于建立确定的电路配置。按照本发明的电池系统的有利设计方案可视为按照本发明的方法的有利设计方案，且反之亦然，其中电池系统特别是具有用于实施方法步骤的机构。

附图说明

本发明另外的优点、特征和细节由优选实施例的如下描述以及根据附图产生。以上在说明中所述的特征和特征组合以及如下在附图说明中所述和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅以各自提出的组合而且也以其他组合或单独地可用，而不会脱离本发明的保护范围。附图示出：

图1示出电池单体的示意图，其具有带有伽凡尼单体的单体支路和用于伽凡尼单体的桥接的旁路支路以及微控制器、通信模块和传感器；

图2示出多个电池单体的示意图，其分别在并联连接中相互连接成单体块，其中单体块中的多个在串联连接中相互连接成模块；

图3示出模块的另一示意图，其具有相互串联连接的单体块中的多个；

图4示出电池系统的示意图，其中模块中的多个分别串联连接成相应的模块支路，其通过在单体外部的电路装置与多个开关相互串联连接；

图5示出电池系统的另一示意图，其中模块支路中的多个相互串联连接；

图6示出电池系统的另一示意图，其中模块支路中的两个各自相互并联连接且并联连接的模块支路又相互串联连接；

图7示出电池系统的另一示意图，其中模块支路中之一与剩余的模块支路分离并因此去激活；

图8示出电池系统的另一示意图，其中模块支路中的一部分连接成第一子系统用于提供第一电压，而模块支路的另一部分连接成第二子系统用于提供第二电压；

图9示出电池系统的另一示意图，其中去激活和桥接各个模块；

图10示出电池系统的另一示意图，其中电池系统的在单体外部的电路装置具有如此多的如此设置的开关，使得所有模块以任意组合可相互导电连接以及能相互分离；以及

图11示出电池系统的另一示意图，其中示出了电池系统的各个模块矩阵式布置。

在附图中，相同或功能相同的元件设有相同附图标记。

具体实施方式

在图1中的示意图中示出了电池单体10。电池单体10包括带有电气连接端14、16的电池单体壳体12，该电池单体10通过连接端14、16可与在此未示出的其它电池单体10相互导电连接。在电池单体壳体12上设置有与连接端14、16连接的单体支路18，其包括伽凡尼单体20。伽凡尼单体20例如可以是锂离子单体。原则上，电池单体10可以在单体支路18中具有不同类型的伽凡尼单体。

此外，电池单体壳体12中设置有用于桥接伽凡尼单体20的旁路支路22。单体支路18包括用于断开和闭合单体支路18的开关元件24。旁路支路22包括用于断开和闭合旁路支路22的桥接开关元件26。

在电池单体壳体12中还设置有构成为微控制器的控制单元28，控制单元28设置成，驱控开关元件24和桥接开关元件26用以断开或闭合。此外，电池单体10在其电池单体壳体12中包括一个或多个传感器30，其设计为，检测电池单体10的不同的运行参数。如此例如可以在单体内检测电压、电流、单体内部压力和诸如此类且将其转发给微控制器28。该微控制器可以根据各自检测的运行参数通过操作开关元件24或桥接开关元件26在需要时桥接或接通伽凡尼单体20。此外，电池单体10包括通信模块32。通信模块32可以将不同数据、如例如开关元件24或桥接开关元件26相应的开关状态以及借助于传感器30检测的运行参数传输给另外的电池单体10的其他通信模块32。也可能的是，通信模块32传输所述数据给系统的上级控制装置，在系统中安装电池单体10中的多个。

在图2中示意地示出模块34，其中模块34具有电池单体10中的多个。电池单体10分别在并联电路中相互连接成相应的单体块36。单体块36按照本视图此外在串联电路中相互连接成模块34。

在图3中在另一示意图中示出模块34。模块34具有两个连接端38，模块34通过连接端38可以与在此未示出的另外的模块34连接。

在图4中示意地示出电池系统40，其中电池系统40具有模块34中的多个。整个电池系统40的正极42和负极44此外仅仅示意地标明。模块45中的多个各自相互串联连接成相应的模块支路46。电池系统40还包括在单体外部的电路装置48，其包括多个开关50用于模块34相互间不同的连接。此外，电池系统40包括在此仅仅示意标明的控制装置52，其设置成，为了满足至少一个要求驱控在单体外部的电路装置48的开关50以便建立不同的电路配置。控制装置52那么可以根据需求断开或闭合开关50，以便将模块34或模块支路46不同地相互连接。控制装置52也可以包括结合图1提及的构成为微控制器的单体内部的控制单元28。控制装置52那么在该情况下也设置成，为了满足不同的要求驱控单个电池单体10的全部开关元件24和桥接开关元件26以便接通和桥接相应的伽凡尼单体20。

按照在图4中的本视图，借助于控制装置52如此操作各个开关50，使得各个模块支路46相互串联连接。

在图5中在另一示意图中示出电池系统40，其中在单体外部的电路装置48的各个开关50与在图4中不同地闭合或断开。按照本视图如此操作开关50，使得各个模块支路46在并联电路中相互连接。换言之，电池系统40按照本视图那么运行在并行模式下。对此的前提条件在于，各个模块支路46的相应的电压相同。

在图6中在另一示意图中示出电池系统40，其中如此操作在单体外部的电路装置48的各个开关50，使得左两个模块支路46和右两个模块支路46各自相互并联连接，其中并联连接的模块支路46又相互串联连接。

在图7中在另一示意图中示出电池系统40。在这里示出的情况下，如此操作在单体外部的电路装置48的开关50，使得左三个模块支路46串联连接，其中右模块支路46与剩余的电池系统40分离并因此去激活。那么在此仅仅电池系统40的一个子系统用于供能。例如可以考虑的是，右模块支路46或右模块支路46的各个模块34故障。在该情况下可能的是，例如整个右模块支路46与剩余的电池系统40分离。如果电池系统40例如用于机动车的电气驱动的供能，那么自身在各个模块34上故障的情况下或者在整个模块支路46上故障的情况下也可能的是，将电池系统40的一部分还用于能量供给或功率供给。

电池系统40在图8中在另一示意图中示出。控制装置52在这里示出的情况下如此操作或驱控开关50，使得模块支路46的一部分连接成第一子系统54用于提供第一电压u1，而模块支路46的另一部分按照模块支路46的右侧的视图连接成另一子系统56用于提供第二电压u2。控制装置52此外可以如此驱控开关50，使得第一子系统54与第二子系统56电流分离。例如可以考虑的是，电池系统40用于电动车中。在常规运行在，电池系统40简单地仅仅用于给电气驱动装置供能。另一在此未示出的电池、例如12伏特电池或48伏特电池用于给车辆的剩余车载电网供能。如果现在这些附加的电池故障，那么可以通过开关50相应的驱控如此设置电池系统40，使得按照本视图右模块支路46用于给车载电网供能。第二子系统56那么用于给车载电网供能，相比之下电池系统40的第一子系统54还可以用于驱动车辆。通过开关50那么实现一种类型的选择电路，借助于选择电路存在如下可能，即将电池系统40分为不同的子系统54、56，其可以提供不同的电压u1、u2。

在图9中在另一示意图中示出电池系统40。在示出的情况下，模块34中的一些完全或部分故障。例如电池单体10中的一些或者电池单体10中的单个可以在模块34中故障。此外为了可以将电池系统40用于供能，桥接且因此去激活故障的模块34。例如控制装置52可以使得各个构成为微控制器的微控制器28(参见图1)：在故障的模块34中闭合相应的旁路支路22且断开单体支路，从而桥接相应的伽凡尼单体20。换言之，那么在故障的模块34中断开单体支路18的相应的开关元件24且闭合旁路支路22的相应的桥接开关元件26。由此可以通过简单的方式桥接各个故障的电池单体10且通过该方式桥接整个模块34。剩余的模块34按照本视图又相互串联连接。单个电池单体10的故障或紧急的运行状态例如可以通过在单体中安装的传感器30探测。对此的数据或信息可在单个电池单体10之间交换。此外也可能的是，电池单体10将对此的数据传输给上级的控制装置52，控制装置52基于此随后决定：应桥接且因此去激活模块34中的哪个。

在图10中示意地示出电池系统40的另一可能的实施形式。在单体外部的电路装置48在这里示出的情况下具有如此多的如此设置的开关50，使得所有模块34以任意组合可相互导电连接和相互分离。控制装置52那么可以根据需求断开和闭合在单体外部的电路装置48的全部开关50。此外，控制装置52又可以通过相应地操作或驱控开关元件24或桥接开关元件26来断开和闭合单个电池单体10的各个单体支路18或旁路支路22。在电池系统40的这里示出的实施形式中，关于各个模块34的连接的设置方面还存在更大的变化可能性，因为如此设置和设定如此多的开关50，使得各个模块34以任意组合可相互串联和相互并联连接。

在图11中示意地标明电池系统40的另一可能的实施形式。在此，未进一步表示的在单体外部的电路装置48可以在示出的情况下具有如此多的如此设置的开关50，使得电池系统40的全部电池单体10以任意组合可相互导电连接和相互分离。由此关于单个电池单体10相互间连接方面产生最大可能的可变性。

控制装置52在电池系统40的所有实施形式中能够在单体层面上、在单体块层面上或在模块层面上根据不同的要求建立各自不同的电路配置。例如可以桥接并因此去激活故障的电池单体10、各个故障的单体块36或各个故障的模块34。电池单体10、单体块36和模块34也可以均匀地被放电或充电，其方法是相应地操作单体内部的开关元件24或桥接开关元件26和/或在单体外部的电路装置48的开关50。此外也可能的是，电池系统40匹配于充电装置的电压水平。如果电池系统40例如用于电动车中，那么可以通过相应的连接在单体层面、单体块层面或模块层面上确保：电池系统40的相应的电压水平适合于完全确定的充电装置，其正在与机动车接近。此外也可能的是，在单体层面、单体块层面和/或模块层面上如此进行连接，使得单个电池单体10均匀老化。此外也可能的是，动态地怼电机的相应的功率要求做出反应，该电极应借助于电池系统40供能。如果电池系统40例如用于电动车的驱动，那么例如可能的是，根据加速踏板位置按照需要连接电池单体10、单体块36或模块34。总体上通过阐明的电池系统40产生如下可能，即将电池系统40匹配于不同的边界条件，以便一方面满足外部功率需求，而另一方面能实现电池系统40的特别可靠和长期的运行。