电池单元组的开关架构的制作方法

1.本发明涉及一种包括多个电池单元组、多个第一开关、多个第二开 关和控制系统的电池系统，其中，电池单元组布置成m层，每层在每种 情况下可以连接到电池系统的输出接头，可以并联以设置电池系统的最 大可能输出电流，并且可以串联以设置电池系统的电压水平，其中控制 系统被设计和设置用于指定第一开关和/或第二开关的相应闭合或断开， 以便由此选择性地将电池单元组连接到输出接头和/或并联和/或串联到 至少一个其他的电池单元组。


背景技术：

2.用于混合动力和电动车辆的电池由许多电池单元组成，这些电池单 元串联和并联排列和连接，以达到所需的电压和电容。无论使用何种化 学物质(锂离子、铅酸或镍金属氢化物)，均使用该原理。这种安排的原 因是，使用当前可用的电池技术(取决于所使用的化学物质)，电池单元 只能提供一定的电压(例如，licoo2为3.6v，lifepo4为3.3v)。这种没 有多个电池单元的串联电路而由单个电池单元提供的电压太小而不能用 于高功率应用。然而，例如锂离子电池单元的电压取决于其荷电状态 (soc)。此外，对于混合动力和电动车辆中使用的电池的功能安全，尤 其是“线控”系统，电压源的冗余一直是一项要求。
3.由de 10 2011 077 708a1已知一种电池系统和一种用于特别是在用 于电动车辆的牵引电池中提供中间电压的方法。该电池系统具有电池模 块，该电池模块包括第一高压接头、第二高压接头和串联在第一高压接 头和第二高压接头之间的多个电池单元模块。电池系统另外具有开关矩 阵，其包括：多个开关轨，每个开关轨连接到串联的相应电池单元模块 对之间的节点之一；多个第一开关装置，其设计用于分别将转向轨道中 的一个连接到开关矩阵的第一低压接头；以及多个第二开关装置，它们 被设计为分别将转向轨道中的一个连接到开关矩阵的第二低压接头。在 这种情况下，根据第一和第二开关装置的开关状态，所有串联的电池模 块的第一和电压被施加在第一和第二高压接头之间，并且其中一些串联 的电池模块的第二和电压被施加在第一和第二低压接头之间。


技术实现要素：

4.基于该现有技术，本发明的目的是提供一种结构简单的电池系统， 利用该系统，无论电池的荷电状态如何，都可以最小化电压散射，以及 在电压源中提供可独立切换的冗余，用于确保功能安全，例如在安全攸 关的电气系统(例如“线控驱动”)的能源供应出现故障时。
5.该目的通过具有权利要求1的特征的电池系统来实现。本发明的有 利配置在从属权利要求以及随后的描述中详细说明。
6.根据本发明，一种电池系统包括多个电池单元组、多个第一开关、 多个第二开关和控制系统，其中电池单元组布置成m层，每层可以分别 连接到电池系统的输出接头并且可以并联以设置电池系统的最大可能电 流输出，并且可以串联以设置电池系统的电压水
平，其中控制系统被设 计和设置为指定第一开关和/或第二开关的相应闭合或断开，以便由此选 择性地将电池单元组连接到输出接头和/或并联和/或串联到至少一个另 外的电池单元组，相应外层(n＝0，n＝m)的电池单元组组合成第一组或 第二组。内层(n＝1至n＝m-1)的电池单元组分别划分为第一组和第二组， 其中每个第一组和每个第二组包括一个或多个电池单元组，并且所有电 池单元组的特定层总和在所有m层中相同。第二开关分别布置在两个相 邻层n和n+1的组之间，使得在每种情况下，第n层的第一组可以通过 所述开关与第n+1层的第二组串联，并且第一开关布置在内层n的组之 间，使得在每种情况下，第n层的第一组可以通过所述开关与第n层的 第二组串联。
7.换言之，电池单元组被分成可以串联和/或并联的组。借助第一开关， 第一组可以分别与电池系统的输出接头连接，并且该组所在的相应层可 以与电池系统的其他层并联。另外，在内层的情况下，第n层的第一组 可以通过第一开关与同一层n的第二组串联。
8.通过第二开关，第n层的第一组可以连接到第n+1层的第二组，这 些组可以连接到电池系统的输出接头，也可以并联到电池系统的其他层 或串联的其他组，例如连接到第n+1层的第一组和第n+2层的第二组。
9.第一开关和第二开关通过控制系统断开或闭合，其中每个开关通过 信号接头连接到控制系统。
10.当然，也可以设想一个组可以单独连接到电池系统的输出接头和/或 可以并联到电池系统的其他层或串联的组。
11.在本发明的范围内，电池单元组分别包括多个电池单元，优选组合 在一个结构单元中。
12.根据本发明的电池系统使得提供电压稳定成为可能，特别是与电池 的荷电状态或放电率或环境的影响无关。换言之，因此可以在第一高荷 电状态的情况下串联较少数量的电池单元组，并且在与第一荷电状态相 比较低的荷电状态的情况下串联更多数量的电池单元组，以补偿各个电 池单元组的劣化电压水平。在这种情况下，由于形成组，与已知的现有 技术相比，可以减少开关的数量。
13.此外，有缺陷的电池单元组和/或有缺陷的组可以与完好无损的电池 单元组和/或完好无损的组分开和隔离。这增加了电池系统的安全性。
14.特别有利的是，在内层的情况下，在从一个外层到另一个外层的方 向上，第n层的第一组中的电池单元组的数量与同一个第n层的第二组 的电池单元组的数量之间的比率逐层变化。
15.换句话说，第n层的第一组的电池单元组的数量在从一个外层到另 一外层的方向上，减少的程度与第n层的第二组的电池单元组的数量增 加的程度相同。当然，第n层的第二组的电池单元组的数量，在从一个 外层到另一外层的方向上，减少的程度也可以与第n层的第一组的电池 单元组的数量增加的程度相同。
16.第一外层(n＝0)的第一组的电池单元组的数量优选与最外层(n＝m) 的第二组的电池单元组的数量相同或第一外层(n＝0)的第二组的电池单 元组的数量优选与最外层(n＝m)的第一组的电池单元组的数量相同。
17.在第一实施例中，比率的变化呈线性分布，具有恒定斜率。
18.因此，第一组的电池单元组的数量与第二组的电池单元组的数量之 间的比率逐
层以线性方式变化。在层数恒定的情况下，线性分布的斜率 是恒定的，与斜率的大小无关。换句话说，斜率可以很大，使得第二层 中第一组的电池单元组的数量与第二组的电池单元组的数量之间的比率 为1比10，并且例如在倒数第二层中第一组的电池单元组的数量和第二 组的电池单元组的数量之间的比率为10比1。但是，斜率也可以很小， 因此在层数相同的情况下，如前面的示例，例如第二层中的比率为1比2， 则倒数第二层中的比率为2比1。
19.在另一实施例中，比率的变化呈线性和扭结分布，具有不同斜率。
20.例如，比率变化的分布被分成两个部分。第二部分的斜率比第一部 分的斜率大，反之亦然。
21.可以有利地提供，比率的变化呈间断的线性分布。
22.以结构简单的方式，提供另外的输出接头，第一组中的电池单元组 或第二组中的电池单元组可以连接到该输出接头，以便分接分别施加到 相应组的电压。
23.这使得在为安全攸关的系统(例如“线控驱动”系统)供电时，可以 在相应的车载电网电压的电压源中为功能安全提供可切换的冗余。
24.这也使得可以提供不同的电压电平(通常为5v、12v、48v和高压)， 以从同一电池系统提供相应的功能，例如用于传感器或电动马达。
25.有利地提供，测量点布置在组的两侧，其中测量点被设计和设置为 共同测量实际施加到相应组和/或相互串联时的组的电压，并将相应的测 量信号传输到控制系统。
附图说明
26.在使用附图的示例性实施例的后续描述中阐述了本发明的更多细 节，其中：
27.图1示出了具有四层并断开第一和第二开关的示意性电池系统，
28.图2示出了根据图1的示意性电池系统，其中闭合了第一开关，
29.图3示出了根据图1的示意性电池系统，其中闭合了第二开关，
30.图4示出了根据图1的示意性电池系统，其中具有多个闭合和断开 的开关以及断开的第一开关和断开的第二开关，
31.图5示出了根据图1的示意性电池系统，其中具有另外的输出接头，
32.图6示出了根据图1的示意性电池系统，其中具有多个测量点，以 及
33.图7a-7d示出了第一组中的电池单元组的数量与第二组中的电池单 元组的数量之间的比率的可能变化。
具体实施方式
34.图1显示了具有四层(m＝4)的示意性电池系统1，其中断开第一开关 a1…
a4和第二开关b1…
b3。
35.尽管所示的电池系统1具有四层，少于四层或多于四层的电池系统 当然也是可行的。
36.电池单元组5在每种情况下包括五个电池单元4并且被分成组。因 此，组a1和b4分别包括十五个电池单元4，组a2和b3分别包括十个电池 单元4。并且组a3和b2分别包括五个电池单元4。因此，组a3和b2在每 种情况下仅包括一个电池单元组。
37.组a1布置在电池系统1的第一层和外层n＝0。通过开关a1，组a1可 以连接到电池系
统1的输出接头3，第一层n＝0可以与电池系统1的其他 层并联。所有这些相应地适用于与组b4相关的开关a4，其中组b4布置在 最后且外层n＝m＝4。
38.开关a2设置在组a2和组b2之间。通过开关a2，这两组可以串联， 层n＝2可以关闭，因此组a2和b2可以连接到电池系统的输出接头3并可 以并联到电池系统的其他层或串联的其他组。所有这些都相应地适用于 与组a3和b3相关的开关a3。
39.开关b1设置在组a1和组b2之间。通过开关b1，这两组可以串联， 组a1和b2可以连接到电池系统的输出接头3，并且可以并联到电池系统 的其他层或串联的其他组。所有这些都相应地适用于与组a2和b3相关的 开关b2以及与组a3和b4相关的开关b3。
40.开关a1…
a4、b1…
b3通过控制系统10断开或闭合，其中每个开关 a1…
a4、b1…
b3通过信号接头11连接到控制系统10。
41.图2示出了根据图1的示意性电池系统1，其中闭合了第一开关 a1…
a4。通过闭合第一开关a1…
a4，电池系统1的四层并联在一个“清洁 层”，并连接到输出接头3。清洁层意味着在两个内层中，第n层的第一 组an串联到第n层的第二组bn。
42.图3示出了根据图1的示意性电池系统1，其中闭合了第二开关 b1…
b3。通过闭合第二开关b1…
b3，电池系统1的四层“跨层”并联并且 连接到输出接头3。跨层是指第n层的第一组an在每种情况下串联到第 n+1层的第二组b
n+1
。
43.与图2所示的电路相比，通过图3所示的电池系统1的电路，可以 在电池单元的相同荷电状态下实现更高的电压或在电池单元的较低荷电 状态下实现类似电压。
44.图4示出了根据图1的示意性电池系统1，其中闭合和断开了多个开 关a1…
a3、b1…
b2以及断开了第一开关a4和断开了第二开关b3。在所 示示例中，组b4的一个或多个电池单元有缺陷。为了将这个b4组与其他 完好无损的组a1…
a3、b2…
b3和输出接头分开，开关b3和a4是断开的。
45.图5示出了根据图1的示意性电池系统1，带有更多输出接头 (3a
…
3d)。另一个输出接头3b与输出接头3一起分接组a2处的电压。另 一个输出接头3d与输出接头3一起分接组b2的电压。另一个输出接头 3a与输出接头3一起分接组a3处的电压。另一个输出接头3c与输出接头3一起分接组b3处的电压。在这种情况下，a2和b3以及a3和b2在每种情 况下都是冗余组，从而可以分别提供来自两个冗余组的电压。例如控制 系统10可以通过指定开关b1和a2的断开并通过输出接头3a和3分接电 压来分离有缺陷的组b2(参见图4的组b4)并用冗余组a3替换它。
46.图6示出了根据图1的具有多个测量点6的示意性电池系统1。测量 点6分别布置在组a1…
a3、b2…
b4的两侧。分配给一组a1…
a3、b2…
b4的 两个测量点6被设计和设置为共同测量实际施加到相应组a1…
a3、b2…
b4和/或在每种情况下都相互串联的组a1…
a3、b2…
b4的电压。测量点6在每 种情况下通过信号接头12连接到控制系统10，以便将相应的测量信号传 输到控制系统10。
47.在该实施例中，开关a1…
a4、b1…
b3也通过控制系统10断开或闭 合，其中每个开关a1…
a4、b1…
b3通过信号接头11连接到控制系统10。 为了更清楚，这些信号接头11没有被表示出来。
48.图7a-7d示出了第一组an中的电池单元组5的数量与第二组bn中的 电池单元组5的数量之间的比率的可能变化。在所示的实施例中，在每 种情况下都显示了六个层(m＝6)。
电池单元组的数量由矩形的大小示意 性表示。此外，在每种情况下都标记了一条虚线，以便更有效地说明比 率的变化。
49.在图7a中，比率的变化呈线性分布，具有恒定的斜率。在所示示例 中，组被对称划分。通过这种布置和相应的开关架构，可以通过电压源 冗余实现不同的电压电平，而且电池电压本身也得到了稳定。
50.在图7b中，该比率的变化也呈线性分布，具有恒定的斜率。然而， 斜率小于图7a中所示比率变化的情况，并且“中心”移位。这种安排和相 应的开关架构保证了稳定的电池电压。
51.在图7c中，比率的变化呈线性和扭结分布，具有两个不同的斜率。 因此，比率变化的分布分为两个部分。与下部的坡度相比，上部的坡度 更大并且“偏心”布置。这种布置和相应的开关结构保证了多个车辆电压 的电池容量冗余，这产生了电压源电平的非线性分布。
52.在图7d中，比率的变化呈中断的线性分布。这种布置和相应的开关 架构保证了多个车辆电压的电池容量冗余，这产生了电池容量的非线性 分布。
53.附图标记表
54.1电池系统
55.3、3a
…
3d输出接头
56.4电池单元
57.5电池单元组
58.6测量点
59.10控制系统
60.11信号接头(开关)
61.12信号接头(测量点)
62.a1…
a6第一组
63.b1…
b5第二组
64.a1
…
a4第一开关
65.b1
…
b3第二开关
66.m总层数
67.n层数