具有电池模块的供能系统和供能系统的操作方法与流程

本发明涉及根据本专利权利要求1的前序部分的具有多个电池模块的供能系统以及根据本专利权利要求14的前序部分的供能系统的操作方法。

背景技术：

1、如今，例如，带内燃机的发电机几乎完全用于诸如金刚石钻头、高压清洁器或工业吸尘器等高性能工作机器的移动供电单元。这尤其适用于电输入功率超过1kw的机器。由于对环境和健康的负担的增加，因此期望利用电池存储系统来操作这种装置。

2、一种可行的解决方案是便携式电池存储系统，其在输出端处直接提供电网兼容的交流电压，例如230v/50hz或115v/60hz。该输出端可以构造为插接装置，例如，商用电网耗电设备可以与该插接装置连接。如今，这种电池存储系统在市场上有多种不同的版本。然而，这些可用装置具有显著限制其使用的缺点。因此，它们的技术构成在输出功率和重量之间相互冲突的优先级范围内变化。从目前的工作安全条件来看，具有高输出功率>2.5kw且重量>20kg的电池存储系统通常不能由一个人携带，或者提供过低的存储容量(<1kwh)。尽管具有较低输出功率的电池存储系统更轻，但它们不能用于上述应用。

3、除了提供的平均输出功率之外，所谓的过载能力也起到了一定作用。商用电池存储系统通常在短时间(几秒钟)内提供比在连续操作中多50％的电流。然而，诸如具有所谓电容式电机(单相异步电机)的耗电设备等大型耗电设备在启动时需要高达十倍的电流。虽然这在电网上没有问题，但到目前为止，针对使用电池的移动操作还没有解决方案。

4、us 8 994 336 b2记载了电池单元串联布置使得它们的电压高于要产生的交流电压的峰值电压的开发。因此，提高了电池存储系统的过载能力和功率密度。然而，进一步使用普通类型的逆变器来产生交流电压。此外，继续使用用于电池的充电装置，这增加了电池存储系统的重量。

5、除了电力特性、尺寸、重量等之外，例如，供能系统的电气安全也起到至关重要的作用，以便简化供能系统在其安装和运输过程中的处置，并确保可靠和安全的操作。

6、申请人拥有的de 10 2019 110 177 a1记载了一种具有改进性能和较轻重量的移动供能系统。该供能系统具有多个电池模块，这些电池模块可以通过中央控制单元以时变(time-variable)方式串联连接，以便在供能系统的输出端处提供交流电压。各电池模块具有输入连接器和输出连接器、电池组和电路，该电路将电池组选择性地连接至输入连接器和输出连接器。在这种情况下，可以在电池组和输入/输出连接器之间设置保险丝，使得在电流过大的情况下将电池组与模块连接器断开。此外，可以设置模块内部断开装置，以便在必要时使得与一个或多个模块内部部件断开。

技术实现思路

1、在这种背景下，本发明的目的是提供一种改进的供能系统和供能系统的操作方法，其特征在于高水平的电气安全性、可靠性、长的续航时间和寿命以及低的生产成本。

2、该目的通过具有权利要求1的特征的供能系统和具有权利要求14的特征的供能系统的操作方法来实现。本发明的其他特别有利的实施方案由相应的从属权利要求公开。

3、必须注意的是，权利要求中单独引用的特征可以以任何技术上有意义的方式(也可以跨越诸如方法和装置等类别的界限)相互结合，并且代表本发明的其他实施方案。本说明书，特别是结合附图，附加地表征和具体说明了本发明。

4、还需要注意的是，下文中使用的位于两个特征之间并将它们彼此连接的连词“和/或”应始终理解为，在根据本发明的主题的第一实施方案中，可以仅提供第一特征，在第二实施方案中，可以仅提供第二特征，并且在第三实施方案中，可以提供第一特征和第二特征两者。

5、本文中使用的术语“大约”指定了本领域技术人员认为常见的公差范围。特别地，术语“大约”应被认为是指相关量的公差范围，最大可达+/-20％，优选地最大可达+/-10％。

6、此外，在本发明的意义上，本文中使用的诸如“较大”、“较小”、“较高”、“较低”、“较重”和“较轻”等关于特征的相对术语，应始终理解为使得由生产和/或实现引起并且在为相应特征的生产或实现而定义的生产/实现公差内的相关特征的尺寸偏差不落入各相对术语内。换言之，如果相比较的两个尺寸仅在量上的差异非常明显，使得这种尺寸差异肯定不会落入由生产/实现引起的相关特征的公差范围内，而是有针对性的行动的结果，则在本发明的意义上，一个特征的尺寸被认为是例如相对于被比较特征的尺寸“较大”、“较小”、“较高”、“较低”、“较重”和“较轻”等。

7、根据本发明，供能系统具有多个电池模块，所述多个电池模块可以可控地串联连接，以便在供能系统的供电连接器处提供不同的(即时变的)电压。供能系统还具有控制单元，所述控制单元可以是供能系统的中央控制单元，用于控制电池模块。各电池模块具有输入连接器和输出连接器、用于提供模块电压的电池组、以及用于将模块电压选择性地切换至输入连接器和输出连接器的切换装置。电池模块还各自具有用于接收控制输入信号的控制输入端。所述多个电池模块各自构造为响应于控制输入端处的关断控制信号而呈现关断状态，在所述关断状态下，模块电压与输入连接器和输出连接器(电)断开。此外，所述多个电池模块各自具有用于在各种情况下检测自身的不允许操作状态的检测电路和用于借助于故障控制信号输出检测到的不允许操作状态的控制输出端。供能系统具有故障控制电路，所述故障控制电路将所述多个电池模块中的至少一个电池模块的控制输出端连接至所述多个电池模块中的至少一个其他电池模块的控制输入端。

8、本发明基于这样的认识，即在一个电池模块中局部检测到的严重故障不能始终通过局部关断故障电池模块来校正。例如，如果切换装置具有多个诸如mosfet等用于将模块电压选择性地切换至电池模块的输入连接器和输出连接器的切换元件(其中切换元件可以例如以桥接电路的形式连接)，并且如果故障电池模块的切换元件(或桥接电路)在局部确定故障之后被置于高欧姆状态，同时系统的其余部分继续运行，则由于多个电池模块的串联连接，仍然从外部施加至故障电池模块的输入连接器和输出连接器的电压可能导致经由mosfet体二极管对电池模块进行强制充电。因此，实际问题甚至可能由于热量的大量产生而加剧，并且可能由于电池模块的过载而加剧。

9、此外，在相关电池模块中局部发生的严重(未处理)故障可能表明在系统控制中存在更高级别故障，使得不能依赖于控制单元和电池模块之间的可靠通信，例如以便适当地关断其余电池模块。

10、基于此，本发明在多个电池模块中实现分散检测和关断。根据本发明，各电池模块能够在检测到自身的不允许操作状态(即严重故障状态)的情况下可靠地关断至少一个或甚至多个其他电池模块。

11、电池模块可以借助于例如合适的传感器和/或检测电路检测到的严重操作状态例如可以是(但不限于)：

12、·高/低模块电压和/或电池组的各个电池单元的单元电压

13、·充电/放电期间的高/低模块和/或单元温度

14、·电池组的各个电池单元之间的单元电压差过大(去平衡)

15、·表明电池模块/电池组的电池单元存在严重故障的其他测量结果

16、·表明电池模块存在严重切换故障的其他测量结果

17、除了由供能系统的控制单元进行的中央监控之外，还可能提供的模块水平上的故障检测和关断功能显著提高了系统的电气安全性。以这种方式，在仅在单个电池模块中检测到严重操作状态的情况下，可以以简单的方式实现整个供能系统的完全冗余、可靠的故障关断。然而在供能系统的控制单元不能检测到严重模块状态或者不能(再)安全地关断其他电池模块的情况下，在根据本发明的供能系统中仍能确保完全的电气安全。

18、应当理解的是，在最简单的构成中，故障控制电路可以仅具有无源部件，例如连接线。此外，它还可以具有有源元件，例如处理器控制的故障控制单元。

19、供电连接器处随时间变化的电压应当理解为供电连接器处的变化电压。例如，为了产生交流电压(例如230vac)，可以通过同时将数量可变的电池模块(可能也具有可变的极性)有效地连接到供电连接器而在供电连接器处产生不同的电压。

20、在本发明的意义上，在例如为了提供直流电压而保持供电连接器上有效的电池模块的总数相同的同时，不同电池模块之间的变化也可以导致供电连接器处的电压的变化。例如，为了补偿取决于各个电池模块的当前充电状态(soc)的变化的模块电压，可以发生这种变化。当然，在供电连接器处提供的直流电压也可以通过改变同时有效地连接至供电连接器的电池模块来实现，以便为连接的耗电设备提供例如随时间变化的直流电压电平。

21、供能系统的供电连接器可以用作输出连接器，耗电设备可以连接至该输出连接器，并且该输出连接器可以为耗电设备的操作提供来自电池模块的电能。另外，在必要时，供电连接器也可以用作输入连接器，如果电池组是可再充电电池组，则系统外部电能源，例如常规(低电压)供电电网，可以与该输入连接器连接，以便对电池模块进行充电。应当理解的是，在必要时，除了供能系统上的供电连接器之外，还可以设置单独的充电连接器，以便通过系统外部电能源对电池组进行充电。

22、切换装置可以具有多个切换元件，优选地电力电子切换元件。所述切换元件可以设计为将模块电压选择性地切换到输入连接器和输出连接器以提供能量。

23、特别地，电力电子切换元件应当理解为这种电子部件：其设计用于转换电能，例如用于对电能进行整流或逆变，和/或设计用于选择性地向耗电设备供给电能，即将耗电设备电连接(切换)至能源(例如电池模块的电池组)或将其与能源断开(将其关断)。

24、为了将电池组的模块电压选择性地切换至各个电池模块的输入连接器和输出连接器，切换元件可以连接在桥接电路中，例如，该桥接电路设置在电池模块的输入连接器和输出连接器之间并且设计为将电池组连接至输入连接器和输出连接器或者在桥接电池组的同时将输入连接器连接至输出连接器。在这种情况下，电池组与电池模块的输入连接器和输出连接器的连接可以仅利用单个预定极性(例如正极性或负极性)或者可选地利用第一极性(例如正极性)和与第一极性相反的第二极性(例如负极性)进行。然而，本发明不限于这种桥接电路。还可以设置用于将电池组选择性地连接至电池模块的输入连接器和输出连接器的切换元件的其他电路装配。

25、根据本发明的一个有利实施方案，故障控制电路在各种情况下将多个电池模块中的每个电池模块的控制输出端连接至仅一个其他电池模块的控制输入端。因此，可以以简单的方式实现多个电池模块经由故障控制电路彼此串联连接的电池模块的所谓“菊花链”。因此，检测到自身的严重操作状态的电池模块能够经由故障控制信号关断其相邻的电池模块，后者又关断其相邻的电池模块，等等，直到所有电池模块相继关断并且确保了供能系统的电气安全。

26、根据本发明主题的替代开发，故障控制电路可以将多个电池模块中的每个电池模块的控制输出端连接至每个其他电池模块的控制输入端。例如，这可以通过电池模块彼此的星形或总线形连接来实现。因此，单个电池模块的故障控制信号可以并行地关断所有其他电池模块，从而万一发生故障，可以更快地获得供能系统的高电气安全状态。

27、根据有利的开发，故障控制电路还可以具有单独的故障控制单元，例如，所述故障控制单元可以构造为处理器控制的或晶体管控制的控制单元。在任何情况下，故障控制单元都具有故障控制输入端和故障控制输出端，多个电池模块中的至少一个电池模块的控制输出端路由至(routed to)所述故障控制输入端，所述故障控制输出端路由至多个电池模块中的至少一个电池模块的控制输入端。故障控制单元构造为响应于在故障控制输入端处存在的故障控制信号，在故障控制输出端处产生关断控制信号。应当理解的是，所有电池模块的控制输出端可以连接至故障控制单元的故障控制输入端，和/或故障控制单元的故障控制输出端可以连接至所有电池模块的控制输入端。故障控制单元用作评估施加至故障控制输入端的信号并且在故障的情况下关断一个或多个电池模块的独立的中央单元。

28、此外，故障控制单元可以构造为：如果存在检测到的故障状态，则使供能系统的其他部件停止工作。例如，供电连接器可以具有切换装置，如果需要，特别是在故障的情况下，可以利用该切换装置将供能系统与连接的耗电设备(即在放电期间)或连接的能源(即在充电期间)断开，以便进一步提高供能系统的电气安全性。特别是在充电过程的情况下，施加至供电连接器的充电电压可以与供能系统的所有内部电气部件断开。

29、由于故障控制单元构造用于监测故障控制输入端是否存在故障控制信号，并且响应于检测到的故障控制信号而在故障控制输出端处产生关断控制信号，因此故障控制单元构成故障控制电路的有源部件。例如，它可以具有微处理器和微控制器等，或者可以由晶体管或逻辑门电路形成，然而，不严格限于此。

30、本发明的另一有利实施方案提供了多个电池模块各自具有控制连接器，所述控制连接器形成控制输入端和控制输出端，其中关断控制信号和故障控制信号作为双向控制信号经由控制连接器传输。以这种方式，可以显著减少(即，至少减半)要在电池模块上设置的连接器的数量和所需信号线的数量。以这种方式，供能系统可以以更具成本效益的方式生产，并且具有更简单的电路设计。因此，还减少了供能系统中的潜在故障源，这进一步提高了供能系统的可靠性以及续航时间和寿命。

31、此外，多个电池模块可以有利地各自具有至少一个环形贯通触点(loop-throughcontact)，所述至少一个环形贯通触点具有在模块侧以导电方式彼此连接的输入触点和输出触点。在这种情况下，故障控制电路可以构造为将至少一个电池模块的控制输出端和/或控制输入端与至少一个其他电池模块的环形贯通触点串联连接。换言之，实现了包括至少一个电池模块的环形贯通触点，优选地，所有电池模块的环形贯通触点的用于传输故障控制信号和/或关断控制信号的电路。

32、在这种情况下，用于连接控制信号传输线的环形贯通触点的输入触点和输出触点可以有利地布置在与各个电池模块的控制输入端和/或控制输出端的连接的空间附近，例如直接相邻。例如，用于输入/输出触点以及用于控制输入端和/或控制输出端的连接器可以通过彼此独立的各个电连接器(例如插头连接器)来实现。或者，它们也可以各自结合，但一起结合在接触壳体(例如插头壳体)中。可以发现的是，在故障的情况下，容纳所有触点的插头连接器通常完全分离，但至少彼此靠近的触点经常一起分离，从而经由环形贯通触点导致的相应控制信号的通过也被中断。因此，能够通过插头连接器与一个电池模块的分离来识别故障，因此，可以关断所有其他电池模块，以便产生供能系统的电气安全状态。

33、根据本发明主题的另一有利实施方案，引起多个电池模块的关断状态的关断控制信号和/或表示多个电池模块的不允许操作状态的故障控制信号是有效的低控制信号。这意味着数字低电平表示关断(关断控制信号)或故障情况(故障控制信号)。在所有其他情况下，相应的控制信号呈现高电平。例如，如果存在单独的故障控制单元，则可以通过不存在有效的高信号来自动识别其故障，然后电池模块以本文公开的方式使其自身停止工作。

34、优选地，在本发明主题的有利开发中，多个电池模块的控制输出端可以构造为所谓的开漏输出(例如，诸如mosfet等场效应晶体管)或开集输出(例如双极晶体管)。这两个术语是同义使用的，而不限于各自的晶体管类型。例如，当使用有效的低控制信号时，可以相对于接地电位(gnd)将开漏输出切换为有效，然而例如在通过相应信号线上的所谓上拉电阻器的开漏/开集的情况下，可以自动产生高信号。

35、本发明的又一有利实施方案提供了故障控制电路具有数据通信总线，所述数据通信总线利用至少一条数据传输线将多个电池模块彼此连接，其中多个电池模块的控制输出端和/或控制输入端连接至所述至少一条数据传输线。例如，数据总线可以是can总线，其本身是众所周知的。在这种情况下，数据总线的协议可以为了正确操作而有利地禁止(永久的或长期的)低信号，使得可以经由数据总线简单地表示故障的情况，数据总线本身可以通过针对所有总线用户(即，连接至总线的电池模块)的独特方式的有效低信号以常规方式使用。换言之，电池模块可以将数据总线线路(比总线协议允许的更长)拉至接地电位(gnd)，以便指示故障(控制输出端)。由于冗余电路(例如，低通/时序元件)，在电池模块中也可以识别出数据总线被不允许地拉到gnd上，并将其视为关断信号(控制输入端)。

36、当然，故障情况或关断信号也可以经由数据总线以常规方式(例如，作为根据适用于各自数据协议的通信协议的适当数据包)传递至所有总线用户。例如，故障控制信号可以经由数据总线作为消息包传输至控制单元(例如，供能系统的故障控制单元和/或中央控制单元)，然后后者以本文公开的方式之一关断电池模块。

37、数据总线可以是用于供能系统的部件之间的常规通信的数据总线。数据总线可以是供能系统的唯一数据总线，在这种情况下其提供两种功能，即供能系统的不同部件(例如中央控制单元，电池模块，在必要时故障控制单元等)之间的常规信息交换以及电池模块的故障和关断通信。用于传输故障状态或关断控制信号的数据总线也可以是对另一通信总线冗余的数据总线，可以将该数据总线仅设置用于故障通信/故障关断的特殊任务。

38、此外，多个电池模块可以各自具有绝缘装置，所述绝缘装置在检测电路和故障控制电路之间形成电流隔离，以便进一步提高电池模块和/或供能系统的其他部件(例如中央控制单元)之间的电气安全性。电流隔离可以例如通过电感耦合装置或通过光耦合器进行。

39、本发明的又一有利实施方案提供了连接至故障控制电路的切换装置，所述切换装置构造用于在提供关断控制信号时将多个电池模块与供能系统的供电连接器分离。以这种方式，连接至供能系统的耗电设备或用于对电池模块进行充电的所连接的能源可以安全地与系统的所有电气部件断开。

40、在超过或达不到模块电压和/或电池组的多个电池单元的单元电压的预定最大电压阈值或最小电压阈值、电池组的不同电池单元之间的预定电压差、供能系统的供电连接器处和/或供能系统内(例如电池模块之间)的预定最大电流阈值或最小电流阈值以及多个电池模块在充电和/或放电过程期间的预定最高温度阈值或最低温度阈值等时，可以设置电池模块的不允许操作状态。

41、根据本发明主题的优选开发，供能系统构造为用于耗电设备的移动供电的移动式、特别是便携式的供能系统。作为便携式供给系统，供能系统的重量优选地小于25公斤，特别地小于20-15公斤。在这种情况下，限制其尺寸使得其可以由一个人处理。例如，有利地，供能系统可以像背包一样携带，然而，不严格限于此。

42、可能的切换元件优选地可以是击穿电压在约30v至约100v之间的mosfet开关，特别优选地是n沟道mosfet开关。这导致要插入的切换元件的数量尽可能少，供能系统的尺寸更小，切换元件的热损耗更小，电压转换或电压切换的效率更高。因此，能够更好地使用存储在电池模块或电池组中的电能，这导致更长的操作时间/续航时间。这在移动应用中尤其有利，因为携带的能量是有限的，并且电池组的能量密度直接影响供能系统的重量。

43、各电池组在各种情况下都可以具有多个电池单元。例如，优选地使用锂离子电池作为电池单元，其中本发明不严格限于这种电池类型。特别有利的是，各电池组具有最多如此多的电池单元，使得电池组的总重量最多为1kg。因此，供能系统的性能能够最大化，其中保持了系统的移动性/便携性。

44、此外，电池组可以具有最多14个电池单元，其中电池单元的数量优选地限制为最多6个。这使得能够使用具有较低反向电压的切换元件(例如，诸如mosfet等半导体开关)。切换元件的反向电压不必针对所产生的系统输出电压的反向电压而设计，而是仅针对电池模块的最大电压而设计。例如，对于具有串联连接的六个锂离子电池的电池模块，最大模块电压例如为6×4.2v＝25.2v。因此，例如，可以使用具有例如40v的反向电压的半导体开关。例如，在相同的尺寸下，这种部件的静态损耗比反向电压为650v的半导体开关低100倍。因此，局部发热降低了100倍。这导致体积电阻率为1mω的半导体开关在闭合状态下在16a的电流下仅产生约0.25瓦的热量。

45、此外，电池模块可以具有容纳电池组和切换装置或切换元件的壳体。换言之，这种构成中的切换元件和电池组形成一个构造单元，其特别伴随着与紧凑的尺寸和简化的热损耗管理有关的优点。

46、如果可以通过被动冷却实现足够大的散热，则壳体也可以是密封的，因为不需要例如用于与周围环境进行空气交换的开口。这导致对污垢和湿气的敏感性显著降低，从而进一步提高了可靠性，并且进一步增加了供能系统的可能的应用范围。例如，在外部区域甚至在水下(即防水壳体)也可以无限制使用。

47、根据本发明的另一方面，提供了一种供能系统(例如根据本文公开的实施方案中的一者的供能系统)的操作方法，具有以下步骤：

48、-提供多个电池模块，所述多个电池模块可以可控地串联连接，

49、-控制电池模块，以便在供能系统的供电连接器处提供不同的电压，

50、-借助于切换装置将模块电压选择性地切换至相应的电池模块的输入连接器和输出连接器，以便在输入连接器和输出连接器处提供电能，所述模块电压在各种情况下由所述多个电池模块中的一个电池组提供，以及

51、-经由相应的电池模块的控制输入端接收控制输入信号，其中所述多个电池模块在各种情况下响应于控制输入端处的关断控制信号而进入关断状态，在所述关断状态下，模块电压与输入连接器和输出连接器断开，

52、其中所述多个电池模块通过各自的检测电路在各种情况下检测不允许操作状态，并且借助于在相应的电池模块的控制输出端处的故障控制信号输出检测到的不允许操作状态，其中借助于故障控制电路将故障控制信号从所述多个电池模块中的至少一个电池模块的控制输出端传输至所述多个电池模块中的至少一个其他电池模块的控制输入端。

53、关于术语的方法相关定义以及该方法的特征的效果和优点，可以完全参考根据本发明的供能系统的相应定义、效果和优点的公开内容。因此，除非本文明确排除，否则关于根据本发明的供能系统的公开内容也可以在必要的修改后用于定义根据本发明的方法，反之亦然。为了更简洁的说明，本文可以省略对基本上相同的特征、它们的效果和优点的重复解释，而不必将这种省略解释为限制。