用于保护具有可变内阻的设备的系统的制作方法

1.本发明总体上涉及蓄电池的安全性。
2.更具体地，本发明涉及一种用于保护具有可变内阻的设备(比如，蓄电池的电化学电池单元)的保护系统，该保护系统包括保险丝，该保险丝能够在强度大于预定义强度阈值的电流流过时熔断。
3.本发明还涉及一种用于保护这种设备的方法。
4.本发明特别有利地应用于电动或混合动力车辆的蓄电池的生产。


背景技术：

5.电动和混合动力车辆专门配备有蓄电池，这些蓄电池为电动机供应电流以推进这些车辆。
6.如文献us 2017005384所教导的，这种蓄电池通常包括多个模块，每个模块都并入了大量不同的电化学电池单元。
7.这些电池单元使用化学化合物来储存电能，如果电池单元过度充电，则可能会造成危险。
8.用于保护蓄电池的一种常见系统在于单独地监测跨每个电池单元的两端的电压，并在过度充电的情况下断开电流。遗憾的是，实施该技术解决方案需要使用大量冗余地连接的昂贵部件以实现所需的安全程度。
9.文献us 2017005384中描述的另一种解决方案在于为每个电池单元配备其自己的集成安全设备。该安全设备首先包括连接在化学化合物与电池单元正极端子之间的保险丝，其次包括连接在该同一电池单元的两个端子之间的压力开关。
10.因此，在电池单元内出现过压的情况下，开关闭合，从而在电池单元中形成短路并导致保险丝熔断，从而使蓄电池进入安全状态。
11.这种解决方案的第一个缺点是这种熔断会产生使车辆不能移动的故障。
12.申请人已经观察到的并且被证明比第一个缺点更严重第二个缺点是，当电池单元短路时保险丝不会熔断，从而产生蓄电池起火或爆炸的危险。


技术实现要素：

13.为了弥补现有技术的上述缺陷，本发明提出通过增加用于检测电池老化的计算机化手段来提高蓄电池的安全性。
14.更具体地，根据本发明提出的是如引言中所定义的保护系统，其中，提供了估计装置和保护装置，该估计装置被设计为估计设备的内阻(例如，电化学电池单元的内阻)，并且该保护装置被设计为一旦所述内阻大于所选择的电阻阈值，就限制和/或阻止使用该设备，使得该设备仍然具有熔断保险丝的能力。
15.具体而言，申请人已经观察到，当电化学电池单元的老化状态提前、并因此其内阻过高时，该电池单元能够产生的电力并不总是足以熔断保险丝。
16.代替使用较小的保险丝(这在电池单元承受高负荷的情况下可能出现问题，因为保险丝可能会以不希望的方式熔断)，相反，本发明提出监测电池单元的老化状态，使得在电池单元不再能够产生熔断保险丝所需的电力之前能够(优选地，预防性地)邀请用户对其蓄电池进行检修。
17.以下是根据本发明的保护系统的其他有利的和非限制性的特征，这些特征单独地或以任何技术上可能的组合加以考虑：
[0018]-所述电阻阈值等于内阻，超过该内阻，设备不再具有在安全裕度内熔断保险丝能力；
[0019]-在所述设备包括两个电连接端子的情况下，提供了开关，该开关被设计为在所述设备内出现过压的情况下自动闭合这两个端子之间的电气电路；
[0020]-该估计装置被设计为仅在满足以下条件中的一个或多个或所有条件时估计所述内阻：
[0021]-＞该设备处于放电阶段，
[0022]-＞该设备递送的电流的强度在预定义值范围内，
[0023]-＞该设备递送的电流的强度随时间的变化大于预定义变化阈值，
[0024]-＞所述设备的内部温度在预定义温度范围内；
[0025]-该估计装置被设计为尝试周期性地估计所述内阻；
[0026]-该保护装置被设计为当该内阻大于第二电阻阈值时警告用户该保护装置即将限制和/或即将阻止使用该设备；
[0027]-该保护装置被设计为当该内阻大于第三阈值时限制使用该设备；
[0028]-该第三阈值严格大于该第二阈值；
[0029]-该保护装置被设计为当该内阻大于所述电阻阈值(该电阻阈值严格大于该第三阈值)时阻止使用该设备。
[0030]
本发明还涉及一种蓄电池，该蓄电池包括配备有上述保护系统的电化学电池单元。
[0031]
本发明还提出了一种用于保护具有可变内阻的设备(比如，配备有保护性保险丝的电化学电池单元)的方法，该方法包括：
[0032]-估计所述设备的内阻的步骤，
[0033]-将该内阻与至少一个电阻阈值(超过该阈值该保护性保险丝不起作用)进行比较，并且判断该内阻是否大于所述电阻阈值的步骤，
[0034]-阻止或限制使用该设备，使得该设备仍具有熔断该保险丝的能力的保护步骤。
[0035]
当然，本发明的各种特征、变体和实施例可以以各种组合彼此组合，只要它们没有不互相兼容或相互排斥即可。
具体实施方式
[0036]
参照附图通过非限制性示例给出的描述将使得容易理解本发明包括的内容以及可以如何实施本发明。
[0037]
在附图中：
[0038]
[图1]是配备有根据本发明的蓄电池的机动车辆的示意图；
[0039]
[图2]是图1的蓄电池的电化学电池单元的示意图；
[0040]
[图3]是图2的电化学电池单元的电路图；
[0041]
[图4]是展示当图2的电化学电池单元接收阶跃电流时跨该电化学电池单元的两端的电压变化的曲线图；
[0042]
[图5]是展示该阶跃电流的曲线图；
[0043]
[图6]是以点的形式示出对图2的电化学电池单元进行的测试结果的曲线图，纵坐标示出测量的电压差，而横坐标示出电池单元递送的电流差；
[0044]
[图7]是示出在这些测试中由图2的电化学电池单元递送的电流随时间变化的曲线图；
[0045]
[图8]是示出在这些测试中由图2的电化学电池单元递送的电流的变化率根据时间变化的曲线图；
[0046]
[图9]是示出图2的电化学电池单元的测量的内阻根据其电量水平的变化的曲线图。
[0047]
图1非常示意性地示出了包括两个驱动轮16的机动车辆10。
[0048]
在本案中，该机动车辆是电动车辆。作为变体，该机动车辆还可以是混合动力车辆。
[0049]
图1所示的机动车辆10因此包括至少一个电动机15，该至少一个电动机用于驱动两个驱动轮16旋转。该机动车辆还包括蓄电池11，该蓄电池使得可以经由逆变器14向该电动机15供应电流。
[0050]
该蓄电池11包括容纳大量电化学电池单元20的储存外壳。
[0051]
机动车辆1还包括测量装置18，该测量装置用于(例如，以安装在蓄电池11的储存外壳内的温度探针的形式)测量该蓄电池11的温度。
[0052]
该机动车辆还包括获取装置19，该获取装置用于获取跨每个电化学电池单元20的两端的电压u
batt
以及由这些电化学电池单元20中的每一个递送或接收的电流i
batt
。
[0053]
为了管理机动车辆的各种单元，机动车辆1包括计算机12，该计算机包括处理器和存储器，并且该计算机配备有各种输入和输出接口13。
[0054]
通过该计算机的输入接口，计算机10被设计为分别接收来自测量装置18和获取装置19的输入信号。因此，该计算机被设计为获取蓄电池11的内部温度t，以及跨每个电化学电池单元20的两端的电压u
batt
和由这些电池单元中的每一个递送或接收的电流i
batt
。
[0055]
通过该计算机的存储器，计算机12存储由包括指令的计算机程序组成的计算机化应用程序，这些指令当由处理器执行时允许计算机12实施下述方法。
[0056]
最后，通过该计算机的输出接口，计算机12被设计为与安全系统17通信以保护蓄电池11。在此，该安全系统17特别地包括布置在车辆仪表板上的显示屏17
′
，以及用于控制蓄电池充电的控制元件17
″
。
[0057]
图2示出了图1的蓄电池的电化学电池单元20之一。
[0058]
在此将考虑这些电池单元都具有相同的参考并且彼此串联连接。在本披露内容中，将更具体地仅关注这些电池单元之一。
[0059]
如图2所示，电化学电池单元20包括壳体29，该壳体容纳电化学部件21(在此是两个浸入锂离子基电解质中的电极)以及分别连接到这两个电极的两个端子22(负极)、23(正
极)。
[0060]
在此，电化学电池单元20配备有部分集成且部分远程的保护系统。
[0061]
该保护系统的远程部分包括上述安全系统17。
[0062]
该保护系统的集成部分包括容纳在壳体29中的保险丝25和开关26。
[0063]
开关26连接在电池单元的两个端子22、23之间。该开关在断开状态下被供应，并且被设计为在壳体29内出现过压的情况下自动闭合。为此目的，该开关包括压敏膜。
[0064]
因此，使得可以特别是在过度充电可能引起火灾的情况下使电化学电池单元20短路。
[0065]
保险丝25本身将电化学电池单元20的正极端子23连接到对应的电极。该保险丝旨在在强度i
batt
大于确定强度阈值的电流流过时熔断(并断开电路)。
[0066]
因此，特别地，该保险丝旨在在开关26使电化学电池单元20短路时熔断。
[0067]
该保险丝25和该开关26的组合因此使得可以保护蓄电池11免受爆炸和火灾的风险。
[0068]
众所周知，电化学电池单元20的老化与其所经受的充电和放电循环相符合。
[0069]
当电化学电池单元老化时，其内阻ri增加。然后可能存在该电化学电池单元的电化学部件21不再能够产生足够的电力来熔断保险丝25的情况。
[0070]
这就是为什么根据本发明的一个特别有利的特征：
[0071]-用于保护蓄电池11的保护系统包括估计装置(在此由计算机12形成)，该估计装置被设计为估计每个电化学电池单元20的内阻ri，以及
[0072]-安全系统17被设计为当该内阻ri大于第一电阻阈值s
r1
时限制和/或阻止使用蓄电池11，该阈值被选择为使得每个电化学电池单元20只要其内阻ri低于该第一电阻阈值s
r1
，就具有熔断其保险丝25的能力。
[0073]
下面将描述计算每个电化学电池单元20的内阻ri的方式。
[0074]
为了理解这些计算，可以首先以图3的电气电路21的形式对电化学电池单元20建模。
[0075]
在该图中，电气电路21包括彼此串联连接的理想电压源30、电阻器31和并联rc电路。
[0076]
理想电压源30具有取决于电化学电池单元20的电量水平bsoc的电压值。在此还将回想到的是，电量水平bsoc以百分比形式表示电池单元中剩余的电能的量。因此，当电池单元充满电时，其值为100％，而当电池单元放完电时，其值为0％。
[0077]
电阻器31表示电化学电池单元20的内阻ri。这特别取决于该电池单元的老化状态。
[0078]
并联rc电路包括并联连接的电阻器32和电容器33。这说明了以下事实：电池单元在充电和放电的情况下具有非零响应时间。在此基于电池单元的可测量响应时间来选择电阻值和电容值。
[0079]
然后，图4和图5示出了当电化学电池单元20接收到值为δi的阶跃电流的形式的充电电流时，跨该电化学电池单元的两端的电压u
batt
和流过该电化学电池单元的电流i
batt
。在该充电期间，在其中观察到电压的瞬时变化，其值为δv，然后该变化逐渐继续直到达到阈值。
[0080]
给定考虑到电化学电池单元20的建模，可以使用以下等式获得电池单元的内阻ri：
[0081]
[math.1]
[0082]
ri＝δv/δi
[0083]
然后计算机12被编程为周期性地计算该内阻ri，其采样频率既不太高也不太低(通常大约为一秒)。
[0084]
优选地，该计算机被编程为仅当满足电化学电池单元20的特定使用条件时才计算该内阻ri的估计值。
[0085]
具体而言，已观察到该内阻ri的估计值的可靠性可能取决于该电池单元的使用条件。
[0086]
然后，为了确定实现该内阻ri的良好估计值所需的条件，进行了一系列测试，这些测试的结果以点的形式在图6中展示。
[0087]
在这些测试中，在电化学电池单元20的各种使用条件下测量值δi和δv。如果这些条件都没有影响结果，则所有点都应该沿着仿射直线对齐，该仿射直线的斜率等于电池单元的内阻ri。
[0088]
然而，事实并非如此。
[0089]
然后图7和图8展示了由电化学电池单元20递送的电流i
batt
随时间的变化以及该电流的变化率。
[0090]
与图6中沿仿射直线定位的点相对应的时间已用点进行标记。因此可以观察到，电流和该电流的变化率必须满足特定的使用条件，以使内阻ri的估计结果可靠。
[0091]
因此可以观察到，如果电池单元处于放电阶段、如果该电池单元递送5a到40a之间的电流、以及如果该电流在两个连续采样时间之间的变化足够大(在此，如果电流的变化率δi
batt
/δt大于1a/s)，则内阻ri的估计值是可靠的。
[0092]
图9还绘制了测试的结果，以观察电量水平bsoc和电池单元内部温度对内阻ri的估计值的影响。
[0093]
因此可以观察到，如果电池单元的内部温度t不够高(曲线c1上的25度)，则轻微的温度变化可能会影响内阻ri的估计结果。因此，将优选的是在45℃(曲线c2)与55℃(曲线c3)之间运行。
[0094]
还能够观察到，只要电化学电池单元20的电量水平bsoc在40％到75％之间，该电量水平对内阻ri的估计结果几乎没有影响。
[0095]
因此，能够根据需要找到并选择电化学电池单元20的各种使用条件，以获得内阻ri的可靠估计值。
[0096]
现在已经详细解释了这些数据，可以描述机动车辆10的计算机12为了保护对蓄电池11中的每个电化学电池单元20的使用而进行的方式。
[0097]
为此目的，计算机12循环进行，迭代地重复下面描述的步骤。对于每个电化学电池单元20，以相同的方式实施这些步骤。为了简化本披露内容，下面将仅关注这些电池单元中的一个。
[0098]
在第一步骤中，计算机获取蓄电池11的内部温度t。
[0099]
该计算机还获取电化学电池单元20的电压u
batt
和电流i
batt
的值。
[0100]
在第二步骤中，计算机12确定是否满足电化学电池单元20的使用条件，以估计该电池单元的内阻ri。
[0101]
为此目的，计算机确定电化学电池单元20是否处于放电阶段，电池单元递送的电流的强度i
batt
是否在预定义值范围内(在此，为5a到40a之间)，由设备20递送的电流的强度i
batt
的变化率是否大于预定义变化阈值(在此为1a/s)，以及蓄电池11的内部温度是否在预定义温度范围内(在此为45℃至55℃)。
[0102]
当然，作为变体，上述范围可以不同。也可以考虑电池单元的许多不同使用条件。
[0103]
在此，如果满足这些条件，则计算机测量值δu和δi，然后基于上述等式“math.1”从中推导出内阻ri的估计值。如果不满足这些条件，则重置该方法。
[0104]
在这个阶段，计算机12可以直接认为该估计值是电化学电池单元20的内阻ri的良好近似值。
[0105]
然而，在此，该估计值将与先前所做的多个其他估计值相结合，以便获得内阻ri的更好估计值。因此，例如可以在涵盖数百个(例如，500个或1000个)先前结果的滑动窗口上取平均值，并认为内阻ri等于该平均值，这将避免任何错误测量。
[0106]
一旦获得了对内阻ri的估计，计算机12就将该内阻与至少一个电阻阈值进行比较。
[0107]
在实践中，在此，将该内阻ri与三个电阻阈值s
r1
、s
r2
、s
r3
进行比较。
[0108]
这三个电阻阈值s
r1
、s
r2
、s
r3
在三个安全裕度内等于内阻ri的值，超过该值，则认为不再能向用户保证电化学电池单元20仍将具有熔断保险丝25所需的电力。
[0109]
所考虑的安全裕度是不同的。
[0110]
第一电阻阈值s
r1
具有最小的安全裕度，而第二阈值s
r2
具有最大的安全裕度，这意味着可以写出：
[0111]
[math.2]
[0112]sr1
＞s
r3
＞s
r2
[0113]
然后可以设想四种情况，这取决于内阻是否包含在由这些阈值定义的四个间隔中的一个间隔或另一个间隔内。
[0114]
因此，如果内阻ri小于或等于这三个阈值，则重置该方法。这对应于内阻ri指示电化学电池单元20处于良好状态，并且在开关26闭合的情况下，该电池单元将具有熔断保险丝25所需的电力的情况。
[0115]
如果内阻ri在第二阈值s
r2
与第三阈值s
r3
之间(这意味着电化学电池单元20处于提前老化状态，但该电化学电池单元仍然能够熔断保险丝25)，则计算机12被编程为命令在显示屏17
′
上向驾驶员显示消息。然后该消息旨在警告驾驶员他的蓄电池11将在有限数量的充电循环内不可用。该消息可以例如显示以下事实：蓄电池11在五个充电循环之后将不再可用，并且相应地应该对该蓄电池进行更换或检修。
[0116]
如果内阻ri在第一阈值s
r1
与第三阈值s
r3
之间(这意味着电化学电池单元20处于高度提前老化状态，并且该电化学电池单元仍然将近能够熔断保险丝25)，则计算机12被编程为命令在显示屏17
′
上向驾驶员显示消息，警告驾驶员他的电池将在非常少的充电周期内不可用。计算机12还被编程为向控制元件17
″
发送信号，告诉该控制元件它应该仅允许少量的(例如，一个或两个)电池再充电循环，然后阻止对电池的任何再充电。
[0117]
最后，如果内阻ri大于第一阈值s
r1
(这意味着电化学电池单元20处于老化状态，该老化状态过于提前而无法确定该电化学电池单元是否仍然能够熔断保险丝25)，则计算机12被编程为命令在显示屏17
′
上向驾驶员显示消息，警告驾驶员他的电池无法再充电。计算机12还被编程为向控制元件17
″
发送信号，告诉该控制元件它应该阻止对电池进行任何新的再充电。
[0118]
本发明决不限于已经描述和示出的实施例，但是本领域技术人员将知道如何向该实施例添加根据本发明的任何变体。
[0119]
因此，该保护系统可以用于除了蓄电池的电化学电池单元之外的设备上。通过举例方式。