[发明专利]具有更高可靠性的牵引用电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电池、尤其是牵引用电池。

背景技术

已经显现出，在将来不仅在静止应用中(例如，风电设备)而且在车辆中(例如，在混合动力车辆和电动车辆中)会越来越多地使用新的电池系统，对这些新的电池系统提出了非常高的要求或者可靠性。这些高要求的背景是：电池的失效可能导致整个系统的失效(例如，在电动车辆中牵引用电池的失效导致所谓的“抛锚”)或者甚至可能导致关乎安全的问题(在风电设备中例如使用电池，以便在强风时通过转子叶片调节以免设备出现不可靠的运行状态)。

在图9中示出了根据当前的现有技术的电池系统的电路原理图。为了通过电池系统实现所要求的功率数据和能量数据，将单个电池单元串联地并且部分附加并联地连接。除电池单元外，电池系统还具有所谓的充电与分离装置，其在图9中不失一般性地设置在电池的正极和电池单元之间。通过分离开关TS可以单极地接通或关断电池。作为可选的功能单元，在图9中还示出了另一分离装置，借助其可以在需要时通过第二分离开关双极地关断电池。在充电与分离装置中还存在所谓的充电开关，借助其可以将充电电阻连接到电池单元与外部连接的系统之间，以便限制在接入电池时的补偿电流。在这样的接入过程中，在充电与分离装置中在断开分离开关时首先闭合充电开关并且附加地(只要存在)闭合电池系统的负极上的可选的分离装置中的分离开关。然后，通过充电电阻对外部连接的系统的输入电容进行充电。如果电池系统的正极和负极之间的电压仅仅不明显地偏离电池单元的总电压，则通过闭合充电与分离装置中的分离开关来结束充电过程。然后，电池系统低欧姆地连接到外部的系统上并且可以以其专门的功率数据运行。通过所描述的处理方式可以将在外部系统与电池系统之间在电池系统接入过程中出现的补偿电流限制在允许的值上。

通过失效率或故障率表征电池系统的可靠性。失效率描述在所观察的时间间隔中平均预期的失效数量。

可以如下求得具有单电池单元的串联电路的电池的失效率：

失效率_{牵引用电池}＝1-(1-失效率_电池单元)^{电池单元数量}        (1)

因此，对于具有100个电池单元的串联电路以及在所观察的时间间隔中100ppm/电池单元的失效率的电动车辆的牵引用电池例如得出：

失效率_{牵引用电池}＝1-(1-100ppm)¹⁰⁰＝9.95‰                 (2)

在单个电池单元的失效率很小的情况下(例如，在所观察的时间间隔中失效率_电池单元＜1‰)，可以近似地如下计算失效率(二项式级数的幂级数展开式的在第一项后的舍项)

失效率_{牵引用电池}≈电池单元数量×失效率_电池单元            (3)

因此，所观察的牵引用电池的失效率接近于单个电池单元的失效率的100倍。对于电池系统的失效率所要求的值，必须使单个电池单元的失效率大约小100倍。如果对于具有100个串联的电池单元的电池系统在所观察的时间间隔上要求100ppm的失效率，则所述电池单元在所述时间间隔上必须具有1ppm的失效率。这是极其难以满足的要求。

发明内容

本发明的任务是相对于当前的现有技术提高电池系统的可靠性。在此电池模块的一个电池单元或多个电池单元的失效不应导致电池系统的完全失效。电池系统应可以以有限的有效功率可供使用。

相比之下，根据本发明的具有权利要求1的特征的电池具有以下优点：电池系统相对于当前的现有技术在内部扩展了额外的功能单元。在此涉及：

●分离装置和/或

●充电与分离装置和/或

●跨接装置

以下对这些进行详细描述。根据本发明，基于这些功能单元构造在一个或多个电池单元失效时可以跨接的电池模块。如果整个系统由多个这样的电池模块组成，则可以在相应的模块中一个或多个电池单元失效时根据电池系统的要求或实施方式跨接电池模块中的一个或多个。电池系统虽然具有在其端子上相对于常规运行受限的有效功率，但在电池系统的适当设计下可以避免系统的失效或者系统的安全临界状态。此外，识别电池单元或模块的失效，并且可以引入维修措施。由此提高电池系统的可靠性。

从属权利要求示出本发明的优选扩展构型。