具有被构造用于给高压电网供应电能的电池组和用于测量电池组的至少一个绝缘电阻的测量装置的电池组系统

摘要

本发明涉及一种电池组系统(100)，所述电池组系统具有被构造用于给高压电网(70)供应电能的电池组(20)以及具有用于测量在电池组(20)和电池组(20)的外壳之间存在的至少一个绝缘电阻的测量装置(130)。在此，在测量装置(130)中布置两个测量路径(140，150)，所述测量路径分别被分配给电池组(20)的两个高压端子(21，22)中的一个高压端子(21，22)，所述测量路径分别具有包括第一电阻(142，152)和继电器(145，155)的串联电路，并且分别连接在所分配的高压端子(21，22)和具有外壳电位的点(25)之间。此外，每个串联电路包括半导体开关(147，157)。测量装置(130)也具有两种功能模式，其中测量路径(140，150)的继电器(145，155)在所述功能模式下闭合。在此，切换到两种功能模式的被动功能模式的测量装置(130)被构造用于分别使半导体开关(147，157)断开或者保持在断开状态。此外，切换到两种功能模式的主动功能模式的测量装置(130)被构造用于交替地闭合和断开半导体开关(147，157)，在每个测量路径(140，150)的半导体开关(147，157)闭合的情况下分别测量落在相应的测量路径(140，150)的第一电阻(142，152)上的第一电压，并且根据每个所测量的第一电压确定电池组(20)的相应的绝缘电阻。

说明书

技术领域

本发明涉及电池组系统，所述电池组系统具有被构造用于给高压电网供应电能的电池组以及具有用于测量电池组的至少一个绝缘电阻的测量装置，并且本发明涉及用于测量电池组的至少一个绝缘电阻的相应方法，其中所述电池组被构造用于给高压电网供应电能。本发明也涉及具有这种电池组系统的车辆。

背景技术

图1示出由现有技术已知的电池组系统10，所述电池组系统具有被构造为高压电池组或者牵引电池组的电池组20，并且具有用于测量电池组20的至少一个绝缘电阻的测量装置30，所述绝缘电阻存在于电池组20之内或者之外。电池组20包括多个串联的电池组电池。为了简化该图示，多个电池组电池没有配备附图标记。在此，第一绝缘电阻26是电池组20的以下绝缘电阻：该绝缘电阻存在于电池组20的正高压端子21与点25(其以下被称作外壳接地25)之间，其中所述点具有电池组20的外壳的电位。此外，第二绝缘电阻27是电池组20的以下绝缘电阻：该绝缘电阻存在于电池组20的负高压端子22与外壳接地25之间。以下将电池组20的正高压端子21称作电池组20的第一高压端子21。以下将电池组20的负高压端子22称作电池组20的第二高压端子21。此外，第三绝缘电阻28是电池组20的以下绝缘电阻：该绝缘电阻存在于连接点与外壳接地25之间，其中电池组20的至少两个电池组电池经由所述连接点相互连接。

布置在电池组系统10的电池组控制设备(未示出)中的测量装置30包括第一测量路径40和第二测量路径50，所述测量路径分别包括高欧姆电阻性(resistive)分压器41、51和继电器45、55，并且能够在两个高压端子21、22中的所分配的高压端子21、22与外壳接地25之间切换。在此，第一高压端子21被分配给第一测量路径40。第二高压端子22也被分配给第二测量路径50。每个分压器41、51均由第一电阻42、52和第二电阻43、53构造。在此，每个第一电阻42、52均与外壳接地25连接，并且每个第二电阻43、53均可以经由相应的继电器45、55与所分配的高压端子21、22连接。如果在电池组20与外壳之间存在绝缘故障，那么在测量路径40、50的继电器45、55交替地闭合时，可测量的通过电流(Stromfluss)流经分压器41、51中的至少一个，由此可测量的电压也落在所述至少一个分压器41、51的第一电阻42、52上。通过测量装置30的分析和控制单元60的测量输入端49、59测量落在每个分压器41、51的第一电阻42、52上的每个电压，其中所述测量输入端分别被分配给相应的测量路径40、50。分配给第一测量路径40的测量输入端49通过另一电阻46与第一测量路径40的分压器41的第一电阻42的未与外壳接地25连接的该端子连接。为了测量落在第二测量路径50的分压器51的第一电阻52上的电压，在测量装置30中存在运算放大器56，所述运算放大器在输入侧与第二测量路径50的分压器51的第一电阻52连接并且在输出侧与分析和控制单元60的分配给第二测量路径50的测量输入端59连接。因此，分析和控制单元60确定分别落在分压器41、51的第一电阻42、52上的电压。通过交替地切换测量路径40、50、确定落在每个第一电阻42、52上的电压并且在考虑已知的系统参量情况下，能够分别计算电池组20的绝缘电阻26、27、28。分析和控制单元60此外被构造用于控制继电器45、55，也就是说，使所述继电器断开和闭合。

图1中所示的电池组20被构造用于给高压电网70供应电能。为此，可以通过两个其它继电器71、72将电池组20连接到高压电网70上。可以通过两个其它继电器71、72直接将电池组20的第一高压端子21与高压电网70的第一高压电网端子73连接，并且直接将电池组20的第二高压端子22与高压电网70的第二高压电网端子74连接。在高压电网70的两个高压电网端子73、74之间存在两个电容器75、76(Y电容器)的串联电路，所述串联电路与中间电路电容器77并联，所述中间电路电容器构成中间电路。连接两个串联的电容器75、76所经由的连接点与外壳接地25连接。高压电网70此外包括逆变器78和电机79。逆变器78在输入侧与中间电路电容器77并联，并且被构造用于，将能够由电池组20提供的直流电压转换成三相交流电压并切在输出侧将该三相交流电压提供给电机79。

根据现有技术，必须在生产车间(Produktionswerk)中以及在电池组20的所有检修时在测量技术上证明在与高压电网70在电流上(galvanisch)分离的低压电网和电池组20之间或者在外壳接地25和电池组20之间的耐压强度。为此，在耐压强度测试(耐压强度检验)期间借助于切换到测试模式的电池组控制设备(未示出)在所定义的时间内在外壳接地25与电池组20的每个高压端子21、22之间施加测试电压。这里要使用的检验准则是所测量的电流值。在此，提供直流电压或者交流电压形式的测试电压。

为了通过耐压强度测试保护测量装置30的测量电子设备(Messelektronik)免受损害，以及避免通过在绝缘电阻测量时出现的每个测量电流的电流值超过预定义的电流极限值，必须相应高欧姆地构建测量路径40、50。由于预定义的电流极限值无法被选择得无穷小，所以在发生耐压强度测试的时间内并且在不发生绝缘电阻测量的时间内将每个测量路径40、50与电池组20在电流上分离并且因此也与高电压电网70在电流上分离，其方式是断开继电器45、55(机电式开关)。

按照现有技术，在每次测量绝缘电阻时，通过第一测量路径40的继电器45或者通过第二测量路径50的继电器55将测量装置30与电池组20连接。每个继电器45、55在其使用寿命期间都经历数万至数十万切换过程或切换周期(Schaltspiel)。在绝缘电阻测量时出现的低测量电流以及具有几百伏特电压值的高开关电压在所述继电器45、55的切换过程期间促进低能量的辉光放电。与继电器外壳的潜在释气的材料相结合，这可能导致在继电器45、55的开关触点上的不期望的碳化或者层构成。继电器45、55的与电流有关的开关触点接触电阻可能产生并且可能使测量失真。

从文献CN 101603986 A中已知一种高压绝缘电阻测量电路，其包括：具有多个继电器的高压开关单元以及电压测量单元，其中在存在测试模式的情况下通过闭合的继电器将高压信号提供给电压测量单元的不同组件。

发明内容

按照本发明，提供一种电池组系统，所述电池组系统具有被构造用于给高压电网供应电能的电池组和具有用于测量在电池组和电池组的外壳之间存在的至少一个绝缘电阻的测量装置。在此，在测量装置中布置两个测量路径，所述测量路径分别被分配给电池组的两个高压端子中的一个高压端子，所述测量路径分别具有包括第一电阻和继电器的串联电路，并且分别连接在所分配的高压端子和具有外壳电位的点之间。每个串联电路此外包括半导体开关。测量装置也具有两种功能模式，其中测量路径的继电器在所述功能模式下闭合。在此，切换到两种功能模式的被动功能模式的测量装置被构造用于，分别使半导体开关断开或者保持在断开状态。切换到两种功能模式的主动功能模式的测量装置被构造用于，使半导体开关交替地闭合和断开，在每个测量路径的半导体开关闭合的情况下分别测量落在相应测量路径的第一电阻上的第一电压，并且根据每个所测量的第一电压确定电池组的相应的绝缘电阻。

按照本发明，此外提供用于借助于测量装置测量至少一个绝缘电阻的方法，其中所述绝缘电阻存在于被构造用于给高压电网供应电能的电池组与该电池组的外壳之间。在此，在测量装置中布置两个分别分配给电池组的两个高压端子中的一个高压端子的测量路径，所述测量路径分别具有包括第一电阻和继电器的串联电路，并且分别连接在所分配的高压端子和具有外壳电位的点之间。每个串联电路此外包括半导体开关。测量装置也具有两种功能模式，继电器在所述功能模式下闭合。在此，将测量装置从两种功能模式的被动功能模式切换到两种功能模式的主动功能模式，其中在所述被动功能模式下分别使半导体开关断开或者保持在断开状态，在所述主动功能模式下交替地使半导体开关闭合和断开，在每个测量路径的半导体开关闭合的情况下分别测量落在相应测量路径的第一电阻上的第一电压，并且根据每个所测量的第一电压确定相应的绝缘电阻。

从属权利要求示出本发明的优选的改进方案。

在本发明中，在根据本发明的测量装置中布置的继电器在不由电池组给测量装置供应电能的状态下、也就是说在不进行绝缘测量的状态下闭合。也就是说，根据本发明的测量装置在正常情况下与电池组或者与借助电池组供电的高压电网持久地在电流上连接。为了能够继续可切换地实施测量装置的每个测量路径或者测量通道，在每个测量路径中将成本低的半导体开关与相应的继电器串联。

在测量路径中使用的半导体开关分别优选地仅仅满足以下这样的技术要求，即所述技术要求在传导或阻断在相应的绝缘电阻测量时产生的测量信号情况下是必要的。进一步优选地，半导体开关不针对以下这样的技术要求来设计，即所述技术要求在执行耐压强度测试时是必要的，在所述耐压强度测试时在电池组的高压端子中的每一个与外壳之间施加或者能够施加处于高压范围内的测试电压。

在本发明的一种优选实施方式中，根据本发明的电池组系统具有用于保护测量装置的保护装置。保护装置此外包括控制单元，该控制单元被构造用于识别电池组系统的电池组控制设备的以下测试模式的存在，在该测试模式下在两个高压端子中的至少一个高压端子与外壳之间和/或者在高压电网的两个高压电网端子中的至少一个高压电网端子与外壳之间分别至少暂时施加测试电压。测试电压优选地与具有预定义的变化曲线的高电压相同。测试电压进一步优选地具有从0V量值连续上升直至预定义的量值(Betragswert)的量(Betrag)，其中所述测试电压紧接在达到预定义的量值之后与具有预定义的变化曲线的高电压相同。控制单元另外被构造用于在测试模式开始时断开继电器，并且在测试模式结束之后闭合继电器。

每个高压端子优选地能够通过分配给该高压端子的其它继电器直接与两个高压电网端子中的分配给该高压端子的高压电网端子连接。

控制单元优选地是在电池组控制单元中布置的微控制器。

保护装置进一步优选地包括电压测量单元，该电压测量单元被构造用于分别测量在每个高压端子与外壳之间和/或者在每个高压电网端子与外壳之间所施加的第二电压，并且在存在每个第二电压的与预定义的极限值相同或者超过该极限值的量时，给控制单元提供控制信号。在此，控制单元被构造用于在存在每个控制信号时，识别测试模式的开始并且断开继电器。

在本发明中，根据本发明的测量装置在每次耐压强度测试期间均与电池组或者与要借助于电池组供应电能的高压电网在电流上分离，其中在所述耐压强度测试时施加临界的测试电压。为此，紧接在施加临界的测试电压之前进行根据本发明的测量装置与电池组或者与所提及的高压电网在电流上的分离。通过所述行动，显著降低以下技术要求，其中在测量装置中布置的继电器或者电磁开关在其使用寿命上必须满足所述技术要求。在此非常有利的是，取消对在测量装置中布置的继电器的在负载下要进行的循环式切换，以及也将所述继电器的纯机械的和在干负载(Trockenlast)下要进行的切换过程的次数降低到最小值。此外，消除在所提及的继电器的开关触点上不期望的层构成和辉光放电出现的风险。

在本发明的另一优选实施方式中，每个半导体开关布置在具有外壳电位的点与相应测量路径的继电器之间，和/或者被设计用于接通电压，该电压的量不超过另一预定义的极限值。每个第一电阻优选地直接与具有外壳电位的点连接。每个串联电路优选地包括第二电阻，该第二电阻尤其直接与以下高压端子连接，该高压端子分配给具有相应的串联电路的测量路径。

本发明的另一方面涉及具有根据本发明的电池组系统的车辆。

附图说明

以下参考所附附图详细描述本发明的实施例。也将相同的附图标记用于相同的组件。在附图中：

图1是从现有技术中已知的电池组系统，

图2是根据本发明的第一实施方式的电池组系统，以及

图3是根据本发明的第二实施方式的电池组系统。

具体实施方式

图2示出根据本发明的第一实施方式的电池组系统100。电池组系统100包括用于给高压电网70供应电能的电池组20。电池组20提供电池组电压VB。也可以通过两个其它继电器71、72将电池组20连接到高压电网70上。

图2中所示的电池组系统100与图1中所示的电池组系统10的区别在于在电池组系统100中布置的测量装置130的构造方式，其中所述测量装置用于测量在电池组20和电池组20的外壳之间存在的至少一个绝缘电阻(未示出)。根据第一实施方式的电池组系统100的电池组20、至少一个绝缘电阻和两个其它继电器71、72以及所属的高压电网70分别以与相应的并在图1中示出的组件相同的方式来构造。为了简化图示，在图2中未示出至少一个绝缘电阻，并且简化地绘制高压电网70，其方式是，未示出在高压电网70的两个高压电网端子73、74之间存在的两个电容器(Y电容器)的串联电路。

测量装置130包括第一测量路径140和第二测量路径150，这些测量路径分别接在点25(这里也称作外壳接地25)和电池组20的两个高压端子21、22中的一个所分配的高压端子21、22之间，其中所述点具有电池组20的外壳的电位。在此，电池组20的两个高压端子21、22中的第一高压端子21分配给第一测量路径140。电池组20的两个高压电网端子21、22中的第二高压端子22也分配给第二测量路径150。

每个测量路径140、150均具有相应的串联电路，该串联电路分别包括第一电阻142、152、第二电阻143、153、继电器145、155和半导体开关147、157。在此，每个测量路径140、150的第一电阻142直接与外壳接地25并且与相应的半导体开关147、157连接。此外，每个测量路径140、150的第二电阻143、153直接与电池组20的分配给该测量路径的高压端子21、22并且与相应测量路径140、150的继电器145、155连接。因此，每个测量路径140、150的半导体开关147、157布置在相应测量路径140、150的继电器145、155和第一电阻142、152之间。

测量装置130具有主动(aktiven)功能模式和被动(passiven)功能模式。测量路径140、150的继电器145、155在主动功能模式期间保持闭合，并且经由半导体开关147、157交替地切换测量路径140、150。可以单独地切换每个测量路径140、150，其方式是使要切换的测量路径140、150的半导体开关147、157闭合，并且使另一个测量路径150、140的半导体开关157、147断开或者保持在断开状态。在此，通过优选地布置在测量装置130中的分析单元160的测量输入端149、159测量落在每个所切换的测量路径140、150的第一电阻142、152上的每个第一电压，所述测量输入端分别被分配给相应的测量路径140、150。分析单元160借助每个所测量的第一电压确定电池组20的相应的绝缘电阻(未示出)。为了测量落在第二测量路径150的第一电阻152上的第一电压，在测量装置130中存在运算放大器158，该运算放大器在输入侧与第二测量路径150的第一电阻152的以下端子连接，该端子不与外壳接地25连接，并且在输出侧与分析单元160的分配给第二测量路径150的测量输入端159连接。半导体开关147、157分别被设计用于接通具有最大电压量VH的正电压或者负电压，也就是说，用于接通位于-VH和+VH之间的电压，并因此分别仅仅满足这样的技术要求，即所述技术要求在传导或阻断在相应的绝缘电阻测量时产生的测量信号的情况下是必要的。

在测量装置130的被动功能模式期间，测量路径140、150的继电器145、155继续保持闭合，并且通过半导体开关147、157将测量路径140、150与电池组20电气地去耦，其方式是分别使半导体开关147、157断开或者保持在断开状态，其中在被动功能模式下不进行绝缘电阻测量。

在本发明的第一实施方式中，测量装置130优选处于电池组系统100的电池组控制设备131中。

电池组系统100此外包括用于保护测量装置130的保护装置，该保护装置具有控制单元170，其中在本发明的第一实施方式中，该控制单元是电池组控制设备131的中央微控制器170，该微控制器也可以包括分析单元160。这里通过中央微控制器170直接控制测量路径140、150的机电式继电器145、155。

如果电池组控制设备131处于测试模式，在该测试模式下为了执行耐压强度测试而在电池组20的两个高压端子21、22中的至少一个高压端子21、22与外壳接地25之间施加处于高压范围中的正或者负测试电压±VT，则借助于微控制器170使测量路径140、150的继电器145、155断开。继电器145、155在整个测试时间上保持断开。因此，在测试模式或者整个测试时间期间，要保护的测量装置130与电池组20或者与高压电网70可靠地在电流上分离(galvanisch getrennt)。继电器145、155的断开的触点阻断(sperren)从外部施加的测试电压±VT。

微控制器170此外与车辆接口171连接，该车辆接口经由总线系统接口172与用于执行耐压强度测试的耐压强度测试设备173连接。

图3示出根据本发明的第二实施方式的电池组系统200。电池组系统200包括用于给高压电网70供应电能的电池组20。电池组20提供电池组电压VB。能够通过两个其它继电器71、72将电池组20连接到高压电网70上。可以通过两个其它继电器71、72直接将电池组20的第一高压端子21与高压电网70的第一高压电网端子73连接，并且直接将电池组20的第二高压端子22与高压电网70的第二高压电网端子74连接。此外，电池组系统200包括测量装置130，该测量装置被构造用于测量在电池组20和电池组20的外壳之间存在的至少一个绝缘电阻(未示出)。根据本发明的第二实施方式的电池组系统200的电池组20、至少一个绝缘电阻和其它继电器71、72和所属的高压电网70分别以与相应的并在图1中示出的组件相同的方式构造。此外，根据本发明的第二实施方式的电池组系统200的测量装置130以与根据本发明的第一实施方式的电池组系统100的测量装置130相同的方式构造。为了简化图示，在图3中未示出至少一个绝缘电阻，并且简化地绘制高压电网70，其方式是，未示出在高压电网70的两个高压电网端子73、74之间存在的两个电容器(Y电容器)的串联电路。出于同一原因，在图3中所示的测量装置130情况下，仅测量装置130的两个测量路径140、150和两个测量路径140、150的两个继电器145、155被配备附图标记。这里，两个测量路径140、150中的第一测量路径140也分配给电池组20的第一高压端子21。此外，这里，两个测量路径140、150中的第二测量路径150也分配给电池组20的第二高压端子22。

电池组系统200此外包括用于保护测量装置130的保护装置，该保护装置在本发明的第二实施方式中具有用于控制测量装置130的两个测量路径140、150的两个继电器145、155的监控电路230。一旦能够通过其它继电器71、72将至少一个第二电压施加在测量装置130上，也就是说，一旦能够通过其它继电器71、72分别将第二电压施加在电池组20的两个高压端子21、22的至少一个高压电网端子21、22与外壳接地25之间，就自动地通过监控电路230使测量路径140、150的两个继电器140、150断开，其中该第二电压处于测量装置130的所设置的测量范围之外并且因此具有升高到最大量值以上的量。为此，在耐压强度测试时通过其它继电器71、72在电池组20的两个高压端子21、22中的至少一个高压端子21、22和外壳接地25之间可施加的测试电压±VT1以通过斜坡函数限定的方式被改变，直至达到期望的高电压为止，使得即使在考虑两个测量路径140、150的两个继电器145、155的各自的延迟时间的情况下，也能够借助于监控电路230使测量装置130及时地与电池组20或者与高压电网70在电流上分离。监控电路230被构造用于检测测试电压±VT1，并且将该测试电压与预定义的阈值比较，其中所述测试电压能够在两个极性方向上被施加。

监控电路230包括电压测量单元231。电压测量单元231包括第一电压测量输入端(未示出)和分配给该第一电压测量输入端的第一电压测量电路240。电压测量单元231也包括第二电压测量输入端(未示出)和分配给该第二电压测量输入端的第二电压测量电路250。测量装置130的第一测量路径140和高压电网70的第一高压电网端子73分配给第一电压测量输入端和第一电压测量电路240。测量装置130的第二测量路径150和高压电网70的第二高压电网端子74也分配给第二电压测量输入端和第二电压测量电路250。

借助于每个电压测量电路240、250检测通过两个其它继电器71、72能够施加在所分配的测量路径140、150上的第二电压，也就是说施加在高压电网70的所分配的高压电网端子73、74和外壳接地25之间的第二电压。借助于电压测量单元231的分配给相应电压测量电路240、250的比较器245、255将如此检测的每个第二电压与预定义的阈值进行比较。每个电压测量电路240、250包括电阻性分压器241、251和运算放大器242、252，其中所述电阻性分压器具有两个电阻，所述电阻性分压器接在高压电网70的高压电网端子73、74和外壳接地25之间，所述高压电网端子被分配给相应的电压测量电路240、250。为了简化图示，两个电压测量电路240、250的两个分压器241、251的电阻没有配备附图标记。每个电压测量电路240、250的运算放大器242、252在输入侧与连接点连接，并且在输出侧与分配给相应的电压测量电路240、250的比较器245、255连接，其中在相应的电压测量电路240、250中布置的分压器241、251的两个电阻通过该连接点连接。电压测量单元231的两个比较器245、255在输入侧分别与在所分配的电压测量电路240、250中布置的运算放大器242、252连接，并且在输出侧通过电压测量单元231的或逻辑功能(ODER-Funktion)232与监控电路230的控制单元233连接。

如果电压测量单元231的两个比较器245、255中的一个探测到通过两个其它继电器71、72能够在测量装置140上施加的相应的第二电压的存在，其中该第二电压处于测量装置130的所设置的测量范围之外并且因此具有超过最大量值的量，则借助于控制单元233断开测量装置130的两个继电器145、155，并且因此将测量路径140、150与电池组20或者与高压电网70可靠地分离。继电器145、155借助于合适的锁存功能性保持断开，一直到电池组系统200的电池组控制设备的中央微控制器被通知(kommuniziert)：存在耐压强度测试的结束或者电池组控制设备的相应测试模式的结束，并且因此也被通知，在高压电网70的两个高压电网端子73、74中的至少一个高压电网端子73、74与外壳接地25之间不再施加测试电压±VT1。

除了上述书面公开内容之外，对此对于本发明的进一步公开，补充地参考图2和3中的图示。