[发明专利]具有更高可靠性的牵引电池

说明书

本案为申请日为2009年12月15日、申请号为200980156308.2、发明名称为“具有更高可靠性的牵引电池”的专利申请的分案申请。

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，尤其是牵引电池。

背景技术

现在看来，在将来会越来越多地使用混合动力车辆和电动车辆。在这些车辆概念中，对电池提出了与当前12V车载电网完全不同的要求。在本说明书中将用于混合动力车辆和电动车辆的电池称作牵引电池，因为其用于电驱动装置的馈给，在图2中示出了这种电池的电路原理图。为了实现混合动力车辆和电动车辆所要求的功率和能量数据，将单个电池单元串联地并且部分附加并联地连接。用于混合动力车辆的基于锂离子电池单元的牵引电池例如可以构造如下：

整个牵引电池：

·额定电压：360V

·容量：4Ah

·能量：1440Wh

单个电池单元(锂离子)

·额定电压：3.60V

·容量：4Ah

·能量：14.4Wh

电池由100个电池单元的串联电路组成。

在图3中示出了用于混合动力车辆和电动车辆的电路原理图。通过逆变器16向电动机1馈电。例如在制动过程中，也可以通过逆变器16将能量反馈到电池15中。逆变器16在其直流电压侧通常具有平滑电容器，以便缓存输入电压。

在图2中示出的牵引电池除电池单元外还具有其他功能组：

·电池的正极4上的充电与分离装置3

·电池的负极8上的分离装置7

·服务插接件9

这些功能组具有以下任务：

借助牵引电池的正极4和负极8上的分离装置中的两个分离开关，可以在两个极上关断电池单元。这也称作电池单元的两极关断。因此，在静止状态中或在安全临界情形中(例如在故障时)可以将电池与车辆的牵引车载电网分离并且在行驶状态中将电池接入到牵引车载电网中。

电池的正极上的充电装置具有以下任务：在接入牵引电池时限制牵引车载电网中的补偿电流。在这种接入过程中，首先闭合电池的负极8上的分离装置7中的分离开关和电池4的正极上的充电与分离装置3中的充电开关。首先打开电池4的正极4上的充电与分离装置3中的分离开关。因此，通过电池的正极4上的充电与分离装置3的充电电阻对逆变器16的平滑电容器进行充电。如果逆变器16中的平滑电容器上的电压几乎具有串联的电池单元的总电压，则电池的正极4上的充电与分离装置3中的分离开关闭合。通过这种处理方式可以如此限制牵引车载电网中的补偿电流，从而不会以不可靠大小的电流运行电池单元以及逆变器16中的平滑电容器。

出于安全的原因，在电池的维护工作时，必须拔出服务插接件9。这例如可以通过如下方式确保：仅当已经事先拔出服务插接件9时才可以打开电池壳体。由此可靠地单极地分离电池单元，即使由于功能故障没有断开以上所述的两个分离开关。

对于牵引电池对其可靠性提出了比现在常用的起动器电池明显更高的要求。背景是：例如在电动车辆中，牵引电池的失效会导致所谓的“抛锚”。在图2中示出的牵引电池很难实现所需的高可用性。其原因在于单个电池单元的失效导致整个牵引电池的失效。可以如下求得具有单个电池单元的串联电路的电池的失效率：

失效率_牵引电池＝1-(1-失效率_电池单元)^{电池单元数量}(1)

对于具有100个在所观察的时间间隔中具有100ppm/电池单元的失效率的电池单元的牵引电池：

失效率_牵引电池＝1-(1–100ppm)^{电池单元数量}＝9.95‰(2)

在所观察的时间间隔中电池单元的失效率很小的情况下(例如，失效_电池单元<1‰)，近似地如下计算失效率(二项级数幂序列展开在第一环节后断开)

失效率_牵引电池≈电池单元数量*失效率_电池单元(3)

因此，所观察的牵引电池的失效率接近于单个电池单元的失效率的100倍。对于整个电池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整个电池在一个确定的时间间隔上要求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