CN104051803B - 蓄电池单池单元及用于监控蓄电池单池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种具有蓄电池单池（21）和用于监控蓄电池单池（21）的功能状态的监控和控制单元（230）的蓄电池单池单元（221）。在蓄电池单池单元中设置有其中设置中形成全桥的两个半桥（240、250）的耦合单元，半桥分别包括与蓄电池单池（21）的正极（222）耦合的第一功率半导体（241、251）、与蓄电池单池（21）的负极（223）耦合的第二功率半导体（242、252）和中间连接端并且经由相应的中间连接端与蓄电池单池单元（221）的相应的另一个输出端输出端子（224、225）相连接。蓄电池单池单元（21）被设置为在正常运行下如此地运行半桥的功率半导体，从而使得蓄电池单池（21）的蓄电池单池电压可选地以正的或者负的方向施加至蓄电池单池单元（221）的输出端子（224、225）。
Description
技术领域
本实施例涉及具有蓄电池单池和用于监控所述蓄电池单池的功能状态的监控和控制单元的蓄电池单池单元。本发明还涉及一种用于借助于在所述蓄电池单池单元中设置的监控和控制单元来监控在蓄电池单池单元中设置的蓄电池单池的功能状态的方法。此外，本发明涉及一种蓄电池系统，其包括具有至少一个蓄电池组的蓄电池和蓄电池管理系统，在所述蓄电池组中设置有多个依据本发明的蓄电池单池单元。
背景技术
通常，将应用在混合动力和电动车辆中的蓄电池称为牵引用蓄电池，因为这些蓄电池用于电气驱动装置的供电。在图1中示出了具有一个这样的牵引用蓄电池20的蓄电池系统的原理电路图。蓄电池20包括多个蓄电池单池21。为了简化在图1中的图示仅仅两个蓄电池单池设有附图标记21。
蓄电池20由两个蓄电池单池串联电路22、23构成，它们分别包括多个串联连接的蓄电池单池21。这些蓄电池单池串联电路22、23或单池模块分别与蓄电池端子24、25和与充电用插头30的连接端连接。
正蓄电池端子24经由分离和充电装置40与蓄电池20可连接，该分离和充电装置包括分离开关41，其与由充电开关42和充电电阻43组成的串联电路并联连接。负蓄电池端子25经由分离装置50与蓄电池20是可连接的，该分离装置包括另一分离开关51。
此外图2示出了60，其中非常示意地示出锂离子蓄电池的不同的故障机制61及其后果62。该示出的故障机制61能够导致蓄电池单池的由不允许的温度升高63引起的热击穿（Thermal Runaway）64。在存在热击穿64的情况下能够基于气体65的排放——该排放能够例如在打开安全阀的情况下作为提高的蓄电池单池内压的结果存在——导致蓄电池单池的火灾66或者在极端情况下设置导致蓄电池单池21的破裂67。因此必须在蓄电池单池21在牵引用蓄电池中的应用的情况下以最大接近1的概率排除热击穿64的存在。
热击穿64能够在蓄电池单池的过充时作为在紧接着的充电过程期间的蓄电池单池的深度放电的结果或者在存在蓄电池单池的不允许的高充电和放电电流——它们能够例如对于外部短路90而产生——的情况下存在。此外热击穿64能够在存在蓄电池单池内部短路100的情况下存在，该短路能够例如作为在事故101期间的极大的机械力作用的结果或者作为蓄电池单池内部树状晶102的形成的结果产生，该树状晶能够例如在低温下存在过高充电电流的情况下产生。此外热击穿64也能够作为蓄电池单池内部短路的结果存在，该内部短路能够通过在制造时产生的蓄电池单池污染、尤其是通过在蓄电池单池中存在的金属异物颗粒103引起。而且热击穿64能够在存在蓄电池单池的不允许的发热——其例如能够作为车辆火灾的结果产生——的情况下或者在存在蓄电池单池120的过载的情况下存在。
在图3中示出了由现有技术已知的蓄电池系统10的原理电路图，该蓄电池系统包括具有多个蓄电池单池21的牵引用蓄电池20和蓄电池管理系统（BMS）。蓄电池管理系统11的电子装置具有分散架构，其中将由蓄电池单池21的监控电子装置（CSC电子装置）构成的监控和控制单元130设计为卫星，它们分别设定用于监控一个或多个蓄电池单池21的功能状态并且经由内部总线系统141与中央蓄电池控制装置（BCU）140通信。
蓄电池管理系统11的电子装置、尤其是蓄电池单池21的监控电子装置是需要的，以便保护临界的在图2中示出的状态的蓄电池单 池21，这能够导致热击穿。在蓄电池管理系统11的电子装置中运行高消耗，以便一方面保护蓄电池单池21免于由于外部原因例如由于在电子驱动装置的逆变器中的短路的过载，另一方面避免由于蓄电池管理系统的电子装置的故障、例如由于蓄电池单池电压通过监控和控制单元130的错误的检测危害蓄电池单池21。
如同在图1中示出的蓄电池系统中那样，在图3中示出的蓄电池系统中牵引用蓄电池经由分离和充电装置40与正蓄电池端子24是可连接的并且经由分离装置50与负蓄电池端子25是可连接的。在此为了表示相同或相似的构件对于在图1和3中示出的蓄电池系统分别使用相同的附图标记。
此外将中央的蓄电池控制装置140设计为控制分离和充电装置40的分离开关（继电器）41和充电开关（继电器）42。分离开关41和充电开关42借助于蓄电池控制装置140的控制在图中以箭头142表示。而且中央蓄电池控制装置140设计为控制分离装置50的另一分离开关（继电器）51。借助于蓄电池控制装置140分离开关51的控制以箭头143表示。
中央的蓄电池控制装置140经由高伏特导线144、145与各个其他的蓄电池端子24、25连接。此外中央的蓄电池控制装置140包括电流传感器150、160，它们被设置用于测量流经牵引用蓄电池20的电流。蓄电池控制装置140经由CAN总线146也与车辆接口（vehicle interface）通信。经由CAN总线能够给蓄电池控制装置140提供关于车辆的功能状态的信息。
在应用由现有技术已知的蓄电池系统的蓄电池管理系统11中因此力求如此提高蓄电池系统10的安全，使得不存在不合理的危险。在此按照标准ISO26262对蓄电池管理系统11的功能安全提出了高要求，因为如上已经阐明的电子装置的故障能够导致危险。此外对于锂离子蓄电池单池规定了安全测试。为了允许运输蓄电池单池，必须实施例如UN运输测试。测量结果必须按照EUCAR危险级别或危险等级（EUCAR hazard level）进行评估。蓄电池单池在此必须遵循预定 的最小安全等级。为了达到这一点，在设定用于牵引用蓄电池的蓄电池单池中采取多种附加措施。
如果不能够显著提高蓄电池单池21的安全，那么对于用于具有用于电动车和插拔式混合动力（Plug-in混合动力）的牵引用蓄电池20的蓄电池系统的蓄电池管理系统预测地建立按照危险等级ASIL C的分级。这样的附加措施由此采取，即将所谓的安全装置（Safety Devices）集成到蓄电池单池中。因此在蓄电池单池中典型地集成有在下文中说明的安全装置。
在蓄电池单池中集成过充安全装置（OSD）。这样的过充安全装置使得蓄电池单池在过充过程中不超过EUCAR危险等级4。蓄电池单池电压的允许范围在4.2V处结束。在过充过程中蓄电池单池自从一个大约5V的蓄电池单池电压形成如此高的内压，其向外弯曲过充安全装置的膜片并且将该蓄电池单池电地短路。作为其结果如此地将蓄电池单池放电，直至激活蓄电池单池内的安全装置。在蓄电池单池的两个极之间的蓄电池单池的短路通过过充安全装置维持。
此外将蓄电池单池安全装置（Cell Fuse）集成到蓄电池单池中。该在蓄电池单池中集成的熔断式安全装置是在蓄电池单池层面上非常有效的保护仪器，但是当蓄电池单池在蓄电池模块的串联电路中或在蓄电池系统中安装时引起极大的问题。在那里这些措施反而是不利的。
在蓄电池单池中也集成了穿刺安全装置（NDS）。该穿刺安全装置保护蓄电池单池，其方法是在将钉子或尖利物品刺入到蓄电池单池中时产生如此限定的短路路径，其不会导致在定子进入的区域中蓄电池单池的极度局部发热，该发热能够导致存在的分离器的局部熔化。
在蓄电池单池中也集成有功能安全层（SFL）。该功能安全层通过蓄电池单池的两个电极之一的陶瓷涂层、优选通过阳极的陶瓷涂层实现。借助于功能安全层能够在分离器熔化时阻止蓄电池单池的平面短路并继而阻止蓄电池单池的电能极端快速地转化为损耗热量。
在蓄电池单池中此外也集成有碰撞安全装置（Crush Safety Device）。碰撞安全装置具有与穿刺安全装置类似的功能方式。在蓄电池单池壳体的极度机械变形的情况下提供在蓄电池单池中限定的短路路径，该短路路径阻止蓄电池单池的极度的局部的发热并且由此提高蓄电池单池的安全。
在当前处于研发中的蓄电池单池中，尤其地用于电气安全的措施涉及极大的成本，这些措施例如保护免于过充或者确保过滤保护。这些措施再者在蓄电池单池安装到蓄电池模块或蓄电池系统中之后甚至反而是不利的而不是有意义的。例如能够在蓄电池单池的熔断式安全装置的激活时产生这样的情况，即存在的蓄电池管理系统（BMS）的电子装置经受非常高的负电压。由此在蓄电池系统层面上产生附加的成本，因为必须满足针对蓄电池单池层的运输规程，而不会由此涉及其他的利用。
发明内容
依据本发明提供了一种具有蓄电池单池和用于监控所述蓄电池单池的功能状态的监控和控制单元的蓄电池单池单元。其中，在所述蓄电池单池单元中设置有具有两个半桥的耦合单元，所述半桥分别包括与所述蓄电池单池的正极耦合的第一功率半导体、与所述蓄电池单池的负极耦合的第二功率半导体和中间连接端。所述半桥经由相应的中间连接端与所述蓄电池单池单元的相应的另一个输出端子相连接。此外，所述蓄电池单池单元被设置为在所述耦合单元的正常运行下借助于通过所述监控和控制单元的控制如此地运行，以接通半桥的所述第一功率半导体和所述另一个半桥的所述第二功率半导体并且断开所述半桥的所述分别另一个功率半导体，从而使得所述蓄电池单池的蓄电池单池电压可选地以正的或者负的方向施加至所述蓄电池单池单元的所述输出端子。
依据本发明还提供了一种用于借助于在蓄电池单池装置中设置的监控和控制单元来监控在所述蓄电池单池装置中设置的蓄电池单 池的方法。其中，所述蓄电池单池借助于在所述蓄电池单池单元中设置的耦合单元来驱动，所述耦合单元包括两个形成全桥的、由功率半导体组成的半桥。倘若通过所述监控和控制单元确定与所述蓄电池单池的正常运行有偏差的所述蓄电池单池的错误情形或者危险情形，则所述蓄电池单池借助于所述耦合单元的控制和/或与所述蓄电池单池的所述极耦合的用于快速放电所述蓄电池单池的放电电路设置于安全的状态。
依据本发明还提供了一种蓄电池系统，其包括具有至少一个蓄电池组，在所述至少一个蓄电池组中设置有多个依据本发明的蓄电池单池单元。此外，所述蓄电池系统包括蓄电池管理系统，其中，所述蓄电池管理系统被构造为与所述蓄电池单池单元的所述监控和控制单元通信。
从属权利要求示出了本发明优选的改进。
清楚地说，依据本发明提供一种蓄电池单池单元，其包括集成的监控和控制单元并且具有可换极的输出电压的蓄电池单池。尤其是基于在蓄电池单池单元中设置的具有四个功率半导体的耦合单元实现了通过功率半导体的有目的的控制提供一系列可调节的用于保护蓄电池单池的安全功能。安全功能能够基于通过监控和控制单元蓄电池单池的监控有目的地应用。在正常运行中能够关于在蓄电池模块的输出端子上提供的输出电压将蓄电池单池换极，从而依据本发明的蓄电池单池单元能够沿正方向或负方向输出蓄电池单池电压。
基于依据本发明的蓄电池单池的功能，即换极蓄电池单池电压，依据本发明的蓄电池单池尤其是适用在具有分步可调节的输出电压的三相蓄电池系统中，将这些三相蓄电池系统称为蓄电池直流逆变器，或者一般适用于在具有分步可调节的输出电压的多相蓄电池系统中。
优选地，依据本发明的监控和控制单元还被构造用于，为了调节蓄电池单池的正常运行，其中在蓄电池单池的输出端子上不存在电压，如此控制耦合单元的功率半导体，使得接通半桥的或者第一或者 第二功率半导体。换句话说，依据本发明的蓄电池单池也能够可选择地输出0V电压到其输出端子。优选地，在此断开其他两个功率半导体，也就是说例如在接通第一功率半导体的情况下断开两个第二功率半导体，以及与之相反地。
在本发明的一个优选实施形式中，依据本发明的监控和控制单元设计为，当存在其值超过上面的电压限制值的蓄电池单池电压或蓄电池单池电压时，和/或当存在其值低于下面的电压限制值的蓄电池单池电压或蓄电池单池电压时，如此控制耦合单元的功率半导体，以便调节蓄电池单池的功能状态，在所述功能状态下没有电流能够流经所述蓄电池单池，使得接通半桥的第一或第二功率半导体并且断开半桥的第二或第一功率半导体。
这具有的优点在于，监控和控制单元根据超过蓄电池单池电压或蓄电池单池电压的上限制值识别在正常运行下工作的蓄电池单池的有威胁的过充，并且随后能够有利地不再给蓄电池单池充电并且由此例如在蓄电池充电装置故障的情况下安全地保护蓄电池单池免于过充。
此外，监控和控制单元根据低于蓄电池单池电压或蓄电池单池电压的下面的限制值识别基于在正常运行下工作的蓄电池单池的有威胁的深度放电，其中将蓄电池单池转变为安全状态，在该状态下不再有电流流经蓄电池单池。可能通过整个包括依据本发明的蓄电池单池的蓄电池系统向外可输出的电流在依据本发明的蓄电池单池中流经仅仅存在的功率半导体或半导体开关。
在本发明的另一优选实施形式中，依据本发明的监控和控制单元设定用于，当存在其值超过预定或适合地选择的充电电流限制值的充电电流时，和/或当存在其值超过预定或适合地选择的放电电流限制值的放电电流时，如此控制所述耦合单元的所述功率半导体以便调节所述蓄电池单池的功能状态，在所述功能状态下不再有电流能够流经所述蓄电池单池，使得接通所述半桥的第一或第二功率半导体并且断开所述半桥的第二或第一功率半导体。
因此监控和控制单元基于在正常运行中工作的蓄电池单池识别到由于过高的放电电流的有威胁的过载，这些过高的放电电流例如能够作为由于在逆变器中的故障蓄电池的外部短路的结果存在。在此将蓄电池单池转变为安全状态，在该状态下没有电流流经蓄电池单池。因此保护蓄电池单池免于具有不允许高的放电电流的负载。
此外，所述监控和控制单元基于在正常运行中工作的蓄电池单池识别到由于过高的充电电流的有威胁的过载，其中随后将蓄电池单池转变为安全状态，在该状态下不再有电流流经蓄电池单池。因此保护蓄电池单池免于具有不允许高的充电电流的负载。这例如在存在非常低的温度的情况下是尤其有利的，其中各个蓄电池单池关于在阳极上可构成的锂涂层是尤其敏感的。
在本发明的一个尤其有利的实施形式中，依据本发明的监控和控制单元被构造用于，根据尤其是通过蓄电池管理系统通信的信息的分析识别危险情况的存在，在该危险情况下能够损坏蓄电池单池。此外，依据本发明的监控和控制单元能够被构造用于，当存在危险情况时如此控制耦合单元的两个半桥中的至少之一，使得接通一个半桥的第一或第二功率半导体并且使得相同半桥的第二或第一功率半导体在所谓的激活运行中作为可控制的电阻工作，从而将蓄电池单池放电。为此能够将另一半桥的第一和/或第二功率半导体断开。此外能够为了蓄电池单池的放电分别接通各个半桥的两个第一或第二功率半导体，与之相对地相应地两个半桥的第二或第一功率半导体在激活运行中工作。
换句话说，能够在一种情况下——其中依据本发明本质安全的蓄电池单池的监控和控制单元的电子装置通过蓄电池管理系统例如被告知关于此的相应信息，即关于其中安装有依据本发明的蓄电池系统的汽车具有事故的信息——经由两个半桥之一或者并联地经由两个半桥将蓄电池单池放电。在蓄电池单池经由两个半桥之一放电期间蓄电池单池没有通过其输出端子输出电压，然而即便如此缓慢地放电。尤其是作为可控的电阻运行的功率半导体在此包括其热连接和冷 却按照要求进行设计。
在依据本发明的电的本质安全的蓄电池单池单元中设置的蓄电池单元将与该蓄电池单元相关联的并且设置在所述蓄电池单池单元中的耦合单元和监控和控制单元结合地如此地安全地实施，使得相较于出自如今的现有技术已知的蓄电池系统的蓄电池管理系统，依据本发明的蓄电池系统现在基本上必须向蓄电池管理系统提出更少的要求。此外，能够省去多个至今典型地实施的然而并非目的导引的措施，例如为蓄电池单元布置集成的过度充电安全装置和/或集成的蓄电池单池安全装置。
在本发明的另一尤其有利的实施形式中，监控和控制单元设置用于，根据测量的单池温度或蓄电池单池温度的分析、尤其是当超过预定温度限制值的单池温度或蓄电池单池温度时和/或根据蓄电池单池电压或蓄电池单池电压的分析、尤其是当蓄电池单池电压或蓄电池单池电压的电压骤降时识别危险情况的存在。
在本发明的另一尤其优选的实施形式中，此外，蓄电池单池设有与所述蓄电池单池的极耦合的放电电路、尤其是具有由功率半导体和电阻组成的串联电路的放电电路。在此，能够将蓄电池单池单元设置用于，当存在危险情况时如此控制所述放电电路，使得能够实现蓄电池单池借助于放电电路的放电、尤其是蓄电池单池以一个流经放电电路的放电电流的放电，所述放电电流等于所述蓄电池单池的短路电流的预定的一部分。其优点在于，在此不会基于热损耗功率限制可实现的放电电流，该热损耗功率在作为可控制的电阻运行的功率半导体中产生或者功率半导体能够在持续运行中被强加。
因此，如果由蓄电池管理系统告知依据本发明的本质安全的蓄电池单池的监控和控制单元的电子装置设有依据本发明的蓄电池系统的车辆具有事故，那么能够通过放电电路——其在下文中也称为超快速放电电路（UFDD）——尽可能快地将蓄电池单池放电。为了支持放电电流，蓄电池单池也能够通过一个或两个半桥放电。
按照一个方面能够基于依据本发明危险情况的识别有利地尤其 是也可靠地识别测试过程——在该测试过程期间测试蓄电池单池——的实施或者其他对于蓄电池单池类似的情况。
如果依据本发明的蓄电池单池例如在UN运输测试的范围中经受穿刺测试（Nail Penetration Test）或碰撞测试（Crush Test），依据本发明的监控和控制单元的电子装置通过蓄电池单池电压或蓄电池单池电压的分析识别到通过电流将蓄电池单池放电，而不会运行该蓄电池单池。该过程的识别能够例如通过蓄电池单池电压或蓄电池单池电压的电压骤降实现。作为其结果立刻触发经由依据本发明的放电电路对该蓄电池单池的放电，并且随后基本上经由放电电路对该蓄电池单池放电。可选择地也能够在此如已经阐明的那样通过两个半桥实现蓄电池单池的放电的支持。
如果依据本发明的蓄电池单池经受强烈的发热，那么能够通过依据本发明的监控和控制单元的电子装置识别这一点。作为其结果立刻触发例如经由依据本发明的放电电路对该蓄电池单池的放电，并且经由放电电路及时将蓄电池单池放电。
总而言之，依据本发明的电的本质安全的蓄电池单池能够结合在蓄电池单池中设置的耦合单元以及监控和控制单元如此安全地设计，使得相比于由现有技术已知的蓄电池系统在依据本发明的蓄电池管理系统中必须对蓄电池管理系统提出更小的要求。除此之外能够不用考虑多种当今实施的然而非目的明显的措施，例如给蓄电池单池或蓄电池单池设有集成的过充安全装置和/或集成的蓄电池单池安全装置。
此外能够不用考虑或者至少非常简单地实现常规的措施，其用于在存在强机械力作用的情况下提高安全性，如给蓄电池单池设有集成的穿刺安全装置和/或设有集成的碰撞安全装置，因为在依据本发明的蓄电池单池侧的要求更小。在此实现了，强烈的机械力作用——如其例如在UN运输测试中仿真的那样——能够无危险地作用于蓄电池单池。这尤其是也涉及借助于穿刺测试以尖刺的物体对蓄电池单池的穿刺和/或借助于碰撞关于所有三个空间轴的蓄电池单池或各个蓄电 池单池的强烈变形。依据本发明的蓄电池单池能够借助于监控和控制单元自动保护自身免于不允许的运行状态，在此例如不应该分配到蓄电池管理系统的电子装置的安全功能上。
因此，通过依据本发明的电气的本质安全的蓄电池单池单元的一种基本组合是可用的，由这种基本组合能够构成尤其是在电动和混合动力车辆中的安全的蓄电池系统，其安全性尤其高于在由现有技术已知的蓄电池系统中的安全性。
附图说明
本发明将参照所附的附图详细地描述本发明的实施例。其中：
图1示出了由现有技术已知的具有牵引蓄电池的蓄电池系统的原理图；
图2示出了由现有技术一直的锂离子蓄电池的错误机制的图示，该错误机制能够引起该锂离子蓄电池单池的热击穿；
图3示出了由现有技术已知的具有由多个蓄电池单池构造的牵引蓄电池和蓄电池管理系统的蓄电池系统的原理图；
图4示出了根据本发明的第一实施形式的蓄电池单池单元的原理图；
图5示出了根据本发明的第二实施形式的蓄电池单池单元的原理图；以及
图6示出了具有三个蓄电池组的蓄电池直流逆变器的原理图，在该三个蓄电池组中分别串联连接多个依据本发明的蓄电池单池单元。
具体实施方式
在图4中示出了根据本发明的第一实施形式的蓄电池单池单元221的原理图。该蓄电池单池单元221根据本发明的第一实施形式包括蓄电池单池21和耦合单元，该耦合单元由具有第一和第二功率半 导体241、242的第一半桥（图4中右边的半桥）240和具有第一和第二功率半导体251、252的第二半桥（图4中左边的半桥）250来构造。两个半桥240、250共同形成具有四个功率半导体241、242、251、252的全桥。与该功率半导体241、242、251、252分别并联地连接有二极管260，其导通方向与相应的功率半导体的导通方向相反。为了简化图示，每个半桥仅设置有一个二极管以附图标记160来标记。
第一半桥240在与第一功率半导体（图4中右侧的半桥的上面的功率半导体开关）241相关联的第一连接端处该蓄电池单池21的正极222相连接并且在与第二功率半导体242（图4中右侧的半桥的下面的功率半导体开关）相关联的第二连接端处该蓄电池单池21的负极223相连接。第一半桥240还在中间连接端处与蓄电池单池单元221的输出连接端224相连接。
第二半桥250在与第一功率半导体（图4中左侧的半桥的上面的功率半导体开关）251相关联的第一连接端处该蓄电池单池21的正极222相连接并且在与第二功率半导体252（图4中左侧的半桥的下面的功率半导体开关）相关联的第二连接端处该蓄电池单池21的负极223相连接。第二半桥250还在中间连接端处与蓄电池单池电压225的输出连接端224相连接。
依据本发明的蓄电池单池单元221还包括与蓄电池单池21并联连接的监控和控制单元230，以监控蓄电池单池21的功能状态。监控和控制单元230依据本发明地设置有用于四个功率半导体241、242、251、252的集成的控制装置。
在图4中，也示出了用于具有多个依据本发明的蓄电池单池单元221的蓄电池管理系统211。该蓄电池管理系统211被构造为与监控和控制单元230通信或者交换信息。在蓄电池管理系统211和该监控和控制单元20之间的信息交换借助于双箭头215来同步。
具有带有换极的输出电压的蓄电池单池21的电本质安全的蓄电池单池单元221例如借助于在图4中示出的如下所说明的装置来实现。
功率半导体241、242、251、252能够借助于依据本发明的监控和控制单元230如此地加以控制，使得当在正常运行之下时蓄电池单池21应该以正的方向（+UBatteriezelle）来传送在输出端子224、225处的蓄电池单池电压，第一半桥240的第一功率半导体241以及第二半桥250的第二功率半导体252被接通并且另外两个功率半导体242、251被断开。
功率半导体241、242、251、252能够借助于依据本发明的监控和控制单元230还如此地加以控制，使得当在正常运行之下时该蓄电池单池21以负的方向（-UBatteriezelle）来传送在输出端子224、225处的蓄电池单池电压，第一半桥240的第二功率半导体242以及第二半桥250的第一功率半导体251被接通并且另外两个功率半导体241、252被断开。
功能半导体241、242、251、252能够借助于依据本发明的监控和控制单元230还如此地加以控制，使得当在蓄电池单池21的正常运行之下时可选地可调节蓄电池单池21的功能状态，在该功能状态之下该蓄电池单池不传送任何输出电压。在该状态之下或是两个半桥240、250的第一功率半导体241、251被接通且另外两个功率半导体242、252被断开或是两个半桥240、250的第二功率半导体242、252被接通且另外两个功率半导体241、252被断开。
如果该监控和控制单元230从蓄电池单池21的正常运行开始借助于蓄电池单池电压的上面的限制值的超过识别有威胁的过度充电，那么将借助于该监控和控制单元230或是接通两个半桥240、250的第一功率半导体241、251且断开另外两个功率半导体242、252或是替代地接通两个半桥240、250的第二功率半导体242、252且断开另外两个功率半导体241、242。蓄电池单池21然后不再继续充电并且能够由此例如在存在应用的蓄电池充电装置的错误功能时安全地保护免于过度充电。
如果该监控和控制单元230从蓄电池单池21的正常运行开始借助于低于蓄电池单池电压的下面的限制值识别有威胁的深度放电，那 么将借助于该监控和控制单元230或是接通两个半桥240、250的第一功率半导体241、251且断开另外两个功率半导体242、252或是替代地接通两个半桥240、250的第二功率半导体242、252且断开另外两个功率半导体241、242。可能经由整个蓄电池系统向外所传送的电流仅经由该蓄电池单池单元221的耦合单元的功率半导体（半导体开关）241、242、251、252流入在此视为依据本发明的蓄电池单池单元221的蓄电池单池21。
如果该监控和控制单元230从蓄电池单池21的正常运行开始通过过高的放电电流识别蓄电池单池21的有威胁的过载，例如能够由于在逆变器中的错误而作为结果存在的外部的短路，那么将借助于该监控和控制单元230或是接通两个半桥240、250的第一功率半导体241、251且断开另外两个功率半导体242、252或是替代地接通两个半桥240、250的第二功率半导体242、252且断开另外两个功率半导体241、242。然后，没有电流在流经实际的蓄电池单池21。蓄电池单池因此被保护免于具有不被允许的高的放电电流的负担。
如果该监控和控制单元230从蓄电池单池21的正常运行开始通过在极其低的温度时的过高的充电电流识别蓄电池单池21的有威胁的过载，在该温度时蓄电池单池21对于尤其是在阳极形成锂涂层方面特别敏感，那么将借助于该监控和控制单元230或是接通两个半桥240、250的第一功率半导体241、251且断开另外两个功率半导体242、252或是替代地接通两个半桥240、250的第二功率半导体242、252且断开另外两个功率半导体241、242。然后，没有电流在流经实际的蓄电池单池21。蓄电池单池因此被保护免于具有不被允许的高的充电电流的负担。
如果依据本发明的本质安全的蓄电池单池单元221的该监控和控制单元230例如在车辆中由蓄电池管理系统211来通知该车辆有事故，那么蓄电池单池21将经由两个半桥240、250中的一个半桥或者也经由两个半桥240、250并行地加以放电。例如，为此将借助于该监控和控制单元230接通两个半桥240、250中的一个半桥的第二功 率半导体242、252或者也接通两个半桥240、250的第二功率半导体242、252并且以所谓的主动的运行的方式将两个半桥240、250中的一个半桥的第一功率半导体241、251或者也将两个半桥240、250的第一功率半导体241、251驱动为可控的电阻。蓄电池单池21的放电也能够借助于两个半桥240、250的第一功率半导体241、251和第二功率半导体241、251的角色互换以相同的方式来实现。蓄电池单池单元221在其接线端或者输出端子224、225上不传送任何电压并且该蓄电池单池21尽管如此缓慢地放电。可实现的放电电流通过热损失功率来加以限制，该热损失功率能够在连续运行时被强加至作为可控的电阻来驱动的功率半导体241、251、242、252。因此，尤其是作为可控的电阻来驱动的功率半导体241、251、242、252包括其热连接和冷却在内将相应于其要求地加以解释。
在图5中示出了根据本发明的第二实施形式的蓄电池单池单元221的原理图。根据本发明的第二实施形式的该蓄电池单池单元221与在图4中示出的根据第一实施形式的蓄电池单池单元的区别在于，根据本发明的第二实施形式的蓄电池单池单元221附加地包括作为超快速放电装置（超快速放电设备：UFDD）的放电电路270。对于依据本发明的第一和第二实施形式的蓄电池单池单元的相同的构件的附图也使用了相同的附图标记。在此，放电电路270包括连接在正极222和负极223之间的、由功率半导体271和电阻22组成的串联电路并且在该蓄电池单池单元221中借助于流经该放电电路270的放电电流来放电该蓄电池单池21。
如果依据本发明的本质安全的蓄电池单池单元221的该监控和控制单元230由设置在具有多个这样的蓄电池单池单元221的蓄电池系统之中的蓄电池管理系统211来通知在其中设置有依据本发明的蓄电池系统的该车辆有事故，那么蓄电池单池21经由该放电电路270来快速放电。为了支持该放电电路270，蓄电池单池21同时也经由两个半桥240、250来放电。为了支持该放电电路，将借助于该监控和控制单元230来接通两个半桥240、250的两个第二功率半导体242、 252。蓄电池单池单元21然后在放电期间不传送任何电压至其接线端或者输出端子224、225。该放电电路270能够如此地设计，使得该蓄电池单池21能够以近乎短路电流的极其大的放电电流来放电。蓄电池单池21由此能够被非常快地带入安全的状态。由此能够在车辆层面控制如下情形，在该情形下蓄电池单池21机械上较大地变形或者通过尖的物体来刺入。
相似地，在附图4中所示出的实施形式中，支持性地借助于该监控和控制单元230也能够将该两个半桥240、250的第一功率半导体241、251作为可控的电阻驱动入主动的运行状态。
如果依据本发明的蓄电池单池单元221的蓄电池单池例如在UN传输测试的范围内经受穿刺测试或者冲击测试或者处于可比较的情形之下，然后该监控和控制单元230通过对蓄电池单池电压的分析识别该蓄电池单池21通过电流放电而不是被驱动。该过程的识别能够例如通过蓄电池单池21的电压骤降来实现。该监控和控制单元230此时立即触发经由依据本发明的放电电路270来放电该蓄电池单池21并且该蓄电池单池21然后实质上通过该放电电路270来放电。
如果依据本发明的蓄电池单池单元221的蓄电池单池暴露于较大的升温之下则能够由该监控和控制单元230来识别。因为用于蓄电池单池21的升温的时间常数通常非常大，所以能够经由依据本发明的放电电路270在蓄电池单池21的温度超过临界值之前实时地引入蓄电池单池21的放电。可选地，蓄电池单池21的房贷呢也能够经由两个半桥240、250来实现。为了支持放电电路270，将借助于该监控和控制单元230来接通尤其是两个半桥240、250的两个第二功率半导体242、252。由此该依据本发明的蓄电池单池单元的蓄电池单池21基本上相较于由如今的现有技术已知的蓄电池单池更安全。
在此所介绍的依据本发明的蓄电池单池单元221在激活通过在半桥240、250中的开关状态的改变而实现的安全措施时保持在输出端子224、225上施加的蓄电池单池电压，或者在激活超快速放电装置（UFDD）270时将该量总是保持在小雨例如4.2V的最大允许的蓄 电池单池电压。这同样示出了相较于如今的现有技术的显著的改善，因为否则例如在激活蓄电池单池内部的保险丝时将会存在非常高的负的电压，该电压在电动车辆蓄电池中能够达到直至-400V，这将会给蓄电池管理系统的电子装置带来大的问题。
在此所介绍的依据本发明的蓄电池单池单元221并不限于锂离子蓄电池单池。该蓄电池单池单元也能够包括其他蓄电池技术例如镍金属氢化物蓄电池单池。
在此所示出的依据本发明的本质安全的具有可换极的输出端子的蓄电池单池21的蓄电池单池221能够省去之前使用的过度充电安全装置（OSD）和蓄电池单池保险丝（单池保险丝）。为了提高安全性而在机械变形或者击穿时使用的措施例如具有集成的穿刺安全装置能够要么被省去或者至少基本上更简单地加以实施。在此所介绍的依据本发明的蓄电池单池单元221能够构建蓄电池系统，蓄电池管理系统211对于该蓄电池系统提出比由现有技术已知的蓄电池系统基本山更少的要求。该蓄电池管理系统211的电子装置能够因此明显地仅仅开发具有通常的质量安全措施（ASIL级别QM）并且不必满足ASILC级。该蓄电池系统的安全性能够相较于如今的现有技术明显地得以改善。在此所介绍的依据本发明的电的本质安全的蓄电池单池单元221的使用的一个示例为在图6中所示出的蓄电池直流逆变器210。
缘于在此所介绍的依据本发明的蓄电池单池单元221的功能性，即蓄电池单池电压在蓄电池单池21的接线端处得以换极，所以依据本发明的蓄电池单池单元221又使其适于在具有分步可调的输出电压的这样的蓄电池直流逆变器210中使用。
在图6中所示出的蓄电池直流逆变器210是具有分步可调的输出电压的三相的蓄电池系统。该蓄电池直流逆变器210包括三个蓄电池组280、290、300，它们分别具有由多个依据本发明的蓄电池单池单元221所组成的串联电路。蓄电池组20、290、300的该串联电路分别经由充电和分离装置40与正的蓄电池组极281、291、301相连接并且分别经由分离装置50与负的蓄电池组极282、292、302相连 接。
其中，依据本发明如此地控制该些蓄电池单池或者蓄电池模块，使得其运行参数位于相应的限制值之内，该限制值对于安全的运行是必须的。
所以，锂离子蓄电池单池典型地在一个电压范围内运行，Umin至Umax为2.8V至4.2V，或者优选地为3.0V至4.2V。这尤其是对于值Umin_safety或者Umax_safety的安全性重要是有效的。该数据然而也适用于待测量的电压UBatteriezelle处于空载，也就是说，当无电流流经该蓄电池单池时。其中必须无条件地注意该限制值，因为否则该电子装置将承受损坏。
蓄电池单池的空载电压基本上取决于其充电状态。其中，典型地，假设在电压UBatteriezelle为2.8V时充电状态SCO为0%，在为3.5V时充电状态为20%，在为4.2V时充电状态为100%，其中，该些值也分别与阴极、阳极和/或所使用的电解质的类型和材料有关。
当有电流流经蓄电池单池时，蓄电池单池电压UBatteriezelle与上面的数字数据有偏差。假设空载电压为3.5V并且蓄电池单池的内阻在25℃时为10mΩ。在充电电流为100A时，然后得出待测量的电压值UBatteriezelle为3.5V+1.0V=4.5V。然而，当温度为0℃时该蓄电池单池的内阻例如为50mΩ，这使得在例如放电电流为50A时得出电压值UBatteriezelle为3.5V减去2.5V=1.0V。由于所应用的控制和所应用的传感器，在环境温度时或在0℃时并不能达到该电压值。通常来说，在蓄电池单池的运行中该值的Umax的值能够位于4.2V至5.0V之间并且该值的Umin的值能够位于1.5V至4.2V之间，优选地在1.8V至4.15V之间，该值然而并不涉及空载电压。
上面的电压值适用于单个的蓄电池单池。对于蓄电池模块来说，将取决于有多少个单池串联或者并联连接。所以，所允许的模块空载电压U蓄电池模块位于n×2.8V至n×4.2V之间，其中，n代表相互间串联连接的蓄电池单池的数量。
用于锂离子蓄电池单池的温度的界限值例如位于Tmin=-40℃ 并且Tmax=30℃至50℃优选地为30℃至45℃最为优选地35℃至40℃。出于安全性方面，最大温度Tmax-safety应该不超过在46℃至80℃，优选地50℃至60℃。此外，最大外部温度Tauβen应该不超过40℃，在该温度时蓄电池单池运行。
通过蓄电池单池的蓄电池电流不应该在-1000A至+1000A，优选为-600A至+600A，更为优选地在-500A至+500A，再优选地在-450A至+450A，并且再优选地在-350A至+350A的范围之外。
蓄电池单池的内部压力应该不离开压力范围2巴至8巴之间优选地为在3巴至7巴之间。
上述的讨论示例性地用于锂离子蓄电池单池或者锂离子蓄电池模块，其中，所给出的值尤其是对于具有作为用于阴极的活性材料的氧化锂锰钴的锂离子蓄电池单池。然而，本发明并不限于这样的蓄电池单池，尤其是并不限于锂离子蓄电池单池。因此，在实践中，待选择的运行参数的数值取决于相应的蓄电池单池类型。
除了以上书面的公开之外，本发明的另外的公开在此将补充在图1至图6中所示出的图示。
Claims (15)
1.一种具有蓄电池单池(21)和用于监控所述蓄电池单池(21)的功能状态的监控和控制单元(230)的蓄电池单池单元(221)，其特征在于，在所述蓄电池单池单元(221)中设置有具有两个半桥(240、250)的耦合单元，所述两个半桥分别包括与所述蓄电池单池(21)的正极(222)耦合的第一功率半导体(241、251)、与所述蓄电池单池(21)的负极(223)耦合的第二功率半导体(242、252)和中间连接端，并且所述两个半桥经由相应的中间连接端与所述蓄电池单池单元(221)的相应的输出端子(224、225)相连接，其中，所述蓄电池单池单元(221)被设置为在所述耦合单元的正常运行下借助于通过所述监控和控制单元(230)的控制如此地运行，以接通一个半桥的所述第一功率半导体和另一个半桥的所述第二功率半导体并且断开所述两个半桥(240、250)的相应的另一个功率半导体，从而使得所述蓄电池单池(21)的蓄电池单池电压可选地以正的或者负的方向施加至所述蓄电池单池单元(221)的所述输出端子(224、225)。
2.根据权利要求1所述的蓄电池单池单元(221)，其中，所述蓄电池单池单元(221)还被设置为在所述正常运行下借助于通过所述监控和控制单元(230)的控制如此地控制所述耦合单元，以接通所述第一功率半导体(241、251)或所述第二功率半导体(242、252)，从而使得无蓄电池单池电压施加至所述蓄电池单池单元(221)的所述输出端子(224、225)。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池单元(221)，其中，所述监控和控制单元(230)被构造为监控所述蓄电池单池(21)的蓄电池单池电压和/或流经所述蓄电池单池的电流，并且在蓄电池单池电压的量超过上电压限制值时、和/或在蓄电池单池电压的量低于下电压限制值时、和/或在充电电流的量超过预先确定的充电电流限制值时、和/或在放电电流的量超过预先确定的放电电流限制值时，如此地控制用于调节所述蓄电池单池(21)的功能状态的所述耦合单元的所述功率半导体(241、242、251、252)，从而接通所述两个半桥(240、250)的所述第一功率半导体(241、251)并且断开所述两个半桥(240、250)的所述第二功率半导体(242、252)，或者接通所述两个半桥(240、250)的所述第二功率半导体(242、252)并且断开所述两个半桥(240、250)的所述第一功率半导体(241、251)，其中在该功能状态中无电流流经所述蓄电池单池(21)。
4.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池单元(221)，其中，所述监控和控制单元(230)被构造为借助于通过蓄电池管理系统通信的信息和/或对测量的所述蓄电池单池(21)的单元温度的分析和/或对所述蓄电池单池电压的分析来识别危险情形的存在，并且在存在所述危险情形时为了放电所述蓄电池单池(21)如此地控制所述耦合单元，使得在所述两个半桥(240、250)中的至少一个中接通相应的第一功率半导体(241、251)或者相应的第二功率半导体(242、252)并且将相应的另一个功率半导体驱动进入主动的运行作为可控的电阻。
5.根据权利要求4所述的蓄电池单池单元(221)，其中，所述监控和控制单元(230)被构造为在单元温度超过预先确定的温度限制值时和/或在所述蓄电池单池电压的电压骤降时识别所述危险情形的存在。
6.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池单元(221)，其中，所述蓄电池单池单元(221)包括与所述蓄电池单池(21)的所述正极(222)和所述负极(223)耦合的放电电路(270)，并且被构造为在存在危险情形时如此地控制所述放电电路(270)，以便所述蓄电池单池(21)的放电借助于所述放电电路(270)来实现。
7.根据权利要求6所述的蓄电池单池单元(221)，其中，以流经所述放电电路(270)的放电电流来放电所述蓄电池单池，其中所述放电电流等于所述蓄电池单池的短路电流中的预先确定的一部分。
8.根据权利要求6所述的蓄电池单池单元(221)，其中，所述放电电路(270)具有由功率半导体(271)和电阻(272)组成的串联电路。
9.一种用于借助于在蓄电池单池单元(221)中设置的监控和控制单元(230)来监控在所述蓄电池单池单元(221)中设置的蓄电池单池(21)的方法，其特征在于，所述蓄电池单池(21)借助于在所述蓄电池单池单元(221)中设置的耦合单元来驱动，所述耦合单元包括形成全桥的、由功率半导体(241、242、251、252)组成的两个半桥(240、250)，其中，倘若通过所述监控和控制单元(230)确定与所述蓄电池单池(21)的正常运行有偏差的所述蓄电池单池(21)的错误情形或者危险情形，则借助于对所述耦合单元的控制和/或与所述蓄电池单池(21)的极(222、223)耦合的用于快速放电所述蓄电池单池(21)的放电电路(270)将所述蓄电池单池设置于安全的状态。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，借助于所述监控和控制单元(230)来监控所述蓄电池单池(21)的蓄电池单池电压和/或流经所述蓄电池单池的电流，并且在蓄电池单池电压的量低于下电压限制值时、和/或在充电电流的量超过预先确定的充电电流限制值时、和/或在放电电流的量超过预先确定的放电电流限制值时，将所述耦合单元的所述功率半导体(241、242、251、252)设置于在其中无电流流经所述蓄电池单池(21)的开关状态之下。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，通过所述监控和控制单元(230)借助于通过所述蓄电池管理系统通信的信息和/或对测量的蓄电池单池(21)的单元温度的分析和/或对所述蓄电池单池电压的分析来确定危险情形的存在。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在单元温度超过预先确定的温度限制值时和/或所述蓄电池单池电压的电压骤降时确定危险情形的存在。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，在存在所述危险情形时为了放电所述蓄电池单池(21)，所述耦合单元如此地被控制，使得在所述两个半桥(240、250)中的至少一个中分别接通一个功率半导体并且将相应的另一个功率半导体驱动进入主动的运行作为可控的电阻。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，在存在所述危险情形时所述蓄电池单池(21)借助于所述放电电路(270)以流经所述放电电路(270)的放电电流来放电，所述放电电流等于所述蓄电池单池(21)的短路电流的预先确定的一部分。
15.一种蓄电池系统(210)，其包括具有至少一个蓄电池组(280、290、300)和蓄电池管理系统(211)的蓄电池，在所述至少一个蓄电池组中设置有多个依据权利要求1至8中任一项所述的蓄电池单池单元(221)，其中，所述蓄电池管理系统(211)被构造为与所述蓄电池单池单元(221)的所述监控和控制单元(230)通信。
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