CN104052095A - 蓄电池单池单元以及用于监控蓄电池单池的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蓄电池单池单元（221），其具有蓄电池单池（21）和用于监控该蓄电池单池（21）的功能状态的监控和控制单元（230），其中，该蓄电池单池（21）包括具有在半桥装置中连接的功率半导体（241、242）的耦合单元和与该蓄电池单池（21）的极（222、223）耦合的用于蓄电池单池（21）的快速放电的放电电路（270），该功率半导体用于在该蓄电池单池单元（221）的输出端子（224、225）上耦合该蓄电池单池（21）的极（222、223），该耦合单元和放电电路通过该监控和控制单元（230）是可控制的。

Description

蓄电池单池单元以及用于监控蓄电池单池的方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池单池单元，其具有蓄电池单池和用于监控蓄电池单池的功能状态的监控和控制单元。此外本发明涉及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监控在所述蓄电池单池装置中设置的蓄电池单池的方法。此外本发明涉及一种蓄电池系统，该蓄电池系统包括蓄电池和蓄电池管理系统，该蓄电池具有至少一个蓄电池组，在该蓄电池组中设置多个按照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10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是可连接的，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示出了图60，其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64。在出现热击穿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出现——导致蓄电池单池的起火66或者在极端情况下设置导致蓄电池单池的破裂67。因此必须在蓄电池单池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的出现。

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的短路90而产生——的情况下出现。此外热击穿64能够在存在蓄电池单池内部的短路100的情况下出现，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的树状晶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的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出现，该内部短路能够由在制造时产生的蓄电池单池污染、尤其是由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的过载的情况下出现。

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）11。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构造为卫星，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，这可以导致热击穿。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11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。

如同在图1中示出的蓄电池系统10中那样，在图3中示出的蓄电池系统10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构造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构造为控制分离装置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分别经由高伏特导线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过牵引用蓄电池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中因此力求如此地提高蓄电池系统10的安全，使得不出现不合理的危险。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。

假如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11的蓄电池管理系统11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从大约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。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

按照本发明提出一种蓄电池单池单元，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。在此，所述蓄电池单池包括具有在半桥装置中连接的功率半导体的耦合单元，所述功率半导体用于所述蓄电池单池的极与所述蓄电池单池单元的输出端子的耦合。此外蓄电池单池单元具有与所述蓄电池单池的极耦合的用于所述蓄电池单池的快速放电的放电电路。所述耦合单元和放电电路通过所述监控和控制单元是可控制的。

按照本发明也提出一种用于借助于在蓄电池单池装置中设有的监控和控制单元监控在所述蓄电池单池装置中设置的蓄电池单池的方法。借助于耦合单元驱动所述蓄电池单池，所述耦合单元包括在半桥装置中连接的功率半导体，所述功率半导体用于在所述蓄电池单池单元的输出端子上耦合所述蓄电池单池的极。如果在通过所述监控和控制单元该蓄电池单池的监控中确定所述蓄电池单池的故障情况或危险情况，那么借助于所述耦合单元和/或借助于与所述蓄电池单池的极耦合的放电电路使得所述蓄电池单池处于安全状态，所述放电电路设定用于所述蓄电池单池的快速放电。

此外本发明提出一种蓄电池系统，所述蓄电池系统包括蓄电池，所述蓄电池具有至少一个蓄电池组，在所述蓄电池组中设有多个按照本发明的蓄电池单池单元。在此该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构造为与所述蓄电池单池单元的监控和控制单元通信。

下文示出了本发明优选的改进。

本发明的优点在于，提供一种本质安全的蓄电池单池或本质安全的蓄电池单池单元，通过该蓄电池单池单元能够基于可控制的耦合电路不仅仅特别经济地运行蓄电池单池并且其中能够通过耦合电路的相应的控制阻止蓄电池单池的有威胁的损坏。除此之外提供了附加的安全功能，其方法是通过用于蓄电池单池的快速放电的集成的放电电路实现一种内部机制，通过该内部机制不依赖于在外部触点例如在蓄电池单池单元的输出端子上的形成的放电或充电电流取而代之地在内部在蓄电池单池单元内能够实施快速的或超快速的放电，尤其是在危险或紧急情况下。

按照本发明一个特别有利的实施形式，所述耦合单元能够具有由两个半桥组成的全桥，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并且经由相应的中间连接端与所述蓄电池单池单元的分别另一输出端子连接。

在此所述蓄电池单池单元设定为，在正常运行下借助于通过所述监控和控制单元的控制如此驱动所述耦合单元，使得可选择地在所述蓄电池单池单元的输出端子上沿正或负方向存在所述蓄电池单池的蓄电池单池电压或在所述蓄电池单池单元的输出端子上不存在蓄电池单池电压。

由此清楚地说蓄电池单池能够构造具有可换极的输出电压。更准确地说，蓄电池单池能够关于在蓄电池单池单元的输出端子上提供的输出电压被换极，从而在按照本发明的蓄电池单池单元中设置的蓄电池单池能够沿正或负方向输出蓄电池单池电压。

基于按照本发明的蓄电池单池单元的功能，即换极蓄电池单池电压，按照本发明的蓄电池单池单元尤其是适用在具有逐级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逐级可调节的输出电压的多相蓄电池系统中。

在本发明的一种优选实施形式中，所述按照本发明的监控和控制单元构造为，当存在其值超过第一电压阈值的蓄电池单池电压时，和/或当存在其值低于第二电压阈值的蓄电池单池电压时，使得所述耦合单元的所述功率半导体处于一种开关状态，在该开关状态下没有电流流过所述蓄电池单池。

这能够由此实现，即借助于半桥使得蓄电池单池处于安全状态，其方法是接通半桥的第一功率半导体，从而蓄电池单池单元的第一输出端子和第二输出端子导电连接，并且关断相同半桥的第二功率半导体。此外，在由两个形成一个全桥的半桥组成的耦合单元的应用中，能够分别接通两个与第一输出端子连接的功率半导体或两个与第二输出端子连接的功率半导体。

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的第一阈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的第二阈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过原来的蓄电池单池。可能通过整个包括按照本发明的蓄电池单池单元的蓄电池系统向外可输出的电流在按照本发明的蓄电池单池单元中流过仅仅在蓄电池单池单元中存在的功率半导体，也就是说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，将按照本发明的监控和控制单元也设定为，当存在其值超过预定或适合地选择的充电电流阈值的充电电流时，和/或当存在其值超过预定或适合地选择的放电电流阈值的（形成的外部的）放电电流时，使得该耦合单元的功率半导体处于一种开关状态，在该开关状态下没有电流流过所述蓄电池单池。

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出现。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过蓄电池单池。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过蓄电池单池。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，其中蓄电池单池关于在阳极上可构成的锂涂层（Lithium plating）是尤其敏感的。

换句话说，能够在一种情况下——其中按照本发明本质安全的蓄电池单池单元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，即关于其中安装有按照本发明的蓄电池系统的汽车具有事故的信息——经由一个或如果必要两个半桥亦即并联地经由两个半桥将蓄电池单池放电。在蓄电池单池经由半桥中之一放电期间蓄电池单池没有输出电压到蓄电池单池单元的输出端子并且即便如此有利地缓慢地放电。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构造。

此外按照本发明的另一非常有利的实施形式构造监控和控制单元，根据蓄电池单池的测量的单池温度的分析处理和/或所述蓄电池单池电压的分析处理识别危险情况的存在。在单池温度和/或蓄电池电压的分析处理中能够尤其是在超过预定温度阈值的单池温度和/或所述蓄电池单池电压的电压骤降的情况下识别危险情况。也能够根据尤其是通过蓄电池管理系统通信的信息识别危险情况。

按照本发明的一个有利改进，监控和控制单元还能够设定为，当存在危险情况时为了给蓄电池单池放电借助于两个半桥中至少之一如此控制耦合单元的功率半导体，使得接通半桥的第一或第二功率半导体，而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，并且优选地关断另一半桥的第一和第二功率半导体；或者接通两个半桥的第一或第二功率半导体并且两个半桥的第二或第一功率半导体在激活运行中工作。

根据本发明的一个优选实施形式，如果识别到危险情况，那么激活用于蓄电池单池的快速放电的放电电路。因此，如果由蓄电池管理系统告知按照本发明的本质安全的蓄电池单池单元的监控和控制单元的电子装置设有按照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。由此尤其是不基于热损耗功率限制可实现的放电电流，该热损耗功率例如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。然而，为了支持放电电路，能够在危险情况下同时将蓄电池单池经由耦合单元放电，其中在半桥之一中接通功率半导体而另一功率半导体在激活的运行中作为可控制的电阻运行。

所述放电电路能够包括串联电路，所述串联电路具有电阻（272）和功率半导体。在此放电电路能够尤其包括晶闸管。

此外放电电路能够包括具有再生开关和再生电阻的再生电路。

在按照本发明的电气本质安全的蓄电池单池单元中设置的蓄电池单池结合配属给该蓄电池单池并且在蓄电池单池单元中设置的耦合单元和监控和控制单元如此安全地构造，使得相比于用于由现有技术已知的蓄电池系统的蓄电池管理系统在按照本发明的蓄电池系统中从现在起必须对蓄电池管理系统提出更少的要求。除此之外，能够不用考虑多种至今典型地实施的然而非目的明显的措施，例如给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。

按照一个方面能够基于按照本发明危险情况的识别有利地尤其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。

如果按照本发明的蓄电池单池单元的蓄电池单池例如在UN运输测试的范围中经受穿刺测试或碰撞测试，按照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的分析处理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的电压骤降实现。作为其结果立刻触发经由按照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。

如果按照本发明的蓄电池单池单元的蓄电池单池经受强烈的发热，那么能够通过按照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按照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，在按照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池接合配属给该蓄电池单池的并且在蓄电池单池单元中设置的耦合单元、放电电路（超快速放电电路）以及监控和控制单元如此安全地构造，使得相比于对用于由现有技术已知的蓄电池系统的蓄电池管理系统能够对具有多个这样的按照本发明的蓄电池单池单元的按照本发明的蓄电池系统的蓄电池管理系统提出更小的要求。除此之外能够不用考虑当今实施的非目的明显的措施，例如给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。

而且在蓄电池单池中实施的用于提高安全性的措施在存在强机械力作用的情况下、如给申请者的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的情况下能够不用考虑或者至少非常简单地实现，因为在按照本发明的蓄电池单池单元中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——在此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的强烈变形。在按照本发明的蓄电池单池单元中设置的蓄电池单池能够借助于按照本发明的蓄电池单池单元的为蓄电池单池配属的电子装置保护自身免于不允许的运行状态，在此不应该分配到蓄电池管理系统的电子装置的安全功能上。

通过按照本发明的电的本质安全的蓄电池单池单元因此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

下面参照所附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用蓄电池的原理电路图；

图2示出了一个示意图，其示出了一个由现有技术已知的锂离子蓄电池的故障机制，该故障机制能够导致该锂离子蓄电池的热击穿；

图3示出了由现有技术已知的蓄电池系统的原理电路图，该蓄电池系统包括由多个蓄电池单池构成的牵引用蓄电池和蓄电池管理系统；

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电路图；

图5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电路图，连同按照本发明的超快速的放电电路的细节视图；

图6示出了按照本发明的超快速的放电电路的示例性的备选的实施形式；

图7示出了按照本发明的超快速的放电电路的又一实施形式；

图8示出了一个方框电路图，其示出了蓄电池的结构，该蓄电池的蓄电池单池以按照本发明的蓄电池单池单元的形式设置；

图9示出了按照本发明的第二实施形式的蓄电池单池单元的原理电路图；

图10示出了具有三个蓄电池组的蓄电池直流逆变器的原理电路图，其中多个按照本发明的蓄电池单池单元分别串联连接。

具体实施方式

在以下详细的描述中相同的附图标记用于相同或相似的元件。

在图4中示出了按照本发明的第一实施形式的蓄电池单池单元221的原理电路图。按照本发明的第一实施形式的蓄电池单池单元221包括蓄电池单池21和耦合单元，该耦合单元由一个具有第一和第二功率半导体241、242的240构成。并联于功率半导体241、242分别连接二极管260，该二极管的导通方向相反于相应的功率半导体241、242的导通方向走向。

半桥240在一个配属给第一功率半导体241（图4的半桥的第一功率半导体开关）的第一连接端上与蓄电池单池21的正极222连接并且在一个配属给第二功率半导体242（图4的半桥的第二功率半导体开关）的第二连接端上与蓄电池单池21的负极223连接。半桥240此外在一个中间连接端上与蓄电池单池单元221的第一输出端子224连接。

按照本发明的蓄电池单池单元221此外包括一个与蓄电池单池21并联连接的监控和控制单元230以用于监控蓄电池单池21的功能状态。监控和控制单元230按照本发明设立具有用于功率半导体241、242的集成的控制。

在图4中示出了用于具有多个按照本发明的蓄电池单池单元221的蓄电池系统的蓄电池管理系统211。蓄电池管理系统211构造为，与监控和控制单元230通信或交换信息。在蓄电池管理系统211与监控和控制单元230之间的信息交换借助于双箭头215表示。

此外，功率半导体241、242、251、252能够借助于按照本发明的监控和控制单元230被如此地控制，使得在蓄电池单池21的正常运行下可选择地蓄电池单池21的功能状态也是可调节的，其中蓄电池单池21不发出输出电压。在该状态下或者接通两个半桥240、250的第一功率半导体241、251而关断其他两个功率半导体242、252，或者接通两个半桥240、250的两个功率半导体242、252而关断其他两个功率半导体241、251。

如果监控和控制单元230基于蓄电池单池21的正常运行识别到根据超过蓄电池单池电压的第一阈值的蓄电池单池21的有威胁的过充，那么关断半桥（240）的第一功率半导体241而接通第二功率半导体242。因为蓄电池单池电压位于在范围Umin_zelle和Umax_zelle的范围内，第一功率半导体241的二极管260也在有威胁的过充的情况下，例如在蓄电池或蓄电池单池21充电时故障的情况下截止。由此能够安全地阻止蓄电池单池21的继续充电。

如果监控和控制单元230基于蓄电池单池21的正常运行识别到根据低于蓄电池单池电压的第二阈值的蓄电池单池21的有威胁的深度放电，那么关断半桥240的第一功率半导体241而接通第二功率半导体242。随后不再有电流流过原来的蓄电池单池21。可能经由其中设有按照本发明的蓄电池单池单元221的整个蓄电池系统向外输出的电流在在此考虑的按照本发明的蓄电池单池单元221的蓄电池单池21中流过仅仅蓄电池单池单元221的耦合单元的功率半导体（半导体开关）241。

如果监控和控制单元230基于蓄电池单池21的正常运行识别到由于过高的放电电流的蓄电池单池21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出现，那么关断半桥240的第一功率半导体241而接通第二功率半导体242。随后不再有电流流过原来的蓄电池单池21。因此保护蓄电池单池21免于具有不允许的高的放电电流的负载。

如果监控和控制单元230基于蓄电池单池21的正常运行识别到由于过高的充电电流例如在非常低的温度下蓄电池单池21的有威胁的过载，其中蓄电池单池21关于尤其是在阳极上可构成的锂涂层是尤其敏感的，那么借助于监控和控制单元230关断半桥240的第一功率半导体241而接通第一功率半导体242。随后不再有电流流过原来的蓄电池单池21。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。

如果按照本发明的本质安全的蓄电池单池单元221的监控和控制单元230例如在车辆中由蓄电池管理系统211告知该车辆具有事故，那么蓄电池单池21经由两个半桥240，蓄电池单池21能够经由半桥240放电。为此接通第二功率半导体242，而在所谓的激活运行中作为可控制的电阻运行第一功率半导体241。那么蓄电池单池21没有输出电压到其输出端子224、225上并且即便如此缓慢地放电。可实现的放电电流通过热损耗功率限制，该热损耗功率能够在持续运行中强加给作为可控制的电阻运行的功率半导体241。尤其是作为可控制的电阻运行的功率半导体241包括其热连接并且冷却因此按照要求进行构造。

根据本发明的第一实施形式的蓄电池单池单元221还包括作为超快速放电电路（UFDD）的放电电路270。放电电路270设置在蓄电池单池单元221中以用于借助于流过放电电路270的放电电流将蓄电池单池21放电。如果按照本发明的本质安全的蓄电池单池单元221的监控和控制单元230由蓄电池管理系统211告知设有按照本发明的蓄电池系统的车辆具有事故，该蓄电池管理系统设置在具有多个这样的蓄电池单池单元221的蓄电池系统中，那么通过放电电路270将蓄电池单池21快速放电。为了支持放电电路270同时也能够通过半桥240将蓄电池单池21放电。为了支持放电电路270，借助于监控和控制单元230接通半桥240的两个功率半导体242。随后，蓄电池单池单元21在其接线端或输出端子224、225上在放电期间没有输出电压。放电电路270能够如此构造，使得能够以接近短路的非常大的放电电流将蓄电池单池21放电。因此，非常快速地使得蓄电池单池21处于安全状态。因此能够在车辆层面上存在这样的情况，其中蓄电池单池21在机械上强烈地变形或者通过尖刺的物体刺透。在此能够支持地借助于监控和控制单元230也在激活的运行下作为可控制的电阻运行第一功率半导体241。

在图5中示出了根据本发明第二实施形式的按照本发明的蓄电池单池单元221。相比于尤其是放电电路（UFDD）的在图1中示出的一般的图示在图2中更详细地示出放电电路，并且该放电电路在此包括一个在正极222与负极223之间连接的由功率半导体271和电阻272组成的串联电路。

但是本发明不限于（超快速的）放电电路270的确定的实施形式。因此在图6和7中示出了超快速的放电电路（UFDD）270的另外的示例性的实施形式。放电电路270是重要的功能单元之一，以便获得本质安全的蓄电池单池21，并且由此应该通过放电快速地使得蓄电池单池21处于安全的状态。在图6中示出了放电电路270的实现，该放电电路基于（短路）晶闸管273的应用。晶闸管的突出之处在于特别的鲁棒性和电流承载能力并且因此是对于在此的本应用情况适合的半导体元件。如在图6中示出的那样，超快速放电电路270的在那里的实现包括欧姆电阻272和短路晶闸管273的串联电路。欧姆电阻272能够在此或者通过导线电阻和短路电路的接触电阻274、275或者通过专用的元件实现。欧姆电阻272连同蓄电池单池的内阻限制在蓄电池单池21的快速放电中的短路电流。

对于功率开关271（半导体开关）以特别的方式适合的是短路晶闸管273，因为该短路晶闸管具有特别高的电流承载能力。可能与晶闸管273的应用相关联的缺点特别是关于接通和关断特性在本应用中不导致承载。

在图7中示出超快速放电电路270的另一实施形式，其基于再生器或再生电路。该再生器能够基于可接通和可断开的电子半导体阀276和再生电阻272构成，其中半导体阀276由按照本发明的监控和控制单元控制。再生电阻272的欧姆电阻连同蓄电池单池21的内阻限制在蓄电池单池21的快速放电时的最大放电电流。对于可接通和可断开的电子半导体阀276以特别的方式适合的是MOSFET，因为该MOSFET基于对截止电压的小的要求能够以非常小的接通电阻实现。由蓄电池单池21的能量消耗能够通过再生电路控制。因此能够例如在放电的开始以持续接通的再生器快速地从蓄电池单池21吸取能量。当再生电阻272和再生开关276发热时随后能够转换为脉冲的运行或块运行。此外在图7中还示出了并联连接的反向二极管277、278。

总而言之，在图5至7中示出的超快速放电电路270用于实现本质安全的蓄电池单池21，能够实现具有以下特征的蓄电池单池：蓄电池单池21是电的本质安全的。借助于在图4中示出的半桥电路能够保护蓄电池单池21免于由于过高的充电和放电电流的过载、深度放电和过载。用于电的安全的阈值能够在此动态地例如根据蓄电池单池的温度匹配。蓄电池单池21此外也在强烈机械力作用下是本质安全的，如该机械力例如能够在事故时出现。为此在识别到危急状态时通过放电电路270尽可能快地将蓄电池单池21放电。

蓄电池单池21在强烈发热时是本质安全的。为此在识别到危急状态时通过放电电路270尽可能快地将蓄电池单池放电。放电电路270的构造能够如此实现，使得放电电流不超过对于蓄电池单池21最大允许的、最大短路电流。在按照现有技术应用的集成到单池中的安全装置中，出现的短路电流路径依赖于特定的比例。因此蓄电池单池21的特性能够被不准确地预测并且也是不可重现的。通过在此提出的放电电路能够避免该缺点。在此能够准确地通过半桥预定在蓄电池单池21的接线端上的电压。如果在激活放电电路270时也自动地接通半桥240的第二功率半导体242，那么本质安全的蓄电池单池单元21在其输出端子224、225上具有电压0V，而快速放电通过放电电路270实现。

在图8中示出了具有根据本发明的第一实施形式的按照本发明的蓄电池单池221的蓄电池的结构。如图8清晰可见，在那里示出的蓄电池的每个蓄电池单池单元221具有蓄电池单池21以及放电电路270和具有半桥240的耦合单元。出于图示的简化省去了在每个蓄电池单池单元221中设置的监控和控制单元230的明确的表示。

在图9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的原理电路图。与根据图4的第一实施形式的不同之处在于，按照第二实施形式的蓄电池单池单元221具有两个半桥240、250。更准确地说，根据本发明的第二实施形式的蓄电池单池单元221包括蓄电池单池21和耦合单元，其由具有第一和第二功率半导体241、242的第一半桥（图9中的右半桥）和具有第一和第二功率半导体251、252的第二半桥（图9中的左半桥）构成。两个半桥240、250共同地形成一个具有四个功率半导体241、242、251、252的全桥。并联于功率半导体241、242、251、252分别连接一个二极管260，其导通方向相反于相应的功率半导体的导通方向走向。为了简化图示每个半桥240、250的仅仅一个二极管设有附图标记160。

第一半桥240在一个配属给第一功率半导体（图9中的右半桥的第一功率半导体开关）241的第一连接端上与蓄电池单池21的正极222连接，而在一个配属给第二功率半导体（图9中的右半桥的第二功率半导体开关）242的第二连接端上与蓄电池单池21的负极223连接。该第一半桥240此外在一个中间连接端上与蓄电池单池单元221的第一输出端子224连接。

第二半桥250在一个配属给第一功率半导体（图9中的左半桥的第一功率半导体开关）251的第一连接端上与蓄电池单池21的正极222连接，而在一个配属给第二功率半导体（图9中的左半桥的第二功率半导体开关）252的第二连接端上与蓄电池单池21的负极223连接。该第二半桥250此外在一个中间连接端上与蓄电池单池单元221的第二输出端子225连接。

根据图9的全桥的安全功能类似于根据图4的半桥。基于全桥装置然而能够借助于按照本发明的监控和控制单元230如此控制功率半导体241、242、251、252，使得如果在正常运行下蓄电池单池21应该沿正方向（+U_{Batteriezelle}）输出蓄电池单池电压到输出端子224、225，那么接通第一半桥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并且关断其他两个功率半导体242、251。

此外能够借助于按照本发明的监控和控制单元230如此控制功率半导体241、242、251、252，使得如果在正常运行下蓄电池单池21应该沿负方向（-U_{Batteriezelle}）输出蓄电池单池电压到输出端子224、225，那么接通第一半桥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并且关断其他两个功率半导体241、252。

此外还能够借助于按照本发明的监控和控制单元230如此地控制功率半导体241、242、251、252，使得在蓄电池单池21的正常运行下可选择地蓄电池单池21的功能状态也是可调节的，在该功能状态下蓄电池单池21不发出输出电压。在该状态下，或者接通两个半桥240、250的第一功率半导体241、251并且关断其他两个功率半导体242、252，或者接通两个半桥240、250的第二功率半导体242、252并且关断其他两个功率半导体241、252。

如果监控和控制单元230基于蓄电池单池21的正常运行根据超过第一电压阈值或其值低于第二电压阈值的蓄电池单池电压和/或其值超过预定的充电电流阈值的充电电流和/或其值超过预定的放电电流阈值的放电电流识别到蓄电池单池21的有威胁的过充，那么能够使得耦合单元的功率半导体（241、242、251、252）处于一种开关状态，在该开关状态下没有电流流过蓄电池单池。这能够由此实现，其方法是，或者接通两个半桥240、250的第一功率半导体241、251并且关断其他两个功率半导体242、252，或者替换地接通两个半桥240、250的第二功率半导体242、252并且关断其他两个功率半导体241、242。

类似地能够在本发明的第二实施形式中，如果按照本发明的本质安全的蓄电池单池单元221的监控和控制单元230例如在车辆中由蓄电池管理系统211告知该车辆具有事故，那么通过两个半桥240、250中之一也或通过两个半桥240、250并行地将蓄电池单池21放电，其中优选地然而为了放电应用超快速放电电路270。

如果按照本发明的蓄电池单池单元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）或者位于在相似的情况中，那么监控和控制单元230通过蓄电池单池电压的分析处理识别到，通过电流将蓄电池单池21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21的电压骤降实现。监控和控制单元230在此立刻触发通过按照本发明的放电电路270将蓄电池单池21放电，并且随后基本上经由放电电路270对该蓄电池单池21放电。

如果按照本发明的蓄电池单池单元221的蓄电池单池21经受强烈的发热，那么能够由监控和控制单元230识别这一点。因为用于蓄电池单池21的发热的时间常数一般非常大，所以能够在蓄电池单池21的温度超过临界值之前通过按照本发明的放电电路270及时引起蓄电池单池21的放电。可选择地也能够通过两个半桥240、250实现蓄电池单池21的放电。为了支持放电电路270，借助于监控和控制单元230尤其是接通两个半桥240、250的两个第二功率半导体242、252。由此按照本发明的蓄电池单池单元的蓄电池单池21相对于由现有技术已知的蓄电池单池大大地更加安全。

在此提出的按照本发明的蓄电池单池单元221中位于在输出端子224、225上的蓄电池单池电压在激活安全措施时或者在激活超快速的放电电路（UFDD）270时保持根据总是小于例如4.2V的最大允许的蓄电池单池电压的数值，这些安全措施通过在半桥240、250中的开关状态的变化发生。这同样是相对于现有技术的极大的改善，因为否则例如在激活蓄电池单池内部的熔化安全装置时能够出现非常高的负电压，其在电动车辆蓄电池中能够为-400V，该负电压对于蓄电池管理系统的电子装置引起大的问题。

在此提出的按照本发明的蓄电池单池单元221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单池技术，例如用于镍金属混合动力蓄电池单池。

在这里示出的按照本发明的本质安全的具有包括可换极的输出电压的蓄电池单池21的蓄电池单池单元221中能够取消至今采用的过充安全装置（OSD）和蓄电池单池安全装置（Cell Fuse）。这些为了提高在机械变形或穿透时的安全性采用的措施、例如给蓄电池单池设立集成的穿刺安全装置能够或者同样地取消或者至少非常简单地实施。通过在此提出的按照本发明的蓄电池单池单元221能够构成蓄电池系统，对该蓄电池系统的蓄电池管理系统211相比于对由现有技术已知的蓄电池系统提出更少的要求。蓄电池管理系统211的电子装置因此能够预测地仅仅以通常的质量保证措施（ASIL-分级QM）开发并且不必须满足ASIL C。蓄电池系统的安全能够相对于现有技术极大地改善。在图10中示出的蓄电池直流逆变器210是用于在此提出的按照本发明的电的本质安全的蓄电池单池单元221的一个例子。

基于在此提出的按照本发明的蓄电池单池单元221的功能，为了使得在蓄电池单池21的接线端上的蓄电池单池电压换极，按照本发明的蓄电池单池单元221尤其适用于具有分级可调节的输出电压的这样的蓄电池直流逆变器210。

在图10中示出的蓄电池直流逆变器210是一个具有分级可调节的输出电压的三相蓄电池系统。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按照本发明的蓄电池单池单元221组成的串联电路。蓄电池组280、290、300的串联电路分别通过充电和分离装置40与正蓄电池组极281、291、301连接，而分别通过分离装置50与负蓄电池组极282、292、302连接。

按照本发明在此如此地控制蓄电池单池或蓄电池模块，使得其运行参数位于在相应的阈值内，这些运行参数对于安全的运行是必要的。

因此锂离子蓄电池单池典型地在2.8V至4.2V的Umin至Umax的电压范围内或者优选在3.0V至4.2V的电压范围内运行。这尤其是适用于安全性相关的值Umin_safety或Umax_safety。该说明然而适用于蓄电池在空载中待测量的电压，也就是说，如果没有电流流过蓄电池单池。在此必须一定注意这些阈值，因为否则电极能够遭受损坏。

蓄电池单池的空载电压基本上依赖于其充电状态。在此典型地，当电压UBatteriezelle为2.8V时充电状态SOC采用0%，当3.5V时充电状态采用20%，并且当4.2V时充电状态采用100%，其中这些值分别依赖于阴极、阳极和/或使用的电解质的类型和材料。

如果电流流过蓄电池单池，那么蓄电池单池电压UBatteriezelle不同于上述的数量说明。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100A的充电电流下那么由3.5V+1.0V=4.5V得出待测量的电压值UBatteriezelle。在温度为0℃时，蓄电池单池的内阻然而示例性地为直至50mΩ，这在50A的示例性的放电电流时产生3.5V-2.5V=1.0V的电压值UBatteriezelle。但是基于使用的控制器和使用的传感器这些电压值在例如0℃的室内温度的情况下没有达到。一般在蓄电池单池的运行中用于Umax的值能够位于在4.2V与5.0V之间，用于Umin的值位于在1.5V与4.2V之间，优选地位于在1.8V与4.15V之间，然而这些值不涉及空载电压。

上述电压值适用于单个蓄电池单池。对于蓄电池模块取决于多少单池串联或并联连接。因此允许的模块空载电压UBatteriemodul位于在n×2.8V至n×4.2V之间，其中n表示相互串联连接的蓄电池单池的数量。

在锂离子蓄电池单池中用于温度的阈值例如在Tmin=-40℃并且Tmax=30℃至50℃，最好优选为35℃至40℃。由安全方面来说46℃至80℃的最大温度Tmax_safety应该优选地不超过50℃至60℃。此外运行蓄电池单池的最大外部温度Tauβen应该不超过40℃。

通过蓄电池单池的蓄电池电流不应该位于在-1000A至+1000A、优选-600A至+600A、还更优选-500A至+500A、还更优选-450A至+450A、还更优选-350A至+350A的范围之外。

蓄电池单池的内压不应该离开2bar至8bar、优选3bar至7bar的压强范围。

上述讨论示例性地用于锂离子蓄电池单池或锂离子蓄电池模块，其中给出的值尤其适用于具有锂-镁-钴氧化物作为用于阴极的活性材料的锂离子蓄电池单池。然而本发明不限于这样的蓄电池单池、特别是不限于锂离子蓄电池单池。在实践中因此待选择的运行参数的数值依赖于相应的蓄电池单池类型。

除了上述书面的公开之外，在此为了进一步公开本发明补充地参考在图1至10中的图示。

Claims (10)

1.一种蓄电池单池单元（221），其具有蓄电池单池（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），其特征在于，所述蓄电池单池单元（221）包括具有在半桥装置中连接的功率半导体（241、242）的耦合单元和与所述蓄电池单池（21）的极（222、223）耦合的用于所述蓄电池单池（21）的快速放电的放电电路（270），所述功率半导体用于在所述蓄电池单池单元（221）的输出端子（224、225）上耦合所述蓄电池单池（21）的所述极（222、223），所述耦合单元和所述放电电路通过所述监控和控制单元（230）是可控制的。

2.根据权利要求1所述的蓄电池单池单元（221），其中，所述监控和控制单元（221）构造为，监控所述蓄电池单池（21）的蓄电池单池电压和/或流过所述蓄电池单池的电流，并且当存在其值超过第一电压阈值的蓄电池单池电压时，和/或当存在其值低于第二电压阈值的蓄电池单池电压时，和/或当存在其值超过预定的充电电流阈值的充电电流时，和/或当存在其值超过预定的放电电流阈值的放电电流时，使得所述耦合单元的所述功率半导体（241、242）处于开关状态，在所述开关状态下没有电流流过所述蓄电池单池（21）。

3.根据上述权利要求之一所述的蓄电池单池单元（221），其中，所述监控和控制单元（230）构造为，根据尤其是通过蓄电池管理系统通信的信息和/或对所述蓄电池单池（21）的所测量的单池温度的分析和/或对所述蓄电池单池电压的分析来识别危险情况的存在，尤其是在超过预定的温度阈值的单池温度的情况下和/或所述蓄电池单池电压的电压骤降的情况下识别所述危险情况的存在；并且当存在所述危险情况的情况下激活用于所述蓄电池单池（21）的快速放电的所述放电电路（270）。

4.根据权利要求3所述的蓄电池单池单元（221），其中，所述放电电路（270）包括串联电路，所述串联电路具有电阻（272）和功率半导体（271），尤其是具有晶闸管和/或带有再生开关和再生电阻的再生电路；并且所述放电电路被设置为，在激活的状态下所述蓄电池单池（21）以预定的放电电流或以由所述放电电路（270）控制的借助于所述监控和控制单元（230）可控制的放电电流来放电。

5.根据上述权利要求之一所述的蓄电池单池单元（221），其中，所述耦合单元具有由两个半桥组成的全桥，所述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，并且经由相应的中间连接端分别与所述蓄电池单池单元（221）的另一输出端子（224、225）连接，其中所述蓄电池单池单元（21）被设置为，在正常运行下借助于所述监控和控制单元（230）的控制如此地驱动所述耦合单元，以使得可选择地在所述蓄电池单池单元（221）的所述输出端子（224、225）上沿正或负方向存在所述蓄电池单池（21）的蓄电池单池电压或在所述蓄电池单池单元（221）的所述输出端子（224、225）上不存在蓄电池单池电压。

6.一种用于借助于在蓄电池单池装置（221）中设置的监控和控制单元（230）监控在所述蓄电池单池装置（221）中设置的蓄电池单池（21）的方法，其特征在于，借助于耦合单元驱动所述蓄电池单池（21），所述耦合单元包括在半桥装置中连接的功率半导体（241、242），所述功率半导体用于在所述蓄电池单池单元（221）的输出端子（224、225）上耦合所述蓄电池单池（21）的极（222、223），其中如果通过所述监控和控制单元（230）确定所述蓄电池单池（21）的故障情况或危险情况，那么借助于所述耦合单元和/或借助于与所述蓄电池单池（21）的所述极（222、223）耦合的放电电路（270）使得所述蓄电池单池处于安全状态，所述放电电路设置用于所述蓄电池单池（21）的快速放电。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，以如下方式通过放电使得所述蓄电池单池（21）处于所述安全状态，即通过如此地控制所述耦合单元，以使得在所述半桥（240、250）中接通一个功率半导体（241、242、251、252）而另一功率半导体（241、242、251、252）在激活的运行中作为可控的电阻被驱动，和/或借助于所述放电电路（270）以流过所述放电电路（270）的放电电流将所述蓄电池单池（21）放电，所述放电电流对应于所述蓄电池单池（21）的短路电流的预定的一部分。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，通过如下方式使得所述蓄电池单池（21）处于所述安全状态，即通过接通所述半桥的第一功率半导体，从而导通地连接所述蓄电池单池单元（221）的第一输出端子和第二输出端子，并且关断相同的半桥的第二功率半导体，或者在使用由两个形成全桥的半桥组成的耦合单元的情况下，分别接通两个与所述第一输出端子连接的功率半导体或者两个与所述第二输出端子连接的功率半导体。

9.一种蓄电池系统（210），其特征在于，所述蓄电池系统包括蓄电池和蓄电池管理系统（211），所述蓄电池具有至少一个蓄电池组（280、290、300），在所述蓄电池组中设置有多个根据权利要求1至5之一所述的蓄电池单池单元（221），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（221）的监控和控制单元（230）进行通信。

10.一种机动车，其具有电机和用于给所述电机供电的牵引用蓄电池，所述牵引用蓄电池包括根据权利要求1至5之一所述的蓄电池单池单元（221）或根据权利要求9所述的蓄电池系统（210）。