CN104052097A - 蓄电池模块以及用于监控蓄电池模块的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种蓄电池模块，其具有带有多个蓄电池单池的蓄电池单池电路和用于监控所述蓄电池模块的功能状态的监控和控制单元。在所述蓄电池模块中设有耦合单元，其中设有两个半桥，所述半桥分别包括与所述蓄电池单池电路的正极耦合的第一功率半导体、与所述蓄电池单池电路的负极耦合的第二功率半导体以及中间连接端并且经由相应的中间连接端与所述蓄电池模块的相应的另一输出端子连接。所述蓄电池模块设置为在正常运行下如此运行半桥的功率半导体，以使得蓄电池模块电压可选择地沿正方向或负方向施加到所述蓄电池模块的输出端子上。

Description

蓄电池模块以及用于监控蓄电池模块的方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池模块，其具有带有多个蓄电池单池的蓄电池单池电路和用于监控所述蓄电池模块的功能状态的监控和控制单元。本发明还涉及一种用于借助于在蓄电池模块中设置的监控和控制单池监控蓄电池模块的方法。本发明还涉及一种蓄电池系统，其包括蓄电池和蓄电池管理系统，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蓄电池模块。

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。为了实现在混合动力和电动车辆中需要的功率和能量数，将各个蓄电池单池串联并且部分附加地并联连接。在电动车辆中经常串联连接10个或更多单池并且这些蓄电池具有直至450V的电压。而且在混合动力车辆中通常超过60V的电压阈值，该电压在通过人的接触中被分级为不危急的。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。混合动力和电动车辆中的牵引用蓄电池通常模块化地构成。在此由至少两个单个的相互串联或并联连接的蓄电池单池21形成蓄电池模块（在图1中未示出）。

蓄电池20由两个蓄电池单池电路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示出了图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出现，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）。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的单池监控电子装置（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。

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模块，具有由多个蓄电池单池组成的蓄电池单池电路和用于监控所述蓄电池模块的功能状态的监控和控制单元。在此，在所述蓄电池模块中设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电路的正极耦合的第一功率半导体、与所述蓄电池单池电路的负极耦合的第二功率半导体以及中间连接端。所述半桥经由所述相应的中间连接端与所述蓄电池模块的分别另一输出端子连接。此外所述蓄电池模块设置用于在正常运行下借助于通过监控和控制单元的控制如此运行所述耦合单元，使得接通所述两个半桥之一的第一功率半导体和所述另一半桥的第二功率半导体而关断所述半桥的其他功率半导体，从而蓄电池模块电压可选择地沿正方向或负方向施加到所述蓄电池模块的输出端子上。

按照本发明也提供一种用于监控蓄电池模块的方法，其中借助于在蓄电池模块中设置的监控和控制单池监控蓄电池模块。在此借助于耦合单元运行所述蓄电池模块，耦合单元包括由功率半导体组成的形成全桥的半桥。如果通过所述监控和控制单元确定与蓄电池模块的正常运行不同的故障情况或危险情况，那么借助于所述耦合单元和/或与所述蓄电池单池耦合的并且设计用于所述蓄电池模块的快速放电的放电电路的控制使得所述蓄电池模块处于一种安全状态下。

按照本发明还提供一种蓄电池系统，其包括蓄电池和蓄电池管理系统，所述蓄电池具有至少一个蓄电池组，在所述蓄电池组中设置多个按照本发明的蓄电池模块，其中所述蓄电池管理系统被构造为与所述蓄电池模块的监控和控制单元通信。

下文中示出了本发明优选的改进。

清楚地说按照本发明提供一种蓄电池模块，其包括集成的监控和控制单元并且提供可换极的输出电压。尤其是基于在蓄电池模块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模块的安全功能。安全功能能够基于通过监控和控制单元蓄电池模块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模块换极，从而按照本发明的蓄电池模块能够沿正方向或负方向输出蓄电池模块电压。

基于按照本发明的蓄电池模块的功能，即换极蓄电池模块电压，按照本发明的蓄电池模块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。

优选地，按照本发明的监控和控制单元还被构造用于，为了调节蓄电池模块的正常运行，其中在蓄电池模块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，按照本发明的蓄电池模块也能够可选择地输出0V电压到其输出端子。优选地，在此关断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关断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，按照本发明的监控和控制单元设计为，当存在其值超过上电压阈值的蓄电池单池电压或蓄电池模块电压时，和/或当存在其值低于下电压阈值的蓄电池单池电压或蓄电池模块电压时，如此控制耦合单元的功率半导体，以便调节蓄电池模块的功能状态，在所述功能状态下没有电流能够流过所述蓄电池模块，使得接通半桥的第一或第二功率半导体并且关断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模块电压的上阈值识别在正常运行下工作的蓄电池模块的有威胁的过充，并且随后能够有利地不再给蓄电池模块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模块电压的下阈值识别基于在正常运行下工作的蓄电池模块的有威胁的深度放电，其中将蓄电池模块转变为安全状态，在该状态下不再有电流流过蓄电池模块。可能通过整个包括按照本发明的蓄电池模块的蓄电池系统向外可输出的电流在按照本发明的蓄电池模块中流过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，按照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模块的功能状态，在所述功能状态下不再有电流能够流过所述蓄电池模块，使得接通所述半桥的第一或第二功率半导体并且关断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模块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。在此将蓄电池模块转变为安全状态，在该状态下没有电流流过蓄电池模块。因此保护蓄电池模块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模块识别到由于过高的充电电流的有威胁的过载，其中随后将蓄电池模块转变为安全状态，在该状态下不再有电流流过蓄电池模块。因此保护蓄电池模块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，按照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模块。此外，按照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，从而将蓄电池模块放电。为此能够将另一半桥的第一和/或第二功率半导体关断。此外能够为了蓄电池模块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——其中按照本发明本质安全的蓄电池模块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——经由两个半桥之一或者并联地经由两个半桥将蓄电池模块放电。在蓄电池模块经由两个半桥之一放电期间蓄电池模块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模块温度的分析、尤其是当超过预定温度阈值的单池温度或蓄电池模块温度时和/或根据蓄电池单池电压或蓄电池模块电压的分析、尤其是当蓄电池单池电压或蓄电池模块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，蓄电池模块此外设有与所述蓄电池单池耦合的放电电路、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。在此能够将蓄电池模块设置用于，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模块借助于放电电路的放电、尤其是蓄电池模块以一个流过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模块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按照本发明的本质安全的蓄电池模块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。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按照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模块——的实施或者其他对于蓄电池模块类似的情况。

如果按照本发明的蓄电池模块例如在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或蓄电池模块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模块。该过程的识别能够例如通过蓄电池单池电压或蓄电池模块电压的电压骤降实现。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模块的放电，并且随后基本上经由放电电路对该蓄电池模块放电。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模块的放电的支持。

如果按照本发明的蓄电池模块经受强烈的发热，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模块的放电，并且经由放电电路及时将蓄电池模块放电。

总而言之，按照本发明的电的本质安全的蓄电池模块能够结合在蓄电池模块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按照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模块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，如给蓄电池模块设有集成的穿刺安全装置和/或设有集成的碰撞安全装置，因为在按照本发明的蓄电池模块侧的要求更小。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模块的穿刺和/或借助于碰撞关于所有三个空间轴的蓄电池模块或各个蓄电池单池的强烈变形。按照本发明的蓄电池模块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。

通过按照本发明的电气的本质安全的蓄电池模块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模块的原理电路图；

图5示出了根据本发明的另一实施形式的蓄电池模块的原理电路图；

图6示出了根据本发明的又一实施形式的蓄电池模块的原理电路图；

图7示出了根据本发明的又一实施形式的蓄电池模块的原理电路图；

图8示出了根据本发明的又一实施形式的蓄电池模块的原理电路图；

图9示出了根据本发明的又一实施形式的蓄电池模块的原理电路图；

图10示出了根据本发明的又一实施形式的蓄电池模块的原理电路图；

图11示出了根据本发明的又一实施形式的蓄电池模块的原理电路图，其包括用于蓄电池模块的快速放电的超快速放电装置；以及

图12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，其中分别多个按照本发明的蓄电池模块串联连接。

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模块221的原理电路图。根据本发明的第一实施形式的蓄电池模块221包括多个在蓄电池单池电路226中设置的蓄电池单池21。蓄电池单池电路226在此为串联电路，但是在本发明的其他实施形式中能够具有并联电路或者具有并联电路和串联电阻的组合。蓄电池单池与单池监控电子装置（CSC）228连接，其设置用于监控各个蓄电池单池21。根据在此示出的实施形式通过中央单池监控电子装置实现单池监控电子装置228，其与所有蓄电池单池21连接并且此外尤其是能够控制单池平衡。

蓄电池模块221此外具有耦合单元，其由具有第一和第二功率半导体241、242的第一半桥（图4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4中的左半桥）构成。两个半桥240、250共同形成一个具有四个功率半导体241、242、251、252的全桥。平行于功率半导体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241（图4的右半桥的上功率半导体开关）的第一连接端上与蓄电池单池或蓄电池单池电路226的正极222连接并且在一个配属给第二功率半导体242（图4的右半桥的下功率半导体开关）的第二连接端上与蓄电池单池电路226的负极223连接。第一半桥240此外在一个中间连接端上与蓄电池模块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251（图4的左半桥的上功率半导体开关）的第一连接端上与蓄电池单池电路226的正极222连接并且在一个配属给第二功率半导体252（图4的左半桥的下功率半导体开关）的第二连接端上与蓄电池单池电路2126的负极223连接。第二半桥250此外在一个中间连接端上与蓄电池模块221的第二输出端子225连接。

按照本发明的蓄电池模块221此外包括一个与蓄电池单池电路226并联连接的监控和控制单元230以用于监控蓄电池模块221的功能状态。监控和控制单元230按照本发明设置具有用于四个功率半导体241、242、251、252的集成控制。

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如此控制，使得如果在正常运行下蓄电池模块221应该沿正方向（+U_{Batteriemodul}）输出蓄电池模块电压到输出端子224、225，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。

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如此控制，使得如果在正常运行下蓄电池模块221应该沿负方向（-U_{Batteriemodul}）输出蓄电池模块电压到输出端子224、225，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。

功率半导体241、242、251、252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，使得在蓄电池模块221的正常运行中可选择地蓄电池模块221的功能状态也是可调节的，在该功能状态下蓄电池模块221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的第一功率半导体242、252并且关断其他两个功率半导体241、252。

在图4中也示出了蓄电池管理系统211，其与蓄电池模块221连接并且被构造为，与监控和控制单元230交换信息。在蓄电池管理系统211与监控和控制单元20之间的通信借助于双箭头215表示。

此外监控和控制单元230与中央单池监控电子装置229连接。通信235能够例如通过总线实现，尤其是通过有线连接的总线235，例如CAN总线或FlexRay。然而本发明不限于有线连接的总线。如果因此在下文中谈及（有线连接）总线，那么通信在多种情况下能够取而代之地也通过无线连接例如蓝牙实现。因此由单池监控电子装置229给监控和控制单元230传送尤其是电压和/或电流值，它们由监控和控制单元230再处理用于安全监控，如在下文中示出的那样。

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或蓄电池模块电压的上阈值的蓄电池模块221的有威胁的过充，那么借助于监控和控制单元230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，或者备选地接通两个半桥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、251。随便不再继续给蓄电池模块221充电并且能够因此例如当存在使用的蓄电池充电装置故障时安全地保护免于过充。

如果监控和控制单元230基于蓄电池模块221的正常运行识别到根据低于蓄电池单池电压或蓄电池模块电压的下阈值的蓄电池模块221的有威胁的深度放电，那么借助于监控和控制单元230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，或者备选地接通两个半桥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。随后电流不再流过蓄电池模块221。可能通过设有按照本发明的蓄电池模块221的整个蓄电池系统向外输出的电流在蓄电池模块221中仅仅流过蓄电池模块221的耦合单元的功率半导体（半导体开关）241、242、251、252。

如果监控和控制单元230基于蓄电池模块221的正常运行识别到由于过高放电电流的蓄电池模块221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，那么借助于监控和控制单元230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，或者备选地接通两个半桥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。随后电流不再流过蓄电池模块221。因此保护蓄电池模块221免于具有不允许高的放电电流的负载。

如果监控和控制单元230基于蓄电池模块221的正常运行识别到由于在非常低的温度下过高充电电流的蓄电池模块221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，或者备选地接通两个半桥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。随后电流不再流过蓄电池模块221，并且因此保护蓄电池模块221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模块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，那么蓄电池模块221或者其蓄电池单池21经由两个半桥240之一或者经由两个半桥240、250并行放电。例如为此借助于监控和控制单元230接通两个半桥240、250中之一的第二功率半导体242、252或者两个半桥240、250的第二功率半导体242、252并且将两个半桥240、250中之一的第一功率半导体241、251或者两个半桥240、250的第一功率半导体241、251在所谓的激活运行下作为可控制的电阻运行。蓄电池单池21或蓄电池模块221的放电能够以相同方式也伴随着两个半桥240、250的第一功率半导体241、251和第二功率半导体241、251的角色的转换实现。蓄电池模块221在其输出端子224、225上没有输出电压并且基本如此缓慢地放电。可实现的放电电流在此仅仅通过热损耗功率受限，该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、242、251、252。该作为可控制的电阻运行的功率半导体241、242、251、252包括其热连接和冷却因此按照要求进行设计。

在图5中示出了根据本发明的另一实施形式的蓄电池模块的原理电路图。与在图4中示出的实施形式的不同之处在于，蓄电池单池21在此分别设有自身的单池监控电子装置231。此外，类似于在图4中那样，也存在一个中央单池监控电子装置229，其中然而单池监控的几个功能不是在中央单池监控电子装置229中而是在各个蓄电池单池21中或在相应的蓄电池单池自身的单池监控电子装置231中构成。为此中央单池监控电子装置229与蓄电池单池中的各个单池监控电子装置231通信。该通信能够借助于总线235实现，不仅中央单池监控电子装置229而且蓄电池单池自身的单池监控电子装置231连接到该总线。按照本发明的监控和控制单元230与之相对地类似于根据图4中那样与中央单池监控电子装置229通信。

在图6中示出了根据本发明的又一实施形式的蓄电池模块的原理电路图。与在图5中示出的实施形式的不同之处在于，蓄电池单池自身的单池监控电子装置231在此分别经由一个自身的亦即独立的通信总线与中央单池监控电子装置229连接，该中央单池监控电子装置为此在示出侧具有相应更多数量的接口。

图7中示出了根据本发明的又一实施形式的蓄电池模块的原理电路图，其中按照该实施形式存在蓄电池单池自身的单池监控电子装置231与中央单池监控电子装置229之间的通信连接235，从而中央单池监控电子装置229仅仅与唯一的单池监控电子装置228直接通信。蓄电池单池自身的单池监控电子装置228彼此通过菊链通信，从而所有相关的蓄电池单池数据首先经由菊花链并且随后经由通信连接传输，该通信连接在附图中以附图标记225表示。

本发明然而不限于这样的蓄电池单池自身的单池监控电子装置231，其设置在相应的蓄电池单池21内。备选地可以考虑，对于每个蓄电池单池21相应独立的中央单池监控电子装置231设置在蓄电池单池21之外并且与蓄电池单池连接，其中可选择地中央（主）单池监控电子装置能够存在。

图8至10示出了本发明另外的实施形式，其中在这些实施形式中监控和控制单元230直接与蓄电池单池自身的单池监控电子装置231连接，而位子不再存在中央单池监控电子装置229。因此一些单池监控任务直接设计在蓄电池单池21内/上，其中获取的测量结果和单池监控电子装置231的输出直接通信到监控和控制单元230。

在监控和控制单元230与单池监控电子装置231之间的通信235在此类似于在进一步地在上面结合图5至7讨论的这些实施形式中那样实现，具有的区别在于，一个或多个相应通信总线连接到监控和控制单元230而没有连接到中央单池监控电子装置。因此图8示出了本发明的一个实施形式，其中监控和控制单元230经由总线与单池监控电子装置231连接，而在图9中在一方面监控和控制单元230与另一方面相应的单池监控电子装置231之间存在多个通信连接或总线。此外图10示出一个实施例，其中各个单池监控电子装置231彼此通信，其中多个单池监控电子装置231之一与监控和控制单元230连接。

在图11中示出了根据本发明的另一实施形式的蓄电池模块221的原理电路图。根据本发明的该另一实施形式的蓄电池模块221与在图4至10中示出的蓄电池模块的不同之处在于，蓄电池模块221现在附加地包括放电电路270作为超快速放电装置（UFDD）。放电电路270在此包括一个在蓄电池单池电路226的正极222与负极223之间连接的由功率半导体271和电阻272组成的串联电路并且在蓄电池模块221中设计为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。

如对于本领域内技术人员来说知道的那样，中央单池监控电子装置229和蓄电池单池自身的单池监控电子装置231的不同组合能够在蓄电池模块221中设置，该蓄电池模块具有包括按照本发明的放电电路270的监控和控制单元230。在此使用的通信拓扑在此不限于示例性的在图11中示出的拓扑。因为虽然根据图11用于在监控和控制单元230与单池监控电子装置228、229之间的通信235的连接拓扑相应于在图4中示出的拓扑，然而在其他实施例中连接拓扑也能够例如相应于在图5至10中示出的拓扑，其中这些备选的实施形式在此仅仅处于简单不再进一步讨论。

如果在按照本发明的本质安全的蓄电池模块221的监控和控制单元230的在图11中示出的实施形式中由蓄电池管理系统211——其设置在具有多个这样的蓄电池模块221的蓄电池系统中——告知，设有按照本发明的蓄电池系统的车辆具有事故，那么经由放电电路270快速将蓄电池模块221放电。为了支持放电电路270，同时也能够经由两个半桥240、250将蓄电池模块221放电。为了支持放电电路270，借助于监控和控制单元230尤其是接通半桥240、250的两个第二功率半导体242、252。蓄电池模块21随后在放电期间不输出电压到其输出端子224、225。放电电路270能够如此设计，使得能够以非常大的放电电流接近短路地将蓄电池模块221放电。由此非常快速地使得蓄电池模块21处于安全状态。由此能够在车辆层面上存在这样的情况，其中蓄电池单池21在机械上非常强烈地变形并且通过尖刺的物体刺透。

类似于在图4至10中示出的实施形式中那样，能够支持地借助于监控和控制单元230也在激活运行中作为可控制的电阻运行两个半桥240、250的第一功率半导体241、251。

如果按照本发明的蓄电池模块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模块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，所以能够在蓄电池模块221的温度超过临界值之前通过按照本发明的放电电路270及时引起蓄电池模块221的放电。可选择地也能够通过两个半桥240、250实现蓄电池模块221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模块221相对于由现有技术已知的蓄电池模块大大地更加安全。

在此提出的按照本发明的蓄电池模块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很大的问题。

在此提出的按照本发明的蓄电池模块221不限于锂离子蓄电池单池。该蓄电池单池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具有可换极的输出电压的本质安全的蓄电池模块221中能够不用考虑至今采用的过充安全装置（OSD）和蓄电池单池安全装置。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置集成的穿刺安全装置能够活着同样不用考虑或者至少非常简单地设计。通过在此提出的按照本发明的蓄电池模块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直流确保措施（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气本质安全的蓄电池模块221的一个例子。

基于在此提出的按照本发明的蓄电池模块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模块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12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模块221组成的串联电路。蓄电池组280、290、300的这些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。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但是没有达到。一般能够在蓄电池单池的运行中用于Umax的值位于在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元串联或并联连接。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应该不超过优选50℃至60℃。此外运行蓄电池单池的最大外部温度Tau βen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、尤其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12中的图示。

Claims (11)

1.一种蓄电池模块（221），其具有由多个蓄电池单池（21）组成的蓄电池单池电路（226）和用于监控所述蓄电池模块（221）的功能状态的监控和控制单元（230），其特征在于，在所述蓄电池模块（221）中设置具有两个半桥（240、250）的耦合单元，所述半桥分别包括与所述蓄电池单池电路（226）的正极（222）耦合的第一功率半导体（241、251）、与所述蓄电池单池电路（226）的负极（223）耦合的第二功率半导体（242、252）以及中间连接端，并且经由相应的中间连接端与所述蓄电池模块（221）的相应的另一输出端子（224、225）连接，其中所述蓄电池模块（221）被设置为在正常运行下借助于通过所述监控和控制单元（230）的控制如此运行所述耦合单元，以使得接通所述两个半桥（240、250）之一的第一功率半导体（241、251）和另一半桥（240、250）的第二功率半导体（242、252）并且关断所述半桥（240、250）的其他功率半导体（241、242、251、252），以便蓄电池模块电压可选择地沿正方向或负方向施加到所述蓄电池模块（221）的输出端子（224、225）上。

2.根据权利要求1所述的蓄电池模块（221），其中所述蓄电池模块（221）还被设置为在所述正常运行下通过所述监控和控制单元（230）如此控制所述耦合单元，以使得接通所述第一功率半导体（241、251）或接通所述第二功率半导体（242、252），以便没有蓄电池模块电压施加到所述蓄电池模块（221）的输出端子（224、225）上。

3.根据权利要求1或2所述的蓄电池模块（221），其中所述监控和控制单元（230）被构造为监控蓄电池单池电压和/或蓄电池模块电压和/或流过所述蓄电池模块的电流，并且当存在其值超过上电压阈值的蓄电池单池电压或蓄电池模块电压时，和/或当存在其值低于下电压阈值的蓄电池单池电压或蓄电池模块电压时，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，如此控制所述耦合单元的所述功率半导体（241、242、251、252）以调节所述蓄电池模块（221）的功能状态，在所述功能状态下没有电流流过所述蓄电池模块（221），以便接通所述半桥（240、250）的第一功率半导体（241、251）或第二功率半导体（242、252）并且关断所述半桥（240、250）的第二功率半导体（242、252）或第一功率半导体（241、251）。

4.根据上述权利要求之一所述的蓄电池模块（221），其中所述监控和控制单元（230）被构造为，根据尤其是通过蓄电池管理系统通信的信息和/或对所测量的单池温度或蓄电池模块温度的分析和/或对所述蓄电池模块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或蓄电池模块温度的情况下和/或所述蓄电池模块电压的电压骤降的情况下来识别危险情况的存在；并且当存在所述危险情况时如此地控制耦合单元以将所述蓄电池模块（221）放电，以使得在所述半桥（240、250）中的至少之一中接通相应的所述第一功率半导体（241、251）或相应的所述第二功率半导体（242、252）并且使得相应的另一功率半导体（241、242、251、252）作为可控制的电阻处于激活运行中。

5.根据上述权利要求之一所述的蓄电池模块（221），其中所述蓄电池模块（221）包括与所述蓄电池单池电路（226）耦合的放电电路（270）、尤其是具有由功率半导体（271）和电阻（272）组成的串联电路的放电电路（270）并且被设置为当存在危险情况时如此控制所述放电电路（270），以使得能够借助于所述放电电路（270）实现对所述蓄电池模块（221）的放电、尤其以流过所述放电电路（270）的放电电流实现对所述蓄电池模块（221）的放电，所述放电电流相应于所述蓄电池模块（221）的短路电流的一个预定的部分。

6.一种用于借助于在蓄电池模块（221）中设置的监控和控制单元（230）监控具有多个蓄电池单池（21）的蓄电池模块（221）的方法，其特征在于，借助于在所述蓄电池模块（221）中设置的耦合单元运行所述蓄电池模块（221），所述耦合单元包括两个由功率半导体（241、242、251、252）组成的形成全桥的半桥（240、250），其中如果通过所述监控和控制单元（230）确定与所述蓄电池模块（221）的正常运行不同的故障情况或危险情况，那么借助于对所述耦合单元和/或与所述蓄电池单池（21）耦合的用于所述蓄电池模块（221）的快速放电的放电电路（270）的控制使得所述蓄电池模块（221）处于安全状态下。

7.根据权利要求6所述的方法，其中借助于所述监控和控制单元（230）监控蓄电池单池电压和/或蓄电池模块电压和/或流过所述蓄电池模块的电流，并且当存在其值超过上电压阈值的蓄电池单池电压或蓄电池模块电压时，和/或当存在其值低于下电压阈值的蓄电池单池电压或蓄电池模块电压时，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、251、252）处于一种开关状态，在所述开关状态中没有电流流过所述蓄电池模块（221）。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中通过所述监控和控制单元（230）、根据尤其是通过蓄电池管理系统通信的信息和/或对所测量的单池温度或蓄电池模块温度的分析和/或对蓄电池单池电压或蓄电池模块电压的分析来确定危险情况的存在，尤其是在超过预定温度阈值的单池温度或蓄电池模块温度的情况下和/或所述蓄电池单池电压或所述蓄电池模块电压的电压骤降的情况下来识别危险情况的存在。

9.根据权利要求6至8之一所述的方法，其中当存在所述危险情况时如此控制所述耦合单元用于所述蓄电池模块（221）的放电，以使得在所述半桥（240、250）的至少之一中接通相应的功率半导体（241、251）并且使得相应的其他功率半导体（242、252）在激活的运行中作为可控制的电阻运行。

10.根据权利要求6至9之一所述的方法，其中当存在所述危险情况时借助于放电电路（270）以流过所述放电电路（270）的放电电流将所述蓄电池模块（221）放电，所述放电电流相应于所述蓄电池模块（221）的短路电流的一个预定的部分。

11.蓄电池系统（210），其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有多个根据权利要求1至5之一所述的蓄电池模块（221），其中所述蓄电池管理系统被构造为与所述蓄电池模块（221）的监控和控制单元（230）通信。