DE102009000731A1

DE102009000731A1 - Batteriezelle mit erhöhter Zuverlässigkeit und damit ausgestattete Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102009000731A1
Application number: DE102009000731A
Authority: DE
Inventors: Rudi Kaiser; Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2010-08-12
Also published as: WO2010089002A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1), mit einem Energiespeicher (3), der mit einem ersten Batteriepol (4) und einem zweiten Batteriepol (5) verbunden ist. Erfindungsgemäß weist die Batteriezelle (1) wenigstens eine Trenneinrichtung (2a), wobei die wenigstens eine Trenneinrichtung (2a) bei entsprechender Ansteuerung eine Unterbrechung der Verbindung des Energiespeichers (3) mit dem ersten Batteriepol (4) und/oder dem zweiten Batteriepol (5) bewirkt, und eine Überbrückungseinrichtung (2b) auf, die zwischen den ersten Batteriepol (4) und den zweiten Batteriepol (5) geschaltet ist, wobei über die Überbrückungseinrichtung (2b) bei entsprechender Ansteuerung der erste Batteriepol (4) und der zweite Batteriepol (5) kurzgeschlossen werden. Weiter betrifft die Erfindung eine Batterie, insbesondere Traktionsbatterie, mit einer Reihenschaltung von Batteriezellen (6), von denen wenigstens eine Batteriezelle (1) eine Batteriezelle (1) nach der Erfindung ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle und eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bzgl. Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (z. B. führt bei einem Elektrofahrzeug ein Ausfall der Traktionsbatterie zu einem sogenannten „Liegenbleiben”) oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann (bei Windkraftanlagen werden z. B. Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).
Das Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß heutigem Stand der Technik ist in 2 dargestellt. Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erzielen, werden einzelne Batteriezellen 6 in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Neben den Batteriezellen 6 weist das Batteriesystem noch eine sogenannte Lade- und Trenneinrichtung 7 auf, die in 2 ohne Beschränkung der Allgemeinheit zwischen dem Pluspol 9 der Batterie und den Batteriezellen 6 angeordnet ist. Mit dem Trennschalter TS kann die Batterie einpolig zu- bzw. abgeschaltet werden. Als optionale Funktionseinheit ist in 2 noch eine weitere Trenneinrichtung 8 dargestellt, mit der die Batterie – falls gefordert über einen zweiten Trennschalter – zweipolig abgeschaltet werden kann. In der Lade- und Trenneinrichtung 7 befindet sich noch ein sogenannter Ladeschalter LS, mit dem ein Ladewiderstand LW zwischen die Batteriezellen 6 und die extern angeschlossen Systeme geschaltet werden kann, um die Ausgleichsströme beim Zuschalten der Batterie zu begrenzen.
Die Zuverlässigkeit des Batteriesystems wird durch Ausfallrate bzw. Versagensrate gekennzeichnet. Die Ausfallrate beschreibt die in einem betrachteten Zeitraum im Mittel zu erwartende Zahl von Ausfällen. Die Ausfallrate einer Batterie mit einer Serienschaltung von Einzelzellen kann wie folgt ermittelt werden: AusfallrateTraktionsbatterie = 1 – (1 – AusfallrateZelle)AnzahlZellen (1)
Für die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit einer Serienschaltung von 100 Zellen und einer Ausfallrate im betrachteten Zeitraum von 100 ppm/Zelle ergibt sich damit z. B.: AusfallrateTraktionsbatterie = 1 – (1 – 100 ppm)100 = 9,95‰ (2)
Bei sehr geringen Ausfallraten der einzelnen Batteriezellen (z. B. Ausfallrate_Zelle < 1‰ im betrachteten Zeitraum) kann die Ausfallrate näherungsweise wie folgt berechnet werden (Abbruch der Potenzreihenentwicklung der Binomischen Reihe nach dem ersten Glied): AusfallrateTraktionsbatterie ≈ Anzahl Zellen·AusfallrateZelle (3)
Damit ist die Ausfallrate der betrachteten Traktionsbatterie nahezu 100 Mal so hoch wie die Ausfallrate einer einzelnen Zelle. Die Ausfallrate der einzelnen Zellen muss also – bei geforderten Werten für die Ausfallrate des Batteriesystems – etwa um den Faktor 100 geringer sein. Wird für ein Batteriesystem mit 100 in Serie geschalteten Zellen im betrachteten Zeitraum eine Ausfallrate von 100 ppm gefordert, müssen die Zellen in diesem Zeitraum eine Ausfallrate von 1 ppm aufweisen. Dies stellt eine extrem schwer zu erfüllende Anforderung dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit von Batteriesystemen gegenüber dem heutigen Stand der Technik zu erhöhen. Das Batteriesystem soll dann noch mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit zur Verfügung stehen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Batteriezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die erfindungsgemäße Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 weisen demgegenüber den Vorteil auf, dass die Batteriezellen gegenüber dem heutigen Stand der Technik intern um zusätzliche Funktionseinheiten erweitert werden. Dabei handelt es sich um eine Trenn- und Überbrückungseinrichtung 2. Bei Ausfall einer solchen Zelle wird diese intern elektrisch überbrückt. Das Batteriesystem weist dann zwar eine an seinen Klemmen eingeschränkte Leistungsfähigkeit gegenüber dem regulären Betrieb auf, der Ausfall des Systems bzw. das Eintreten eines sicherheitskritischen Zustands des Systems kann durch die Überbrückung der ausgefallenen Zelle aber vermieden werden. Darüber hinaus kann der Ausfall einer Zelle mit einer zur Überwachung der Zellspannungen (und gegebenenfalls zur Durchführung eines Zell-Balancing) eingesetzten Elektronik einfach erkannt werden und es können Reparaturmaßnahmen eingeleitet werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Batteriesystems erhöht werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt ist in der erfindungsgemäßen Batteriezelle die Überbrückungseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie einen Kurzschluss des ersten Batteriepols und des zweiten Batteriepols nur bewirken kann, wenn die wenigstens eine Trenneinrichtung eine Unterbrechung der Verbindung des Energiespeichers mit dem ersten Batteriepol und/oder dem zweiten Batteriepol bewirkt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden weiter zusätzlich oder alternativ bevorzugt die wenigstens eine Trenneinrichtung angesteuert, eine Unterbrechung der Verbindung des Energiespeichers mit dem ersten Batteriepol und/oder dem zweiten Batteriepol zu bewirken, und die Überbrückungseinrichtung angesteuert, um den ersten Batteriepol und den zweiten Batteriepol kurzzuschließen, wenn ein Innendruck der Batteriezelle einen ersten Grenzwert überschreitet. In diesem Fall erfolgt die Ansteuerung weiter bevorzugt mechanisch und insbesondere auch mittels einer mechanischen Koppelung der Trenneinrichtung und der Überbrückungseinrichtung. Noch weiter bevorzugt oder alternativ liegt in diesem Fall der erste Grenzwert unterhalb eines zweiten Grenzwerts, bei dem die Batteriezelle mechanisch öffnet, um eine Druckentlastung herbeizuführen.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild einer Batteriezelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
2 ein Prinzipschaltbild einer Traktionsbatterie nach dem Stand der Technik.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Zunächst wird der Begriff Zuverlässigkeit im hier verwendeten Sinn definiert (Definition gemäß Lauber/Göhner: Prozessautomatisierung 1, 3. Auflage, Springer-Verlag):
Zuverlässigkeit (Reliability) ist die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten (auch Verlässlichkeit).
Die Zuverlässigkeit von Batteriesystemen wird erfindungsgemäß gegenüber dem Stand der Technik erhöht, da der Ausfall einer einzelnen Batteriezelle nicht unmittelbar zum Ausfall des Batteriesystems führt. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Batteriezelle gegenüber dem heutigen Stand der Technik intern um eine Trenn- und Überbrückungseinrichtung 2 erweitert, wie in 1 dargestellt.
Im Folgenden wird die Funktion der Trenn- und Überbrückungseinrichtung 2 am Beispiel von Lithium-Ionen Batteriezellen erläutert. Werden Lithium-Ionen Zellen in unzulässigen Betriebszuständen (z. B. mit zu hohen Lade- oder Entladeströmen) betrieben, steigt der Innendruck in den Zellen stark an. Üblicherweise wird in den Gehäusen von Lithium-Ionen Batteriezellen eine Sollbruchstelle vorgesehen, über welche die Zelle bei Überschreitung eines Grenzwertes (zweiter Grenzwert) des Innendrucks mechanisch öffnet. Die in 1 dargestellte Trenn- und Überbrückungseinrichtung 2 wird zusätzlich in die Zelle integriert. Sie hat die Aufgabe, den Stromfluss durch die Lithium-Ionen-Zelle zu unterbrechen (Sicherungsfunktion), wenn der Innendruck der Zelle einen Grenzwert (erster Grenzwert) überschreitet. Dieser (erste) Grenzwert wird durch geeignete Auslegung unterhalb der Ansprechschwelle (des zweiten Grenzwerts) der beschriebenen Sollbruchstelle für ein mechanisches Öffnen der Zelle gelegt. Das Auslösen der Sicherungsfunktion, das durch das Unterbrechen einer Verbindung eines Energiespeichers 3 mit wenigstens einem Batteriepol 4, 5 mittels eines Schalters 2a erfolgt, bewirkt gleichzeitig, dass ein Kontakt 2b zur elektrischen Überbrückung der Zelle geschlossen wird. Auf diese Weise kann die Zelle zwar für das Batteriesystem bei Lade- und Entladevorgängen des Batteriesystems keine Energie und keine Leistung mehr bereitstellen bzw. aufnehmen, der Ausfall der Zelle verursacht aber nicht den Ausfall des Batteriesystems.
Mit Hilfe der bei Lithium-Ionen-Batteriesystemen erforderlichen Einzelzellenspannungserfassung kann das Auslösen der Trenn- und Überbrückungsfunktion erkannt werden. Diese Information kann dazu verwendet werden, eine Wartungsmeldung (z. B. bei Einsatz in Fahrzeugen) zu generieren. Die defekte Zelle kann daraufhin ausgetauscht werden. Auf diese Weise kann die Verfügbarkeit des Batteriesystems erhöht werden und die oben genannten Ziele für die Verfügbarkeit können erreicht werden.
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird hier ausdrücklich auf die Offenbarung in den Figuren verwiesen.

Claims

Batteriezelle (1), mit einem Energiespeicher (3), der mit einem ersten Batteriepol (4) und einem zweiten Batteriepol (5) verbunden ist, gekennzeichnet durch – wenigstens eine Trenneinrichtung (2a), wobei die wenigstens eine Trenneinrichtung (2a) bei entsprechender Ansteuerung eine Unterbrechung der Verbindung des Energiespeichers (3) mit dem ersten Batteriepol (4) und/oder dem zweiten Batteriepol (5) bewirkt, und – eine Überbrückungseinrichtung (2b), die zwischen den ersten Batteriepol (4) und den zweiten Batteriepol (5) geschaltet ist, wobei über die Überbrückungseinrichtung (2b) bei entsprechender Ansteuerung der erste Batteriepol (4) und der zweite Batteriepol (5) kurzgeschlossen werden.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungseinrichtung (2b) derart ausgestaltet ist, dass sie einen Kurzschluss des ersten Batteriepols (4) und des zweiten Batteriepols (5) nur bewirken kann, wenn die wenigstens eine Trenneinrichtung (2a) eine Unterbrechung der Verbindung des Energiespeichers (3) mit dem ersten Batteriepol (4) und/oder dem zweiten Batteriepol (5) bewirkt.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Trenneinrichtung (2a) angesteuert wird, eine Unterbrechung der Verbindung des Energiespeichers (3) mit dem ersten Batteriepol (4) und/oder dem zweiten Batteriepol (5) zu bewirken, und die Überbrückungseinrichtung (2b) angesteuert wird, um den ersten Batteriepol (4) und den zweiten Batteriepol (5) kurzzuschließen, wenn ein Innendruck der Batteriezelle (1) einen ersten Grenzwert überschreitet.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung mechanisch erfolgt.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grenzwert unterhalb eines zweiten Grenzwerts liegt, bei dem die Batteriezelle (1) mechanisch öffnet, um eine Druckentlastung herbeizuführen.
Batteriezelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
Batterie, insbesondere Traktionsbatterie, mit einer Reihenschaltung von Batteriezellen (6), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Batteriezelle (1) der Reihenschaltung von Batteriezellen (6) eine Batteriezelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche ist.