DE102010041024A1 - Method for replacing battery cells during operation - Google Patents

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DE102010041024A1
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SB LiMotive Co Ltd
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40, 60) eingeführt. Jedes Batteriemodul (40, 60) besitzt eine Koppeleinheit (30, 50) und wenigstens eine, zwischen Eingänge (31, 51; 32, 52) der Koppeleinheit (30, 50) geschaltete Batteriezelle (11) umfasst. In einem ersten Schritt werden eine defekte Batteriezelle (11) und das die defekte Batteriezelle (11) enthaltende Batteriemodul (40, 60) detektiert. Daraufhin wird die defekte Batteriezelle (11) durch Ausgeben eines entsprechenden Steuersignales an die Koppeleinheit (30, 50) des detektierten Batteriemoduls (40, 60) deaktiviert und das detektierte Batteriemodul (40, 60) ausgangsseitig überbrückt. Nach dem Ankoppeln einer funktionsfähigen Batteriezelle (11) an das detektierte Batteriemodul (40, 60) wird das ausgangsseitige Überbrücken des detektierten Batteriemoduls (40, 60) beendet. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batterie, welche ausgebildet ist, das Verfahren auszuführen, und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.A method for operating a battery with a plurality of battery modules (40, 60) connected in series is introduced. Each battery module (40, 60) has a coupling unit (30, 50) and comprises at least one battery cell (11) connected between inputs (31, 51; 32, 52) of the coupling unit (30, 50). In a first step, a defective battery cell (11) and the battery module (40, 60) containing the defective battery cell (11) are detected. The defective battery cell (11) is then deactivated by outputting a corresponding control signal to the coupling unit (30, 50) of the detected battery module (40, 60) and the detected battery module (40, 60) is bridged on the output side. After coupling a functional battery cell (11) to the detected battery module (40, 60), the bridging of the detected battery module (40, 60) on the output side is ended. The invention also relates to a battery which is designed to carry out the method and to a motor vehicle with such a battery.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch von Batteriezellen einer Batterie während des Betriebes.The present invention relates to a method for replacing battery cells of a battery during operation.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einer solchen Batterie bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Dies kann entweder durch Vorsehen von mehreren Zellwickeln innerhalb eines Batteriezellengehäuses oder durch externes Verschalten von Batteriezellen geschehen.It is becoming apparent that in the future, battery systems will increasingly be used both in stationary applications and in vehicles such as hybrid and electric vehicles. In order to meet the voltage and available power requirements of a particular application, a large number of battery cells are connected in series. Since the power provided by such a battery must flow through all the battery cells and a battery cell can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current. This can be done either by providing multiple cell wraps within a battery cell housing or by externally interconnecting battery cells.

Das Prinzipschaltbild eines üblichen elektrischen Antriebssystems, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in 1 dargestellt. Eine Batterie 110 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Kondensator 111 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 112, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors 113 bereitstellt. Die Kapazität des Kondensators 111 muss groß genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF.The block diagram of a conventional electric drive system, as used for example in electric and hybrid vehicles or in stationary applications such as in the rotor blade adjustment of wind turbines, is in 1 shown. A battery 110 is connected to a DC voltage intermediate circuit, which by a capacitor 111 is buffered. Connected to the DC voltage intermediate circuit is a pulse inverter 112 , the in each case via two switchable semiconductor valves and two diodes at three outputs against each other phase-shifted sinusoidal voltages for the operation of an electric drive motor 113 provides. The capacity of the capacitor 111 must be large enough to stabilize the voltage in the DC link for a period of time in which one of the switchable semiconductor valves is turned on. In a practical application such as an electric vehicle results in a high capacity in the range of mF.

2 zeigt die Batterie 110 der 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen sind in Serie sowie optional zusätzlich parallelgeschaltet, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen. Zwischen den Pluspol der Batteriezellen und ein positives Batterieterminal 114 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 116 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen den Minuspol der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal 115 eine Trenneinrichtung 117 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtung 116 und die Trenneinrichtung 117 umfassen jeweils ein Schütz 118 beziehungsweise 119, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals abzutrennen, um die Batterieterminals spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder dergleichen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 116 ist zusätzlich ein Ladeschütz 120 mit einem zu dem Ladeschütz 120 in Serie geschalteten Ladewiderstand 121 vorgesehen. Der Ladewiderstand 121 begrenzt einen Aufladestrom für den Kondensator 111, wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 118 offen gelassen und nur der Ladeschütz 120 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 114 die Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 119 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz 120 geöffnet werden. 2 shows the battery 110 of the 1 in a more detailed block diagram. A large number of battery cells are connected in series as well as optionally additionally in parallel, in order to achieve a high output voltage and battery capacity desired for a particular application. Between the positive pole of the battery cells and a positive battery terminal 114 is a loading and separating device 116 connected. Optionally, in addition, between the negative pole of the battery cells and a negative battery terminal 115 a separator 117 be switched. The separating and charging device 116 and the separator 117 each include a contactor 118 respectively 119 which are intended to disconnect the battery cells from the battery terminals to turn off the battery terminals voltage. Due to the high DC voltage of the series-connected battery cells is otherwise significant risk potential for maintenance personnel or the like. In the loading and separating device 116 is additionally a charging contactor 120 with one to the charging contactor 120 series connected load resistor 121 intended. The charging resistance 121 limits a charging current for the capacitor 111 when the battery is connected to the DC link. For this purpose, first the contactor 118 left open and only the charging contactor 120 closed. Reaches the voltage at the positive battery terminal 114 the voltage of the battery cells, the contactor can 119 closed and, if necessary, the charging contactor 120 be opened.

Problematisch ist, dass in realen Anwendungen eine hohe Batteriespannung gefordert wird, weshalb eine hohe Anzahl von Batteriezellen in Serie geschaltet werden muss, gleichzeitig jedoch die Gefahr eines Ausfalles der Gesamtanordnung mit der Anzahl der seriengeschalteten Batteriezellen steigt, weil bereits eine einzige defekte Batteriezelle den Stromfluss aufgrund der Serienschaltung unterbinden kann. Da Batteriesysteme, wie oben erwähnt, in sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt werden, werden entsprechend hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit des Batteriesystems gestellt. Unter Zuverlässigkeit versteht man die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten. Die Verfügbarkeit ist die Wahrscheinlichkeit, ein reparierbares System zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in einem funktionsfähigen Zustand vorzufinden.The problem is that in real applications, a high battery voltage is required, which is why a high number of battery cells must be connected in series, but at the same time the risk of failure of the overall arrangement with the number of series-connected battery cells increases, because even a single defective battery cell, the current flow can inhibit the series connection. Since battery systems, as mentioned above, are used in safety-relevant applications, correspondingly high demands are placed on the reliability and the availability of the battery system. Reliability is the ability of a system to operate correctly for a given time. Availability is the likelihood of finding a repairable system in a working state at a given time.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen, wobei jedes Batteriemodul eine Koppeleinheit und wenigstens eine zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltete Batteriezelle umfasst, eingeführt. Das Verfahren weist wenigstens die folgenden Schritte auf:
Detektieren einer defekten Batteriezelle und desjenigen Batteriemoduls, welches die defekte Batteriezelle enthält;
Abkoppeln der defekten Batteriezelle durch Ausgeben eines entsprechenden Steuersignales an die Koppeleinheit des detektierten Batteriemoduls;
ausgangsseitiges Überbrücken des detektierten Batteriemoduls;
Ankoppeln einer funktionsfähigen Batteriezelle an das detektierte Batteriemodul; und
Beendendes ausgangsseitigen Überbrückens des detektierten Batteriemoduls durch Beenden des Ausgebens des entsprechenden Steuersignals an die Koppeleinheit des detektierten Batteriemoduls.The invention therefore provides a method for operating a battery having a plurality of series-connected battery modules, each battery module comprising a coupling unit and at least one battery cell connected between a first input and a second input of the coupling unit. The method has at least the following steps:
Detecting a defective battery cell and that battery module containing the defective battery cell;
Decoupling the defective battery cell by outputting a corresponding control signal to the coupling unit of the detected battery module;
output bridging of the detected battery module;
Coupling a functional battery cell to the detected battery module; and
Terminating the output side bridging of the detected battery module by terminating the Outputting the corresponding control signal to the coupling unit of the detected battery module.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass eine defekte Batteriezelle detektiert und von der Serienschaltung der Batteriezellen der Batterie abgekoppelt werden kann, so dass die verbleibenden funktionsfähigen Batteriezellen weiter als Batterie eine Ausgangsspannung zur Verfügung stellen können. Anschließend können eine funktionsfähige Batteriezelle an das Batteriemodul mit der defekten Batteriezelle angekoppelt und die Abkopplung des Batteriemoduls beendet werden. Die Erfindung ermöglicht es so, die Batterie und eine von der Batterie versorgte oder unterstützte Vorrichtung trotz des tatsächlichen oder bevorstehenden Defektes einer Batteriezelle weiterzubetreiben und die Batterie im Betrieb zu reparieren, wodurch Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit stark gesteigert werden.The invention has the advantage that a defective battery cell can be detected and decoupled from the series connection of the battery cells of the battery, so that the remaining functional battery cells can continue to provide an output voltage as a battery. Subsequently, a functional battery cell can be coupled to the battery module with the defective battery cell and the decoupling of the battery module can be terminated. The invention thus makes it possible to continue to drive the battery and a device supplied or supported by the battery in spite of the actual or imminent defect of a battery cell and to repair the battery during operation, whereby reliability and availability are greatly increased.

Das Verfahren kann einen zusätzlichen Schritt des Entfernens der abgekoppelten defekten Batteriezelle aufweisen. Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet den Vorteil, dass defekte Batteriezellen beliebig oft ausgewechselt werden können, ohne das Volumen der Batterie zu erhöhen.The method may include an additional step of removing the disconnected defective battery cell. This variant of the method according to the invention offers the advantage that defective battery cells can be replaced as often as desired without increasing the volume of the battery.

Der Schritt des Detektierens der defekten Batteriezelle beinhaltet bevorzugt einen Schritt des Bestimmens eines Alterungszustandes der Batteriezellen und einen Schritt des Vergleichens des bestimmten Alterungszustandes mit einem vorbestimmten maximalen Alterungszustand. Eine Batteriezelle wird hierbei als defekt angesehen, wenn ihr Alterungszustand größer als der vorbestimmte maximale Alterungszustand ist. Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet den Vorteil, dass von einem Ausfall bedrohte Batteriezellen frühzeitig erkannt und bereits vor dem Ausfall die Maßnahmen für den unterbrechungsfreien Weiterbetrieb des Verfahrens ergriffen werden können. Generell ist im Rahmen der Erfindung unter einer „defekten Batteriezelle” auch eine bereits über eine bestimmte Alterung hinaus gealterte Batteriezelle gemeint.The step of detecting the defective battery cell preferably includes a step of determining an aging condition of the battery cells and a step of comparing the determined aging condition with a predetermined maximum aging condition. A battery cell is considered to be defective if its aging state is greater than the predetermined maximum aging state. This variant of the method according to the invention offers the advantage that battery cells threatened by a failure can be detected early and the measures for uninterrupted further operation of the method can be taken before the failure. In general, the term "defective battery cell" in the context of the invention also refers to a battery cell that has already aged beyond a specific aging.

Der Schritt des Bestimmens des Alterungszustandes der Batteriezellen kann insbesondere Schritte des Bestimmens eines Batteriestroms, einer Batteriezellspannung und einer Batteriezelltemperatur umfassen. Diese charakteristischen Parameter von Batteriezellen lassen eine Schätzung des Alterungszustandes von Batteriezellen zu, wofür im Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt sind, welche sich im Rahmen des Verfahrens der Erfindung einsetzen lassen.In particular, the step of determining the aging condition of the battery cells may include steps of determining a battery current, a battery cell voltage, and a battery cell temperature. These characteristic parameters of battery cells allow an estimation of the state of aging of battery cells, for which numerous techniques are known in the prior art which can be used within the scope of the method of the invention.

Besonders bevorzugt werden die Schritte des Abkoppelns der defekten Batteriezelle und des ausgangsseitigen Überbrückens des detektierten Batteriemoduls gleichzeitig ausgeführt. Wird der Schritt des Abkoppelns vor dem Schritt des Überbrückens ausgeführt, wird der Stromfluss in der Batterie für diese Zeitspanne unterbrochen. Im umgekehrten Fall würde die defekte Batteriezelle kurzzeitig kurzgeschlossen, was eine weitere Beschädigung der Batteriezelle oder weiterer Batteriezellen desselben Batteriemoduls zur Folge haben kann.Particularly preferably, the steps of uncoupling the defective battery cell and the output-side bridging of the detected battery module are carried out simultaneously. If the uncoupling step is performed before the bridging step, the current flow in the battery is interrupted for that period. In the opposite case, the defective battery cell would be briefly short-circuited, which may result in further damage to the battery cell or further battery cells of the same battery module.

Die Koppeleinheit des detektierten Batteriemoduls führt bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens den Schritt des ausgangsseitigen Überbrückens des detektierten Batteriemoduls aus. Da die Koppeleinheit auch den Schritt des Abkoppelns der defekten Batteriezelle durchführt, kann auf diese Weise besonders einfach sichergestellt werden, dass die beiden Schritte gleichzeitig, und durch das Steuersignal veranlasst, ausgeführt werden.The coupling unit of the detected battery module executes in preferred embodiments of the inventive method, the step of the output side bridging the detected battery module. In this way, since the coupling unit also performs the step of disconnecting the defective battery cell, it is particularly easy to ensure that the two steps are carried out simultaneously, and by the control signal.

Zum Schutz von Wartungspersonal wird besonders bevorzugt im Schritt des Abkoppelns der defekten Batteriezelle die defekte Batteriezelle zweipolig abgekoppelt, so dass an keinem der beiden Pole der defekten Batteriezelle oder der Batteriezellen des betroffenen Batteriemoduls eine hohe Spannung der verbleibenden Batteriezellen anliegt.To protect maintenance personnel, the defective battery cell is particularly preferably decoupled in a bipolar manner in the step of disconnecting the defective battery cell, so that a high voltage of the remaining battery cells is not applied to either of the two poles of the defective battery cell or the battery cells of the affected battery module.

Eine an die Batterie angeschlossene Vorrichtung kann von dem Schritt des Abkoppelns der defekten Batteriezelle bis zum Schritt des Beendens des ausgangsseitigen Überbrückens mit einer reduzierten Eingangsspannung betrieben werden. Der Betrieb mit reduzierter Leistung trägt dem Umstand Rechnung, dass während der genannten Zeitspanne nur eine reduzierte Ausgangsspannung der Batterie und somit auch nur eine entsprechend reduzierte maximale Ausgangsleistung zur Verfügung stehen.A device connected to the battery may be operated from the step of disconnecting the defective battery cell to the step of completing the output side bypassing with a reduced input voltage. The operation with reduced power takes into account the fact that during the time period mentioned only a reduced output voltage of the battery and thus only a correspondingly reduced maximum output power are available.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Steuereinheit und einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen, wobei jedes Batteriemodul eine Koppeleinheit und wenigstens eine zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltete Batteriezelle umfasst. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgebildet, das Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt durchzuführen.A second aspect of the invention relates to a battery having a control unit and a plurality of battery modules connected in series, each battery module comprising a coupling unit and at least one battery cell connected between a first input and a second input of the coupling unit. According to the invention, the control unit is designed to carry out the method according to the first aspect of the invention.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung führt ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ein.Another aspect of the invention introduces a motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a battery connected to the electric drive motor according to the second aspect of the invention.

Besonders bevorzugt sind dabei die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen die Vorteile einer hohen Zellspannung und eines hohen Energiegehaltes in einem gegebenen Volumen.In this case, the battery cells are particularly preferably lithium-ion battery cells. Lithium-ion battery cells have the advantages of high cell voltage and high energy content in a given volume.

Zeichnungen drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below, wherein like reference numerals designate like or functionally similar components. Show it:

1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik, 1 an electric drive system according to the prior art,

2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik, 2 a block diagram of a battery according to the prior art,

3 eine erste Ausführung einer Koppeleinheit zum Einsatz in einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, 3 a first embodiment of a coupling unit for use in a battery, with which the method according to the invention can be carried out,

4 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit, 4 a possible circuit implementation of the first embodiment of the coupling unit,

5A und 5B zwei Ausführungsformen eines Batteriemoduls mit der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit, 5A and 5B two embodiments of a battery module with the first embodiment of the coupling unit,

6 eine zweite Ausführungsform einer Koppeleinheit zum Einsatz in einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, 6 a second embodiment of a coupling unit for use in a battery, with which the method according to the invention can be carried out,

7 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der zweiten Ausführungsform der Koppeleinheit, 7 a possible circuit implementation of the second embodiment of the coupling unit,

8 eine Ausführungsform eines Batteriemoduls mit der zweiten Ausführungsform der Koppeleinheit, 8th an embodiment of a battery module with the second embodiment of the coupling unit,

9 eine Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, und 9 a battery with which the method according to the invention can be carried out, and

10 ein Flussdiagramm einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens. 10 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

3 zeigt eine erste Ausführung einer Koppeleinheit 30 zum Einsatz in einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln. 3 shows a first embodiment of a coupling unit 30 for use in a battery with which the method according to the invention can be carried out. The coupling unit 30 has two inputs 31 and 32 as well as an exit 33 and trained, one of the inputs 31 or 32 with the exit 33 to connect and uncouple the other.

4 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31, 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird, was beispielsweise im Fall einer Reparatur oder Wartung nützlich sein kann. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs verwirklicht werden. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann. 4 shows a possible circuit implementation of the first embodiment of the coupling unit 30 in which a first and a second switch 35 respectively 36 are provided. Each switch is between one of the inputs 31 respectively 32 and the exit 33 connected. This embodiment offers the advantage that both inputs 31 . 32 from the exit 33 can be disconnected, so that the output 33 high impedance, which may be useful in the case of repair or maintenance, for example. In addition, the switches can 35 . 36 can be easily realized as semiconductor switches such as MOSFETs or IGBTs. Semiconductor switches have the advantage of a low price and a high switching speed, so that the coupling unit 30 within a short time can respond to a control signal or a change of the control signal.

Die 5A und 5B zeigen zwei Ausführungsformen eines Batteriemoduls 40 mit der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit 30. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 11 ist zwischen die Eingänge der Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen 11 beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle 11 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 11. Im Beispiel der 5A sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Terminal 41 und der negative Pol der Batteriezellen 11 mit einem zweiten Terminal 42 verbunden. Es ist jedoch eine beinahe spiegelbildliche Anordnung wie in 5B möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 11 mit dem ersten Terminal 41 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Terminal 42 verbunden sind.The 5A and 5B show two embodiments of a battery module 40 with the first embodiment of the coupling unit 30 , A plurality of battery cells 11 is between the inputs of the coupling unit 30 connected in series. However, the invention is not limited to such a series connection of battery cells 11 limited, it can only be a single battery cell 11 be provided or a parallel connection or mixed-serial-parallel connection of battery cells 11 , In the example of 5A are the output of the coupling unit 30 with a first terminal 41 and the negative pole of the battery cells 11 with a second terminal 42 connected. However, it is an almost mirror-image arrangement as in 5B possible at the positive pole of the battery cells 11 with the first terminal 41 and the output of the coupling unit 30 with the second terminal 42 are connected.

6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Koppeleinheit 50 zum Einsatz in einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Koppeleinheit 50 besitzt zwei Eingänge 51 und 52 sowie zwei Ausgänge 53 und 54. Sie ist ausgebildet, entweder den ersten Eingang 51 mit dem ersten Ausgang 53 sowie den zweiten Eingang 52 mit dem zweiten Ausgang 54 zu verbinden (und den ersten Ausgang 53 vom zweiten Ausgang 54 abzukoppeln) oder aber den ersten Ausgang 53 mit dem zweiten Ausgang 54 zu verbinden (und dabei die Eingänge 51 und 52 abzukoppeln). Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 51, 52 von den Ausgängen 53, 54 abzutrennen und auch den ersten Ausgang 53 vom zweiten Ausgang 54 abzukoppeln. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den ersten Eingang 51 mit dem zweiten Eingang 52 zu verbinden. 6 shows a second embodiment of a coupling unit 50 for use in a battery with which the method according to the invention can be carried out. The coupling unit 50 has two inputs 51 and 52 as well as two exits 53 and 54 , It is trained, either the first entrance 51 with the first exit 53 as well as the second entrance 52 with the second exit 54 to connect (and the first output 53 from the second exit 54 decouple) or the first output 53 with the second exit 54 to connect (and thereby the inputs 51 and 52 decoupling). In certain embodiments of the coupling unit, this may also be formed, both inputs 51 . 52 from the exits 53 . 54 separate and also the first output 53 from the second exit 54 decouple. Not provided, however, is both the first entrance 51 with the second entrance 52 connect to.

7 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der zweiten Ausführungsform der Koppeleinheit 50, bei der ein erster, ein zweiter und ein dritter Schalter 55, 56 und 57 vorgesehen sind. Der erste Schalter 55 ist zwischen den ersten Eingang 51 und den ersten Ausgang 53 geschaltet, der zweite Schalter 56 ist zwischen den zweiten Eingang 52 und den zweiten Ausgang 54 und der dritte Schalter 57 zwischen den ersten Ausgang 53 und den zweiten Ausgang 54 geschaltet. Diese Ausführungsform bietet ebenfalls den Vorteil, dass die Schalter 55, 56 und 57 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs verwirklicht werden können. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 50 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann. 7 shows a possible circuit implementation of the second embodiment of the coupling unit 50 in which a first, a second and a third switch 55 . 56 and 57 are provided. The first switch 55 is between the first entrance 51 and the first exit 53 switched, the second switch 56 is between the second entrance 52 and the second exit 54 and the third switch 57 between the first exit 53 and the second exit 54 connected. This embodiment also offers the advantage that the switches 55 . 56 and 57 can be easily realized as a semiconductor switch such as MOSFETs or IGBTs. Semiconductor switches have the advantage of a low price and a high switching speed, so that the coupling unit 50 within a short time can respond to a control signal or a change of the control signal.

Die 8 zeigt eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 60 mit der zweiten Ausführungsform der Koppeleinheit 50. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 11 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 50 in Serie geschaltet. Auch diese Ausführungsform des Batteriemoduls 60 ist nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen 11 beschränkt, es kann wiederum auch nur eine einzelne Batteriezelle 11 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 11. Der erste Ausgang der Koppeleinheit 50 ist mit einem ersten Terminal 61 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 40 mit einem zweiten Terminal 62 verbunden. Das Batteriemodul 60 bietet gegenüber dem Batteriemodul 40 der 5A und 5B den Vorteil, dass die Batteriezellen 11 durch die Koppeleinheit 50 von der restlichen Batterie beidseitig abgekoppelt werden können, was einen gefahrlosen Austausch im laufenden Betrieb ermöglicht, da an keinem Pol der Batteriezellen 11 die gefährliche hohe Summenspannung der restlichen Batteriemodule der Batterie anliegt.The 8th shows an embodiment of a battery module 60 with the second embodiment of the coupling unit 50 , A plurality of battery cells 11 is between the inputs of a coupling unit 50 connected in series. Also, this embodiment of the battery module 60 is not on such a series connection of battery cells 11 limited, it may in turn only a single battery cell 11 be provided or a parallel connection or mixed-serial-parallel connection of battery cells 11 , The first output of the coupling unit 50 is with a first terminal 61 and the second output of the coupling unit 40 with a second terminal 62 connected. The battery module 60 offers opposite the battery module 40 of the 5A and 5B the advantage that the battery cells 11 through the coupling unit 50 can be disconnected on both sides of the remaining battery, which allows a safe replacement during operation, as no pole of the battery cells 11 the dangerous high sum voltage of the remaining battery modules of the battery is applied.

9 zeigt eine Ausführungsform einer Batterie, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Batterie weist einen Batteriemodulstrang 70 mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen 40 oder 60 auf, wobei vorzugsweise jedes Batteriemodul 40 oder 60 dieselbe Anzahl von Batteriezellen 11 in identischer Weise verschaltet enthält. Generell kann der Batteriemodulstrang 70 jede Zahl von Batteriemodulen 40 oder 60 größer 1 enthalten. Auch können an den Polen des Batteriemodulstranges 70 zusätzlich Lade- und Trenneinrichtungen und Trenneinrichtungen wie bei 2 vorgesehen sein, wenn Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Allerdings sind solche Trenneinrichtungen erfindungsgemäß nicht notwendig, weil eine Abkopplung der Batteriezellen 11 von den Batterieanschlüssen durch die in den Batteriemodulen 40 oder 60 enthaltenen Koppeleinheiten 30 oder 50 erfolgen kann. 9 shows an embodiment of a battery with which the inventive method can be performed. The battery has a battery module string 70 with a plurality of battery modules 40 or 60 preferably, each battery module 40 or 60 the same number of battery cells 11 contains interconnected in an identical way. Generally, the battery module string 70 every number of battery modules 40 or 60 greater than 1 included. Also, at the poles of the battery module string 70 in addition loading and separating devices and separating devices as in 2 be provided if safety requirements so require. However, such separation devices are not necessary according to the invention, because a decoupling of the battery cells 11 from the battery terminals through those in the battery modules 40 or 60 contained coupling units 30 or 50 can be done.

10 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren startet im Schritt S0. Im Schritt S1 werden ein Batteriestrom und eine Batteriezellspannung sowie optional eine Batteriezelltemperatur bestimmt. Im Schritt S2 wird aus diesen charakteristischen Parametern ein Alterungszustand der gemessenen Batteriezelle berechnet, der im darauffolgenden Schritt S3 mit einem vorbestimmten maximalen Alterungszustand verglichen wird. Im Schritt S4 wird festgestellt, ob der Alterungszustand der gemessenen Batteriezelle größer als der vorbestimmte maximale Alterungszustand ist. Ist dies nicht der Fall, wird zum Schritt S5 verzweigt, in dem geprüft wird, ob weitere Batteriezellen vorhanden sind, die noch geprüft werden müssen. Sind weitere solche Batteriezellen vorhanden, wird zum Schritt S1 zurück verzweigt und die nächste Batteriezelle geprüft. Andernfalls wird das Verfahren mit dem Schritt S10 beendet. 10 shows a flowchart of an embodiment of the method according to the invention. The process starts in step S0. In step S1, a battery current and a battery cell voltage and optionally a battery cell temperature are determined. In step S2, from these characteristic parameters, an aging state of the measured battery cell is calculated, which is compared in the subsequent step S3 with a predetermined maximum aging state. In step S4, it is determined whether the aging state of the measured battery cell is greater than the predetermined maximum aging state. If this is not the case, a branch is made to step S5, in which it is checked whether there are any further battery cells which still have to be tested. If there are further such battery cells, a branch is made back to step S1 and the next battery cell is checked. Otherwise, the process is ended with step S10.

Wurde im Schritt S4 festgestellt, dass der Alterungszustand der gemessenen Batteriezelle größer als der vorbestimmte maximale Alterungszustand ist, wird die Batteriezelle als defekt angesehen und mit dem Schritt S6 fortgesetzt, in dem die defekte Batteriezelle durch Ausgeben eines entsprechenden Steuersignales an die Koppeleinheit des Batteriemoduls, das die defekte Batteriezelle enthält, von den übrigen seriengeschalteten Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen abgekoppelt wird. Gleichzeitig wird im Schritt S6 das Batteriemodul, das die defekte Batteriezelle enthält, ausgangsseitig überbrückt, so dass das Batteriemodul elektrisch inaktiv und die verbleibenden Batteriemodule zu einem einzigen Strang seriengeschaltet werden. Im Schritt S7 wird die abgekoppelte defekte Batteriezelle entfernt und im folgenden Schritt S8 eine funktionsfähige Batteriezelle an das Batteriemodul mit der defekten Batteriezelle angekoppelt. Im Schritt S9 wird das ausgangsseitige Überbrücken des Batteriemoduls durch Beenden des Ausgebens des entsprechenden Steuersignals an seine Koppeleinheit beendet und so die funktionsfähige Batteriezelle wieder in die Serienschaltung aller Batteriezellen der Batterie einbezogen.If it has been determined in step S4 that the aging state of the measured battery cell is greater than the predetermined maximum aging state, the battery cell is considered defective and proceeds to step S6, in which the defective battery cell by outputting a corresponding control signal to the coupling unit of the battery module contains the defective battery cell is disconnected from the other series-connected battery cells or battery modules. At the same time, in step S6, the battery module containing the defective battery cell is bypassed on the output side, so that the battery module is electrically inactive and the remaining battery modules are connected in series to form a single string. In step S7, the disconnected defective battery cell is removed and coupled in the following step S8 a functional battery cell to the battery module with the defective battery cell. In step S9, the output-side bridging of the battery module is terminated by stopping the outputting of the corresponding control signal to its coupling unit and so the functioning battery cell is included again in the series connection of all battery cells of the battery.

Claims (10)

Ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40, 60), wobei jedes Batteriemodul (40, 60) eine Koppeleinheit (30, 50) und wenigstens eine zwischen einen ersten Eingang (31, 51) und einen zweiten Eingang (32, 52) der Koppeleinheit (30, 50) geschaltete Batteriezelle (11) umfasst, das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte aufweisend: Detektieren einer defekten Batteriezelle (11) und desjenigen Batteriemoduls (40, 60), welches die defekte Batteriezelle (11) enthält; Abkoppeln der defekten Batteriezelle (11) durch Ausgeben eines entsprechenden Steuersignales an die Koppeleinheit (30, 50) des detektierten Batteriemoduls (40, 60); ausgangsseitiges Überbrücken des detektierten Batteriemoduls (40, 60); Ankoppeln einer funktionsfähigen Batteriezelle (11) an das detektierte Batteriemodul (40, 60); und Beenden des ausgangsseitigen Überbrückens des detektierten Batteriemoduls (40, 60) durch Beenden des Ausgebens des entsprechenden Steuersignals an die Koppeleinheit (30, 50) des detektierten Batteriemoduls (40, 60).A method of operating a battery having a plurality of serially connected battery modules ( 40 . 60 ), each battery module ( 40 . 60 ) a coupling unit ( 30 . 50 ) and at least one between a first input ( 31 . 51 ) and a second input ( 32 . 52 ) of the coupling unit ( 30 . 50 ) connected battery cell ( 11 ), the method comprises at least the following steps: detecting a defective battery cell ( 11 ) and that battery module ( 40 . 60 ), which the defective battery cell ( 11 ) contains; Disconnecting the defective battery cell ( 11 ) by outputting a corresponding control signal to the coupling unit ( 30 . 50 ) of the detected battery module ( 40 . 60 ); Output bridging of the detected battery module ( 40 . 60 ); Connecting a functioning battery cell ( 11 ) to the detected battery module ( 40 . 60 ); and terminating the output side bypassing of the detected battery module ( 40 . 60 ) by stopping the outputting of the corresponding control signal to the coupling unit ( 30 . 50 ) of the detected battery module ( 40 . 60 ). Das Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einem zusätzlichen Schritt des Entfernens der abgekoppelten defekten Batteriezelle (11).The method according to claim 1, comprising an additional step of removing the disconnected defective battery cell ( 11 ). Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Schritt des Detektierens der defekten Batteriezelle (11) einen Schritt des Bestimmens eines Alterungszustandes der Batteriezellen (11) und einen Schritt des Vergleichens des bestimmten Alterungszustandes mit einem vorbestimmten maximalen Alterungszustand beinhaltet, wobei eine Batteriezelle defekt ist, wenn ihr Alterungszustand größer als der vorbestimmte maximale Alterungszustand ist.The method according to one of claims 1 or 2, wherein the step of detecting the defective battery cell ( 11 ) a step of determining an aging condition of the battery cells ( 11 ) and a step of comparing the determined aging condition with a predetermined maximum aging condition, wherein a battery cell is defective when its aging condition is greater than the predetermined maximum aging condition. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt des Bestimmens des Alterungszustandes der Batteriezellen (11) Schritte des Bestimmens eines Batteriestroms, einer Batteriezellspannung und einer Batteriezelltemperatur umfasst.The method of claim 3, wherein the step of determining the state of aging of the battery cells ( 11 ) Comprises steps of determining a battery current, a battery cell voltage, and a battery cell temperature. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schritte des Abkoppelns der defekten Batteriezelle (11) und des ausgangsseitigen Überbrückens des detektierten Batteriemoduls (40, 60) gleichzeitig ausgeführt werden.The method according to one of the preceding claims, wherein the steps of disconnecting the defective battery cell ( 11 ) and the output-side bridging of the detected battery module ( 40 . 60 ) are executed simultaneously. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Koppeleinheit (30, 50) des detektierten Batteriemoduls (40, 60) den Schritt des ausgangsseitigen Überbrückens des detektierten Batteriemoduls (40, 60) ausführt.The method according to one of the preceding claims, wherein the coupling unit ( 30 . 50 ) of the detected battery module ( 40 . 60 ) the step of output side bridging the detected battery module ( 40 . 60 ). Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt des Abkoppelns der defekten Batteriezelle (11) die defekte Batteriezelle (11) zweipolig abgekoppelt wird.The method according to one of the preceding claims, wherein in the step of disconnecting the defective battery cell ( 11 ) the defective battery cell ( 11 ) is decoupled bipolar. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine an die Batterie angeschlossene Vorrichtung von dem Schritt des Abkoppelns der defekten Batteriezelle (11) bis zum Schritt des Beendens des ausgangsseitigen Überbrückens mit einer reduzierten Eingangsspannung betrieben wird.The method according to one of the preceding claims, wherein a device connected to the battery is dependent on the step of disconnecting the defective battery cell ( 11 ) is operated until the step of terminating the output-side bypass with a reduced input voltage. Eine Batterie mit einer Steuereinheit und einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40, 60), wobei jedes Batteriemodul (40, 60) eine Koppeleinheit (30, 50) und wenigstens eine zwischen einen ersten Eingang (31, 51) und einen zweiten Eingang (32, 52) der Koppeleinheit (30, 50) geschaltete Batteriezelle (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.A battery having a control unit and a plurality of serially connected battery modules ( 40 . 60 ), each battery module ( 40 . 60 ) a coupling unit ( 30 . 50 ) and at least one between a first input ( 31 . 51 ) and a second input ( 32 . 52 ) of the coupling unit ( 30 . 50 ) connected battery cell ( 11 ), characterized in that the control unit is designed to carry out the method according to one of the preceding claims. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß Anspruch 9.A motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a battery connected to the electric drive motor according to claim 9.
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