DE102012007229A1

DE102012007229A1 - Batteriezellenanordnung mit Verpolschutz

Info

Publication number: DE102012007229A1
Application number: DE102012007229A
Authority: DE
Inventors: Andre Gronke; Heiko Hachtel; Markus Meiler; Thomas Soczka-Guth; Armin Stähle; Philip Ulrich; Hartung Wilstermann; Tobias Zorn
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-04-07
Filing date: 2012-04-07
Publication date: 2012-10-11
Also published as: WO2013149722A1

Abstract

Batteriezellenanordnung (1) mit Verpolschutz, aufweisend mindestens ein erstes Zellenmodul (M1 bis Mn), das mindestens zwei Batteriezellen (Z1, Z2) in einem seriellen Verbund umfasst, und eine Zellelektronik (3), die an das mindestens eine erste Zellenmodul (M1 bis Mn) angeschlossen ist. Die Zellelektronik (3) umfasst dabei einen Verpolschutz, der dazu ausgebildet ist, die Zellelektronik (3) vor Beschädigung durch eine Umpolung mindestens einer Batteriezelle (Z1, Z2) des Zellenmoduls (M1 bis Mn) zu schützen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung mit Verpolschutz nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 101 25 828 A1 ist ein Verpolschutz für Energiequellen, insbesondere für Autobatterien, bekannt, der zwischen die Energiequelle und einen Generator bzw. einen Verbraucher geschaltet wird. Der Verpolschutz umfasst dabei einen Sensor, beispielsweise einen Stromsensor, um zu Erkennen, ob die beiden Pole der Energiequelle an die richtigen Anschlüsse des Verbrauchers bzw. des Generators angeschlossen sind, und Mittel zum Abkoppeln der Energiequelle, wie beispielsweise eine Sicherung, bei falscher Polung der Energiequelle.
Beim Tiefentladen von Batterien, insbesondere HV-Batterien, zum Zweck der Sicherung, Befundung und der Entsorgung können einzelne oder mehrere Zellen im seriellen Verbund, bedingt durch Ladezustand oder Kapazitätsunterschiede, umgepolt werden. Derselbe Effekt kann auch bei internen Kurzschlüssen auftreten. Bei ungeschützter Elektronik kann dies zur Beschädigung bis hin zum Brand der gesamten Batterie führen. Somit ist es wünschenswert die an die Batterie angeschlossene Elektronik nicht nur im Fall einer Verpolung der gesamten Batterie sondern auch im Fall der Umpolung einzelner Batteriezellen zu schützen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Batteriezellenanordnung mit Verpolschutz bereitzustellen, die Schutz vor Beschädigung der Elektronik und eine generell verbesserte Sicherheit der Batterie bietet.
Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung mit Verpolschutz weist mindestens ein erstes Zellenmodul, das mindestens zwei Batteriezellen in einem seriellen Verbund umfasst, und eine Zellelektronik auf, die an das mindestens eine erste Zellenmodul angeschlossen ist. Die Zellelektronik umfasst dabei einen Verpolschutz, der dazu ausgebildet ist, die Zellelektronik vor Beschädigung durch eine Umpolung mindestens einer Batteriezelle des Zellenmoduls zu schützen. Somit ist es möglich, die Elektronik vor Beschädigung und vor Brand in den Fällen Sicherung der Batterie, Befundung, Entsorgung und bei internen Kurzschlüssen zu schützen. Dies führt zu einer generell verbesserten Sicherheit der Batterie
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriezellenanordnung mindestens ein zweites Zellenmodul auf, wobei die Zellelektronik auch am mindestens einen zweiten Zellenmodul angeschlossen ist, wobei der Verpolschutz der Zellelektronik dazu ausgebildet ist, die Zellelektronik vor Beschädigung durch eine Umpolung mindestens eines der Zellenmodule zu schützen. So kann die Zellelektronik sowohl vor Beschädigung durch die Umpolung einzelner Batteriezellen in einem Zellenmodul als auch vor der Umpolung eines gesamten Zellenmoduls geschützt werden.
Vorteilhafterweise kann der Verpolschutz dabei mindestens eine Diode und/oder mindestens eine Schmelzsicherung und/oder mindestens ein elektrisches Schaltelement und/oder mindestens ein mechanisches Schaltelement und/oder mindestens eine galvanische Trennung von mindestens einer Batteriezelle und der Zellelektronik umfassen. Mit diesen Elementen ist es möglich, eine geeignete Schutzbeschaltung zum Schutz der Elektronik vor Schäden durch Umpolung einer Batteriezelle umzusetzen. Beispielweise kann eine Stromumkehr, bedingt durch die Umpolung einer oder mehrerer Batteriezellen oder eines oder mehrerer Zellmodule, verhindert werden, oder der Stromfluss durch die Teilstromkreise der umgepolten Batteriezellen oder Zellenmodule unterbrochen oder von der Zellelektronik entkoppelt werden.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung mit einem Batteriepack und einer Zellelektronik mit Verpolschutz gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung einer in eine Mess- und Balancing-Einheit integrierten Schutzschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 1 mit einem Batteriepack 4 und einer Zellelektronik 3 mit Verpolschutz gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriepack 4 umfasst dabei eine Mehrzahl von Zellenmodulen M₁ bis M_n, die wiederum eine Mehrzahl von Batteriezellen Z₁ bis Z_N, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, umfassen. Die Zellelektronik 3 ist mit dem Batteriepack 4 verbunden und kann mehrere Komponenten einschließen, die für verschiedene Steuerungs- und Überwachungsfunktionen zuständig sind. Beispielsweise kann die Zellelektronik 3 mehrere Messbausteine B₁ bis B_n umfassen, wobei jeder Messbaustein B₁ bis B_n an ein Zellenmodul M₁ bis M_n angeschlossen ist. Des Weiteren kann die Zellelektronik 3 Mess- und Balancing-Einheiten E₁ bis E_n umfassen, die mit den einzelnen Batteriezellen Z₁ bis Z_N sowie mit den Messbausteinen B₁ bis B_n verbunden sind. Darüber hinaus weist die Zellelektronik 3 einen Verpolschutz auf, der die Zellelektronik 3 vor Beschädigung durch eine Umpolung mindestens einer Batteriezelle Z₁ bis Z_N eines Zellenmoduls M₁ bis M_n oder auch eines gesamten Zellenmoduls M₁ bis M_n schützt. Der Verpolschutz kann dabei mehrere Verpolschutzelemente 2 umfassen, beispielsweise in Form einer Schutzschaltung, die Dioden, Schmelzsicherungen, elektrische und/oder mechanische Schaltelemente, Halbleiter und/oder eine galvanische Trennung von mindestens einer Batteriezelle und der Zellelektronik aufweisen kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist in die Schaltungen zwischen einem Zellenmodul M₁ bis M_n und einem Messbaustein B₁ bis B_n eine Schutzschaltung integriert, insbesondere in Form einer Diode, die bei Umpolung eines Zellenmoduls M₁ bis M_n eine Stromumkehr in der Schaltung zwischen dem Zellenmodul M₁ bis M_n und dem Messbaustein B₁ bis B_n verhindert. Des Weiteren sind auch in den Mess- und Balancing-Einheiten E₁ bis E_n Verpolschutzelemente 2 integriert, die die Zellelektronik 3 vor Beschädigung durch einen Umpolung einzelner Batteriezellen Z₁ bis Z_N schützt. Die prinzipielle Funktionsweise dieser Schutzschaltungen ist in 2 dargestellt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer in eine Mess- und Balancing-Einheit E₁ bis E_n integrierten Schutzschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Mess- und Balancing-Einheit E₁ bis E_n umfasst dabei eine Mehrzahl von Balancing-Schaltungen 5, die in 2 nur schematisch dargestellt sind und eine Freilaufdiodenstrecke umfassen, um Beschädigungen von Schaltelementen, wie beispielsweise Transistoren, zu verhindern. Weiterhin umfasst die Mess- und Balancing-Einheit E₁ bis E_n eine Mehrzahl von Verpolschutzelementen 2, beispielsweise in Form von Dioden, die in einer Schaltung zwischen einer Batteriezelle Z₁ bis Z_n und einer Balancing-Schaltung 5 angeordnet sind um Beschädigungen der Balancing-Schaltung 5, der Messeinheit E₁ bis E_n und/oder der gesamten Zellelektronik 3 durch Umpolung einzelner Batteriezellen Z₁ bis Z_n zu verhindern.
Insgesamt wird so eine Batteriezellenanordnung mit Verpolschutz bereitgestellt, die Schutz vor Beschädigung der Elektronik und Brandschutz in den Fällen Sicherung der Batterie, Befundung, Entsorgung und bei internen Kurzschlüssen, die beispielsweise durch einen Crash verursacht werden, bietet und die Sicherheit der Batterie generell verbessert.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezellenanordnung
2: Verpolschutzelemente
3: Zellelektronik
4: Batteriepack
5: Balancing-Schaltung
B₁ bis B_n: Messbaustein
E₁ bis E_n: Balancing-Einheit
M₁ bis M_n: Zellenmodul
Z₁ bis Z_N: Batteriezellen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10125828 A1 [0002]

Claims

Batteriezellenanordnung (1) mit Verpolschutz, aufweisend mindestens ein erstes Zellenmodul (M₁ bis M_n), das mindestens zwei Batteriezellen (Z₁, Z₂) in einem seriellen Verbund umfasst, und eine Zellelektronik (3), die an das mindestens eine erste Zellenmodul (M) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellelektronik (3) einen Verpolschutz umfasst, der dazu ausgebildet ist, die Zellelektronik (3) vor Beschädigung durch eine Umpolung mindestens einer Batteriezelle (Z₁, Z₂) des Zellenmoduls (M₁ bis M_n) zu schützen.
Batteriezellenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellenanordnung (1) mindestens ein zweites Zellenmodul umfasst, wobei die Zellelektronik (3) auch am mindestens einen zweiten Zellenmodul angeschlossen ist, wobei der Verpolschutz der Zellelektronik (3) dazu ausgebildet ist, die Zellelektronik (3) vor Beschädigung durch eine Umpolung mindestens eines der Zellenmodule zu schützen.
Batteriezellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpolschutz mindestens eine Diode umfasst.
Batteriezellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpolschutz mindestens eine Schmelzsicherung umfasst.
Batteriezellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpolschutz mindestens ein elektrisches und/oder mechanisches Schaltelement umfasst.
Batteriezellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpolschutz mindestens eine galvanische Trennung von mindestens einer Batteriezelle und der Zellelektronik umfasst.