DE102012210595A1

DE102012210595A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102012210595A1
Application number: DE201210210595
Authority: DE
Inventors: Jens Schneider; Werner Schiemann; Stefan Butzmann; Fabian Henrici
Original assignee: Robert Bosch GmbH; SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Robert Bosch Battery Systems GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Es werden eine Batteriezelle (10), eine Batterie und ein Verfahren zum Überwachen der Batteriezelle (10) vorgestellt. In der Batteriezelle (10), die über Stromanschlüsse (22) verfügt, ist ein galvanisches Element (12) integriert und es ist ein Batteriesensor (14) zugeordnet, wobei zusätzlich mindestens ein Schalter (16) vorgesehen ist, der von dem Batteriesensor (14) anzusteuern ist und mit den Stromanschlüssen (22) in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem zugeordneten Batteriesensor, eine Batterie mit einer Anzahl solcher Batteriezellen und ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle. Der Batteriesensor kann in oder an einer Batteriezelle, bspw. einem Lithium-Ionen Akkumulator, eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs an- oder eingebaut sein.
Stand der Technik
Eine Zusammenschaltung mehrerer in der Regel gleichartiger galvanischer Zellen wird als Batterie bezeichnet. Diese stellt einen elektrochemischen Energiespeicher und einen Energiewandler dar. In der Batterie, die zur Abgabe elektrischer Energie vorgesehen ist, wird bei der Entladung gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umgewandelt. Die Zellen der Batterie, die parallel oder in Reihe oder gemischt geschaltet sein können, sind in sogenannten Modulen angeordnet. Eines oder mehrere dieser Module, in Reihe oder parallel geschaltet, bilden die Batterie.
Bei den genannten Zellen wird zwischen Primärzellen, die nicht wiederaufladbar sind, und Sekundärzellen, die wiederaufladbar sind, unterschieden. Eine wiederaufladbaren Batterie wird auch als Akkumulator mit Akkuzellen bezeichnet. Im folgenden wird unter Batterie sowohl eine nicht wiederaufladbare als auch eine wiederaufladbare Batterie verstanden.
In Kraftfahrzeugen werden Batterien zur Bereitstellung des elektrischen Stroms für den Anlasser des Verbrennungsmotors als sogenannte Starterbatterien verwendet, die z.B. als Bleiakkumulator ausgebildet sind. Neben der Versorgung des Anlassers versorgt die Batterie auch die anderen elektrischen Verbraucher im Fahrzeug. Zum Anlassen des Verbrennungsmotors sind kurzzeitig hohe Ströme erforderlich, die auch bei niedrigen Temperaturen bereitgestellt werden müssen. Außerdem werden in sogenannten Elektrofahrzeugen Batterien als Energiequellen für den Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt. Diese werden auch als Traktionsbatterien bezeichnet.
Es hat sich in jedem Fall als zweckdienlich erwiesen, die Funktionsfähigkeit der Batterie im Fahrzeug regelmäßig oder sogar kontinuierlich zu überwachen. Auf diese Weise kann ein sicherer Betrieb des Kraftfahrzeugs gewährleistet werden. Hierzu werden Kenn- bzw. Betriebsgrößen der Batterie, wie bspw. Ladungszustand, Temperatur, Druck, insbesondere der Zellinnendruck, Strom, Impedanz usw., aufgenommen, wozu es erforderlich ist, Daten in der Batterie aufzunehmen bzw. zu erfassen.
Hierzu ist es bekannt, innerhalb der Batterie Messwerte der Batteriezellen mittels diskreter Elektronik zu erfassen und diese Werte über dezidierte Datenleitungen, wie bspw. einem CAN-Bus, an ein zentrales Steuergerät zu übertragen, das ein zentrales Schütz auslösen kann. Somit stellt die Batterie als Ganzes ein eigensicheres System dar.
Die Druckschrift DE 10 2009 036 086 A1 beschreibt eine Überwachungselektronik für eine Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen, wobei die Überwachungselektronik eine Anzahl von Zellüberwachungsschaltkreisen aufweist, die an einer flexiblen Platine befestigt sind. Auf dieser sind ebenfalls Schnittstellen zu weiteren Batteriemodulen, Batteriemanagementsystemen oder anderen Komponenten vorgesehen.
Daneben ist zur Erzeugung einer Wechselspannung aus der Batteriegleichspannung die Verwendung eines Inverters bekannt. Dieser Inverter kann vollständig von der Batterie getrennt sein. Es ist ebenfalls bekannt, die Leistungsschalter auf Modulebene zu verwenden, um eine Wechselspannung zu erzeugen. Diese Ausführung wird als Batteriedirektinverter (BDI) bezeichnet. Ein Modul stellt dabei eine Zusammenschaltung von einem Teil der Zellen einer Batterie zu einer eigenen Einheit dar.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden eine Batteriezelle nach Anspruch 1, eine Batterie gemäß Anspruch 7 und ein Verfahren zum Überwachen einer solchen Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Es wird somit eine eigensichere Zelle vorgestellt. Insbesondere wird in einer Ausführungsfom ein Batteriedirektinverter (BDI) auf Zellebene ermöglicht. Bei der vorgestellten Batterie wird eine Batteriezelle für Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit einer Vorrichtung zur, einseitigen oder zweiseitigen, Abtrennung des eigentlichen galvanischen Elements bzw. Zellwickels von den Zellanschlüssen ausgestattet. Der hierfür vorgesehene Batteriesensor kann in einer Ausführung dazu in der Lage sein, die Anschlüsse der Batteriezelle kurzzuschließen, um die Funktionalität eines BDI darzustellen. Dies kann weiterhin zum passiven Zellenaus- bzw. abgleichen (cell balancing) verwendet werden.
Der beschriebene Batteriesensor kann bspw. in einem ASIC implementiert sein. Alternativ kann die Vorrichtung als Zusatzfunktion einen bereits vorhandenen integrierten Batteriesensor und/oder ASIC erweitern. Dabei kann der Batteriesensor in die Zelle integriert sein oder an die Zelle angebaut sein.
Die beschriebene Funktion der vorgestellten eigensicheren Zelle in einem Batteriesensor, der aus der Zelle selbst mit Energie versorgt wird, trennt bei Eintritt eines kritischen Zellzustands die Verbindung zwischen dem galvanischen Element und den Zellanschlüssen. In einer möglichen Ausführung ist dafür bspw. auf dem ASIC ein Leistungsschalter integriert. In einer weiteren Ausführungsform wird eine vorhandene Stromunterbrechungseinrichtung (CID: current interrupt device) um eine elektrische, reversible oder irreversible, Betätigungsmöglichkeit erweitert.
Zu beachten ist, dass ein kritischer Zellzustand durch Überschreiten eines oder mehrerer Grenzwerte, bspw. hinsichtlich Zellspannung, Zelltemperatur, Zellinnendruck, Stromstärke usw., indiziert sein kann. Diese Grenzwerte können messtechnisch durch den Batteriesensor überwacht oder ihm gemeldet werden. Dies kann bspw. durch ein Steuergerät erfolgen. Weiterhin kann auch eine UND-und/oder ODER-Verknüpfung zwischen Grenzwertüberschreitungen verschiedener Messwerte zur Indizierung verwendet werden.
Eine erweiterte Funktion gemäß dem vorgestellten Verfahren ist diejenige eines BDI. Dazu muss zusätzlich zur Abtrennung des galvanischen Elements ein Leistungsschalter bereitgestellt werden, der die Zellanschlüsse der Zelle kurzschließen kann. Sind mehrere Zellen extern in Reihe geschaltet, wie dies standardmäßig vorgesehen ist, ermöglichen es die Schalter in jeder Zelle durch zeitliche Variation des Zellzustands, nämlich überbrückt oder eingeschleift, eine Wechselspannung ohne weitere Bauteile, wie bspw. diskrete Elektronik, zu erzeugen.
Die vorgestellte Batteriezelle weist, zumindest in einigen der Ausführungen, einige Vorteile auf. So senkt eine eigensichere Batteriezelle die ASIL-Anforderungen an das Gesamtsystem Batterie. Insbesondere muss eine störungsfreie Kommunikation zwischen dem Batteriesensor und dem Steuergerät nicht mehr zur Erfüllung von ASIL sichergestellt werden. Weiterhin muss zur ASIL-Feststellung nur noch das einfachere System Batterizelle statt des komplexeren Systems Batterie betrachtet werden. Außerdem kann unter Umständen das Schütz in der Batterie entfallen, was erhebliche Kosten einspart.
Darüber hinaus weist die Ausführung mit einem zellinternen BDI weitere Vorteile auf: So werden keine externen Bauteile benötigt, so dass die Batterie kompakter ausgeführt werden kann. Durch die niedrige Stufung, mit der bei zellinternen BDI die Wechselspannung dargestellt werden kann, werden deutlich weniger EMV-Störungen erzeugt. Weiterhin wird die Verlustwärme der Schalter aufgeteilt und kann daher leichter abgeführt werden. Schließlich ist die Funktion, die als passives cell balancing bezeichnet wird, integriert.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Ausführungsform der Batteriezelle.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Batteriezelle.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine Batteriezelle 10, die eine eigensichere Zelle darstellt und in der ein galvanisches Element bzw. ein Zellwickel 12, ein Batteriesensor 14 und ein Schalter 16, der als Stromunterbrechungseinrichtung ausgebildet ist, vorgesehen sind. Der Batteriesensor 14, der zellinterne Größen aufnimmt, wird über Versorgungsleitungen 20 mit Energie versorgt. Weiterhin sind bei der Batteriezelle 10 Stromanschlüsse 22 nach außen geführt.
Stellt der Batteriesensor 12, der in der gezeigten Ausführung als ASIC ausgebildet ist, ein Überschreiten vorgegebener Grenzwerte fest, so erfolgt eine elektrische Auslösung (Pfeil 24) des Schalters 16, nämlich der Stromunterbrechungseinrichtung. Hierzu steht der Schalter 16 mit einem der Stromanschlüsse 22 in Verbindung. Auf diese Weise erfolgt eine einseitige Abtrennung des galvanischen Elements 12 von den Strom- bzw. Zellanschlüssen 22.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform der vorgestellten Batteriezelle, insgesamt mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet, wiedergegeben. Diese Batteriezelle 40 umfasst ein galvanisches Element 42 und einen Batteriesensor 44, der auf einem ASIC implementiert ist. In dem Batteriesensor 44 und damit auch in der Batteriezelle 40 sind ein Überbrückungsschalter 46 zur Realisierung eines BDI und ein Trennschalter 48 vorgesehen. Weiterhin sind Stromanschlüsse 50 nach außen geführt.
Der Trennschalter 48, der grundsätzlich auch außerhalb des Batteriesensors 44 vorgesehen sein kann, gewährleistet ein eigensicheres Verhalten der Batteriezelle 40 und kann prinzipiell alternativ oder ergänzend zu dem Überbrückungsschalter 46, der die Funktion eines Batteriedirektinverters erfüllt, bereitgestellt sein. Hierzu ist der Überbrückungsschalter 46, der als Leistungsschalter ausgeführt ist, in der Lage, die Stromanschlüsse 50 kurzzuschließen. Durch externes Verbinden mehrerer Batteriezellen kann dann eine Wechselspannung erzeugt werden.
Bei der vorgestellten Batteriezelle ist der Batteriesensor dieser zugeordnet, d.h. dieser kann in oder an der Batteriezelle angeordnet sein. Der Schalter kann in dem Batteriesensor angeordnet sein. Zudem kann der Schalter in der Batteriezelle angeordnet sein. Ist der Batteriesensor an der Batteriezelle angeordnet, so kann der Schalter in dem Batteriesensor oder in der Batteriezelle angeordnet sein.
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 102009036086 A1 [0007]

Claims

Batteriezelle für eine Batterie, wobei in der Batteriezelle (10, 40), die über Stromanschlüsse (22, 50) verfügt, ein galvanisches Element (12, 42) integriert und der Batteriezelle (10, 40) ein Batteriesensor (14, 44) zugeordnet ist, wobei zusätzlich mindestens ein Schalter (16) vorgesehen ist, der von dem Batteriesensor (14, 44) anzusteuern ist und mit mindestens einem der Stromanschlüsse (22, 50) in Verbindung steht.
Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der der Batteriesensor (14, 44) in der Batteriezelle (10, 40) integriert ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens einer von dem mindestens einen Schalter (16) dazu vorgesehen ist, mindestens einen der Stromanschlüsse (22, 50) zu unterbrechen.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der wenigstens einer von dem mindestens einen Schalter (16) dazu vorgesehen ist, mindestens zwei der Stromanschlüsse (22, 50) miteinander zu verbinden.
Batteriezelle nach Anspruch 4, bei der der wenigstens eine Schalter (16), der dazu vorgesehen ist, mindestens zwei der Stromanschlüsse (22, 50) miteinander zu verbinden, als Überbrückungsschalter (46) ausgebildet ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der wenigstens einer von dem mindestens einen Schalter (16) in dem Batteriesensor (14, 44) integriert ist.
Batterie mit einer Anzahl an Batteriezellen (10, 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Batterie nach Anspruch 7, bei der die Batteriezellen (10, 40) extern in Reihe geschaltet sind.
Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle (10, 40), insbesondere einer Batteriezelle (10, 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem Größen in der Batteriezelle (10, 40) mit einem der Batteriezelle (10, 40) zugeordneten Batteriesensor (14, 44) erfasst werden und in Abhängigkeit der erfassten Größen mindestens ein Schalter (16), der mit mindestens einem der Stromanschlüsse (22, 50) in Verbindung steht, betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem durch Betätigen wenigstens eines von dem mindestens einen Schalter (16) wenigstens ein Stromanschluss (22, 50) der Batteriezelle (10, 40) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem durch Betätigen wenigstens eines von dem mindestens einen Schalter (16) zwei Stromanschlüsse (22, 50) der Batteriezelle (10, 40) miteinander verbunden werden.