DE102013204509A1 - Battery module and method for monitoring a battery module - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Batteriemodul (221) mit mehreren Batteriezellen (21), die mit einer Zellüberwachungselektronik (228, 229) ausgestattet sind, und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230), die zur Überwachung des Batteriemoduls (221) eingerichtet ist, beschrieben. Das Batteriemodul (221) weist eine Koppeleinheit (227) auf, die eine Halbbrücke (240) mit Leistungshalbleitern (241, 242) zum Koppeln der Batteriezellen (21) an Ausgangsterminals (224, 225) des Batteriemoduls (221) umfasst. Ferner ist die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) dazu eingerichtet, einen von einem Normalbetrieb des Batteriemoduls (221) abweichenden Betriebszustand zu erkennen und die Leistungshalbleiter (241, 242) derart anzusteuern, dass ein sicherer Betriebszustand des Batteriemoduls hergestellt wird. A battery module (221) having a plurality of battery cells (21) equipped with cell monitoring electronics (228, 229) and a monitoring and driving unit (230) adapted to monitor the battery module (221) will be described. The battery module (221) has a coupling unit (227) which comprises a half-bridge (240) with power semiconductors (241, 242) for coupling the battery cells (21) to output terminals (224, 225) of the battery module (221). Furthermore, the monitoring and control unit (230) is configured to detect an operating state deviating from normal operation of the battery module (221) and to control the power semiconductors (241, 242) in such a way that a safe operating state of the battery module is established.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, die mit einer Zellüberwachungselektronik ausgestattet sind, und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit, die zur Überwachung des Batteriemoduls eingerichtet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen mittels einer in dem Batteriemodul angeordneten Überwachungs- und Ansteuerungseinheit.The present invention relates to a battery module with a plurality of battery cells, which are equipped with cell monitoring electronics, and a monitoring and control unit, which is set up for monitoring the battery module. Furthermore, the invention relates to a method for monitoring a battery module having a plurality of battery cells by means of a monitoring and control unit arranged in the battery module.
Stand der TechnikState of the art
Es ist üblich, Batterien für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als Traktionsbatterien zu bezeichnen, da diese Batterien für die Speisung elektrischer Antriebe eingesetzt werden. In der
Die Batterie
Das positive Batterieterminal
Ferner zeigt
Ein thermisches Durchgehen
In der
Die Elektronik des Batteriemanagementsystems, insbesondere die Überwachungselektronik der Batteriezellen
So wie bei dem in der
Ferner ist das zentrale Batteriesteuergerät
Das zentrale Batteriesteuergerät
Bei der Verwendung eines Batteriemanagementsystems eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems wird somit angestrebt, die Sicherheit des Batteriesystems so zu erhöhen, dass keine unzumutbare Gefährdung auftritt. Dabei werden gemäß der
Für Batteriemanagementsysteme für Batteriesysteme mit Traktionsbatterien
In einer Batteriezelle wird eine Überladesicherheitsvorrichtung (Overcharge Safety Device) (OSD) integriert. Eine solche Überladesicherheitsvorrichtung bewirkt, dass die Batteriezelle bei einem Überladevorgang eine EUCAR Gefahrenstufe 4 nicht überschreitet. Der zulässige Bereich der Batteriezellspannung endet bei 4,2 V. Bei einem Überladevorgang baut die Batteriezelle ab einer Batteriezellspannung von etwa 5 V einen derart hohen Innendruck auf, das eine Membran der Überladesicherheitsvorrichtung nach außen gewölbt wird und die Batteriezelle elektrisch kurzgeschlossen wird. Als Folge davon wird die Batteriezelle solange entladen, bis eine batteriezellinterne Sicherung aktiviert wird. Der Kurzschluss der Batteriezelle zwischen den beiden Polen der Batteriezelle bleibt über die Überladesicherheitsvorrichtung erhalten.A battery cell incorporates an Overcharge Safety Device (OSD). Such a Überladesicherheitsvorrichtung causes the battery cell during an overcharge does not exceed an EUCAR security level 4. The permissible range of the battery cell voltage ends at 4.2 V. During an overcharging operation, the battery cell builds up such a high internal pressure from a battery cell voltage of about 5 V that a membrane of the overcharging safety device is arched outward and the battery cell is electrically short-circuited. As a result, the battery cell is discharged until a battery-internal fuse is activated. The short circuit of the battery cell between the two poles of the battery cell is maintained via the overcharging safety device.
Ferner wird eine Batteriezellsicherung (Cell Fuse) in die Batteriezelle integriert. Diese in der Batteriezelle integrierte Schmelzsicherung ist ein sehr wirksames Schutzinstrument auf Batteriezellebene, verursacht aber erhebliche Probleme beim Verbau der Batteriezellen in einer Serienschaltung eines Batteriemoduls beziehungsweise in einem Batteriesystem. Dort sind diese Maßnahmen eher kontraproduktiv. Furthermore, a battery cell fuse (Cell Fuse) is integrated into the battery cell. This integrated in the battery cell fuse is a very effective protection instrument at the battery cell level, but causes considerable problems in the installation of the battery cells in a series circuit of a battery module or in a battery system. There, these measures are rather counterproductive.
In einer Batteriezelle wird auch eine Nageleindringsicherheitsvorrichtung (Nail Penetration Safety Device (NDS)) integriert. Eine Nageleindringsicherheitsvorrichtung schützt die Batteriezelle, indem beim Eindringen eines Nagels oder eines spitzen Gegenstandes in die Batteriezelle ein derart definierter Kurzschlusspfad aufgebaut wird, der nicht zu einer so starken lokalen Erwärmung der Batteriezelle im Bereich des Nageleintrittes führt, welche zu einem lokalen Schmelzen des vorhandenen Separators führen könnte.A nail cell penetration safety device (Nail Penetration Safety Device (NDS)) is also integrated in a battery cell. A nail penetration safety device protects the battery cell by establishing such a defined short-circuit path upon penetration of a nail or a pointed object into the battery cell, which does not lead to such strong local heating of the battery cell in the area of nail entry, which leads to a local melting of the existing separator could.
In eine Batteriezelle wird auch eine Funktionssicherheitsschicht (Safety Function Layer (SFL)) integriert. Die Funktionssicherheitsschicht wird durch die keramische Beschichtung einer der beiden Elektroden der Batteriezelle, realisiert, vorzugsweise durch die keramische Beschichtung der Anode. Mittels der Funktionssicherheitsschicht kann bei einem Schmelzen des Separators ein flächiger Kurzschluss der Batteriezelle und damit eine extrem schnelle Umsetzung der elektrischen Energie der Batteriezelle in Verlustwärme verhindert werden. In a battery cell is also a functional safety layer (SFL) integrated. The functional safety layer is realized by the ceramic coating of one of the two electrodes of the battery cell, preferably by the ceramic coating of the anode. By means of the functional safety layer, a surface short circuit of the battery cell and thus an extremely rapid conversion of the electrical energy of the battery cell into heat loss can be prevented when the separator melts.
In eine Batteriezelle wird ferner auch eine Stoßsicherheitsvorrichtung (Crush Safety Device) integriert. Die Stoßsicherheitsvorrichtung weist eine ähnliche Funktionsweise wie die Nageleindringsicherheitsvorrichtung auf. Bei einer starken mechanischen Deformation des Batteriezellgehäuse wird ein definierter Kurzschlusspfad in der Batteriezelle bereitgestellt, der eine starke lokale Erwärmung der Batteriezelle verhindert und dadurch die Sicherheit der Batteriezelle erhöht.In a battery cell also a shock safety device (Crush Safety Device) is integrated. The shock safety device has a similar operation as the nail penetration safety device. With a strong mechanical deformation of the battery cell housing, a defined short-circuit path is provided in the battery cell, which prevents strong local heating of the battery cell and thereby increases the safety of the battery cell.
Bei den aktuell in Entwicklung befindlichen Batteriezellen sind insbesondere die Maßnahmen für die elektrische Sicherheit, die beispielsweise vor einem Überladen schützen oder einen Überstromschutz gewährleisten, mit erheblichem Aufwand verbunden. Diese Maßnahmen sind zudem nach dem Verbau einer Batteriezelle in ein Batteriemodul beziehungsweise in ein Batteriesystem tendenziell sogar eher kontraproduktiv anstatt sinnvoll. Beispielsweise kann bei einer Aktivierung der Schmelzsicherung einer Batteriezelle die Situation entstehen, dass die Elektronik des vorhandenen Batteriemanagementsystems (BMS) sehr hohen negativen Spannungen ausgesetzt wird. Dadurch entsteht auf Batteriesystemebene ein zusätzlicher Aufwand, da die Transportvorschriften auf Batteriezellenebene erfüllt werden müssen, ohne dass damit ein sonstiger Nutzen verbunden wäre. In the case of the battery cells currently being developed, the measures for electrical safety, which for example protect against overcharging or ensure overcurrent protection, are associated with considerable expense. Moreover, these measures tend to be rather counterproductive rather than meaningful after the installation of a battery cell in a battery module or in a battery system. For example, when the fuse of a battery cell is activated, the situation arises that the electronics of the existing battery management system (BMS) are exposed to very high negative voltages. This creates an additional expense on the battery system level, since the transport regulations must be met at the battery cell level, without any other benefit would be connected.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, die mit einer Zellüberwachungselektronik ausgestattet sind, und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit, die zur Überwachung des Batteriemoduls eingerichtet ist, zur Verfügung gestellt. Das Batteriemodul weist eine Koppeleinheit auf, die eine Halbbrücke mit Leistungshalbleitern zum Koppeln der Batteriezellen mit Ausgangsterminals des Batteriemoduls umfasst. Ferner ist Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dazu eingerichtet, einen von einem Normalbetrieb des Batteriemoduls abweichenden Betriebszustand zu erkennen und die Leistungshalbleiter derart anzusteuern, dass ein sicherer Betriebszustand des Batteriemoduls hergestellt wird. According to the invention, a battery module with a plurality of battery cells, which are equipped with cell monitoring electronics, and a monitoring and control unit, which is set up to monitor the battery module, are provided. The battery module has a coupling unit which comprises a half-bridge with power semiconductors for coupling the battery cells to output terminals of the battery module. Furthermore, the monitoring and control unit is set up to detect a mode of operation deviating from normal operation of the battery module and to control the power semiconductors in such a way that a safe operating state of the battery module is established.
Ferner wird ein Verfahren zum Überwachen eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen mittels einer in dem Batteriemodul angeordneten Überwachungs- und Ansteuerungseinheit zur Verfügung gestellt, bei dem das Batteriemodul mittels einer in dem Batteriemodul angeordneten Koppeleinheit, die eine Halbbrücke aus Leistungshalbleitern umfasst, betrieben wird. Verfahrensgemäß wird das Batteriemodul mittels einer Ansteuerung der Koppeleinheit in einen sicheren Zustand versetzt, falls durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit eine von einem Normalbetrieb des Batteriemoduls abweichende Fehlersituation oder Gefahrsituation festgestellt wird. Furthermore, a method is provided for monitoring a battery module having a plurality of battery cells by means of a monitoring and control unit arranged in the battery module, in which the battery module is operated by means of a coupling unit arranged in the battery module and comprising a half-bridge of power semiconductors. According to the method, the battery module is set by means of a control of the coupling unit in a safe state, if detected by the monitoring and control unit deviates from a normal operation of the battery module error situation or danger situation.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor und einer Traktionsbatterie zur Versorgung des Elektromotors zur Verfügung gestellt, wobei die Traktionsbatterie das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst. According to one aspect of the invention, a motor vehicle with an electric motor and a traction battery for supplying the electric motor is also provided, wherein the traction battery comprises the battery module according to the invention.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Mit der Erfindung wird vorteilhaft ein elektrisch eigensicheres Batteriemodul geschaffen, mit der die Sicherheit insbesondere von großen Batteriesystemen, wie sie z.B. bei Elektro- und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, signifikant erhöht werden kann. Das Batteriemodul mit der erfindungsgemäßen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit kann sich selbst vor unzulässigen elektrischen Betriebszuständen schützen, ohne dabei auf die Funktion einer Elektronik eines Batteriemanagementsystems angewiesen zu sein. The invention advantageously provides an electrically intrinsically safe battery module, with which the safety, in particular of large battery systems, as e.g. used in electric and hybrid vehicles, can be significantly increased. The battery module with the monitoring and control unit according to the invention can protect itself against impermissible electrical operating states, without having to rely on the function of electronics of a battery management system.
Insgesamt kann das Batteriemodul so sicher ausgeführt werden, dass an ein Batteriemanagementsystem wesentlich geringere Anforderungen gestellt werden können als bisher im Stand der Technik üblich ist. Somit steht aufgrund der Erfindung eine eigensichere Batteriezelle als ein Grundbaustein zur Verfügung, aus dem in einfacher Weise sichere Batteriesysteme aufgebaut werden können. Dabei können die herkömmlicherweise durchgeführten, nicht zielführenden Maßnahmen für die elektrische Sicherheit der Batteriezellen, wie beispielsweise eine Überladungsschutzeinrichtung oder eine Zellsicherung, entfallen. Overall, the battery module can be carried out so securely that much lower requirements can be made of a battery management system than is usual in the prior art. Thus, due to the invention, an intrinsically safe battery cell is available as a basic building block from which safe battery systems can be constructed in a simple manner. In this case, the conventionally performed, non-targeted measures for the electrical safety of the battery cells, such as an overcharge protection device or a cell fuse omitted.
Die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit kann über eine Zellüberwachungselektronik mit den Batteriezellen verbunden sein. So ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung jede der Batteriezellen mit einer eigenen Zellüberwachungselektronik ausgestattet ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Batteriemodul eine zentrale Zellüberwachungselektronik aufweisen, die mit jeder Batteriezelle direkt oder über die jeweilige Batteriezell-eigene Zellüberwachungselektronik verbunden ist. Dabei ist die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dazu ausgebildet ist, mit der zentralen Zellüberwachungselektronik oder, je nach Ausführungsform, mit den Batteriezell-eigenen Zellüberwachungselektroniken zu kommunizieren. The monitoring and control unit can be connected to the battery cells via cell monitoring electronics. Thus, according to one embodiment of the invention, each of the battery cells is equipped with its own cell monitoring electronics. Additionally or alternatively, the battery module may have a central cell monitoring electronics, which is connected to each battery cell directly or via the respective battery cell's own cell monitoring electronics. In this case, the monitoring and control unit is to is designed to communicate with the central cell monitoring electronics or, depending on the embodiment, with the battery cell's own cell monitoring electronics.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dazu ausgebildet, eine Batteriezellspannung und/oder eine Batteriemodulspannung und/oder einen durch das Batteriemodul fließenden Strom zu überwachen. According to a particular embodiment of the invention, the monitoring and control unit is designed to monitor a battery cell voltage and / or a battery module voltage and / or a current flowing through the battery module current.
Bevorzugt kann die Ansteuerungs- und Überwachungseinheit dabei bestimmen, ob eine Batteriezellspannung oder Batteriemodulspannung vorliegt, deren Betrag einen oberen Spannungsgrenzwert überschreitet. Ferner kann die Koppeleinheit Dioden aufweisen, von denen jede jeweils zu einem der Leistungshalbleiter invers geschaltet ist. In this case, the drive and monitoring unit can preferably determine whether there is a battery cell voltage or battery module voltage whose magnitude exceeds an upper voltage limit. Furthermore, the coupling unit can have diodes, each of which is in each case connected inversely to one of the power semiconductors.
Bei dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit somit vorteilhaft ausgehend vom Normalbetrieb eine drohende Überladung des Batteriemoduls anhand einer Überschreitung eines oberen Spannungsgrenzwertes einer Zellspannung oder Batteriemodulspannung erkennen. Im Normalbetrieb kann beispielsweise ein erster Leistungshalbleiter des Batteriemoduls eingeschaltet sein und ein zweiter Leistungshalbleiter ausgeschaltet sein, so dass die Batteriezellen an beide Ausgangsterminals des Batteriemoduls angeschlossen sind. Erfindungsgemäß werden somit, wenn die Überschreitung des Spannungsgrenzwertes erkannt wurde, der erste Leistungshalbleiter der Halbbrücke ausgeschaltet und der untere Leistungshalbleiter eingeschaltet. Da die Batteriemodulspannung sich innerhalb des Bereichs Umin_modul und Umax_modul befindet, sperrt die Inversdiode des ersten Leistungshalbleiters günstigerweise auch bei drohender Überladung beispielsweise bei einer Fehlfunktion beim Laden der Batterie. Dadurch kann eine weitere Aufladung der Zellen beziehungsweise des Batteriemoduls sicher verhindert werden.In this particular embodiment of the invention, the monitoring and control unit can thus advantageously detect, starting from normal operation, impending overcharge of the battery module on the basis of an exceeding of an upper voltage limit value of a cell voltage or battery module voltage. In normal operation, for example, a first power semiconductor of the battery module can be switched on and a second power semiconductor switched off, so that the battery cells are connected to both output terminals of the battery module. Thus, according to the invention, when the excess voltage threshold has been exceeded, the first power semiconductor of the half-bridge is turned off and the lower power semiconductor is turned on. Since the battery module voltage is within the range U min_module and U max_module , the inverse diode of the first power semiconductor advantageously blocks even in the event of imminent overcharging, for example in the event of a malfunction during charging of the battery. As a result, further charging of the cells or of the battery module can be reliably prevented.
Ferner kann die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit bestimmen, ob eine Batteriezellspannung oder Batteriemodulspannung vorliegt, deren Betrag einen unteren Spannungsgrenzwert unterschreitet. Furthermore, the monitoring and control unit can determine whether a battery cell voltage or battery module voltage is present, the amount of which falls below a lower voltage limit.
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit somit ausgehend vom Normalbetrieb eine drohende Tiefentladung des Batteriemoduls anhand der Unterschreitung eines unteren Spannungsgrenzwertes der Batteriemodulspannung oder der Batteriezellspannung, wird der erste Leistungshalbleiter der Halbbrücke ausgeschaltet und der untere Leistungshalbleiter wird eingeschaltet. Der Batteriestrom fließt dann über den zweiten Leistungshalbleiter und das Batteriemodul wird nicht weiter entladen.Detects the monitoring and control unit thus starting from normal operation impending deep discharge of the battery module based on falling below a lower voltage limit of the battery module voltage or the battery cell voltage, the first power semiconductor of the half-bridge is turned off and the lower power semiconductor is turned on. The battery current then flows through the second power semiconductor and the battery module is not discharged further.
Bei noch einer anderen Ausführungsform kann die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit ferner bestimmen, ob ein Ladestrom vorliegt, dessen Betrag einen vorbestimmten Ladestromgrenzwert überschreitet.In yet another embodiment, the monitoring and driving unit may further determine whether there is a charging current whose amount exceeds a predetermined charging current limit.
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit somit ausgehend vom Normalbetrieb eine drohende Überlastung des Batteriemoduls durch zu hohe Entladeströme beispielsweise als Folge eines externen Kurzschlusses der Batterie durch einen Fehler in einem Inverter, kann der erste Leistungshalbleiter der Halbbrücke ausgeschaltet und der zweite Leistungshalbleiter eingeschaltet werden. Der Batteriestrom fließt dann über den zweiten Leistungshalbleiter und das Batteriemodul wird nicht mit unzulässig hohen Entladeströmen belastet.Detects the monitoring and control unit thus starting from normal operation impending overload of the battery module due to excessive discharge, for example as a result of external short circuit of the battery by a fault in an inverter, the first power semiconductor of the half-bridge can be turned off and the second power semiconductor. The battery current then flows through the second power semiconductor and the battery module is not loaded with unacceptably high discharge currents.
Bei noch einer anderen Ausführungsform kann die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit ferner bestimmen, ob ein Entladestrom vorliegt, dessen Betrag einen vorbestimmten Entladestromgrenzwert überschreitet.In still another embodiment, the monitoring and driving unit may further determine whether there is a discharge current whose amount exceeds a predetermined discharge current limit.
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit somit ausgehend vom Normalbetrieb eine drohende Überlastung des Batteriemoduls durch zu hohe Ladeströme beispielsweise bei sehr tiefen Temperaturen einer Batteriezelle, wo die Zelle besonders empfindlich gegen das sogenannte Lithium Plating ist, das sich auf der Anode einstellen kann, kann der erste Leistungshalbleiter der Halbbrücke ausgeschaltet und der zweite Leistungshalbleiter eingeschaltet werden. Der Batteriestrom fließt dann über den zweiten Leistungshalbleiter, die Batteriezelle und/oder das Batteriemodul wird nicht mit unzulässig hohen Ladeströmen belastet.Detects the monitoring and control unit thus starting from normal operation impending overload of the battery module by excessive charging currents, for example at very low temperatures of a battery cell, where the cell is particularly sensitive to the so-called lithium plating, which can be adjusted on the anode, the first Power semiconductor of the half-bridge turned off and the second power semiconductor are turned on. The battery current then flows through the second power semiconductor, the battery cell and / or the battery module is not loaded with unacceptably high charging currents.
Gemäß noch einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dazu ausgebildet, anhand von insbesondere durch ein Batteriemanagementsystem kommunizierter Information zu bestimmen, ob eine Gefahrsituation vorliegt, in der das Batteriemoduls beschädigt werden kann. According to another particularly advantageous embodiment, the monitoring and control unit is designed to determine, on the basis of information communicated in particular by a battery management system, whether there is a danger situation in which the battery module can be damaged.
Dabei ist die Überwachung- und Ansteuerungseinheit bevorzugt dazu ausgebildet, zur Herstellung des sicheren Betriebszustands des Batteriemoduls insbesondere bei Vorliegen einer Gefahrsituation die Leistungshalbleiter der Koppeleinheit zum derart anzusteuern, dass einer der Leistungshalbleiter eingeschaltet ist und der andere Leistungshalbleiter in einen aktiven Betrieb versetzt ist. In this case, the monitoring and control unit is preferably designed to trigger the power semiconductor of the coupling unit in such a way that one of the power semiconductor is turned on and the other power semiconductor is put into an active operation for producing the safe operating state of the battery module in the presence of a dangerous situation.
Beispielsweise wenn der Überwachung- und Ansteuerungseinheit der erfindungsgemäßen elektrisch eigensicheren Batteriezelle von einem Batteriemanagementsystem mitgeteilt bekommt, dass das Fahrzeug einen Unfall hatte, kann das Batteriemodul mittels der Koppeleinheit, das heißt über die Halbbrücke, entladen werden. Dazu kann beispielsweise ein Leistungshalbleiter eingeschaltet und ein zweiter als aktiver Widerstand betrieben werden. Das Batteriemodul gibt an seinen Ausgangsterminals keine Spannung ab und wird trotzdem langsam entladen. Die realisierbaren Entladeströme sind lediglich durch die thermische Verlustleistung begrenzt, die dem Leistungshalbleiter im Dauerbetrieb auferlegt werden kann. Bevorzugt wird der als aktiver Widerstand betriebene Leistungshalbleiter inklusive seiner thermischen Anbindung und Kühlung entsprechend den jeweiligen Anforderungen ausgelegt.For example, when the monitoring and control unit of the invention electrically intrinsically safe battery cell gets notified by a battery management system that the vehicle had an accident, the battery module can be discharged by means of the coupling unit, that is, over the half-bridge. For example, a power semiconductor can be switched on and a second can be operated as an active resistor. The battery module does not supply any voltage at its output terminals and is nevertheless slowly discharged. The realizable discharge currents are limited only by the thermal power loss that can be imposed on the power semiconductor in continuous operation. Preferably, the power semiconductor operated as an active resistor, including its thermal connection and cooling, is designed in accordance with the respective requirements.
Bevorzugt weist das beanspruchte Batteriemodul Lithium-Ionen-Batteriezellen auf.The claimed battery module preferably has lithium-ion battery cells.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der
Das Batteriemodul weist außerdem eine Koppeleinheit
Die Koppeleinheit
Das erfindungsgemäße Batteriemodul
Ferner kommuniziert die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit
Wird der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit
In der
In der
Die
Die Erfindung ist nicht auf solche Batteriezell-eigene Zellüberwachungselektroniken
Die
Die Kommunikation
In der
Die hier vorgestellten erfindungsgemäßen Batteriemodule
Bei den hier dargestellten erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriemodulen
Erfindungsgemäß werden die Batteriezellen oder Batteriemodule dabei derart angesteuert, dass sich deren Betriebsparameter innerhalb der jeweiligen Grenzwerte befinden, die für einen sicheren Betrieb notwendig sind. According to the invention, the battery cells or battery modules are controlled such that their operating parameters are within the respective limits which are necessary for safe operation.
So werden Lithium-Ionen-Batteriezellen typischerweise innerhalb eines Spannungsbereichs Umin bis Umax von 2,8 V bis 4,2 V, oder bevorzugt 3,0 V bis 4,2 V Volt betrieben. Dies gilt insbesondere für sicherheitsrelevante für Werte Umin_safety oder Umax_safety. Diese Angaben gelten jedoch für die zu messenden Spannungen U Batteriezelle im Leerlauf, das heißt, wenn kein Strom durch die Batteriezelle fließt. Dabei sind diese Grenzwerte unbedingt zu beachten, da ansonsten die Elektroden Beschädigungen erleiden können. Thus, lithium ion battery cells are typically operated within a voltage range of Umin to Umax of 2.8V to 4.2V, or preferably 3.0V to 4.2V volts. This applies in particular to safety-relevant values Umin_safety or Umax_safety. However, these specifications apply to the voltages to be measured U battery cell at idle, that is, when no current flows through the battery cell. It is important to observe these limits, otherwise the electrodes may be damaged.
Die Leerlaufspannung der Batteriezellen hängt im Wesentlichen von deren Ladezustand ab. Dabei wird typischerweise bei einer Spannung UBatteriezelle von 2,8 V ein Ladezustand SOC von 0%, bei 3,5 V ein Ladezustand von 20%, und bei 4,2 V ein Ladezustand von 100% angenommen, wobei diese Werte jeweils von Art und Material der Kathode, der Anode, und/oder des verwendeten Elektrolyts abhängen.The open circuit voltage of the battery cells depends essentially on their state of charge. In this case, typically a charge state SOC of 0%, at 3.5 V a charge state of 20%, and at 4.2 V a state of charge of 100% is assumed for a voltage U battery cell of 2.8 V, these values being in each case of type and Material of the cathode, the anode, and / or the electrolyte used.
Wenn ein Strom durch eine Batteriezelle fließt, können die Batteriezellspannungen UBatteriezelle von den obigen Zahlenangaben abweichen. Angenommen, die Leerlaufspannung betrage 3,5 V, und der Innenwiderstand der Batteriezelle bei 25 °C sei 10 mΩ. Bei einem Ladestrom von 100 A ergäbe das dann einen zu messenden Spannungswert UBatteriezelle von 3,5 V + 1,0 V = 4,5 V. Bei einer Temperatur von 0 °C beträgt der Innenwiderstand der Batteriezelle beispielhaft jedoch bis zu 50 mΩ, was bei einem beispielhaften Entladestrom von 50 A einen Spannungswert UBatteriezelle von 3,5 V minus 2,5 V = 1,0 V ergäbe. Aufgrund der angewandten Ansteuerung und der verwendeten Sensoren werden diese Spannungswerte bei Raumtemperatur beziehungsweise bei 0°C aber nicht erreicht. Allgemein können im Betrieb der Batteriezellen der Wert für Umax zwischen 4,2 V und 5,0 V liegen und der Wert für Umin zwischen 1,5 V und 4,2 V, vorzugsweise zwischen 1,8 V und 4,15 V, diese Werte beziehen sich jedoch nicht auf die Leerlaufspannung. When a current flows through a battery cell, the battery cell voltages UBatteriezelle may differ from the above figures. Suppose the open circuit voltage is 3.5 V and the internal resistance of the battery cell at 25 ° C is 10 mΩ. At a charging current of 100 A, this would then give a voltage value U battery cell of 3.5 V + 1.0 V = 4.5 V. The internal resistance of the battery cell can be as high as 50 mΩ, for example, at a temperature of 0 ° C For example, for an exemplary discharge current of 50A, a voltage would be U battery cell of 3.5V minus 2.5V = 1.0V. Due to the applied control and the sensors used, these voltage values are not reached at room temperature or at 0 ° C. Generally, during operation of the battery cells, the Umax value may be between 4.2V and 5.0V and the Umin value between 1.5V and 4.2V, preferably between 1.8V and 4.15V Values, however, do not refer to the open circuit voltage.
Die obigen Spannungswerte gelten für eine einzelne Batteriezelle. Für ein Batteriemodul kommt es darauf an, wie viele Zellen in Reihe oder parallel geschaltet sind. So liegt die zulässige Modul-Leerlaufspannung UBatteriemodul zwischen n × 2,8 V bis n × 4,2 V, wobei n für die Anzahl der Batteriezellen steht, die miteinander in Reihe geschaltet sind. The above voltage values apply to a single battery cell. For a battery module, it depends on how many cells are connected in series or in parallel. Thus, the allowable module open circuit voltage UBatteriemodul is between n × 2.8V to n × 4.2V, where n is the number of battery cells connected in series.
Grenzwerte für Temperaturen bei Lithium-Ionen-Batteriezellen liegen etwa bei Tmin = –40 °C und Tmax = 30°C bis 50 °C, bevorzugt 30°C bis 45 °C, am meisten bevorzugt 35°C bis 40°C. Aus Sicherheitsaspekten sollte eine maximale Temperatur Tmax-safety von 46°C bis 80°C, bevorzugt 50°C bis 60°C nicht überschritten werden. Ferner sollte die maximale Außentemperatur Taußen, bei der die Batteriezellen betrieben werden, 40 °C nicht übersteigen. Limit values for temperatures in lithium-ion battery cells are approximately at Tmin = -40 ° C and Tmax = 30 ° C to 50 ° C, preferably 30 ° C to 45 ° C, most preferably 35 ° C to 40 ° C. For safety reasons, a maximum temperature Tmax-safety of 46 ° C to 80 ° C, preferably 50 ° C to 60 ° C should not be exceeded. Furthermore, the maximum outdoor temperature Taußen, at which the battery cells are operated, should not exceed 40 ° C.
Die Batterieströme durch die Batteriezellen sollten nicht außerhalb eines Bereichs von –1000 A bis +1000 A, bevorzugt –600 A bis +600 A, noch mehr bevorzugt –500 A bis +500 A, noch mehr bevorzugt –450 A bis +450 A, und noch mehr bevorzugt –350 A bis +350 A, liegen. The battery currents through the battery cells should not be outside a range of -1000 A to +1000 A, preferably -600 A to +600 A, more preferably -500 A to +500 A, even more preferably -450 A to +450 A, and more preferably -350 A to + 350 A, are.
Der Innendruck einer Batteriezelle sollte den Druckbereich von 2 bar bis 8 bar, bevorzugt 3 bar bis 7 bar, nicht verlassen.The internal pressure of a battery cell should not leave the pressure range of 2 bar to 8 bar, preferably 3 bar to 7 bar.
Die obige Diskussion wurde beispielhaft für Lithium-Ionen-Batteriezellen beziehungsweise Lithium-Ionen-Batteriemodule geführt, wobei die angegebenen Werte insbesondere für Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Lithium-Mangan-Kobalt-Oxid als Aktivmaterial für die Kathode gelten. Jedoch ist die Erfindung jedoch nicht auf solche Batteriezellen, insbesondere nicht auf Lithium-Ionen-Batteriezellen beschränkt. In der Praxis hängen die Zahlenwerte der zu wählenden Betriebsparameter somit vom jeweiligen Batteriezelltyp ab. The above discussion has been made by way of example for lithium-ion battery cells or lithium-ion battery modules, the values given in particular for lithium-ion battery cells with lithium manganese cobalt oxide as active material for the cathode. However, the invention is not limited to such battery cells, in particular not to lithium-ion battery cells. In practice, the numerical values of the operating parameters to be selected thus depend on the particular battery cell type.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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