DE102013204509A1 - Battery module and method for monitoring a battery module - Google Patents

Battery module and method for monitoring a battery module Download PDF

Info

Publication number
DE102013204509A1
DE102013204509A1 DE102013204509.3A DE102013204509A DE102013204509A1 DE 102013204509 A1 DE102013204509 A1 DE 102013204509A1 DE 102013204509 A DE102013204509 A DE 102013204509A DE 102013204509 A1 DE102013204509 A1 DE 102013204509A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
battery module
monitoring
cell
control unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102013204509.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Holger Fink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, Samsung SDI Co Ltd filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102013204509.3A priority Critical patent/DE102013204509A1/en
Publication of DE102013204509A1 publication Critical patent/DE102013204509A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/003Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to inverters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0046Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0069Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to the isolation, e.g. ground fault or leak current
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0084Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to control modules
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/12Recording operating variables ; Monitoring of operating variables
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/51Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells characterised by AC-motors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B60L58/13Maintaining the SoC within a determined range
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B60L58/14Preventing excessive discharging
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B60L58/15Preventing overcharging
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/22Balancing the charge of battery modules
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/24Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries for controlling the temperature of batteries
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00302Overcharge protection
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00304Overcurrent protection
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40Drive Train control parameters
    • B60L2240/54Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/545Temperature
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40Drive Train control parameters
    • B60L2240/54Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547Voltage
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40Drive Train control parameters
    • B60L2240/54Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/549Current
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
    • G01R19/16538Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • G01R19/16542Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies for batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

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.

Figure DE102013204509A1_0001
Figure DE102013204509A1_0001

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 1 ist das Prinzipschaltbild eines Batteriesystems mit einer derartigen Traktionsbatterie 20 dargestellt. Die Batterie 20 umfasst mehrere Batteriezellen 21. Zur Vereinfachung der Darstellung in 1 wurden nur zwei Batteriezellen mit dem Bezugszeichen 21 versehen. Traktionsbatterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden üblicherweise modular aufgebaut. Hierbei werden aus mindestens zwei einzelnen Batteriezellen 21, die seriell oder parallel miteinander verschaltet werden, Batteriemodule (in 1 nicht gezeigt) gebildet. It is common to refer to batteries for use in hybrid and electric vehicles as traction batteries, as these batteries are used for the supply of electric drives. In the 1 is the schematic diagram of a battery system with such a traction battery 20 shown. The battery 20 includes several battery cells 21 , To simplify the illustration in 1 were only two battery cells by the reference numeral 21 Mistake. Traction batteries in hybrid and electric vehicles are usually modular. Here are from at least two individual battery cells 21 , which are connected in series or in parallel, battery modules (in 1 not shown).

Die Batterie 20 ist aus zwei Batteriezellenreihenschaltungen 22, 23 ausgebildet, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 21 umfassen. Diese Batteriezellenreihenschaltungen 22, 23 oder Zellmodule sind jeweils mit einem Batterieterminal 24, 25 und mit einem Anschluss eines Servicesteckers 30 verbunden.The battery 20 is from two battery cell series circuits 22 . 23 formed, each having a plurality of battery cells connected in series 21 include. These battery cell series circuits 22 . 23 or cell modules are each with a battery terminal 24 . 25 and with a connection of a service connector 30 connected.

Das positive Batterieterminal 24 ist mit der Batterie 20 über eine Trenn- und Ladeeinrichtung 40 verbindbar, die einen Trennschalter 41 umfasst, der parallel zu einer Reihenschaltung aus einem Ladeschalter 42 und einem Ladewiderstand 43 geschaltet ist. Das negative Batterieterminal 25 ist mit der Batterie 20 über eine Trenneinrichtung 50 verbindbar, die einen weiteren Trennschalter 51 umfasst.The positive battery terminal 24 is with the battery 20 via a separating and charging device 40 connectable, which is a circuit breaker 41 which is parallel to a series connection of a charging switch 42 and a charging resistor 43 is switched. The negative battery terminal 25 is with the battery 20 via a separating device 50 connectable, which is another disconnector 51 includes.

Ferner zeigt 2 ein Diagramm 60, in dem verschiedene Fehlermechanismen 61 von Lithium-Ionen-Batterien und deren Konsequenzen 62 stark schematisiert darstellt werden. Diese dargestellten Fehlermechanismen 61 können zu einem durch eine unzulässige Temperaturerhöhung 63 hervorgerufenen thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) 64 der Batteriezellen 21 führen. Bei Auftreten eines thermischen Durchgehens 64 kann es aufgrund einer Emission von Gas 65, die beispielsweise beim Öffnen eines Berstventils als Folge eines erhöhten Batteriezellinnendruckes auftreten kann, zu einem Brand der Batteriezellen 66 oder im Extremfall sogar zu einem Bersten 67 der Batteriezellen 21 kommen. Daher muss das Auftreten eines thermischen Durchgehens 64 bei dem Einsatz der Batteriezellen 21 in Traktionsbatterien mit höchster Wahrscheinlichkeit nahe 1 ausgeschlossen werden.Further shows 2 a diagram 60 in which different error mechanisms 61 lithium-ion batteries and their consequences 62 are represented very schematically. These illustrated failure mechanisms 61 can cause an unacceptable temperature increase 63 induced thermal runaway (thermal runaway) 64 the battery cells 21 to lead. When a thermal runaway occurs 64 It may be due to an emission of gas 65 , which may occur, for example, when opening a bursting valve as a result of increased battery cell internal pressure, to a fire of the battery cells 66 or in extreme cases even bursting 67 the battery cells 21 come. Therefore, the occurrence of thermal runaway must be 64 when using the battery cells 21 be excluded in traction batteries with a high probability close to 1.

Ein thermisches Durchgehen 64 kann bei einem Überladen 70 einer Batteriezelle 21, als Folge einer Tiefentladung 80 einer Batteriezelle 21 während des anschließenden Ladevorganges oder bei Vorliegen von unzulässig hohen Lade- und Entladeströmen der Batteriezelle 21, die beispielsweise einem externen Kurzschlusses 90 entstehen können, auftreten. Ferner kann ein thermisches Durchgehen 64 auch bei Vorliegen eines batteriezellinternen Kurzschlusses 100 auftreten, der beispielsweise als Folge einer starken mechanischen Krafteinwirkung während eines Unfalls 101 oder als Folge der Bildung von batteriezellinternen Dendriten 102 entstehen kann, die beispielsweise bei Vorliegen von zu hohen Ladeströmen bei tiefen Temperaturen entstehen können. Weiterhin kann ein thermisches Durchgehen 64 auch als Folge von batteriezellinternen Kurzschlüssen auftreten, die durch bei der Fertigung entstehende Verunreinigungen der Batteriezellen 21, insbesondere durch in den Batteriezellen vorhandenen metallischen Fremdpartikeln 103, verursacht werden können. Auch kann ein thermisches Durchgehen 64 bei Vorliegen einer unzulässigen Erwärmung der Batteriezellen 110, die beispielsweise als Folge eines Fahrzeugbrandes entstehen kann, oder bei Vorliegen einer Überlastung der Batteriezellen 120 auftreten.A thermal runaway 64 can be overcharged 70 a battery cell 21 , as a result of a total discharge 80 a battery cell 21 during the subsequent charging process or in the presence of impermissibly high charging and discharging currents of the battery cell 21 for example, an external short circuit 90 can arise, occur. Furthermore, a thermal runaway 64 even in the presence of a battery cell internal short circuit 100 occur, for example, as a result of a strong mechanical force during an accident 101 or as a result of the formation of battery cell internal dendrites 102 may arise, for example, in the presence of excessive charging currents at low temperatures. Furthermore, a thermal runaway 64 also occur as a result of battery cell internal short circuits caused by in the manufacturing impurities of the battery cells 21 , in particular by metallic foreign particles present in the battery cells 103 , can be caused. Also, a thermal runaway 64 in the presence of an impermissible heating of the battery cells 110 , which may arise, for example, as a result of a vehicle fire, or in the presence of an overload of the battery cells 120 occur.

In der 3 ist das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems dargestellt, das eine Traktionsbatterie 20 mit mehreren Batteriezellen 21 und ein Batteriemanagementsystem (BMS) umfasst. Die Elektronik des Batteriemanagementsystems weist eine dezentrale Architektur auf, bei der die aus der Zellüberwachungselektronik (CSC Elektronik) der Batteriezellen 21 ausgebildeten Überwachungs- und Ansteuerungseinheiten 130 als Satelliten ausgeführt sind, die jeweils zum Überwachen des Funktionszustandes einer oder mehrere Batteriezellen 21 vorgesehen sind und über ein internes Bussystem 141 mit einem zentralen Batteriesteuergerät (BCU) 140 kommunizieren.In the 3 the schematic diagram of a known from the prior art battery system is shown, which is a traction battery 20 with several battery cells 21 and a battery management system (BMS). The electronics of the battery management system has a decentralized architecture in which the cells of the cell monitoring electronics (CSC electronics) of the battery cells 21 trained monitoring and control units 130 are designed as satellites, each for monitoring the functional state of one or more battery cells 21 are provided and via an internal bus system 141 with a central battery control unit (BCU) 140 communicate.

Die Elektronik des Batteriemanagementsystems, insbesondere die Überwachungselektronik der Batteriezellen 21, ist erforderlich, um die Batteriezellen 21 von den kritischen, in 2 dargestellten Zuständen zu schützen, die zu einem thermischen Durchgehen führen können. In der Elektronik des Batteriemanagementsystems wird ein hoher Aufwand betrieben, um zum einen die Batteriezellen 21 vor einer Überlastung durch externe Ursachen, wie beispielsweise durch einen Kurzschluss in dem Inverter eines Elektroantriebes, zu schützen, und zum anderen, um zu vermeiden, dass die Batteriezellen 21 durch eine Fehlfunktion der Elektronik des Batteriemanagementsystems, wie beispielsweise durch eine fehlerhafte Erfassung der Batteriezellspannungen durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheiten 130, gefährdet werden.The electronics of the battery management system, in particular the monitoring electronics of the battery cells 21 , is required to the battery cells 21 from the critical, in 2 Protected states that can lead to a thermal runaway. In the electronics of the battery management system, a high effort is operated, on the one hand, the battery cells 21 to protect against overload by external causes, such as by a short circuit in the inverter of an electric drive, and on the other hand to avoid that the battery cells 21 by a malfunction of the electronics of the battery management system, such as by a faulty detection of the battery cell voltages by the monitoring and control units 130 to be endangered.

So wie bei dem in der 1 dargestellten Batteriesystem ist bei dem in der 3 dargestellten Batteriesystem die Traktionsbatterie über eine Trenn- und Ladeeinrichtung 40 mit einem positiven Batterieterminal 24 verbindbar und über eine Trenneinrichtung 50 mit einem negativen Batterieterminal 25 verbindbar. Dabei wurden zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Komponenten für die in den 1 und 3 dargestellten Batteriesysteme jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.Just like the one in the 1 shown battery system is in the in the 3 shown battery system, the traction battery via a separating and charging device 40 with a positive battery terminal 24 connectable and via a separator 50 with a negative battery terminal 25 connectable. In this case, to designate the same or similar components for in the 1 and 3 shown battery systems each used the same reference numerals.

Ferner ist das zentrale Batteriesteuergerät 140 dazu ausgebildet, den Trennschalter (Relais) 41 und den Ladeschalter (Relais) 42 der Trenn- und Ladeeinrichtung 40 anzusteuern. Das Ansteuern des Trennschalters 41 und des Ladeschalters 42 mittels des Batteriesteuergeräts 140 wird in der Zeichnung mit dem Pfeil 142 symbolisiert. Auch ist das zentrale Batteriesteuergerät 140 dazu ausgebildet, den weiteren Trennschalter (Relais) 51 der Trenneinrichtung 50 anzusteuern. Das Ansteuern des Trennschalters 51 mittels des Batteriesteuergeräts 140 ist mit dem Pfeil 143 symbolisiert.Further, the central battery control device 140 adapted to disconnect (relay) 41 and the charging switch (relay) 42 the separating and charging device 40 head for. The activation of the disconnector 41 and the charging switch 42 by means of the battery control device 140 is in the drawing with the arrow 142 symbolizes. Also is the central battery control unit 140 adapted to the other disconnector (relay) 51 the separator 50 head for. The activation of the disconnector 51 by means of the battery control device 140 is with the arrow 143 symbolizes.

Das zentrale Batteriesteuergerät 140 ist über eine Hochvoltleitung 144, 145 mit einem jeweils anderen Batterieterminal 24, 25 verbunden. Ferner umfasst das zentrale Batteriesteuergerät 140 Stromsensoren 150, 160, die dazu vorgesehen sind, einen durch die Traktionsbatterie 20 fließenden Strom zu messen. Das Batteriesteuergerät 140 kommuniziert auch mit einer Fahrzeugschnittstelle (vehicle interface) über einen CAN-Bus 146. Über den CAN-Bus können dem Batteriesteuergerät 140 Informationen über den Funktionszustand des Fahrzeuges bereitgestellt werden.The central battery control unit 140 is via a high-voltage line 144 . 145 with a different battery terminal 24 . 25 connected. Furthermore, the central battery control device comprises 140 current sensors 150 . 160 , which are intended by the traction battery 20 to measure flowing electricity. The battery control unit 140 also communicates with a vehicle interface via a CAN bus 146 , Via the CAN bus, the battery control unit can 140 Information about the functional state of the vehicle can be provided.

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 ISO 26262 hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit des Batteriemanagementsystems gestellt, da eine Fehlfunktion der Elektronik, wie oben bereits erläutert, zu einer Gefährdung führen kann. Ferner sind für Lithium-Ionen-Batteriezellen Sicherheitstests vorgeschrieben. Um die Batteriezellen transportieren zu dürfen, müssen beispielsweise UN Transport-Tests durchgeführt werden. Die Testergebnisse müssen gemäß den EUCAR Gefahrenstufen beziehungsweise Gefahrenlevels (EUCAR Hazard Levels) bewertet werden. Die Batteriezellen 21 müssen dabei vorgegebene Mindestsicherheitslevels einhalten. Um dies zu erreichen, werden in den Batteriezellen, die für den Einsatz in Traktionsbatterien vorgesehen sind, umfangreiche Zusatzmaßnahmen getroffen. When using a battery management system of a battery system known from the prior art, it is thus desirable to increase the safety of the battery system so that no unreasonable risk arises. It will be in accordance with the ISO 26262 high demands placed on the functional safety of the battery management system, as a malfunction of the electronics, as explained above, can lead to a hazard. Furthermore, safety tests are required for lithium-ion battery cells. To be able to transport the battery cells, for example, UN transport tests have to be carried out. The test results must be assessed according to the EUCAR Hazard Levels (EUCAR Hazard Levels). The battery cells 21 must comply with given minimum safety levels. To achieve this, extensive additional measures are taken in the battery cells, which are intended for use in traction batteries.

Für Batteriemanagementsysteme für Batteriesysteme mit Traktionsbatterien 20 für Elektrofahrzeuge und Steckdosenhybride (Plug-in-Hybride) wird sich voraussichtlich eine Einstufung gemäß der Gefahrenstufe ASIL C etablieren, falls die die Sicherheit der Batteriezellen 21 nicht signifikant erhöht werden kann. Solche Zusatzmaßnahmen werden dadurch getroffen, dass sogenannte Sicherheitsvorrichtungen (Safety Devices) in den Batteriezellen integriert werden. So werden in den Batteriezellen typischerweise die im Folgenden angegebenen Sicherheitsvorrichtungen integriert. For battery management systems for battery systems with traction batteries 20 For electric vehicles and plug-in hybrids (plug-in hybrids), a classification according to the danger level ASIL C is expected to establish, if the safety of the battery cells 21 can not be significantly increased. Such additional measures are taken by integrating so-called safety devices in the battery cells. Thus, the following safety devices are typically integrated in the battery cells.

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:

1 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer Traktionsbatterie, 1 the block diagram of a known from the prior art battery system with a traction battery,

2 ein Diagramm, dass verschiedene Fehlermechanismen einer aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen-Batterie darstellt, die zu einem thermischen Durchgehen dieser Lithium-Ionen-Batterie führen können, 2 FIG. 2 is a diagram illustrating various failure mechanisms of a prior art lithium-ion battery that may cause thermal cycling of this lithium-ion battery. FIG.

3 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer aus mehreren Batteriezellen ausgebildeten Traktionsbatterie und einem dezentralen Batteriemanagementsystem, 3 3 is a block diagram of a battery system known from the prior art with a traction battery formed from a plurality of battery cells and a decentralized battery management system;

4 das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach einer Ausführungsform der Erfindung, 4 the schematic diagram of a battery module according to an embodiment of the invention,

5 das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung, 5 the schematic diagram of a battery module according to another embodiment of the invention,

6 das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, 6 the block diagram of a battery module according to yet another embodiment of the invention,

7 das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, 7 the block diagram of a battery module according to yet another embodiment of the invention,

8 das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, 8th the block diagram of a battery module according to yet another embodiment of the invention,

9 das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, 9 the block diagram of a battery module according to yet another embodiment of the invention,

10 das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und 10 the block diagram of a battery module according to yet another embodiment of the invention, and

11 ein Blockschaltbild einer Batterie, die mit eigensicheren Batteriemodulen gemäß der Erfindung ausgestattet ist. 11 a block diagram of a battery that is equipped with intrinsically safe battery modules according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 4 ist das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls 221 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Batteriemodul 221 umfasst mehrere Batteriezellen 21, die in Reihenschaltung in einem Zellmodul 260 angeordnet sind. Die Batteriezellen sind mit einer Zellüberwachungselektronik 228 verbunden, die zur Überwachung der einzelnen Batteriezellen 21 vorgesehen ist. Nach der hier gezeigten Ausführungsform ist die Zellüberwachungselektronik 228 durch eine zentrale Zellüberwachungselektronik 229 (CSC) implementiert, die mit allen Batteriezellen 21 verbunden ist und ferner insbesondere ein Zellbalancing steuern kann.In the 4 is the schematic diagram of a battery module 221 illustrated according to a first embodiment of the invention. The battery module 221 includes several battery cells 21 connected in series in a cell module 260 are arranged. The battery cells are equipped with cell monitoring electronics 228 connected to monitor the individual battery cells 21 is provided. According to the embodiment shown here, the cell monitoring electronics 228 by a central cell monitoring electronics 229 (CSC) implements that with all battery cells 21 and, in particular, can control cell balancing.

Das Batteriemodul weist außerdem eine Koppeleinheit 227 auf, die aus einer Halbbrücke mit einem ersten Leistungshalbleiter 241 und einem zweiten Leistungshalbleiter 242 ausgebildet ist. Parallel zu den Leistungshalbleitern 241, 242 ist jeweils eine Diode 260 geschaltet, deren Durchlassrichtung entgegen der Durchlassrichtung des entsprechenden Leistungshalbleiters 241, 242 verläuft. The battery module also has a coupling unit 227 on, which consists of a half-bridge with a first power semiconductor 241 and a second power semiconductor 242 is trained. Parallel to the power semiconductors 241 . 242 is each a diode 260 whose forward direction is opposite to the forward direction of the corresponding power semiconductor 241 . 242 runs.

Die Koppeleinheit 227 ist an einem ersten, dem ersten Leistungshalbleiter (der obere Leistungshalbleiterschalter der Halbbrücke aus der 4) 241 zugeordneten Anschluss mit dem Pluspol 222 des Zellmoduls 260 und an einem zweiten, dem zweiten Leistungshalbleiter 242 (der untere Leistungshalbleiterschalter der Halbbrücke aus der 4) zugeordneten Anschluss mit dem Minuspol 223 des Zellmoduls 260 verbunden. Die Halbbrücke der Koppeleinheit 227 ist ferner an einem Mittelanschluss mit einem ersten Ausgangsterminal 224 des Batteriemoduls 221 verbunden.The coupling unit 227 is at a first, the first power semiconductor (the upper power semiconductor switch of the half-bridge from the 4 ) 241 associated port with the positive pole 222 of the cell module 260 and at a second, the second power semiconductor 242 (The lower power semiconductor switch of the half-bridge from the 4 ) associated with the negative terminal 223 of the cell module 260 connected. The half bridge of the coupling unit 227 is also at a center terminal with a first output terminal 224 of the battery module 221 connected.

Das erfindungsgemäße Batteriemodul 221 umfasst eine zu dem Zellmodul 260 parallel geschaltete Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 zum Überwachen des Funktionszustandes des Batteriemoduls 221. Die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ist erfindungsgemäß mit einer integrierten Ansteuerung für die Leistungshalbleiter 241, 242 eingerichtet. Gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die Koppeleinheit 227 auf oder in der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt. So kann gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung die Koppeleinheit 227 separat zur Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 angeordnet sein. In der 4 ist auch ein Batteriemanagementsystem 211 für ein Batteriesystem dargestellt. Das Batteriemanagementsystem 211 ist dazu ausgebildet, mit der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 Informationen auszutauschen. Der Informationenaustausch zwischen dem Batteriemanagementsystem 211 und der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ist mittels des Doppelpfeiles 215 symbolisiert.The battery module according to the invention 221 includes one to the cell module 260 Parallel monitoring and control unit 230 for monitoring the functional state of the battery module 221 , The monitoring and control unit 230 is according to the invention with a integrated control for the power semiconductors 241 . 242 set up. According to the in 4 shown embodiment of the invention is the coupling unit 227 on or in the monitoring and control unit 230 arranged. However, the invention is not limited to such an embodiment. Thus, according to other embodiments of the invention, the coupling unit 227 separately to the monitoring and control unit 230 be arranged. In the 4 is also a battery management system 211 for a battery system. The battery management system 211 is designed to work with the monitoring and control unit 230 Exchange information. The information exchange between the battery management system 211 and the monitoring and driving unit 230 is by means of the double arrow 215 symbolizes.

Ferner kommuniziert die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 mit der zentralen Zellüberwachungselektronik 229. Die Kommunikation kann beispielsweise über einen Bus 235 erfolgen. Auf diese Weise werden der Überwachungs- und Ansteuerungselektronik 230 von der Zellüberwachungselektronik 229 insbesondere Spannungs- und/oder Strommesswerte übermittelt, die von der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 für eine Sicherheitsüberwachung weiterverarbeitet werden, wie im Folgenden dargestellt wird. Furthermore, the monitoring and control unit communicates 230 with the central cell monitoring electronics 229 , The communication can be for example via a bus 235 respectively. In this way, the monitoring and control electronics 230 from cell monitoring electronics 229 In particular, voltage and / or current measured values transmitted by the monitoring and control unit 230 for safety monitoring, as shown below.

Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend von einem Normalbetrieb des Batteriemoduls 221 eine drohende Überladung einer Batteriezelle 21 anhand einer Überschreitung eines ersten Grenzwertes einer Batteriezellspannung und/oder der gesamten Batteriemodulspannung, werden der erste Leistungshalbleiter 241 der Halbbrücke 240 ausgeschaltet und der zweite Leistungshalbleiter 242 eingeschaltet. Da die Batteriezellspannung sich innerhalb des Bereichs Umin_modul und Umax_modul befindet, sperrt die Diode 260 des ersten Leistungshalbleiters 241 auch bei drohender Überladung, beispielsweise bei einer Fehlfunktion beim Laden der Batterie beziehungsweise des Batteriemoduls 221. Dadurch kann eine weitere Aufladung der Batteriezelle beziehungsweise des Batteriemoduls 221 sicher verhindert werden.Detects the monitoring and control unit 230 starting from a normal operation of the battery module 221 a threatening overload of a battery cell 21 on exceeding a first limit value of a battery cell voltage and / or the entire battery module voltage, the first power semiconductor 241 the half bridge 240 switched off and the second power semiconductor 242 switched on. Since the battery cell voltage is within the range of U min_modul and U max_modul , the diode blocks 260 of the first power semiconductor 241 even with imminent overload, for example in case of malfunction when charging the battery or the battery module 221 , This can be a further charge of the battery cell or the battery module 221 safely prevented.

Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend vom Normalbetrieb des Batteriemoduls 221 eine drohende Tiefentladung des Batteriemoduls 221 anhand einer Unterschreitung eines zweiten Grenzwertes einer Batteriezellspannung und/oder der Batteriemodulspannung, wird der erste Leistungshalbleiter 241 der Halbbrücke 240 ausgeschaltet und der zweite Leistungshalbleiter 242 wird eingeschaltet. Es fließt dann kein Strom mehr durch das Batteriemodul 221. Ein eventuell über ein gesamtes Batteriesystem, in dem das erfindungsgemäße Batteriemodul 221 angeordnet ist, nach außen abgegebener Strom fließt in dem Batteriemodul 221 nur über den ersten Leistungshalbleiter (Halbleiterschalter) 241 der Koppeleinheit 227.Detects the monitoring and control unit 230 starting from the normal operation of the battery module 221 a threatening deep discharge of the battery module 221 based on a shortfall of a second limit value of a battery cell voltage and / or the battery module voltage, the first power semiconductor 241 the half bridge 240 switched off and the second power semiconductor 242 is turned on. Then no current flows through the battery module 221 , One possibly over an entire battery system in which the battery module according to the invention 221 is disposed outwardly discharged current flows in the battery module 221 only via the first power semiconductor (semiconductor switch) 241 the coupling unit 227 ,

Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend vom Normalbetrieb des Batteriemoduls 221 eine drohende Überlastung des Batteriemoduls 221 durch zu hohe Entladeströme, die beispielsweise als Folge eines externen Kurzschlusses der Batterie durch einen Fehler im Inverter auftreten können, wird der erste Leistungshalbleiter 241 der Halbbrücke 240 ausgeschaltet und der zweite Leistungshalbleiter 242 wird eingeschaltet. Es fließt dann kein Strom mehr durch das Batteriemodul 221. Das Batteriemodul 221 wird so vor einer Belastung mit unzulässig hohen Entladeströmen geschützt. Detects the monitoring and control unit 230 starting from the normal operation of the battery module 221 a threatening overload of the battery module 221 too high discharge currents, which may occur as a result of an external short circuit of the battery due to an error in the inverter, is the first power semiconductor 241 the half bridge 240 switched off and the second power semiconductor 242 is turned on. Then no current flows through the battery module 221 , The battery module 221 is thus protected against loading with impermissibly high discharge currents.

Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend vom Normalbetrieb des Batteriemoduls 221 eine drohende Überlastung des Batteriemoduls 221 durch zu hohe Ladeströme beispielsweise bei sehr tiefen Temperaturen einer Batteriezelle 21, bei denen die Batteriezelle 21 besonders empfindlich hinsichtlich einem sich insbesondere auf der Anode ausbildbareren Lithiumüberzugs ist, wird mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 der erste Leistungshalbleiter 241 der Halbbrücke 240 ausgeschaltet und der erste Leistungshalbleiter 242 wird eingeschaltet. Es fließt dann kein Strom mehr durch die eigentliche Batteriezelle 21. Die Batteriezelle wird so vor einer Belastung mit unzulässig hohen Ladeströmen geschützt.Detects the monitoring and control unit 230 starting from the normal operation of the battery module 221 a threatening overload of the battery module 221 due to excessive charging currents, for example at very low temperatures of a battery cell 21 in which the battery cell 21 is particularly sensitive to an educated especially on the anode lithium coating is by means of the monitoring and control unit 230 the first power semiconductor 241 the half bridge 240 switched off and the first power semiconductor 242 is turned on. It then flows no more electricity through the actual battery cell 21 , The battery cell is thus protected against loading with impermissibly high charging currents.

Wird der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 des erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriemoduls 221 beispielsweise in einem Fahrzeug von einem Batteriemanagementsystem 211 mitgeteilt, dass das Fahrzeug einen Unfall hatte, wird das Batteriemodul 221 über die Halbbrücke 240 entladen. Dazu wird der zweite Leistungshalbleiter 242 eingeschaltet und erste Leistungshalbleiter 241 im sogenannten aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand betrieben. Das Batteriemodul 221 gibt an seinen Ausgangsterminals 224, 225 dann keine Spannung mehr ab und wird trotzdem langsam entladen. Die realisierbaren Entladeströme sind lediglich begrenzt durch die thermische Verlustleistung, die den als steuerbarer Widerstand betriebenen Leistungshalbleitern 241 im Dauerbetrieb auferlegt werden kann. Ein insbesondere als steuerbarer Widerstand betriebener Leistungshalbleiter 241 inklusive seiner thermischen Anbindung und Kühlung wird daher entsprechend den Anforderungen ausgelegt.Will the monitoring and control unit 230 the intrinsically safe battery module according to the invention 221 For example, in a vehicle of a battery management system 211 informed that the vehicle had an accident, the battery module 221 over the half bridge 240 discharged. This is the second power semiconductor 242 switched on and first power semiconductors 241 operated in the so-called active operation as a controllable resistor. The battery module 221 gives at its exit terminals 224 . 225 then no more voltage and is still slowly discharged. The realizable discharge currents are limited only by the thermal power loss, the power semiconductors operated as a controllable resistor 241 can be imposed in continuous operation. A powered in particular as a controllable resistor power semiconductors 241 including its thermal connection and cooling is therefore designed according to the requirements.

In der 5 wird das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Batteriezellen 21 hier jeweils mit einer eigenen Zellüberwachungselektronik 231 ausgestattet. Ferner ist, ähnliche wie in 4, auch eine zentrale Zellüberwachungselektronik 229 vorhanden, wobei jedoch einige Funktionen der Zellüberwachung statt in der zentralen Zellüberwachungselektronik 229 nunmehr in den einzelnen Batteriezellen 21 beziehungsweise in den entsprechenden Batteriezell-eigenen Zellüberwachungselektroniken 231 ausgeführt werden. Dazu kommuniziert die zentrale Zellüberwachungselektronik 229 mit den einzelnen Zellüberwachungselektroniken 231 in den Batteriezellen. Diese Kommunikation kann mittels eines Busses 235 erfolgen, an den sowohl die zentrale Zellüberwachungselektronik 229 als auch die Batteriezell-eigenen Zellüberwachungselektroniken 231 angeschlossen sind. Die erfindungsgemäße Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 hingegen kommuniziert, ähnlich wie nach 4, mit der zentralen Zellüberwachungselektronik 229. In the 5 the block diagram of a battery module according to another embodiment of the invention is shown. Unlike the in 4 embodiment shown are the battery cells 21 here each with its own cell monitoring electronics 231 fitted. Further, similar as in 4 , also a central cell monitoring electronics 229 There are, however, some functions of cell monitoring rather than in the central cell electronics 229 now in the individual battery cells 21 or in the corresponding battery cell own cell monitoring electronics 231 be executed. For this purpose, the central cell monitoring electronics communicate 229 with the individual cell monitoring electronics 231 in the battery cells. This communication can be done by means of a bus 235 carried out on both the central cell monitoring electronics 229 as well as the battery cell's own cell monitoring electronics 231 are connected. The monitoring and control unit according to the invention 230 on the other hand communicates, similar to after 4 , with the central cell monitoring electronics 229 ,

In der 6 ist das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach 5 sind die Batteriezell-eigenen Zellüberwachungselektroniken 231 hier jeweils über einen eigenen, das heißt separaten Kommunikationsbus 235 mit der zentralen Zellüberwachungselektronik 229 verbunden, die hierzu ausgangsseitig eine entsprechend höhere Zahl an Schnittstellen aufweist. In the 6 the schematic diagram of a battery module according to yet another embodiment of the invention is shown. Unlike the embodiment according to 5 are the battery cell's own cell monitoring electronics 231 here each with its own, that is separate communication bus 235 with the central cell monitoring electronics 229 connected, the output side has a correspondingly higher number of interfaces.

Die 7 zeigt das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls nach noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei gemäß dieser Ausführungsform eine Kommunikationsverbindung 235 zwischen einer Batteriezell-eigenen Zellüberwachungselektron 231 und der zentralen Zellüberwachungselektronik 229 vorhanden ist, so dass die zentrale Zellüberwachungselektronik 229 nur mit einer einzigen der Zellüberwachungselektroniken 228 direkt kommuniziert. Die Batteriezell-eigenen Zellüberwachungselektroniken 228 kommunizierten untereinander beispielsweise über eine Daisy-Chain, so dass alle relevanten Batteriezell-Daten zunächst über die Daisy-Chain und dann über die Kommunikationsverbindung, die in den Figuren mit dem Bezugszeichen 235 bezeichnet ist, übertragen werden. The 7 shows the block diagram of a battery module according to yet another embodiment of the invention, according to this embodiment, a communication link 235 between a battery cell own cell monitoring electron 231 and the central cell monitoring electronics 229 is present, so the central cell electronics 229 only with a single one of the cell monitoring electronics 228 directly communicates. The battery cell's own cell monitoring electronics 228 communicate with each other, for example via a daisy chain, so that all relevant battery cell data first on the daisy chain and then on the communication link, in the figures with the reference numeral 235 is designated to be transmitted.

Die Erfindung ist nicht auf solche Batteriezell-eigene Zellüberwachungselektroniken 231 beschränkt, die innerhalb einer jeweiligen Batteriezelle 21 angeordnet sind. Alternativ ist denkbar, dass für jede Batteriezelle 21 eine entsprechende separate Zellüberwachungselektronik 231 außerhalb der Batteriezelle 21 angeordnet und mit der Batteriezelle verschaltet ist, wobei optional eine zentrale (Haupt-)Zellüberwachungselektronik vorhanden sein kann. The invention is not limited to such battery cell own cell monitoring electronics 231 limited within a respective battery cell 21 are arranged. Alternatively, it is conceivable that for each battery cell 21 a corresponding separate cell monitoring electronics 231 outside the battery cell 21 arranged and connected to the battery cell, optionally a central (main) cell monitoring electronics may be present.

Die 8 bis 10 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung, wobei bei diesen Ausführungsformen die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 direkt mit den Batteriezell-eigenen Zellüberwachungselektroniken 231 verbunden ist, ohne dass dazu eine zentrale Zellüberwachungselektronik 229 vorhanden ist. Somit werden manche Zellüberwachungsaufgaben direkt in/auf den Batteriezellen 21 ausgeführt, wobei ermittelte Messergebnisse und Ausgaben der Zellüberwachungselektroniken 231 unmittelbar an die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 kommuniziert werden. The 8th to 10 show further embodiments of the invention, wherein in these embodiments, the monitoring and control unit 230 directly with the battery cell's own cell monitoring electronics 231 is connected, without requiring a central cell monitoring electronics 229 is available. Thus, some cell monitoring tasks become directly in / on the battery cells 21 executed, wherein determined measurement results and outputs of cell monitoring electronics 231 directly to the monitoring and control unit 230 be communicated.

Die Kommunikation 235 zwischen der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 und den Zellüberwachungselektroniken 231 erfolgt dabei ähnlich wie bei den Ausführungsformen, die weiter oben in Verbindung mit den 5 bis 7 diskutiert wurden, mit dem Unterschied, dass der oder die entsprechenden Kommunikationsbusse 235 an die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 und nicht an eine zentrale Zellüberwachungseinheit angeschlossen sind. So zeigt 8 eine Ausführungsform der Erfindung, bei die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 über einen Bus 235 mit den Zellüberwachungselektroniken 231 verbunden ist, und in 9 sind mehrere Kommunikationsverbindungen bzw. Busse 235 zwischen der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 einerseits und den jeweiligen Zellüberwachungselektroniken 231 andererseits vorhanden. Ferner zeigt 10 ein Ausführungsbeispiel, bei denen die Zellüberwachungselektroniken 231 untereinander kommunizieren, wobei eine von den Zellüberwachungselektroniken 231 mit der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 verbunden ist.The communication 235 between the monitoring and control unit 230 and cell monitoring electronics 231 takes place similar to the embodiments described above in connection with the 5 to 7 were discussed, with the difference that the or the corresponding communication buses 235 to the monitoring and control unit 230 and not connected to a central cell monitoring unit. So shows 8th an embodiment of the invention, in the monitoring and control unit 230 over a bus 235 with cell monitoring electronics 231 connected, and in 9 are several communication links or buses 235 between the monitoring and control unit 230 on the one hand and the respective cell monitoring electronics 231 on the other hand available. Further shows 10 an embodiment in which the cell monitoring electronics 231 communicate with each other, one of the cell monitoring electronics 231 with the monitoring and control unit 230 connected is.

In der 11 wird die Struktur einer Batterie, in der mehrere erfindungsgemäße Batteriemodule 221 angeordnet sind, gezeigt. Wie aus 11 ersichtlich, weist jedes Batteriemodul 221 der dort gezeigten Batterie mehrere Batteriezellen 21 und eine Koppeleinheit mit einer Halbbrücke 240 auf. Der Einfachheit der Darstellung halber wurde auf die explizite Darstellung der in jedem Batteriemodul 221 angeordneten Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 verzichtet.In the 11 The structure of a battery in which several battery modules according to the invention 221 are shown. How out 11 can be seen, assigns each battery module 221 the battery shown there several battery cells 21 and a coupling unit with a half-bridge 240 on. For the sake of simplicity of illustration, emphasis has been placed on the explicit representation of the in each battery module 221 arranged monitoring and control unit 230 waived.

Die hier vorgestellten erfindungsgemäßen Batteriemodule 221 sind nicht auf die Verwendung von Lithium-Ionen-Batteriezellen beschränkt. Sie können auch andere Batteriezelltechnologien, wie beispielsweise für Nickel-Metallhybrid-Batteriezellen, umfassen. The battery modules according to the invention presented here 221 are not limited to the use of lithium-ion battery cells. They may also include other battery cell technologies, such as for nickel-metal hybrid battery cells.

Bei den hier dargestellten erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriemodulen 221 können die bisher eingesetzten Überladesicherheitsvorrichtungen (Overcharge Safety Devices (OSDs) und die Batteriezellsicherung (Cell Fuses) weitestgehend entfallen. Mit den hier vorgestellten erfindungsgemäßen Batteriemodulen 221 können Batteriesysteme aufgebaut werden, die Batteriemanagementsysteme 211 aufweisen, an die wesentlich geringere Anforderungen als an die aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesysteme gestellt werden müssen. Die Elektronik eines Batteriemanagementsystems 211 kann daher dank der Erfindung voraussichtlich lediglich mit den üblichen Qualitätssicherungsmaßnahmen (ASIL-Einstufung QM) entwickelt werden und muss nicht die ASIL C erfüllen. Insgesamt kann die Sicherheit von Batteriesystemen somit gegenüber dem heutigen Stand der Technik erheblich verbessert werden.In the inventive intrinsically safe battery modules shown here 221 The overcharge safety devices (Overcharge Safety Devices (OSDs) and the battery cell fuse (Cell Fuses) used so far can be used as far as possible omitted. With the battery modules according to the invention presented here 221 Battery systems can be set up, the battery management systems 211 have to be placed on the much lower requirements than the known from the prior art battery systems. The electronics of a battery management system 211 Therefore, thanks to the invention, it is expected that it can only be developed with the usual quality assurance measures (ASIL classification QM) and does not have to fulfill the ASIL C. Overall, the safety of battery systems can thus be significantly improved over the current state of the art.

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

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • ISO 26262 [0012] ISO 26262 [0012]

Claims (10)

Batteriemodul (221) mit mehreren Batteriezellen (21), die mit einer Zellüberwachungselektronik (228, 229, 231) ausgestattet sind, und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230), die zur Überwachung des Batteriemoduls (221) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (221) eine Koppeleinheit (227) aufweist, die eine Halbbrücke (240) mit Leistungshalbleitern (241, 242) zum Koppeln der Batteriezellen (21) mit Ausgangsterminals (224, 225) des Batteriemoduls (221) umfasst, und die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) dazu eingerichtet ist, einen von einem Normalbetrieb des Batteriemoduls (221) abweichenden Betriebszustand zu erkennen und die Leistungshalbleiter (241, 242) derart anzusteuern, dass ein sicherer Betriebszustand des Batteriemoduls (221) hergestellt wird. Battery module ( 221 ) with several battery cells ( 21 ) equipped with cell monitoring electronics ( 228 . 229 . 231 ) and a monitoring and control unit ( 230 ) used to monitor the battery module ( 221 ), characterized in that the battery module ( 221 ) a coupling unit ( 227 ) having a half-bridge ( 240 ) with power semiconductors ( 241 . 242 ) for coupling the battery cells ( 21 ) with exit terminals ( 224 . 225 ) of the battery module ( 221 ), and the monitoring and control unit ( 230 ) is adapted to one of a normal operation of the battery module ( 221 ) deviating operating state and the power semiconductors ( 241 . 242 ) such that a safe operating state of the battery module ( 221 ) will be produced. Batteriemodul (221) nach Anspruch 1, wobei die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (221) ausgebildet ist, eine Batteriezellspannung und/oder eine Batteriemodulspannung und/oder einen durch das Batteriemodul (221) fließenden Strom zu überwachen und ein Vorliegen einer Batteriezellspannung oder Batteriemodulspannung, deren Betrag einen oberen Spannungsgrenzwert überschreitet, und/oder einer Batteriezellspannung oder Batteriemodulspannung, deren Betrag einen unteren Spannungsgrenzwert unterschreitet, und/oder eines Ladestroms, dessen Betrag einen vorbestimmten Ladestromgrenzwert überschreitet, und/oder eines Entladestroms, dessen Betrag einen vorbestimmten Entladestromgrenzwert überschreitet, zu bestimmen. Battery module ( 221 ) according to claim 1, wherein the monitoring and control unit ( 221 ) is formed, a battery cell voltage and / or a battery module voltage and / or by the battery module ( 221 ) and a presence of a battery cell voltage or battery module voltage whose magnitude exceeds an upper voltage limit, and / or a battery cell voltage or battery module voltage whose magnitude is less than a lower voltage limit, and / or a charge current whose magnitude exceeds a predetermined charging current limit, and / or a discharge current whose amount exceeds a predetermined discharging current limit. Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) ausgebildet ist, anhand von insbesondere durch ein Batteriemanagementsystem kommunizierter Information zu bestimmen, ob eine Gefahrsituation, in der das Batteriemodul (221) beschädigt werden kann, vorliegt. Battery module according to claim 1 or 2, wherein the monitoring and control unit ( 230 ) is configured to determine on the basis of information communicated in particular by a battery management system, whether a dangerous situation in which the battery module ( 221 ) is damaged. Batteriemodul (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachung- und Ansteuerungseinheit (230) dazu ausgebildet ist, zur Herstellung eines sicheren Betriebszustands des Batteriemoduls (221) insbesondere bei Vorliegen einer Gefahrsituation die Leistungshalbleiter (241, 242) der Koppeleinheit (227) derart anzusteuern, dass einer der Leistungshalbleiter (241, 242) eingeschaltet ist und der andere Leistungshalbleiter (241, 242) in einen aktiven Betrieb versetzt ist. Battery module ( 221 ) according to one of the preceding claims, wherein the monitoring and control unit ( 230 ) is adapted for establishing a safe operating state of the battery module ( 221 ), in particular in the presence of a dangerous situation, the power semiconductors ( 241 . 242 ) of the coupling unit ( 227 ) such that one of the power semiconductors ( 241 . 242 ) is turned on and the other power semiconductor ( 241 . 242 ) is put into active operation. Batteriemodul (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede der Batteriezellen (21) mit einer eigenen Zellüberwachungselektronik (231) ausgestattet ist und/oder das Batteriemodul (221) eine zentrale Zellüberwachungselektronik (229) aufweist, die mit jeder Batteriezelle (21) direkt oder über eine jeweilige Batteriezellen-eigene Zellüberwachungselektronik (231) verbunden ist, wobei die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) dazu ausgebildet ist, mit der zentralen Zellüberwachungselektronik (229) oder mit den Batteriezell-eigenen Zellüberwachungselektroniken (231) zu kommunizieren. Battery module ( 221 ) according to one of the preceding claims, wherein each of the battery cells ( 21 ) with its own cell monitoring electronics ( 231 ) and / or the battery module ( 221 ) a central cell monitoring electronics ( 229 ) connected to each battery cell ( 21 ) directly or via a respective battery cell's own cell monitoring electronics ( 231 ), the monitoring and control unit ( 230 ) is designed to communicate with the central cell monitoring electronics ( 229 ) or with the battery cell-specific cell monitoring electronics ( 231 ) to communicate. Batteriemodul (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Koppeleinheit (227) Dioden (260), von denen jede jeweils zu einem der Leistungshalbleiter (241, 242) invers geschaltet ist, aufweist.Battery module ( 221 ) according to one of the preceding claims, wherein the coupling unit ( 227 ) Diodes ( 260 ), each of which is assigned to one of the power semiconductors ( 241 . 242 ) is inversely connected. Verfahren zum Überwachen eines Batteriemoduls (221) mit mehreren Batteriezellen (21) mittels einer in dem Batteriemodul (221) angeordneten Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (221) mittels einer in dem Batteriemodul (221) angeordneten Koppeleinheit (227), die eine Halbbrücke (240) aus Leistungshalbleitern (241, 242) umfasst, betrieben wird, wobei, falls durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) eine von einem Normalbetrieb des Batteriemoduls (221) abweichende Fehlersituation oder Gefahrsituation festgestellt wird, das Batteriemodul (221) mittels einer Ansteuerung der Koppeleinheit (227) in einen sicheren Zustand versetzt wird. Method for monitoring a battery module ( 221 ) with several battery cells ( 21 ) by means of a in the battery module ( 221 ) arranged monitoring and control unit ( 230 ), characterized in that the battery module ( 221 ) by means of a in the battery module ( 221 ) arranged coupling unit ( 227 ), which is a half-bridge ( 240 ) from power semiconductors ( 241 . 242 ) is operated, if, by the monitoring and control unit ( 230 ) one of a normal operation of the battery module ( 221 ) deviating fault situation or danger situation, the battery module ( 221 ) by means of a control of the coupling unit ( 227 ) is put in a safe state. Verfahren nach Anspruch 7, wobei mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) eine Batteriezellspannung und/oder eine Batteriemodulspannung und/oder ein durch das Batteriemodul (221) fließender Strom überwacht wird und bei Vorliegen einer Batteriezellspannung oder Batteriemodulspannung, deren Betrag einen oberen Spannungsgrenzwert überschreitet, und/oder bei Vorliegen einer Batteriezellspannung oder Batteriemodulspannung, deren Betrag einen unteren Spannungsgrenzwert unterschreitet, und/oder bei Vorliegen eines Ladestroms, dessen Betrag einen vorbestimmten Ladestromgrenzwert überschreitet, und/oder bei Vorliegen eines Entladestroms, dessen Betrag einen vorbestimmten Entladestromgrenzwert überschreitet, die Leistungshalbleiter (241, 242) der Koppeleinheit (227) in einen Schaltzustand versetzt werden, bei dem durch das Batteriemodul (221) kein Strom fließt. Method according to claim 7, wherein by means of the monitoring and control unit ( 230 ) a battery cell voltage and / or a battery module voltage and / or by the battery module ( 221 ) is monitored and in the presence of a battery cell voltage or battery module voltage whose amount exceeds an upper voltage limit, and / or in the presence of a battery cell voltage or battery module voltage whose amount falls below a lower voltage limit, and / or in the presence of a charging current, the amount of a predetermined charging current limit exceeds, and / or in the presence of a discharge current whose amount exceeds a predetermined discharge current limit, the power semiconductors ( 241 . 242 ) of the coupling unit ( 227 ) are put into a switching state in which by the battery module ( 221 ) no electricity flows. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) das Vorliegen einer Gefahrsituation anhand einer insbesondere durch ein Batteriemanagementsystem kommunizierten Information bestimmt wird und die Koppeleinheit (227) bei Vorliegen einer Gefahrsituation derart angesteuert wird, dass bei der Halbbrücke (240) einer der Leistungshalbleiter (241, 242) eingeschaltet und der andere Leistungshalbleiter (241, 242) in einem aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand betrieben wird, so dass das Batteriemodul (221) entladen wird. Method according to claim 7 or 8, wherein the monitoring and control unit ( 230 ) the existence of a danger situation is determined on the basis of information communicated in particular by a battery management system, and the coupling unit ( 227 ) is controlled in the presence of a danger situation such that at the half-bridge ( 240 ) one of the power semiconductors ( 241 . 242 ) and the other power semiconductor ( 241 . 242 ) in an active operation as controllable Resistor is operated so that the battery module ( 221 ) is unloaded. Kraftfahrzeug mit eine Elektromotor und einer Traktionsbatterie zur Versorgung des Elektromotors, die ein Batteriemodul (221) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst. Motor vehicle with an electric motor and a traction battery for supplying the electric motor, which is a battery module ( 221 ) according to one of claims 1 to 6.
DE102013204509.3A 2013-03-15 2013-03-15 Battery module and method for monitoring a battery module Pending DE102013204509A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013204509.3A DE102013204509A1 (en) 2013-03-15 2013-03-15 Battery module and method for monitoring a battery module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013204509.3A DE102013204509A1 (en) 2013-03-15 2013-03-15 Battery module and method for monitoring a battery module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102013204509A1 true DE102013204509A1 (en) 2014-09-18

Family

ID=51418791

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102013204509.3A Pending DE102013204509A1 (en) 2013-03-15 2013-03-15 Battery module and method for monitoring a battery module

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102013204509A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015224067A1 (en) * 2015-12-02 2017-06-08 Borgward Trademark Holdings Gmbh Battery management system, vehicle and method for battery relay control
DE102018200173A1 (en) * 2018-01-08 2019-07-11 Robert Bosch Gmbh Battery system for an electric vehicle, method for operating a battery system and electric vehicle
WO2020074632A3 (en) * 2018-10-11 2020-06-04 Robert Bosch Gmbh Method for operating a battery module and battery module

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009028974A1 (en) * 2009-08-28 2011-03-03 Robert Bosch Gmbh Half-bridge converter for a battery system and battery system
WO2011095630A1 (en) * 2010-02-08 2011-08-11 Fortu Intellectual Property Ag High-current battery system and method for controlling a high-current battery system
DE102010027857A1 (en) * 2010-04-16 2011-10-20 Sb Limotive Company Ltd. Coupling unit and battery module with integrated pulse inverter and increased reliability
DE102010060305A1 (en) * 2010-11-02 2012-05-03 Hoppecke Advanced Battery Technology Gmbh Battery system and method for monitoring a state of charge of at least one rechargeable battery
DE102010064325A1 (en) * 2010-12-29 2012-07-05 Robert Bosch Gmbh System with an electric machine

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009028974A1 (en) * 2009-08-28 2011-03-03 Robert Bosch Gmbh Half-bridge converter for a battery system and battery system
WO2011095630A1 (en) * 2010-02-08 2011-08-11 Fortu Intellectual Property Ag High-current battery system and method for controlling a high-current battery system
DE102010027857A1 (en) * 2010-04-16 2011-10-20 Sb Limotive Company Ltd. Coupling unit and battery module with integrated pulse inverter and increased reliability
DE102010060305A1 (en) * 2010-11-02 2012-05-03 Hoppecke Advanced Battery Technology Gmbh Battery system and method for monitoring a state of charge of at least one rechargeable battery
DE102010064325A1 (en) * 2010-12-29 2012-07-05 Robert Bosch Gmbh System with an electric machine

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ISO 26262

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015224067A1 (en) * 2015-12-02 2017-06-08 Borgward Trademark Holdings Gmbh Battery management system, vehicle and method for battery relay control
DE102018200173A1 (en) * 2018-01-08 2019-07-11 Robert Bosch Gmbh Battery system for an electric vehicle, method for operating a battery system and electric vehicle
WO2020074632A3 (en) * 2018-10-11 2020-06-04 Robert Bosch Gmbh Method for operating a battery module and battery module

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013204510A1 (en) Electrically intrinsically safe battery module with ultrafast discharge circuit and method for monitoring a battery module
EP3549193B1 (en) Discharging a battery module, having at least two battery cells, of a battery having at least two battery modules
DE102013204526A1 (en) Battery cell unit with a battery cell and a monitoring and control unit for monitoring the battery cell and method for monitoring a battery cell
EP3028357B1 (en) Assembly for electrical protection of a potential short-circuit path or an overload in a direct current network having a system-determined, variable source internal resistance
DE102013204541A1 (en) Battery cell unit with battery cell and ultrafast discharge circuit and method for monitoring a battery cell
DE102013218077A1 (en) Battery cell device and method for determining a complex impedance of a battery cell arranged in a battery cell device
DE102013204534A1 (en) Battery cell device with short circuit safety function and method for monitoring a battery cell
DE102013204532A1 (en) Battery cell device with overheating safety function and method for monitoring a battery cell
WO2011095630A1 (en) High-current battery system and method for controlling a high-current battery system
DE4225746A1 (en) Circuit device
DE102013218081A1 (en) Battery module device and method for determining a complex impedance of a battery module arranged in a battery module
DE102013220730A1 (en) Method and apparatus for voltage controlled self-shutdown of electronic components or battery cells
DE102013204539A1 (en) Battery cell device with fine-circuit safety function and method for monitoring a battery cell
DE102019202164A1 (en) Protection device, battery, motor vehicle and method for switching off a battery cell
DE102013204527A1 (en) Battery cell device with lithium deposit safety function and method for monitoring a battery cell
DE102012205553A1 (en) Battery cell for a vehicle with a device for decoupling and / or bridging connections of the battery cell
DE102013204538A1 (en) Battery cell module and method of operating a battery cell module
DE102012213926A1 (en) Battery module, battery management system, system for supplying a drive of a machine suitable for generating torque with electrical energy and motor vehicle
EP2779354B1 (en) Electrical intrinsically safe battery module with pole-reversible output voltage, and a method for monitoring a battery module
EP3698419A1 (en) High-voltage battery system and method for operating a high-voltage battery system
DE102013204519A1 (en) Method and device for increasing the safety when using battery modules
WO2015173000A1 (en) Method for operating an energy storage unit, battery management system for performing such a method and energy storage unit with such a battery management system
DE102013204524A1 (en) Battery cell device with overcharge safety function and method for monitoring a battery cell
DE102013204509A1 (en) Battery module and method for monitoring a battery module
DE102013204529A1 (en) Battery cell device with overpressure safety function and method for monitoring a battery cell

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R012 Request for examination validly filed