DE102013204526A1

DE102013204526A1 - Batteriezelleinheit mit einer Batteriezelle und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit zur Überwachung der Batteriezelle und Verfahren zur Überwachung einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102013204526A1
Application number: DE102013204526.3A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-18
Also published as: CN104051803B; CN104051803A; US20140266064A1; US9478996B2

Abstract

Es wird eine Batteriezelleinheit (221) mit einer Batteriezelle (21) und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) zur Überwachung des Funktionszustands der Batteriezelle (21) beschrieben. In der Batteriezelleinheit ist eine Koppeleinheit vorgesehen, in der zwei eine Vollbrücke bildende Halbbrücken (240, 250) angeordnet sind, die jeweils einen mit einem Pluspol (222) der Batteriezelle (21) gekoppelten ersten Leistungshalbleiter (241, 251), einen mit einem Minuspol (223) der Batteriezelle (21) gekoppelten zweiten Leistungshalbleiter (242, 252) und einen Mittelanschluss umfassen und über den jeweiligen Mittelanschluss mit einem jeweils anderen Ausgangsterminal (224, 225) der Batteriezelleinheit (221) verbunden sind. Die Batteriezelle ist dazu eingerichtet, im Normalbetrieb die Leistungshalbleiter (241, 251, 252, 242) der Halbbrücken (240, 250) derart zu betreiben, dass eine Batteriezellspannung der Batteriezelle (21) an den Ausgangsterminals (224, 225) der Batteriezelleinheit (221) wahlweise in positiver oder negativer Orientierung anliegt.

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinheit mit einer Batteriezelle und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit zur Überwachung des Funktionszustands der Batteriezelle. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung des Funktionszustandes einer in einer Batteriezelleinheit angeordneten Batteriezelle mittels einer in der Batteriezelleinheit vorgesehenen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem, das eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang, in dem mehrere erfindungsgemäße Batteriezelleinheiten angeordnet sind, und ein Batteriemanagementsystem umfasst.
Stand der Technik
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 10 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.
Die Batterie 20 ist aus zwei Batteriezellenreihenschaltungen 22, 23 ausgebildet, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 21 umfassen. Diese Batteriezellenreihenschaltungen 22, 23 sind jeweils mit einem Batterieterminal 24, 25 und mit einem Anschluss eines Servicesteckers 30 verbunden.
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.
Ferner zeigt 2 ein Diagramm 60, das verschiedene Fehlermechanismen 61 von Lithium-Ionen-Batterien und deren Konsequenzen 62 stark schematisiert darstellt. Diese dargestellten Fehlermechanismen 61 können zu einem durch eine unzulässige Temperaturerhöhung 63 hervorgerufenen thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) 64 der Batteriezellen 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 der Batteriezellen 67 kommen. Daher muss das Auftreten eines thermischen Durchgehens 64 bei dem Einsatz der Batteriezellen in Traktionsbatterien mit höchster Wahrscheinlichkeit nahe 1 ausgeschlossen werden.
Ein thermisches Durchgehen 64 kann bei einem Überladen einer Batteriezelle 70, als Folge einer Tiefentladung einer Batteriezelle 80 während des anschließenden Ladevorganges oder bei Vorliegen von unzulässig hohen Lade- und Entladeströmen der Batteriezelle, 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, 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.
In der 3 ist das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems 10 dargestellt, das eine Traktionsbatterie 20 mit mehreren Batteriezellen 21 und ein Batteriemanagementsystem (BMS) 11 umfasst. Die Elektronik des Batteriemanagementsystem 11 weist eine dezentrale Architektur auf, bei der die aus der Überwachungselektronik (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.
Die Elektronik des Batteriemanagementsystems 11, 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 11 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 durch eine Fehlfunktion der Elektronik des Batteriemanagementsystems 11, wie beispielsweise durch eine fehlerhafte Erfassung der Batteriezellspannungen durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheiten 130, gefährdet werden.
So wie bei dem in der 1 dargestellten Batteriesystem 10 ist bei dem in der 3 dargestellten Batteriesystem 10 die Traktionsbatterie über eine Trenn- und Ladeeinrichtung 40 20 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.
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.
Das zentrale Batteriesteuergerät 140 ist jeweils 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.
Bei der Verwendung eines Batteriemanagementsystems 11 eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems wird somit angestrebt, die Sicherheit des Batteriesystems 10 so zu erhöhen, dass keine unzumutbare Gefährdung auftritt. Dabei werden gemäß der ISO 26262 hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit des Batteriemanagementsystems 10 gestellt, da eine Fehlfunktion der Elektronik, wie oben bereits erläutert, zu einer Gefährdung führen kann. Ferner sind für Lithium-ionen-Batteriezellen sind Sicherheitstests vorgeschrieben. Um die Batteriezellen transportieren zu dürfen, müssen beispielsweise UN Transport-Tests durchgeführt werden. Die Testergebnisse müssen gemäß den EUCAR Gefahrenstufen beziehungsweise Gefahrenlevel (EUCAR Hazard Levels) bewertet werden. Die Batteriezellen müssen dabei vorgegebene Mindestsicherheitslevels einhalten. Um dies zu erreichen, werden in den Batteriezellen, die für den Einsatz in Traktionsbatterien vorgesehen sind, umfangreiche Zusatzmaßnahmen getroffen.
Für Batteriemanagementsysteme 11 für Batteriesysteme 11 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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelleinheit mit einer Batteriezelle und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit zur Überwachung des Funktionszustands der Batteriezelle zu Verfügung gestellt. Dabei ist in der Batteriezelleinheit eine Koppeleinheit mit zwei Halbbrücken angeordnet, die jeweils einen mit einem Pluspol der Batteriezelle gekoppelten ersten Leistungshalbleiter, einen mit einem Minuspol der Batteriezelle gekoppelten zweiten Leistungshalbleiter und einen Mittelanschluss umfassen. Die Halbbrücken sind über den jeweiligen Mittelanschluss mit einem jeweils anderen Ausgangsterminal der Batteriezelleinheit verbunden. Ferner ist die Batteriezelleinheit dazu eingerichtet, in einem Normalbetrieb die Koppeleinheit mittels Ansteuerung durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit derartig zu betreiben, dass der erste Leistungshalbleiter einer Halbbrücke und der zweite Leistungshalbleiter der anderen Halbbrücke eingeschaltet sind und die jeweils anderen Leistungshalbleiter der Halbbrücken ausgeschaltet sind, so dass eine Batteriezellspannung der Batteriezelle an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinheit wahlweise in positiver oder negativer Orientierung anliegt.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Überwachen einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle mittels einer in der Batteriezelleinrichtung vorgesehenen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit bereitgestellt. Dabei wird die Batteriezelle mittels einer in der Batteriezelleinheit angeordneten Koppeleinheit betrieben, die eine Vollbrücke bildende Halbbrücken aus Leistungshalbleitern umfasst. Falls durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit eine von einem Normalbetrieb der Batteriezelle abweichende Fehlersituation oder Gefahrsituation der Batteriezelle festgestellt wird, wird die Batteriezelle mittels einer Ansteuerung der Koppeleinheit und/oder einer mit den Polen der Batteriezelle gekoppelten Entladeschaltung zum schnellen Entladen der Batteriezelle in einen sicheren Zustand versetzt.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Batteriesystem bereitgestellt, das eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang umfasst, in dem mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten angeordnet sind Ferner umfasst das Batteriesystem ein Batteriemanagementsystem, wobei das Batteriemanagementsystem dazu ausgebildet ist, mit den Überwachungs- und Ansteuerungseinheiten der Batteriezelleinheiten zu kommunizieren.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Anschaulich gesagt wird erfindungsgemäß eine Batteriezelleinheit, die eine integrierte Überwachungs- und Ansteuerungsfunktion sowie eine Batteriezelle mit umpolbarer Ausgangsspannung umfasst. Insbesondere aufgrund der in der Batteriezelleinheit angeordneten Koppeleinheit mit vier Leistungshalbleitern wird ermöglicht, durch gezieltes Ansteuern der Leistungshalbleiter eine Reihe von einstellbaren Sicherungsfunktionen zur Sicherung der Batteriezelle bereitzustellen. Die Sicherungsfunktionen können aufgrund der Überwachung der Batteriezelle durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit gezielt eingesetzt werden. Im Normalbetrieb kann die Batteriezelle bezüglich einer an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinheit bereitgestellten Ausgangsspannung umgepolt werden, so dass die in der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit angeordnete Batteriezelle die Batteriezellspannung in positiver oder negativer Orientierung abgeben kann.
Aufgrund der Funktionalität der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit, die Batteriezellspannung umzupolen, eignet sich die erfindungsgemäße Batteriezelleinheit insbesondere für den Einsatz in dreiphasigen Batteriesystemen mit stufig einstellbaren Ausgangsspannungen, die als Batteriedirektinverter bezeichnet werden, beziehungsweise allgemein in mehrphasigen Batteriesystemen mit stufig einstellbaren Ausgangsspannungen.
Es wird bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Überwachungs- und Ansteuerungseinheit auch dazu vorgesehen, zur Einstellung eines Normalbetriebs der Batteriezelle, bei dem an den Ausgangsterminal der Batteriezelleinheit keine während keine Spannung anliegt, die Leistungshalbleiter der Koppeleinheit derartig anzusteuern, dass die ersten oder die zweiten Leistungshalbleiter der Halbbrücken eingeschaltet sind. Mit anderen Worten, die in der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit angeordnete Batteriezelle kann optional auch eine Spannung von 0 V an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinheit abgeben. Bevorzugt werden dabei die anderen beiden Leistungshalbleiter, das heißt beispielsweise bei eingeschalteten ersten Leistungshalbleitern, beide zweite Leistungshalbleiter ausgeschaltet, und umgekehrt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dazu ausgebildet, bei Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag einen oberen Spannungsgrenzwert überschreitet, und/oder bei Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag einen unteren Spannungsgrenzwert unterschreitet, die Leistungshalbleiter der Koppeleinheit zur Einstellung eines Funktionszustand der Batteriezelle, in dem durch die Batteriezelle kein Strom fließen kann, derartig anzusteuern, dass die ersten oder die zweiten Leistungshalbleiter der Halbbrücken eingeschaltet und die zweiten oder die ersten Leistungshalbleiter der Halbbrücken ausgeschaltet sind.
Dies hat den Vorteil, dass die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit eine drohende Überladung der im Normalbetrieb arbeitenden Batteriezelle anhand einer Überschreitung eines oberen Grenzwertes der Batteriezellspannung erkennt, und die Batteriezelle dann günstigerweise nicht weiter aufgeladen und damit beispielsweise bei einer Fehlfunktion eines Batterieladegerätes sicher vor einer Überladung geschützt werden kann.
Ferner erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit eine drohende Tiefentladung ausgehende von der im Normalbetrieb arbeitenden Batteriezelle anhand einer Unterschreitung eines unteren Grenzwertes der Batteriezellspannung, wobei die Batteriezelle in einen sicheren Zustand überführt wird, bei dem kein Strom durch die eigentliche Batteriezelle mehr fließt. Ein eventuell über ein gesamtes die erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit umfassende Batteriesystems nach außen abgebbarer Strom fließt in der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit nur über die in der Batteriezelleinheit vorhandenen Leistungshalbleiter, das heißt die Leistungshalbleiter beziehungsweise Halbleiterschalter.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dazu vorgesehen, bei Vorliegen eines Ladestroms, dessen Betrag einen vorgegebenen beziehungsweise geeignet gewählten Ladestromgrenzwert überschreitet und/oder bei Vorliegen eines Entladestroms, dessen Betrag einen vorgegebenen beziehungsweise geeignet gewählten Ladestromgrenzwert überschreitet, die Leistungshalbleiter der Koppeleinheit zur Einstellung eines Funktionszustand der Batteriezelle, in dem durch die Batteriezelle kein Strom mehr fließen kann, derartig anzusteuern, dass die ersten oder die zweiten Leistungshalbleiter der Halbbrücken eingeschaltet und die zweiten oder die ersten Leistungshalbleiter der Halbbrücken ausgeschaltet sind.
Somit erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit ausgehend von der im Normalbetrieb arbeitenden Batteriezelle eine drohende Überlastung durch zu hohe Entladeströme, die beispielsweise als Folge eines externen Kurzschlusses der Batterie durch einen Fehler im Inverter auftreten können. Dabei wird die Batteriezelle in einen sicheren Zustand überführt, in dem kein Strom durch die Batteriezelle fließt. Die Batteriezelle wird so vor einer Belastung mit unzulässig hohen Entladeströmen geschützt.
Ferner erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit ausgehend von der im Normalbetrieb arbeitenden Batteriezelle eine drohende Überlastung der Batteriezelle durch zu hohe Ladeströme, wobei die Batteriezelle dann in den sicheren Zustand überführt, in dem kein Strom mehr durch die Batteriezelle mehr fließt. Die Batteriezelle wird so vor einer Belastung mit unzulässig hohen Ladeströmen geschützt. Dies ist besonders vorteilhaft beispielsweise bei Vorliegen von sehr tiefen Temperaturen, bei denen die Batteriezelle besonders empfindlich hinsichtlich eines sich auf der Anode ausbildbareren Lithiumüberzugs (lithium plating) ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dazu ausgebildet, anhand einer Auswertung von insbesondere durch ein Batteriemanagementsystem kommunizierter Information das Vorliegen einer Gefahrsituation, in der die Batteriezelle beschädigt werden kann, zu erkennen. Ferner kann die erfindungsgemäße Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dabei dazu vorgesehen sein, bei Vorliegen der Gefahrsituation zum Entladen der Batteriezelle mittels mindestens einer der beiden Halbbrücken die Leistungshalbleiter der Koppeleinheit derartig anzusteuern, dass der erste oder der zweite Leistungshalbleiter einer Halbbrücke eingeschaltet ist und der zweite oder der erste Leistungshalbleiter derselben Halbbrücke im sogenannten aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand arbeitet und bevorzugt der erste und der zweite Leistungshalbleiter der anderen Halbbrücke ausgeschaltet ist oder die ersten oder die zweiten Leistungshalbleiter der beiden Halbbrücken eingeschaltet sind und die zweiten oder die ersten Leistungshalbleiter der beiden Halbbrücken im aktiven Betrieb arbeiten.
Mit anderen Worten, es kann in einem Fall, in dem der Elektronik der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit der erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriezelleinheit durch einen Batteriemanagementsystem beispielsweise eine entsprechende Information darüber mitgeteilt wird, das das Fahrzeug, in dem das erfindungsgemäße Batteriesystem eingebaut ist, einen Unfall hatte, die Batteriezelle über eine der beiden Halbbrücken oder auch parallel über beide Halbbrücken entladen werden. Während der Entladung der Batteriezelle über eine der zwei Halbbrücken gibt die Batteriezelle an die Ausgangsterminals der Batteriezelleinheit keine Spannung ab und wird günstigerweise trotzdem langsam entladen. Ein insbesondere als steuerbarer Widerstand betriebener Leistungshalbleiter wird hierbei inklusive seiner thermischen Anbindung und Kühlung entsprechend den Anforderungen ausgelegt.
Die in der erfindungsgemäßen elektrisch eigensicheren Batteriezelleinheit angeordnete Batteriezelle wird in Verbindung mit der dieser Batteriezelle zugeordneten und in der Batteriezelleinheit vorgesehenen Koppeleinheit und Überwachungs- und Ansteuerungseinheit so sicher ausgeführt, dass im Vergleich zu einem Batteriemanagementsystem für ein aus dem heutigen Stand der Technik bekanntes Batteriesystem bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem nunmehr wesentlich geringere Anforderungen an das Batteriemanagementsystem gestellt werden müssen. Darüber hinaus können zahlreihe bisher typischerweise durchgeführten, jedoch nicht zielführenden Maßnahmen, wie beispielsweise das Ausstatten einer Batteriezelle mit einer integrierter Überladesicherheitsvorrichtung und/oder einer integrierten Batteriezellsicherung, entfallen.
Bei einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dazu eingerichtet, anhand einer Auswertung einer gemessenen Zelltemperatur der Batteriezelle und/oder einer Auswertung der Batteriezellspannung das Vorliegen einer Gefahrsituation, insbesondere bei einer einen vorbestimmten Temperaturgrenzwert überschreitenden Zelltemperatur und/oder einem Spannungseinbruch der Batteriezellspannung, zu erkennen.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Batteriezelleinheit ferner mit einer mit den Polen der Batteriezelle gekoppelten Entladeschaltung, insbesondere einer Entladeschaltung mit einer Serienschaltung aus einem Leistungshalbleiter und einem Widerstand, ausgestattet. Dabei kann die Batteriezelleinheit dazu eingerichtet sein, bei Vorliegen einer Gefahrsituation die Entladeschaltung derartig anzusteuern, dass ein Entladen der Batteriezelle mittels der Entladeschaltung, insbesondere ein Entladen der Batteriezelle mit einem durch die Entladeschaltung fließenden Entladestrom, der einem vorbestimmten Bruchteil eines Kurzschlussstroms der Batteriezelle entspricht, erfolgen kann. Ein Vorteil davon ist beispielsweise, dass die realisierbaren Entladeströme dabei insbesondere nicht aufgrund thermischer Verlustleistung begrenzt ist, die sich bei einem als steuerbarer Widerstand betriebenen Leistungshalbleiter ergibt beziehungsweise die Leistungshalbleitern im Dauerbetrieb auferlegt werden kann.
Somit kann, wenn der Elektronik der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit der erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriezelleinheit von einem Batteriemanagementsystem mitgeteilt wird, das das Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem einen Unfall hatte, die Batteriezelle über die Entladeschaltung, die im Folgenden auch als ultraschnelle Entladevorrichtung (Ultra Fast Discharge Device) (UFDD) bezeichnet wird, schnellstmöglich entladen werden. Um die Entladeschaltung zu unterstützen, kann die Batteriezelle gleichzeitig auch über die beiden Halbbrücken entladen werden.
Gemäß nach einem Aspekt können aufgrund der erfindungsgemäße Erkennung einer Gefahrsituation vorteilhaft insbesondere auch das Durchführen eines Testvorganges, während dessen die Batteriezelle getestet wird, oder andere, für die Batteriezelle vergleichbare Situationen, zuverlässig erkannt werden.
Wird die Batteriezelle der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit beispielsweise im Rahmen eines UN Transport-Tests einem Nageleindringtest (Nail Penetration Test) oder einem Stoßtest (Crush Test) unterzogen, erkennt die Elektronik der erfindungsgemäßen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit über die Auswertung der Batteriezellspannung, dass die Batteriezelle über Ströme entladen wird, ohne dass sie betrieben wird. Die Erkennung dieses Vorganges kann beispielsweise über einen Spannungseinbruch der Batteriezelle erfolgen. Als Folge davon wird sofort das Entladen der Batteriezelle über die erfindungsgemäße Entladeschaltung ausgelöst, und die Batteriezelle wird dann im Wesentlichen über die Entladeschaltung entladen. Optional kann auch hier wie bereits erläutert, eine Unterstützung der Entladung der Batteriezelle über die beiden Halbbrücken erfolgen.
Wird die Batteriezelle der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit einer starken Erwärmung ausgesetzt, so kann dies über die Elektronik der erfindungsgemäßen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit erkannt werden. Als Folge davon wird sofort das Entladen der Batteriezelle beispielsweise über die erfindungsgemäße Entladeschaltung ausgelöst und die Batteriezelle wird über die Entladeschaltung rechtzeitig entladen.
Zusammenfasseng kann die in der erfindungsgemäßen elektrisch eigensicheren Batteriezelleinheit angeordnete Batteriezelle in Verbindung mit der dieser Batteriezelle zugeordneten und in der Batteriezelleinheit vorgesehenen Koppeleinheit, der Entladeschaltung (ultraschnelle Entladevorrichtung) und Überwachungs- und Ansteuerungseinheit so sicher ausgeführt werden, dass an ein Batteriemanagementsystem für ein erfindungsgemäßen Batteriesystems mit mehreren solchen erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit wesentlich geringere Anforderungen gestellt werden können als an einem Batteriemanagementsystem für ein aus dem heutigen Stand der Technik bekannten Batteriesystem. Darüber hinaus können die heute durchgeführten, nicht zielführende Maßnahmen, wie das Vorsehen einer Batteriezelle mit einer integrierter Überladesicherheitsvorrichtung und/oder einer integrierten Batteriezellsicherung, entfallen.
Auch die in der Batteriezelle durchgeführten Maßnahmen für die Erhöhung der Sicherheit bei Vorliegen von starken mechanischen Krafteinwirkungen, wie das Vorsehen einer Batteriezelle der Anmelderin mit einer integrierter Nageleindringsicherheitsvorrichtung und/oder mit einer integrierten Stoßsicherheitsvorrichtung können entfallen beziehungsweise zumindest wesentlich einfacher realisiert werden, da die Anforderungen seitens der Batteriezelle in der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit geringer sind. Es wird ermöglicht, auf die Batteriezelle dabei starke mechanische Krafteinwirkungen, wie sie beispielsweise bei UN Transport-Tests simuliert werden, gefahrlos einwirken können. Dies betrifft insbesondere auch eine Penetration der Batteriezelle mit spitzen Gegenständen mittels eines Nageleindringtests und/oder eine starke Deformation der Batteriezelle mittels von Stößen hinsichtlich aller drei Raumachsen. Die in der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit angeordneten Batteriezelle kann mittels der ihr zugeordneten Elektronik der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit sich selbst vor unzulässigen Betriebszuständen schützen, ohne dabei beispielsweise auf Sicherungsfunktionen der Elektronik eines Batteriemanagementsystems angewiesen zu sein.
Mit der erfindungsgemäßen elektrisch eigensichere Batteriezelleinheiten steht somit ein Grundbaustein zur Verfügung, aus dem sichere Batteriesysteme, insbesondere in Elektro- und Hybridfahrzeugen, aufgebaut werden können, dessen Sicherheit wesentlich höher als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystemen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer Traktionsbatterie,
2 ein Diagramm, dass die Fehlermechanismen einer aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen-Batterie darstellt, die zu einem thermischen Durchgehen dieser Lithium-Ionen-Batterie führen können,
3 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer aus mehreren Batteriezellen ausgebildeten Traktionsbatterie und einem Batteriemanagementsystem,
4 das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinheit nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
5 das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinheit nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
6 das Prinzipschaltbild eines Batteriedirektinverters mit drei Batteriesträngen, in denen jeweils mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten seriell geschaltet sind.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 4 ist das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinheit 221 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Batteriezelleinheit 221 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Batteriezelle 21 und eine Koppeleinheit, die aus einer ersten Halbbrücke (die rechte Halbbrücke aus der 4) 240 mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleiter 241, 242 und einer zweiten Halbbrücke (die linke Halbbrücke aus der 4) 250 mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleiter 251, 252 ausgebildet ist. Die beiden Halbbrücken 240, 250 bilden zusammen eine Vollbrücke mit vier Leistungshalbleitern 241, 242, 251, 252. Parallel zu den Leistungshalbleitern 241, 242, 251, 252 ist jeweils eine Diode 260 geschaltet, deren Durchlassrichtung entgegen der Durchlassrichtung des entsprechenden Leistungshalbleiters verläuft. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde nur eine Diode pro Halbbrücke 240, 250 mit dem Bezugszeichen 160 versehen.
Die erste Halbbrücke 240 ist an einem ersten, dem ersten Leistungshalbleiter (der obere Leistungshalbleiterschalter der rechten Halbbrücke aus der 4) 241 zugeordneten Anschluss mit dem Pluspol 222 der Batteriezelle 21 und an einem zweiten, dem zweiten Leistungshalbleiter 242 (der untere Leistungshalbleiterschalter der rechten Halbbrücke aus der 4) zugeordneten Anschluss mit dem Minuspol 223 der Batteriezelle 21 verbunden. Die erste Halbbrücke 240 ist ferner an einem Mittelanschluss mit einem ersten Ausgangsterminal 224 der Batteriezelleinheit 221 verbunden.
Die zweite Halbbrücke 250 ist an einem ersten, dem ersten Leistungshalbleiter (der obere Leistungshalbleiterschalter der linken Halbbrücke aus der 4) 251 zugeordneten Anschluss mit dem Pluspol 222 der Batteriezelle 21 und an einem zweiten, dem zweiten Leistungshalbleiter (der untere Leistungshalbleiterschalter der linken Halbbrücke aus der 4) 252 zugeordneten Anschluss mit dem Minuspol 223 der Batteriezelle 21 verbunden. Die zweite Halbbrücke 250 ist ferner an einem Mittelanschluss mit einem zweiten Ausgangsterminal 225 der Batteriezelleinheit 221 verbunden.
Die erfindungsgemäße Batteriezelleinheit 221 umfasst ferner eine zu der Batteriezelle 21 parallel geschaltete Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 zum Überwachen des Funktionszustandes der Batteriezelle 21. Die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ist erfindungsgemäß mit einer integrierten Ansteuerung für die vier Leistungshalbleiter 241, 242, 251, 252 eingerichtet.
In der 4 ist auch ein Batteriemanagementsystem 211 für ein Batteriesystem mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten 221 dargestellt. Das Batteriemanagementsystem 211 ist dazu ausgebildet, mit der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 zu kommunizieren beziehungsweise Informationen auszutauschen. Der Informationenaustausch zwischen dem Batteriemanagementsystem 211 und der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 20 ist mittels des Doppelpfeiles 215 symbolisiert.
Die elektrisch eigensichere Batteriezelleinheit 221 mit einer Batteriezelle 21 mit umpolbarem Ausgangsspannung wird beispielsweise mit der in der 4 dargestellten Anordnung wie im Folgenden angegeben realisiert.
Die Leistungshalbleiter 241, 242, 251, 252 können mittels der erfindungsgemäßen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 derartig angesteuert werden, dass wenn im Normalbetrieb die Batteriezelle 21 die Batteriezellspannung an die Ausgangsterminals 224, 225 in positiver Orientierung (+U_{Batteriezelle}) abgeben soll, der erste Leistungshalbleiter 241 der ersten Halbbrücke 240 sowie der zweite Leistungshalbleiter 252 der zweiten Halbbrücke 250 eingeschaltet und die anderen zwei Leistungshalbleiter 242, 251 ausgeschaltet sind.
Die Leistungshalbleiter 241, 242, 251, 252 können mittels der erfindungsgemäßen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ferner derartig angesteuert werden, dass wenn im Normalbetrieb die Batteriezelle 21 die Batteriezellspannung an die Ausgangsterminals 224, 225 in negativer Orientierung (–U_{Batteriezelle}) abgeben soll, der zweite Leistungshalbleiter 242 der ersten Halbbrücke 240 sowie der erste Leistungshalbleiter 251 der zweiten Halbbrücke 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 241, 252 ausgeschaltet sind.
Die Leistungshalbleiter 241, 242, 251, 252 können mittels der erfindungsgemäßen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ferner derartig angesteuert werden, dass im Normalbetrieb der Batteriezelle 21 optional auch ein Funktionszustand der Batteriezelle 21 einstellbar ist, in dem die Batteriezelle 21 keine Ausgangsspannung abgibt. In diesem Zustand sind entweder die ersten Leistungshalbleiter 241, 251 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 242, 252 ausgeschaltet oder die zweiten Leistungshalbleiter 242, 252 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 241, 252 ausgeschaltet.
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend vom Normalbetrieb der Batteriezelle 21 eine drohende Überladung der Batteriezelle 21 anhand einer Überschreitung eines oberen Grenzwertes der Batteriezellspannung, werden mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 entweder die ersten Leistungshalbleiter 241, 251 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 242, 252 ausgeschaltet oder alternativ die zweiten Leistungshalbleiter 242, 252 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 241, 242 ausgeschaltet. Die Batteriezelle 21 wird dann nicht mehr weiter aufgeladen und kann damit beispielsweise bei Vorliegen einer Fehlfunktion eines verwendeten Batterieladegerätes sicher vor einer Überladung geschützt werden.
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend vom Normalbetrieb der Batteriezelle 21 eine drohende Tiefentladung der Batteriezelle 21 anhand einer Unterschreitung eines unteren Grenzwertes der Batteriezellspannung, werden mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 entweder die ersten Leistungshalbleiter 241, 251 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 242, 252 ausgeschaltet oder alternativ die zweiten Leistungshalbleiter 242, 252 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 241, 242 ausgeschaltet. Es fließt dann kein Strom mehr durch die eigentliche Batteriezelle 21. Ein eventuell über ein gesamtes Batteriesystem, in dem die erfindungsgemäße Batteriezelleinheit 221 angeordnet ist, nach außen abgegebener Strom fließt in der Batteriezelle 21 der hier betrachteten erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit 221 nur über die Leistungshalbleiter (Halbleiterschalter) 241, 242, 251, 252 der Koppeleinheit der Batteriezelleinheit 221.
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend vom Normalbetrieb der Batteriezelle 21 eine drohende Überlastung der Batteriezelle 21 durch zu hohe Entladeströme, die beispielsweise als Folge eines externen Kurzschlusses der Batterie durch einen Fehler im Inverter auftreten können, werden mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 entweder die ersten Leistungshalbleiter 241, 251 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 242, 252 ausgeschaltet oder alternativ die zweiten Leistungshalbleiter 242, 252 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 241, 242 ausgeschaltet. Es fließt dann kein Strom mehr durch die eigentliche Batteriezelle 21. Die Batteriezelle wird so vor einer Belastung mit unzulässig hohen Entladeströmen geschützt.
Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend vom Normalbetrieb der Batteriezelle 21 eine drohende Überlastung der Batteriezelle 21 durch zu hohe Ladeströme beispielsweise bei sehr tiefen Temperaturen, bei denen die Batteriezelle 21 besonders empfindlich hinsichtlich einem sich insbesondere auf der Anode ausbildbareren Lithiumüberzugs ist, werden mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 entweder die ersten Leistungshalbleiter 241, 251 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 242, 252 ausgeschaltet oder alternativ die zweiten Leistungshalbleiter 242, 252 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und die anderen beiden Leistungshalbleiter 241, 242 ausgeschaltet. Es fließt dann kein Strom mehr durch die eigentliche Batteriezelle 21. Die Batteriezelle wird so vor einer Belastung mit unzulässig hohen Ladeströmen geschützt.
Wird der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 der erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriezelleinheit 221 beispielsweise in einem Fahrzeug von einem Batteriemanagementsystem 211 mitgeteilt, dass das Fahrzeug einen Unfall hatte, wird die Batteriezelle 21 über eine der beiden Halbbrücken 240, 250 oder auch über beide Halbbrücken 240, 250 parallel entladen. Beispielsweise werden dazu mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 der zweite Leistungshalbleiter 242, 252 einer der beiden Halbbrücken 240, 250 oder die zweiten Leistungshalbleiter 242, 252 auch beider Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet und der erste Leistungshalbleiter 241, 251 einer der beiden Halbbrücken 240, 250 oder die ersten Leistungshalbleiter 241, 251 der beiden Halbbrücken 240, 250 im sogenannten aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand betrieben. Die Entladung der Batteriezelle 21 kann auch mit Vertauschung der Rollen der ersten Leistungshalbleiterschalter 241, 251 und der zweiten Leistungshalleiterschalter 241, 251 der beiden Halbbrücken 240, 250 in der gleichen Weise erfolgen. Die Batteriezelleinheit 221 gibt an ihren Klemmen beziehungsweise Ausgangsterminals 224, 225 keine Spannung ab und die Batteriezelle 21 wird trotzdem langsam entladen. Die realisierbaren Entladeströme sind begrenzt durch die thermische Verlustleistung, die den als steuerbarer Widerstand betriebenen Leistungshalbleitern 241, 251, 242, 252 im Dauerbetrieb auferlegt werden kann. Ein insbesondere als steuerbarer Widerstand betriebener Leistungshalbleiter 241, 251, 242, 252 inklusive seiner thermische Anbindung und Kühlung wird daher entsprechend den Anforderungen ausgelegt werden.
In der 5 ist das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinheit 221 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Batteriezelleinheit 221 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der in der 4 dargestellten Batteriezelleinheit nach der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Batteriezelleinheit 221 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung zusätzlich eine Entladeschaltung 270 als eine ultraschnelle Entladevorrichtung (Ultra Fast Discharge Device) (UFDD) umfasst. Für die Bezeichnung gleicher Bauteile der Batteriezelleinheiten nach der ersten und nach der zweiten Ausführungsformen der Erfindung werden auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Entladeschaltung 270 umfasst hier eine zwischen dem Pluspol 222 und dem Minuspol 223 angeschlossene Serienschaltung aus einem Leistungshalbleiter 271 und einem Widerstand 272 und ist in der Batteriezelleinheit 221 zum Entladen der Batteriezelle 21 mittels eines durch die Entladeschaltung 270 fließenden Entladestromes vorgesehen.
Wird der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 der erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriezelleinheit 221 von einem Batteriemanagementsystem 211, das in einem Batteriesystem mit mehreren solchen Batteriezelleinheiten 221 angeordnet ist, mitgeteilt, dass das Fahrzeug, in dem das erfindungsgemäße Batteriesystem angeordnet ist, einen Unfall hatte, wird die Batteriezelle 21 über die Entladeschaltung 270 schnell entladen. Um die Entladeschaltung 270 zu unterstützen, kann die Batteriezelle 21 gleichzeitig auch über die beiden Halbbrücken 240, 250 entladen werden. Um die Entladeschaltung 270 zu unterstützen, werden mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 insbesondere die beiden zweiten Leistungshalbleiter 242, 252 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet. Die Batteriezelleinheit 21 gibt dann an ihren Klemmen beziehungsweise Ausgangsterminals 224, 225 während der Entladung keine Spannung ab. Die Entladeschaltung 270 kann so ausgelegt sein, dass die Batteriezelle 21 mit sehr großen Entladeströmen nahe dem Kurzschluss entladen werden kann. Die Batteriezelle 21 wird damit sehr schnell in einen sichern Zustand gebracht. Damit können auf Fahrzeugebene Situationen beherrscht werden, bei denen die Batteriezelle 21 mechanisch stark deformiert oder durch spitze Gegenstände penetriert wird.
Ähnliche wie bei der in 4 gezeigten Ausführungsform können unterstützend mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 auch die ersten Leistungshalbleiter 241, 251 der beiden Halbbrücken 240, 250 im aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand betrieben werden.
Wird die Batteriezelle der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit beispielsweise im Rahmen von UN Transport-Tests einem Nageleindringtest (Nail Penetration Test) oder einem Stoßtest (Crush Test) unterzogen oder befindet ich in vergleichbaren Situationen, dann erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 über die Auswertung der Batteriezellspannung, dass die Batteriezelle 21 durch Ströme entladen wird, ohne dass sie betrieben wird. Die Erkennung dieses Vorganges kann beispielsweise über einen Spannungseinbruch der Batteriezelle 21 erfolgen. Die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 löst dabei sofort das Entladen der Batteriezelle 21 über die erfindungsgemäße Entladeschaltung 270 aus und die Batteriezelle 21 wird dann im Wesentlichen über die Entladeschaltung 270 entladen.
Wird die Batteriezelle 21 der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit 221 einer starken Erwärmung ausgesetzt, kann das von der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 erkannt werden. Da die Zeitkonstanten für die Erwärmung der Batteriezelle 21 im Allgemeinen sehr groß sind, kann über die erfindungsgemäße Entladeschaltung 270 rechtzeitig eine Entladung der Batteriezelle 21 herbeigeführt werden, bevor die Temperatur der Batteriezelle 21 kritische Werte übersteigt. Optional kann eine Entladung der Batteriezelle 21 auch über die beiden Halbbrücken 240, 250 erfolgen. Um die Entladeschaltung 270 zu unterstützen, werden mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 insbesondere die beiden zweiten Leistungshalbleiter 242, 252 der beiden Halbbrücken 240, 250 eingeschaltet. Dadurch wird die Batteriezelle 21 der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit wesentlich sicherer gegenüber der aus dem heutigen Stand der Technik bekannten Batteriezelle.
Bei den hier vorgestellten erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten 221 bleibt die an den Ausgangsterminals 224, 225 anliegende Batteriezellspannung bei der Aktivierung der Sicherheitsmaßnahmen, die über die Veränderung der Schaltzustände in den Hallbrücken 240 250 geschehen, oder bei der Aktivierung der ultraschnellen Entladevorrichtung (UFDD) 270 dem Betrag nach immer kleiner als die maximal zulässige Batteriezellspannung von beispielsweise 4,2 V. Dies stellt ebenfalls eine gegenüber dem heutigen Stand der Technik erhebliche Verbesserung dar, da ansonsten beispielsweise bei der Aktivierung einer batteriezellinternen Schmelzsicherung sehr hohe negative Spannungen, die bei Elektrofahrzeugbatterien bis zu –400 V betragen können, auftreten können, die der Elektronik eines Batteriemanagementsystems große Probleme bereiten.
Die hier vorgestellten erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten 221 sind nicht auf Lithium-Ionen-Batteriezellen beschränkt. Sie können auch andere Batteriezelltechnologien, wie beispielsweise für Nickel-Metallhybrid-Batteriezellen, umfassen.
Bei den hier dargestellten erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriezelleinheiten 221 mit einer Batteriezelle 21 mit umpolbarer Ausgangsspannung können die bisher eingesetzten Überladesicherheitsvorrichtungen (Overcharge Safety Devisces (OSDs) und die Batteriezellsicherung (Cell Fuses) entfallen. Die zur Erhöhung der Sicherheit bei mechanischer Deformierung oder Penetration eingesetzten Maßnahmen, wie beispielsweise das Einrichten einer Batteriezelle mit einer integrierter Nadeleindringsicherheitsvorrichtung können entweder ebenfalls entfallen oder zumindest wesentlich einfacher ausgeführt werden. Mit den hier vorgestellten erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten 221 können Batteriesysteme aufgebaut werden, an dessen Batteriemanagementsysteme 211 wesentlich geringere Anforderungen als an den aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesysteme gestellt werden. Die Elektronik der Batteriemanagementsysteme 211 kann daher voraussichtlich lediglich mit den üblichen Qualitätssicherungsmaßnahmen (ASIL-Einstufung QM) entwickelt werden und muss nicht ASIL C erfüllen. Die Sicherheit der Batteriesysteme kann gegenüber dem heutigen Stand der Technik erheblich verbessert werden. Ein Beispiel für den Einsatz der hier vorgestellten erfindungsgemäßen elektrisch eigensicheren Batteriezelleinheiten 221 ist der in der 6 dargestellte Batteriedirektinverter 210.
Aufgrund der Funktionalität der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten 221, die Batteriezellspannung an den Klemmen der Batteriezelle 21 umzupolen, eignen sich die erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten 221 insbesondere für den Einsatz in solchen Batteriedirektinvertern 210 mit stufig einstellbaren Ausgangsspannungen.
Der in der 6 dargestellte Batteriedirektinverter 210 ist ein dreiphasiges Batteriesystem mit einer stufig einstellbaren Ausgangsspannung. Der Batteriedirektinverter 210 umfasst drei Batteriesträngen 280, 290, 300, die jeweils eine Reihenschaltung aus mehreren erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten 221 aufweisen. Diese Reihenschaltungen der Batteriestränge 20, 290, 300 sind mit den positiven Batteriestrangpolen 281, 291, 301 jeweils über eine Lade- und Trenneinrichtung 40 und mit den negativen Batteriestrangpolen 282, 292, 302 jeweils über eine Trenneinrichtung 50 verbunden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Innendruck einer Batteriezelle sollte den Druckbereich von 2 bar bis 8 bar, bevorzugt 3 bar bis 7 bar, nicht verlassen.
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.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 6 Bezug genommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0012]

Claims

Batteriezelleinheit (221) mit einer Batteriezelle (21) und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) zur Überwachung des Funktionszustands der Batteriezelle (21), dadurch gekennzeichnet, dass in der Batteriezelleinheit (21) eine Koppeleinheit mit zwei Halbbrücken (240, 250) angeordnet ist, die jeweils einen mit einem Pluspol (222) der Batteriezelle (21) gekoppelten ersten Leistungshalbleiter (241, 251), einen mit einem Minuspol (223) der Batteriezelle (21) gekoppelten zweiten Leistungshalbleiter (242, 252) und einen Mittelanschluss umfassen und über den jeweiligen Mittelanschluss mit einem jeweils anderen Ausgangsterminal (224, 225) der Batteriezelleinheit (221) verbunden sind, wobei die Batteriezelleinheit (21) eingerichtet ist, in einem Normalbetrieb die Koppeleinheit mittels Ansteuerung durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) derartig zu betreiben, dass der erste Leistungshalbleiter (241, 251) einer Halbbrücke (240, 250) und der zweite Leistungshalbleiter (252, 242) der anderen Halbbrücke (240, 250) eingeschaltet sind und die jeweils anderen Leistungshalbleiter (242, 251, 241, 252) der Halbbrücken (240, 250) ausgeschaltet sind, so dass eine Batteriezellspannung der Batteriezelle (21) an den Ausgangsterminals (224, 225) der Batteriezelleinheit (221) wahlweise in positiver oder negativer Orientierung anliegt.
Batteriezelleinheit (221) nach Anspruch 1, wobei die Batteriezelleinheit (221) ferner eingerichtet ist, in dem Normalbetrieb die Koppeleinheit mittels Ansteuerung durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) derartig anzusteuern, dass die ersten Leistungshalbleiter (241, 251) eingeschaltet oder die zweiten Leistungshalbleiter (242, 252) eingeschaltet sind, so dass an den Ausgangsterminals (224, 225) der Batteriezelleinheit (221) keine Batteriezellspannung anliegt.
Batteriezelleinheit (221) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (221) ausgebildet ist, eine Batteriezellspannung der Batteriezelle (21) und/oder einen durch die Batteriezelle fließenden Strom zu überwachen und bei Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag einen oberen Spannungsgrenzwert überschreitet, und/oder bei Vorliegen einer Batteriezellspannung, 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, 251, 252) der Koppeleinheit zum Einstellen eines Funktionszustands der Batteriezelle (21), in dem durch die Batteriezelle (21) kein Strom fließt, derartig anzusteuern, dass die ersten Leistungshalbleiter (241, 251) oder die zweiten Leistungshalbleiter (242, 252) der Halbbrücken (240, 250) eingeschaltet und die zweiten Leistungshalbleiter (242, 252) beziehungsweise die ersten Leistungshalbleiter (241, 251) der Halbbrücken (240, 250) ausgeschaltet sind.
Batteriezelleinheit (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) ausgebildet ist, anhand von insbesondere durch ein Batteriemanagementsystem kommunizierter Informationen und/oder einer Auswertung einer gemessenen Zelltemperatur der Batteriezelle (21) und/oder einer Auswertung der Batteriezellspannung das Vorliegen einer Gefahrsituation, insbesondere bei einer einen vorbestimmten Temperaturgrenzwert überschreitenden Zelltemperatur und/oder einem Spannungseinbruch der Batteriezellspannung, zu erkennen und bei Vorliegen der Gefahrsituation zum Entladen der Batteriezelle (21) die Koppeleinheit derartig anzusteuern, dass bei mindestens einer der Halbbrücken (240, 250) der jeweilige erste Leistungshalbleiter (241, 251) oder der jeweilige zweite Leistungshalbleiter (242, 252) eingeschaltet ist und der jeweilige andere Leistungshalbleiter (241, 242, 251, 252) in einen aktiven Betrieb versetzt ist.
Batteriezelleinheit (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelleinheit (221) eine mit den Polen (222, 223) der Batteriezelle (21) gekoppelte Entladeschaltung (270), insbesondere eine Entladeschaltung (270) mit einer Serienschaltung aus einem Leistungshalbleiter (271) und einem Widerstand (272), umfasst und dazu eingerichtet ist, bei Vorliegen einer Gefahrsituation die Entladeschaltung (270) derartig anzusteuern, dass ein Entladen der Batteriezelle (21) mittels der Entladeschaltung (270), insbesondere ein Entladen der Batteriezelle mit einem durch die Entladeschaltung (270) fließenden Entladestrom, der einem vorbestimmten Bruchteil eines Kurzschlussstroms der Batteriezelle (21) entspricht, erfolgen kann.
Verfahren zum Überwachen einer in einer Batteriezelleinrichtung (221) angeordneten Batteriezelle (21) mittels einer in der Batteriezelleinrichtung (221) vorgesehenen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (21) mittels einer in der Batteriezelleinheit (221) angeordneten Koppeleinheit, die zwei eine Vollbrücke bildende Halbbrücken (240, 250) aus Leistungshalbleitern (241, 242, 251, 252) umfasst, betrieben wird, wobei, falls durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) eine von einem Normalbetrieb der Batteriezelle (21) abweichende Fehlersituation oder Gefahrsituation der Batteriezelle (21) festgestellt wird, die Batteriezelle mittels einer Ansteuerung der Koppeleinheit und/oder einer mit den Polen (222, 223) der Batteriezelle (21) gekoppelten Entladeschaltung (270) zum schnellen Entladen der Batteriezelle (21) in einen sicheren Zustand versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (221) eine Batteriezellspannung der Batteriezelle (21) und/oder ein durch die Batteriezelle fließender Strom überwacht wird und bei Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag einen oberen Spannungsgrenzwert überschreitet, und/oder bei Vorliegen einer Batteriezellspannung, 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, 251, 252) der Koppeleinheit in einen Schaltzustand versetzt werden, bei dem durch die Batteriezelle (21) kein Strom fließt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) das Vorliegen einer Gefahrsituation, insbesondere bei einer einen vorbestimmten Temperaturgrenzwert überschreitenden Zelltemperatur und/oder einem Spannungseinbruch der Batteriezellspannung, anhand insbesondere einer durch das Batteriemanagementsystem kommunizierten Information und/oder einer Auswertung einer gemessenen Zelltemperatur der Batteriezelle (21) und/oder einer Auswertung der Batteriezellspannung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, wobei bei Vorliegen der Gefahrsituation zum Entladen der Batteriezelle (21) die Koppeleinheit derartig angesteuert wird, dass bei mindestens einer der Halbbrücken (240, 250) jeweils ein Leistungshalbleiter (241, 242, 251, 252) eingeschaltet und der jeweilige andere Leistungshalbleiter (241, 242, 251, 252) in einem aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6 bis 9, wobei bei Vorliegen der Gefahrsituation die Batteriezelle (21) mittels der Entladeschaltung (270) mit einem durch die Entladeschaltung (270) fließenden Entladestrom, der einem vorbestimmten Bruchteil eines Kurzschlussstroms der Batteriezelle (21) entspricht, entladen wird.
Batteriesystem (210), das eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang (280, 290, 300), in dem mehrere Batteriezelleinheiten (221) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 angeordnet sind, und ein Batteriemanagementsystem (211) umfasst, wobei das Batteriemanagementsystem (211) dazu ausgebildet ist, mit den Überwachungs- und Ansteuerungseinheiten (230) der Batteriezelleinheiten (221) zu kommunizieren.