DE102013204541A1 - Batteriezelleinheit mit Batteriezelle und ultraschneller Entladeschaltung und Verfahren zur Überwachung einer Batteriezelle - Google Patents

Batteriezelleinheit mit Batteriezelle und ultraschneller Entladeschaltung und Verfahren zur Überwachung einer Batteriezelle Download PDF

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Abstract

Es wird eine Batteriezelleinheit (221) mit einer Batteriezelle (21) und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) zur Überwachung des Funktionszustands der Batteriezelle (21) offenbart, wobei die Batteriezelleinheit (21) eine Koppeleinheit mit in Halbbrückenanordnung geschalteten Leistungshalbleitern (241, 242) zum Koppeln der Pole (222, 223) der Batteriezelle (21) an Ausgangsterminals (224, 225) der Batteriezelleinheit (221) und eine mit den Polen (222, 223) der Batteriezelle (21) gekoppelte Entladeschaltung (270) zum schnellen Entladen der Batteriezelle (21) umfasst, die durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) ansteuerbar sind.

Description

  • Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinheit mit einer Batteriezelle und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit zur Überwachung des Funktionszustands der Batteriezelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle mittels einer in der Batteriezelleinrichtung vorgesehenen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit. Weiterhin 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 zur Verfügung gestellt. Dabei weist die Batteriezelleinheit eine Koppeleinheit mit in Halbbrückenanordnung geschalteten Leistungshalbleitern zum Koppeln der Pole der Batteriezelle mit Ausgangsterminals der Batteriezelleinheit auf. Ferner weist die Batteriezelleinheit eine mit den Polen der Batteriezelle gekoppelte Entladeschaltung zum schnellen Entladen der Batteriezelle auf. Die Koppeleinheit und die Entladeschaltung sind durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit ansteuerbar.
  • Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Überwachen einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle mittels einer in der Batteriezelleinrichtung vorgesehenen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit zur Verfügung gestellt. Die Batteriezelle wird mittels einer Koppeleinheit betrieben, die in Halbbrückenanordnung geschaltete Leistungshalbleiter zum Koppeln der Pole der Batteriezelle an Ausgangsterminals der Batteriezelleinheit umfasst. Wenn bei dem Überwachen der Batteriezelle durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit eine Fehlersituation oder Gefahrsituation der Batteriezelle feststellt wird, dann wird die Batteriezelle mittels der Koppeleinheit und/oder mittels einer mit den Polen der Batteriezelle gekoppelten Entladeschaltung, die zum schnellen Entladen der Batteriezelle vorgesehen ist, in einen sicheren Zustand versetzt.
  • Ferner wird weiterhin ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, dass eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang aufweist, in dem mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten angeordnet sind. Dabei umfasst das Batteriesystem ein Batteriemanagementsystem, das dazu ausgebildet ist, mit den Überwachungs- und Ansteuerungseinheiten der Batteriezelleinheiten zu kommunizieren.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine eigensichere Batteriezelle beziehungsweise eine eigensichere Batteriezelleinheit zur Verfügung steht, mit der die Batteriezelle aufgrund der ansteuerbare Koppelschaltung nicht nur besonders schonend betrieben werden kann und bei der ein drohender Schaden von der Batteriezelle durch entsprechende Steuerung der Koppelschaltung verhindert werden kann. Darüber hinaus wird eine zusätzliche Sicherheitsfunktion bereitgestellt, indem durch die integrierte Entladeschaltung zum schnellen Entladen der Batteriezelle ein interner Mechanismus geschaffen wird, mit dem unabhängig von aufgeprägten Entlade- oder Ladeströmen an äußeren Kontaktierungen wie beispielsweise an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinheit stattdessen intern, innerhalb der Batteriezelleinheit ein schnelles oder ultraschnelles Entladen, insbesondere in Gefahr- oder Notfallsituationen durchgeführt werden kann.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Koppeleinheit eine Vollbrücke aus zwei Halbbrücken aufweist, die jeweils einen mit dem Pluspol der Batteriezelle gekoppelten ersten Leistungshalbleiter, einen mit dem Minuspol der Batteriezelle gekoppelten zweiten Leistungshalbleiter und einen Mittelanschluss umfassen und über den jeweiligen Mittelanschluss mit einem jeweils anderen Ausgangsterminal der Batteriezelleinheit verbunden sind.
  • Dabei ist die Batteriezelleinheit bevorzugt dazu eingerichtet, in einem Normalbetrieb die Koppeleinheit mittels Ansteuerung durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit derartig zu betreiben, dass wahlweise eine Batteriezellspannung der Batteriezelle an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinheit in positiver oder negativer Orientierung oder keine Batteriezellspannung an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinheit anliegt.
  • Dadurch kann, anschaulich gesagt, die Batteriezelle mit umpolbarer Ausgangsspannung ausgeführt sein. Genauer, die Batteriezelle kann 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.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Überwachungs- und Ansteuerungseinheit dazu ausgebildet, bei Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag einen ersten Spannungsgrenzwert überschreitet, und/oder bei Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag einen zweiten Spannungsgrenzwert unterschreitet, die Leistungshalbleiter der Koppeleinheit in einen Schaltzustand zu versetzen, bei dem durch die Batteriezelle kein Strom fließt.
  • Die kann dadurch erfolgen, dass mit Hilfe der Halbbrücken die Batteriezelle in einen sicheren Zustand versetzt wird, indem ein erster Leistungshalbleiter der Halbbrücke eingeschaltet wird, so dass ein erstes Ausgangsterminals und ein zweites Ausgangsterminal der Batteriezelleinheit leitend verbunden werden, und ein zweiter Leistungshalbleiter derselben Halbbrücke ausgeschaltet wird. Ferner, bei Verwendung einer Koppeleinheit aus zwei eine Vollbrücke bildenden Halbbrücken, können jeweils zwei mit dem ersten Ausgangsterminal verbundene Leistungshalbleiter oder zwei mit dem zweiten Ausgangsterminal verbundene Leistungshalbleiter eingeschaltet werden.
  • Dies hat den Vorteil, dass die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit eine drohende Überladung der im Normalbetrieb arbeitenden Batteriezelle anhand einer Überschreitung eines ersten 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 zweiten 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 auch dazu vorgesehen, bei Vorliegen eines Ladestroms, dessen Betrag einen vorgegebenen beziehungsweise geeignet gewählten Ladestromgrenzwert überschreitet und/oder bei Vorliegen eines (aufgeprägten äußeren) Entladestroms, dessen Betrag einen vorgegebenen beziehungsweise geeignet gewählten Ladestromgrenzwert überschreitet, die Leistungshalbleiter der Koppeleinheit in einen Schaltzustand zu versetzen, bei dem durch die Batteriezelle kein Strom fließt.
  • 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.
  • 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 oder gegebenenfalls beiden Halbbrücken, das heißt parallel über zwei Halbbrücken entladen werden. Während der Entladung der Batteriezelle über eine der 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.
  • Ferner ist die gemäß einer weiteren, sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit ausgebildet, anhand einer Auswertung einer gemessenen Zelltemperatur der Batteriezelle und/oder einer Auswertung der Batteriezellspannung das Vorliegen einer Gefahrsituation zu erkennen. Bei Auswertung der Zelltemperatur und/oder der Batteriespannung kann eine Gefahrsituation insbesondere bei einer einen vorbestimmten Temperaturgrenzwert überschreitenden Zelltemperatur und/oder einem Spannungseinbruch der Batteriezellspannung erkannt werden. Die Gefahrsituation kann auch anhand insbesondere durch ein Batteriemanagementsystem kommunizierter Information erkannt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit ferner 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.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird, wenn die Gefahrsituation erkannt wird, die Entladeschaltung zum schnellen Entladen der Batteriezelle zu aktiviert. Somit kann, wenn der Elektronik der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit der erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriezelleinheit von einem Batteriemanagementsystem mitgeteilt wird, dass das Fahrzeug, das mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem ausgestattet ist, einen Unfall hatte, die Batteriezelle über die Entladeschaltung, die im Folgenden auch als ultraschnelle Entladeschaltung (Ultra Fast Discharge Device) (UFDD) bezeichnet wird, schnellstmöglich entladen werden. Dadurch sind die realisierbaren Entladeströme insbesondere nicht aufgrund thermischer Verlustleistung begrenzt, die sich beispielsweise bei einem als steuerbaren Widerstand betriebenen Leistungshalbleiter ergibt beziehungsweise die Leistungshalbleitern im Dauerbetrieb auferlegt werden kann. Jedoch kann, um die Entladeschaltung zu unterstützen, die Batteriezelle in einer Gefahrsituation gleichzeitig über die Koppeleinheit entladen werden, wobei in einer in der Halbbrücke ein Leistungshalbleiter eingeschaltet und der andere Leistungshalbleiter in einem aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand betrieben wird.
  • Die Entladeschaltung kann eine Serienschaltung mit einem Widerstand und einem Leistungshalbleiter umfassen. Dabei kann die Entladeschaltung insbesondere einen Thyristor umfassen.
  • Ferner kann die Entladeschaltung eine Abtaktschaltung mit einem Abtaktschalter und einem Abtaktwiderstand umfasst.
  • 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.
  • 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 Entladeschaltung) 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 der ersten Ausführungsform der Erfindung, mit einer detaillierteren Ansicht der erfindungsgemäßen ultraschnellen Entladeschaltung,
  • 6 eine beispielhafte alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen ultraschnellen Entladeschaltung
  • 7 noch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen ultraschnellen Entladeschaltung,
  • 8 ein Blockschaltbild, das die Struktur einer Batterie zeigt, deren Batteriezellen in Form der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten angeordnet sind,
  • 9 das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinheit nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
  • 10 das Prinzipschaltbild eines Batteriedirektinverters mit drei Batteriesträngen, in denen jeweils mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheiten seriell geschaltet sind.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Ausführlichen Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Komponenten verwendet.
  • 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 240 mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleiter 241, 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.
  • Die Halbbrücke 240 ist an einem ersten, dem ersten Leistungshalbleiter (der erste Leistungshalbleiterschalter der Halbbrücke aus der 4) 241 zugeordneten Anschluss mit dem Pluspol 222 der Batteriezelle 21 und an einem zweiten, dem zweiten Leistungshalbleiter 242 (der zweite Leistungshalbleiterschalter der Halbbrücke aus der 4) zugeordneten Anschluss mit dem Minuspol 223 der Batteriezelle 21 verbunden. Die Halbbrücke 240 ist ferner an einem Mittelanschluss mit einem ersten Ausgangsterminal 224 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 Leistungshalbleiter 241, 242 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 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, 251 ausgeschaltet.
  • Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend vom Normalbetrieb der Batteriezelle 21 eine drohende Überladung der Batteriezelle 21 anhand einer Überschreitung eines ersten Grenzwertes der Batteriezellspannung, wird der erste Leistungshalbleiter 241 der Halbbrücke (240) ausgeschaltet und der zweite Leistungshalbleiter 242 wird eingeschaltet. Da die Batteriezellspannung sich innerhalb des Bereichs Umin_zelle und Umax_zelle befindet, sperrt die Diode 260 des ersten Leistungshalbleiters 241 auch bei drohender Überladung, beispielsweise bei einer Fehlfunktion beim Laden der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle 21. Dadurch kann eine weitere Aufladung der Batteriezelle 21 sicher verhindert werden.
  • Erkennt die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 ausgehend vom Normalbetrieb der Batteriezelle 21 eine drohende Tiefentladung der Batteriezelle 21 anhand einer Unterschreitung eines zweiten Grenzwertes der Batteriezellspannung, wird der erste Leistungshalbleiter 241 der Halbbrücke 240 ausgeschaltet und der zweite Leistungshalbleiter 242 wird eingeschaltet. 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 den Leistungshalbleiter (Halbleiterschalter) 241 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, wird der erste Leistungshalbleiter 241 der Halbbrücke 240 ausgeschaltet und der zweite Leistungshalbleiter 242 wird eingeschaltet. Es fließt dann kein Strom mehr durch die eigentliche Batteriezelle 21. Die Batteriezelle 21 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, 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.
  • 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 die beiden Halbbrücke 240, kann die Batteriezelle 21 über die Halbbrücke 240 entladen werden. Dazu wird der zweite Leistungshalbleiter 242 eingeschaltet und erste Leistungshalbleiter 241 im sogenannten aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand betrieben. Die Batteriezelle 21 gibt an ihren Ausgangsterminal 224 225 dann keine Spannung ab und wird trotzdem langsam entladen. Die realisierbaren Entladeströme sind 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 thermische Anbindung und Kühlung wird daher entsprechend den Anforderungen ausgelegt werden
  • Die Batteriezelleinheit 221 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst ferner nach eine Entladeschaltung 270 als eine ultraschnelle Entladeschaltung (Ultra Fast Discharge Device) (UFDD). Die Entladeschaltung 270 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 Halbbrücke 240 entladen werden. Um die Entladeschaltung 270 zu unterstützen, werden mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 der zweite Leistungshalbleiter 242 der Halbbrücke 240 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 sicheren Zustand gebracht. Damit können auf Fahrzeugebene Situationen beherrscht werden, bei denen die Batteriezelle 21 mechanisch stark deformiert oder durch spitze Gegenstände penetriert wird. Dabei kann unterstützend mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 auch der erste Leistungshalbleiter 241 im aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand betrieben werden.
  • In der 5 ist die erfindungsgemäße Batteriezelleinheit 221 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten allgemeinen Darstellung insbesondere der Entladeschaltung (UFDD) 270 ist in 2 die Endladeschaltung detaillierter dargestellt und umfasst hier eine zwischen dem Pluspol 222 und dem Minuspol 223 angeschlossene Serienschaltung aus einem Leistungshalbleiter 271 und einem Widerstand 272.
  • Die Erfindung ist aber nicht auf eine bestimmte Ausführungsform einer (ultraschnellen) Entladeschaltung 270 beschränkt. So werden in den 6 und 7 weitere beispielhafte Ausführungsformen der ultraschnellen Entladeschaltung (UFDD) 270 gezeigt. Die Entladeschaltung 270 ist eine der wesentlichen Funktionseinheiten, um eine eigensichere Batteriezelle 21 zu erhalten, und mit der die Batteriezelle 21 durch Entladung schnell in einen sicheren Zustand gebracht werden soll. In der 6 wird eine Realisierung der Entladeschaltung 270 dargestellt, welche auf dem Einsatz eines (Kurzschluss-)Thyristors 273 beruht. Thyristoren zeichnen sich durch außergewöhnliche Robustheit und Stromtragfähigkeit aus und sind daher für den hier vorliegenden Anwendungsfall geeignete Halbleiterbauelemente. Wie in der 6 gezeigt, umfasst die dortige Realisierung der ultraschnellen Entladeschaltung 270 eine Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes 272 und eines Kurzschlussthyristors 273. Der ohmsche Widerstand 272 kann dabei entweder über die Leitungswiderstände und die Kontaktwiderstände 274, 275 des Kurzschlusskreises oder aber über ein dezidiertes Bauelement realisiert werden. Der ohmsche Widerstand 272 limitiert zusammen mit dem Innenwiderstand der Batteriezelle den Kurzschlussstrom bei der Schnellentladung der Batteriezelle 21.
  • Für den Leistungsschalter 271 (Halbleiterschalter) eignet sich in besondere Weise ein Kurzschlussthyristor 273, da er eine ausgesprochen hohe Stromtragfähigkeit aufweist. Eventuelle mit dem Einsatz des Thyristors 273 verbundene Nachteile speziell hinsichtlich des Ein- und Ausschaltverhaltens kommen in der vorliegenden Anwendung nicht zum Tragen.
  • In der 7 wird eine andere Ausführungsform der ultraschnellen Entladeschaltung 270 gezeigt, die auf einen Abtakter beziehungsweise eine Abtaktschaltung basiert. Der Abtakter kann auf Basis eine ein- und ausschaltbaren elektronischen Halbleiterventils 276 und einem Abtaktwiderstand 272 aufgebaut werden, wobei das Halbleiterventil 276 von der erfindungsgemäßen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit angesteuert wurde. Der ohmsche Widerstand des Abtaktwiderstandes 272 limitiert zusammen mit dem Innenwiderstand der Batteriezelle 21 den maximalen Entladestrom bei der Schnellentladung der Batteriezelle 21. Für den ein- und ausschaltbaren elektronischen Halbleiterschalter 276 eignet sich in besondere Weise MOSFETs, da diese aufgrund der geringen Anforderungen an die Sperrspannung mit sehr geringen Einschaltwiderstand realisiert werden können. Eine Energieentnahme aus der Batteriezelle 21 kann über die Abtaktschaltung kontrolliert werden. So kann beispielsweise zu Beginn der Entladung mit dauernd eingeschaltetem Abtakter schnell Energie aus der Batteriezelle 21 entnommen werden. Bei Erwärmung des Abtaktwiderstands 272 und des Abtaktschalters 276 kann dann in einen gepulsten Betrieb oder in einen Blockbetrieb gewechselt werden. Ferner sind in der 7 noch parallel geschaltete Inversdioden 277, 278 dargestellt.
  • Zusammenfassend, wird die in den 5 bis 7 Bild 5 gezeigte ultraschnelle Entladeschaltung 270 für die Realisierung einer eigensicheren Batteriezelle 21 eingesetzt, kann eine Batteriezelle mit folgenden Eigenschaften realisiert werden: Die Batteriezelle 21 ist elektrisch eigensicher. Mittels der in 4 dargestellten Halbbrückenschaltung kann die Batteriezelle 21 gegen Überladung, Tiefentladung und Überlastung durch zu hohe Lade- und Entladeströme gesichert werden. Die Grenzwerte für die elektrische Sicherheit können dabei dynamisch, beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur der Batteriezelle, angepasst werden. Die Batteriezelle 21 ist ferner auch bei starken mechanischen Krafteinwirkungen eigensicher, wie sie beispielsweise bei einem Unfall auftreten können. Hierzu wird die Batteriezelle 21 bei Erkennung eines kritischen Zustands über die Entladeschaltung 270 schnellstmöglich entladen.
  • Die Batteriezelle 21 ist bei starker Erwärmung eigensicher. Hierzu wird die Batteriezelle bei Erkennung eines kritischen Zustands über die Entladeschaltung 270 schnellstmöglich entladen. Die Auslegung der Entladeschaltung 270 kann so erfolgen, dass der Entladestrom einen für die Batteriezelle 21 maximal zulässigen, maximalen Kurzschlussstrom nicht übersteigt. Bei den gemäß heutigem Stand der Technik eingesetzten, in die Zelle integrierten Safety Devices, ist der sich einstellende Kurzschlussstrompfad von den spezifischen Verhältnissen abhängig. Daher kann das Verhalten einer Batteriezelle 21 nicht genau vorhergesagt werden und ist auch nicht reproduzierbar. Dieser Nachteil kann mit dem hier vorgestellten Entladeschaltung vermieden werden. Dabei kann die Spannung der Batteriezelle 21 an ihren Klemmen über die Halbbrücke genau vorgegeben werden. Wird bei Aktivierung der Entladeschaltung 270 automatisch auch der zweite Leistungshalbleiter 242 der Halbbrücke 240 eingeschaltet, weist die eigensichere Batteriezelleinheit 21 an ihren Ausgangsterminals 224, 225 die Spannung 0V auf, während die Schnellentladung über die Entladeschaltung 270 erfolgt.
  • In der 8 wird die Struktur einer Batterie mit den erfindungsgemäßen Batteriezellen 221 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Wie aus 8 ersichtlich, weist jede Batteriezelleinheit 221 der dort gezeigten Batterie eine Batteriezelle 21 sowie eine Entladeschaltung 270 und eine Koppeleinheit mit einer Halbbrücke 240 auf. Der Einfachheit der Darstellung halber wurde auf die explizite Darstellung der in jede Batteriezelleinheit 221 angeordneten Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 verzichtet.
  • In der 9 ist das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinheit 221 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Unterschied zu ersten Ausführungsform nach 4 weist die Batteriezelleinheit 221 gemäß der zweiten Ausführungsform zwei Halbbrücken 240, 250 auf. Genauer gesagt umfasst die Batteriezelleinheit 221 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung eine Batteriezelle 21 und eine Koppeleinheit, die aus einer ersten Halbbrücke (die rechte Halbbrücke aus der 9) 240 mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleiter 241, 242 und einer zweiten Halbbrücke (die linke Halbbrücke aus der 9) 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 erste Leistungshalbleiterschalter der rechten Halbbrücke aus der 9) 241 zugeordneten Anschluss mit dem Pluspol 222 der Batteriezelle 21 und an einem zweiten, dem zweiten Leistungshalbleiter 242 (der zweite Leistungshalbleiterschalter der rechten Halbbrücke aus der 9) 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 erste Leistungshalbleiterschalter der linken Halbbrücke aus der 9) 251 zugeordneten Anschluss mit dem Pluspol 222 der Batteriezelle 21 und an einem zweiten, dem zweiten Leistungshalbleiter (der zweite Leistungshalbleiterschalter der linken Halbbrücke aus der 9) 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 Sicherheitsfunktionen der Vollbrücke nach 9 sind ähnlich zu der der Halbbrücke nach 4. Aufgrund der Vollbrückenanordnung können die Leistungshalbleiter 241, 242, 251, 252 mittels der erfindungsgemäßen Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 jedoch derartig angesteuert werden, dass wenn im Normalbetrieb die Batteriezelle 21 die Batteriezellspannung an die Ausgangsterminals 224, 225 in positiver Orientierung (+UBatteriezelle) 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.
  • Ferner können die Leistungshalbleiter 241, 242, 251, 252 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 negativer Orientierung (–UBatteriezelle) 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 ersten Spannungsgrenzwertes oder eine Batteriezellenspannung, deren Betrag einen zweiten Spannungsgrenzwert unterschreitet, und/oder einen Ladestroms, dessen Betrag einen vorbestimmten Ladestromgrenzwert überschreitet, und/oder einen Entladestroms, dessen Betrag einen vorbestimmten Entladestromgrenzwert überschreitet, so werden die Leistungshalbleiter (241, 242, 251, 252) der Koppeleinheit in einen Schaltzustand zu versetzen, bei dem durch die Batteriezelle kein Strom fließt. Dies kann dadurch erreicht werden, indem 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 werden.
  • Analog kann bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wenn der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit 230 der erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriezelleinheit 221 beispielsweise in einem Fahrzeug von einem Batteriemanagementsystem 211 mitgeteilt wird, dass das Fahrzeug einen Unfall hatte, die Batteriezelle 21 über eine der beiden Halbbrücken 240, 250 oder auch über beide Halbbrücken 240, 250 parallel entladen werden, wobei bevorzugt zum Laden jedoch die ultraschnelle Entladeschaltung 270 verwendet wird.
  • 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 Entladeschaltung (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 Devices (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 10 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 10 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 10 Bezug genommen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ISO 26262 [0012]

Claims (10)

  1. Batteriezelleinheit (221) mit einer Batteriezelle (21) und einer Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) zur Überwachung des Funktionszustands der Batteriezelle (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelleinheit (21) eine Koppeleinheit mit in Halbbrückenanordnung geschalteten Leistungshalbleitern (241, 242) zum Koppeln der Pole (222, 223) der Batteriezelle (21) an Ausgangsterminals (224, 225) der Batteriezelleinheit (221) und eine mit den Polen (222, 223) der Batteriezelle (21) gekoppelte Entladeschaltung (270) zum schnellen Entladen der Batteriezelle (21) umfasst, die durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) ansteuerbar sind.
  2. Batteriezelleinheit (221) nach Anspruch 1, 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 ersten Spannungsgrenzwert überschreitet, und/oder bei Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag einen zweiten 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 in einen Schaltzustand zu versetzen, bei dem durch die Batteriezelle (21) kein Strom fließt.
  3. Batteriezelleinheit (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) ausgebildet ist, anhand von insbesondere durch ein Batteriemanagementsystem kommunizierter Information 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 die Entladeschaltung (270) zum schnellen Entladen der Batteriezelle (21) zu aktivieren.
  4. Batteriezelleinheit (221) nach Anspruch 3, wobei die Entladeschaltung (270) eine Serienschaltung mit einem Widerstand (272) und einem Leistungshalbleiter (271), insbesondere mit einem Thyristor und/oder einer Abtaktschaltung mit einem Abtaktschalter und einem Abtaktwiderstand, umfasst und dazu eingerichtet ist, im aktivierten Zustand die Batteriezelle (21) mit einem vorbestimmten Entladestrom oder einem durch Ansteuerung der Entladeschaltung (270) mittels der Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) steuerbaren Entladestrom zu entladen.
  5. Batteriezelleinheit (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Koppeleinheit eine Vollbrücke aus zwei Halbbrücken aufweist, die jeweils einen mit dem Pluspol (222) der Batteriezelle (21) gekoppelten ersten Leistungshalbleiter (241, 251), einen mit dem 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 wahlweise eine Batteriezellspannung der Batteriezelle (21) an den Ausgangsterminals (224, 225) der Batteriezelleinheit (221) in positiver oder negativer Orientierung oder keine Batteriezellspannung an den Ausgangsterminals (224, 225) der Batteriezelleinheit (221) anliegt.
  6. 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 Koppeleinheit betrieben wird, die in Halbbrückenanordnung geschaltete Leistungshalbleiter (241, 242) zum Koppeln der Pole (222, 223) der Batteriezelle (21) an Ausgangsterminals (224, 255) der Batteriezelleinheit (221) umfasst, wobei wenn durch die Überwachungs- und Ansteuerungseinheit (230) eine Fehlersituation oder Gefahrsituation der Batteriezelle (21) feststellt wird, die Batteriezelle mittels der Koppeleinheit und/oder mittels einer mit den Polen (222, 223) der Batteriezelle (21) gekoppelten Entladeschaltung (270), die zum schnellen Entladen der Batteriezelle (21) vorgesehen ist, in einen sicheren Zustand versetzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Batteriezelle (21) durch Entladen in den sicheren Zustand versetzt wird, indem die Koppeleinheit so gesteuert wird, dass in der Halbbrücke (240, 250) ein Leistungshalbleiter (241, 242, 251, 252) eingeschaltet und der andere Leistungshalbleiter (241, 242, 251, 252) in einem aktiven Betrieb als steuerbarer Widerstand betrieben wird, und/oder 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,
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Batteriezelle (21) in den sicheren Zustand versetzt wird, indem ein erster Leistungshalbleiter der Halbbrücke eingeschaltet wird, so dass ein erstes Ausgangsterminals und ein zweites Ausgangsterminal der Batteriezelleinheit (221) leitend verbunden werden, und ein zweiter Leistungshalbleiter derselben Halbbrücke ausgeschaltet wird, oder, bei Verwendung einer Koppeleinheit aus zwei eine Vollbrücke bildenden Halbbrücken, jeweils zwei mit dem ersten Ausgangsterminal verbundene Leistungshalbleiter oder zwei mit dem zweiten Ausgangsterminal verbundene Leistungshalbleiter eingeschaltet werden.
  9. Batteriesystem (210), gekennzeichnet dadurch, dass das Batteriesystem 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.
  10. Kraftfahrzeug mit eine Elektromotor und einer Traktionsbatterie zur Versorgung des Elektromotors, die eine Batteriezelleinheit (221) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder das Batteriesystem (210) nach Anspruch 9 umfasst.
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