DE102014220885A1

DE102014220885A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Schutz von Batteriezellen sowie Batteriemodul, Batterie, Batteriesystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014220885A1
Application number: DE102014220885.8A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Springer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von Batteriezellen (100₁, ... 100₄), gekennzeichnet durch: eine erste Z-Diode (300₁₂) mit einem ersten Kathodenanschluss und einem ersten Anodenanschluss zum Schutz einer ersten Batteriezelle (100₁) mit einem ersten Plus-Pol (110₁) und einem ersten Minus-Pol (115₁) und einer zweiten Batteriezelle (100₂) mit einem zweiten Plus-Pol (110₂) und einem zweiten Minus-Pol (115₂) gegen Überspannungen, wobei die erste Batteriezelle (100₁) und die zweite Batteriezelle (100₂) über den ersten Minus-Pol (115₁) und den zweiten Puls-Pol (115₂) miteinander in Serie verbunden sind; wobei: der erste Kathodenanschluss mit dem ersten Plus-Pol (110₁) verbunden ist und der erste Anodenanschluss mit dem zweiten Minus-Pol (115₂) verbunden ist, und die erste Z-Diode (300₁₂) eine erste Durchbruchspannung aufweist, die der Summe der Überspannungen der Batteriezellen (100₁, 100₂) zwischen dem ersten Plus-Pol (110₁) und dem zweiten Minus-Pol (115₂) entspricht, ein Batteriemodul (20; 30; 40), eine Batterie, ein Batteriesystem, ein Fahrzeug und ein Verfahren.

Description

Stand der Technik
Es ist absehbar, dass sowohl bei stationären Anwendungen, zum Beispiel bei Windkraftanlagen, als auch bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraftfahrzeugen (electric vehicles, EV), Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicles, HEV) oder Steckdosenhybridfahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV), als wiederaufladbare elektrische Energiespeicher (EES, electrochemical storage system, ESS) vermehrt neue Batteriesysteme, zum Beispiel mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren, zum Einsatz kommen werden.
Die Batteriesysteme müssen sehr hohe Anforderungen bezüglich des nutzbaren Energieinhalts, des Lade-/Entlade-Wirkungsgrads, der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer und des tolerierbaren Kapazitätsverlusts, zum Beispiel, durch häufige Teilentladung erfüllen. Somit kommen Hochleistungs- bzw. Hochenergiebatteriezellen in speziellen Ausführungen und Bauformen zum Einsatz.
Ein Batteriesystem umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen. Aufgrund ihres Zelleninnenwiderstands und der stattfindenden elektrochemischen Prozesse erwärmen sich die Batteriezellen während des Ladens und Entladens. Die Batteriezellen können in Reihe (Serie) verschaltet werden, um die elektrische Spannung zu erhöhen, und/oder parallel verschaltet werden, um den maximalen elektrischen Strom zu erhöhen. Dabei können die Batteriezellen zu Batterieeinheiten bzw. Batteriemodulen zusammengefasst werden. Beim Einsatz zum Antrieb von Fahrzeugen können beispielsweise ca. 100 Batteriezellen (als eine Traktionsbatterie) in Serie bzw. parallel verschaltet werden. Bei einem Hochvoltbatteriesystem kann die Gesamtspannung somit beispielsweise 450 V betragen.
Eine Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode), die Lithium-Ionen (Li+) beim Laden reversibel einlagern (Interkalation) oder beim Entladen wieder auslagern (Deinterkalation) können.
Wenn an einer Lithium-Ionen-Batteriezelle eine Überspannung von typischerweise größer 4,2 V anliegt, lagert sich an der Anode metallisches Lithium ab. Dadurch wird das Material der Kathode zum oxidierenden Element und verliert seine Stabilität. Die Schädigung kann zu einer beschleunigten Alterung der Batteriezellen oder einer selbsterhaltenden exothermen Reaktion (thermisches Durchgehen, thermal runaway) der Batteriezelle führen, die beispielsweise zu einem Zellbrand oder einer Zellexplosion führen kann. Dabei kann das thermische Durchgehen einer einzigen Batteriezelle eine Kaskadenreaktion der Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls auslösen. Somit besteht eine Gefahr für Mensch und Umwelt.
Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Batteriemoduls bzw. Batteriesystems zu gewährleisten, ist es daher erforderlich, die Batteriezellen vor Überspannungen zu schützen. Dazu werden die Batteriezellen üblicherweise jeweils mittels einer Überbrückungsvorrichtung (Bypasseinrichtung), die die Überspannung begrenzt, geschützt. Die Überbrückungsvorrichtung kann als elektronische Schaltung ausgebildet sein. Dabei überwacht die Überbrückungsvorrichtung die Spannung der Batteriezelle und schaltet die Überbrückung ein, wenn eine Überspannung detektiert wird, sodass ein Ladestrom an der bereits geladenen Batteriezelle vorbeigeführt wird. Alternativ kann die Überbrückungsvorrichtung ein aktives Bauelement umfassen, das den Ladestrom selbsttätig an der geladenen Batteriezelle vorbeiführt, wenn ein vorbestimmter Spannungswert erreicht wird. Das aktive Bauelement kann beispielsweise als Zener-Diode (Z-Diode) mit einer entsprechenden Durchbruchspannung ausgebildet sein.
1 zeigt dazu eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 10 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ und einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ gemäß des Stands der Technik.
Das Batteriemodul 10 umfasst die Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄, die jeweils einen positiven elektrischen Anschluss 110 ₁,... 110 ₄ und einen negativen elektrischen Anschluss 115 ₁, ... 115 ₄ umfassen, und eine Vielzahl von Zellverbindern 200 ₁₂, ... 200 ₃₄, die die Anschlüsse 110 ₁,... 110 ₄, 115 ₁, ... 115 ₄, wie 1 gezeigt, derart miteinander verbinden, dass die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ miteinander seriell elektrisch verbunden sind. Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ sind als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet und haben eine gewünschte Ladeschlussspannung von ca. 4,2 V.
Das Batteriemodul 10 umfasst weiterhin eine Vielzahl von Z-Dioden 300 ₁, ... 300 ₄, die jeweils einen Kathodenanschluss und einen Anodenanschluss umfassen und derart mit dem positiven elektrischen Anschluss 110 ₁,... 110 ₄ und dem negativen elektrischen Anschluss 115 ₁, ... 115 ₄ einer der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ verbunden sind, dass sie in Sperrrichtung betrieben werden und jeweils zu einer der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ parallel geschaltet sind. Zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ vor Überspannungen haben die Z-Dioden 300 ₁, ... 300 ₄ jeweils eine Durchbruchspannung von 4,3 V. Aus einer typischen Charakteristik solcher Z-Dioden, die in 5 beispielhaft gezeigt ist, ergibt sich, dass der Ladestrom einen Wert von 20 mA nicht übersteigen sollte, da sonst eine geladene Batteriezelle bei Spannungen über 4,2 V geladen wird, und dass bei einer Spannung der Batteriezelle von 3,0 V ein Entladestrom von 0,6 mA fließt, der die Batteriezelle entlädt.
Die Druckschrift DE 10 2008 001 341 A1 offenbart einen Batteriespeicher, enthaltend mindestens eine Batteriezelle und mindestens eine Z-Diode, die parallel zu der Batteriezelle angeordnet ist, wobei eine Kathode der Z-Diode mit einem Plus-Pol der Batteriezelle und eine Anode der Z-Diode mit einen Minus-Pol der Batteriezelle verbunden ist.
Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Akkumulatoren (Batterien) und Akkumulatorsystemen (Batteriesystemen) weiter zu erhöhen, ist es jedoch erforderlich, den Schutz von Batteriezellen vor Überspannungen weiter zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass eine Z-Diode mit einer steileren Schaltcharakteristik, die schärfer bzw. idealer zwischen einen gesperrten Zustand und einen durchgebrochenen Zustand unterscheidet, eingesetzt werden kann. Somit kann die Schaltcharakteristik der Schutzvorrichtung verbessert werden. Dadurch können der Entladestrom durch die Schutzvorrichtung und somit die Selbstentladung des Batteriemoduls reduziert werden. Weiterhin kann eine Z-Diode mit einer Durchbruchspannung, die der Summe der Spannungen der Batteriezellen nahekommt, eingesetzt werden. Dadurch kann die Durchbruchspannung genauer gewählt werden. Außerdem können sich die Ladezustände (State of Charge, SoC) der Batteriezellen beim Laden angleichen (passives Ausgleichen, Passive Balancing). Somit können Kapazitäten der Batteriezellen besser ausgenutzt werden. Außerdem kann die Komponentenzahl reduziert werden. Dadurch kann das Gewicht einer Batterie gesenkt und / oder die Reichweite eines Fahrzeug mit der Batterie erhöht werden.
Weiterhin kann eine Z-Diode mit einer Durchbruchspannung, die der Summe der Spannungen der zwei Batteriezellen nahekommt, eingesetzt werden. Beispielsweise kann für eine Spannung der Batteriezellen von 4,1 V eine Z-Diode mit einer Durchbruchspannung von 8,2 V, mit einer steilen, nahezu idealen Schaltcharakteristik, eingesetzt werden. Somit kann die Schaltcharakteristik der Schutzvorrichtung weiter verbessert werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Zweckmäßiger Weise kann zwischen dem ersten Kathodenanschluss und dem ersten Plus-Pol oder dem ersten Anodenanschluss und dem zweiten Minus-Pol ein erstes Widerstandselement zum Schutz der ersten Z-Diode angeordnet sein bzw. werden. Dadurch kann der Strom durch die erste Z-Diode begrenzt werden.
Somit kann eine Überlastung und / oder Zerstörung der ersten Z-Diode verhindert werden.
Zweckmäßiger Weise können zwischen dem ersten Minus-Pol und dem zweiten Puls-Pol eine oder mehrere weitere Batteriezellen angeordnet sein bzw. werden. Dadurch kann für die erste Z-Diode eine erste Durchbruchspannung gewählt werden, die der Summe der Spannungen der drei oder mehr Batteriezellen nahekommt. Somit kann die Schaltcharakteristik der Schutzvorrichtung weiter verbessert werden.
Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin eine zweite Z-Diode mit einem zweiten Kathodenanschluss und einem zweiten Anodenanschluss zum Schutz der zweiten Batteriezelle und einer dritten Batteriezelle mit einem dritten Plus-Pol und einem dritten Minus-Pol gegen Überspannungen, wobei die zweite Batteriezelle und die dritte Batteriezelle über den zweiten Minus-Pol und den dritten Puls-Pol miteinander in Serie verbunden sind, umfassen; wobei der zweite Kathodenanschluss mit dem zweiten Plus-Pol verbunden ist und der zweite Anodenanschluss mit dem dritten Minus-Pol verbunden ist, und die zweite Z-Diode eine zweite Durchbruchspannung aufweist, die der Summe der Überspannungen der Batteriezellen zwischen dem zweiten Plus-Pol und dem dritten Minus-Pol entspricht. Dadurch können eine gleiche Aufteilung der Spannung an den Batteriezellen und somit ein Ausgleich zwischen den Batteriezellen erreicht werden.
Zweckmäßiger Weise kann zwischen dem zweiten Kathodenanschluss und dem zweiten Plus-Pol oder dem zweiten Anodenanschluss und dem dritten Minus-Pol ein zweites Widerstandselement zum Schutz der zweiten Z-Diode angeordnet sein bzw. werden. Dadurch kann der Strom durch die zweite Z-Diode begrenzt werden. Somit kann eine Überlastung und/oder Zerstörung der zweiten Z-Diode verhindert werden.
Zweckmäßiger Weise können zwischen dem zweiten Minus-Pol und dem dritten Puls-Pol eine oder mehrere weitere Batteriezellen angeordnet sein bzw. werden. Dadurch kann für die zweite Z-Diode eine zweite Durchbruchspannung gewählt werden, die der Summe der Spannungen der drei oder mehr Batteriezellen nahekommt. Somit kann die Schaltcharakteristik der Schutzvorrichtung weiter verbessert werden.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriemodul bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Batterie bereit, die die zuvor beschriebene Vorrichtung oder das zuvor beschriebene Batteriemodul umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriesystem bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung, das zuvor beschriebene Batteriemodul oder die zuvor beschriebene Batterie umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug, Hybridfahrzeug, Plug-In Hybridfahrzeug oder Elektromotorrad (Elektro-Bike, E-Bike), Elektrofahrrad (Pedal Electric Cycle, Pedelec), ein Seefahrzeug wie Elektroboot oder Unterseeboot (U-Boot), ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahrzeug, bereit, das die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Vorrichtung, das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriemodul, die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batterie oder das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriesystem umfasst.
Somit können Gewicht und / oder Kosten beispielsweise Herstellungskosten wie Materialkosten, Verarbeitungskosten wie Montagekosten und Betriebskosten reduziert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 10 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ und einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ gemäß des Stands der Technik,
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 20 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ und einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 30 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ und einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 40 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ und einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ gemäß weiteren Ausführungsform der Erfindung, und
5 zeigt beispielhafte Sperrstromverläufe I_Z von einer Vielzahl von Z-Dioden in Abhängigkeit von einer Sperrspannung U_Z.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 20 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ und einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Batteriemodul 20 umfasst die Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄, die jeweils einen positiven elektrischen Anschluss 110 ₁,... 110 ₄ und einen negativen elektrischen Anschluss 115 ₁, ... 115 ₄ umfassen, und eine Vielzahl von Zellverbindern 200 ₁₂, ... 200 ₃₄, die die Anschlüsse 110 ₁,... 110 ₄, 115 ₁, ... 115 ₄, wie 2 gezeigt, derart miteinander verbinden, dass die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ miteinander seriell elektrisch verbunden sind. Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ sind als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet und haben eine gewünschte Ladespannung von ca. 4,2 V. Das Batteriemodul 20 kann mittels des positiven elektrischen Anschlusses 110 ₁ der Batteriezelle 100 ₁ und des negativen elektrischen Anschlusses 115 ₄ der Batteriezelle 100 ₄ mit einem Verbraucher bzw. einer Ladevorrichtung (nicht in 2 gezeigt) elektrisch verbunden werden.
Das Batteriemodul 20 umfasst weiterhin eine Vielzahl von Z-Dioden 300 ₁₂, 300 ₃₄, die jeweils einen Kathodenanschluss und einen Anodenanschluss umfassen und derart mit dem positiven elektrischen Anschluss 110 ₁, 110 ₃ einer der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₃ und dem negativen elektrischen Anschluss 115 ₂, 115 ₄ einer dazu benachbarten, anderen der Batteriezellen 100 ₂, 100 ₄ verbunden sind, dass sie in Sperrrichtung betrieben werden und jeweils zu zwei der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ parallel geschaltet sind. Zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ vor Überspannungen haben die Z-Dioden 300 ₁₂, 300 ₃₄ jeweils eine Durchbruchspannung von 8,2 V. Aus einer typischen Charakteristik solcher Z-Dioden, die in 5 beispielhaft gezeigt ist, ergibt sich, dass bei einer Spannung von 8,2 V eine geringe Spannungsänderung eine Stromänderung von 0,01 mA auf 40 mA bewirkt. Da die Durchbruchspannung der Z-Dioden 300 ₁₂, 300 ₃₄ der doppelten Spannung einer der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄, ggf. abzüglich eines Toleranzwerts, entspricht, können Z-Dioden 300 ₁₂, 300 ₃₄ mit einer steileren Schaltcharakteristik, die Z-Dioden mit niedrigeren Durchbruchspannungen nicht aufweisen, eingesetzt werden.
Beim Laden des Batteriemoduls 20 wird ein Ladestrom an den Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ bzw. 100 ₃, 100 ₄ vorbeigeführt, wenn die Summe der Spannungen der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ bzw. 100 ₃, 100 ₄ die Durchbruchspannung der Z-Diode 300 ₁₂ bzw. 300 ₃₄ erreicht.
Beim Entladen des Batteriemoduls 20, beispielsweise im Fahrbetrieb, ändert sich die Funktionsweise im Vergleich zu einem Batteriemodul ohne Z-Dioden nicht.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 30 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ und einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Das Batteriemodul 30 entspricht im Wesentlichen dem mit Bezug auf 2 beschriebenen Batteriemodul 20. Das Batteriemodul 30 umfasst eine Vielzahl von Z-Dioden 300 ₁₂, 300 ₂₃, 300 ₃₄, wobei der Kathodenanschluss der Z-Diode 300 ₂₃ mit dem positiven elektrischen Anschluss 110 ₂ der Batteriezelle 100 ₂ und der Anodenanschluss der Z-Diode 300 ₂₃ mit dem negativen elektrischen Anschluss 115 ₃ der dazu benachbarten Batteriezelle 100 ₃ verbunden sind, dass sie in Sperrrichtung betrieben wird und zu den beiden Batteriezellen 100 ₂, 100 ₃ parallel geschaltet ist. Zum Schutz der Batteriezellen 100 ₂, 100 ₃ vor Überspannungen hat die Z-Diode 300 ₂₃ ebenfalls eine Durchbruchspannung von 8,2 V. Somit sind die Z-Dioden 300 ₁₂, 300 ₂₃, 300 ₃₄ kaskadenartig angeordnet.
Beim Laden des Batteriemoduls 30 wird ein Ladestrom an den Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ bzw. 100 ₂, 100 ₃ bzw. 100 ₃, 100 ₄ vorbeigeführt, wenn die Summe der Spannungen der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ bzw. 100 ₂, 100 ₃ bzw. 100 ₃, 100 ₄ die Durchbruchspannung der Z-Diode 300 ₁₂ bzw. 300 ₂₃ bzw. 300 ₃₄ erreicht. Da die Batteriezellen 100 ₂, 100 ₃ jeweils von zwei Z-Dioden 300 ₁₂, 300 ₂₃ bzw. 300 ₂₃, 300 ₃₄ überwacht werden, findet beim Laden ein Ausgleich zwischen den Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ statt, sodass sich die Spannungen der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ aneinander angleichen.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 40 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ und einer Vorrichtung zum Schutz der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 ₄ gemäß weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Das Batteriemodul 40 entspricht im Wesentlichen dem mit Bezug auf 2 beschriebenen Batteriemodul 20. Das Batteriemodul 40 umfasst weiterhin eine Vielzahl von Widerstandselementen 350 ₁₂, 350 ₃₄. Die Widerstandselemente 350 ₁₂, 350 ₃₄ können beispielsweise als Widerstände wie Kohleschichtwiderstände oder Metallfilmwiderstände ausgebildet sein. Die Widerstandselemente 350 ₁₂, 350 ₃₄ können, wie in 4 beispielhaft gezeigt, jeweils zwischen den Kathodenanschlüssen der Z-Dioden 300 ₁₂, ... 300 ₃₄ und den positiven elektrischen Anschlüssen 110 ₁, 110 ₃ der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₃ als Vorwiderstände angeordnet und in Serie mit den der Z-Dioden 300 ₁₂, ... 300 ₃₄ geschaltet sein. Alternativ können die Widerstandselemente 350 ₁₂, 350 ₃₄ jeweils zwischen Anodenanschlüssen der Z-Dioden 300 ₁₂, ... 300 ₃₄ und den negativen elektrischen Anschlüssen 115 ₂, ... 115 ₄ der Batteriezellen 100 ₂, ... 100 ₄ angeordnet sein. Die Widerstandselemente 350 ₁₂, 350 ₃₄ begrenzen den Strom durch die Z-Dioden 300 ₁₂, ... 300 ₃₄ und schützen diese somit. Der Strom abhängige Spannungsabfall an den Widerstandselementen 350 ₁₂, 350 ₃₄, der jeweils zur Durchbruchspannung Z-Dioden 300 ₁₂, ... 300 ₃₄ zu addieren ist, erhöht jeweils die Summe der Spannungen der Batteriezellen 100 ₁, 100 ₂ bzw. 100 ₃, 100 ₄. Dies kann durch einen Zeit abhängigen Ladestrom (Ladestromkurve) verhindert werden.
5 zeigt beispielhafte Sperrstromverläufe I_Z von einer Vielzahl von Z-Dioden in Abhängigkeit von einer Sperrspannung U_Z.
Die Z-Dioden haben Durchbruchspannungen von 3,6, 3,9, 4,3, 4,7, 5,1, 5,6, 6,2, 6,8, 7,5, 8,2, 9,1, 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33 und 36 V.
Die Sperrstromverläufe der Z-Dioden mit Durchbruchspannungen von 3,6 V bis 7,5 V sind, jeweils über den gesamten Verlauf, nicht-linear und nicht sehr steil.
Die Sperrstromverläufe der Z-Dioden mit Durchbruchspannungen von 8,2 V bis 20 V und insbesondere von 8,2 V bis 12 V sind vergleichsweise linear und steil. Dadurch ergibt sich eine Schaltcharakteristik, die schärfer bzw. idealer zwischen einem gesperrten Zustand und einem durchgebrochenen Zustand unterscheidet. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt Z-Dioden mit diesen Durchbruchspannungen eingesetzt, sodass eine nahezu ideale Schaltcharakteristik erreicht werden kann.
Die Sperrstromverläufe der Z-Dioden mit Durchbruchspannungen von 22 V bis 36 V sind nicht-linear, allerdings erst bei größeren Strömen, d. h im Bereich von 10 mA bis 100 mA.
Bei niedrigen Durchbruchspannungen beruhrt der Durchbruch auf dem Zenereffekt mit einem negativen Temperaturkoeffizient und vergleichsweise flachem Durchbruch. Bei höheren Durchbruchspannungen dominiert der Lawinendurchbruch-Effekt (Avalanche Effect) mit einem positivem Temperaturkoeffizient und wesentlich steileren Durchbruch.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „umfassend“ und „aufweisend“ oder dergleichen nicht ausschließen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Die verwendeten Anzahlen sind lediglich beispielhaft, sodass eine Vielzahl zwei, vier, fünf, sechs, oder mehr Elemente oder Schritte umfassen kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass Artikel wie „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließen. Weiterhin wird angemerkt, dass Zahlwörter bzw. Ordnungszahlen wie „erste“, „zweite“ usw. ausschließlich zur Unterscheidung von Elementen und Schritten dienen, ohne dabei eine Reihenfolge der Anordnung der Elemente oder der Ausführung der Schritte festzulegen bzw. zu beschränken. Außerdem können die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Schließlich wird angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008001341 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung zum Schutz von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 ₄), gekennzeichnet durch: – eine erste Z-Diode (300 ₁₂) mit einem ersten Kathodenanschluss und einem ersten Anodenanschluss zum Schutz einer ersten Batteriezelle (100 ₁) mit einem ersten Plus-Pol (110 ₁) und einem ersten Minus-Pol (115 ₁) und einer zweiten Batteriezelle (100 ₂) mit einem zweiten Plus-Pol (110 ₂) und einem zweiten Minus-Pol (115 ₂) gegen Überspannungen, wobei die erste Batteriezelle (100 ₁) und die zweite Batteriezelle (100 ₂) über den ersten Minus-Pol (115 ₁) und den zweiten Puls-Pol (115 ₂) miteinander in Serie verbunden sind; wobei: – der erste Kathodenanschluss mit dem ersten Plus-Pol (110 ₁) verbunden ist und der erste Anodenanschluss mit dem zweiten Minus-Pol (115 ₂) verbunden ist, und – die erste Z-Diode (300 ₁₂) eine erste Durchbruchspannung aufweist, die der Summe der Überspannungen der Batteriezellen (100 ₁, 100 ₂) zwischen dem ersten Plus-Pol (110 ₁) und dem zweiten Minus-Pol (115 ₂) entspricht.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: – zwischen dem ersten Kathodenanschluss und dem ersten Plus-Pol (110 ₁) oder dem ersten Anodenanschluss und dem zweiten Minus-Pol (115 ₂) ein erstes Widerstandselement (350 ₁₂) zum Schutz der ersten Z-Diode (300 ₁₂) angeordnet ist, oder – zwischen dem ersten Minus-Pol (115 ₁) und dem zweiten Puls-Pol (115 ₂) eine oder mehrere Batteriezellen angeordnet sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend: – eine zweite Z-Diode (300 ₂₃) mit einem zweiten Kathodenanschluss und einem zweiten Anodenanschluss zum Schutz der zweiten Batteriezelle (100 ₂) und einer dritten Batteriezelle (100 ₃) mit einem dritten Plus-Pol (110 ₃) und einem dritten Minus-Pol (115 ₃) gegen Überspannungen, wobei die zweite Batteriezelle (100 ₂) und die dritte Batteriezelle (100 ₃) über den zweiten Minus-Pol (115 ₂) und den dritten Puls-Pol (115 ₃) miteinander in Serie verbunden sind; wobei: – der zweite Kathodenanschluss mit dem zweiten Plus-Pol (110 ₂) verbunden ist und der zweite Anodenanschluss mit dem dritten Minus-Pol (115 ₃) verbunden ist, und – die zweite Z-Diode (300 ₂₃) eine zweite Durchbruchspannung aufweist, die der Summe der Überspannungen der Batteriezellen (100 ₂, 100 ₃) zwischen dem zweiten Plus-Pol (110 ₂) und dem dritten Minus-Pol (115 ₃) entspricht.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei: – zwischen dem zweiten Kathodenanschluss und dem zweiten Plus-Pol (110 ₂) oder dem zweiten Anodenanschluss und dem dritten Minus-Pol (115 ₃) ein zweites Widerstandselement zum Schutz der zweiten Z-Diode (300 ₂₃) angeordnet ist, oder – zwischen dem zweiten Minus-Pol (115 ₂) und dem dritten Puls-Pol (115 ₃) eine oder mehrere Batteriezellen angeordnet sind.
Batteriemodul (20; 30; 40), umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Batterie, umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, oder – das Batteriemodul (20; 30; 40) nach Anspruch 5.
Batteriesystem, umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, oder – das Batteriemodul (20; 30; 40) nach Anspruch 5, – die Batterie nach Anspruch 6.
Fahrzeug, umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, verbunden mit dem Fahrzeug, – das Batteriemodul (20; 30; 40) nach Anspruch 5, verbunden mit dem Fahrzeug, – die Batterie nach Anspruch 6, verbunden mit dem Fahrzeug, oder – das Batteriesystem nach Anspruch 7, verbunden mit dem Fahrzeug.
Verfahren zum Schutz von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 ₄), gekennzeichnet durch: – Bereitstellen einer ersten Z-Diode (300 ₁₂) mit einem ersten Kathodenanschluss und einem ersten Anodenanschluss zum Schutz einer ersten Batteriezelle (100 ₁) mit einem ersten Plus-Pol (110 ₁) und einem ersten Minus-Pol (115 ₁) und einer zweiten Batteriezelle (100 ₂) mit einem zweiten Plus-Pol (110 ₂) und einem zweiten Minus-Pol (115 ₂) gegen Überspannungen, wobei die erste Batteriezelle (100 ₁) und die zweite Batteriezelle (100 ₂) über den ersten Minus-Pol (115 ₁) und den zweiten Puls-Pol (115 ₂) miteinander in Serie verbunden sind; wobei: – der erste Kathodenanschluss mit dem ersten Plus-Pol (110 ₁) verbunden wird und der erste Anodenanschluss mit dem zweiten Minus-Pol (115 ₂) verbunden wird, und – die erste Z-Diode (300 ₁₂) eine erste Durchbruchspannung aufweist, die der Summe der Überspannungen der Batteriezellen (100 ₁, 100 ₂) zwischen dem ersten Plus-Pol (110 ₁) und dem zweiten Minus-Pol (115 ₂) entspricht.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei: – zwischen dem ersten Kathodenanschluss und dem ersten Plus-Pol (110 ₁) oder dem ersten Anodenanschluss und dem zweiten Minus-Pol (115 ₂) ein erstes Widerstandselement (350 ₁₂) zum Schutz der ersten Z-Diode (300 ₁₂) angeordnet wird, oder – zwischen dem ersten Minus-Pol (115 ₁) und dem zweiten Puls-Pol (115 ₂) eine oder mehrere Batteriezellen angeordnet werden.
Das Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, weiterhin fassend: – Bereitsstellen einer zweiten Z-Diode (300 ₂₃) mit einem zweiten Kathodenanschluss und einem zweiten Anodenanschluss zum Schutz der zweiten Batteriezelle (100 ₂) und einer dritten Batteriezelle (100 ₃) mit einem dritten Plus-Pol (110 ₃) und einem dritten Minus-Pol (115 ₃) gegen Überspannungen, wobei die zweite Batteriezelle (100 ₂) und die dritte Batteriezelle (100 ₃) über den zweiten Minus-Pol (115 ₂) und den dritten Puls-Pol (115 ₃) miteinander in Serie verbunden sind; wobei: – der zweite Kathodenanschluss mit dem zweiten Plus-Pol (110 ₂) verbunden wird und der zweite Anodenanschluss mit dem dritten Minus-Pol (115 ₃) verbunden wird, und – die zweite Z-Diode (300 ₂₃) eine zweite Durchbruchspannung aufweist, die der Summe der Überspannungen der Batteriezellen (100 ₂, 100 ₃) zwischen dem zweiten Plus-Pol (110 ₂) und dem dritten Minus-Pol (115 ₃) entspricht.
Die Verfahren nach Anspruch 11, wobei: – zwischen dem zweiten Kathodenanschluss und dem zweiten Plus-Pol (110 ₂) oder dem zweiten Anodenanschluss und dem dritten Minus-Pol (115 ₃) ein zweites Widerstandselement zum Schutz der zweiten Z-Diode (300 ₂₃) angeordnet wird, oder – zwischen dem zweiten Minus-Pol (115 ₂) und dem dritten Puls-Pol (115 ₃) eine oder mehrere Batteriezellen angeordnet werden.