DE102015200406A1 - Forecast of internal short circuits of a battery module - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Batteriemodul (10) mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten (11, 12, 13, 14), von denen zumindest zwei elektrochemische Einheiten (11, 12) in Serie miteinander verschaltet sind, die wiederum mit der gleichen Anzahl in Serie verschalteter elektrochemischer Einheiten (13, 14) parallel verschaltet sind. Die in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten bilden einen ersten Strang (21) und einen zweiten Strang (22). Der erste Strang (21) und der zweite Strang (22) sind zwischen den jeweils zumindest zwei in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten (11, 12 und 13, 14) über einen Zwischenpfad (16) elektrisch miteinander verbindbar, wobei über den Zwischenpfad (16) ein möglicher interner Kurzschluss prognostizierbar ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Feststellen einer Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode zumindest einer elektrochemischen Einheit eines erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriemoduls (10).The invention relates to battery module (10) having a plurality of interconnected electrochemical units (11, 12, 13, 14), of which at least two electrochemical units (11, 12) are connected in series with each other, in turn with the same number in series interconnected electrochemical units (13, 14) are connected in parallel. The series-connected electrochemical units form a first strand (21) and a second strand (22). The first strand (21) and the second strand (22) are electrically connectable to each other between the respective at least two series-connected electrochemical units (11, 12 and 13, 14) via an intermediate path (16), via the intermediate path (16 ) a possible internal short circuit is predictable. Furthermore, the present invention relates to a method for detecting a deposition of metallic lithium on an anode of at least one electrochemical unit of a lithium-ion battery module (10) according to the invention.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein nachladbares Batteriemodul mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten und insbesondere ein Lithium-Ionen-Batteriemodul und ein Verfahren zum Feststellen einer Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer elektrochemischen Einheit des Batteriemoduls.The present invention relates to a rechargeable battery module having a plurality of interconnected electrochemical units, and more particularly to a lithium ion battery module and a method for detecting a deposition of metallic lithium on the anode of an electrochemical unit of the battery module.

Stand der TechnikState of the art

Lithium-Ionen Batterien, die typischerweise als ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, ausgeführt sind, zeichnen sich durch ihre hohen Energiedichten und Zellspannungen aus. Deshalb gelten Lithium-Ionen Batterien als vielversprechend für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Lithium-Ionen Batterien sind jedoch relativ empfindlich bezüglich Überladung wie auch Tiefentladung. Bei einer Überladung über einen gewissen Spannungswert pro Batteriezelle (typischerweise um 4,25 V) wird die Batteriezelle instabil und ein sich selbst verstärkender Prozess der Erwärmung kann initiiert werden. Auch eine Entladung unter eine gewisse Schwelle fördert ungünstige chemische Prozesse in der Batteriezelle, die zu einer irreversiblen Degradierung der Batteriezelle führen können. Um Lithium-Ionen-Batterien zuverlässig in Fahrzeuge integrieren zu können, ist demzufolge die Integration von Sicherheitsfunktionen in Batteriemodule und die Überwachung des Betriebs eines Batteriemoduls notwendig. Lithium-ion batteries, which are typically designed as a battery module with a plurality of interconnected battery cells, are characterized by their high energy densities and cell voltages. Therefore, lithium-ion batteries are considered promising for use in hybrid and electric vehicles. However, lithium-ion batteries are relatively sensitive to both overcharging and over-discharging. Overcharging above a certain voltage level per battery cell (typically around 4.25V) will make the battery cell unstable and a self-reinforcing process of heating may be initiated. Even a discharge below a certain threshold promotes unfavorable chemical processes in the battery cell, which can lead to irreversible degradation of the battery cell. In order to reliably integrate lithium-ion batteries in vehicles, therefore, the integration of safety functions in battery modules and the monitoring of the operation of a battery module is necessary.

Das Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen-Batteriezelle ist im Prinzip relativ einfach: Die Kathode enthält Lithium-Metalloxide und ist durch eine ionendurchlässige Trennschicht von der Anode aus Graphit getrennt. Beim Ladevorgang wandern die Lithium-Ionen zur Anode und speichern dort Elektronen aus einer Energiequelle. Beim Entladen strömen die Lithium-Ionen wieder zurück zur Kathode und setzen damit Energie frei. Da die Anode aus Graphit, sprich: Kohlenstoff, besteht, weist sie eine Schichtstruktur auf. In diese Schichten können lagern sich während des Ladens Lithium-Ionen ab. Es kann jedoch vorkommen, dass sich die Lithium-Ionen nicht in die Anode einlagern, sondern metallisches Lithium bilden, welches sich auf der Anode ablagert. Dieser Effekt wird auch als „Lithium-Plating“ (englisch) bezeichnet. Das angelagerte metallische Lithium steht nicht mehr für den Ladeprozess des Batteriemoduls zur Verfügung, was zu einer Verminderung sowohl der Leistungsfähigkeit als auch der Lebensdauer des Batteriemoduls führt.The principle of operation of a lithium-ion battery cell is in principle relatively simple: the cathode contains lithium metal oxides and is separated from the anode of graphite by an ion-permeable separating layer. During the charging process, the lithium ions migrate to the anode where they store electrons from an energy source. When discharging, the lithium ions flow back to the cathode, releasing energy. Since the anode consists of graphite, that is: carbon, it has a layer structure. Lithium ions can be deposited in these layers during charging. However, it may happen that the lithium ions do not intercalate into the anode, but form metallic lithium, which deposits on the anode. This effect is also called "lithium plating" (English). The attached metallic lithium is no longer available for the charging process of the battery module, resulting in a reduction in both the performance and the life of the battery module.

In ungünstigen Fällen können sich bei der Ablagerung des metallischen Lithiums auf der Anode Dendriten, baum- oder strauchartige Kristallstrukturen, ausbilden. Wenn die Dendriten die Trennschicht zwischen den Elektroden, Anode und Katode, durchdringen, führt dies zum Kurzschluss in der Batteriezelle. Ein solcher interner Kurzschluss kann einen vollständigen Ausfall oder in schwächer ausgeprägten Fällen eine beschleunigte Selbstentladung der Zelle zur Folge haben. Da metallisches Lithium schnell entflammbar ist, kann ein Kurzschluss auch zu einem Brand führen. Die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode führt somit zu einer beschleunigten Alterung des Batteriemoduls und stellt ein großes Sicherheitsrisiko dar.In unfavorable cases, dendrites, tree-like or shrub-like crystal structures can form on deposition of the metallic lithium on the anode. When the dendrites penetrate the interface between the electrodes, anode and cathode, this leads to a short circuit in the battery cell. Such an internal short circuit can result in complete failure or, in less severe cases, accelerated self-discharge of the cell. Since metallic lithium is quickly flammable, a short circuit can also lead to a fire. The deposition of metallic lithium on the anode thus leads to an accelerated aging of the battery module and represents a major security risk.

Da es insbesondere bei tiefen Temperaturen zur Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode kommen kann, ist das Verständnis dieses Effekts wesentlich für die Auslegung von Kühl- und Ladestrategien von Lithium-Ionen Batterien.Since deposition of metallic lithium on the anode can occur, especially at low temperatures, the understanding of this effect is essential for the design of cooling and charging strategies of lithium-ion batteries.

Aus der DE 11 2011 101 823 T5 ist ein Kontrollsystem für eine parallele Batterieanschlussschaltung. Anomalitäten werden hier durch das Vergleichen von Zuständen, beispielsweise Ströme und Temperaturen, einer Vielzahl von Sekundärbatteriepacks, welche parallel zueinander angeschlossen sind, festgestellt. Eine Kontrollschaltung führt eine Stromlimitierung aus, basierend auf einem Ausmaß einer festgestellten Abweichung. Dieses ermöglicht ein Verhindern von Überladen und Überentladen und ermöglicht außerdem eine genaue Einschätzung von Anomalitäten, inklusive Verschlechterung des Ladeprozesses der Batteriepacks und internem Kurzschluss.From the DE 11 2011 101 823 T5 is a control system for a parallel battery connection circuit. Anomalies are hereby determined by comparing states, such as currents and temperatures, of a plurality of secondary battery packs connected in parallel. A control circuit executes a current limitation based on an amount of a detected deviation. This allows prevention of overcharging and overdischarging, and also allows an accurate estimation of abnormalities, including deterioration of the charging process of the battery packs and internal short circuit.

Der Grundgedanke der offenbarten technischen Lösung besteht darin, dass die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer elektrochemischen Einheit eines Lithium-Ionen Batteriemoduls zu einer beschleunigten Alterung des Batteriemoduls führt und ein großes Sicherheitsrisiko darstellt.The basic idea of the disclosed technical solution is that the deposition of metallic lithium on the anode of an electrochemical unit of a lithium-ion battery module leads to an accelerated aging of the battery module and represents a great security risk.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie auf eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte und/oder verbesserte Weise ein interner Kurzschluss, der eine beschleunigte Selbstentladung oder in schwerwiegenderen Fällen einen vollständigen Ausfall einer elektrochemischen Einheit eines Batteriemoduls zur Folge haben kann, prognostiziert werden kann. The invention has for its object to provide a way, as in a simplified and / or improved compared to the prior art, an internal short circuit that can result in accelerated self-discharge or in more severe cases a complete failure of an electrochemical unit of a battery module, can be predicted.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a battery module according to claim 1 and a method according to claim 9. Advantageous embodiments and further developments are specified in the respective subclaims.

Dementsprechend sieht die Erfindung ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten vor, von denen zumindest zwei elektrochemische Einheiten in Serie miteinander verschaltet sind, die wiederum mit der gleichen Anzahl in Serie verschalteter elektrochemischer Einheiten parallel verschaltet sind. Die in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten bilden einen ersten Strang und einen zweiten Strang. Der erste Strang und der zweite Strang sind zwischen den jeweils zumindest zwei in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten über einen Zwischenpfad elektrisch miteinander verbindbar, wobei über den Zwischenpfad ein möglicher interner Kurzschluss prognostizierbar ist.Accordingly, the invention provides a battery module with a plurality of interconnected electrochemical units of which at least two electrochemical units are connected in series with each other, which in turn are connected in parallel with the same number of series-connected electrochemical units. The series-connected electrochemical units form a first strand and a second strand. The first strand and the second strand can be electrically connected to each other between the respectively at least two series-connected electrochemical units via an intermediate path, whereby a possible internal short circuit can be predicted via the intermediate path.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass über den Zwischenpfad ein mögliches Dendritenwachstum einzelner elektrochemischer Einheiten festgestellt werden kann, indem der elektronische Verstärker die Potenzialdifferenz abgreift, die sich über einen Zeitraum Δt bei geöffnetem Schaltkontakt einstellt, und diese Information über den Analog-Digital-Wandler an eine übergeordnete Steuereinrichtung, beispielsweise ein Batterie-Management-System, weitergibt. Damit ist es möglich, eine erhöhte Selbstentladung von fehlerhaften elektrochemischen Einheiten zu identifizieren, sodass die betroffenen elektrochemischen Einheiten vom Batteriemodul abgekoppelt oder ersetzt werden können. Mit der Erfindung wird somit vorteilhaft eine Batteriemodul geschaffen, mit dem die Sicherheit insbesondere von großen Batteriesystemen, wie sie beispielsweise bei Elektro- und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, signifikant erhöht werden kann.The inventive method has the advantage over the prior art that a potential dendrite growth of individual electrochemical units can be determined via the intermediate path by the electronic amplifier picks up the potential difference, which occurs over a period .DELTA.t with open switching contact, and this information about the Analog-to-digital converter to a higher-level control device, such as a battery management system, passes. This makes it possible to identify an increased self-discharge of faulty electrochemical units, so that the affected electrochemical units can be disconnected from the battery module or replaced. The invention thus advantageously provides a battery module with which the safety, in particular of large battery systems, as used for example in electric and hybrid vehicles, can be significantly increased.

Mit einer integrierten Leistungselektronik lassen sich zum Beispiel eigensichere Batteriezellen bzw. elektrochemische Einheiten oder intelligente Batteriezellen bzw. elektrochemische Einheiten realisieren. Die Batteriezellen bzw. elektrochemische Einheiten besitzen hierbei bereits die leistungselektronischen Stellglieder, sodass einzelne Batteriezellen bzw. elektrochemische Einheiten abgekoppelt oder dem Batteriemodul hinzugeschaltet werden können. Somit kann beispielsweise ein Batteriemodul mit stufig einstellbarer Ausgangsspannung realisiert werden.With integrated power electronics, for example, intrinsically safe battery cells or electrochemical units or intelligent battery cells or electrochemical units can be realized. The battery cells or electrochemical units in this case already have the power electronic actuators, so that individual battery cells or electrochemical units can be decoupled or connected to the battery module. Thus, for example, a battery module can be realized with adjustable output voltage.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein in den Zwischenpfad integrierter Schaltkontakt eine stromleitende Verbindung zwischen dem ersten Strang und dem zweiten Strang herstellt. Durch das Öffnen und Schließen des Schaltkontaktes kann die stromleitende Verbindung zwischen dem ersten Strang und dem zweiten Strang unterbrochen bzw. hergestellt werden.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that an integrated in the intermediate path switching contact establishes an electrically conductive connection between the first strand and the second strand. By opening and closing the switching contact, the current-conducting connection between the first strand and the second strand can be interrupted or produced.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein elektronischer Verstärker so angeordnet ist, dass eine bei geöffnetem Schaltkontakt möglicherweise auftretende Potenzialdifferenz am Zwischenpfad erfassbar ist. Anhand der Potenzialdifferenz der parallel geschalteten elektrochemischen Einheiten ist es möglich, einen internen Kurzschluss zu prognostizieren. Im Fall eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls kann die Potenzialdifferenz auf Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer elektrochemischen Einheit zurückgeführt werden. Beim Auftreten einer Potenzialdifferenz können frühzeitig Maßnahmen bei betroffenen elektrochemischen Einheiten eingeleitet werden. Somit können nicht erwünschte chemische Prozesse innerhalb eines Batteriemoduls, wie die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer elektrochemischen Einheit, sichtbar gemacht werden. In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that an electronic amplifier is arranged so that a potential difference possibly occurring at the switching contact open at the intermediate path can be detected. Based on the potential difference of the parallel connected electrochemical units, it is possible to predict an internal short circuit. In the case of a lithium-ion battery module, the potential difference can be attributed to deposition of metallic lithium on the anode of an electrochemical device. When a potential difference occurs, measures can be taken at an early stage for affected electrochemical units. Thus, unwanted chemical processes within a battery module, such as the deposition of metallic lithium on the anode of an electrochemical device, can be visualized.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Analog-Digital-Wandler mit dem elektronischen Verstärker verbunden ist, der die vom elektronischen Verstärker erfassten analogen Messwerte in digitale Messwerte umsetzt, die an eine übergeordnete Steuereinrichtung weiterleitbar sind. Die übergeordnete Steuereinrichtung kann beispielsweise ein Batterie-Management-System eines Fahrzeugs sein, das in der Lage ist, im Betrieb als auch während der Standzeiten eines Fahrzeugs mithilfe einer Batterie-Steuer-Einheit (auch englisch: Battery-Control-Unit (BCU)) an jedem einzelnen Batteriemodul über einen Überwachungsschaltkreis (auch englisch: Cell-Supervision-Circuit (CSC)) die Zustandswerte jeder einzelnen elektrochemischen Einheit, wie beispielsweise die Spannung zusammen mit dem Batteriestrom und der Batterietemperatur, zu messen.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that an analog-digital converter is connected to the electronic amplifier, which converts the analog measured values detected by the electronic amplifier into digital measured values that can be forwarded to a higher-level control device. The higher-level control device can be, for example, a battery management system of a vehicle that is capable of operating and also during the service life of a vehicle using a battery control unit (also called Battery Control Unit (BCU)). On each individual battery module via a monitoring circuit (also called: Cell-Supervision-Circuit (CSC)) to measure the state values of each individual electrochemical unit, such as the voltage along with the battery current and the battery temperature.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Batteriemodul ein Lithium-Ionen-Batteriemodul ist. Dementsprechend weisen die elektrochemischen Einheiten eine Kathode, die Lithium-Metalloxide enthält, und eine Anode aus Graphit auf, die durch eine ionendurchlässige Trennschicht voneinander getrennt sind. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the battery module according to the invention is a lithium-ion battery module. Accordingly, the electrochemical units comprise a cathode containing lithium metal oxides and an anode of graphite separated by an ion-permeable separating layer.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass über den Zwischenpfad eine mögliche Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode einer der elektrochemischen Einheiten feststellbar ist. Somit können elektrochemische Prozess innerhalb der elektrochemischen Einheiten sichtbar gemacht werden und Gefahrenpotenziale rechtzeitig erkannt werden.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that a possible deposition of metallic lithium on an anode of one of the electrochemical units can be detected via the intermediate path. Thus, electrochemical processes within the electrochemical units can be visualized and hazard potentials recognized in a timely manner.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer der elektrochemischen Einheiten zu einem relativ langsamen Abfall der Spannung U1 über der betroffenen elektrochemischen Einheit führt. Dieser Spannungsabfall macht sich in der Potenzialdifferenz bemerkbar, bei geöffnetem Schaltkontakt von dem elektronischen Verstärker am Zwischenpfad erfasst wird. Betroffene elektrochemische Einheiten können somit bestimmt werden und Gegenmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the deposition of metallic lithium on the anode of one of the electrochemical units leads to a relatively slow drop in the voltage U 1 across the electrochemical unit concerned. This voltage drop manifests itself in the potential difference, which is detected by the electronic amplifier at the intermediate path when the switching contact is open. Affected electrochemical units can thus be determined and countermeasures can be initiated in good time.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei geschlossenem Schaltkontakt sowohl eine Gesamtspannung U2 der beiden Stränge und als auch die Einzelspannungen U1 jeder elektrochemischen Einheit ausgleichbar sind. Dies ist möglich, da bei geschlossenem Schaltkontakt ein Ausgleichsstrom über den Zwischenpfad fließt.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that when the switching contact is closed both a total voltage U 2 of the two strands and as well as the individual voltages U 1 of each electrochemical unit can be compensated. This is possible because when the switching contact is closed, a compensating current flows through the intermediate path.

Weiterhin sieht die Erfindung ein Verfahren zum Feststellen einer Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode zumindest einer elektrochemischen Einheit eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten, von denen zumindest zwei elektrochemische Einheiten in Serie miteinander verschaltet werden, die wiederum mit der gleichen Anzahl in Serie verschalteter elektrochemischer Einheiten parallel verschaltet werden, vor. Von den in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten werden ein erster Strang und ein zweiter Strang gebildet. Der erste Strang und der zweite Strang werden zwischen den jeweils zumindest zwei in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten über einen Zwischenpfad elektrisch miteinander verbunden, wobei über den Zwischenpfad ein mögliches Dendritenwachstum innerhalb zumindest einer elektrochemischen Einheit festgestellt wird.Furthermore, the invention provides a method for detecting a deposition of metallic lithium on an anode of at least one electrochemical unit of a lithium-ion battery module, with a plurality of interconnected electrochemical units, of which at least two electrochemical units are connected in series, which in turn connected in parallel with the same number of series-connected electrochemical units. Of the series-connected electrochemical units, a first strand and a second strand are formed. The first strand and the second strand are electrically connected to each other between the respective at least two series-connected electrochemical units via an intermediate path, wherein a possible dendrite growth within at least one electrochemical unit is determined via the intermediate path.

Durch das Feststellen einer Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode zumindest einer elektrochemischen Einheit eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls können ungünstige chemische Prozesse innerhalb der elektrochemischen Einheiten eines Batteriemoduls, wie beispielsweise Batteriezellen oder Elektrodenwickel, transparent gemacht werden, um so frühzeitig regulierend eingreifen zu können. So stellt dieses Verfahren eine Vorbeugungsmaßnahme dar, die die Betriebssicherheit von Lithium-Ionen-Batteriemodulen im Automobil Bereich wesentlich erhöht. Gleichzeitig kann eine erhöhte Selbstentladung von fehlerhaften elektrochemischen Einheiten schneller identifiziert werden, sodass die betroffenen elektrochemischen Einheiten ausgetauscht werden können. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die angestrebte Gesamtleistung der Batterie aus, die hierdurch weiterhin garantiert werden kann.By detecting a deposition of metallic lithium on an anode of at least one electrochemical unit of a lithium-ion battery module, unfavorable chemical processes within the electrochemical units of a battery module, such as battery cells or electrode coils, can be made transparent so as to be able to intervene in a regulatory manner. Thus, this method represents a preventive measure that significantly increases the reliability of lithium-ion battery modules in the automotive sector. At the same time, an increased self-discharge of defective electrochemical units can be identified more quickly, so that the affected electrochemical units can be replaced. This in turn has a positive effect on the desired overall performance of the battery, which can continue to be guaranteed.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass nach dem Öffnen eines in den Zwischenpfad integrierten Schaltkontaktes mit einem elektronischen Verstärker eine Spannungsdifferenz, die sich bei dem Dendritenwachstum innerhalb einzelner Einheiten in einem Zeitraum Δt einstellt, von dem Zwischenpfad abgegriffen wird, wodurch ein interner Kurzschluss prognostiziert werden kann. Durch das Feststellen einer Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode zumindest einer elektrochemischen Einheit eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls können Gefahrenpotenziale, wie beispielsweise interne Kurzschlüsse, zuverlässig und frühzeitig vorausgesagt werden. Durch die Ausstattung des Batteriemoduls mit integrierter Leistungselektronik können elektrochemischen Einheiten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als fehlerhaft identifiziert wurden, von dem Batteriemodul abgekoppelt werden.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that, after opening a switching contact integrated into the intermediate path with an electronic amplifier, a voltage difference which occurs in the dendrite growth within individual units over a period Δt is tapped from the intermediate path, thereby forming a internal short circuit can be predicted. By detecting a deposition of metallic lithium on an anode of at least one electrochemical unit of a lithium-ion battery module, potential hazards, such as internal short circuits, can be reliably and early predicted. By equipping the battery module with integrated power electronics, electrochemical units that have been identified as defective by the method according to the invention can be decoupled from the battery module.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigt:Further advantageous details, features and design details of the invention are explained in more detail in connection with the embodiment shown in the figure. Showing:

1 in einer schematischen Darstellung einen schalttechnischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls. 1 in a schematic representation of a switching technology structure of a battery module according to the invention.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention

In 1 ist ein Batteriemodul 10 gezeigt, das vier miteinander verschaltete elektrochemische Einheiten 11, 12, 13, und 14 aufweist. Eine Ausführung des Batteriemoduls 10 mit mehr als den gezeigten vier elektrochemischen Einheiten ist möglich. Bei den elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, und 14 kann es sich erfindungsgemäß, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, sowohl um Batteriezellen als auch um einzelne Elektrodenwickel, auch englisch: „Jelly-Rolls“ genannt, handeln. Positive und negative Elektroden können auf einem Aufschlagdorn axial versetzt zu einem Elektrodenwickel zusammengerollt werden. Mehrere Elektrodenwickel können zu einer Batteriezelle zusammengefasst werden. Das Batteriemodul 10 ist entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Batteriemodul. Dementsprechend weisen entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform die elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, und 14 eine Kathode, die Lithium-Metalloxide enthält, und eine Anode aus Graphit auf, die durch eine ionendurchlässige Trennschicht voneinander getrennt sind. In 1 is a battery module 10 shown, the four interconnected electrochemical units 11 . 12 . 13 , and 14 having. An embodiment of the battery module 10 with more than the four electrochemical units shown is possible. In the electrochemical units 11 . 12 . 13 , and 14 It may be according to the invention, without limitation of generality, to both battery cells and individual electrode winding, also called "jelly rolls" act. Positive and negative electrodes can be rolled together axially on an impact mandrel to form an electrode coil. Several electrode windings can be combined to form a battery cell. The battery module 10 is according to a preferred embodiment, a lithium-ion battery module. Accordingly, according to a preferred embodiment, the electrochemical units 11 . 12 . 13 , and 14 a cathode containing lithium metal oxides and an anode of graphite separated by an ion-permeable separating layer.

Die elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, und 14 sind vorzugsweise in einer sogenannten 2s2p-Konfiguration angeordnet, wobei die elektrochemischen Einheiten 11 und 12, sowie die elektrochemischen Einheiten 13 und 14, jeweils in Serie miteinander verschaltet sind und die in Serie verschalteten elektrochemischen Einheiten 11 und 12 mit den in Serie verschalteten elektrochemischen Einheiten 13 und 14 parallel verschaltet sind. Diese Anordnung ist eine bevorzugte Ausführungsform. Entsprechend weiteren möglichen Ausführungsformen können zumindest zwei elektrochemische Einheiten in Serie miteinander verschaltet werden, die wiederum mit der gleichen Anzahl in Serie verschalteter elektrochemischer Einheiten parallel verschaltet werden können. The electrochemical units 11 . 12 . 13 , and 14 are preferably arranged in a so-called 2s2p configuration, the electrochemical units 11 and 12 , as well as the electrochemical units 13 and 14 , are interconnected in series and the series-connected electrochemical units 11 and 12 with the series connected electrochemical units 13 and 14 are connected in parallel. This arrangement is a preferred embodiment. According to further possible embodiments, at least two electrochemical units can be connected in series with one another, which in turn can be connected in parallel with the same number of electrochemical units connected in series.

Die in Serie verschalteten elektrochemischen Einheiten 11 und 12 bilden einen ersten Strang 21. Die in Serie verschalteten elektrochemischen Einheiten 13 und 14 bilden einen zweiten Strang 22. Der erste Strang 21 und der zweite Strang 22 sind darüber hinaus zwischen den jeweils zwei in Serie verschalteten elektrochemischen Einheiten über einen Zwischenpfad 16 elektrisch miteinander verbunden. Der Zwischenpfad 16 verbindet demzufolge den ersten Strang 21 mit dem zweiten Strang 22 zwischen den elektrochemischen Einheiten 11 und 12 bzw. zwischen den elektrochemischen Einheiten 13 und 14. Ein Schaltkontakt 17, der in den Zwischenpfad 16 integriert ist, stellt die stromleitende Verbindung her. Der Schaltkontakt 17 ist im Ausgangszustand geschlossen. The series-connected electrochemical units 11 and 12 form a first strand 21 , The series-connected electrochemical units 13 and 14 form a second strand 22 , The first strand 21 and the second strand 22 are also between the two series-connected electrochemical units via an intermediate path 16 electrically connected to each other. The intermediate path 16 thus connects the first strand 21 with the second strand 22 between the electrochemical units 11 and 12 or between the electrochemical units 13 and 14 , A switching contact 17 in the intermediate path 16 integrated, establishes the current-conducting connection. The switching contact 17 is closed in the initial state.

Ein elektronischer Verstärker 18, beispielsweise ein Operationsverstärker (OPV), ist so angeordnet, dass eine bei geöffnetem Schaltkontakt 17 möglicherweise auftretende Potenzialdifferenz am Zwischenpfad 16, erfasst werden kann. Der elektronische Verstärker 18 ist mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 19 verbunden, der die vom elektronischen Verstärker 18 erfassten analogen Messwerte in digitale Messwerte umsetzt. Die digitalen Messwerte können an eine übergeordnete Steuereinrichtung (nicht gezeigt) weitergegeben werden. Die übergeordnete Steuereinrichtung kann beispielsweise ein Batterie-Management-System eines Fahrzeugs sein, das in der Lage ist, im Betrieb als auch während der Standzeiten eines Fahrzeugs mithilfe einer Batterie-Steuer-Einheit (auch englisch: Battery-Control-Unit (BCU)) an jedem einzelnen Batteriemodul über einen Überwachungsschaltkreis (auch englisch: Cell-Supervision-Circuit (CSC)) die Zustandswerte jeder einzelnen elektrochemischen Einheit 11, 12, 13, oder 14, wie beispielsweise die Spannung zusammen mit dem Batteriestrom und der Batterietemperatur, zu messen.An electronic amplifier 18 , For example, an operational amplifier (OPV), is arranged so that when a switch contact is open 17 possibly occurring potential difference at the intermediate path 16 , can be recorded. The electronic amplifier 18 is with an analog-to-digital converter (ADC) 19 connected to the electronic amplifier 18 converted analog measured values into digital measured values. The digital measured values can be forwarded to a higher-level control device (not shown). The higher-level control device can be, for example, a battery management system of a vehicle that is capable of operating and also during the service life of a vehicle using a battery control unit (also called Battery Control Unit (BCU)). On each individual battery module via a monitoring circuit (also in English: Cell Supervision Circuit (CSC)) the state values of each individual electrochemical unit 11 . 12 . 13 , or 14 such as the voltage along with the battery current and the battery temperature.

Des Weiteren kann der Batteriemodul 10 eine integrierte Leistungselektronik aufweisen, mit der sich zum Beispiel eigensichere elektrochemische Einheiten 11, 12, 13, 14 oder intelligente elektrochemische Einheiten 11, 12, 13, 14 realisieren lassen. Die elektrochemische Einheiten 11, 12, 13, 14 besitzen hierbei bereits die leistungselektronischen Stellglieder, sodass einzelne elektrochemische Einheiten abgekoppelt oder hinzugeschaltet werden können.Furthermore, the battery module 10 have integrated power electronics, with which, for example, intrinsically safe electrochemical units 11 . 12 . 13 . 14 or intelligent electrochemical units 11 . 12 . 13 . 14 let realize. The electrochemical units 11 . 12 . 13 . 14 already have the power electronic actuators, so that individual electrochemical units can be disconnected or switched on.

Mithilfe des in 1 dargestellten Batteriemoduls 10 ist es möglich, eine Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer der elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, oder 14 festzustellen und somit Gefahrenpotenziale, wie beispielsweise interne Kurzschlüsse, zuverlässig und frühzeitig vorauszusagen. Wenn sich bei Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer der elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, oder 14 Dendriten ausbilden und die Dendriten die Trennschicht zwischen den Elektroden, Anode und Katode, durchdringen, führt dies zum Kurzschluss in der elektrochemischen Einheit. Ein solcher interner Kurzschluss kann einen vollständigen Ausfall oder in schwächer ausgeprägten Fällen eine beschleunigte Selbstentladung der betroffenen elektrochemischen Einheit zur Folge haben. Findet also innerhalb einer elektrochemischen Einheit 11, 12, 13, oder 14 die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode statt, so kann durch Dendritenwachstum ein interner Kurzschluss entstehen, der dazu führt, dass die Spannung U1 über der elektrochemischen Einheit 11, 12, 13, oder 14 über einen Zeitraum relativ langsam abfällt. In 1 ist die Spannung U1 nur für die elektrochemische Einheit 11 gezeigt. Bei geschlossenem Schaltkontakt 17 fließt ein dem Spannungsabfall entsprechender Ausgleichsstrom über den Zwischenpfad 16 und ermöglicht ein Ausgleichen der elektrochemischen Einheiten 11, 12, 13, und 14. Wenn der Schaltkontakt 17 geschlossen ist, können sowohl die Gesamtspannung U2 der beiden Stränge 21 und 22 als auch die Einzelspannungen U1 jeder elektrochemischen Einheit 11, 12, 13, oder 14 ausgeglichen werden. Using the in 1 illustrated battery module 10 For example, it is possible to deposit metallic lithium on the anode of one of the electrochemical units 11 . 12 . 13 , or 14 and thus to predict potential hazards, such as internal short circuits, reliably and early. If, on deposition of metallic lithium on the anode, one of the electrochemical units 11 . 12 . 13 , or 14 Forming dendrites and the dendrites penetrate the interface between the electrodes, anode and cathode, this leads to a short circuit in the electrochemical unit. Such an internal short circuit can result in complete failure or, in less severe cases, accelerated self-discharge of the affected electrochemical device. So find within an electrochemical unit 11 . 12 . 13 , or 14 the deposition of metallic lithium on the anode, dendrite growth can cause an internal short circuit that causes the voltage U 1 across the electrochemical unit 11 . 12 . 13 , or 14 drops relatively slowly over a period of time. In 1 is the voltage U 1 only for the electrochemical unit 11 shown. With closed switching contact 17 a compensating current corresponding to the voltage drop flows through the intermediate path 16 and allows balancing of the electrochemical units 11 . 12 . 13 , and 14 , When the switching contact 17 is closed, both the total voltage U 2 of the two strands 21 and 22 as well as the individual voltages U 1 of each electrochemical unit 11 . 12 . 13 , or 14 be compensated.

Sobald der Schaltkontakt 17 geöffnet wird, stellt sich nach einer bestimmten Zeit Δt eine Potenzialdifferenz am Zwischenpfad 16 ein, die mithilfe des elektronischen Verstärkers 18 gemessen werden kann. Die vom elektronischen Verstärker 18 erfassten analogen Messwerte werden mithilfe des Analog-Digital-Wandlers 19 in digitale Messwerte umsetzt und an das Batterie-Management-System weitergegeben, um weitere Maßnahmen einleiten zu können.As soon as the switching contact 17 is opened, after a certain time .DELTA.t a potential difference at the intermediate path 16 one using the electronic amplifier 18 can be measured. The from the electronic amplifier 18 recorded analog measurements are using the analog-to-digital converter 19 converted into digital readings and passed on to the battery management system to initiate further action.

Über den Zwischenpfad 16 kann somit ein mögliches Dendritenwachstum innerhalb einzelner elektrochemischer Einheiten 11, 12, 13, oder 14, festgestellt werden, welches ein frühzeitiges regulierendes Eingreifen ermöglicht und somit die Betriebssicherheit von Lithium-Ionen-Batteriemodulen deutlich erhöht. About the intermediate path 16 thus, a possible dendrite growth within individual electrochemical units 11 . 12 . 13 , or 14 Be detected, which allows early regulatory intervention and thus significantly increases the reliability of lithium-ion battery modules.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Batteriemodul (10) mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten (11, 12, 13, 14), von denen zumindest zwei elektrochemische Einheiten (11, 12) in Serie miteinander verschaltet sind, die wiederum mit der gleichen Anzahl in Serie verschalteter elektrochemischer Einheiten (13, 14) parallel verschaltet sind, wobei die in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten einen ersten Strang (21) und einen zweiten Strang (22) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strang (21) und der zweite Strang (22) zwischen den jeweils zumindest zwei in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten (11, 12 und 13, 14) über einen Zwischenpfad (16) elektrisch miteinander verbindbar sind, wobei über den Zwischenpfad (16) ein möglicher interner Kurzschluss prognostizierbar ist.Battery module ( 10 ) with a plurality of interconnected electrochemical units ( 11 . 12 . 13 . 14 ), of which at least two electrochemical units ( 11 . 12 ) are connected in series, which in turn are connected to the same number of series-connected electrochemical units ( 13 . 14 ) are connected in parallel, wherein the series-connected electrochemical units a first strand ( 21 ) and a second strand ( 22 ), characterized in that the first strand ( 21 ) and the second strand ( 22 ) between the respective at least two series-connected electrochemical units ( 11 . 12 and 13 . 14 ) via an intermediate path ( 16 ) are electrically connected to each other, whereby via the intermediate path ( 16 ) a possible internal short circuit is predictable. Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Zwischenpfad (16) integrierter Schaltkontakt (17) eine stromleitende Verbindung zwischen dem ersten Strang (21) und dem zweiten Strang (22) herstellt.Battery module ( 10 ) according to claim 1, characterized in that one in the intermediate path ( 16 ) integrated switching contact ( 17 ) an electrically conductive connection between the first strand ( 21 ) and the second strand ( 22 ). Batteriemodul (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronischer Verstärker (18) so angeordnet ist, dass eine bei geöffnetem Schaltkontakt (17) möglicherweise auftretende Potenzialdifferenz am Zwischenpfad (16) erfassbar ist.Battery module ( 10 ) according to claim 2, characterized in that an electronic amplifier ( 18 ) is arranged so that when a switch contact ( 17 ) possibly occurring potential difference at the intermediate path ( 16 ) is detectable. Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analog-Digital-Wandler (19) mit dem elektronischen Verstärker (18) verbunden ist, der die vom elektronischen Verstärker (18) erfassten analogen Messwerte in digitale Messwerte umsetzt, die an eine übergeordnete Steuereinrichtung weiterleitbar sind.Battery module ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that an analog-to-digital converter ( 19 ) with the electronic amplifier ( 18 ) connected to the electronic amplifier ( 18 ) converted analog measured values into digital measured values, which can be forwarded to a higher-level control device. Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) ein Lithium-Ionen-Batteriemodul ist. Battery module ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the battery module ( 10 ) is a lithium-ion battery module. Batteriemodul (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über den Zwischenpfad (16) eine mögliche Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode einer der elektrochemischen Einheiten (11, 12, 13, 14) feststellbar ist.Battery module ( 10 ) according to claim 5, characterized in that via the intermediate path ( 16 ) a possible deposition of metallic lithium on an anode of one of the electrochemical units ( 11 . 12 . 13 . 14 ) is detectable. Batteriemodul (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Anode einer der elektrochemischen Einheiten (11, 12, 13, 14) zu einem relativ langsamen Abfall einer Spannung U1 über der betroffenen elektrochemischen Einheit führt.Battery module ( 10 ) according to claim 5 or 6, characterized in that the deposition of metallic lithium on the anode of one of the electrochemical units ( 11 . 12 . 13 . 14 ) leads to a relatively slow drop of a voltage U 1 across the affected electrochemical unit. Batteriemodul (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Schaltkontakt (17) sowohl eine Gesamtspannung U2 der beiden Stränge (21) und (22) als auch die Einzelspannungen U1 jeder elektrochemischen Einheit (11, 12, 13, 14) ausgleichbar sind.Battery module ( 10 ) according to claim 7, characterized in that when the switch contact is closed ( 17 ) both a total voltage U 2 of the two strands ( 21 ) and ( 22 ) as well as the individual voltages U 1 of each electrochemical unit ( 11 . 12 . 13 . 14 ) are compensable. Verfahren zum Feststellen einer Ablagerung von metallischem Lithium auf einer Anode zumindest einer elektrochemischen Einheit eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls (10), mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten (11, 12, 13, 14), von denen zumindest zwei elektrochemische Einheiten (11, 12) in Serie miteinander verschaltet werden, die wiederum mit der gleichen Anzahl in Serie verschalteter elektrochemischer Einheiten (13, 14) parallel verschaltet werden, wobei von den in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten ein erster Strang (21) und ein zweiter Strang (22) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strang (21) und der zweite Strang (22) zwischen den jeweils zumindest zwei in Serie miteinander verschalteten elektrochemischen Einheiten (11, 12 und 13, 14) über einen Zwischenpfad (16) elektrisch miteinander verbunden werden, wobei über den Zwischenpfad (16) ein mögliches Dendritenwachstum innerhalb zumindest einer elektrochemischen Einheit (11, 12, 13, 14) festgestellt wird.Method for detecting deposition of metallic lithium on an anode of at least one electrochemical unit of a lithium-ion battery module ( 10 ), with a plurality of interconnected electrochemical units ( 11 . 12 . 13 . 14 ), of which at least two electrochemical units ( 11 . 12 ), which in turn are connected in series with the same number of series-connected electrochemical units ( 13 . 14 ) are connected in parallel, wherein of the series-connected electrochemical units a first strand ( 21 ) and a second strand ( 22 ), characterized in that the first strand ( 21 ) and the second strand ( 22 ) between the respective at least two series-connected electrochemical units ( 11 . 12 and 13 . 14 ) via an intermediate path ( 16 ) are electrically connected to each other via the intermediate path ( 16 ) a possible dendrite growth within at least one electrochemical unit ( 11 . 12 . 13 . 14 ) is detected. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Öffnen eines in den Zwischenpfad (16) integrierten Schaltkontaktes (17) mit einem elektronischen Verstärker (18) eine Spannungsdifferenz, die sich bei dem Dendritenwachstum innerhalb einzelner Einheiten (11, 12, 13, 14) in einem Zeitraum Δt einstellt, von dem Zwischenpfad (16) abgegriffen wird, wodurch ein interner Kurzschluss prognostiziert werden kann.Method according to claim 9, characterized in that after opening one in the intermediate path ( 16 ) integrated switching contact ( 17 ) with an electronic amplifier ( 18 ) a voltage difference that occurs in dendrite growth within individual units ( 11 . 12 . 13 . 14 ) in a period Δt, from the intermediate path ( 16 ), whereby an internal short circuit can be predicted.
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