DE102015205153A1 - Protection circuit for charge equalization of battery cells of a battery and battery cell - Google Patents

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Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Schutzschaltung zum Ladungsausgleich von Batteriezellen, Batterie mit entsprechender Schutzschaltung und ein zugehöriges Verfahren offenbart. Die Schutzschaltung umfasst einen an einem Pol der Batteriezelle verbundenen ersten Schalter und einen zu dem ersten Schalter in Serie geschalteten und mit dem anderen Pol der Batteriezelle verbundenen Widerstand umfasst, die parallel zu der Batteriezelle geschalten sind. Die Schutzschaltung weist ferner einen zweiten Schalter auf, der mit seinen Enden direkt mit den Polen der Batteriezelle verbunden ist, und der parallel zu der Batteriezelle und dem ersten Schalter mit dem in Serie geschalteten Widerstand geschaltet ist. Durch den zweiten Schalter, der direkt mit den Polen der Batterie verbunden ist, kann nach Entladung der Batterie und im Notfall schnell und ohne erhöhten schaltungstechnischen Aufwand eine Überbrückung der Batteriezelle erfolgen.According to the invention, a protection circuit for charge equalization of battery cells, battery with corresponding protection circuit and an associated method is disclosed. The protection circuit comprises a first switch connected to one pole of the battery cell and a resistor connected in series with the first switch and connected to the other pole of the battery cell, which are connected in parallel with the battery cell. The protection circuit further comprises a second switch, which is connected at its ends directly to the poles of the battery cell, and which is connected in parallel to the battery cell and the first switch with the series-connected resistor. By the second switch, which is connected directly to the poles of the battery, can take place after discharge of the battery and in an emergency, quickly and without increased circuit complexity bridging the battery cell.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zum Ladungsausgleich von Batteriezellen einer Batterie mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen. Ferner wird eine Batteriezelle mit den im Oberbegriff des Anspruchs 11 genannten Merkmalen offenbart.The present invention relates to a protection circuit for charge equalization of battery cells of a battery with the features mentioned in the preamble of claim 1. Furthermore, a battery cell with the features mentioned in the preamble of claim 11 is disclosed.

Stand der TechnikState of the art

In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden als Energiequelle vermehrt Akkumulatoren bzw. Batterien, welche mehrere Batteriezellen umfassen, eingesetzt. Hierbei werden oft auf Lithiumchemie basierende Batteriezellen verwendet, sogenannte Lithium-Ionen-Batterien, da diese im Vergleich zu auf Nickel oder Blei basierenden Batterien die größte bisher verfügbare Energiedichte bei geringstem Gewicht aufweisen. Lithium-Ionen-Batterien weisen viele Vorteile gegenüber Batterien, welche beispielsweise auf Nickel oder Blei basieren, auf, aber sie sind auch wesentlich teurer als diese. Eine Batterie für ein Automobil kann mehrere tausend Euro kosten. Dies führt dazu, dass vom Kunden verlangt wird, dass die Batterien eine entsprechend lange Lebensdauer und Robustheit gegenüber Fehlern aufweisen. In electrically driven vehicles accumulators or batteries, which comprise a plurality of battery cells, are increasingly being used as the energy source. In this case, lithium-based battery cells are often used, so-called lithium-ion batteries, since these have the largest available energy density at the lowest weight compared to nickel or lead-based batteries. Lithium ion batteries have many advantages over batteries based on, for example, nickel or lead, but are also much more expensive than them. A battery for an automobile can cost several thousand euros. As a result, the customer is required to have a correspondingly long life and robustness against defects.

Typischerweise werden mehrere Batteriezellen zum Antrieb oder zur Energiespeicherung in Serie geschaltet, um die benötigten Leistungs- und Energiedaten zu erreichen. Wenn eine der in Serie geschalteten Zellen nun einen sogenannten ungesunden Zustand annimmt, d.h. einen Zustand annimmt, der zu einem Schaden der Zelle oder sogar der gesamten Batterie führen kann, muss diese Zelle von dem Zellverbund getrennt werden. Wenn eine Serienschaltung vorliegt, muss die getrennte Zelle mittels einer elektrisch leitfähigen Brücke überbrückt werden.Typically, multiple battery cells are connected in series for drive or energy storage to achieve the required power and energy data. If one of the series connected cells now assumes a so-called unhealthy state, i. assumes a condition that can result in damage to the cell or even the entire battery, that cell must be disconnected from the cell assembly. If a series circuit is present, the separated cell must be bridged by means of an electrically conductive bridge.

Das oben genannte Problem wird auch in der DE 10 2012 201 404 A1 adressiert. Die DE 10 2012 201 404 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich der Batteriezellen einer Batterie durch Schalten von Entladeströmen, wobei ein Entladestrom über einen mit einem Batteriemodul, das mindestens eine Batteriezelle aufweist, parallel geschalteten Widerstand fließt. Der Entladestrom wird dabei mittels eines dem Batteriemodul zugeordneten Transistors geschaltet. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Transistor gemäß einem pulsweitenmodulierten Signal ein- und ausgeschaltet wird. Mittels des Verfahrens wird erreicht, dass der Gradient des Temperaturanstiegs des Widerstands verringert wird, der zum teilweisen Entladen bzw. zum Ladungsausgleich des Batteriemoduls einer Batterie mittels des Transistors zu dem Batteriemodul parallel geschaltet wird. Dazu wird der Transistor pulsweitenmoduliert eingeschaltet bzw. angesteuert.The above problem is also in the DE 10 2012 201 404 A1 addressed. The DE 10 2012 201 404 A1 discloses a method and apparatus for charge balancing the battery cells of a battery by switching discharge currents, wherein a discharge current flows across a resistor connected in parallel with a battery module having at least one battery cell. The discharge current is switched by means of a battery module associated transistor. In particular, it is provided that the transistor is switched on and off according to a pulse width modulated signal. By means of the method, it is achieved that the gradient of the temperature increase of the resistor is reduced, which is connected in parallel with the battery module for partially discharging or for charge compensation of the battery module of a battery by means of the transistor. For this purpose, the transistor is switched on or driven with pulse width modulation.

Die Druckschrift DE 10 2011 082 560 A1 offenbart ferner eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, welche eine Überstromschutzeinrichtung umfasst, die in einem Strompfad der Batteriezelle angeordnet ist, der zur elektrischen Verbindung der Batteriezelle mit einem externen Anschluss vorgesehen ist. Bezüglich der Überstromschutzeinrichtung ist ein paralleler elektrischer Pfad mit einem elektrischen Entladewiderstand angeordnet. Zusätzlich zu dem Entladewiderstand kann zwischen den Polen der Batteriezelle eine Überladesicherung als Schaltelement angeordnet sein. Ferner wird ein Verfahren zur Entladung einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, beschrieben. The publication DE 10 2011 082 560 A1 further discloses a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell, which comprises an overcurrent protection device, which is arranged in a current path of the battery cell, which is provided for electrically connecting the battery cell to an external terminal. With respect to the overcurrent protection device, a parallel electrical path with an electrical discharge resistor is arranged. In addition to the discharge resistor can be arranged as a switching element between the poles of the battery cell, a Überladesicherung. Furthermore, a method for discharging a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell is described.

Des Weiteren ist aus der Druckschrift DE 10 2011 002 618 A1 eine Batteriezelle mit integrierter Zellelektronik bekannt. Dabei wird eine Entladeeinheit offenbart, welche einen Schalttransistor und einen Begrenzungswiderstand zur Begrenzung des Stromflusses beim Entladen umfassen kann.Furthermore, from the document DE 10 2011 002 618 A1 a battery cell with integrated cell electronics known. In this case, a discharge unit is disclosed which may comprise a switching transistor and a limiting resistor for limiting the current flow during discharging.

Aus der DE 197 37 775 C2 ist ferner eine Vorrichtung zum Schützen wenigstens einer wiederaufladbaren Batteriezelle gegen Überladung bekannt. Dabei kann ein Widerstand zum Entladen der wenigstens einen Batteriezelle nach dem Entkoppeln durch den Entkopplungskreis vorgesehen sein.From the DE 197 37 775 C2 Furthermore, a device for protecting at least one rechargeable battery cell against overcharge is known. In this case, a resistor may be provided for discharging the at least one battery cell after decoupling by the decoupling circuit.

Die oben genannten Offenbarungen ermöglichen eine Überwachung von Batteriezellen bzw. ganzen Batterieeinheiten, wobei ein Augenmerk darauf liegt, Entladeströme zu kontrollieren, so dass ein kontrolliertes Entladen der Batteriezelle bzw. der Batterie erfolgt, ohne dass ein Schaden durch beispielsweise Überhitzung entsteht. The above-mentioned disclosures enable monitoring of battery cells or entire battery units, with an emphasis on controlling discharge currents, so that a controlled discharge of the battery cell or the battery takes place, without causing damage caused by, for example, overheating.

Der Fokus bei der vorliegenden Erfindung wird darauf gelegt, dass noch bessere Kontrolle der Entladung einer Batteriezelle bzw. einer Batterie erfolgt, was durch eine Schutzschaltung erreicht wird, die eine schnelle Entladung ermöglicht ohne dass die Batteriezelle oder Batterie Schaden nimmt.The focus in the present invention is placed on even better control of the discharge of a battery cell or a battery, which is achieved by a protective circuit that allows a fast discharge without the battery cell or battery is damaged.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die oben genannten Ziele werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erreicht. Genauer wird eine Schutzschaltung offenbart, durch die eine Batteriezelle über einen ersten Schaltkreis schrittweise entladen und über einen zweiten elektrisch aktivierten Schaltkreis schnell überbrückt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Schaltung erfolgt ein schnelles Entladen der Batteriezelle oder Batterie ohne dass dabei ein Überhitzen eines der Komponenten oder sogar der Batteriezelle oder Batterie erfolgt.The above objects are achieved by the subject-matter of the independent claims. More specifically, a protection circuit is disclosed by which a battery cell can be gradually discharged via a first circuit and quickly bypassed via a second electrically activated circuit. By the circuit according to the invention, a fast discharge of the battery cell or battery without causing overheating of one of Components or even the battery cell or battery.

Erfindungsgemäß wird eine Schutzschaltung zum Ladungsausgleich von Batteriezellen einer Batterie mit einer Steuerschaltung bereitgestellt, wobei die Schutzschaltung einen an einem Pol der Batteriezelle verbundenen ersten Schalter und einen zu dem ersten Schalter in Serie geschalteten und mit dem anderen Pol der Batteriezelle verbundenen Widerstand umfasst, die parallel zu der Batteriezelle geschalten sind. Kennzeichnend ist, dass die Schutzschaltung ferner einen zweiten Schalter aufweist, der mit seinen Enden direkt mit den Polen der Batteriezelle verbunden ist, und der parallel zu der Batteriezelle und dem ersten Schalter mit dem in Serie geschalteten Widerstand geschaltet ist. Durch diese Anordnung kann eine defekte Batteriezelle nahezu vollständig entladen werden, so dass dann eine sichere Überbrückung dieser Batteriezelle durch den zweiten Schalter erfolgen kann, der den Strangstrom der in Serie geschalteten Batteriezellen trägt. Die Schaltung aus ersten Schalter und dem Widerstand kann den Strangstrom nicht tragen, sondern dient dazu, die beschädigte Zelle nahezu vollständig zu entladen, so dass eine sichere Überbrückung der kaputten Zelle durch den zweiten Schalter erfolgen kann ohne dass die Batteriezelle als Widerstand missbraucht wird. According to the invention, a protection circuit for charge equalization of battery cells of a battery is provided with a control circuit, wherein the protection circuit comprises a first switch connected to one pole of the battery cell and a resistor connected in series to the first switch and connected to the other pole of the battery cell connected in parallel to the battery cell are switched. It is characteristic that the protective circuit further comprises a second switch, which is connected with its ends directly to the poles of the battery cell, and which is connected in parallel to the battery cell and the first switch with the series-connected resistor. By this arrangement, a defective battery cell can be almost completely discharged, so that then a safe bridging of this battery cell can be done by the second switch, which carries the string current of the series-connected battery cells. The circuit of first switch and the resistor can not carry the string current, but serves to almost completely discharge the damaged cell, so that a secure bridging of the broken cell can be done by the second switch without the battery cell is used as a resistor.

Bevorzugt ist die Steuerschaltung dazu eingerichtet, den ersten Schalter gemäß einem pulsweitenmodulierten Signal zu öffnen und zu schließen. Zusätzlich kann die Steuerschaltung dazu eingerichtet sein, den zweiten Schalter zur Überbrückung der Batteriezelle zu schließen. Der zweite Schalter wird durch die Schutzschaltung in einen permanent zu schließenden Zustand versetzt, auch wenn die Betriebsspannung der Steuerschaltung ausfällt. Preferably, the control circuit is adapted to open and close the first switch according to a pulse width modulated signal. In addition, the control circuit may be configured to close the second switch for bridging the battery cell. The second switch is set by the protection circuit in a permanently closed state, even if the operating voltage of the control circuit fails.

Ferner umfasst die Steuerschaltung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein thermisch sensitives Bauteil, das dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Widerstands (R5) zu messen, wobei basierend auf der gemessenen Temperatur die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, den ersten Schalter ein- oder auszuschalten. Die Temperatur des Widerstands ist ein Indikator dafür, wie viel Energie aus Batteriezelle durch die Entladung über den Widerstand abgeflossen ist, d.h. ob eine Überhitzung der Batteriezelle oder des Widerstands vorliegt. Durch Betrieb des ersten Schalters kann eine Überhitzung der Zelle vermieden werden, da erkannt wurde, dass R bereits heiß ist. Bevorzugt ist das thermisch sensitive Bauteil ein Thermoelement oder ein Temperatursensor. Der zweite Schalter wird vorzugsweise aus technischen Gründen und Sicherheitsgründen nur einmal geschlossen. Furthermore, in a further preferred embodiment, the control circuit comprises a thermally sensitive component which is adapted to measure the temperature of the resistor (R5), wherein based on the measured temperature, the control circuit is adapted to turn the first switch on or off. The temperature of the resistor is an indicator of how much energy has drained from the battery cell through the resistor through the discharge, i. whether the battery cell or the resistor is overheating. By operating the first switch, overheating of the cell can be avoided since it has been recognized that R is already hot. The thermally sensitive component is preferably a thermocouple or a temperature sensor. The second switch is preferably closed only once for technical reasons and safety reasons.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Schutzschaltung auf einem Schild angeordnet, das zwischen der Schutzschaltung und der Batteriezelle angeordnet ist. Bevorzugt ist das Schild einstückig ausgebildet oder besteht aus mehreren Teilen, die übereinander mit einer Lücke dazwischen angeordnet sind.In a further preferred embodiment, the protection circuit is arranged on a shield which is arranged between the protection circuit and the battery cell. Preferably, the shield is integrally formed or consists of several parts, which are arranged one above the other with a gap in between.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Widerstand der Schutzschaltung durch einen zugeführten Luftstrom gekühlt. Durch die Kühlung des Widerstands wird eine Sicherung gegen Überhitzung des Widerstands bereitgestellt, so dass über diesen mehr Energie abfließen kann und somit die Batteriezelle schneller entladen werden kann. In a further preferred embodiment, the resistance of the protection circuit is cooled by a supplied air flow. By cooling the resistor, a fuse is provided against overheating of the resistor, so that more energy can flow through it and thus the battery cell can be discharged faster.

Bevorzugt sind der erste Schalter und/oder der zweite Schalter als Halbleiterschalter ausgeführt. Halbleiterschalter sind günstig und zuverlässig und ermöglichen eine Steuerung des Ein- und Ausschaltens über Ihr Gate, z.B. im Falle eines Feldeffekttransistors.Preferably, the first switch and / or the second switch are designed as semiconductor switches. Semiconductor switches are cheap and reliable, and allow control of turning on and off via their gate, e.g. in the case of a field effect transistor.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Schalter mit dazu in Reihe geschalteten Widerständen parallel zu der Batteriezelle angeordnet. Dies ermöglicht ein noch schnelleres Entladen der Batteriezelle.In a preferred embodiment, a plurality of switches with resistors connected in series are arranged parallel to the battery cell. This allows an even faster discharge of the battery cell.

Außerdem wird eine Batteriezelle mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung bereitgestellt. In addition, a battery cell is provided with a protection circuit according to the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass insoweit eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:The invention and advantageous embodiments according to the features of the further claims are explained in more detail below with reference to the embodiments illustrated in the drawings, without limiting the invention in this respect. Show it:

1 eine schematisch dargestellte Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 a schematically illustrated protection circuit according to the present invention.

2 ein Diagramm zur Steuerung der Schutzschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 2 a diagram for controlling the protection circuit according to an embodiment of the present invention.

3 eine Batteriezelle mit Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. 3 a battery cell with protection circuit according to the present invention.

4 eine Detailansicht der Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. 4 a detailed view of the protection circuit according to the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Erfindungsgemäße Batterien werden vorzugsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt. Bevorzugt werden Lithium-Ionen-Batterien verwendet, da diese im Vergleich zu auf Nickel oder Blei basierenden Batterien die größte bisher verfügbare Energiedichte bei geringstem Gewicht aufweisen und somit für den Antrieb eines Fahrzeugs am besten geeignet sind. Allerdings ist die Erfindung nicht auf Lithium-Ionen-Batterien beschränkt, es kann vielmehr jeder Typ von Energiespeicher verwendet werden. Batteries according to the invention are preferably used in electric or hybrid vehicles. Lithium-ion batteries are preferably used, since these have the largest available energy density with the lowest weight in comparison to batteries based on nickel or lead, and thus most suitable for driving a vehicle. However, the invention is not limited to lithium-ion batteries, but any type of energy storage can be used.

In 1 ist eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Schutzschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Steuerschaltung 7 gezeigt, welche beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems ist. Die Schutzschaltung trennt eine Batteriezelle 1 im Falle eines Schadens von den restlichen mit der Batteriezelle 1 in Serie geschalteten Batteriezellen B1 und B2. In 1 is a schematically illustrated protection circuit according to the invention according to a preferred embodiment with a control circuit 7 which is part of a battery management system, for example. The protection circuit disconnects a battery cell 1 in case of damage from the rest with the battery cell 1 series connected battery cells B1 and B2.

In 1 ist zu sehen, dass parallel zu der Batteriezelle 1 ein erster Schalter S1 in Serie mit einem Widerstand R5 geschaltet ist und mit den Polen 2 und 3 der Batteriezelle 1 verbunden ist. Dieser erste Schalter S1 mit dem zugehörigen Widerstand R5 dient dazu, die Batteriezelle 1 in regelmäßigen Intervallen schrittweise zu Entladen.In 1 you can see that in parallel to the battery cell 1 a first switch S1 is connected in series with a resistor R5 and with the poles 2 and 3 the battery cell 1 connected is. This first switch S1 with the associated resistor R5 serves to the battery cell 1 Gradually discharging at regular intervals.

Ferner ist in 1 ein zweiter Schalter S2 direkt mit den Polen der Batteriezelle 1 verbunden. Diese Anordnung ermöglicht es, eine praktisch widerstandlose Überbrückung der Batteriezelle 1 zu ermöglichen. Der Schalter S2 wird nach der Entladung der Batteriezelle, welche über den Schalter S1 und den Widerstand R5 erfolgt, geschaltet bzw. geschlossen. In Notfällen bzw. wenn eine Entladung nicht notwendig ist, da die Batteriezelle z.B. bereits Ihre Betriebsspannung unterschritten hat, kann der Schalter S2 sofort geschlossen werden, um eine schnelle Überbrückung einer defekten Batteriezelle 1 von den restlichen Batteriezellen B1, B2 zu ermöglichen. Dadurch, dass kein weiterer Widerstand vorhanden ist, wird eine schnellere Überbrückung der Batteriezelle 1 als bei einer Überbrückung über den ersten Schalter S1 mit dem dazu in Serie geschalteten Widerstand R5 ermöglicht. Somit wird eine schnellere Inbetriebnahme der anderen Zellen im Strang möglich und ein Abrauchen bzw. Schaden an den Batteriezellen verhindert.Furthermore, in 1 a second switch S2 directly to the poles of the battery cell 1 connected. This arrangement allows a virtually resistanceless bridging of the battery cell 1 to enable. The switch S2 is switched or closed after the discharge of the battery cell, which takes place via the switch S1 and the resistor R5. In emergencies or when a discharge is not necessary because the battery cell, for example, has already fallen below your operating voltage, the switch S2 can be closed immediately to quickly bypass a defective battery cell 1 to allow the remaining battery cells B1, B2. The fact that there is no further resistance results in a faster bridging of the battery cell 1 as when bridged over the first switch S1 with the series-connected resistor R5 allows. Thus, a faster commissioning of the other cells in the strand is possible and prevents smoking or damage to the battery cells.

Um den Strom schrittweise aus der Zelle zu entladen und dabei die Zelle nicht zu sehr zu erhitzen wird die Zelle vom Beginn der Überwachung ihres Zustandes permanent oder periodisch durch das Ein- und Ausschalten des ersten Schalters S1 über den Widerstand R5 entladen. Dadurch wird einiges an Energie in den Widerstand R5 und nicht in den ersten Schalter S1 abgeführt, so dass die Zelle nicht überhitzt wird. Zusätzlich kann die im Widerstand R5 entstehende Wärme durch einen kühlenden Luftstrom abgeführt werden. Hierbei kann ein in 1 nicht gezeigtes Schild verhindern, dass Wärme an die Oberfläche der Batteriezelle 1 gerät und diese aufheizt. Auch der Widerstand R5 kann durch diese Kühlmaßnahmen gekühlt werden, so dass er nicht überhitzt. In order to gradually discharge the current from the cell while not overheating the cell, the cell is permanently or periodically discharged from the beginning of monitoring its condition by turning on and off the first switch S1 through the resistor R5. As a result, some of the energy is dissipated in the resistor R5 and not in the first switch S1, so that the cell is not overheated. In addition, the heat generated in the resistor R5 can be dissipated by a cooling air flow. This can be a in 1 Shield, not shown, prevents heat from reaching the surface of the battery cell 1 device and heats it up. Also, the resistor R5 can be cooled by these cooling measures, so that it does not overheat.

Die Steuerung des Ein- und Ausschaltens des ersten Schalters S1 wird von einer Steuerschaltung 7 übernommen, die beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems ist. Eine beispielhafte Steuerung des ersten Schalters ist in 2 gezeigt.The control of turning on and off the first switch S1 is controlled by a control circuit 7 taken, for example, part of a battery management system. An exemplary control of the first switch is shown in FIG 2 shown.

2 zeigt eine pulsweitenmodulierte Steuerung des ersten Schalters S1. Der erste Schalter S1 wird mittels eines periodisch an- und ausgeschalteten Stroms gesteuert. Durch das An- und Ausschalten des ersten Schalters S1 wird die Batteriezelle schrittweise entladen, bis z.B. ein Sollwert I0 erreicht ist. In 2 wird der angelegte Strom I über die Zeit t dargestellt. Imax ist der maximal fließende Strom. Wenn Imax sehr groß ist, sind viele Entladungspausen nötig, damit die Batteriezelle und auch der Widerstand zur Entladung der Batteriezelle nicht überhitzen, was wiederum durch eine geeignete Kühlung verbessert werden kann. I0 ist der Sollwert, bei dem der Schalter S2 betätigt werden kann, um den Strangstrom zu tragen und die defekte Batterie zu überbrücken. Der Zustand des ersten Schalters S1, d.h. dauerhaft oder periodisch An bzw. Aus, wird mittels einer Pulsweitenmodulation des ersten Schalters S1 über dessen Steuerleitung 9 (in 4 gezeigt) gesteuert. Diese Steuerleitung 9 kann das Gate sein, wenn der erste Schalter S1 ein Feldeffekttransistor ist. Die Weite des Pulses ist von unterschiedlichen Faktoren wie Erwärmung der Zelle, Zustand der Zelle oder ähnlichen Faktoren abhängig, welche dem Fachmann bekannt sind bzw. von diesem definiert werden. Der Strom kann aber auch einen niedrigeren oder höheren Level annehmen, je nachdem, welche Kühlkapazität und welchen Zustand die Batterie aufweist. 2 shows a pulse width modulated control of the first switch S1. The first switch S1 is controlled by means of a periodically switched on and off current. By turning on and off the first switch S1, the battery cell is gradually discharged until, for example, a setpoint I 0 is reached. In 2 the applied current I is shown over time t. Imax is the maximum flowing current. If Imax is very large, many discharge pauses are necessary so that the battery cell and also the resistance to discharge the battery cell does not overheat, which in turn can be improved by a suitable cooling. I 0 is the setpoint at which switch S2 can be actuated to carry the string current and bypass the defective battery. The state of the first switch S1, ie permanently or periodically on or off, by means of a pulse width modulation of the first switch S1 via the control line 9 (in 4 shown). This control line 9 may be the gate when the first switch S1 is a field effect transistor. The width of the pulse depends on various factors such as heating of the cell, state of the cell or similar factors which are known or defined by the person skilled in the art. However, the current can also assume a lower or higher level, depending on the cooling capacity and which state the battery has.

Durch das schrittweise Entladen der Batteriezelle wird deren Ruhespannung in den Pausen bestimmt. Nach jedem Entladeschritt muss eine geeignete Wartezeit im Leerlauf eingehalten werden, damit sich die Ruhespannung einstellen kann. In diesem sogenannten relaxierten Zustand haben sich alle Überspannungen abgebaut. Die schrittweise Entladung wird solange ausgeführt, bis die Batteriezelle vollständig entladen ist. Danach wird die Batteriezelle wieder schrittweise aufgeladen. Dieses Entladen und Laden der Batteriezelle wird gemessen und die resultierende Kennlinie kann in ein Batteriemanagementsystem eingelesen werden und als Referenzlinie dienen.By gradually discharging the battery cell whose rest voltage is determined in the breaks. After each discharging step, a suitable idle waiting time must be maintained so that the quiescent voltage can be adjusted. In this so-called relaxed state, all surges have diminished. The step-by-step discharge is carried out until the battery cell is completely discharged. Thereafter, the battery cell is gradually charged again. This discharge and charging of the battery cell is measured and the resulting characteristic can be read into a battery management system and serve as a reference line.

Die Steuerschaltung 7, wie in 1 gezeigt, kann auch zur Steuerung des Öffnens oder Schließens des zweiten Schalters S2 verwendet werden. The control circuit 7 , as in 1 can also be used to control the opening or closing of the second switch S2.

In 3 ist zu sehen, dass der Widerstand R5 ist mit einem Pol 3 der Batteriezelle 1 auf der einen Seite und dem ersten Schalter S1 auf seiner anderen Seite verbunden ist. Der erste Schalter S1 wiederum ist mit der Seite, die nicht mit dem Widerstand R5 verbunden ist, mit dem anderen Pol 2 der Batteriezelle verbunden. Der zweite Schalter S2 ist an einer Seite direkt mit dem einen Pol 3 der Batteriezelle 1 und an der anderen Seite direkt mit dem anderen Pol 2 der Batteriezelle verbunden. Die Schutzschaltung, welche den ersten Schalter S1, den zweiten Schalter S2 und den Widerstand R5 umfasst, wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch ein Schild 4 von der Oberfläche der Batteriezelle abgeschirmt, so dass keine Wärme auf die Oberfläche der Batteriezelle geleitet werden kann. Wärme wird durch das Abfließen eines Entladestroms sowohl über den ersten Schalter als auch über den zweiten Schalter erzeugt und sollte von der Oberfläche der Batteriezelle ferngehalten werden, da Wärme zu einem Schaden an der Zelle führen kann. In 3 it can be seen that the resistor R5 is connected to a pole 3 the battery cell 1 connected on one side and the first switch S1 on its other side. The first switch S1, in turn, is connected to the side which is not connected to the resistor R5, to the other pole 2 of the Battery cell connected. The second switch S2 is on one side directly to the one pole 3 the battery cell 1 and on the other side directly to the other pole 2 connected to the battery cell. The protection circuit comprising the first switch S1, the second switch S2 and the resistor R5 is in a preferred embodiment by a shield 4 shielded from the surface of the battery cell, so that no heat can be conducted to the surface of the battery cell. Heat is generated by the discharge of a discharge current through both the first switch and the second switch, and should be kept away from the surface of the battery cell, as heat may cause damage to the cell.

In 4 ist eine Detailansicht der Schutzschaltung mit dem ersten Schalter S1, dem zweiten Schalter S2 und dem Widerstand R5 und einem Schild 4 gezeigt. Das Schild 4 dient dazu, eine Erwärmung der Oberfläche der Batteriezelle zu verhindern und ist aus einem entsprechenden, bevorzugt thermisch gut leitenden Material. Um eine zuverlässige Temperaturmessung zu gewährleisten kann zusätzlich auf dem Schild 4 noch ein Thermokoppler T10 oder alternativ ein in 4 nicht gezeigter Temperartursensor angebracht sein. In 4 is a detail view of the protection circuit with the first switch S1, the second switch S2 and the resistor R5 and a shield 4 shown. The shield 4 serves to prevent heating of the surface of the battery cell and is made of a corresponding, preferably thermally highly conductive material. In order to ensure a reliable temperature measurement may additionally on the shield 4 another thermocouple T10 or alternatively a in 4 not shown Temperartursensor be attached.

Das Schild 4 ist in 4 als einstückig gezeigt, kann aber auch aus mehreren Teilen bestehen. Beispielsweise können mehrere Teile übereinander mit jeweils einer Lücke dazwischen angeordnet sein. Der Aufbau des Schildes 4 ist davon abhängig, wie es auf der Batteriezelle angeordnet ist und ob noch weitere Faktoren, wie beispielsweise eine Kühlung wie später beschrieben zu beachten sind. Das Schild 4 wird so ausgebildet, dass es durch seine Form die bestmögliche Wärmeableitung in das Kühlmittel und damit die Unterstützung zum Schutz der Batterie bereitstellt.The shield 4 is in 4 as shown in one piece, but may also consist of several parts. For example, several parts may be arranged one above the other with one gap between them. The construction of the shield 4 depends on how it is arranged on the battery cell and whether other factors, such as a cooling as described later are observed. The shield 4 is designed so that its shape provides the best possible heat dissipation into the coolant and thus the support to protect the battery.

Ferner sind, wie in 4 gezeigt, der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 zwar isoliert auf dem Schild 4 angebracht, weisen aber eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass das Schild 4 die Schalter ebenfalls kühlt. Furthermore, as in 4 Although the first switch S1 and the second switch S2 are isolated on the shield 4 attached, but have a good thermal conductivity, so that the shield 4 the switches also cool.

Die verwendeten Schalter S1 und S2 können beliebige Schalter sein, die für eine Anwendung bei Batteriezellen geeignet sind. Bevorzugt werden Halbleiterschalter wie Feldeffekttransistoren als Schalter verwendet, bei denen das Ein- und Ausschalten über das Gate gesteuert werden kann. Solche Halbleiterschalter sind nicht nur günstig im Einkauf, da sie Standard sind, sondern sie sind auch klein und tragen dazu bei, dass die Schutzschaltung möglichst klein ausgeführt werden kann.The switches S1 and S2 used may be any switches suitable for use with battery cells. Preferably, semiconductor switches such as field effect transistors are used as switches, in which the switching on and off can be controlled via the gate. Such semiconductor switches are not only cheap in purchasing, since they are standard, but they are also small and help ensure that the protection circuit can be made as small as possible.

Ein wichtiger Aspekt beim Schutz von Batteriezellen ist es, eine Überhitzung oder überhaupt eine Erhitzung der Batteriezelle möglichst zu vermeiden. Deshalb kann zur weiteren Kühlung der Schutzschaltung ein kühlender Luftstrom 6 über die Schutzschaltung geleitet werden. Auch kann durch ein flüssiges Medium, das in einer flüssigkeitsdichten Verkapselung des Schildes mit Zustrom und Abstromanschluss geführt ist, zur weiteren Kühlung verwendet werden. Bei einem mehrteilig ausgebildeten Schild, wie oben beschrieben, strömt durch die Lücken bevorzugt ein Kühlmittel. Alternativ kann eine rein konvektive oder Strahlungskühlung durch den Schild erfolgen. Es ist auch möglich, den Schild mit einer zu verdampfenden Flüssigkeit, z.B. destilliertes Wasser, zu besprühen, um die Zellkühlung zu erreichen. Eine weitere Alternative ist, dass sich die Schutzschaltung abgekapselt in einem von einem Kühlmittel durchströmten flüssigen elektrisch isolierenden Medium wie beispielsweise Silikonöl befindet. Da Widerstand R5 die von der Energie in der Batteriezelle erzeugte Wärme ableitet, kann er durch eine zusätzliche Kühlung wiederum mehr Wärme abführen. Dies führt zu einer weiteren Absicherung der Batteriezelle gegen Überhitzen und verhindert damit einen Schaden an der Batteriezelle. Der Luftstrom kann durch eine Steuerschaltung wie ein Batteriemanagementsystem gesteuert werden, welches ebenso das Ein- und Ausschalten des ersten Schalters S1 steuern kann. Somit kann durch ein Steuern des Luftstroms und des Ein- und Ausschalten des ersten Schalters eine zuverlässige Kontrolle der Temperatur erfolgen.An important aspect in the protection of battery cells is to avoid overheating or even heating the battery cell as much as possible. Therefore, to further cool the protection circuit, a cooling air flow 6 be routed through the protection circuit. Also can be used for further cooling by a liquid medium, which is guided in a liquid-tight encapsulation of the shield with inflow and outflow. In a multi-part shield, as described above, flows through the gaps preferably a coolant. Alternatively, a purely convective or radiation cooling can be done by the shield. It is also possible to spray the plate with a liquid to be evaporated, eg distilled water, to achieve cell cooling. A further alternative is that the protective circuit is encapsulated in a liquid electrically insulating medium, such as silicone oil, through which a coolant flows. Since resistor R5 dissipates the heat generated by the energy in the battery cell, it can dissipate more heat by additional cooling in turn. This leads to a further protection of the battery cell against overheating and thus prevents damage to the battery cell. The airflow may be controlled by a control circuit, such as a battery management system, which may also control the turning on and off of the first switch S1. Thus, by controlling the airflow and turning on and off the first switch, a reliable control of the temperature can be made.

Das Wärmemanagement wird durch einen Zyklus zwischen einem vorhandenen Batteriemanagementsystem und Parametern für die Zellentladung gesteuert. Diese Parameter sind die Maximaltemperatur des Schildes über der Zelloberfläche, der maximale Strompuls mit der maximalen Pulsweite p_w_max, wie in 2 gezeigt, sowie die Zellspannung. Wenn der Wert Null auftritt, oder sogar gegenläufige negative Werte, verglichen mit der ursprünglichen Polarisation, statisch oder mit einer externen Last in dynamischem Betrieb parallel zu auftreten, wird der zweite Schalter S2 aktiviert, d.h. geschlossen. Das heißt, dass beginnend bei einem vorgegebenen Zeitpunkt die Zellspannung beispielsweise annähernd Null ist. Dann wird der zweite Schalter S2 über seine Steuerleitung 8 beispielsweise durch ein Batteriemanagementsystem aktiviert, d.h. geschlossen, so dass die Zelle permanent überbrückt wird. Da der zweite Schalter S2 direkt mit den beiden Batteriepolen 2 und 3 verbunden ist, fließt der gesamte Strangstrom über den zweiten Schalter S2. Gleichzeitig wird zur Reduzierung der entstehenden Wärme ein kühlender Luftstrom durch ein beispielsweise vorhandenes Batteriemanagementsystem aktiviert, wie durch die Pfeile 6 in 4 angedeutet. Durch das Schließen des zweiten Schalters S2 wird die betroffene Zelle, hier Batteriezelle 1, überbrückt, d.h. sie wird vom Stromfluss über die anderen in Serie geschalteten Zellen abgetrennt. Dies hat den Vorteil, dass die verbleibenden Batteriezellen weiterhin Energie liefern können ohne Schaden durch die defekte Zelle zu nehmen.Thermal management is controlled by a cycle between an existing battery management system and cell discharge parameters. These parameters are the maximum temperature of the shield over the cell surface, the maximum current pulse with the maximum pulse width p_w_max, as in 2 shown, as well as the cell voltage. When the value zero occurs, or even countervailing negative values occur in parallel with static or with an external load in dynamic operation compared to the original polarization, the second switch S2 is activated, ie closed. That is, starting at a given time, for example, the cell voltage is approximately zero. Then, the second switch S2 becomes via its control line 8th for example, activated by a battery management system, ie closed, so that the cell is permanently bridged. Since the second switch S2 directly with the two battery poles 2 and 3 is connected, the entire phase current flows through the second switch S2. At the same time a cooling air flow is activated by an existing battery management system, for example, as shown by the arrows to reduce the heat generated 6 in 4 indicated. By closing the second switch S2, the affected cell, here battery cell 1 , bridged, ie it is separated from the flow of current through the other cells connected in series. This has the advantage that the remaining battery cells can continue to supply energy without taking damage from the defective cell.

Der Widerstand R5 weist bevorzugt den internen Widerstandswert der Batteriezelle auf. Wenn dies der Fall ist, werden 50% der Energie der Zelle über diesen Wiederstand R5 abgeführt.The resistor R5 preferably has the internal resistance value of the battery cell. If this is the case, 50% of the cell's energy is dissipated through this R5 resistor.

Es können auch mehr als ein Widerstand R5 und mehr als ein erster Schalter S1 verwendet werden, so dass mehrere Widerstände zu verschiedenen Zeitpunkten über die zugehörigen Schalter geschaltet werden können. Dies ermöglicht eine Abführung von mehr Wärme als mit nur einem Widerstand-Schalter-Paar.It is also possible to use more than one resistor R5 and more than one first switch S1, so that a plurality of resistors can be switched at different times via the associated switches. This allows dissipation of more heat than with just one resistor-switch pair.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung kann auf jeder der Batteriezellen eines Zellverbundes angeordnet werden oder auch lediglich auf vorgegebenen Zellen, je nachdem, welche Vorgaben für die Sicherheit bestehen. Die Schutzschaltung kann auch auf eine Gruppe von in Serie oder parallel geschalteten Zellen angewendet werden. Durch die erfindungsgemäße Schutzschaltung kann ein sicheres und sehr schnelles Überbrücken einer Batteriezelle erfolgen, wenn diese beispielsweise überhitzt und dadurch einen Schaden genommen hat oder die anderen dazu in Serie geschalteten Batteriezellen gefährden würde. Durch die einfache Ausführung der Schutzschaltung und die Steuerung über ein für die meisten Anwendungen bereits vorhandenes Batteriemanagementsystem ist somit ein kostengünstiger Schutz der einzelnen Batteriezelle und des gesamten Zellverbundes gewährleistet. The protective circuit according to the invention can be arranged on each of the battery cells of a cell network or else only on predetermined cells, depending on which specifications exist for safety. The protection circuit can also be applied to a group of cells connected in series or in parallel. By means of the protective circuit according to the invention, a safe and very fast bridging of a battery cell can take place if, for example, it has overheated and has thereby suffered damage or would jeopardize the other battery cells connected in series therewith. As a result of the simple design of the protection circuit and the control via a battery management system already present for most applications, cost-effective protection of the individual battery cell and of the entire cell network is thus ensured.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Schutzschaltung zum Ladungsausgleich von Batteriezellen (1, B1, B2) einer Batterie mit einer Steuerschaltung (7), wobei die Schutzschaltung einen an einem Pol (2, 3) der Batteriezelle (1) verbundenen ersten Schalter (S1) und einen zu dem ersten Schalter (S1) in Serie geschalteten und mit dem anderen Pol (2, 3) der Batteriezelle verbundenen Widerstand (R5) umfasst, die parallel zu der Batteriezelle (1, B1, B2) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung ferner einen zweiten Schalter (S2) aufweist, der mit seinen Enden direkt mit den Polen (2, 3) der Batteriezelle verbunden ist, und der parallel zu der Batteriezelle (1, B1, B2) und dem ersten Schalter (S1) mit dem in Serie geschalteten Widerstand (R5) geschaltet ist.Protection circuit for charge compensation of battery cells ( 1 , B1, B2) of a battery with a control circuit ( 7 ), wherein the protection circuit is connected to a pole ( 2 . 3 ) of the battery cell ( 1 ) connected in series with the first switch (S1) and with the other pole ( 2 . 3 ) of the battery cell connected resistor (R5) connected in parallel to the battery cell ( 1 , B1, B2), characterized in that the protection circuit further comprises a second switch (S2) with its ends directly connected to the poles (S2). 2 . 3 ) of the battery cell is connected, and parallel to the battery cell ( 1 , B1, B2) and the first switch (S1) with the resistor (R5) connected in series. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (7) dazu eingerichtet ist, den ersten Schalter (S1) gemäß einem pulsweitenmodulierten Signal zu öffnen und zu schließen. Protection circuit according to claim 1, characterized in that the control circuit ( 7 ) is arranged to open and close the first switch (S1) in accordance with a pulse width modulated signal. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (7) dazu eingerichtet ist, den zweiten Schalter (S2) zur Überbrückung der Batteriezelle zu schließen. Protection circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the control circuit ( 7 ) is adapted to close the second switch (S2) for bridging the battery cell. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung ferner ein thermisch sensitives Bauteil (T10) umfasst, das dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Widerstands (R5) zu messen, wobei basierend auf der gemessenen Temperatur die Steuerschaltung (7) dazu eingerichtet ist, den ersten Schalter (S1) ein- oder auszuschalten.Protection circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the protection circuit further comprises a thermally sensitive device (T10) which is adapted to measure the temperature of the resistor (R5), the control circuit being based on the measured temperature ( 7 ) is arranged to turn the first switch (S1) on or off. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch sensitive Bauteil ein Thermoelement (T10) oder ein Temperatursensor ist.Protection circuit according to claim 4, characterized in that the thermally sensitive component is a thermocouple (T10) or a temperature sensor. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung auf einem Schild (4) angeordnet ist, das zwischen der Schutzschaltung und der Batteriezelle (1, B1, B2) angeordnet ist.Protection circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the protection circuit is mounted on a shield ( 4 ) arranged between the protective circuit and the battery cell ( 1 , B1, B2) is arranged. Schutzschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schild (4) einstückig ausgebildet ist oder aus mehreren Teilen besteht, die übereinander mit einer Lücke dazwischen angeordnet sind.Protection circuit according to claim 6, characterized in that the shield ( 4 ) is integrally formed or consists of several parts, which are arranged one above the other with a gap between them. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R5) der Schutzschaltung durch einen zugeführten Luftstrom (6) oder durch ein flüssiges Medium, das in einer flüssigkeitsdichten Verkapselung des Schildes mit Zustrom und Abstromanschluss geführt ist, gekühlt wird.Protection circuit according to one of claims 6 or 7, characterized in that the resistance (R5) of the protection circuit by a supplied air flow ( 6 ) or by a liquid medium, which is guided in a liquid-tight encapsulation of the shield with inflow and outflow connection, is cooled. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (S1) und/oder der zweite Schalter (S2) als Halbleiterschalter ausgeführt sind.Protection circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the first switch (S1) and / or the second switch (S2) are designed as a semiconductor switch. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schalter mit dazu in Reihe geschalteten Widerständen parallel zu der Batteriezelle (1, B1, B2) angeordnet sind.Protection circuit according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of switches connected in series with resistors in parallel to the battery cell ( 1 , B1, B2) are arranged. Batteriezelle (1, B1, B2) mit einer Schutzschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. Battery cell ( 1 , B1, B2) with a protection circuit according to one of the preceding claims.
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