DE102018201677A1 - Battery system for an electric vehicle, method for operating a battery system and electric vehicle - Google Patents

Battery system for an electric vehicle, method for operating a battery system and electric vehicle Download PDF

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battery
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Chrysanthos Tzivanopoulos
Sven Bergmann
Berengar Krieg
Michael Gansemer
Andreas Woerner
Nils Ohmer
Bernhard Huber
Moritz Kurka
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Robert Bosch GmbH
GS Yuasa International Ltd
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Robert Bosch GmbH
GS Yuasa International Ltd
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem (7) für ein Elektrofahrzeug, umfassend mindestens zwei Batteriestränge (6) und ein Batteriesteuergerät (70) zum Steuern der mindestens zwei Batteriestränge (6), wobei jeder der Batteriestränge (6) mindestens ein Batteriemodul (5) umfasst, und wobei das mindestens eine Batteriemodul (5) mindestens eine Batteriezelle, welche eine Schnellentladevorrichtung aufweist, und ein Modulsteuergerät (50) zum Überwachen der mindestens einen Batteriezelle und zum Ansteuern der mindestens einen Schnellentladevorrichtung umfasst. In jedem der Batteriestränge (6) ist jeweils ein Strommesser (61) vorgesehen, welcher mit mindestens einem Steuergerät (50, 70) verbunden ist, und welcher ein Steuersignal an das Steuergerät (50, 70) sendet, wenn ein in dem Batteriestrang (6) fließender Strom (I) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.The invention relates to a battery system (7) for an electric vehicle, comprising at least two battery strings (6) and a battery control unit (70) for controlling the at least two battery strings (6), each of the battery strings (6) comprising at least one battery module (5). and wherein the at least one battery module (5) comprises at least one battery cell, which has a fast discharge device, and a module control device (50) for monitoring the at least one battery cell and for driving the at least one quick discharge device. In each of the battery strings (6) there is provided in each case an ammeter (61) which is connected to at least one control unit (50, 70) and which sends a control signal to the control unit (50, 70) if one in the battery string (6 ) flowing current (I) exceeds a predetermined limit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, welches mindestens zwei Batteriestränge und ein Batteriesteuergerät zum Steuern der mindestens zwei Batteriestränge umfasst. Dabei umfasst jeder der Batteriestränge mindestens ein Batteriemodul, und das mindestens eine Batteriemodul umfasst mindestens eine Batteriezelle, welche eine Schnellentladevorrichtung aufweist, und ein Modulsteuergerät zum Überwachen der mindestens einen Batteriezelle und zum Ansteuern der mindestens einen Schnellentladevorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems und ein entsprechendes Elektrofahrzeug.The invention relates to a battery system for an electric vehicle, which comprises at least two battery strings and a battery control unit for controlling the at least two battery strings. In this case, each of the battery strings comprises at least one battery module, and the at least one battery module comprises at least one battery cell, which has a fast discharge device, and a module control device for monitoring the at least one battery cell and for driving the at least one quick discharge device. The invention further relates to a method for operating a battery system according to the invention and to a corresponding electric vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an welche hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batteriezellen. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.It is becoming apparent that in the future, especially in electric vehicles, battery systems will increasingly be used, to which high demands are made in terms of reliability, performance, safety and service life. Battery systems with lithium-ion battery cells are particularly suitable for such applications. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge.

Eine Batteriezelle weist eine mit einem negativen Terminal verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal verbundene Kathode auf. Mehrere derartige Batteriezellen werden elektrisch seriell als auch parallel miteinander verschaltet und zu Batteriemodulen verbunden. Mehrere solche Batteriemodule werden, insbesondere seriell, zu einem Batteriestrang miteinander verschaltet. Mehrere derartig ausgebildete Batteriestränge werden dann, insbesondere parallel, miteinander verschaltet und bilden so das Batteriesystem des Elektrofahrzeugs.A battery cell has an anode connected to a negative terminal and a cathode connected to a positive terminal. Several such battery cells are electrically connected in series and in parallel with each other and connected to battery modules. Several such battery modules are interconnected, in particular serially, to form a battery string. Several such trained battery strands are then, in particular in parallel, interconnected and thus form the battery system of the electric vehicle.

Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen hohe Anforderungen bezüglich der funktionalen Sicherheit auf. Ein nicht sachgemäßer Betrieb der Batteriezellen kann zu exothermen Reaktionen bis hin zum Brand und/oder zur Entgasung führen. Insbesondere kann ein Brand oder eine Explosion entstehen, wenn ein Metallteil in eine Batteriezelle eindringt. Aber auch eine Verformung eines Zellgehäuses einer Batteriezelle kann bereits eine exotherme Reaktion auslösen.Battery systems with lithium-ion battery cells have high requirements in terms of functional safety. Improper operation of the battery cells can lead to exothermic reactions leading to fire and / or degassing. In particular, a fire or an explosion may occur when a metal part penetrates into a battery cell. But also a deformation of a cell housing of a battery cell can already trigger an exothermic reaction.

Im Falle eines Fehlers in der Batteriezelle, beispielsweise eines internen Kurzschlusses zwischen der Anode und der Kathode, kann es erforderlich sein, die Batteriezelle zu entladen um kritische Zustände, welche zu einer Überhitzung und Explosion der Batteriezelle führen könnten, zu vermeiden. Hierzu sind Schnellentladevorrichtungen bekannt. Eine solche Schnellentladevorrichtung ist ein Überbrückungselement, welches mit den Terminals der Batteriezelle verbunden ist. Im normalen Betrieb ist die Schnellentladevorrichtung offen und isoliert die Terminals der Batteriezelle elektrisch voneinander. Im Falle eines Fehlers wird die Schnellentladevorrichtung aktiviert und verbindet dann die Terminals der Batteriezelle elektrisch miteinander. Daraufhin fließt ein Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung und die Batteriezelle wird entladen. Das Dokument DE 10 2012 005 979 B4 offenbart ein derartiges elektrisches Überbrückungselement zur Überbrückung einer Batteriezelle im Fehlerfall.In the event of a fault in the battery cell, such as an internal short circuit between the anode and the cathode, it may be necessary to discharge the battery cell to avoid critical conditions that could lead to overheating and explosion of the battery cell. For this purpose, fast discharge devices are known. Such a quick discharge device is a bridging element, which is connected to the terminals of the battery cell. In normal operation, the quick discharge device is open and electrically isolates the terminals of the battery cell from each other. In the case of a fault, the quick discharge device is activated and then electrically connects the terminals of the battery cell with each other. Then, a discharge current flows through the quick discharge device and the battery cell is discharged. The document DE 10 2012 005 979 B4 discloses such an electrical bridging element for bridging a battery cell in case of failure.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst dabei mindestens zwei Batteriestränge und ein Batteriesteuergerät zum Steuern der mindestens zwei Batteriestränge. Die mindestens zwei Batteriestränge sind vorzugsweise elektrisch parallel miteinander verschaltet.A battery system for an electric vehicle is proposed. The battery system comprises at least two battery strings and a battery control unit for controlling the at least two battery strings. The at least two battery strings are preferably interconnected electrically in parallel.

Dabei umfasst jeder der Batteriestränge des Batteriesystems mindestens ein Batteriemodul, vorzugsweise mehrere Batteriemodule, die elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Das mindestens eine Batteriemodul umfasst mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise mehrere Batteriezellen, die elektrisch seriell als auch parallel miteinander verschaltet sind. Die mindestens eine Batteriezelle weist eine Schnellentladevorrichtung auf. Das mindestens eine Batteriemodul umfasst auch ein Modulsteuergerät zum Überwachen der mindestens einen Batteriezelle und zum Ansteuern der mindestens einen Schnellentladevorrichtung.In this case, each of the battery strings of the battery system comprises at least one battery module, preferably a plurality of battery modules, which are electrically connected to one another in series. The at least one battery module comprises at least one battery cell, preferably a plurality of battery cells, which are electrically connected in series and in parallel with each other. The at least one battery cell has a fast discharge device. The at least one battery module also includes a module control device for monitoring the at least one battery cell and for driving the at least one quick discharge device.

Erfindungsgemäß ist in jedem der Batteriestränge jeweils ein Strommesser vorgesehen, welcher mit mindestens einem Steuergerät, also mit dem Batteriesteuergerät und/oder mit einem der Modulsteuergeräte, verbunden ist. Der Strommesser sendet dabei ein Steuersignal an das besagte Steuergerät, wenn ein in dem Batteriestrang fließender Strom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Das besagte Steuersignal ist insbesondere ein Wake-Up-Signal, welches zum Einschalten des besagten Steuergeräts dient, wenn dieses ausgeschaltet ist.According to the invention, an ammeter is provided in each of the battery strings, which is connected to at least one control unit, that is to say to the battery control unit and / or to one of the module control units. The ammeter sends a control signal to the said control unit when a current flowing in the battery string exceeds a predetermined limit. The said control signal is in particular a wake-up signal which is used to switch on said control device when it is switched off.

Der Strommesser umfasst beispielsweise einen Shunt-Widerstand mit einem Komparator, welcher den gemessenen Strom mit dem vorgegebenen Grenzwert vergleicht. Der Strommesser kann auch einen magnetischen Sensor, beispielsweise einen Hall-Sensor, umfassen.The current meter includes, for example, a shunt resistor with a comparator, which compares the measured current with the predetermined limit. The ammeter may also include a magnetic sensor, such as a Hall sensor.

Das mindestens eine Batteriemodul umfasst beispielsweise auch einen Deformationssensor, welcher ein Gehäuse des Batteriemoduls überwacht. Im Fall eines Fehlers in dem Gehäuse des Batteriemoduls, beispielsweise wenn ein Metallteil eindringt oder bei einer Verformung des Gehäuses, veranlasst der Deformationssensor eine Aktivierung aller Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen des betroffenen Batteriemoduls.The at least one battery module also includes, for example, a deformation sensor which monitors a housing of the battery module. in the In the event of a fault in the housing of the battery module, for example when a metal part penetrates or during a deformation of the housing, the deformation sensor causes an activation of all quick-discharging devices of the battery cells of the affected battery module.

Nach Aktivierung der Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen ist das betroffene Batteriemodul kurzgeschlossen. Dadurch verringert sich die Spannung des Batteriestrangs, in welchem das kurzgeschlossene Batteriemodul angeordnet ist. Aus den verbleibenden, intakten Batteriesträngen fließt nun ein Ausgleichsstrom in den Batteriestrang mit dem kurzgeschlossen Batteriemodul. Wenn dieser Ausgleichsstrom und dessen Dauer einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten, kann dies zu einer Überladung und zu Beschädigungen von weiteren Batteriezellen in anderen Batteriemodulen führen. Solche Beschädigungen können vermieden werden, wenn die Steuergeräte eingeschaltet sind und auf die Batteriestränge sowie auf die Batteriezellen einwirken können.After activation of the fast discharge devices of the battery cells, the affected battery module is short-circuited. This reduces the voltage of the battery string in which the short-circuited battery module is arranged. From the remaining, intact battery strings, a compensation current now flows into the battery string with the short-circuited battery module. If this equalizing current and its duration exceed a predetermined limit, this can lead to overcharging and damage to other battery cells in other battery modules. Such damage can be avoided if the control units are switched on and can act on the battery strings and on the battery cells.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die mindestens zwei Batteriestränge jeweils eine Trenneinrichtung zum Abschalten des Batteriestrangs. Durch Abschalten des Batteriestrangs, in welchem das kurzgeschlossene Batteriemodul angeordnet ist, werden die besagten Ausgleichsströme unterbunden.According to an advantageous embodiment of the invention, the at least two battery strings each comprise a separator for switching off the battery string. By switching off the battery string, in which the short-circuited battery module is arranged, the said compensation currents are suppressed.

Bei der Trenneinrichtung kann es sich beispielsweise um ein elektromechanisches Schütz oder Relais handeln. Die Trenneinrichtung kann aber beispielsweise auch als eine pyrotechnische Sicherung oder als Halbleiterschalter, insbesondere in Form eines Metalloxid-Feldeffekttransistors (MOSFET) ausgestaltet sein.The isolating device can be, for example, an electromechanical contactor or relay. However, the separator can also be designed, for example, as a pyrotechnic fuse or as a semiconductor switch, in particular in the form of a metal oxide field-effect transistor (MOSFET).

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Trenneinrichtung jedes Batteriestrangs dabei von dem Batteriesteuergerät des Batteriesystems ansteuerbar.According to one possible embodiment of the invention, the separating device of each battery string can be actuated by the battery control device of the battery system.

Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Trenneinrichtung jedes Batteriestrangs von dem Modulsteuergerät mindestens eines Batteriemoduls in dem Batteriestrang ansteuerbar.According to another possible embodiment of the invention, the separation device of each battery string can be controlled by the module control unit of at least one battery module in the battery string.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen der Batteriemodule von dem Batteriesteuergerät des Batteriesystems aktivierbar. Durch Aktivieren der Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen eines Batteriemoduls in einem intakten Batteriestrang wird auch in diesem Batteriestrang ein Kurzschluss eines Batteriemoduls erzeugt. Dadurch verringert sich auch die Spannung dieses Batteriestrangs. Aus diesem Batteriestrang fließt dann kein Ausgleichsstrom mehr.According to a further advantageous embodiment of the invention, the quick-discharging devices of the battery cells of the battery modules can be activated by the battery control device of the battery system. By activating the fast discharge devices of the battery cells of a battery module in an intact battery string, a short circuit of a battery module is also generated in this battery string. This also reduces the voltage of this battery string. From this battery string then no compensation current flows.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen der Batteriemodule von dem Modulsteuergerät des jeweiligen Batteriemoduls aktivierbar. Durch Aktivieren der Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen eines Batteriemoduls in einem intakten Batteriestrang wird auch in diesem Batteriestrang ein Kurzschluss eines Batteriemoduls erzeugt. Dadurch verringert sich auch die Spannung dieses Batteriestrangs. Aus diesem Batteriestrang fließt dann kein Ausgleichsstrom mehr.According to a preferred embodiment of the invention, the quick-discharging devices of the battery cells of the battery modules can be activated by the module control device of the respective battery module. By activating the fast discharge devices of the battery cells of a battery module in an intact battery string, a short circuit of a battery module is also generated in this battery string. This also reduces the voltage of this battery string. From this battery string then no compensation current flows.

Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Batteriesystems vorgeschlagen. Dabei wird erfindungsgemäß ein Steuersignal an mindestens ein Steuergerät, also an das Batteriesteuergerät und/oder an eines der Modulsteuergeräte gesendet, wenn ein in einem der Batteriestränge fließender Strom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Das besagte Steuersignal ist insbesondere ein Wake-Up-Signal, welches zum Einschalten des besagten Steuergeräts dient, wenn dieses ausgeschaltet ist.A method for operating a battery system according to the invention is also proposed. In this case, according to the invention, a control signal is sent to at least one control unit, that is to say to the battery control unit and / or to one of the module control units, when a current flowing in one of the battery strings exceeds a predetermined limit value. The said control signal is in particular a wake-up signal which is used to switch on said control device when it is switched off.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert das Batteriesteuergerät des Batteriesystems nach Empfang des Steuersignals eine Trenneinrichtung zum Abschalten des Batteriestrangs an. Durch Abschalten des Batteriestrangs, in welchem das kurzgeschlossene Batteriemodul angeordnet ist, werden die besagten Ausgleichsströme unterbunden.According to one possible embodiment of the method according to the invention, the battery control device of the battery system, after receiving the control signal, controls a disconnecting device for switching off the battery string. By switching off the battery string, in which the short-circuited battery module is arranged, the said compensation currents are suppressed.

Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert das Modulsteuergerät eines Batteriemoduls in dem Batteriestrang nach Empfang des Steuersignals eine Trenneinrichtung zum Abschalten des Batteriestrangs an. Durch Abschalten des Batteriestrangs, in welchem das kurzgeschlossene Batteriemodul angeordnet ist, werden die besagten Ausgleichsströme unterbunden.According to another possible embodiment of the method according to the invention, the module control device of a battery module in the battery string, after receiving the control signal, controls a disconnecting device for switching off the battery string. By switching off the battery string, in which the short-circuited battery module is arranged, the said compensation currents are suppressed.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens aktiviert das Batteriesteuergerät des Batteriesystems nach Empfang des Steuersignals die Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen eines Batteriemoduls mindestens eines intakten Batteriestrangs. Durch Aktivieren der Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen eines Batteriemoduls in einem intakten Batteriestrang wird auch in diesem Batteriestrang ein Kurzschluss eines Batteriemoduls erzeugt. Dadurch verringert sich auch die Spannung dieses Batteriestrangs. Aus diesem Batteriestrang fließt dann kein Ausgleichsstrom mehr.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the battery control device of the battery system activates, after receiving the control signal, the fast discharge devices of the battery cells of a battery module of at least one intact battery string. By activating the fast discharge devices of the battery cells of a battery module in an intact battery string, a short circuit of a battery module is also generated in this battery string. This also reduces the voltage of this battery string. From this battery string then no compensation current flows.

Gemäß noch einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens aktiviert das Modulsteuergerät eines Batteriemoduls in einem intakten Batteriestrang nach Empfang des Steuersignals die Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen eines Batteriemoduls mindestens eines intakten Batteriestrangs. Durch Aktivieren der Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen eines Batteriemoduls in einem intakten Batteriestrang wird auch in diesem Batteriestrang ein Kurzschluss eines Batteriemoduls erzeugt. Dadurch verringert sich auch die Spannung dieses Batteriestrangs. Aus diesem Batteriestrang fließt dann kein Ausgleichsstrom mehr. According to yet another advantageous embodiment of the method according to the invention, the module control device of a battery module in an intact battery string, after receiving the control signal, activates the fast discharge devices of the battery cells of a battery module of at least one intact battery string. By activating the fast discharge devices of the battery cells of a battery module in an intact battery string, a short circuit of a battery module is also generated in this battery string. This also reduces the voltage of this battery string. From this battery string then no compensation current flows.

Es wird auch ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen, das ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.An electric vehicle is also proposed which comprises a battery system according to the invention which can be operated using the method according to the invention.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems gestattet, bei einer Aktivierung aller Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen eines beschädigten Batteriemoduls das übrige Batteriesystem weiter funktionsfähig zu halten. Das Elektrofahrzeug bleibt also weiter betriebsbereit und kann beispielsweise noch bis zu einer Werkstatt zum Austausch des beschädigten Batteriemoduls gefahren werden. Das erfindungsgemäße Batteriesystem gestattet, dass auch bei ausgeschalteten Steuergeräten, beispielsweise bei einem parkenden Elektrofahrzeug, nach Beschädigung eines Batteriemoduls die benötigten Steuergeräte durch das Steuersignal, also das Wake-Up-Signal, eingeschaltet werden. Somit können die Steuergeräte dann auf die Batteriestränge sowie auf die Batteriezellen auf geeignete Art einwirken. Insbesondere werden auch Beschädigungen an Batteriezellen in anderen Batteriemodulen durch Ausgleichsströme wirksam verhindert. Somit wird der entstandene Schaden an dem Batteriesystem minimiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch nach einer Fehlauslösung des Deformationssensors, der das Gehäuse des Batteriemoduls überwacht, wirksam. Auch wenn eine Aktivierung der Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen eines intakten Batteriemoduls erfolgt, so werden Beschädigungen an Batteriezellen in anderen Batteriemodulen verhindert.The method according to the invention for operating a battery system makes it possible to keep the rest of the battery system functional in the event of activation of all quick-discharging devices of the battery cells of a damaged battery module. The electric vehicle thus remains operational and, for example, can still be driven to a workshop to replace the damaged battery module. The battery system according to the invention allows that even when the control units are switched off, for example in a parked electric vehicle, after damage to a battery module, the required control devices by the control signal, ie the wake-up signal, are turned on. Thus, the controllers can then act on the battery strings and on the battery cells in a suitable way. In particular, damage to battery cells in other battery modules are effectively prevented by equalizing currents. Thus, the damage to the battery system is minimized. The inventive method is also effective after a false triggering of the deformation sensor, which monitors the housing of the battery module. Even if an activation of the quick discharge devices of the battery cells of an intact battery module takes place, damage to battery cells in other battery modules is prevented.

Wenn jeder Batteriestrang eine eigene Trenneinrichtung aufweist, so kann der betroffene Batteriestrang mit dem beschädigten Batteriemodul einfach abgeschaltet werden und es kommt zu keiner Beeinflussung der übrigen Batteriestränge. Eine eigene Trenneinrichtung für jeden Batteriestrang ist aber nicht zwingend erforderlich. Durch Aktivieren der Schnellentladevorrichtungen der Batteriezellen eines Batteriemoduls in einem intakten Batteriestrang werden nur diese Batteriezellen des einen Batteriemoduls zerstört. Die Batteriezellen der übrigen Batteriemodule bleiben intakt.If each battery string has its own separation device, then the affected battery string can be easily switched off with the damaged battery module and there is no influence on the remaining battery strings. A separate separator for each battery string is not mandatory. By activating the fast discharge devices of the battery cells of a battery module in an intact battery string, only these battery cells of the one battery module are destroyed. The battery cells of the remaining battery modules remain intact.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit mehreren Batteriesträngen.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a battery module with multiple battery cells and
  • 2 a schematic representation of a battery system with multiple battery strings.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 5 mit mehreren, beispielsweise mit vierzehn, Batteriezellen 2. Auch eine andere Anzahl von Batteriezellen 2 ist denkbar. Die Batteriezellen 2 sind dabei elektrisch seriell verschaltet. Jede Batteriezelle 2 umfasst eine Elektrodeneinheit 10, welche jeweils eine Anode 11 und eine Kathode 12 aufweist. Die Anode 11 der Elektrodeneinheit 10 ist dabei mit einem negativen Terminal 15 verbunden. Die Kathode 12 der Elektrodeneinheit 10 ist mit einem positiven Terminal 16 verbunden. Zur seriellen Verschaltung des Batteriemoduls 5 ist jeweils das negative Terminal 15 einer Batteriezelle 2 mit dem positiven Terminal 16 der benachbarten Batteriezelle 2 elektrisch verbunden. 1 shows a schematic representation of a battery module 5 with several, for example, fourteen, battery cells 2 , Also a different number of battery cells 2 is conceivable. The battery cells 2 are electrically connected in series. Every battery cell 2 includes an electrode unit 10 , which each have an anode 11 and a cathode 12 having. The anode 11 the electrode unit 10 is doing it with a negative terminal 15 connected. The cathode 12 the electrode unit 10 is with a positive terminal 16 connected. For serial connection of the battery module 5 is the negative terminal 15 a battery cell 2 with the positive terminal 16 the adjacent battery cell 2 electrically connected.

Jede Batteriezelle 2 weist ferner eine Schnellentladevorrichtung 20 auf. Die Schnellentladevorrichtung 20 ist mit dem negativen Terminal 15 sowie mit dem positiven Terminal 16 der Batteriezelle 2 elektrisch verbunden. Die Schnellentladevorrichtung 20 ist in der hier gezeigten Darstellung ausgeschaltet, also in einem passiven Zustand. Das bedeutet, das negative Terminal 15 und das positive Terminal 16 der Batteriezelle 2 sind durch die Schnellentladevorrichtung 20 nicht elektrisch miteinander verbunden.Every battery cell 2 also has a quick discharge device 20 on. The quick unloading device 20 is with the negative terminal 15 as well as with the positive terminal 16 the battery cell 2 electrically connected. The quick unloading device 20 is switched off in the illustration shown here, ie in a passive state. That means the negative terminal 15 and the positive terminal 16 the battery cell 2 are through the quick discharge device 20 not electrically connected.

Das Batteriemodul 5 umfasst auch ein Modulsteuergerät 50 zum Überwachen der Batteriezellen 2 und zum Ansteuern der Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2. Das Batteriemodul 5 umfasst auch einen Deformationssensor 51, welcher insbesondere ein Gehäuse des Batteriemoduls 5 überwacht. Wenn der Deformationssensor 51 einen Fehler erkennt, beispielsweise ein in das Gehäuse eindringendes Metallteil oder eine Verformung des Gehäuses, so veranlasst der Deformationssensor 51 eine Aktivierung aller Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5. Der Deformationssensor 51 kann die Schnellentladevorrichtungen 20 unmittelbar aktivieren oder der Deformationssensor 51 sendet ein Signal an das Modulsteuergerät 50, welches daraufhin die Schnellentladevorrichtungen 20 aktiviert.The battery module 5 also includes a module control unit 50 for monitoring the battery cells 2 and for driving the quick discharge devices 20 the battery cells 2 , The battery module 5 also includes a deformation sensor 51 , which in particular a housing of the battery module 5 supervised. When the deformation sensor 51 detects a fault, for example, a penetrating into the housing metal part or deformation of the housing, so causes the deformation sensor 51 an activation of all quick discharge devices 20 the battery cells 2 of the battery module 5 , The deformation sensor 51 can the fast discharge devices 20 Immediately activate or the deformation sensor 51 sends a signal to the module control unit 50 , which then the fast discharging devices 20 activated.

Nach der Aktivierung befinden sich die Schnellentladevorrichtungen 20 in einem aktiven Zustand, in welchem die Schnellentladevorrichtungen 20 einen Kurzschluss zwischen den negativen Terminals 15 und den positiven Terminals 16 der Batteriezellen 2 bilden. Daraufhin fließen Entladeströme durch die Schnellentladevorrichtungen 20 und die Batteriezellen 2 werden dadurch entladen. Nach der Aktivierung der Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2 ist das ganze Batteriemodul 5 kurzgeschlossen.After activation, the fast discharge devices are located 20 in an active state, in which the fast discharge devices 20 a short circuit between the negative terminals 15 and the positive terminals 16 the battery cells 2 form. Thereupon discharge currents flow through the fast discharge devices 20 and the battery cells 2 are discharged by it. After activation of the quick discharge devices 20 the battery cells 2 is the whole battery module 5 shorted.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 7 für ein Elektrofahrzeug mit mehreren, beispielsweise zehn, Batteriesträngen 6. Auch eine andere Anzahl von Batteriesträngen 6 ist denkbar. Die Batteriestränge 6 sind vorliegend elektrisch parallel verschaltet. Das Batteriesystem 7 umfasst auch ein Batteriesteuergerät 70 zum Steuern der Batteriestränge 6. 2 shows a schematic representation of a battery system 7 for an electric vehicle with several, for example ten, battery strings 6 , Also a different number of battery strings 6 is conceivable. The battery strings 6 In the present case, they are electrically connected in parallel. The battery system 7 also includes a battery control device 70 for controlling the battery strings 6 ,

Jeder der Batteriestränge 6 des Batteriesystems 7 umfasst mehrere, beispielsweise sieben, Batteriemodule 5, die elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Auch eine andere Anzahl von Batteriemodulen 5 ist denkbar. Ferner umfasst jeder der Batteriestränge 6 jeweils eine Trenneinrichtung 62 zum Abschalten des Batteriestrangs 6. Die Trenneinrichtung 62 ist dabei jeweils elektrisch seriell mit den Batteriemodulen 5 verschaltet. Wenn die Trenneinrichtung 62 angesteuert wird, so wird eine elektrische Verbindung unterbrochen und der Batteriestrang 6 wird abgeschaltet. Bei der Trenneinrichtung 62 handelt es sich beispielsweise um ein elektromechanisches Schütz oder Relais, eine pyrotechnische Sicherung oder einen Halbleiterschalter, insbesondere in Form eines Metalloxid-Feldeffekttransistors (MOSFET).Each of the battery strings 6 of the battery system 7 includes several, for example seven, battery modules 5 , which are connected electrically in series with each other. Also a different number of battery modules 5 is conceivable. Further, each of the battery strings includes 6 each a separator 62 to shut off the battery string 6 , The separator 62 is in each case electrically serial with the battery modules 5 connected. When the separator 62 is controlled, so an electrical connection is interrupted and the battery string 6 will be switched off. At the separator 62 it is, for example, an electromechanical contactor or relay, a pyrotechnic fuse or a semiconductor switch, in particular in the form of a metal oxide field effect transistor (MOSFET).

Vorliegend ist die Trenneinrichtung 62 jedes Batteriestrangs 6 von dem Batteriesteuergerät 70 des Batteriesystems 7 ansteuerbar. Ferner ist die Trenneinrichtung 62 jedes Batteriestrangs 6 vorliegend auch von den Modulsteuergeräten 50 der Batteriemodule 5 in dem jeweiligen Batteriestrang 6 ansteuerbar.Present is the separator 62 each battery string 6 from the battery control device 70 of the battery system 7 controllable. Further, the separator is 62 each battery string 6 in this case also of the module control units 50 the battery modules 5 in the respective battery string 6 controllable.

Auch umfasst jeder der Batteriestränge 6 jeweils einen Strommesser 61, welcher einen durch den Batteriestrang 6 fließenden Strom I misst. Der Strommesser 61 ist dabei vorliegend mit den Modulsteuergeräten 50 der Batteriemodule 5 des Batteriestrangs 6 verbunden. Ebenso ist der Strommesser 61 vorliegend mit dem Batteriesteuergerät 70 des Batteriesystems 7 verbunden. Der Strommesser 61 umfasst beispielsweise einen Shunt-Widerstand mit einem Komparator, welcher den gemessenen Strom I mit dem vorgegebenen Grenzwert vergleicht.Also includes each of the battery strings 6 each an electricity meter 61 which one through the battery string 6 flowing electricity I measures. The electricity meter 61 is present with the module control units 50 the battery modules 5 of the battery string 6 connected. Likewise, the electricity meter 61 present with the battery control unit 70 of the battery system 7 connected. The electricity meter 61 For example, it includes a shunt resistor with a comparator which measures the measured current I compared with the preset limit.

Wenn der Strommesser 61 einen in dem Batteriestrang 6 fließenden Strom I misst, welcher den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, so sendet der Strommesser 61 ein Steuersignal an das Batteriesteuergerät 70 des Batteriesystems 7 und an die Modulsteuergeräte 50 der Batteriemodule 5. Bei dem Steuersignal handelt es sich um ein Wake-Up-Signal, das zum Einschalten des Batteriesteuergerät 70 und der Modulsteuergeräte 50 dient, wenn diese ausgeschaltet sind.When the electricity meter 61 one in the battery string 6 flowing electricity I measures, which exceeds the predetermined limit, the ammeter sends 61 a control signal to the battery control unit 70 of the battery system 7 and to the module control units 50 the battery modules 5 , The control signal is a wake-up signal used to turn on the battery control unit 70 and the module control units 50 serves when these are turned off.

Die Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2 jedes Batteriemoduls 5 sind, wie bereits erwähnt, von dem Modulsteuergerät 50 des jeweiligen Batteriemoduls 5 aktivierbar. Ferner sind die Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2 der Batteriemodule 5 in allen Batteriesträngen 6 von dem Batteriesteuergerät 70 des Batteriesystems 7 aktivierbar. Durch Aktivieren der Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2 eines Batteriemoduls 5 wird in diesem Batteriemodul 5 ein Kurzschluss erzeugt.The quick unloading devices 20 the battery cells 2 every battery module 5 are, as already mentioned, from the module control unit 50 of the respective battery module 5 enableable. Further, the quick discharge devices are 20 the battery cells 2 the battery modules 5 in all battery strings 6 from the battery control device 70 of the battery system 7 enableable. By activating the quick-discharging devices 20 the battery cells 2 a battery module 5 will be in this battery module 5 generates a short circuit.

Wenn der Deformationssensor 51 einen Fehler erkennt, so erfolgt eine Aktivierung aller Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2 des betroffenen Batteriemoduls 5 und das Batteriemodul 5 ist kurzgeschlossen. Dadurch verringert sich die Spannung des Batteriestrangs 6, in welchem das kurzgeschlossene Batteriemodul 5 angeordnet ist. Aus den verbleibenden, intakten Batteriesträngen 6 fließt nun ein verhältnismäßig hoher Ausgleichsstrom als Entladestrom in den Batteriestrang 6 mit dem kurzgeschlossen Batteriemodul 5.When the deformation sensor 51 detects an error, so there is an activation of all quick discharge devices 20 the battery cells 2 of the affected battery module 5 and the battery module 5 is shorted. This reduces the voltage of the battery string 6 in which the short-circuited battery module 5 is arranged. From the remaining, intact battery strings 6 Now flows a relatively high compensation current as a discharge in the battery string 6 with the shorted battery module 5 ,

Der Strommesser 61 in dem Batteriestrang 6 mit dem kurzgeschlossenen Batteriemodul 5, welcher den durch den Batteriestrang 6 fließenden Strom I misst, detektiert daraufhin den verhältnismäßig hohen Ausgleichsstrom, welcher ein Ladestrom ist, und welcher den vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Daraufhin sendet der Strommesser 61 ein Steuersignal an das Batteriesteuergerät 70 und an die Modulsteuergeräte 50 der Batteriemodule 5 in dem Batteriestrang 6 mit dem kurzgeschlossenen Batteriemodul 5. Das Steuersignal ist dabei ein Wake-Up-Signal, welches zum Einschalten des Batteriesteuergeräts 70 und der Modulsteuergeräte 50 dient, wenn diese ausgeschaltet sind.The electricity meter 61 in the battery string 6 with the shorted battery module 5 passing through the battery string 6 flowing electricity I measures, then detects the relatively high compensation current, which is a charging current, and which exceeds the predetermined limit. Then the ammeter sends 61 a control signal to the battery control unit 70 and to the module control units 50 the battery modules 5 in the battery string 6 with the shorted battery module 5 , The control signal is a wake-up signal which is used to switch on the battery control unit 70 and the module control units 50 serves when these are turned off.

Nach Empfang des Steuersignals steuert das Batteriesteuergerät 70 des Batteriesystems 7 die Trenneinrichtung 62 zum Abschalten des Batteriestrangs 6 mit dem kurzgeschlossenen Batteriemodul 5 an. Alternativ oder zusätzlich steuert mindestens eines der Modulsteuergeräte 50 der Batteriemodule 5 in dem Batteriestrang 6 mit dem kurzgeschlossenen Batteriemodul 5 nach Empfang des Steuersignals die Trenneinrichtung 62 zum Abschalten des Batteriestrangs 6 an. Durch Abschalten des Batteriestrangs 6 wird der verhältnismäßig hohe Ausgleichsstrom unterbunden. Upon receipt of the control signal, the battery control unit controls 70 of the battery system 7 the separator 62 to shut off the battery string 6 with the shorted battery module 5 on. Alternatively or additionally controls at least one of the module control units 50 the battery modules 5 in the battery string 6 with the shorted battery module 5 upon receipt of the control signal, the separator 62 to shut off the battery string 6 on. By switching off the battery string 6 the relatively high compensation current is suppressed.

Alternativ kann das Batteriesteuergerät 70 des Batteriesystems 7 nach Empfang des Steuersignals die Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2 jeweils eines Batteriemoduls 5 in den intakten Batteriesträngen 6 aktivieren. Ebenso kann jeweils das Modulsteuergerät 50 eines Batteriemoduls 5 in den intakten Batteriesträngen 6 nach Empfang des Steuersignals die Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2 dieses Batteriemoduls 5 aktivieren. Durch Aktivieren der Schnellentladevorrichtungen 20 der Batteriezellen 2 je eines Batteriemoduls 5 in den intakten Batteriesträngen 6 wird auch in diesen Batteriesträngen 6 je ein Kurzschluss eines Batteriemoduls 5 erzeugt. Dadurch verringert sich auch die Spannung dieser Batteriestränge 6. Auch dadurch wird der verhältnismäßig hohe Ausgleichsstrom unterbunden.Alternatively, the battery control unit 70 of the battery system 7 upon receipt of the control signal, the fast discharge devices 20 the battery cells 2 each of a battery module 5 in the intact battery strings 6 activate. Likewise, in each case the module control unit 50 a battery module 5 in the intact battery strings 6 upon receipt of the control signal, the fast discharge devices 20 the battery cells 2 this battery module 5 activate. By activating the quick-discharging devices 20 the battery cells 2 each of a battery module 5 in the intact battery strings 6 will also be in these battery strings 6 ever a short circuit of a battery module 5 generated. This also reduces the voltage of these battery strings 6 , This also prevents the relatively high compensation current.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012005979 B4 [0005]DE 102012005979 B4 [0005]

Claims (12)

Batteriesystem (7) für ein Elektrofahrzeug, umfassend mindestens zwei Batteriestränge (6) und ein Batteriesteuergerät (70) zum Steuern der mindestens zwei Batteriestränge (6), wobei jeder der Batteriestränge (6) mindestens ein Batteriemodul (5) umfasst, und wobei das mindestens eine Batteriemodul (5) mindestens eine Batteriezelle (2), welche eine Schnellentladevorrichtung (20) aufweist, und ein Modulsteuergerät (50) zum Überwachen der mindestens einen Batteriezelle (2) und zum Ansteuern der mindestens einen Schnellentladevorrichtung (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Batteriestränge (6) jeweils ein Strommesser (61) vorgesehen ist, welcher mit mindestens einem Steuergerät (50, 70) verbunden ist, und welcher ein Steuersignal an das Steuergerät (50, 70) sendet, wenn ein in dem Batteriestrang (6) fließender Strom (I) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.A battery system (7) for an electric vehicle comprising at least two battery strings (6) and a battery control device (70) for controlling the at least two battery strings (6), each of the battery strings (6) comprising at least one battery module (5), and wherein the at least one a battery module (5) at least one battery cell (2), which has a fast discharge device (20), and a module control device (50) for monitoring the at least one battery cell (2) and for driving the at least one quick discharge device (20), characterized in each of the battery strings (6) there is provided in each case an ammeter (61) which is connected to at least one control unit (50, 70) and which sends a control signal to the control unit (50, 70) if one in the battery string ( 6) flowing current (I) exceeds a predetermined limit. Batteriesystem (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Batteriestränge (6) jeweils eine Trenneinrichtung (62) zum Abschalten des Batteriestrangs (6) umfassen.Battery system (7) after Claim 1 , characterized in that the at least two battery strings (6) each comprise a separating device (62) for switching off the battery string (6). Batteriesystem (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (62) von dem Batteriesteuergerät (70) ansteuerbar ist.Battery system (7) after Claim 2 , characterized in that the separating device (62) of the battery control device (70) is controllable. Batteriesystem (7) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (62) von dem Modulsteuergerät (50) ansteuerbar ist.Battery system (7) according to one of Claims 2 to 3 , characterized in that the separating device (62) of the module control unit (50) is controllable. Batteriesystem (7) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellentladevorrichtungen (20) der Batteriezellen (2) von dem Batteriesteuergerät (70) aktivierbar sind.Battery system (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the fast discharge devices (20) of the battery cells (2) can be activated by the battery control device (70). Batteriesystem (7) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellentladevorrichtungen (20) der Batteriezellen (2) von dem Modulsteuergerät (50) aktivierbar sind.Battery system (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the fast discharge devices (20) of the battery cells (2) can be activated by the module control device (50). Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (7) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Steuersignal an mindestens ein Steuergerät (50, 70) gesendet wird, wenn ein in einem der Batteriestränge (6) fließender Strom (I) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.Method for operating a battery system (7) according to one of the preceding claims, wherein a control signal is sent to at least one control device (50, 70) when a current flowing in one of the battery strings (6) exceeds a predetermined limit. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Batteriesteuergerät (70) nach Empfang des Steuersignals eine Trenneinrichtung (62) zum Abschalten des Batteriestrangs (6) ansteuert.Method according to Claim 7 wherein the battery control device (70) after receipt of the control signal drives a disconnecting device (62) for switching off the battery string (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei das Modulsteuergerät (50) nach Empfang des Steuersignals eine Trenneinrichtung (62) zum Abschalten des Batteriestrangs (6) ansteuert.Method according to one of Claims 7 to 8th , wherein the module control unit (50) after receiving the control signal drives a disconnecting device (62) for switching off the battery string (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Batteriesteuergerät (70) nach Empfang des Steuersignals die Schnellentladevorrichtungen (20) der Batteriezellen (2) eines Batteriemoduls (5) mindestens eines intakten Batteriestrangs (6) aktiviert.Method according to one of Claims 7 to 9 in that the battery control device (70), after receiving the control signal, activates the quick discharge devices (20) of the battery cells (2) of a battery module (5) of at least one intact battery string (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Modulsteuergerät (50) nach Empfang des Steuersignals die Schnellentladevorrichtungen (20) der Batteriezellen (2) eines Batteriemoduls (5) mindestens eines intakten Batteriestrangs (6) aktiviert.Method according to one of Claims 7 to 10 in that the module control device (50), after receiving the control signal, activates the fast discharge devices (20) of the battery cells (2) of a battery module (5) of at least one intact battery string (6). Elektrofahrzeug, umfassend mindestens ein Batteriesystem (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 betreibbar ist.Electric vehicle, comprising at least one battery system (7) according to one of Claims 1 to 6 , which with a method according to one of Claims 7 to 11 is operable.
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