DE102020113498A1 - Method and device for monitoring a battery cell arrangement, battery cell arrangement and use in a vehicle, in particular an aircraft - Google Patents

Method and device for monitoring a battery cell arrangement, battery cell arrangement and use in a vehicle, in particular an aircraft Download PDF

Info

Publication number
DE102020113498A1
DE102020113498A1 DE102020113498.3A DE102020113498A DE102020113498A1 DE 102020113498 A1 DE102020113498 A1 DE 102020113498A1 DE 102020113498 A DE102020113498 A DE 102020113498A DE 102020113498 A1 DE102020113498 A1 DE 102020113498A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
resistance
battery cell
cell arrangement
value
battery cells
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020113498.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Georgiadis Kyriakos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volocopter GmbH
Original Assignee
Volocopter GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volocopter GmbH filed Critical Volocopter GmbH
Priority to DE102020113498.3A priority Critical patent/DE102020113498A1/en
Publication of DE102020113498A1 publication Critical patent/DE102020113498A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0046Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/12Recording operating variables ; Monitoring of operating variables
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • B60L50/64Constructional details of batteries specially adapted for electric vehicles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/24Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries for controlling the temperature of batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4207Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63Control systems
    • H01M10/637Control systems characterised by the use of reversible temperature-sensitive devices, e.g. NTC, PTC or bimetal devices; characterised by control of the internal current flowing through the cells, e.g. by switching
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40Drive Train control parameters
    • B60L2240/54Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/545Temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4278Systems for data transfer from batteries, e.g. transfer of battery parameters to a controller, data transferred between battery controller and main controller
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen einer Batteriezellen-Anordnung (1) auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen (2) von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betreiben der Batteriezellen-Anordnung (1), mit den Schritten:a) Versehen einer Vielzahl der Batteriezellen (2), vorzugsweise zumindest von einem Viertel oder einem Drittel oder der Hälfte der Batteriezellen (2), höchst vorzugsweise zumindest von drei Vierteln der Batteriezellen (2), insbesondere aller Batteriezellen (2), in der Batteriezellen-Anordnung (1) mit einem elektrischen Widerstandselement (4) mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstandswert;b) Verbinden der Widerstandselemente (4) in Form wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung (4a, 4b);c) im Betrieb der Batteriezellen-Anordnung (1), fortlaufendes Messen eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente (4) in der Reihenschaltung (4a, 4b) und Vergleichen des gemessenen Reihenwiderstands mit einem Vergleichswert;d) Ausgeben eines Überwachungssignals (MS) in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs.Auf diese Weise lässt sich der schaltungstechnische Aufwand bei unverändert guter Messabdeckung gegenüber vorbekannten Verfahren verringern.A method and a device are proposed for monitoring a battery cell arrangement (1) for temperature deviations of individual battery cells (2) from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement (1), with the following steps: ), preferably at least a quarter or a third or half of the battery cells (2), most preferably at least three quarters of the battery cells (2), in particular all battery cells (2), in the battery cell arrangement (1) with an electrical resistance element (4) with a temperature-dependent electrical resistance value; b) connecting the resistance elements (4) in the form of at least one electrical series circuit (4a, 4b); c) during operation of the battery cell arrangement (1), continuous measurement of a series resistance of the resistance elements (4) in the series circuit (4a, 4b) and comparing the measured series resistance with a comparison value; d) Output of a monitoring signal (MS) as a function of a result of the comparison. In this way, the circuit complexity can be reduced with unchanged good measurement coverage compared to previously known methods.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezellen-Anordnung auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betreiben der Batteriezellen-Anordnung gemäß Anspruch 1.The invention relates to a method for monitoring a battery cell arrangement for temperature deviations of individual battery cells from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement according to claim 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Überwachung einer Batteriezellen-Anordnung auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betrieb der Batteriezellen-Anordnung gemäß Anspruch 8.The invention further relates to a device for monitoring a battery cell arrangement for temperature deviations of individual battery cells from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement according to claim 8.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batteriezellen-Anordnung mit einer Vielzahl an Batteriezellen gemäß Anspruch 15 sowie eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 19.The invention further relates to a battery cell arrangement with a plurality of battery cells according to claim 15 and a use of the device according to the invention according to claim 19.

Für moderne Batteriezellen-Systeme bzw. Batterien oder Akkumulatoren, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien, kommen Batterie-Managementsysteme (BMS) zum Einsatz, um die Zellenspannungen und -temperaturen zu überwachen. Solche Batterie-Managementsysteme sind insbesondere in der Lage, eine Batterie abzuschalten bzw. die Verwendung einer Batterie zu unterbinden, wenn sich im Betrieb derselben Abweichungen ergeben, insbesondere wenn eine Betriebstemperatur einer Batterie bzw. einzelner Batteriezellen eine bei Normalbetrieb zu erwartende Temperatur („Normalbetriebstemperatur“) übersteigt.For modern battery cell systems or batteries or accumulators, in particular for lithium-ion batteries, battery management systems (BMS) are used to monitor cell voltages and temperatures. Such battery management systems are in particular able to switch off a battery or prevent the use of a battery if deviations occur during operation, in particular if the operating temperature of a battery or individual battery cells is a temperature to be expected during normal operation ("normal operating temperature") ) exceeds.

Zu diesem Zweck sind eine Anzahl von Temperatursensoren innerhalb der Batteriezellen-Anordnung vorgesehen und mit dem BMS verbunden. Die Temperaturüberwachung kann insbesondere unter Verwendung von Temperatur-Messelementen erfolgen, die als Thermistoren in Form von PTC- oder NTC-Widerständen ausgebildet sind. Bei PTC-Widerständen handelt es sich um elektrische Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten, die also bei steigender Temperatur mit einem starken Anstieg des elektrischen (Ohm'schen) Widerstands reagieren. Dagegen handelt es sich bei NTC-Widerständen um Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten, die also entsprechend mit einem starken Abfall des elektrischen Widerstands auf Temperaturerhöhungen reagieren.For this purpose, a number of temperature sensors are provided within the battery cell arrangement and connected to the BMS. The temperature monitoring can in particular take place using temperature measuring elements which are designed as thermistors in the form of PTC or NTC resistors. PTC resistors are electrical resistors with a positive temperature coefficient, which means that when the temperature rises, they react with a sharp increase in electrical (ohmic) resistance. On the other hand, NTC resistors are resistors with a negative temperature coefficient, which accordingly react to increases in temperature with a sharp drop in electrical resistance.

Für große Batterien, speziell für Batterien mit einer großen Anzahl kleiner, zylindrischer Batteriezellen, ist nach dem Stand der Technik nicht jede Batteriezelle mit einem Temperatursensor ausgestattet, da die Anzahl von Messkanälen, die am BMS erforderlich wäre, entsprechend sehr groß wäre, weil Hunderte oder gar Tausende von Sensoren zum Einsatz kommen könnten.For large batteries, especially for batteries with a large number of small, cylindrical battery cells, not every battery cell is equipped with a temperature sensor according to the state of the art, since the number of measuring channels that would be required on the BMS would be correspondingly very large, because hundreds or even thousands of sensors could be used.

Dies ist in der beigefügten 1 dargestellt. 1 zeigt eine Batteriezellen-Anordnung 1 nach dem Stand der Technik mit einer Vielzahl von Batteriezellen 2, die jeweils als zylinderförmige Zellen ausgebildet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 nur einige wenige Batteriezellen 2 explizit bezeichnet. Bezugszeichen 3 symbolisiert ein Batterie-Managementsystem (BMS). Jede Batteriezelle 2 ist mit einem Temperatur-Messelement in Form eines elektrischen Widerstandelements 4 versehen, wie vorstehend beschrieben. Jedes der Widerstandselemente 4 ist über ein elektrische Leitungspaar 5 mit dem BMS 3 verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind wiederum nur einige Widerstandselemente 4 und Leitungspaare 5 explizit bezeichnet. Auf diese Weise ergibt sich in nachteiliger Weise ein hoher Verbindungs- bzw. Verdrahtungsaufwand, und das BMS 3 ist entsprechend aufwändig und schwergewichtig ausgestaltet, da es eine Vielzahl von Messkanälen (ein Messkanal pro Batteriezelle 2) benötigt.This is in the attached 1 shown. 1 shows a battery cell arrangement 1 according to the prior art with a large number of battery cells 2 , which are each designed as cylindrical cells. For the sake of clarity, in 1 only a few battery cells 2 explicitly designated. Reference number 3 symbolizes a battery management system (BMS). Every battery cell 2 is with a temperature measuring element in the form of an electrical resistance element 4th provided as described above. Each of the resistance elements 4th is via a pair of electrical wires 5 with the BMS 3 tied together. For the sake of clarity, there are again only a few resistance elements 4th and wire pairs 5 explicitly designated. In this way, there is a disadvantageous high connection or wiring expenditure, and the BMS 3 is designed correspondingly complex and heavy, as there are a large number of measurement channels (one measurement channel per battery cell 2 ) needed.

Jeder Temperatursensor (Temperatur-Messelement) erfordert in BMS 3 eine zugehörige Auswerteelektronik, entweder in Form eines Analog-Digital-Wandlers, um die Temperaturdaten zu erhalten, oder - im einfachsten Fall - in Form eines Komparators, der einen Vergleich mit einem vordefinierten Schwellenwert vornimmt. Der Aufwand und die Kosten, die mit einer Integration dieser elektronischen Schaltkreise in das BMS 3 verbunden ist, damit dieses mit einer Vielzahl an Temperatursensoren zusammenarbeiten kann, sind sehr hoch.Each temperature sensor (temperature measuring element) requires in BMS 3 associated evaluation electronics, either in the form of an analog-to-digital converter to obtain the temperature data, or - in the simplest case - in the form of a comparator that makes a comparison with a predefined threshold value. The effort and costs involved in integrating these electronic circuits into the BMS 3 connected so that it can work together with a large number of temperature sensors are very high.

Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde nach dem Stand der Technik, wie er in 2 dargestellt ist, vorgeschlagen, die Anzahl der Temperatursensoren bzw. Widerstandselemente 4 auf ein vernünftiges Maß zu reduzieren, indem beispielsweise nur jede fünfte oder nur jede zwanzigste Batteriezelle 2 mit einem Widerstandselement 4 ausgestattet wird. Dies reduziert die Abdeckung und Genauigkeit der Temperaturüberwachung entsprechend. Nachteiliger Weise existieren entsprechend eine große Anzahl von Batteriezellen 2 mit unbekannter Temperatur.To remedy this, the state of the art, as described in 2 is shown, proposed the number of temperature sensors or resistance elements 4th to reduce to a reasonable level, for example by only every fifth or only every twentieth battery cell 2 with a resistance element 4th is equipped. This reduces the coverage and accuracy of the temperature monitoring accordingly. A corresponding disadvantage is that there are a large number of battery cells 2 with unknown temperature.

Die Ausgestaltung gemäß 2 hat gegenüber 1 den Vorteil, dass weniger Widerstandselemente 4 und Leitungspaare 5 benötigt werden. Außerdem kann das BMS 3 einfacher ausgestaltet sein. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass aufgrund der großen Anzahl an Batteriezellen 2 mit unbekannter Temperatur ein erhöhtes Risiko eines katastrophalen Versagens der Batteriezellen-Anordnung 1 insgesamt existiert. Wie bereits erwähnt, ist normalerweise vorgesehen, dass im Falle einer erhöhten Temperatur selbst in nur einer Batteriezelle 2 Schutzmaßnahmen ergriffen werden, beispielsweise ein Abschalten der Batteriezellen-Anordnung 1. Wenn jedoch eine erhöhte Zellentemperatur unerkannt bleibt, wie dies im Fall der 2 leicht geschehen kann, führt dies möglicherweise zu einer kritischen Überhitzung und zu einer Entzündung der Batteriezellen-Anordnung 1. Die reduzierte Temperaturabdeckung gemäß dem Stand der Technik in 2 stellt also ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.The design according to 2 has opposite 1 the advantage of having fewer resistance elements 4th and wire pairs 5 are needed. In addition, the BMS 3 be designed more simply. The disadvantage here, however, is that due to the large number of battery cells 2 with an unknown temperature, there is an increased risk of catastrophic failure of the battery cell arrangement 1 altogether exists. As already mentioned, it is normally provided that in the event of an increased temperature even in only one battery cell 2 Protective measures are taken, for example switching off the battery cell arrangement 1 . However, if an increased cell temperature goes undetected, as in the case of the 2 can easily be done this performs possibly critical overheating and ignition of the battery cell arrangement 1 . The reduced temperature coverage according to the prior art in 2 therefore represents a significant security risk.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen, und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen von Batteriezellen-Anordnungen anzugeben, das bzw. die bei gegenüber dem Stand der Technik verringertem konstruktivem Aufwand mit einer erhöhten Betriebssicherheit einhergeht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batteriezellen-Anordnung und eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.The invention is based on the object of providing a remedy here and of specifying a method and a device for monitoring battery cell arrangements, which is associated with increased operational reliability with a reduced structural effort compared to the prior art. The invention is also based on the object of specifying an improved battery cell arrangement and a preferred use of the device according to the invention and the method according to the invention.

Die vorstehend genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezellen-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung zur Überwachung einer Batteriezellen-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch eine Batteriezellen-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie durch die in Anspruch 19 definierten Verwendungen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The above-mentioned objects are achieved according to the invention by a method for monitoring a battery cell arrangement with the features of claim 1, by a device for monitoring a battery cell arrangement with the features of claim 8, by a battery cell arrangement with the features of claim 15 as well as by the uses defined in claim 19. Advantageous further developments are given in the subclaims.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überwachen einer Batteriezellen-Anordnung auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betreiben der Batteriezellen-Anordnung umfasst folgende Schritte:

  1. a) Versehen einer Vielzahl der Batteriezellen, vorzugsweise zumindest von einem Viertel oder einem Drittel oder der Hälfte der Batteriezellen, höchst vorzugsweise zumindest von drei Vierteln der Batteriezellen, insbesondere aller Batteriezellen, in der Batteriezellen-Anordnung mit einem elektrischen Widerstandselement mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstandswert;
  2. b) Verbinden der Widerstandselemente in Form wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung;
  3. c) im Betrieb der Batteriezellen-Anordnung, fortlaufendes Messen eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente in der Reihenschaltung und Vergleichen des gemessenen Reihenwiderstands mit einem Vergleichswert;
  4. d) Ausgeben eines Überwachungssignals in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs.
A method according to the invention for monitoring a battery cell arrangement for temperature deviations of individual battery cells from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement comprises the following steps:
  1. a) Providing a plurality of the battery cells, preferably at least a quarter or a third or half of the battery cells, most preferably at least three quarters of the battery cells, in particular all battery cells, in the battery cell arrangement with an electrical resistance element with a temperature-dependent electrical resistance value;
  2. b) connecting the resistance elements in the form of at least one electrical series circuit;
  3. c) during operation of the battery cell arrangement, continuously measuring a series resistance of the resistance elements in the series circuit and comparing the measured series resistance with a comparison value;
  4. d) outputting a monitoring signal as a function of a result of the comparison.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung einer Batteriezellen-Anordnung auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betrieb der Batteriezellen-Anordnung weist auf: eine Mehrzahl von elektrischen Widerstandselementen, jeweils mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstandswert, welche Mehrzahl vorzugsweise mindestens einem Viertel, mindestens einem Drittel, mindestens einer Hälfte, mindestens drei Vierteln oder allen Batteriezellen aus einer Anzahl zu überwachender Batteriezellen entspricht, welche Widerstandselemente in Form wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung miteinander verbunden sind; und eine mit der Reihenschaltung über ein elektrisches Leiterpaar verbundene Mess- und Vergleichseinrichtung zum Messen eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente in der Reihenschaltung und zum Vergleichen des gemessenen Reihenwiderstands mit einem Vergleichswert, welche Mess- und Vergleichseinrichtung weiterhin ausgebildet ist zum Erzeugen und Ausgeben eines Überwachungssignals in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs.A device according to the invention for monitoring a battery cell arrangement for temperature deviations of individual battery cells from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement has: a plurality of electrical resistance elements, each with a temperature-dependent electrical resistance value, the plurality of preferably at least a quarter, at least a third, corresponds to at least one half, at least three quarters or all of the battery cells from a number of battery cells to be monitored, which resistance elements are connected to one another in the form of at least one electrical series circuit; and a measurement and comparison device connected to the series circuit via an electrical conductor pair for measuring a series resistance of the resistance elements in the series circuit and for comparing the measured series resistance with a comparison value, which measurement and comparison device is further designed to generate and output a monitoring signal as a function of a result of the comparison.

Eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung umfasst eine Vielzahl an Batteriezellen, vorzugsweise im Wesentlichen identisch ausgebildete Batteriezellen, sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung.A battery cell arrangement according to the invention comprises a multiplicity of battery cells, preferably essentially identical battery cells, and a device according to the invention.

Eine erfindungsgemäße Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder der erfindungsgemäßen Anordnung beinhaltet die Verwendung bei einem Fahrzeug, vorzugsweise einem Luftfahrzeug. Vorzugsweise kann es sich bei dem Luftfahrzeug um ein Multirotor-Fluggerät handeln, höchst vorzugsweise um ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät. Dieses Fluggerät kann verteilt angeordnete und bevorzugt elektrisch angetriebene Antriebseinheiten aufweisen, welche Antriebseinheiten aus wenigstens einer erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung mit elektrischer Energie versorgt werden. Vorzugsweise kann dazu wenigstens eine Batteriezellen-Anordnung pro Antriebseinheit vorgesehen sein.A use according to the invention of the device according to the invention or the arrangement according to the invention includes the use in a vehicle, preferably an aircraft. The aircraft can preferably be a multi-rotor aircraft, most preferably an aircraft that takes off and lands vertically. This aircraft can have distributed and preferably electrically driven drive units, which drive units are supplied with electrical energy from at least one battery cell arrangement according to the invention. For this purpose, at least one battery cell arrangement can preferably be provided per drive unit.

Indem erfindungsgemäß die zur Temperaturmessung eingesetzten Widerstandselemente, bei denen es sich wiederum insbesondere um PTC- oder NTC-Widerstandselemente oder um andere geeignete, temperaturabhängige Widerstandselemente handeln kann, in Form von wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung verbunden und schaltungstechnisch zusammengefasst sind, lässt sich trotz Überwachung jeder einzelnen Batteriezelle (im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 2) die Überwachung mit einer stark reduzierten Anzahl von Messkanälen und Auswerteeinheiten bewerkstelligen. Entgegen der Ausgestaltung gemäß 1 ist die Anzahl der Messkanäle gegenüber der Batteriezellen-Anzahl stark reduziert. Vorteilhafterweise kommt dabei nur ein Messkanal für etwa 20 bis 50 Batteriezellen zum Einsatz.Since according to the invention the resistance elements used for temperature measurement, which in turn can be PTC or NTC resistance elements or other suitable, temperature-dependent resistance elements, are connected in the form of at least one electrical series circuit and combined in terms of circuitry, each individual Battery cell (in contrast to the configuration according to 2 ) manage the monitoring with a greatly reduced number of measuring channels and evaluation units. Contrary to the design according to 1 the number of measurement channels is greatly reduced compared to the number of battery cells. Advantageously, only one measuring channel is used for about 20 to 50 battery cells.

Effektiv lässt sich so in Weiterbildung der Erfindung die Temperatur-Überwachungsfunktion des BMS in zwei Unterfunktionen aufteilen:

  • 1) eine Temperaturmessung, die wie im Stand der Technik (vgl. 2) mit einer reduzierten Anzahl von Temperatursensoren (Widerstandselementen) durchgeführt wird, und
  • 2) das Erkennen einer erhöhten Temperatur, was mit einer zweiten Anzahl von Temperatursensoren (Widerstandselementen) erreicht wird, wobei jede Batteriezelle ein solches Widerstandselement aufweist (vgl. 1), während das BMS erfindungsgemäß aufgrund der verwendeten Reihenschaltung mit einer stark reduzierten Anzahl von Messkanälen auskommt.
In a further development of the invention, the temperature monitoring function of the BMS can effectively be divided into two sub-functions:
  • 1) a temperature measurement that, as in the prior art (cf. 2 ) is carried out with a reduced number of temperature sensors (resistance elements), and
  • 2) the detection of an increased temperature, which is achieved with a second number of temperature sensors (resistance elements), each battery cell having such a resistance element (cf. 1 ), while the BMS according to the invention gets by with a greatly reduced number of measurement channels due to the series connection used.

Die vorliegende Beschreibung beschäftigt sich im Wesentlichen mit dem zweitgenannten Aspekt (der zweiten Unterfunktion), weil der erstgenannte Aspekt aus dem Stand der Technik als solcher bekannt ist.The present description essentially deals with the second-mentioned aspect (the second sub-function), because the first-mentioned aspect is known as such from the prior art.

Im Betrieb der Batteriezellen-Anordnung erfolgt erfindungsgemäß eine fortlaufende Messung eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente in der Reihenschaltung, und der gemessene Reihenwiderstandswert wird mit einem Vergleichswert verglichen, sodass in Abhängigkeit von einem Ergebnis dieses Vergleichs ein Überwachungssignal ausgegeben werden kann. Dieses Überwachungssignal kann insbesondere anzeigen, ob der gemessene Reihenwiderstand über oder unter dem Vergleichswert liegt. Je nach Art der verwendeten elektrischen Widerstandselemente kann ein starker Anstieg des Reihenwiderstands (bei PTC-Elementen) bzw. ein starker Abfall des Reihenwiderstands (bei NTC-Elementen) eine Abweichung bereits einer einzelnen Batteriezelle von der Normalbetriebstemperatur anzeigen. Weil eine Mehrzahl von Widerstandselementen zu einer Reihenschaltung zusammengefasst sind, kann auf diese Weise eine vollständige messtechnische Abdeckung der Batteriezellen-Anordnung erfolgen, ohne den konstruktiven Aufwand insbesondere bei der Verdrahtung und/oder bei der Ausgestaltung des BMS zu vergrößern.During operation of the battery cell arrangement, according to the invention, a continuous measurement of a series resistance of the resistor elements in the series circuit takes place, and the measured series resistance value is compared with a comparison value, so that a monitoring signal can be output as a function of a result of this comparison. This monitoring signal can in particular indicate whether the measured series resistance is above or below the comparison value. Depending on the type of electrical resistance elements used, a sharp increase in the series resistance (with PTC elements) or a sharp decrease in the series resistance (with NTC elements) can indicate a deviation of a single battery cell from the normal operating temperature. Because a plurality of resistance elements are combined to form a series circuit, the battery cell arrangement can be completely metrologically covered without increasing the structural effort, particularly in the wiring and / or in the design of the BMS.

Im Zuge einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Überwachungssignal zum Ausgeben einer Warnungsmeldung (z.B. an einen Piloten) oder sogar zu einem direkten Abschalten der Batteriezellen-Anordnung genutzt wird, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert übersteigt. Auf diese Weise kann einer Zerstörung der Batteriezellen-Anordnung wirksam vorgebeugt werden. Die vorstehend wiedergegebene Weiterbildung bezieht sich speziell auf die Verwendung von PTC-Elementen als Widerstandselemente. Wenn NTC-Elemente verwendet werden, kann entsprechend vorgesehen sein, dass ein Abschalten der Batteriezellen-Anordnung erfolgt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert unterschreitet. In the course of a further development of the method according to the invention, it is provided that the monitoring signal is used to output a warning message (e.g. to a pilot) or even to switch off the battery cell arrangement directly if the measured series resistance exceeds the comparison value. In this way, destruction of the battery cell arrangement can be effectively prevented. The development presented above relates specifically to the use of PTC elements as resistance elements. If NTC elements are used, provision can accordingly be made for the battery cell arrangement to be switched off if the measured series resistance falls below the comparison value.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Batteriezellen in Schritt a) jeweils mit im Wesentlichen, also im Rahmen üblicher Fertigungstolerenzen identischen elektrischen Widerstandselementen bzw. mit Widerstandselementen mit im Wesentlichen identischem thermischen Widerstandskoeffizienten versehen werden. Dies erleichtert die Auswertung und verringert den konstruktiven Aufwand.In a particularly preferred development, it is provided that the battery cells in step a) are each provided with essentially identical electrical resistance elements, ie within the scope of customary manufacturing tolerances, or with resistance elements with essentially identical thermal resistance coefficients. This facilitates the evaluation and reduces the design effort.

Bei einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass vor Schritt c) ein maximaler und minimaler Reihenwiderstand der Widerstandselemente in der Reihenschaltung bei der Normalbetriebstemperatur bzw. innerhalb von Grenzen eines Normalbetriebstemperaturbereichs gemessen und zum Festlegen des Vergleichswerts verwendet wird. Auf diese Weise lassen sich anschließend im Betrieb schädliche Temperaturerhöhungen leicht erkennen. Unter „Normalbetriebstemperatur“ sei hier und im Folgenden eine Betriebstemperatur verstanden, die zwar gegenüber einer Ausgangs- oder Ruhetemperatur (geringfügig) erhöht sein kann, dies jedoch in einem Maße, das für die einzelnen Batteriezellen unschädlich ist. Beispielsweise kann die Normalbetriebstemperatur bzw. der Normalbetriebstemperaturbereich bei einer typischen Lithium-Ionen-Batteriezellen-Anordnung zwischen -20°C und 60°C liegen, wohingegen eine zu erkennende kritische Temperaturerhöhung bei etwa ab 80°C liegen würde.In yet another further development of the method according to the invention, a maximum and minimum series resistance of the resistor elements in the series circuit can be measured at the normal operating temperature or within the limits of a normal operating temperature range and used to establish the comparison value before step c). In this way, harmful temperature increases can then easily be detected during operation. Here and in the following, “normal operating temperature” is understood to mean an operating temperature that may be (slightly) higher than an initial or resting temperature, but to an extent that is harmless to the individual battery cells. For example, the normal operating temperature or the normal operating temperature range in a typical lithium-ion battery cell arrangement can be between -20 ° C and 60 ° C, whereas a critical temperature increase to be detected would be around 80 ° C and above.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass

  • i) ein erster Absolutwert, MA1, eines einzelnen Widerstandselements bei einer erhöhten Betriebstemperatur bestimmt wird, vorzugsweise vor dem Verbinden der Widerstandselemente; und
  • ii) ein zweiter Absolutwert, MA2, als lokales Extremum, d.h. als Maximum (bei PTC-Elementen) oder Minimum (bei NTC-Elementen) des Widerstandswerts eines einzelnen Widerstandselements in dem Normalbetriebstemperaturbereich bestimmt wird, vorzugsweise vor dem Verbinden der Widerstandselemente; und
  • iii) höchstens eine solche Anzahl, N oder Nmax, von Widerstandselementen 4 zu einer elektrischen Reihenschaltung 4a, 4b verbunden werden, für welche Anzahl gilt: MA 2 * ( N 1 ) < MA 1,
    Figure DE102020113498A1_0001
    N < MA 1 /MA 2 + 1,
    Figure DE102020113498A1_0002
    N max = INT ( MA 1 /MA 2 ) ,
    Figure DE102020113498A1_0003
wobei INT einen ganzzahligen Anteil von (MA1/MA2) bezeichnet.Another development of the method according to the invention provides that
  • i) a first absolute value, MA1, of an individual resistance element is determined at an elevated operating temperature, preferably prior to connecting the resistance elements; and
  • ii) a second absolute value, MA2, is determined as a local extreme, ie as a maximum (for PTC elements) or minimum (for NTC elements) of the resistance value of an individual resistance element in the normal operating temperature range, preferably before connecting the resistance elements; and
  • iii) at most such a number, N or Nmax, of resistance elements 4th to an electrical series connection 4a , 4b connected, for which number applies: MA 2 * ( N - 1 ) < MA 1,
    Figure DE102020113498A1_0001
    N < MA 1 / MA 2 + 1,
    Figure DE102020113498A1_0002
    N Max = INT ( MA 1 / MA 2 ) ,
    Figure DE102020113498A1_0003
where INT denotes an integer part of (MA1 / MA2).

Auf diese Weise lässt sich rechnerisch einfach ermitteln, wie viele Widerstandselemente sinnvollerweise zu einer Reihenschaltung zusammengefasst werden können. Der genannte zweite Absolutwert, MA2, des Widerstandswerts kann eine Zunahme des Widerstandswerts und eine Abnahme des Widerstandswerts umfassen und demnach einen (lokalen) Maximalwert oder einen (lokalen) Minimalwert darstellen, je nach Art der verwendeten Widerstandselemente (insbesondere PTC oder NTC).In this way, it is easy to computationally determine how many resistance elements can usefully be combined to form a series circuit. Said second absolute value, MA2, of the resistance value can include an increase in the resistance value and a decrease in the resistance value and accordingly represent a (local) maximum value or a (local) minimum value, depending on the type of resistance elements used (in particular PTC or NTC).

Der Betrachtung wird bevorzugt eine Referenztemperatur für die Widerstandselemente zugrunde gelegt, beispielsweise eine Referenztemperatur von 25°C (ohne Beschränkung). Zunächst wird ermittelt, wie sich der Widerstandswert eines einzelnen Widerstandselements ändert, wenn dessen Temperatur von der Referenztemperatur bis auf die erhöhte Betriebstemperatur (Überhitzung, beispielsweise 80°C) erhöht wird. Entsprechend wird für jedes Widerstandselement ermittelt, wie sich der Widerstandswert ausgehend von der Referenztemperatur bei einem Vorliegen der Normalbetriebstemperatur ändert. Diese Normalbetriebstemperatur kann - wie bereits ausgeführt - ohne Beschränkung etwa zwischen -20°C und 60°C liegen.The consideration is preferably based on a reference temperature for the resistance elements, for example a reference temperature of 25 ° C. (without restriction). First of all, it is determined how the resistance value of an individual resistance element changes when its temperature is increased from the reference temperature to the increased operating temperature (overheating, for example 80 ° C.). Correspondingly, it is determined for each resistance element how the resistance value changes based on the reference temperature when the normal operating temperature is present. This normal operating temperature can - as already stated - be between -20 ° C and 60 ° C without restriction.

Vorteilhafterweise werden im Rahmen der Erfindung solche Widerstandselemente ausgewählt, die in einem Bereich zwischen der (höchsten) Normalbetriebstemperatur und der zu erkennenden erhöhten Betriebstemperatur eine besonders starke Änderung ihres Widerstandswerts erfahren, vorzugsweise um einen Faktor von etwa 100 (ohne Beschränkung). Je stärker diese Änderung ausfällt, desto mehr Widerstandselemente können in einer Reihenschaltung zusammengefasst werden, und desto stärker lässt sich der schaltungstechnische Aufwand verringern.Advantageously, those resistance elements are selected within the scope of the invention, which experience a particularly strong change in their resistance value in a range between the (highest) normal operating temperature and the increased operating temperature to be recognized, preferably by a factor of about 100 (without restriction). The greater this change, the more resistance elements can be combined in a series circuit, and the more the circuitry effort can be reduced.

Im Rahmen der Erfindung hat sich nämlich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn höchstens eine solche Anzahl, N oder Nmax, von Widerstandselementen zu einer elektrischen Reihenschaltung verbunden werden, für welche Anzahl gilt: MA 2 * ( N 1 ) < MA 1,

Figure DE102020113498A1_0004
N < MA 1 /MA 2 + 1,
Figure DE102020113498A1_0005
N max = INT ( MA 1 /MA 2 ) ,
Figure DE102020113498A1_0006
wobei INT einen ganzzahligen Anteil von (MA1/MA2) bezeichnet. Mit anderen Worten: Je größer der Quotient aus dem ersten Absolutwert MA1 und dem zweiten Absolutwert MA2 ausfällt, desto mehr Widerstandselemente können in einer Reihenschaltung verbunden werden. Die Absicht dahinter ist, dass eine übermäßige Temperaturerhöhung an nur einer einzelnen Batteriezelle zu einer solch starken Änderung des elektrischen Widerstands eines dort angeordneten Widerstandselements führt, dass dies den Einfluss aller anderen Widerstandselemente in der Reihenschaltung (wobei diese anderen Widerstandselemente an normal funktionierenden Batteriezellen angeordnet sind) übersteigt und entsprechend erkennbar ist.In the context of the invention, it has been found to be particularly advantageous if at most such a number, N or Nmax, of resistance elements are connected to form an electrical series circuit, for which number applies: MA 2 * ( N - 1 ) < MA 1,
Figure DE102020113498A1_0004
N < MA 1 / MA 2 + 1,
Figure DE102020113498A1_0005
N Max = INT ( MA 1 / MA 2 ) ,
Figure DE102020113498A1_0006
where INT denotes an integer part of (MA1 / MA2). In other words: the greater the quotient of the first absolute value MA1 and the second absolute value MA2, the more resistance elements can be connected in a series circuit. The intention behind this is that an excessive increase in temperature on only one single battery cell leads to such a strong change in the electrical resistance of a resistance element arranged there that this affects all other resistance elements in the series circuit (these other resistance elements being arranged on normally functioning battery cells) exceeds and is accordingly recognizable.

Bei einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl, n, von Reihenschaltungen erzeugt wird, sodass das Produkt n*N oder n*Nmax einer Gesamtanzahl, G, der Batteriezellen in der Batteriezellen-Anordnung entspricht. Vorzugsweise umfasst jede der Reihenschaltungen eine gleiche Anzahl von Widerstandselementen bzw. Batteriezellen. Die Zahl n wird in der Praxis viel kleiner ausfallen als die Zahl G, sodass eine vollständige Überwachung aller Batteriezellen mit verringertem konstruktiven Aufwand möglich ist.In yet another further development of the method according to the invention, it can be provided that a plurality, n, of series connections is generated so that the product n * N or n * N max corresponds to a total number, G, of the battery cells in the battery cell arrangement. Each of the series connections preferably comprises an equal number of resistance elements or battery cells. In practice, the number n will turn out to be much smaller than the number G, so that complete monitoring of all battery cells is possible with less structural effort.

Eine andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Reihenschaltung mit einem Batterie-Managementsystem verbunden wird, welches Batterie-Managementsystem die Messung des Reihenwiderstands und den Vergleich mit dem Vergleichswert durchführt und anschließend auch das Überwachungssignal erzeugt und ausgibt. Hierauf wurde weiter oben bereits hingewiesen. Das Überwachungssignal kann insbesondere zum Abschalten der Batteriezellen-Anordnung verwendet werden, wenn sich bei dem Vergleich herausstellt, dass zumindest eine der Batteriezellen eine überhöhte Temperatur aufweist.Another preferred development of the method according to the invention provides that the series circuit is connected to a battery management system, which battery management system carries out the measurement of the series resistance and the comparison with the comparison value and then also generates and outputs the monitoring signal. This has already been pointed out above. The monitoring signal can in particular be used to switch off the battery cell arrangement if the comparison shows that at least one of the battery cells has an excessive temperature.

Der wiederholt erwähnte verringerte konstruktive Aufwand schlägt sich hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin nieder, dass nicht für jede einzelne Batteriezelle ein elektrisches Leiterpaar erforderlich ist, weil nur jeweils die Reihenschaltungen mit der zugehörigen Mess- und Vergleichseinrichtung zu verbinden sind.The repeatedly mentioned reduced design effort is reflected in the device according to the invention in the fact that an electrical conductor pair is not required for each individual battery cell because only the series circuits need to be connected to the associated measuring and comparison device.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Überwachungssignal einen ersten Wert annimmt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert nicht übersteigt, und dass das Überwachungssignal einen zweiten, von dem ersten Wert verschiedenen Wert annimmt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert übersteigt. Auch diese Weiterbildung bezieht sich konkret auf den Fall einer Verwendung von PTC-Widerstandselementen, was bei Temperaturerhöhungen zu einem Anstieg des Widerstandswertes für jedes einzelne Widerstandselement führt. Wenn dagegen NTC-Elemente zum Einsatz kommen, wäre der Effekt gerade umgekehrt, sodass dann das Überwachungssignal den ersten Wert annimmt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert übersteigt, und umgekehrt.A further development of the device according to the invention provides that the monitoring signal has a first value assumes when the measured series resistance does not exceed the comparison value, and that the monitoring signal assumes a second value different from the first value when the measured series resistance exceeds the comparison value. This development also relates specifically to the case of using PTC resistance elements, which leads to an increase in the resistance value for each individual resistance element when the temperature increases. If, on the other hand, NTC elements are used, the effect would be exactly the opposite, so that the monitoring signal then assumes the first value when the measured series resistance exceeds the comparison value, and vice versa.

Um den schaltungstechnischen Aufwand möglichst gering zu halten, sieht auch eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die elektrischen Widerstandselemente im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.In order to keep the circuit complexity as low as possible, a further development of the device according to the invention also provides that the electrical resistance elements are designed essentially identically.

Bevorzugt wird bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Vergleichswert gemäß einem bei der Normalbetriebstemperatur gemessenen Reihenwiderstand der Widerstandselemente in der Reihenschaltung festgelegt. Hierauf wurde weiter oben schon hingewiesen.In a further development of the device according to the invention, the comparison value is preferably established according to a series resistance of the resistance elements in the series circuit measured at normal operating temperature. This has already been pointed out above.

Entsprechend der Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich auch in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein einfacher formelmäßiger Zusammenhang zur Bestimmung der Anzahl von Widerstandselementen in einer elektrischen Reihenschaltung. Für diese Anzahl N bzw. Nmax gilt: MA 2 * ( N 1 ) < MA 1,

Figure DE102020113498A1_0007
N < MA 1 /MA 2 + 1,
Figure DE102020113498A1_0008
N max = INT ( MA 1 /MA 2 ) ,
Figure DE102020113498A1_0009
wobei INT einen ganzzahligen Anteil von MA1/MA2 bezeichnet, wenn MA1 einen ersten Absolutwert des Widerstandswerts eines einzelnen Widerstandselements bei einer erhöhten Betriebstemperatur bezeichnet, und wenn MA2 einen zweiten Absolutwert als Maximum (bei PTC-Elementen) oder Minimum (bei NTC-Elementen) des Widerstandswerts eines einzelnen Widerstandselements in dem Normalbetriebstemperaturbereich bezeichnet.According to the development of the method according to the invention, a simple formula-based relationship for determining the number of resistance elements in an electrical series circuit also results in a further development of the device according to the invention. The following applies to this number N or Nmax: MA 2 * ( N - 1 ) < MA 1,
Figure DE102020113498A1_0007
N < MA 1 / MA 2 + 1,
Figure DE102020113498A1_0008
N Max = INT ( MA 1 / MA 2 ) ,
Figure DE102020113498A1_0009
where INT denotes an integer part of MA1 / MA2, when MA1 denotes a first absolute value of the resistance value of an individual resistance element at an increased operating temperature, and when MA2 denotes a second absolute value as the maximum (for PTC elements) or minimum (for NTC elements) of the Denotes the resistance value of an individual resistance element in the normal operating temperature range.

Bei entsprechender Weiterbildung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mehrzahl, n, von Reihenschaltungen umfassen, sodass das Produkt n*N oder n*Nmax einer Gesamtanzahl, G, von Batteriezellen in der Batteriezellen-Anordnung entspricht, während vorzugsweise für jede Reihenschaltung ein elektrisches Leiterpaar zum Verbinden mit der Mess- und Vergleichseinrichtung vorgesehen ist.With a corresponding development, the device according to the invention can comprise a plurality, n, of series connections so that the product n * N or n * N max corresponds to a total number, G, of battery cells in the battery cell arrangement, while preferably an electrical conductor pair for each series connection Connect to the measuring and comparison device is provided.

Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung bei entsprechender Weiterbildung weiterhin ein Batterie-Managementsystem auf, welches Batterie-Managementsystem mit der Mess- und Vergleichseinrichtung wirkverbunden ist oder die Mess- und Vergleichseinrichtung umfasst. Das Batterie-Managementsystem ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem Überwachungssignal einen Weiterbetrieb der Batteriezellen-Anordnung zu erlauben, vorzugsweise bei dem ersten Wert des Überwachungssignals, oder zu unterbinden, vorzugsweise bei dem zweiten Wert des Überwachungssignals.With a corresponding development, the device according to the invention advantageously furthermore has a battery management system, which battery management system is operatively connected to the measuring and comparison device or comprises the measuring and comparison device. The battery management system is designed to allow continued operation of the battery cell arrangement as a function of the monitoring signal, preferably at the first value of the monitoring signal, or to prevent it, preferably at the second value of the monitoring signal.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung ist entsprechend vorgesehen, dass die Mehrzahl von elektrischen Widerstandselementen der Vielzahl an Batteriezellen entspricht und dass jeder Batteriezelle ein solches Widerstandselement zugeordnet ist. Folglich leidet die Batteriezellen-Anordnung nicht wie die Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik (2) darunter, dass die Temperaturüberwachung nur lückenhaft durchgeführt wird.In a further development of the battery cell arrangement according to the invention, provision is accordingly made for the plurality of electrical resistance elements to correspond to the plurality of battery cells and for such a resistance element to be assigned to each battery cell. Consequently, the battery cell arrangement does not suffer like the configuration according to the prior art ( 2 ) including that the temperature monitoring is only carried out infrequently.

Damit die Temperaturüberwachung möglichst gut funktioniert, ist in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnung vorgesehen, dass jedes Widerstandselement thermisch leitend mit einer jeweiligen Batteriezelle verbunden ist. Insbesondere kommt hier eine kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise durch Klemmen oder Kleben, in Betracht.In order for the temperature monitoring to work as well as possible, a further development of the battery cell arrangement according to the invention provides that each resistance element is connected to a respective battery cell in a thermally conductive manner. In particular, a force-fit or material connection, for example by clamping or gluing, comes into consideration here.

Vorteilhafterweise sind die Batteriezellen der Batteriezellen-Anordnung bei einer entsprechenden Weiterbildung derselben als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet. Derartige Batteriezellen haben sich in der Vergangenheit als besonders leistungsfähig erwiesen.In a corresponding development of the same, the battery cells of the battery cell arrangement are advantageously designed as lithium-ion cells. Such battery cells have proven to be particularly efficient in the past.

Mit allen ihren vorstehend beschriebenen Aspekten eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere zur Verwendung bei einem Fahrzeug, vorzugsweise einem Luftfahrzeug. Die Anmelderin stellt sogenannte Multirotor-Fluggeräte in Form von Multicoptern her, die über eine Mehrzahl von elektrisch betriebenen Antriebseinheiten verfügen. Vorteilhafterweise kann jeder dieser Antriebseinheiten mindestens eine Batteriezellen-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordnet sein.With all of its aspects described above, the present invention is particularly suitable for use in a vehicle, preferably an aircraft. The applicant produces so-called multirotor aircraft in the form of multicopters which have a plurality of electrically operated drive units. Advantageously, each of these drive units can be assigned at least one battery cell arrangement according to the present invention.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Ansätzen auch noch eine grundlegende Messung der Temperatur der Batteriezellen-Anordnung erfolgen kann, wie sie beispielhaft in 2 dargestellt ist. Hierauf ist an dieser Stelle nicht weiter einzugehen, weil eine solche Funktion grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die vorstehend detailliert beschriebene erfindungsgemäße Überwachung einer Batteriezellen-Anordnung auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen von einer Normalbetriebstemperatur erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, beide Funktionalitäten zu implementieren und so eine besonders sichere und leistungsfähige Batteriezellen-Anordnung zu schaffen. Hierauf wurde weiter oben bereits hingewiesen.It has already been pointed out that within the scope of the present invention, in addition to the approaches described above, a basic measurement of the temperature of the battery cell arrangement can also take place, as is exemplified in FIG 2 is shown. This does not need to be discussed further at this point because such a function is basically known from the prior art. In addition or as an alternative to this, can the inventive monitoring of a battery cell arrangement described in detail above for temperature deviations of individual battery cells from a normal operating temperature take place. It is particularly advantageous to implement both functionalities and thus create a particularly safe and powerful battery cell arrangement. This has already been pointed out above.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

  • 1 zeigt eine Batteriezellen-Anordnung nach dem Stand der Technik;
  • 2 zeigt eine weitere Batteriezellen-Anordnung nach dem Stand der Technik;
  • 3 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung;
  • 4 zeigt Widerstandswerte in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur im Rahmen der Erfindung; und
  • 5 zeigt die Verwendung von erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnungen bei einem Multirotor-Fluggerät.
Further properties and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing.
  • 1 shows a battery cell arrangement according to the prior art;
  • 2 shows a further battery cell arrangement according to the prior art;
  • 3 shows a battery cell arrangement according to the invention;
  • 4th shows resistance values as a function of the operating temperature within the scope of the invention; and
  • 5 shows the use of battery cell arrangements according to the invention in a multi-rotor aircraft.

Auf die vorbekannten Ausgestaltungen gemäß den 1 und 2 wurde weiter oben bereits eingegangen.On the previously known configurations according to 1 and 2 has already been discussed above.

3 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung 1 mit Batteriezellen 2, BMS 3 und PTC-Widerstandselementen 4, wobei jeder einzelnen Batteriezelle 2 ein PTC-Widerstandselement 4 zugeordnet ist. Die Widerstandselemente 4 sind in zwei Reihenschaltungen 4a, 4b zusammengefasst, wobei sich die eine Reihenschaltung 4a über die beiden vorderen Reihen von Batteriezellen 2 erstreckt, während sich die andere Reihenschaltung 4b über die beiden hinteren Reihen der Batteriezellen 2 erstreckt. Insgesamt umfasst die Batteriezellen-Anordnung 1 gemäß 3 ohne Beschränkung eine Anzahl von 48 Batteriezellen 2 (das heißt G = 48), welche Batteriezellen 2 als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind und jeweils die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen. Bei der Ausgestaltung gemäß 3 umfasst jede der Reihenschaltungen 4a, 4b also 24 einzelne Batteriezellen 2, die jeweils mit einem PTC-Widerstandselement 4 versehen sind. Zum Anschluss an das BMS 3 sind dabei nur zwei Leitungspaare 5a, 5b erforderlich, eines pro Reihenschaltung 4a, 4b, wie gezeigt. 3 shows a battery cell arrangement according to the invention 1 with battery cells 2 , BMS 3 and PTC resistance elements 4th , with each individual battery cell 2 a PTC resistor element 4th assigned. The resistance elements 4th are in two series connections 4a , 4b summarized, which is a series connection 4a across the two front rows of battery cells 2 extends while the other series connection extends 4b over the two back rows of battery cells 2 extends. Overall, the battery cell arrangement comprises 1 according to 3 without limitation a number of 48 battery cells 2 (i.e. G = 48) which battery cells 2 are designed as lithium-ion cells and each have the shape of a straight circular cylinder. In the design according to 3 includes each of the series connections 4a , 4b so 24 individual battery cells 2 , each with a PTC resistor element 4th are provided. For connection to the BMS 3 are only two pairs of lines 5a , 5b required, one per series connection 4a , 4b , as shown.

Das BMS 3 weist eine Mess- und Vergleichseinrichtung 3a auf, die mit jeder der Reihenschaltungen 4a, 4b über ein zugehöriges elektrisches Leitungspaar 5a bzw. 5b verbunden ist. Die Mess- und Vergleichseinrichtung 3a ist zum Messen eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente 4 in der jeweiligen Reihenschaltung 4a, 4b und zum Vergleichen des gemessenen Reihenwiderstands mit einem Vergleichswert ausgebildet. Außerdem ist die Mess- und Vergleichseinrichtung 3a dazu ausgebildet, ein Überwachungssignal MS zu erzeugen und auszugeben, wobei das Überwachungssignal MS von einem Ergebnis des genannten Vergleichs abhängt. Wie in 3 dargestellt, kann das Überwachungssignal MS dazu verwendet werden, auf die Batteriezellen-Anordnung 1 einzuwirken, insbesondere um diese abzuschalten, wenn sich ergibt, dass wenigstens eine der Batteriezellen 2 eine überhöhte Betriebstemperatur aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann das Überwachungssignal MS dazu verwendet werden, einem Piloten oder einer übergeordneten Kontrollstelle (nicht gezeigt) eine (Fehl-)Funktion der Batteriezellen-Anordnung 1 anzuzeigen.The BMS 3 has a measuring and comparison device 3a on that with each of the series connections 4a , 4b via an associated electrical line pair 5a respectively. 5b connected is. The measuring and comparison device 3a is for measuring a series resistance of the resistance elements 4th in the respective series connection 4a , 4b and configured to compare the measured series resistance with a comparison value. In addition, the measuring and comparison device 3a designed to generate and output a monitoring signal MS, the monitoring signal MS being dependent on a result of said comparison. As in 3 shown, the monitoring signal MS can be used to the battery cell arrangement 1 act, in particular to switch them off when it is found that at least one of the battery cells 2 has an excessive operating temperature. Additionally or alternatively, the monitoring signal MS can be used to inform a pilot or a higher-level control point (not shown) about a (mal) function of the battery cell arrangement 1 to display.

Wie der Fachmann erkennt, ist die Ausgestaltung der Reihenschaltungen 4a, 4b nicht auf das konkrete Ausführungsbeispiel gemäß 3 beschränkt. Selbstverständlich können die Reihenschaltungen 4a, 4b geometrisch anders ausgebildet sein, und sie können unterschiedliche Anzahlen an Batteriezellen 2 bzw. Widerstandselementen 4 umfassen. Insbesondere können die Anzahlen von Batteriezellen 2 bzw. Widerstandselementen 4 von Reihenschaltung zu Reihenschaltung unterschiedlich sein (bei entsprechender Anpassung der Mess- und Vergleichseinrichtung 3a). Entscheidend ist in jedem Fall, dass trotz der Abdeckung aller Batteriezellen 2 mit Widerstandselementen 4 eine deutlich verringerte Anzahl von Leitungspaaren 5a, 5b erforderlich ist, um die Widerstandselemente 4 mit dem BMS 3 bzw. der Mess- und Vergleichseinrichtung 3a zu verbinden.As those skilled in the art will recognize, the design of the series connections 4a , 4b not according to the specific embodiment 3 limited. Of course, the series connections 4a , 4b be designed geometrically different, and they can have different numbers of battery cells 2 or resistance elements 4th include. In particular, the numbers of battery cells 2 or resistance elements 4th be different from series connection to series connection (with appropriate adaptation of the measuring and comparison device 3a) . In any case, it is crucial that all battery cells are covered 2 with resistance elements 4th a significantly reduced number of line pairs 5a , 5b is required to the resistance elements 4th with the BMS 3 or the measuring and comparison device 3a connect to.

In 4 sind die physikalischen Zusammenhänge dargestellt, die der Erfindung zugrunde liegen bzw. die im Falle einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung zur Ermittlung der Anzahl N von Widerstandselementen 4 in einer Reihenschaltung 4a, 4b verwendet werden können.In 4th the physical relationships are shown on which the invention is based or in the case of a specific embodiment of the invention for determining the number N of resistance elements 4th in a series connection 4a , 4b can be used.

Dargestellt ist in 4 die Veränderung des elektrischen Widerstands bzw. des Widerstandswerts (in beliebigen Einheiten) in Abhängigkeit von der Temperatur in Grad Celsius. Betrachtet werden hierbei PTC-Widerstandselemente, das heißt Widerstandselemente mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, die entsprechend einen starken Anstieg ihres Widerstandswerts hin zu erhöhten Temperaturen zeigen. Der in 4 dargestellte Widerstandswert ist auf einen Referenzwert „R25“ bezogen, der einen Referenz-Widerstandswert bei einer Temperatur von 25°C angibt. Die Angabe von beispielsweise „10“ an der Ordinate gibt also entsprechend an, dass der Widerstandswert gegenüber dem Referenzwert R25 um einen Faktor 10 erhöht ist.Is shown in 4th the change in the electrical resistance or the resistance value (in any units) as a function of the temperature in degrees Celsius. PTC resistance elements are considered here, that is to say resistance elements with a positive temperature coefficient, which accordingly show a strong increase in their resistance value towards increased temperatures. The in 4th The resistance value shown is related to a reference value "R25", which indicates a reference resistance value at a temperature of 25 ° C. The specification of, for example, “10” on the ordinate accordingly indicates that the resistance value compared to the reference value R25 by a factor 10 is increased.

Die untere Kurve zeigt die Entwicklung des Widerstands für ein einzelnes Widerstandselement mit der Temperatur. Der Anstieg des Widerstands mit der Temperatur ist bis etwa 60°C (entsprechend einer maximalen Normalbetriebstemperatur) recht moderat, um dann sprunghaft zuzunehmen. Dies ist das typische Verhalten eines PTC-Widerstandselements, wie es bei Bezugszeichen 4 gemäß 3 zum Einsatz kommt.The lower curve shows the development of resistance for a single resistance element with temperature. The increase in resistance with temperature is quite moderate up to about 60 ° C (corresponding to a maximum normal operating temperature), and then increases by leaps and bounds. This is the typical behavior of a PTC resistance element, as is the case with reference symbols 4th according to 3 is used.

Die mittlere, gestrichelte Kurve zeigt das aufsummierte Verhalten von 25 derartigen Widerstandselementen, die in Reihe geschaltet sind und alle dieselbe (Betriebs-)Temperatur aufweisen. Die gestrichelte Kurve ergibt sich entsprechend einfach durch Multiplikation der unteren Kurve mit dem Faktor 25.The middle, dashed curve shows the cumulative behavior of 25 such resistance elements, which are connected in series and all have the same (operating) temperature. The dashed curve is obtained simply by multiplying the lower curve by a factor of 25.

Die oberste Kurve in 4 illustriert den Fall, dass 25 (identische) PTC-Widerstandselemente in Reihe geschaltet sind, wobei 24 dieser Widerstandselemente dieselbe (Normalbetriebs-)Temperatur aufweisen, während ein einzelnes PTC-Widerstandselement die Temperatur 80°C aufweist, was eine überhöhte Betriebstemperatur darstellt. Aufgrund der Tatsache, dass das eine überhitzte Widerstandselement gemäß der unteren Kurve in 4 einen Widerstandswert aufweist, der angenähert 1000-mal höher liegt als der Referenz-Widerstandswert, liegt die obere Kurve in 4 für jede Temperatur höher als die mittlere, gestrichelte Kurve, die sich in dem Fall ergibt, dass keines der Widerstandselemente bzw. eine zugehörige Batteriezelle überhitzt ist. Das besondere Widerstandsverhalten der verwendeten Widerstandselemente führt also dazu, dass selbst bei einem Zusammenfassen mehrerer solcher Widerstandselemente in einer Reihenschaltung das Überhitzen eines einzelnen Widerstandselements bzw. der zugehörigen Batteriezelle noch eindeutig identifizierbar ist.The topmost curve in 4th illustrates the case in which 25 (identical) PTC resistance elements are connected in series, with 24 of these resistance elements having the same (normal operating) temperature, while a single PTC resistance element has the temperature 80 ° C, which represents an excessive operating temperature. Due to the fact that the one overheated resistance element according to the lower curve in 4th has a resistance value that is approximately 1000 times higher than the reference resistance value, the upper curve is in 4th for each temperature higher than the middle, dashed curve, which results in the event that none of the resistance elements or an associated battery cell is overheated. The special resistance behavior of the resistance elements used means that even if several such resistance elements are combined in a series circuit, the overheating of an individual resistance element or the associated battery cell can still be clearly identified.

Wesentlich hierbei ist, dass die Zunahme des Widerstandswerts für ein einzelnes Widerstandselement zwischen einer maximal zulässigen Betriebstemperatur (hier 60°C) und einer zu erkennenden Überhitzungstemperatur (hier 80°C) ein größeres Maß aufweist, als die aufsummierte Widerstandszunahme aller anderen Widerstandselemente in der Reihenschaltung in dem zulässigen Temperaturbereich (hier bis 60°C). So lange dieses Kriterium erfüllt ist, kann eine übermäßige Temperaturzunahme an einem einzelnen Widerstandselement bei erfindungsgemäß reduziertem Schaltungsaufwand problemlos erkannt werden.What is essential here is that the increase in the resistance value for an individual resistance element between a maximum permissible operating temperature (here 60 ° C) and an overheating temperature that can be detected (here 80 ° C) is greater than the total increase in resistance of all other resistance elements in the series connection in the permissible temperature range (here up to 60 ° C). As long as this criterion is met, an excessive increase in temperature at an individual resistance element can be recognized without problems with reduced circuit complexity according to the invention.

Wie weiter oben auch formelmäßig dargestellt, lässt sich aus dem Verlauf der Kurven gemäß 4 auch eine mögliche maximale Anzahl von Widerstandselementen in einer Reihenschaltung ableiten.As also shown above in terms of a formula, the course of the curves according to 4th also derive a possible maximum number of resistance elements in a series circuit.

5 zeigt schematisch die bevorzugte Verwendung von erfindungsgemäßen Batteriezellen-Anordnungen 1 bei einem Multirotor-Fluggerät 10. Dieses weist eine Vielzahl von Motor-/Rotor-Anordnungen 11 auf, wobei ohne Beschränkung jeder Motor-/Rotor-Anordnung 11 eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung 1 zugeordnet ist, um die betreffende Motor-/Rotor-Anordnung 11 mit elektrischer Energie zu versorgen. Bezugszeichen 12 bezeichnet eine übergeordnete Steuerungseinheit, die insbesondere die Überwachungssignale MS von den einzelnen Mess- und Vergleichseinrichtungen der Mess- und Vergleichseinrichtung (nicht bezeichnet) der einzelnen Batteriezellen-Anordnung 1 empfängt und entsprechend unter anderem in der Lage ist, defekte (überhitzte) Batteriezellen-Anordnungen 1 abzuschalten sowie gegebenenfalls weitere Notfall-Maßnahmen für das Fluggerät 10 einzuleiten. 5 shows schematically the preferred use of battery cell arrangements according to the invention 1 on a multirotor aircraft 10 . This has a variety of motor / rotor arrangements 11 on, without limitation any motor / rotor arrangement 11 a battery cell arrangement according to the invention 1 is assigned to the relevant motor / rotor assembly 11 to be supplied with electrical energy. Reference number 12th denotes a higher-level control unit, which in particular receives the monitoring signals MS from the individual measuring and comparison devices of the measuring and comparison device (not designated) of the individual battery cell arrangement 1 receives and is accordingly able, among other things, to detect defective (overheated) battery cell arrangements 1 switch off and, if necessary, further emergency measures for the aircraft 10 initiate.

Im Rahmen der einleitenden Beschreibung wurde bereits darauf hingewiesen, dass eine erfindungsgemäße Batteriezellen-Anordnung, insbesondere gemäß 3, zusätzlich noch eine Funktionalität beinhalten kann, wie sie beispielsweise in 2 für den Stand der Technik dargestellt wurde. Diese ermöglicht mit vertretbarem Aufwand eine grundlegende Bestimmung der Betriebstemperatur der Batteriezellen-Anordnung 1, während das zusätzliche Vorsehen einer Ausgestaltung gemäß 3 die gezielte Überwachung aller Batteriezellen 2 auf mögliche Erhitzung erlaubt. Eine solche kombinierte Ausgestaltung ist deshalb besonders vorteilhaft.In the context of the introductory description it has already been pointed out that a battery cell arrangement according to the invention, in particular according to 3 , can also contain a functionality, as it is, for example, in 2 for the state of the art. This enables a basic determination of the operating temperature of the battery cell arrangement with reasonable effort 1 , while the additional provision of an embodiment according to 3 the targeted monitoring of all battery cells 2 allowed on possible heating. Such a combined configuration is therefore particularly advantageous.

Claims (19)

Verfahren zum Überwachen einer Batteriezellen-Anordnung (1) auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen (2) von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betreiben der Batteriezellen-Anordnung (1), mit den Schritten: a) Versehen einer Vielzahl der Batteriezellen (2), vorzugsweise zumindest von einem Viertel oder einem Drittel oder der Hälfte der Batteriezellen (2), höchst vorzugsweise zumindest von drei Vierteln der Batteriezellen (2), insbesondere aller Batteriezellen (2), in der Batteriezellen-Anordnung (1) mit einem elektrischen Widerstandselement (4) mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstandswert; b) Verbinden der Widerstandselemente (4) in Form wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung (4a, 4b); c) im Betrieb der Batteriezellen-Anordnung (1), fortlaufendes Messen eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente (4) in der Reihenschaltung (4a, 4b) und Vergleichen des gemessenen Reihenwiderstands mit einem Vergleichswert; d) Ausgeben eines Überwachungssignals (MS) in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs.A method for monitoring a battery cell arrangement (1) for temperature deviations of individual battery cells (2) from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement (1), comprising the steps: a) Providing a large number of battery cells (2), preferably at least a quarter or a third or half of the battery cells (2), most preferably at least three quarters of the battery cells (2), in particular all battery cells (2), in the battery cells - Arrangement (1) with an electrical resistance element (4) with a temperature-dependent electrical resistance value; b) connecting the resistance elements (4) in the form of at least one electrical series circuit (4a, 4b); c) during operation of the battery cell arrangement (1), continuously measuring a series resistance of the resistance elements (4) in the series circuit (4a, 4b) and comparing the measured series resistance with a comparison value; d) outputting a monitoring signal (MS) as a function of a result of the comparison. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Überwachungssignal (MS) zum Ausgeben einer Warnungsmeldung oder zu einem Abschalten der Batteriezellen-Anordnung (1) genutzt wird, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert übersteigt.Procedure according to Claim 1 , in which the monitoring signal (MS) is used to output a warning message or to switch off the battery cell arrangement (1) if the measured series resistance exceeds the comparison value. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Batteriezellen (2) in Schritt a) jeweils mit elektrischen Widerstandselementen mit im Wesentlichen identischen thermischen Widerstandskoeffizienten (4) versehen werden.Procedure according to Claim 1 or 2 , in which the battery cells (2) in step a) are each provided with electrical resistance elements with essentially identical thermal resistance coefficients (4). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem vor Schritt c) ein maximaler und minimaler Reihenwiderstand der Widerstandselemente (4) in der Reihenschaltung (4a, 4b) innerhalb von Grenzen eines Normalbetriebstemperaturbereichs gemessen und zum Festlegen des Vergleichswerts verwendet wird.Method according to one of the Claims 1 until 3 , in which, before step c), a maximum and minimum series resistance of the resistance elements (4) in the series circuit (4a, 4b) is measured within the limits of a normal operating temperature range and used to establish the comparison value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem i) vorzugsweise vor dem Verbinden der Widerstandselemente (4), ein erster Absolutwert, MA1, eines einzelnen Widerstandselements (4) bei einer erhöhten Betriebstemperatur bestimmt wird; und ii) vorzugsweise vor dem Verbinden der Widerstandselemente (4), ein zweiter Absolutwert, MA2, als Maximum oder Minimum des Widerstandswerts eines einzelnen Widerstandselements (4) in dem Normalbetriebstemperaturbereich bestimmt wird; und iii) höchstens eine solche Anzahl, N oder Nmax, von Widerstandselementen (4) zu einer elektrischen Reihenschaltung (4a, 4b) verbunden werden, für welche Anzahl gilt: MA 2 * ( N 1 ) < MA 1,
Figure DE102020113498A1_0010
N < MA 1 /MA 2 + 1,
Figure DE102020113498A1_0011
N max = INT ( MA 1 /MA 2 ) ,
Figure DE102020113498A1_0012
wobei INT einen ganzzahligen Anteil von (MA1/MA2) bezeichnet.
Method according to one of the Claims 1 until 4th in which i) a first absolute value, MA1, of an individual resistance element (4) is determined at an elevated operating temperature, preferably before the resistance elements (4) are connected; and ii) preferably before connecting the resistance elements (4), a second absolute value, MA2, is determined as the maximum or minimum of the resistance value of an individual resistance element (4) in the normal operating temperature range; and iii) at most such a number, N or Nmax, of resistance elements (4) are connected to form an electrical series circuit (4a, 4b), for which number applies: MA 2 * ( N - 1 ) < MA 1,
Figure DE102020113498A1_0010
N < MA 1 / MA 2 + 1,
Figure DE102020113498A1_0011
N Max = INT ( MA 1 / MA 2 ) ,
Figure DE102020113498A1_0012
where INT denotes an integer part of (MA1 / MA2).
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Mehrzahl, n, von Reihenschaltungen (4a, 4b) erzeugt wird, sodass das Produkt n*N oder n*Nmax einer Gesamtanzahl, G, von Batteriezellen (2) in der Batteriezellen-Anordnung (1) entspricht.Procedure according to Claim 5 , in which a plurality, n, of series connections (4a, 4b) is generated, so that the product n * N or n * N max corresponds to a total number, G, of battery cells (2) in the battery cell arrangement (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Reihenschaltung (4a, 4b) mit einem Batterie-Managementsystem (3) verbunden wird, welches Batterie-Managementsystem (3) die Messung des Reihenwiderstands und den Vergleich mit dem Vergleichswert durchführt sowie das Überwachungssignal (MS) erzeugt und ausgibt.Method according to one of the Claims 1 until 6th , in which the series circuit (4a, 4b) is connected to a battery management system (3), which battery management system (3) measures the series resistance and compares it with the comparison value and generates and outputs the monitoring signal (MS). Vorrichtung zur Überwachung einer Batteriezellen-Anordnung (1) auf Temperaturabweichungen einzelner Batteriezellen (2) von einer Normalbetriebstemperatur und zum Betrieb der Batteriezellen-Anordnung (1), aufweisend: eine Mehrzahl von elektrischen Widerstandselementen (4) jeweils mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstandswert, welche Mehrzahl vorzugsweise mindestens einem Viertel, mindestens einem Drittel, mindestens einer Hälfte, mindestens drei Vierteln oder allen Batteriezellen (2) aus einer Anzahl zu überwachender Batteriezellen (2) entspricht, welche Widerstandselemente (4) in Form wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung (4a, 4b) miteinander verbunden sind; und eine mit der Reihenschaltung (4, 4b) über ein elektrisches Leiterpaar (5a, 5b) verbundene Mess- und Vergleichseinrichtung (3a) zum Messen eines Reihenwiderstands der Widerstandselemente (4) in der Reihenschaltung (4a, 4b) und zum Vergleichen des gemessenen Reihenwiderstands mit einem Vergleichswert, welche Mess- und Vergleichseinrichtung (3a) weiterhin ausgebildet ist zum Erzeugen und Ausgeben eines Überwachungssignals (MS) in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs.Device for monitoring a battery cell arrangement (1) for temperature deviations of individual battery cells (2) from a normal operating temperature and for operating the battery cell arrangement (1), comprising: a plurality of electrical resistance elements (4) each with a temperature-dependent electrical resistance value, which plurality preferably corresponds to at least one quarter, at least one third, at least one half, at least three quarters or all battery cells (2) from a number of battery cells (2) to be monitored, which resistance elements (4) are connected to one another in the form of at least one electrical series circuit (4a, 4b); and a measuring and comparison device (3a) connected to the series circuit (4, 4b) via an electrical conductor pair (5a, 5b) for measuring a series resistance of the resistance elements (4) in the series circuit (4a, 4b) and for comparing the measured series resistance with a comparison value, which measuring and comparison device (3a) is also designed to generate and output a monitoring signal (MS) as a function of a result of the comparison. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das Überwachungssignal (MS) einen ersten Wert annimmt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert nicht übersteigt, und bei dem das Überwachungssignal (MS) einen zweiten, von dem ersten Wert verschiedenen Wert annimmt, wenn der gemessene Reihenwiderstand den Vergleichswert übersteigt.Device according to Claim 8 , in which the monitoring signal (MS) assumes a first value if the measured series resistance does not exceed the comparison value, and in which the monitoring signal (MS) assumes a second value different from the first value if the measured series resistance exceeds the comparison value. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die elektrischen Widerstandselemente (4) im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.Device according to Claim 8 or 9 , in which the electrical resistance elements (4) are formed essentially identically. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der der Vergleichswert gemäß einem bei der Normalbetriebstemperatur gemessenen Reihenwiderstand der Widerstandselemente (4) in der Reihenschaltung (4a, 4b) festgelegt ist.Device according to one of the Claims 8 until 10 , in which the comparison value is determined according to a series resistance of the resistance elements (4) in the series circuit (4a, 4b) measured at normal operating temperature. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der höchstens eine solche Anzahl, N oder Nmax, von Widerstandselementen (4) zu einer elektrischen Reihenschaltung (4a, 4b) verbunden ist, für welche Anzahl gilt: MA 2 * ( N 1 ) < MA 1,
Figure DE102020113498A1_0013
N < MA 1 /MA 2 + 1,
Figure DE102020113498A1_0014
N max = INT ( MA 1 /MA 2 ) ,
Figure DE102020113498A1_0015
wobei INT einen ganzzahligen Anteil von (MA1/MA2) bezeichnet, wenn MA1 einen ersten Absolutwert des Widerstandswerts eines einzelnen Widerstandselements (4) bei einer erhöhten Betriebstemperatur bezeichnet, und wenn MA2 einen zweiten Absolutwert des Widerstandswerts eines einzelnen Widerstandselements (4) als lokales Extremum (Maximum bei PTC-Elementen oder Minimum bei NTC-Elementen) in dem Normalbetriebstemperaturbereich bezeichnet.
Device according to one of the Claims 8 until 11 , in which at most such a number, N or Nmax, of resistance elements (4) is connected to an electrical series circuit (4a, 4b), for which number applies: MA 2 * ( N - 1 ) < MA 1,
Figure DE102020113498A1_0013
N < MA 1 / MA 2 + 1,
Figure DE102020113498A1_0014
N Max = INT ( MA 1 / MA 2 ) ,
Figure DE102020113498A1_0015
where INT denotes an integer part of (MA1 / MA2), when MA1 denotes a first absolute value of the resistance value of an individual resistance element (4) at an increased operating temperature, and when MA2 denotes a second absolute value of the resistance value of an individual resistance element (4) as a local extreme ( Maximum for PTC elements or minimum for NTC elements) in the normal operating temperature range.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die eine Mehrzahl, n, von Reihenschaltungen (4a, 4b) umfasst, sodass das Produkt n*N oder n*Nmax einer Gesamtanzahl, G, von Batteriezellen (2) in der Batteriezellen-Anordnung (1) entspricht, und bei der vorzugsweise für jede Reihenschaltung (4a, 4b) ein elektrisches Leiterpaar (5a, 5b) zum Verbinden mit der Mess- und Vergleichseinrichtung (3a) vorgesehen ist.Device according to Claim 12 which comprises a plurality, n, of series connections (4a, 4b), so that the product n * N or n * N max corresponds to a total number, G, of battery cells (2) in the battery cell arrangement (1), and in which an electrical conductor pair (5a, 5b) for connection to the measuring and comparison device (3a) is preferably provided for each series connection (4a, 4b). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, weiterhin aufweisend ein Batterie-Managementsystem (3), welches Batterie-Managementsystem (3) mit der Mess- und Vergleichseinrichtung (3a) wirkverbunden ist oder die Mess- und Vergleichseinrichtung (3a) umfasst, welches Batterie-Managementsystem (3) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem Überwachungssignal (MS) einen Weiterbetrieb der Batteriezellen-Anordnung (1) zu erlauben, vorzugsweise bei dem ersten Wert des Überwachungssignals (MS) gemäß Anspruch 9, oder zu unterbinden, vorzugsweise bei dem zweiten Wert des Überwachungssignals (MS) gemäß Anspruch 9.Device according to one of the Claims 8 until 13th , further comprising a battery management system (3), which battery management system (3) is operatively connected to the measurement and comparison device (3a) or comprises the measurement and comparison device (3a), which battery management system (3) is designed for this to allow continued operation of the battery cell arrangement (1) as a function of the monitoring signal (MS), preferably at the first value of the monitoring signal (MS) according to FIG Claim 9 , or to prevent, preferably at the second value of the monitoring signal (MS) according to Claim 9 . Batteriezellen-Anordnung (1) mit einer Vielzahl an Batteriezellen (2), vorzugsweise im Wesentlichen identisch ausgebildeten Batteriezellen (2), und mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14.Battery cell arrangement (1) with a plurality of battery cells (2), preferably essentially identical battery cells (2), and with a device according to one of the Claims 8 until 14th . Batteriezellen-Anordnung (1) nach Anspruch 15, bei der die Mehrzahl von elektrischen Widerstandselementen (4) der Vielzahl an Batteriezellen (2) entspricht und bei der jeder Batteriezelle (2) ein solches Widerstandselement (4) zuordnet ist.Battery cell arrangement (1) according to Claim 15 , in which the plurality of electrical resistance elements (4) corresponds to the plurality of battery cells (2) and in which such a resistance element (4) is assigned to each battery cell (2). Batteriezellen-Anordnung (1) nach Anspruch 16, bei der jedes Widerstandselement (4) thermisch leitend mit einer jeweiligen Batteriezelle (2) verbunden ist.Battery cell arrangement (1) according to Claim 16 , in which each resistance element (4) is thermally conductively connected to a respective battery cell (2). Batteriezellen-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der die Batteriezellen (2) als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind.Battery cell arrangement (1) according to one of the Claims 15 until 17th , in which the battery cells (2) are designed as lithium-ion cells. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 oder der Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 18 bei einem Fahrzeug, vorzugsweise Luftfahrzeug (10), insbesondere Multirotor-Fluggerät, vorzugsweise senkrecht startendes und landendes Fluggerät, höchst vorzugsweise mit verteilt angeordneten, bevorzugt elektrisch angetriebenen Antriebseinheiten (11), welche Antriebseinheiten (11) mittels wenigstens einer Batteriezellen-Anordnung (1), vorzugsweise wenigstens einer Batteriezellen-Anordnung (1) pro Antriebseinheit (11), versorgt werden.Use of the device according to one of the Claims 8 until 14th or the arrangement (1) according to one of the Claims 15 until 18th in a vehicle, preferably an aircraft (10), in particular a multi-rotor aircraft, preferably a vertical take-off and landing aircraft, most preferably with distributed, preferably electrically driven drive units (11), which drive units (11) by means of at least one battery cell arrangement (1) , preferably at least one battery cell arrangement (1) per drive unit (11) are supplied.
DE102020113498.3A 2020-05-19 2020-05-19 Method and device for monitoring a battery cell arrangement, battery cell arrangement and use in a vehicle, in particular an aircraft Pending DE102020113498A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020113498.3A DE102020113498A1 (en) 2020-05-19 2020-05-19 Method and device for monitoring a battery cell arrangement, battery cell arrangement and use in a vehicle, in particular an aircraft

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020113498.3A DE102020113498A1 (en) 2020-05-19 2020-05-19 Method and device for monitoring a battery cell arrangement, battery cell arrangement and use in a vehicle, in particular an aircraft

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020113498A1 true DE102020113498A1 (en) 2021-11-25

Family

ID=78408626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020113498.3A Pending DE102020113498A1 (en) 2020-05-19 2020-05-19 Method and device for monitoring a battery cell arrangement, battery cell arrangement and use in a vehicle, in particular an aircraft

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020113498A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10011233A1 (en) 1999-03-12 2000-10-12 Sanyo Electric Co Battery unit has total number of temp. sensors is smaller than number of cells; all cells with adjacent sensors and all cells without adjacent sensors are connected together
DE102013214448A1 (en) 2013-07-24 2015-01-29 Robert Bosch Gmbh Method and device for detecting a temperature increase in a plurality of electrochemical storage cells

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10011233A1 (en) 1999-03-12 2000-10-12 Sanyo Electric Co Battery unit has total number of temp. sensors is smaller than number of cells; all cells with adjacent sensors and all cells without adjacent sensors are connected together
DE102013214448A1 (en) 2013-07-24 2015-01-29 Robert Bosch Gmbh Method and device for detecting a temperature increase in a plurality of electrochemical storage cells

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3114135C2 (en) Method and circuit for determining the temperature in medical electric motors
DE102012222749B4 (en) Method and system for calibrating battery current measurement
EP2619844B1 (en) Battery system and method for determining battery module voltages
DE102014213731A1 (en) Method and apparatus for measuring the electrical current of a battery having a plurality of battery modules
WO2018210941A1 (en) Fault diagnosis in an electric network
DE102017213472A1 (en) A method for detecting a malfunction of a battery, battery and motor vehicle
DE102013226696A1 (en) Method for monitoring a rechargeable battery, evaluation device and measuring system
DE102013013950A1 (en) Method, measuring arrangement and measuring device for determining insulation resistances of individual cells of a high-voltage battery
DE102020113498A1 (en) Method and device for monitoring a battery cell arrangement, battery cell arrangement and use in a vehicle, in particular an aircraft
DE102010029463A1 (en) Monitoring method for monitoring and / or protection of components, in particular a high-frequency antenna of a magnetic resonance system, as well as a monitoring device and a magnetic resonance system with a monitoring device for this purpose
EP3669145B1 (en) Control unit comprising a circuit, and method for short-circuit protection of ground lines and sensors
DE102019134757A1 (en) Device and method for monitoring at least three battery cells of a battery
EP3058379A1 (en) Method for measuring a temperature
EP3433627A1 (en) Method for determining an error state, battery sensor and vehicle electrical system
DE202021101046U1 (en) Device for checking fuel cell stacks
DE102019204827A1 (en) Method for diagnosing exhaust gas sensors
EP2561325A2 (en) Temperature monitoring system
DE102018205641A1 (en) Battery for a motor vehicle, motor vehicle and method for monitoring a temperature of at least one battery cell of a battery
DE102012215186A1 (en) Battery and method for safe operation of the battery
DE102021214316B3 (en) Capacitive function test of varistors of a vehicle electrical system high-voltage protection device
DE102021203567A1 (en) Circuit arrangement for evaluating a sensor resistance
DE102006062101A1 (en) Intermediate circuit capacitor discharging device for power electronics of hybrid drive system, has potentiometer circuit designed such that intermediate circuit capacitor is discharged by potentiometer circuit
DE102016225691A1 (en) High-voltage battery for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle
EP2099637B1 (en) Device for controlling the mode of operation of an electric circuit in a motor vehicle
DE102022200345A1 (en) battery

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified