DE102021104702A1 - Vorrichtung und Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems Download PDF

Info

Publication number
DE102021104702A1
DE102021104702A1 DE102021104702.1A DE102021104702A DE102021104702A1 DE 102021104702 A1 DE102021104702 A1 DE 102021104702A1 DE 102021104702 A DE102021104702 A DE 102021104702A DE 102021104702 A1 DE102021104702 A1 DE 102021104702A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
battery cells
management system
detection means
semiconductor switches
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
DE102021104702.1A
Other languages
English (en)
Inventor
Joachim Joos
Rafel Ferre i Tomas
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102021104702.1A priority Critical patent/DE102021104702A1/de
Priority to CN202210206036.XA priority patent/CN114977369A/zh
Publication of DE102021104702A1 publication Critical patent/DE102021104702A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4257—Smart batteries, e.g. electronic circuits inside the housing of the cells or batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/218—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by the material
    • H01M50/22—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by the material of the casings or racks
    • H01M50/231—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by the material of the casings or racks having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/249—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders specially adapted for aircraft or vehicles, e.g. cars or trains
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0025—Sequential battery discharge in systems with a plurality of batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00304—Overcurrent protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/005—Detection of state of health [SOH]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage
    • H02J7/007184—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage in response to battery voltage gradient
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Vorrichtung (100) zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems (101) mit Batteriezellen (102), Halbleiterschaltern (103), wobei jede Batteriezelle (102) einen Halbleiterschalter (103) aufweist, einem Batteriemanagementsystem (104), wobei die Batteriezellen (102) mit dem Batteriemanagementsystem (104) elektrisch leitend verbunden sind, und einem Detektionsmittel zum Erfassen eines Schädigungssignals, wobei das Detektionsmittel mit dem Batteriemanagementsystem (104) elektrisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (104) nach dem Erfassen des Schädigungssignals alle Halbleiterschalter (103) ansteuert, um die Batteriezellen (102) auf einen bestimmten Zustand einzustellen, geschädigte Batteriezellen bestimmt, insbesondere durch Auswertung von Spannungswerten der Batteriezellen (102) und Spannungsgradienten der Batteriezellen (102), und die Halbleiterschalter (103) der geschädigten Batteriezellen ansteuert, um die geschädigten Batteriezellen vollständig zu entladen, wobei interne Ströme begrenzt werden.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems.
  • Im Bereich der Antriebselektrifizierung kommen Batterien mit hohen Spannungslagen von einigen hundert Volt, beispielsweise 400 V oder 800 V, zum Einsatz. Die Batterien umfassen eine Vielzahl von in Reihe und/ oder parallelgeschalteten Batteriezellen. Dabei sind lithiumbasierte Batterien weit verbreitet.
  • Nachteilig ist hierbei, dass Alterungseffekte oder externe Schädigungen wie Druckerhöhung oder Perforation zu internen Kurzschlüssen der Batterie führen können. Dabei kann es zu einer plötzlichen Erhöhung einzelner Batteriezellentemperaturen kommen, die als thermisches Durchgehen bekannt ist, wobei gefährliche Gase freigesetzt werden können oder Brand- und Explosionsgefahr droht.
  • Das thermische Durchgehen wird maßgeblich vom Ladezustand der Batterie bestimmt. In der Regel beträgt die Reaktionszeit zwischen einem Kurzschluß der Batterie und dem thermischen Durchgehen bei einer mechanischen Schädigung weniger als eine Sekunde, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
  • Zur Verhinderung des thermischen Durchgehens finden beispielsweise Schnellentladevorrichtungen Anwendung, auch bekannt als Fast Discharge Devices, bei denen ein Schalter verwendet wird, um die Batteriezelle mit dem höchsten Strom zu entladen. Des Weiteren kann der Ladezustand der Batterien auf einen Wert unter 100 % eingestellt werden. Ebenfalls bekannt ist der Einbau eines Shutdown Separators.
  • Nachteilig ist hierbei, dass die Batterie unbrauchbar wird bzw. dass die eingeleiteten Maßnahmen für einige Batterietypen nicht schnell genug durchgeführt werden können, sodass ein thermisches Durchgehen nicht verhindert werden kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es diese Nachteile zu überwinden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Vorrichtung zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems umfasst Batteriezellen, Halbleiterschalter, ein Batteriemanagementsystem und ein Detektionsmittel zum Erfassen eines Schädigungssignals. Jede Batteriezelle weist einen Halbleiterschalter auf. Die Batteriezellen und das Detektionsmittel sind mit dem Batteriemanagementsystem elektrisch leitend verbunden. Erfindungsgemäß steuert das Batteriemanagementsystem nach dem Erfassen des Schädigungssignals alle Halbleiterschalter an, um die Batteriezellen auf einen bestimmten Zustand einzustellen. Das Batteriemanagementsystem bestimmt geschädigte Batteriezellen, insbesondere durch Auswertung von Spannungswerten und Spannungsgradienten der Batteriezellen. Des Weiteren steuert das Batteriemanagementsystem die Halbleiterschalter der geschädigten Batteriezellen an, um die geschädigten Batteriezellen vollständig zu entladen, wobei interne Ströme begrenzt werden.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass die Schädigungssignalerkennung und Schädigungssignalverarbeitung schnell erfolgt und die Batterie nicht unbenutzbar wird.
  • In einer Ausgestaltung sind die Halbleiterschalter parallel zu den Batteriezellen geschaltet bzw. angeordnet.
  • Vorteilhaft ist hierbei, dass die geschädigten Batteriezellen schnell entladen werden können.
  • In einer Ausgestaltung ist das Detektionsmittel ein Trägheitsnavigationssystem.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass ein Stoß auf das Batteriegehäuse oder das Fahrzeug detektiert werden kann.
  • In einer Ausgestaltung ist das Detektionsmittel ein Drucksensor, ein Radarsensor, ein Ultraschallsensor oder ein Infrarotsensor.
  • Vorteilhaft ist hierbei, dass kostengünstige Sensoren zum Einsatz kommen.
  • In einer Weiterbildung umfasst das Detektionsmittel eine Hülle, die ein Gehäuse umgibt, wobei das wiederaufladbare Batteriesystem innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und die Hülle induktiv, kapazitiv oder resistiv an das Batteriemanagementsystem angeschlossen ist.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass eine Schädigung durch Perforation oder Deformation der Hülle erkannt wird.
  • In einer Ausgestaltung weist die Hülle eine Stapelschicht aus einer ersten leitenden Schicht, einer Isolationsschicht und einer zweiten leitenden Schicht auf.
  • Vorteilhaft ist hierbei, dass die Schädigung der Hülle elektrisch erfasst wird.
  • In einer Weiterbildung ist die Hülle die Fahrzeugkarosserie.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass bei einer Beschädigung durch einen Unfall die vergrößerte Vorwarnzeit effektiv zur Konditionierung der Batterie genutzt werden kann.
  • In einer Weiterbildung umfassen die Halbleiterschalter jeweils einen Dünnfilmtransistor mit amorphem oder polykristallinem Silizium im Kanalgebiet.
  • Vorteilhaft ist hierbei, dass der Halbleiterschalter für diese niedrigen Spannungen bei höchsten Stromdichten, niedrigsten Kosten und hoher Schaltgeschwindigkeit flächenoptimal ist.
  • In einer Weiterbildung weisen die Batteriezellen Lithium auf.
  • Der Vorteil ist hierbei, dass hohe Zellspannungen erzielt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems mit Batteriezellen und Halbleiterschaltern, wobei jede Batteriezelle einen Halbleiterschalter aufweist, einem Batteriemanagementsystem und einem Detektionsmittel zum Erfassen eines Schädigungssignals umfasst das Erfassen des Schädigungssignals mit Hilfe des Detektionsmittels und das Ansteuern aller Halbleiterschalter mit Hilfe des Batteriemanagementsystems, sodass die Batteriezellen auf einen bestimmten Zustand eingestellt werden. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Bestimmen von geschädigten Batteriezellen des wiederaufladbaren Batteriesystems mit Hilfe des Batteriemanagementsystems durch Auswertung von Spannungswerten und Spannungsgradienten der Batteriezellen und das Ansteuern der geschädigten Batteriezellen, sodass die geschädigten Batteriezellen vollständig entladen werden, wobei interne Ströme begrenzt werden. Mit anderen Worten alle Batteriezellen des Batteriesystems werden in einem ersten Schritt schnell in einen sicheren Zustand überführt, insbesondere Ladezustand, ohne die Batteriezellen zu schädigen oder zu zerstören und in einem zweiten Schritt wird lediglich eine komplette Entladung der geschädigten Batteriezellen durchgeführt.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Vorrichtung zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems, und
    • 2 ein Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum mehrstufigen Entladen bzw. Konditionieren eines wiederaufladbaren Batteriesystems 101 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 102 und Halbleiterschaltern 103. Der Begriff „Batterie“ umfasst elektrochemische Energiespeicher. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Detektionsmittel zum Erfassen eines Schädigungssignals und ein Batteriemanagementsystem 104 mit dem die Batteriezellen 102 und das Detektionsmittel elektrisch leitend verbunden sind. Das wiederaufladbare Batteriesystem 101 ist innerhalb eines Gehäuses 107 angeordnet. Die Batteriezellen 102 umfassen vorzugsweise Lithium. Der Halbleiterschalter 103 ist als Dünnfilmtransistor mit amorphem oder polykristallinen Silizium im Kanalgebiet ausgestaltet. Das Detektionsmittel ist beispielsweise als Trägheitsnavigationssystem 105 ausgestaltet. Alternativ weist das Detektionsmittel einen Drucksensor, einen Radarsensor, einen Ultraschallsensor, einen Infrarotsensor oder eine Kombination dieser Sensoren auf. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Detektionsmittel eine Hülle 106, die das Gehäuse 107 umgibt. Die Hülle 106 ist induktiv, kapazitiv oder resistiv mit dem Batteriemanagementsystem 104 verbunden. Das Schädigungssignal repräsentiert beispielsweise das Eindringen eines Fremdkörpers in mindestens eine Batteriezelle 102, eine plötzliche Temperaturerhöhung in einer Batteriezelle oder eine Schädigung des Gehäuses 107 durch Aufprall, Krafteinwirkung bzw. partielle oder vollständige Zerstörung der Hülle.
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel weist jede Batteriezelle 102 einen Halbleiterschalter 103 auf. Der Halbleiterschalter 103 ist dabei parallel zu der Batteriezelle 102 angeordnet.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel weisen mehrere parallel geschaltete Batteriezellen 102 einen Halbleiterschalter 103 auf. Der Halbleiterschalter 103 ist dabei parallel zu den mehreren Batteriezellen 102 geschaltet. Alternativ kann der Halbleiterschalter 103 parallel zu mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen 102 angeordnet sein.
  • In einem dritten Ausführungsbeispiel weist jede Batteriezelle 102 einen Halbleiterschalter 103 auf. Zusätzlich ist ein weiterer Halbleiterschalter in Reihe zu der Batteriezelle 102 angeordnet, wobei der Halbleiterschalter 103 parallel zu der Batteriezelle 102 und dem weiteren Halbleiterschalter angeordnet ist. Der Vorteil ist hierbei, dass einzelne Batteriezellen 102 vom Batteriemanagementsystem 104 sicher entfernt werden können.
  • Die Vorrichtung 100 zum mehrstufigen Entladen des wiederaufladbaren Batteriesystems 104 findet beispielsweise in elektrischen Geräten, wie Werkzeugen, die mittels seriell verschalteter Batteriezellen gespeist werden, oder in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen Anwendung.
  • 2 zeigt ein Verfahren 200 zum mehrstufigen Entladen bzw. Konditionieren eines wiederaufladbaren Batteriesystems mit Batteriezellen und Halbleiterschaltern, wobei jede Batteriezelle einen Halbleiterschalter aufweist, einem Batteriemanagementsystem und einem Detektionsmittel zum Erfassen eines Schädigungssignals. Das Verfahren 200 startet mit einem Schritt 210, in dem das Schädigungssignal mit Hilfe des Detektionsmittels erfasst wird. In einem folgenden Schritt 220 werden alle Halbleiterschalter mit Hilfe des Batteriemanagementsystems angesteuert, sodass die Batteriezellen auf einen bestimmten Zustand eingestellt werden. Mit anderen Worten die Batteriezellen werden schnell und effizient vorkonditioniert ohne die Batteriezellen stark zu schädigen. Der bestimmte Zustand ist beispielsweise ein reduzierter Ladezustand bzw. State of Charge und das Erreichen des Grenzflächenzustands innerhalb der Batteriezelle, der in Abhängigkeit des maximal zulässigen Überlaststroms und der Reduktion des Ladezustands der Batteriezellen einstellbar ist und in der Auswirkung den Kurzschlussstrom und damit die Eigenerwärmung begrenzt. Der zulässige Überlaststrom ist dabei ein Vielfaches des Nennstroms, insbesondere ein Dreifaches des Nennstroms. Alternativ ist der bestimmte Zustand ein sicherer Ladezustand aller Batteriezellen, z.B. 80% des State of Charge. Dieser Ladezustand ist höher als der allgemein sichere Ladezustand, z.B. 30%, unter diesem bei mechanischer Beschädigung kein thermisches Weglaufen bzw. Durchgehen der Zelle eintritt. In einem folgenden Schritt 230 werden die geschädigten Batteriezellen des Batteriesystems mit Hilfe des Batteriemanagementsystems bestimmt. Dies geschieht beispielsweise durch Auswertung von Spannungswerten beispielsweise bei einem Einbruch unter die minimal zulässige Zellspannung und Spannungsgradienten, beispielsweise wenn die Ableitung des zeitlichen Spannungsverlaufs größer ist als der im Netz der angeschlossenen Verbraucher erreicht werden kann, der Batteriezellen. In einem folgenden Schritt 240 werden die Halbleiterschalter der geschädigten Batteriezellen angesteuert, sodass die geschädigten Batteriezellen vollständig entladen, wobei interne Ströme begrenzt werden. Die Begrenzung der internen Ströme erfolgt durch einen Grenzwert der eine kurzzeitig zulässige, extreme Stromüberlast repräsentiert, die kein thermisches Durchgehen auslösen und die Aufbau- und Verbindungstechnik der Batteriezelle nicht überlasten. Der Strom muss zelloptimal angepasst an Chemie und Aufbau- und Verbindungstechnik eingestellt werden. Die bereits geschädigten Batteriezellen werden durch diesen Schritt weiter geschädigt und in einen sicheren Zustand überführt.
  • Mit anderen Worten das Detektionsmittel dient zur Früherkennung eines Batterieschadens, sodass erste Maßnahmen mit Hilfe des Batteriemanagemensystems schnell eingeleitet werden können ohne weitere Batteriezellen zu schädigen. Mittels Spannungsauswertung bzw. Spannungsgradienten der einzelnen Batteriezellen oder anderer zellinterner Sensorik können anschließend die geschädigten Batteriezellen gezielt durch das Batteriemanagementsystem abgeschaltet werden.

Claims (10)

  1. Vorrichtung (100) zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems (101) mit • Batteriezellen (102), • Halbleiterschaltern (103), wobei jede Batteriezelle (102) einen Halbleiterschalter (103) aufweist, • einem Batteriemanagementsystem (104), wobei die Batteriezellen (102) mit dem Batteriemanagementsystem (104) elektrisch leitend verbunden sind, und • einem Detektionsmittel zum Erfassen eines Schädigungssignals, wobei das Detektionsmittel mit dem Batteriemanagementsystem (104) elektrisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (104) • nach dem Erfassen des Schädigungssignals alle Halbleiterschalter (103) ansteuert, um die Batteriezellen (102) auf einen bestimmten Zustand einzustellen, • geschädigte Batteriezellen bestimmt, insbesondere durch Auswertung von Spannungswerten der Batteriezellen (102) und Spannungsgradienten der Batteriezellen (102), und • die Halbleiterschalter (103) der geschädigten Batteriezellen ansteuert, um die geschädigten Batteriezellen vollständig zu entladen, wobei interne Ströme begrenzt werden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (103) parallel zu den Batteriezellen (102) geschaltet sind.
  3. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmittel ein Trägheitsnavigationssystem (105) ist.
  4. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmittel ein Drucksensor, ein Radarsensor, ein Ultraschallsensor oder ein Infrarotsensor ist.
  5. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmittel eine Hülle (106) umfasst, die ein Gehäuse (107) umgibt, wobei das wiederaufladbare Batteriesystem (101) innerhalb des Gehäuses (107) angeordnet ist und die Hülle (106) induktiv, kapazitiv oder resistiv an das Batteriemanagementsystem (104) angeschlossen ist.
  6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (106) eine Stapelschicht aus einer ersten leitenden Schicht, einer Isolationsschicht und einer zweiten leitenden Schicht aufweist.
  7. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (106) eine Fahrzeugkarosserie umfasst.
  8. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (103) jeweils einen Dünnfilmtransistor mit amorphem oder polykristallinem Silizium im Kanalgebiet umfassen.
  9. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (102) Lithium aufweisen.
  10. Verfahren (200) zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems mit Batteriezellen und Halbleiterschaltern, wobei jede Batteriezelle einen Halbleiterschalter aufweist, einem Batteriemanagementsystem und einem Detektionsmittel zum Erfassen eines Schädigungssignals, mit den Schritten: • Erfassen (210) des Schädigungssignals mit Hilfe des Detektionsmittels, • Ansteuern (220) aller Halbleiterschalter mit Hilfe des Batteriemanagementsystems, sodass die Batteriezellen auf einen bestimmten Zustand eingestellt werden, • Bestimmen (230) von geschädigten Batteriezellen des wiederaufladbaren Batteriesystems mit Hilfe des Batteriemanagementsystems durch Auswertung von Spannungswerten der Batteriezellen oder Spannungsgradienten der Batteriezellen, und • Ansteuern (240) der Halbleiterschalter der geschädigten Batteriezellen, sodass die geschädigten Batteriezellen vollständig entladen, wobei interne Ströme begrenzt werden.
DE102021104702.1A 2021-02-26 2021-02-26 Vorrichtung und Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems Pending DE102021104702A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021104702.1A DE102021104702A1 (de) 2021-02-26 2021-02-26 Vorrichtung und Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems
CN202210206036.XA CN114977369A (zh) 2021-02-26 2022-02-28 用于对可再充电的电池系统进行多级放电的设备和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021104702.1A DE102021104702A1 (de) 2021-02-26 2021-02-26 Vorrichtung und Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102021104702A1 true DE102021104702A1 (de) 2022-09-01

Family

ID=82799333

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021104702.1A Pending DE102021104702A1 (de) 2021-02-26 2021-02-26 Vorrichtung und Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN114977369A (de)
DE (1) DE102021104702A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4220270B4 (de) 1992-06-20 2005-12-22 Robert Bosch Gmbh Schutzeinrichtung für Fahrzeuginsassen
US20150108951A1 (en) 2012-10-10 2015-04-23 Mitsubishi Electric Corporation In-vehicle power storage device and control method thereof
US20160090052A1 (en) 2013-09-17 2016-03-31 Mitsubishi Electric Corporation On-vehicle electrical storage apparatus
US20190052119A1 (en) 2017-08-10 2019-02-14 Zoox, Inc. Smart battery circuit
US20190299799A1 (en) 2016-12-02 2019-10-03 Audi Ag Discharging a battery module, having at least two battery cells, of a battery having at least two battery modules

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4220270B4 (de) 1992-06-20 2005-12-22 Robert Bosch Gmbh Schutzeinrichtung für Fahrzeuginsassen
US20150108951A1 (en) 2012-10-10 2015-04-23 Mitsubishi Electric Corporation In-vehicle power storage device and control method thereof
US20160090052A1 (en) 2013-09-17 2016-03-31 Mitsubishi Electric Corporation On-vehicle electrical storage apparatus
US20190299799A1 (en) 2016-12-02 2019-10-03 Audi Ag Discharging a battery module, having at least two battery cells, of a battery having at least two battery modules
US20190052119A1 (en) 2017-08-10 2019-02-14 Zoox, Inc. Smart battery circuit

Also Published As

Publication number Publication date
CN114977369A (zh) 2022-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012109430B4 (de) Automatisches Batterieentladeverfahren nach einem Crash
EP2862218B1 (de) Batteriemanagementsystem, kraftfahrzeug und batteriemodul
EP2719000B1 (de) Verfahren zur erkennung einer auslösung einer sicherheitseinrichtung
DE102013204510A1 (de) Elektrisch eigensicheres Batteriemodul mit ultraschneller Entladeschaltung und Verfahren zur Überwachung eines Batteriemoduls
DE102013218077A1 (de) Batteriezelleinrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer komplexen Impedanz einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle
DE102013217922B4 (de) Vorrichtung zum Verhindern einer Überladung einer Batterie
DE10328862B4 (de) Lithiumbatterie mit Überladeschutz
DE102009020559A1 (de) Kurzschlusssicherung für eine Elektrofahrzeugbatterie
DE102013204541A1 (de) Batteriezelleinheit mit Batteriezelle und ultraschneller Entladeschaltung und Verfahren zur Überwachung einer Batteriezelle
DE102013204534A1 (de) Batteriezelleinrichtung mit Kurzschlusssicherheitsfunktion und Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle
DE102012200868A1 (de) Batteriezelle mit einer Überspannungsschutzvorrichtung
DE102013204532A1 (de) Batteriezelleinrichtung mit Überhitzungssicherheitsfunktion und Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle
DE102013218081A1 (de) Batteriemoduleinrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer komplexen Impedanz eines in einer Batteriemoduleinrichtung angeordneten Batteriemoduls
DE102017211047A1 (de) Batteriepack und Verfahren zum Betreiben eines Batteriepacks
DE102013204539A1 (de) Batteriezelleinrichtung mit Feinschlusssicherheitsfunktion und Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle
DE102013204527A1 (de) Batteriezelleinrichtung mit Lithiumablagerungssicherheitsfunktion und Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle
EP3259787B1 (de) Verfahren zum fertigen einer batterie
EP3676933B1 (de) Vorrichtung zum elektropolieren eines zumindest eine lithium-ionen-zelle aufweisenden energiespeichers, ladegerät, verfahren zum betreiben des ladegeräts
DE102013204538A1 (de) Batteriezellmodul und Verfahren zum Betreiben eines Batteriezellmoduls
EP2779354B1 (de) Elektrisch eigensicheres Batteriemodul mit umpolbarer Ausgangsspannung und Verfahren zur Überwachung eines Batteriemoduls
EP3142165A1 (de) Batteriesystem mit einem überladungs- und/oder tiefentladungsschutz
DE102013204529A1 (de) Batteriezelleinrichtung mit Überdrucksicherheitsfunktion und Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle
DE102021104702A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum mehrstufigen Entladen eines wiederaufladbaren Batteriesystems
DE102014208543A1 (de) Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Überwachungselektronik zum Überwachen der Batteriezelle und entsprechendes Verfahren zum Betreiben und Überwachen einer Batteriezelle
DE102012213422A1 (de) Batteriemanagementsystem, Kraftfahrzeug und Batteriesystem

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified