EP2601721A2 - Batteriesystem sowie verfahren zur ladung einer vielzahl von in reihe geschalteten batteriezellen - Google Patents

Batteriesystem sowie verfahren zur ladung einer vielzahl von in reihe geschalteten batteriezellen

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EP2601721A2
EP2601721A2 EP11728794.6A EP11728794A EP2601721A2 EP 2601721 A2 EP2601721 A2 EP 2601721A2 EP 11728794 A EP11728794 A EP 11728794A EP 2601721 A2 EP2601721 A2 EP 2601721A2
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EP
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battery
electrical component
battery cells
battery system
voltage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11728794.6A
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English (en)
French (fr)
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Christian Kluthe
Francois Mothais
Frank Heitkaemper
Robert Thomas
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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery system, a motor vehicle with the battery system according to the invention and a method for charging a
  • Overvoltage deposits metallic lithium at the anode, making the cathode material an oxidizing element and losing its stability.
  • the battery cell heats up more and more and in extreme cases can catch fire (so-called thermal runaway).
  • Battery pack which is constructed in applications in an electric vehicle of about a hundred series-connected single cells need
  • a control circuit can monitor up to twelve battery cells. Occurs in the course of charging the battery pack an overvoltage on one of the battery cells, of which the
  • Control circuits comprehensive battery management system instantly opened a high-voltage contactor and charging for the entire
  • Electric motor of the electric vehicle caused pull a shutdown of the battery after, which may, for example, cause the electric vehicle can not continue.
  • the previous concept is not suitable when using low-cost, single-phase chargers, as they generate a high sinusoidal current ripple and thus also a corresponding voltage ripple, which can lead to a shutdown of the battery before it is fully charged.
  • the conventional method it comes to a
  • the cell voltage is higher than the rest voltage, the latter defines the relevant state of charge. If the charge is due to a
  • the control circuits In addition to monitoring the cell voltage, the control circuits have the task of adjusting the voltages of the battery cells. This is necessary to avoid that some battery cells are already at a state of charge of 100% and thus close to the overvoltage shutdown limit, while the majority of the remaining battery cells still have charge states of well below 100%. Thus, without charge balance phases between the charge phases, the usable capacity of the battery pack would be much lower than the sum of the usable capacities of the single cells. So far, therefore, a charge equalization (so-called cell balancing) of the cells is carried out before or between charging phases, in each case the most highly charged battery cells via a resistor to the
  • a battery system with a plurality of battery cells connected in series is made available, in which at least one battery cell, an electrical component is connected in parallel.
  • the resistance of the electrical component decreases when one of the electrical
  • Component and voltage applied to the battery cell voltage exceeds a predetermined voltage threshold.
  • the battery system is preferably a
  • Lithium-ion battery system Lithium-ion battery system.
  • a charging process carried out in the battery system according to the invention is robust against voltage spikes, so that it can be carried out without problems even using single-phase chargers. Since heat is generated by all the electrical components used during the charging process, the temperature distribution is in the battery system
  • the duration of the charging process and the charge balance is relatively short, as a charge balance for all battery cells, where a
  • an electrical component is connected in parallel to each of the plurality of battery cells, the resistance of which decreases when a voltage applied to the electrical component and to the battery cell connected in parallel to this voltage exceeds the predetermined voltage threshold.
  • the resistance of the electrical device may decrease exponentially with increasing applied voltage above the predetermined voltage threshold.
  • the electrical component may be a Zener diode.
  • a Zener diode may be any suitable electrical component.
  • other implementations are possible, for example using a
  • Suppressor diode also known as TVS (Transient Voltage Suppressor) diode, or a metal oxide varistor. These components have similar characteristics with respect to their characteristics as the Zener diode. Combinations of the mentioned components and transistors are possible.
  • Another aspect of the invention relates to a motor vehicle, which comprises the battery system according to the invention, wherein the battery system is connected to a drive system of the motor vehicle.
  • Another aspect of the invention relates to a method of charging a plurality of battery cells connected in series, wherein the plurality of battery cells connected in series is supplied with a charging current during a charging process and in which a current flowing through one of the plurality of battery cells is suppressed, if a voltage applied to the battery cell
  • Voltage exceeds a predetermined voltage threshold. It is envisaged that, when the voltage threshold value is exceeded, the resistance of an electrical cell connected in parallel with the battery cell is exceeded
  • the plurality of battery cells with a constant
  • Charging current can be fully charged in a so-called CC (constant current) charging phase, without overvoltages can occur in the battery cells, while at the same time takes place a charge balance between the battery cells.
  • the charging process proceeds as follows: First, battery cells are charged with slightly different states of charge until those battery cells with the highest state of charge have reached the voltage threshold value (for example, the breakdown voltage of a zener diode). In these battery cells then rapidly reduces the resistance of the electrical component, which is an increasing proportion of the charging current to the
  • Bridging circuits prevent another charge. When charging is complete, all battery cells are fully charged, without the need for further charge balancing between them.
  • FIG. 1 shows a battery system according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a characteristic of a Zener diode which is arranged in the battery system according to a first embodiment.
  • FIG. 1 shows a battery system 100 according to a first embodiment of the invention.
  • the battery system 100 includes a plurality of battery cells 10 connected in series, each having an internal resistance 14.
  • a Zener diode 12 is connected in parallel, wherein the Zener diode 12 with respect to a shown in Figure 1
  • Polarity of the battery cells 10 is connected in the reverse direction.
  • the Zener diode 12 connected in parallel to a specific battery cell 10 assumes the function of a bridging circuit, which is activated as soon as the cell voltage of the battery cell 10 exceeds a certain voltage threshold during a charging process. Is this
  • the resistance of the Zener diode 12 drops exponentially with increasing voltage.
  • the ratio of the resistance of the zener diode 12 to the internal resistance 14 of the battery cell 10 flows with increasing voltage an increasing proportion of a Charging current through the Zener diode 12 and is thereby passed to the battery cell 1 0.
  • FIG. 2 shows a characteristic curve of one of the zener diodes 12 illustrated in FIG. 1.
  • the zener diode 12 has a very high resistance in a working region 16 of the cell voltage, so that there is only a negligibly small leakage current (typically less than 1 ⁇ ) the Zener diode 12 flows.
  • the working area 16 which lies below a breakdown voltage U B R of the Zener diode 12, the resistance of the Zener diode 12 is thus so high that practically the entire charging current is conducted via the battery cell 10 and charges it.
  • the breakdown voltage U B R of the Zener diode 12 is selected so that it corresponds approximately to an overvoltage limit of the battery cell 14.
  • Breakdown voltage U B R of the zener diode 12 flows a current ⁇ i.
  • the resistance of the zener diode 12 decreases exponentially as the voltage increases further. The lower the resistance of the Zener diode 12, the more current is conducted over it and the less power is available to continue to charge the associated battery cell 10.
  • the current flowing through the Zener diode 12 rises abruptly when the breakdown voltage U B R is exceeded, so that, at a voltage U 2, virtually the entire charging current I 2 is formed across the bridging circuit formed by the Zener diode 12 on the battery cell 1 0 is passed, whereby the battery cell 10 is protected from an overvoltage.
  • the resistance of the zener diode 12 is so high in comparison with the internal resistance 14 of the battery cell 10 that a discharge current flows completely across the battery cell 10.

Abstract

Es wird ein Batteriesystem (100) mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (10) beschrieben, bei welchem zumindest einer der Vielzahl von Batteriezellen (10) ein elektrisches Bauelement (12) parallel geschaltet ist, dessen Widerstand sich verringert, wenn eine an dem elektrischen Bauelement (12) und an der Batteriezelle (10) anliegende Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert (UBR) überschreitet. Ferner wird ein Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (10) beschrieben, welches mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem (100) ausgeführt werden kann.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriesvstem sowie Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sowie ein Verfahren zur Ladung einer
Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen.
Stand der Technik
Mithilfe der Lithium-Ionen-Technologie ist es möglich, sehr leistungsstarke
Batterien herzustellen, welche höhere Energiedichten aufweisen als solche, die mithilfe anderer Batterietechnologien hergestellt werden. Außerdem leiden
Lithium-Ionen-Batterien nicht unter einem als Memory-Effekt bekannten
Kapazitätsverlust. Einer der wenigen Nachteile der Lithium-Ionen-Batteriezellen ist hingegen die Anfälligkeit gegen Überspannung, welche bei
Zellspannungswerten von typischerweise mehr als 4,2 V auftritt. Bei
Überspannung lagert sich metallisches Lithium an der Anode ab, wodurch das Kathodenmaterial zum oxidierenden Element wird und seine Stabilität verliert.
Die Batteriezelle heizt sich dadurch immer weiter auf und kann im Extremfall in Brand geraten (so genanntes thermisches Durchgehen). Gerade bei einem
Batteriepack, welcher bei Anwendungen in einem elektrischen Fahrzeug aus etwa hundert in Reihe geschalteten Einzelzellen aufgebaut ist, müssen
Überspannungen zwingend vermieden werden, da ein thermisches Durchgehen einer einzelnen Zelle eine Kaskadenreaktion innerhalb des gesamten
Batteriepacks auslösen würde.
Um ein thermisches Durchgehen zu vermeiden, werden die Spannungen der in den Lithium-Ionen-Batteriepacks enthaltenen Einzelzellen über spezielle Kontrollschaltkreise überwacht. Dabei kann ein Kontrollschaltkreis bis zu zwölf Batteriezellen überwachen. Tritt im Zuge des Ladens des Batteriepacks eine Überspannung an einer der Batteriezellen auf, wird von dem die
Kontrollschaltkreise umfassenden Batterie-Management-System augenblicklich eine Hochvoltschütze geöffnet und der Ladevorgang für das gesamte
Batteriepack unterbrochen. Dieses Vorgehen gewährleistet zwar die Sicherheit des Batteriepacks, weist aber eine Anzahl von Nachteilen auf.
So ist die Bereitstellung einer Auswerteelektronik auf den Kontrollschaltkreisen mit relativ hohen Kosten verbunden. Außerdem wird der Ladevorgang für die Gesamtheit der Batteriezellen unterbrochen und nicht nur für diejenige
Batteriezelle, welche eine überhöhte Spannung aufweist. Bereits kurze, unkritische Spannungsspitzen, welche beispielsweise durch An- oder
Abschaltung eines Gleichstromstellers, eines Ladegeräts oder eines
Elektromotors des elektrischen Fahrzeugs verursacht werden, ziehen eine Abschaltung der Batterie nach sich, was beispielsweise dazu führen kann, dass das elektrische Fahrzeug nicht weiterfahren kann. Weiterhin ist das bisherige Konzept nicht geeignet bei Verwendung von kostengünstigen, einphasigen Ladegeräten, da diese einen hohen sinusförmigen Stromrippel und somit auch einen entsprechenden Spannungsrippel erzeugen, welcher zu einer Abschaltung der Batterie führen kann, bevor diese vollständig aufgeladen ist. Schließlich kommt es bei Anwendung des herkömmlichen Verfahrens zu einer
Einschränkung der nutzbaren Kapazität des Batteriepacks, da für die Dauer des Ladevorgangs die Zellspannung höher als die Ruhespannung ist, wobei letztere den relevanten Ladezustand definiert. Wird die Ladung aufgrund einer
Überspannungsverletzung abgebrochen, ist die Batteriezelle zu diesem Zeitpunkt immer noch nicht entsprechend ihrer Gesamtkapazität aufgeladen.
Neben der Überwachung der Zellspannung haben die Kontrollschaltkreise die Aufgabe, die Spannungen der Batteriezellen anzugleichen. Dies ist notwendig, um zu vermeiden, dass sich einige Batteriezellen bereits bei einem Ladezustand von 100 % und somit nahe der Überspannungsabschaltungsgrenze befinden, während der Großteil der übrigen Batteriezellen noch Ladezustände von deutlich unter 100 % aufweist. Ohne Phasen des Ladungsausgleichs zwischen den Ladungsphasen würde die nutzbare Kapazität des Batteriepacks daher sehr viel niedriger als die Summe der nutzbaren Kapazitäten der Einzelzellen liegen. Bisher wird daher vor oder zwischen Ladephasen ein Ladungsausgleich (so genanntes Cell Balancing) der Zellen durchgeführt, bei dem jeweils die höchstgeladenen Batteriezellen über einen Widerstand auf den
Kontrollschaltkreisen entladen werden, bis sich alle Batteriezellen dem
Ladezustand der am niedrigsten geladenen Zelle angenähert haben. Obwohl diese bisher eingesetzte Strategie einen Ladungsausgleich der Zellen
sicherstellt, ist auch diese mit einigen Nachteilen verbunden.
Neben den wiederum zu bemängelnden relativ hohen Kosten für die
Auswerteelektronik auf den Kontrollschaltkreisen ist die inhomogene
Temperaturverteilung im Batteriepack nachteilhaft, die darauf zurückzuführen ist, dass die entstehende Wärme zentral an die Kontrollschaltkreise abgeleitet wird. Außerdem nimmt der Ladungsausgleich eine relativ lange Zeitdauer in Anspruch, da er immer nur bei einer kleinen Anzahl von Batteriezellen des Batteriepacks gleichzeitig (typischerweise kann nur eine von zwölf Batteriezellen zu einem gegebenen Zeitpunkt über einen Widerstand an einem Kontrollschaltkreis entladen werden) und nur im Wechsel mit Ruhephasen für die
Batteriezustandserkennung stattfinden kann. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen zur Verfügung gestellt, bei welchem zumindest einer Batteriezelle ein elektrisches Bauelement parallel geschaltet ist. Der Widerstand des elektrischen Bauelements verringert sich, wenn eine an dem elektrischen
Bauelement und an der Batteriezelle gemeinsam anliegende Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert überschreitet.
Bei dem Batteriesystem handelt es sich bevorzugt um ein
Lithium-Ionen-Batteriesystem.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem hat den Vorteil, dass keinerlei Intelligenz beziehungsweise Software erforderlich ist, um die an der Batteriezelle
anliegende Spannung zu bewerten. Unter Verwendung kostengünstiger elektrischer Bauelemente mit den gewünschten Eigenschaften kann im erfindungsgemäßen Batteriesystem eine robuste Methode zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen bei gleichzeitiger Vermeidung von deren Überspannungen durchgeführt werden. Die nutzbare Kapazität der in Reihe geschalteten Batteriezellen ist gleich der Summe der einzelnen
Zellkapazitäten. Außerdem ist ein im erfindungsgemäßen Batteriesystem durchgeführter Ladevorgang robust gegen Spannungsspitzen, so dass dieser auch unter Verwendung von einphasigen Ladegeräten problemlos durchgeführt werden kann. Da beim Ladevorgang Wärme über alle verwendeten elektrischen Bauelemente anfällt, ist die Temperaturverteilung im Batteriesystem
gleichmäßiger als in den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen. Schließlich ist die Dauer des Ladevorgangs und des Ladungsausgleichs relativ kurz, da ein Ladungsausgleich für alle Batteriezellen, bei denen ein
entsprechendes elektrisches Bauelement mit den gewünschten Eigenschaften parallel geschaltet ist, gleichzeitig stattfinden kann.
Bevorzugt ist, dass zu jeder der Vielzahl von Batteriezellen jeweils ein elektrisches Bauelement parallel geschaltet ist, dessen Widerstand sich verringert, wenn eine an dem elektrischen Bauelement und an der zu diesem parallel geschalteten Batteriezelle anliegende Spannung den vorbestimmten Spannungsschwellenwert überschreitet.
Der Widerstand des elektrischen Bauelements kann oberhalb des vorbestimmten Spannungsschwellenwerts exponentiell mit steigender anliegender Spannung abnehmen.
Das elektrische Bauelement kann eine Zener-Diode sein. Allerdings sind auch andere Realisierungen möglich, beispielsweise unter Verwendung einer
Suppressordiode, auch als TVS (Transient Voltage Suppressor)-Diode bekannt, oder eines Metalloxid-Varistors. Diese Bauteile weisen bezüglich ihrer Kennlinien ähnliche Eigenschaften auf wie die Zener-Diode. Auch Kombinationen aus den genannten Bauteilen und Transistoren sind möglich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen, bei welchem die Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen während eines Ladevorgangs mit einem Ladestrom versorgt wird und bei welchem ein durch eine der Vielzahl von Batteriezellen fließender Strom unterdrückt wird, wenn eine an der Batteriezelle anliegende
Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert überschreitet. Es ist vorgesehen, dass sich bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts der Widerstand eines zu der Batteriezelle parallel geschalteten elektrischen
Bauelements verringert, so dass ein Teil des Ladestroms durch das elektrische Bauelement fließt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass eine Ladung der
Batteriezellen im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht wird.
Insbesondere kann die Vielzahl von Batteriezellen mit einem konstanten
Ladestrom in einer so genannten CC (constant current)-Ladephase vollständig aufgeladen werden, ohne dass Überspannungen in den Batteriezellen auftreten können, während zugleich ein Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen stattfindet. Der Ladevorgang verläuft hierbei wie folgt: Zunächst werden Batteriezellen mit leicht unterschiedlichen Ladezuständen geladen, bis diejenigen Batteriezellen mit dem höchstem Ladezustand den Spannungsschwellenwert (beispielsweise die Durchbruchspannung einer Zener-Diode) erreicht haben. In diesen Batteriezellen verringert sich sodann rasch der Widerstand des elektrischen Bauelements, welches einen immer größer werdenden Anteil des Ladestroms an den
Batteriezellen mit hohem Ladezustand vorbeileitet, wodurch diese weniger geladen werden als solche mit niedrigerem Ladezustand. Die Parallelschaltung des elektrischen Bauelements hat somit die Wirkung einer
Überbrückungsschaltung.
Bei weiterer Ladung kommt der Ladestrom in den Batteriezellen mit fast 100 % Ladezustand zum Erliegen, da der Ladestrom fast vollständig durch die durch das elektrische Bauelement hergestellte Überbrückungsschaltung geleitet wird, während die übrigen Batteriezellen weiter geladen werden, bis deren
Überbrückungsschaltungen eine weitere Ladung unterbinden. Bei Abschluss des Ladevorgangs sind alle Batteriezellen vollständig aufgeladen, ohne dass ein weiterer Ladungsausgleich zwischen ihnen erforderlich ist.
Während des gesamten Ladevorgangs können keine Überspannungen in einer Batteriezelle auftreten, da der Widerstand der Überbrückungsschaltung mit zunehmender Spannung exponentiell kleiner wird und somit den gesamten Ladestrom umleitet.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform, und
Figur 2 eine Kennlinie einer Zener-Diode, welche in dem Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform angeordnet ist.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Batteriesystem 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Batteriesystem 100 umfasst eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen 10, welche jeweils einen Innenwiderstand 14 aufweisen. Zu jeder Batteriezelle 10 ist jeweils eine Zener-Diode 12 parallel geschaltet, wobei die Zener-Diode 12 bezüglich einer in Figur 1 dargestellten
Polarität der Batteriezellen 10 in Sperrrichtung geschaltet ist.
Die zu einer bestimmten Batteriezelle 10 parallel geschaltete Zener-Diode 12 übernimmt die Funktion einer Überbrückungsschaltung, welche aktiviert wird, sobald die Zellspannung der Batteriezelle 10 während eines Ladevorgangs einen gewissen Spannungsschwellenwert überschreitet. Ist dieser
Spannungsschwellenwert überschritten, fällt der Widerstand der Zener-Diode 12 exponentiell mit weiter steigender Spannung ab. In Abhängigkeit vom Verhältnis des Widerstands der Zener-Diode 12 zum Innenwiderstand 14 der Batteriezelle 10 fließt mit zunehmender Spannung ein immer größerer Anteil eines Ladestroms über die Zener-Diode 12 und wird dadurch an der Batteriezelle 1 0 vorbeigeführt.
Figur 2 zeigt eine Kennlinie einer der in Figur 1 dargestellten Zener-Dioden 12. Die Zener-Diode 12 weist in einem Arbeitsbereich 16 der Zellspannung einen sehr hohen Widerstand auf, so dass dort nur ein vernachlässigbar kleiner Leckstrom (typischerweise kleiner als 1 μΑ) über die Zener-Diode 12 fließt. In dem Arbeitsbereich 16, welcher unterhalb einer Durchbruchspannung UBR der Zener-Diode 12 liegt, ist somit der Widerstand der Zener-Diode 12 so hoch, dass praktisch der gesamte Ladestrom über die Batteriezelle 10 geleitet wird und diese auflädt.
Die Durchbruchspannung UBR der Zener-Diode 12 ist so gewählt, dass sie etwa einer Überspannungsgrenze der Batteriezelle 14 entspricht. Bei der
Durchbruchspannung UBR der Zener-Diode 12 fließt ein Strom \ i . Bei weiterer Erhöhung der Spannung (in Figur 2 in Richtung der negativen U[V]-Achse) fällt der Widerstand der Zener-Diode 12 mit weiter zunehmender Spannung exponentiell ab. Je niedriger der Widerstand der Zener-Diode 12 ist, desto mehr Strom wird über diese geleitet und umso weniger Strom steht zur Verfügung, um die dazugehörige Batteriezelle 10 weiterzuladen.
Der Strom, der durch die Zener-Diode 12 fließt, steigt bei Überschreitung der Durchbruchspannung UBR abrupt an, so dass bei einer Spannung U2 praktisch der gesamte Ladestrom l2 über den durch die Zener-Diode 12 gebildeten Überbrückungsschaltkreis an der Batteriezelle 1 0 vorbeigeführt wird, wodurch die Batteriezelle 10 vor einer Überspannung geschützt wird.
Bei einem Entladevorgang ist der Widerstand der Zener-Diode 12 im Vergleich zum Innenwiderstand 14 der Batteriezelle 10 so hoch, dass ein Entladestrom vollständig über die Batteriezelle 10 fließt.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriesystem (100) mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten
Batteriezellen (10), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Vielzahl von Batteriezellen (10) ein elektrisches Bauelement (12) parallel geschaltet ist, dessen Widerstand sich verringert, wenn eine an dem elektrischen Bauelement (12) und an der Batteriezelle (10) anliegende Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert (UBR)
überschreitet.
2. Batteriesystem (100) nach Anspruch 1 , wobei zu jeder der Vielzahl von Batteriezellen (10) jeweils ein elektrisches Bauelement (12) parallel geschaltet ist, dessen Widerstand sich verringert, wenn eine an dem elektrischen Bauelement (12) und an der zu diesem parallel geschalteten Batteriezelle (10) anliegende Spannung den vorbestimmten
Spannungsschwellenwert (UBR) überschreitet.
3. Batteriesystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Widerstand des elektrischen Bauelements (12) oberhalb des vorbestimmten
Spannungsschwellenwerts (UBR) exponentiell mit steigender anliegender Spannung abnimmt.
4. Batteriesystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrische Bauelement eine Zener-Diode (12) ist.
5. Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das
elektrische Bauelement eine Suppressordiode ist.
6. Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das
elektrische Bauelement ein Metalloxid-Varistor ist. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (100) nach einem der
vorangehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (100) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Verfahren zur Ladung einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (10), wobei die Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen während eines Ladevorgangs mit einem Ladestrom versorgt wird und wobei ein durch eine der Vielzahl von Batteriezellen (10) fließender Strom unterdrückt wird, wenn eine an der Batteriezelle (10) anliegende Spannung einen
vorbestimmten Spannungsschwellenwert (UBR) überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei Überschreiten des Spannungsschwellenwerts (UBR) der Widerstand eines zu der Batteriezelle (10) parallel geschalteten elektrischen Bauelements (12) verringert, so dass ein Teil des Ladestroms durch das elektrische Bauelement (12) fließt.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2704287A1 (de) 2012-08-27 2014-03-05 Magna E-Car Systems GmbH & Co OG Zuschaltbare Ladungsausgleichsschaltung
DE102013008359A1 (de) * 2013-05-16 2014-11-20 Sew-Eurodrive Gmbh & Co Kg Energiespeicher, der aus in Reihe geschalten Energiespeicherzellen aufgebaut ist, und Schaltungsanordnung zur passiven Symmetrierung einer Reihenschaltung von Kondensatoren
EP2810815A1 (de) * 2013-06-07 2014-12-10 Flextronics International Kft. Energiespeichersystem und Verfahren zur Spannungsanpassung eines Energiespeichers
CN103475082A (zh) * 2013-08-16 2013-12-25 广州泓淮电子科技有限公司 一种蓄电池单体置换方法
EP2879266A1 (de) * 2013-11-28 2015-06-03 Dialog Semiconductor GmbH Leistungsverwaltungsverfahren für eine wiederaufladbare Stapelzellen-Energiespeichereinrichtung und wiederaufladbare Stapelzellen-Energiespeichereinrichtung
DE102014215849A1 (de) * 2014-08-11 2016-02-11 Robert Bosch Gmbh Steuerung und/oder Regelung für eine wenigstens zwei elektrisch in Reihe zueinander schaltbare Batteriezellen aufweisende Sekundärbatterie
CN106130132A (zh) * 2016-08-18 2016-11-16 郑州宇通客车股份有限公司 蓄电池充电保护电路及使用该电路的蓄电池系统和机动车
DE102017206696A1 (de) * 2017-04-20 2018-10-25 Volkswagen Aktiengesellschaft Batterie
US10720781B2 (en) 2017-10-16 2020-07-21 Ardent Edge, LLC Switching protection system
CN108232340B (zh) * 2017-12-14 2021-05-11 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种废旧电池放电装置
CN110682831B (zh) * 2018-06-19 2021-05-14 广州汽车集团股份有限公司 一种车载动力电池均衡方法、装置及汽车
DE102018009391A1 (de) * 2018-11-29 2020-06-04 Daimler Ag Schaltungsanordnung für eine Batterie
CN114361617B (zh) * 2021-12-31 2023-07-21 深蓝汽车科技有限公司 一种动力电池热失控风险预警方法及预警系统

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5696849U (de) * 1979-12-26 1981-07-31
US4719401A (en) * 1985-12-04 1988-01-12 Powerplex Technologies, Inc. Zener diode looping element for protecting a battery cell
JP2640641B2 (ja) * 1995-04-24 1997-08-13 西芝電機株式会社 交流発電機の電圧垂下制御装置
JP3716618B2 (ja) * 1998-05-14 2005-11-16 日産自動車株式会社 組電池の制御装置
CN1622419A (zh) * 2003-11-26 2005-06-01 元鸿电子股份有限公司 充电系统
US20060046104A1 (en) * 2004-08-30 2006-03-02 Zimmerman Albert H Balanced lithium ion battery
US20080048613A1 (en) * 2006-08-09 2008-02-28 Honeywell International Inc. Voltage regulator in a battery block
JP2010045963A (ja) * 2008-07-14 2010-02-25 Panasonic Corp 電池回路、及び電池パック
JP4771180B2 (ja) * 2008-08-28 2011-09-14 トヨタ自動車株式会社 組電池および組電池の制御システム
DE102008057573A1 (de) * 2008-11-15 2010-05-20 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kondensatoranordnung

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