CN115241613A - 高压电池*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压电池***，其具有至少一个由电池单池(Z1至Zn)和分别布置在中间的热阻隔层(3)构成的单池复合件，其中，在超过电池单池(Z1)中的稳定性临界温度极限值(TK)的情况下，出现热失控(TR1)，在热失控中可以释放高的能量数量，从而进行热传播(TP)，在热传播中，通过热传递过程可以加热至少一个相邻电池单池(Z2)，在该相邻电池单池中，在超过温度极限值(TK)的情况下同样出现热失控(TR2)。根据本发明，电池管理***(BMS)在检测到电池单池(Z1)中的至少即将发生的热事件时开始降低相邻电池单池(Z2)的充电状态，尤其是开始快速放电(ΔE)。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压电池***和一种用于中断或延迟这种高压电池***的单池复合件中的热传播的方法。
背景技术
在安装在车辆高压电池***中的锂离子电池单池中，基于内部的单池缺陷，例如可能由于电池单池的电极之间的局部的短路而出现故障情况。这种故障情况可以导致热事件以及热失控(即Thermal Runaway或称为热逸散)。热失控首先仅涉及单个单池：故障情况可以导致，存储的能量被热转换，由此可以出现进一步的放热的分解反应，其进一步增强该单池的失控。如果相邻的电池单池也出现热失控(相邻单池的热失控)，那么这被称为热传播。
该类型的高压电池***具有由电池单池和分别布置在中间的热阻隔层构成的单池复合件。在其中一个电池单池中的热事件的情况下，热阻隔层作用为延迟传播的或阻止传播的。为此，热阻隔层可以通过相变或化学反应或其材料结构的变化以例如相变焓的形式吸收能量，并且因此限制阻隔层材料的变热。
通过在单池复合件中使用这种热阻隔层，减少了对于电池单池可用的结构空间，由此降低电池***中的能量密度、尤其是体积能量密度，其基于有限的结构空间对于车辆来说比重量能量密度更重要。在对阻隔层材料的相应高的要求的情况下(即定义的可压缩性、低的导热性、耐老化性、温度稳定性等)，在制造阻隔层时产生相应大的阻隔层材料厚度和高的制造和材料费用。如果阻隔层不仅延迟热传播，而且应该防止热传播，那么需要的阻隔层材料厚度会增加，并且相应需要昂贵的阻隔层材料，由此，高能电池单池的使用可能在成本和能量优化方面是不再能实现的。
由DE 10 2018 203 164 A1已知了一种用于在电池中执行紧急放电功能的安全***和方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高压电池***，其中，一方面，单池复合件与现有技术相比具有更大的能量密度，并且另一方面具有在热传播时与现有技术相比增大的延迟效应。
该技术问题通过一种高压电池***解决，其具有至少一个由电池单池和分别布置在中间的热阻隔层构成的单池复合件，其中，在超过电池单池中的稳定性临界的温度极限值的情况下，在电池单池中出现热失控，在所述热失控中能够释放高的能量数量，从而进行热传播，在所述热传播中，通过热传递过程能够加热至少一个相邻电池单池，在所述相邻电池单池中，在超过温度极限值的情况下同样出现热失控，其中，电池管理***在检测到电池单池中的至少即将发生的热事件时开始降低相邻电池单池的充电状态，尤其是开始快速放电，通过降低相邻电池单池的充电状态能够减少在热失控的情况下在相邻电池单池中能够释放的能量数量，由此，尤其是与分别适配的布置在中间的热阻隔层组合地、能够防止或延迟继续热传播到另外的相邻电池单池。该技术问题通过一种用于中断或延迟所述高压电池***的单池复合件中的热传的方法解决。
本发明涉及一种具有至少一个单池复合件的高压电池***，该单池复合件由电池单池和分别布置在中间的热阻隔层构成。在电池单池中的热事件的情况下，如果超过稳定性临界温度，那么发生热失控(Thermal Runaway)，其中会释放大的能量数量。这导致热传播，其中，至少一个相邻电池单池通过热传递过程被加热，其中在超过临界极限温度时也会发生热失控。电池管理***在检测到电池单池中的至少即将发生的热事件或已经发生的热事件时开始降低相邻电池单池的充电状态(或称为载荷状态)，尤其是开始快速放电。可以通过快速放电减少可在相邻电池单池中释放的、与充电状态相关的能量数量，由此可以防止或延迟继续热传播到另外的相邻电池单池。
本发明的核心在于延迟传播的热阻隔层与各个电池单池的有针对性的快速放电的有针对性的组合，即用于有针对性地降低失控的电池单池的一个或多个相邻电池单池的充电状态的调节概念，目的是延迟或完全防止热传播。通过热阻隔层与紧急或快速放电的相互作用，产生电池***中的安全要求和尽可能高的能量密度之间的最佳的平衡。
本发明基于以下情况，即在电池单池的热失控(Thermal Runaway)中释放的能量数量与其充电状态(SOC)相关。也就是说，在100％的充电状态中释放在运行窗口中最大可能的能量数量。在例如70％或50％的充电状态中，能量数量是更小的。
在本发明的意义中，延缓传播的热阻隔层理解为具有低的有效热导率的材料和具有能量吸收能力(例如相变)或其他的延缓传播的特性(例如膨胀)的材料。这些材料接下来被称为单池间材料并且没有被进一步说明，因为其特性对于本领域技术人员来说是已知的。
除单池间材料以外，电池***还可以配备有紧急放电电路或快速放电电路。该电路可以与电池***的现有的HV连接器组合或单独实施。紧急放电电路通过单独的开关元件与各个电池单池连接。此外，在紧急放电电路中还存在电阻或电容(例如电容器)。
此外，电池***的各个单池配备有相应的传感器(例如电压、温度监控装置)。
下面根据具有沿堆叠方向依次布置的电池单池的单池复合件描述本发明的意义内的功能原理，其中示例性地，边缘单池热失控。边缘单池的热失控由安装在其中的传感器检测到，要么提前(早期检测)要么在发生的时间点中检测到。因此，可以由电池管理***(BMS)检测热失控的时间点和位置(即相关的单池)。由于引入的单池间层产生一个时间段，直到相邻的第二单池中的温度超过临界温度极限值并且热失控。该时间用于相邻单池的紧急放电(快速的SOC降低)。在此，通过闭合单独的开关元件在相邻单池上提取电能，并且降低充电状态。电能要么临时存储在电容(电容器)中，要么通过电阻转换为热能。电阻又耦合到散热器(例如车辆结构或冷却介质)，其可以导出/缓冲产生的热量。因此，在电阻的情况下，在单池上提取的电能同样被转换为热能并且被释放，但没有在现场(在单池中)，而是在空间上与之分离。由此产生传播延迟/防止作用。
紧急放电/SOC快速放电的调节的流程如下：与仅通过单池间材料引起的纯延迟类似地，首先(相对于没有单池间材料的***)提供更大的时间窗口，直到第二单池从达到临界温度极限值开始的热失控。通过闭合第二单池的开关元件，该单池被紧急放电。其充电状态根据单池的特性和***的精确的设计例如从100％放电到95％、90％、80％、70％、50％等。因此，当在第二电池中达到临界温度极限值并且因此发生热失控时，释放更少的能量。第二电池中的温度曲线更平坦地延伸。更少的能量被传递到下一相邻单池(第三单池)。在此，紧急放电***可以设计用于两种情况：
1)热传播在第二单池之后停止：第二单池的SOC降低是有效的，从而第二单池的在热失控时释放的能量的减小是足够的，从而在第三单池中没有达到临界温度极限值。因此，热传播被中断，并且***可以冷却，而无需进一步的紧急放电。出于安全原因，模块的下一个单池(第三单池)或所有另外的(仍完好的)单池或整个***仍然可以通过紧急放电***(必要时通过较低的电流)进一步放电。
2)从第二单池到第三单池的传播虽然被延迟，但没有停止。一旦第二单池热失控，那么检测到这一点，第二单池的开关元件断开，并且第三单池的开关元件闭合，由此启动第三单池的紧急放电。如果第三单池热失控，那么第四单池紧急放电，以此类推。算法继续进行，直到要么热传播可以在某个点中断，或单池复合件中的最后一个单池热失控。随后，虽然整个模块/堆栈或***仍然热失控，但传播明显延迟(增加救援时间)，并且必要时由此可以防止热传播到相邻模块/堆栈/***的跳跃。
所描述的基本原理同样可以用于具有两个或多个相邻单池的单池。在此，在损坏的单池的热失控的情况下热量被分配到两个或多个相邻单池上。然后同时启动这些相邻单池的紧急放电。然后，在需要时可以启动下一个或再下一个的单池的紧急放电，以进一步延迟热传播。
整个概念设计为，使得时间延迟、要提取的能量数量、紧急放电电路的尺寸以及电容/电阻及其与散热器的热连接在成本和能量优化方面相互协调，并且因此可以实现与如果仅通过使用单池间材料实现传播延迟/防止作用相比更高的有效能量密度或更低的成本。
在此根据角形的电池类型(袋形或棱柱形)阐述基本原理，但基本原理也可以应用于圆柱形的单池。除了边缘单池以外，在四边形的包装中的柱形的单池中产生四个直接的相邻单池，并且在六边形的包装中产生六个直接的相邻单池。
为了改进各个单池的紧急放电并且减少单池在快速放电期间的自发热，可以对各个单池、相关的模块或整个电池***进行更强的冷却。
与现有技术的主要区别随后以要点列出：设计措施(单池间材料)与调节策略的组合；传感器/检测与紧急放电算法的组合；与将各个开关元件(其连接各个单池与紧急放电电路)的组合；与(随后描述的)去平衡方法的组合，以便避免通过紧急放电电路和电容/电阻导致的成本/重量。
在根据本发明的主动的去平衡的情况下，在此使用相反的原理，其例如从已知的主动的平衡概念已知，据此，电池***内的各个单池之间的不同的充电状态被均衡：替代上述的紧急放电电路地，将平衡概念应用于电池单池，平衡概念能够在各个电池单池之间重新分配能量数量。在此，类似于根据本发明的功能原理地，再次检测第一单池的初始的热失控的时间和位置。在由单池间材料提供的时间窗口期间，相邻单池的充电状态降低。在此，被提取的能量数量不会临时存储在附加的电容中或通过电阻转换为热量，而是重新分配给另外的单池。为此，去平衡***必须能够与电压降相反地(从更低的充电状态、即更低的电压到更高的充电状态、即更高的电压)传输能量数量。这例如可以以感应方式完成，即通过例如在3至6V的范围内工作的变压器完成。
在去平衡的情况下，能量数量可以从一个单池转移到一个或多个另外的单池。在第一单池的热失控期间，在充电状态为例如90％的情况下，第二电池因此可以被放电到例如大约70％，而第三和第四电池被充电到100％。
如果所有单池都充满电(100％，根据运行条件)，那么也可以将单个单池放电(例如从100％到70％SOC)，并且在此将另外的单池充电到>100％SOC(例如六个电池从100％到105％)。在此，故意超过例如4.2V的充电结束电压。这虽然意味着相关的单池的不稳定(此外由于阴极的强的脱锂)或甚至损坏，但如果通过将第二单池的SOC降低到70％，热传播可以在第二单池后停止，那么总体上还是得到安全优点。相关的电池模块/***总归已经处于热传播中并且由此受损。一旦热传播已有效地停止，那么具有SOC>100％的单池可以缓慢地通过例如小的无源的平衡电阻来放电，并且因此将有缺陷的电池***带入更安全的状态。
与根据本发明的功能原理相协调地，可以针对两个不同的情况设计主动的去平衡：
1)热传播在第二单池之后停止：第二单池的SOC降低是有效的，从而第二单池的在热失控时释放的能量的减小是足够的，从而在第三单池中的温度没有达到临界温度极限值。热传播因此被中断。
2)从第二单池到第三单池的热传播虽然被延迟，但没有停止。一旦第二单池热失控，那么检测到这一点，由此启动第三单池的SOC降低。因此，在从单池到单池的热传播之前执行由于主动的去平衡在单池之间的转移。与第一实施方式不同地，然而在此存在以下缺点，即转移的电能不会在空间上分离地被释放/存储，而是保留在传播的单池复合件内。因此，在几个去平衡过程之后达到临界极限，从该临界极限开始，能量在各个(剩余的)单池之间的转移不再是可能的。直到达到该时间点，虽然可以延迟单池复合件中的热传播(从而增加救援时间)，但随后，由于剩余的单池的较高的SOC，从单池到单池的热传播可能会更强烈和更快速地发生。
总之，根据本发明，热传播的延迟不是单独通过单池间材料实现，而是通过单池间材料、传感器、电池管理***、紧急放电电路和紧急放电调节策略的组合来实现。由此，需要更少地使用单池间材料来实现相同的安全时间，从而实现更高的有效能量密度和成本降低。
附图说明
接下来根据附图描述本发明的实施例。其中：
图1以非常示意性的图示示出了在正常状态下的高压电池***的单池复合件；
图2、图3a、图3b、图4分别示出了视图，根据这些视图说明了单池复合件中的热失控和热传播；
图5a、图5b示出了本发明的第二实施例；并且
图6a、图6b、图7a、图7b、图8a、图8b分别示出了本发明未涵盖的比较示例。
具体实施方式
图1在为了理解本发明所需要的范围内示出了高压电池***的单池复合件。单池复合件具有多个依次堆叠的电池单池Z1至Z5和分别布置在中间的热阻隔层3。鉴于简单的图示，电池单池Z1至Z5和布置在中间的热阻隔层3彼此间隔开地被示出。在实际的实施方案中，电池单池Z1至Z5和布置在中间的热阻隔层3沿堆叠方向以预定义的预应力相互贴靠。
电池单池Z1至Z5在图1中示例性地在2p连接(或称为2p电路)中彼此电连接，其中，相应两个相邻的电池单池以并联电路相互连接，并且电池单池对分别借助HV连接器5以串联电路连接。此外，高压电池***的电池管理***BMS具有紧急放电电路7，所有电池单池Z1至Z5和电阻9连接在该紧急放电电路中。在紧急放电电路7中，电池单池Z1至Z5和电阻9彼此以并联电路布置。要强调的是，本发明并不局限于所示的连接类型。备选地，例如也可以选择纯串联连接(即1p连接)或更高的并联化(即3p、4p、...)。
给每个电池单池Z1至Z5分配可由电池管理***BMS控制的开关元件S1至S5。此外，每个电池单池1具有传感器13，通过传感器可以监控相应的电池单池1的电压和/或温度。传感器13通过所示的信号线路15分别与电池管理***BMS信号连接。
下面根据图2和图3a、3b阐述在单池复合件中出现电池单池Z1中的热失控TR并且出现热传播TP的情景。根据图2，基于单池复合件的边缘侧的电池单池Z1中的单池缺陷而出现热事件。如从图3b的温度时间图得到的那样，边缘侧的电池单池Z1中的温度T1(t)在时间点t1超过稳定性临界温度极限值TK，从而在损坏的电池单池Z1中出现热失控TR1，在其中释放高的能量数量。在进一步的过程中，随后是热传播TP，其中，通过热传递过程加热相邻电池单池Z2。在经过传播持续时间Δt之后，相邻电池单池Z2中的温度T2(t)也在时间点t2超过临界极限值TK，从而在相邻电池单池Z2中也出现热失控TR2。
本发明的核心在于，当借助传感器13检测到电池单池Z1中的热事件时，电池管理***BMS启动快速放电或紧急放电。为了执行紧急放电，电池管理***BMS产生开关信号y2(图2)，分配给相邻电池单池Z2的开关元件S2利用该开关信号闭合，以便开始紧急放电。在紧急放电期间，从相邻电池单池Z2提取电能ΔE。从相邻电池单池Z2提取的电能ΔE在电阻9中被转换成热能。
在图3b的温度时间图中，相邻电池单池Z2中的在执行紧急放电后产生的温度曲线T2(t)利用实线被示出，而在没有执行紧急放电ΔE的情况下产生的温度曲线T2’(t)利用虚线被示出。因此，在热失控TR2期间达到的最高温度由于预先执行的紧急放电ΔE而降低了温度差ΔT。由此实现的是，与电池单池Z2相邻的另外的电池单池Z3中的温度曲线T3(t)保持在临界极限温度TK之下，从而中断热传播TP的继续。
根据本发明，以下事实是特别相关的：相邻的电池单池Z1和Z2之间的热阻隔层3的传播延迟作用被设定为，使得传播时间Δt只有在相邻电池单池Z2的紧急放电ΔE结束之后才结束，从图3b的下部的开关图得到：一旦电池管理***BMS检测到边缘侧的电池单池Z1中的热事件，那么开关元件S2在时间点tein闭合，由此，相邻电池单池Z2的紧急放电ΔE开始。为了结束紧急放电，开关元件S2在时间点taus再次断开。在图3b的温度时间图中，时间点taus比时间点t2早一个时间差Δa，在该时间差Δa处，相邻电池单池Z2中的热失控TR2开始。理想地，时间差Δa应该是特别小的(即接近于零)，从而传播持续时间Δt可以尽可能长地用于紧急放电。
因此，通过热阻隔层13的根据本发明的适配，在相邻的电池单池Z的连续的热失控TR之间提供足够大的时间窗口。利用该时间窗口确保，相邻电池单池Z2中的热失控TR2仅在相邻电池单池Z2的紧急放电ΔE结束时才开始。
图4示出了本发明的另外的实施例。与图2不同地，在图5a中，没有在边缘电池单池Z1中，而是在中间的电池单池Z3中出现具有随后的热失控TR3的热事件。在该情景中，相同的功能原理如根据图2和3所描述的那样起作用。与图2和3不同地，在图4中，两个相邻的电池单池Z2和Z4的开关元件S2和S4利用控制信号y2和y4被控制和闭合，从而在两个相邻电池单池Z2和Z4中进行紧急放电ΔE。在图4的实施例中，“中间的电池单池”应理解为电池单池中的不是边缘单池、即具有两个相邻单池的电池单池。也就是说，在n个单池(n＝1...N)的情况下，中间的电池单池是单池n＝2...N-1。
图5a和5b示出了另外的实施例，在其中也使用相同的功能原理。与之前的实施例不同地，从相邻电池单池Z2提取的能量ΔE没有在电阻9中转换成热能。相反，在图5a中，在由电池管理***BMS执行的去平衡的范围内，在紧急放电期间提取的电能ΔE被重新分配到另外的能运转的电池单池Z3至Z5。要强调的是，电池单池Z3至Z5在此仅是示例性的。根据可用的传播持续时间Δt、要提取的能量数量ΔE和各个单池的相应的充电状态SOC，由电池管理***BMS设置对于去平衡相应最佳的连接，用以进行紧急放电和充电重新分配。
图6a、图6b、图7a、图7b、图8a、图8b示出了本发明未涵盖的比较示例：图6a涉及由电池单池Z1至Z5构成的单池复合件，其构造为没有布置在中间的热阻隔层。在边缘侧的电池单池Z1中的热事件的情况下出现热失控TR1。在此释放的高的能量数量导致热传播TP，在该热传播中，分别相邻的电池单池Z2至Z5以级联方式热失控。热传播TP一直持续到单池复合件中的最后一个电池单池Zn热失控。
基本上在图7a中得到相同的情景，其中，单池复合件由电池单池1和布置在中间的热阻隔层3形成。热阻隔层3仅起到延迟传播的作用。由此，(与图6b的温度时间图相比)，根据图7b的温度时间图，在时间上连续的热失控TR之间的传播持续时间Δt增加，从而总体上出现在时间上延迟的热传播TP。
图8a、8b所示的比较示例涉及由电池单池1和分别布置中间的阻隔层3构成的单池复合件。与图7a不同地，在图8a中，耗费结构空间地并且耗费材料地、防止传播地实现热阻隔层3。因此，边缘电池单池Z1中的热失控TR1不会导致热传播TP，在该热传播中，相邻电池单池Z1至Zn同样热失控。
附图标记列表
3热阻隔层
5高压连接器
7紧急放电电路
9电阻
13传感器
15信号线路
BMS电池管理***
TR热失控(Thermal Runaway)
TP热传播(Thermal Propagation)
t1在电池单池中开始热失控的时间点
t2在相邻电池单池中开始热失控的时间点
Δt传播持续时间
Δa时间差
TK临界温度极限值
ΔT温度差
Z1至Zn电池单池
S1至Sn开关元件
tein开关元件11的闭合时间点
taus开关元件11的断开时间点
Claims (9)
1.一种高压电池***，具有至少一个由电池单池(Z1至Zn)和分别布置在中间的热阻隔层(3)构成的单池复合件，其中，在超过电池单池(Z1)中的稳定性临界的温度极限值(TK)的情况下，在电池单池(Z1)中出现热失控(TR1)，在所述热失控中能够释放高的能量数量，从而进行热传播(TP)，在所述热传播中，通过热传递过程能够加热至少一个相邻电池单池(Z2)，在所述相邻电池单池中，在超过温度极限值(TK)的情况下同样出现热失控(TR2)，其特征在于，电池管理***(BMS)在检测到电池单池(Z1)中的至少即将发生的热事件时开始降低相邻电池单池(Z2)的充电状态，尤其是开始快速放电(ΔE)，通过降低相邻电池单池(Z2)的充电状态能够减少在热失控(TR2)的情况下在相邻电池单池(Z2)中能够释放的能量数量，由此，尤其是与分别适配的布置在中间的热阻隔层组合地、能够防止或延迟继续热传播(TP)到另外的相邻电池单池(Z3至Zn)。
2.根据权利要求1所述的高压电池***，其特征在于，所述电池管理***(BMS)具有紧急放电电路(7)，在其中连接有所有电池单池(Z)以及电容或电阻(9)，电容例如是电容器，并且在紧急放电电路(7)中，给每个电池单池(Z)分配能够由电池管理***(BMS)控制的开关元件(S1至S5)，和/或所述电池管理***(BMS)在检测到电池单池(Z1)中的热事件时产生开关信号(y2)，利用所述开关信号闭合分配给相邻电池单池(Z2)的开关元件(S2)，以便启动紧急放电，在所述紧急放电中能够从相邻电池单池(Z2)提取电能(ΔE)。
3.根据权利要求2所述的高压电池***，其特征在于，提取的电能(ΔE)要么在由电池管理***(BMS)执行的去平衡的范围内被重新分配到至少一个另外的电池单池(Z3至Zn)，要么能够临时存储在电容中或者能够在电阻(9)中转换为热能，并且电阻(9)尤其是耦合在散热器上，以便导出热能。
4.根据前述权利要求中任一项所述的高压电池***，其特征在于，在相邻电池单池(Z2)中超过临界温度极限值(TK)的时间点(t2)在时间点(t1)后的传播持续时间(Δt)处出现，在所述时间点(t2)中，在电池单池(Z1)中超过临界温度极限值(TK)，并且尤其地，热阻隔层(3)的传播延迟作用被设定为，使得所述传播时间(Δt)只有在相邻电池单池(Z2)的紧急放电(ΔE)结束之后的时间差(Δa)处才结束，也就是说，相邻电池单池(Z2)的热失控(TR2)只有在相邻电池单池(Z2)的紧急放电(ΔE)结束之后才出现，并且尤其地，所述时间差(Δa)是特别小的(即接近零)，从而传播持续时间(Δt)能够尽可能长地用于紧急放电。
5.根据前述权利要求中任一项所述的高压电池***，其特征在于，在热失控(TR2)的情况下能在相邻电池单池(Z2)中释放的能量基于紧急放电(ΔE)被减少，从而使得在至少一个与相邻电池单池(Z2)相邻的另外的电池单池(Z3)中的基于热传递过程进行的温度升高保持在临界温度极限值(TK)以下，从而优选地，热传播(TP)的继续已经在相邻的另外的电池单池(Z3)中停止，并且尤其在相邻电池单池(Z2)的紧急放电(ΔE)之后，出于安全原因实现与相邻电池单池(Z2)相邻的电池单池(Z3)的附加的紧急放电(ΔE)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的高压电池***，其特征在于，为了检测热事件，每个电池单池(Z)配备有传感器(13)、例如电压和温度监控装置，通过所述传感器能够监控相应的电池单池(1)的电压和/或温度，并且所述传感器(13)与电池管理***(BMS)信号连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的高压电池***，其特征在于，在紧急放电中，相应的电池单池(Z)的电能数量(ΔE)能够减少5％至100％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的高压电池***，其特征在于，所述电池管理***(BMS)在检测到相邻电池单池(Z2)中的热失控(TR2)时开始附加的紧急放电过程，在所述附加的紧急放电过程中，分配给相邻电池单池(Z2)的开关元件(S2)断开，并且分配给相邻的另外的电池单池(Z3)的开关元件(S3)闭合，从而能够启动相邻的另外的电池单池(Z3)的紧急放电，并且尤其地，针对另外的相邻的电池单池(Z4、Z5)的附加的紧急放电过程被继续进行，直到热传播(TP)被中断或直到单池复合件中的最后一个电池单池热失控。
9.一种用于中断或延迟根据前述权利要求中任一项所述的高压电池***的单池复合件中的热传播(TP)的方法。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115966793A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-04-14 | 深圳华晓科技有限公司 | 一种低温条件下锂电池充放电控制方法及装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3376566A1 (en) * | 2017-03-17 | 2018-09-19 | Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG | Operating method, control unit, battery cell, cell module, battery and apparatus |
| DE102018203164A1 (de) * | 2018-03-02 | 2019-09-05 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Sicherheitssystem und Verfahren zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie |
| DE102019208571B3 (de) * | 2019-06-13 | 2020-10-22 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Batterie und Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie |
| CN112103416A (zh) * | 2019-06-17 | 2020-12-18 | 上汽通用汽车有限公司 | 一种电池以及一种安全电池*** |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102016224002A1 (de) | 2016-12-02 | 2018-06-07 | Audi Ag | Entladen von einem wenigstens zwei Batteriezellen aufweisenden Batteriemodul einer wenigstens zwei Batteriemodule aufweisenden Batterie |
-
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-
2022
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3376566A1 (en) * | 2017-03-17 | 2018-09-19 | Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG | Operating method, control unit, battery cell, cell module, battery and apparatus |
| DE102018203164A1 (de) * | 2018-03-02 | 2019-09-05 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Sicherheitssystem und Verfahren zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie |
| DE102019208571B3 (de) * | 2019-06-13 | 2020-10-22 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Batterie und Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie |
| CN112103416A (zh) * | 2019-06-17 | 2020-12-18 | 上汽通用汽车有限公司 | 一种电池以及一种安全电池*** |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115966793A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-04-14 | 深圳华晓科技有限公司 | 一种低温条件下锂电池充放电控制方法及装置 |
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