DE102011082561A1

DE102011082561A1 - Batteriezelle, Batteriezellenmodul, Verfahren zur Erhöhung der Ladung einer Batteriezelle, Verfahren zur Nivellierung einer Mehrzahl von Batteriezellen und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011082561A1
Application number: DE102011082561A
Authority: DE
Inventors: Stefan Soboll
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, die einen Pluspol (20) und einen Minuspol (30) und zwischen diesen Polen mit diesen elektrisch leitfähig verbunden wenigstens ein Halbleiterelement umfasst, mit welchem bei Ladung der Batterie eine Überladung vermeidbar ist.
Das Halbleiterelement ist erfindungsgemäß ein Transistor (40) oder ein Varistor (60). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Batteriezellenmodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, ein Verfahren zur Erhöhung der Ladung einer Batteriezelle und ein Verfahren zur Nivellierung einer Mehrzahl von Batteriezellen.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, ein Batteriezellenmodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, ein Verfahren zur Erhöhung der Ladung einer Batteriezelle und ein Verfahren zur Nivellierung der Spannung einer Mehrzahl von Batteriezellen.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug.
Dabei ist die vorliegende Erfindung insbesondere auf Lithium-Ionen-Batteriezellen beziehungsweise Lithium-Ionen-Batterien oder entsprechende Batteriezellenmodule bezogen.
Stand der Technik
Es besteht ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen und mobile Elektronikgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Kommunikationsgeräte. An diese Batterien werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt.
Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Derartige Lithium-Ionen-Zellen umfassen üblicherweise eine Elektrode, die Lithium-Ionen im Zuge der sogenannten Interkalation reversibel einlagern kann oder im Zuge der sogenannten Deinterkalation wieder auslagern kann. Die Interkalation erfolgt beim Ladeprozess der Batteriezelle, und die Deinterkalation erfolgt bei der Entladung der Batteriezelle zur Stromversorgung von elektrischen Aggregaten.
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen wie zum Beispiel bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen wie zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als auch im Verbraucher-Bereich, hier zum Beispiel in Laptops und Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Eine kritische Eigenschaft von Batteriezellen und insbesondere von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist deren Verhalten bei einem Laden bis zur maximal zulässigen Spannung der Batteriezelle. Zum Beispiel kann eine zulässige Maximalspannung bei vielen herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriezellen bei zirka 4,2 V liegen. Werden die Lithium-Ionen-Batteriezellen über die maximal zulässige Spannung geladen, kann es zu einer Schädigung der Batteriezellen und/oder auch zu einer unkontrollierbaren thermischen Reaktion (so genannter Thermal Runaway) kommen, welche gegebenenfalls mit einem Bersten der Batteriezelle beziehungsweise Brand- und/oder Explosionserscheinungen verbunden sein kann. In herkömmlicher Weise wird dies dadurch verhindert, dass die Spannung der Zelle beim Laden überwacht wird und bei Gefahr einer Überladung der Batteriezelle diese vom Ladegerät abgeschaltet wird. Dies erfordert einen relativ hohen steuerungstechnischen sowie gerätetechnischen Aufwand.
Weiterhin ist jedoch nicht nur ein Schutz gegenüber Überladung zu gewährleisten, sondern es ist anzustreben, dass alle verwendeten Zellen, die in einem Batteriezellenmodul oder in einer Batterie oder in sogenannten Battery-Packs vorliegen können, einen möglichst hohen und dabei gleichen Ladungszustand aufweisen. Gegebenenfalls wird dies durch ein sogenanntes Zell-Balancing realisiert. Auch für ein derartiges Balancing ist ein relativ hoher Steuerungsaufwand, gegebenenfalls durch Software, sowie ein erhöhter Fertigungs- und Montageaufwand zu betreiben.
Aus der DE 10 2009 025 211 A1 ist eine Batteriezellenanordnung mit vermindertem Ausfallrisiko bekannt, bei der ein Transistor als Bestandteil einer Auslöseschaltung zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen einer zu ladenden Batteriezelle und einem Ladegerät verwendet wird.
Die DE 10 2007 004 569 beschreibt eine Batterie mit Z-Dioden-Spannungsbegrenzungsschaltung, wobei die Z-Diode mehreren Batteriezellen zugeordnet ist, so dass bei unzulässig erhöhter Spannung Ladungsträger zum Schutz der Batteriezellen über die Z-Diode abgeleitet werden können.
Die US 2005/0225291 A1 stellt eine Ausgleichsschaltung dar, bei der mittels Dioden ein Balancing der Spannungszustände von vorzugsweise in Paketen angeordneten Batteriezellen durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Verfügung gestellt, welche einen Pluspol und einen Minuspol und zwischen diesen Polen mit diesen elektrisch leitfähig verbunden wenigstens ein Halbleiterelement umfasst, mit welchem bei Ladung der Batterie eine Überladung vermeidbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Halbleiterelement ein Transistor oder ein Varistor ist.
Unter einem Varistor wird ein spannungsabhängiger Widerstand verstanden, dessen Widerstand oberhalb einer bestimmten Schwell- oder Durchbruchspannung verringert ist.
Das Halbleiterelement ist zwischen den Polen mit diesen in Reihe geschaltet. Auf Grund der dem jeweiligen Halbleiterelement immanenten Durchbruchspannung oder Schwellspannung lässt sich die Batteriezelle so lange laden, bis die Durchbruchspannung beziehungsweise Schwellspannung des Halbleiterelements erreicht ist. Erfolgt eine weitere Ladung, erhöht sich weiterhin die Spannung zwischen den Batteriezellenpolen, so dass die Durchbruchspannung oder Schwellspannung überschritten wird. Dadurch wird das Halbleiterelement leitend.
Dadurch wird eine etwaige Überladung unterbrochen und die Zelle wird so lange über das Halbleiterelement entladen, bis die Durchbruchspannung des Halbleiterelementes unterschritten ist. Somit wird mit kostengünstigen Mitteln ein einfacher und zuverlässiger Schutz gegen Überladung zur Verfügung gestellt.
Im Fall der Verwendung eines Transistors ist vorgesehen, dass einer der beiden Transistorbestandteile Kollektor und Emitter am Pluspol oder am Minuspol der Batteriezelle angeschlossen ist, der andere Transistorbestandteil am anderen Pol angeschlossen ist, und die Basis des Transistors an einen Spannungsteiler angeschlossen ist.
Über den Spannungsteiler lässt sich die Steuerspannung des Transistors einstellen. Das heißt, dass sich mittels des Spannungsteilers einstellen lässt, ab welcher an den Polen der Batteriezelle anliegenden Spannung der Transistor den Strompfad freigibt und somit die Spannung durch einen über die Pole realisierten Stromfluss verringert wird.
Der Spannungsteiler ist derart einzustellen, dass die Schaltspannung der maximal möglichen Spannung in der Batteriezelle ist.
Im Fall der Verwendung eines Varistors ist vorgesehen, dass die Kontakte des Varistors an dem Pluspol und dem Minuspol der Batteriezelle angeschlossen sind. Die Schwellspannung beziehungsweise Durchbruchspannung des Varistors sollte derart bemessen sein, dass sie der maximal möglichen Spannung in der Batteriezelle entspricht.
Bei Überschreitung der Schwellspannung beziehungsweise Durchbruchspannung des Varistors wird der Varistor leitend, so dass der Strompfad zwischen den Batteriezellenpolen freigegeben ist und somit die Spannung durch einen über die Pole realisierten Stromfluss verringert wird.
Die Batteriezelle kann weiterhin ein Gehäuse umfassen, wobei der Transistor oder der Varistor im Gehäuse integriert sein kann. Damit ist eine einfache und unempfindliche Realisierung des Überladeschutzes der Batteriezelle möglich.
Vorteilhafterweise umfasst die Batteriezelle weiterhin einen Schutzwiderstand, der mit dem Transistor oder dem Varistor in Reihe geschaltet ist. Der Schutzwiderstand dient dem Schutz des Transistors beziehungsweise des Varistors, um eine Belastung des Transistors beziehungsweise des Varistors mit zu hohen Strömen zu vermeiden.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein Batteriezellenmodul zur Verfügung gestellt, welches eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Batteriezellen umfasst, wobei beim erfindungsgemäßen Batteriezellenmodul ein Transistor oder ein Varistor einer Mehrzahl von Batteriezellen zugeordnet ist. Unter dem erfindungsgemäßen Batteriezellenmodul kann auch eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen verstanden werden.
In einer Alternative betrifft die Erfindung ein Batteriezellenmodul, welches mehrere Batteriezellen umfasst, und jede der Batteriezellen einen eigenen Transistor beziehungsweise Varistor aufweist.
Außerdem wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erhöhung der Ladung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle zur Verfügung gestellt, bei dem durch Laden der Batteriezelle deren Spannung so weit erhöht wird, bis eine Durchbruchspannung des Halbleiterelementes erreicht ist und bei weiterer Einleitung von Ladungsträgern ein Stromfluss über das Halbleiterelement erfolgt. Die Durchbruchspannung des Halbleiterelementes sollte so bemessen sein, dass sie der maximal zulässigen Spannung der Batteriezelle entspricht.
Dadurch wird bei einem Ladevorgang, der ohne die Anordnung des Halbleiterelementes zu einer Überladung der Batteriezelle mit der Gefahr einer unkontrollierbaren thermischen Reaktion führen würde, eine Überladung verhindert, da bei Erreichen der Durchbruchspannung die Ladungsträger über das Halbleiterelement zwischen den Polen geleitet werden. Außerdem wird dadurch eine gegebenenfalls bereits erreichte unzulässig hohe Spannung der Batteriezelle bis auf die Höhe der Durchbruchspannung und damit auf ein ungefährliches Niveau abgebaut.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Nivellierung der Spannung einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Batteriezellen zur Verfügung gestellt, bei dem durch Laden der Batteriezellen deren Spannung bis auf wenigstens den Wert der Durchbruchspannung des Halbleiterelementes erhöht wird. Durch die gezielte Überladung der Batteriezellen mit einem vorzugsweise geringen Strom wird die Durchbruchspannung des Halbleiterelementes erreicht, so dass die Ladungsträger über das Halbleiterelement zwischen den Polen geleitet werden und alle mit einem Halbleiterelement mit der gleichen Durchbruchspannung versehenen Batteriezellen auf dieselbe Spannung geladen werden. Dadurch lässt sich in einfacher und kostengünstiger Weise eine Spannungsvergleichmäßigung oder ein sogenanntes Balancing der Batteriezellen realisieren. Dieses Verfahren kann sowohl an mehreren Batteriezellen durchgeführt werden, denen jeder ein eigenes Halbleiterelement zugeordnet ist, oder auch an mehreren Batteriezellen, die ein gemeinsames Halbleiterelement aufweisen.
Vorzugsweise beträgt der Überladestrom bei der Nivellierung 50 mA bis 600 mA.
Ergänzend wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches insbesondere ein elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug sein kann, und eine erfindungsgemäße Batteriezelle oder ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul aufweist.
Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit Transistor, und
2 eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit Varistor.
Bei den beiden in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batteriezelle umfasst diese ein Gehäuse 10, aus dem ein Pluspol 20 und ein Minuspol 30 herausragen. Die Erfindung ist dabei nicht auf herausragende Pole 20, 30 eingeschränkt, sondern es kann vorgesehen sein, dass die Pole 20, 30 auch mit dem Gehäuse 10 abschließend angeordnet sind. Zwischen dem Pluspol 20 und dem Minuspol 30 ist jeweils ein Halbleiterelement angeordnet. Dies ist in 1 ein Transistor 40 und in 2 ein Varistor 60.
Wie in 1 dargestellt, ist der Transistor 40 mit seinem Kollektor 41 am Pluspol 20 angeschlossen und mit seinem Emitter 42 am Minuspol 30 angeschlossen. Die Basis 43 des Transistors 40 ist an einen Spannungsteiler 50 angeschlossen. Dieser Spannungsteiler 50 kontaktiert wiederum ebenfalls den Pluspol 20 und den Minuspol 30.
Der in 2 dargestellte Varistor 60 ist mit seinen Kontakten an den Pluspol 20 und an den Minuspol 30 angeschlossen.
Werden Ladungsträger in die Batteriezelle geleitet, um deren Ladung zu erhöhen, kommt es zu einer Erhöhung der Spannung in der Batteriezelle. Übersteigt beim Ladeprozess die Spannung der Batteriezelle die Schwellspannung beziehungsweise Durchbruchspannung des Transistors 40 beziehungsweise des Varistors 60, wird durch das jeweilige Halbleiterelement ein Stromfluss zwischen dem Pluspol 20 und dem Minuspol 30 der Batteriezelle realisiert, so dass die Ladungsträger nicht mehr in die Batteriezelle gelangen und somit auch nicht mehr die Ladung beziehungsweise Spannung der Batteriezelle erhöht wird. Vorzugsweise entspricht die Schwell- beziehungsweise Durchbruchspannung des Transistors 40 beziehungsweise des Varistors 60 der maximal zulässigen Spannung der jeweiligen Batteriezelle.
Die Erfindung ist dabei nicht auf die dargestellte Anordnung einer Batteriezelle mit einem Transistor 40 beziehungsweise einem Varistor 60 eingeschränkt, sondern es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass mehrere Batteriezellen gemeinsam an einen Transistor 40 beziehungsweise einen Varistor 60 angeschlossen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009025211 A1 [0010]
DE 102007004569 [0011]
US 2005/0225291 A1 [0012]

Claims

Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassend einen Pluspol (20) und einen Minuspol (30) und zwischen diesen Polen mit diesen elektrisch leitfähig verbunden wenigstens ein Halbleiterelement, mit welchem bei Ladung der Batteriezelle eine Überladung vermeidbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement a) ein Transistor (40), oder b) ein Varistor (60) ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der einer der beiden Transistorbestandteile Kollektor (41) und Emitter (42) am Pluspol (20) oder am Minuspol (30) der Batteriezelle angeschlossen ist, der andere Transistorbestandteil am anderen Pol angeschlossen ist, und die Basis (43) des Transistors (40) an einen Spannungsteiler (50) angeschlossen ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der die Kontakte des Varistors (60) an dem Pluspol und dem Minuspol (30) der Batteriezelle angeschlossen sind.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Batteriezelle weiterhin ein Gehäuse (10) umfasst und der Transistor (40) oder der Varistor (60) im Gehäuse (10) integriert ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin einen Schutzwiderstand umfasst, der mit dem Transistor (40) oder dem Varistor (60) in Reihe geschaltet ist.
Batteriezellenmodul, umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Transistor (40) oder ein Varistor (60) einer Mehrzahl von Batteriezellen zugeordnet ist.
Verfahren zur Erhöhung der Ladung einer Batteriezelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem durch Laden der Batteriezelle deren Spannung so weit erhöht wird, bis eine Durchbruchspannung des Halbleiterelementes erreicht ist und bei weiterer Einleitung von Ladungsträgern ein Stromfluss über das Halbleiterelement erfolgt.
Verfahren zur Nivellierung der Spannung einer Mehrzahl von Batteriezellen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem durch Laden der Batteriezellen deren Spannung bis auf wenigstens den Wert der Durchbruchspannung des Halbleiterelementes erhöht wird.
Verfahren zur Nivellierung nach Anspruch 8, bei dem der Überladestrom 50 mA bis 600 mA beträgt.
Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend eine Batteriezelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 oder ein Batteriezellenmodul gemäß Anspruch 6. wobei die Batteriezelle oder das Batteriezellenmodul mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.