DE102014205116A1

DE102014205116A1 - Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Strombegrenzungsschaltung und Verfahren zum Begrenzen eines über die Batteriezelle und die Batteriezellanschlüsse der Batteriezelle fließenden Stromes

Info

Publication number: DE102014205116A1
Application number: DE102014205116.9A
Authority: DE
Inventors: Uwe Rauscher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-09-24
Also published as: CN104935026A; CN104935026B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung mit einer zwischen zwei Batteriezellanschlüsse geschalteten Batteriezelle (11) und einer zwischen die Batteriezelle und mindestens einen Batteriezellanschluss Strombegrenzungsschaltung (60), die eine erste Schalteinheit (70), die bei einem batteriezellextern an die Batteriezellanschlüsse angeschlossenen geschlossenen Stromkreis von ihrem nicht leitenden in ihren leitenden Zustand schaltet und beim Vorliegen eines über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit einem ersten Stromwert, der einen Stromgrenzwert unterschreitet, in ihrem leitenden Zustand geschaltet bleibt, in dem die erste Schalteinheit von dem Strom mit dem ersten Stromwert durchflossen ist, und eine Steuereinheit umfasst, die beim Vorliegen des die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit einem zweiten Stromwert, der gleich mit dem Stromgrenzwert ist oder den Stromgrenzwert überschreitet, die erste Schalteinheit in ihren nicht leitenden Zustand schaltet, in dem die erste Schalteinheit den durch diese fließenden Strom unterbricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Strombegrenzungsschaltung zum Begrenzen eines über die Batteriezelle und die Batteriezellanschlüsse der Batteriezelle fließenden Stromes. Auch betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Begrenzen eines über die Batteriezelle und die Batteriezellanschlüsse der Batteriezelle fließenden Stromes. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemanagementsystem für ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren solchen in Reihe geschalteten Batteriezelleinrichtungen.
Stand der Technik
In aktuellen und zukünftigen Automobilgenerationen spielt die Elektromobilität eine immer wichtigere Rolle. Dabei können Elektroantriebe entweder komplett als Alternative zum bekannten Verbrennungsmotor oder zur Unterstützung eines Verbrennungsmotors in Hybridantrieben eingesetzt werden.
In einem Elektro- oder Hybridantrieb wird eine Traktionsbatterie eingesetzt, die mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen, einem entsprechenden Zwischenkreis und einem Inverter beziehungsweise Pulswechselrichter vorgesehen wird. Der Pulswechselrichter wandelt dabei die Gleichspannung des Zwischenkreises, die als Zwischenkreisspannung bezeichnet wird, in die erforderliche dreiphasige Wechselspannung mit sinusförmigem Verlauf um. Die Traktionsbatterie ist typischerweise aus mehreren Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet, die eine sehr eingeschränkte Betriebstemperatur und auch einen eingeschränkten Spannungsbereich beim Aufladen und Entladen zulassen. Diese Batteriezellen gibt es in unterschiedlichen Leistungsklassen und Bauformen. Beispielsweise werden 20Ah-Batteriezellen in sehr vielen Anwendungen im Automobilbereich (Automotive-Anwendungen) eingesetzt.
Zur Sicherstellung dieser Arbeitspunkte kommt Sensorik zum Einsatz. Die Spannung und Temperatur einer jeden Batteriezelle wird durch eine Batteriezellüberwachungselektronik (Zellüberwachungs-IC) erfasst und an eine zentrale Einheit weitergeleitet. Ebenso kann durch diese Batteriezellüberwachungselektronik ein Ladeausgleichverfahren (Zellbalancing) durchgeführt werden, bei dem die Ladezustände der Batteriezellen aneinander angeglichen werden. Diese Elektronik wird typischerweise zusammen mit den Batteriezellen verbaut.
Die Traktionsbatterie erzeugt die Zwischenkreisspannung, die eine Gleichspannung von etwa 400 bis 500 V ist. Die Zwischenkreisspannung wird dem Pulswechselrichter bereitgestellt. Der Pulswechselrichter (PWR) wandelt dann die Zwischenkreisspannung in eine dreiphasige Wechselspannung um, die direkt einer elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Da die Drehzahl eines von der elektrischen Maschine angetriebenen Motors abhängig von der Frequenz der Wechselspannung ist, variiert auch die Geschwindigkeit eines mittels eines solchen Motors betriebenen Fahrzeuges mit der Frequenz der Wechselspannung.
Die Verwendung von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist auch mit einem erheblichen Gefahrenpotential verbunden. Erfolgt eine Überhitzung der Lithium-Ionen-Batteriezellen, die beispielsweise durch einen unzulässigen Betrieb dieser Batteriezellen oder durch mechanische Einflüsse verursacht werden kann, so kann es zu einer Entzündung dieser Batteriezellen kommen. Eine Entzündung ist meistens sehr heftig und mit sehr hohen Temperaturen verbunden. Deswegen kann eine solche Entzündung wiederum zu einer Kettenreaktion im Gesamtverbund der Traktionsbatterie führen und letztendlich ein Fahrzeugbrand hervorrufen.
Ein unzulässiger Betrieb der Lithium-Ionen-Batteriezellen liegt auch dann vor, wenn durch die Batteriezellen ein Überstrom fließt, der beispielsweise durch einen Kurzschluss oder eine Fehlfunktion der eingesetzten Betriebselektronik hervorgerufen werden kann. Die Batteriezellen müssen für solchen Fälle mit sehr akribischen Isolationsmaßnahmen und einer aufwendigen Überwachung der Betriebselektronik vorgesehen werden. Somit wird das durch das Auftreten solcher Fälle hervorgerufene Risiko stark minimiert, jedoch nicht gänzlich ausgeschlossen. Auch interne mechanische Defekte der Batteriezellen können zum Auftreten eines solchen Überstroms führen. Diese Defekte können durch Fehler beim Herstellungsprozess, Alterungseffekte oder auch durch externe mechanische Einflüsse vorkommen, die beispielsweise durch einen Unfall, bei dem ein leitender Gegenstand in eine Batteriezelle gedrückt wird, verursacht werden können. Ein durch die Batteriezelle fließender Strom wird in diesen Fällen nur durch den Innenwiderstand der Batteriezelle begrenzt.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Batteriezelleinrichtung 10 mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 11 ist in der 1 dargestellt. In der 1 sind auch der negative Batteriezellanschluss 21 und der positive Batteriezellanschluss 22 der Batteriezelle 11 eingezeichnet. Typischerweise ist der Innenwiderstand 30 einer üblichen Lithium-Ionen-Batteriezelle 11 sehr gering. Bei Vorliegen eines Kurzschlusses führt ein solch geringer Innenwiderstand 30 zum Auftreten eines sehr hohen, durch die Batteriezelle 11 fließenden Überstromes und so zu einer extrem starken Erwärmung der Batteriezelle 11.
In solchen Batteriezelleinrichtungen 10 wird gemäß dem Stand der Technik nur eine sehr toleranzbehaftete Sicherung 40 in Form einer Schmelzsicherung eingesetzt. Die Sicherung 40 wird dabei in Reihe mit der Batteriezelle 11 angeschlossen. Diese Sicherung 40 bietet keinen ausreichenden Schutz vor einer Überbelastung der Batteriezellen 11 infolge des Auftretens eines durch die Batteriezelle 11 fließenden Überstromes und muss daher durch eine elektronische Schaltung (Beschaltung), die batteriezellextern liegt beziehungsweise angeordnet ist, ergänzt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung wird in der 1 eine solche batteriezellextern liegende Schaltung nicht dargestellt.
Diese batteriezellextern liegende Schaltungen können jedoch einen batteriezellinternen Überstrom beziehungsweise Fehlerstrom, der beispielsweise durch eine Beschädigung der Batteriezelle 11 beziehungsweise durch einen batteriezellintern liegenden Kurzschluss verursacht wird, nicht begrenzen. Daher werden solche Lithium-Ionen-Batteriezellen 11 im Rahmen von SIL- und ASIL-Sicherheitsstufen (Savety-Leveln) von Grund auf als sehr „unsicher" eingestuft. Das Einsetzen aufwendiger mechanischer Lösungen, wie beispielsweise das Einsetzen eines kontrollierten "Abblasens" der Batteriezelle durch Sollbruchstellen in Zellgehäuse, ist zur besseren Absicherung der Batteriezellen 11 notwendig.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelleinrichtung mit einer zwischen zwei Batteriezellanschlüsse geschalteten Batteriezelle bereitgestellt. Die Batteriezelleinrichtung weist eine zwischen die Batteriezelle und mindestens einen Batteriezellanschluss geschaltete Strombegrenzungsschaltung zum Begrenzen eines über die Batteriezelle und die Batteriezellanschlüsse fließenden Stromes auf. Die Strombegrenzungsschaltung umfasst eine erste Schalteinheit, die beim Vorliegen eines batteriezellextern an die Batteriezellanschlüsse angeschlossenen geschlossenen Stromkreises, von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand schaltet und beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen liegenden Stromkreis fließenden Stromes mit einem ersten Stromwert, der einen Stromgrenzwert unterschreitet, weiterhin in ihrem leitenden Zustand geschaltet bleibt, in dem die erste Schalteinheit von dem Strom mit dem ersten Stromwert durchflossen ist. Ferner umfasst die Strombegrenzungsschaltung eine Steuereinheit, die beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit einem zweiten Stromwert, der gleich mit dem Stromgrenzwert ist oder den Stromgrenzwert überschreitet, die erste Schalteinheit in ihren nicht leitenden Zustand schaltet, in dem die erste Schalteinheit den durch diese fliesenden Strom unterbricht.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Begrenzen eines über eine zwischen zwei Batteriezellanschlüsse geschaltete Batteriezelle und über die Batteriezellanschlüsse fließenden Stromes bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird beim Vorliegen eines batteriezellextern an die Batteriezellanschlüsse angeschlossenen geschlossenen Stromkreises, eine erste Schalteinheit einer zwischen die Batteriezelle und mindestens einen Batteriezellanschluss geschalteten Strombegrenzungsschaltung von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand geschaltet. Beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit einem ersten Stromwert, der einen Stromgrenzwert unterschreitet, bleibt die erste Schalteinheit weiterhin in ihrem leitenden Zustand geschaltet, in dem die erste Schalteinheit von dem Strom mit dem ersten Stromwert durchflossen ist. Beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit einem zweiten Stromwert, der gleich mit dem Stromgrenzwert ist oder den Stromgrenzwert überschreitet, wird die erste Schalteinheit mittels einer Steuereinheit der Strombegrenzungsschaltung in ihren nicht leitenden Zustand geschaltet, in dem die erste Schalteinheit den durch diese fließenden Strom unterbricht.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt umfasst die Batteriezelleeinrichtung eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Weiter bevorzugt fließt der über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließende Strom von dem negativen Batteriezellanschluss über die Batteriezelle zu dem positiven Batteriezellanschluss.
Mittels der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung kann auch ein von einem Batteriezellanschluss über die Batteriezelle zu dem anderen Batteriezellanschluss fließender Strom, wie beispielsweise ein Kurzschlussstrom, begrenzt werden. Mittels der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung kann so auch ein batteriezellintern fließender Fehlerstrom, der beispielsweise infolge einer Beschädigung der Batteriezelle oder eines batteriezellintern liegenden Kurzschlusses auftreten kann, unterbrochen werden.
Wenn die erste Schalteinheit den Stromfluss unterbrochen hat und der batteriezellextern an die Batteriezellanschlüsse angeschlossene Stromkreis immer noch geschlossen ist, schaltet die erste Schalteinheit wieder in ihren leitenden Zustand bis der über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließende Strom den Stromgrenzwert überschreitet und die Steuereinheit die erste Schalteinheit wieder in ihren nicht leitenden Zustand schaltet. Das Umschalten der ersten Schalteinheit von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand und von ihrem leitenden Zustand in ihren nicht leitenden Zustand wird weiterhin fortgeführt, bevorzugt bis das Vorliegen dieses widerholten Umschaltens der ersten Schalteinheit beispielsweise mittels eines Batteriemanagement des Batteriesystems als fehlerhaften Zustand detektiert wird und die Batteriezelleinheit durch das Batteriemanagementsystem komplett überbrückt beziehungsweise ausgeschaltet wird.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung, die batteriezellintern angeordnet ist, werden die zur Absicherung der Batteriezelle notwendigen mechanischen Abfanglösungen einfacher und kostengünstiger ausführbar. Ferner werden die bei der aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellen eingesetzten batteriezellextern liegenden Schaltungen überflüssig.
Weiterhin wird die Gefahr des Auftretens eines Brandes der erfindungsgemäßen Batteriezellen drastisch reduziert. Daher werden insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen sicherer und können im Rahmen von SIL- und ASIL-Sicherheitsstufen (Savety-Leveln) von Grund auf besser eingestuft werden.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die erste Schalteinheit einen als ein Feldeffekttransistor ausgebildeten ersten Transistor. Bevorzugt umfasst die Steuereinheit eine zweite Schalteinheit mit zwei Schaltzuständen, insbesondere einen bevorzugt als ein weiterer Feldeffekttransistor ausgebildeten zweiten Transistor.
Vorzugsweise ist die zweite Schalteinheit dazu ausgebildet, beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem zweiten Stromwert den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des ersten Transistors bevorzugt über einen in der Strombegrenzungsschaltung angeordneten ersten Widerstand leitend miteinander zu verbinden.
Dabei beträgt die zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des ersten Transistors anliegenden Spannung in dem Zustand, in dem der Gate-Anschluss und der Source-Anschluss des ersten Transistors direkt miteinander verbunden sind, 0 V. Folglich schaltet der erste Transistor in seinem Sperrzustand.
Bevorzugt verändert die Spannung, die auf den ersten Widerstand in dem Zustand abfällt, in dem der Gate-Anschluss und der Source-Anschluss des ersten Transistors über den ersten Widerstand leitend miteinander verbunden sind, die zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des ersten Transistors anliegende Spannung derartig, dass der erste Transistor in seinem Sperrzustand schaltet.
Das bedeutet, dass beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem zweiten Stromwert die zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des ersten Transistors anliegende Spannung die Schwellenspannung des ersten Transistors nicht mehr überwindet. Folglich schaltet der erste Transistor in seinem Sperrzustand und unterbricht dadurch den durch ihn fließenden Strom.
Bei einer besonderes vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Schalteinheit beim Vorliegen des batteriezellexternen und an die Batteriezellanschlüssen angeschlossenen geschlossenen Stromkreises und beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem ersten Stromwert in seinem nicht leitenden Zustand geschaltet. Ferner schaltet die zweite Schalteinheit beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem zweiten Stromwert von ihrem nicht leitenden Zustand in ihrem leitenden Zustand.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der erste Widerstand dazu vorgesehen, eine über den ersten Widerstand abfallende Spannung bereitzustellen, die beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem zweiten Stromwert eine zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des zweiten Transistors anliegende Spannung derartig verändert, dass der zweite Transistors von seinem nicht leitenden Zustand in seinen leitenden Zustand schaltet.
Vorzugsweise ist der erste Widerstand zwischen den Gate- und den Source-Anschluss des zweiten Transistors geschaltet und von dem über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Strom durchflossen. Die zwischen dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors und dem Source-Anschluss des zweiten Transistors anliegende Spannung, die der über dem ersten Widerstand abfallenden Spannung entspricht, kann in einer sehr einfachen Weise gesteuert werden, da sich diese über dem ersten Widerstand abfallende Spannung proportional mit dem durch den ersten Widerstand fließenden Strom verändert.
Dabei ist der erste Widerstand derartig dimensioniert, dass beim Vorliegen des über die Batteriezelle, den ersten Widerstand, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes, dessen Stromwert den Stromgrenzwert überschreitet, die Schwellenspannung des zweiten Transistors durch die über dem ersten Widerstand abfallende Spannung überwunden wird. Dadurch wird der zweite Transistor in seinen leitenden Zustand durchgeschaltet, in dem der zweite Transistor den ersten Transistor von seinem leitenden Zustand in seinen Sperrzustand schaltet.
Vorzugsweise sind zum Schalten des ersten Transistors von seinem nicht leitenden in seinen leitenden Zustand der Drain-Anschluss und der Gate-Anschluss des ersten Transistors bevorzugt über einen zweiten Widerstand der Strombegrenzungsschaltung leitend miteinander verbunden.
Der erste Transistor ist in dem Zustand, in dem die Batteriezellanschlüsse nicht durch einen batteriezellexternen Stromkreis leitend miteinander verbunden sind, in seinem Sperrzustand geschaltet. Ist der Drain-Anschluss des ersten Transistors beispielsweise mit dem positiven Batteriezellpol der Batteriezelle verbunden und werden die Batteriezellanschlüsse durch einen batteriezellexternen Stromkreis leitend miteinander verbunden, so fließt zunächst kein Strom durch den batteriezellexternen Stromkreis. Dabei ist in dem batteriezellexternen Stromkreis mindestens ein Verbraucher und/oder mindestens eine weitere Batteriezelle angeordnet.
Ferner ist die Batteriezelle über den batteriezellexternen Stromkreis in Reihe mit der weiteren Batteriezelle verbindbar. In dem Zustand, in dem noch kein Strom durch den batteriezellextern liegenden und an die Batteriezellanschlüsse angeschlossenen Stromkreis fließt, liegt an dem Drain-Anschluss des ersten Transistors das Potential des positiven Batteriezellpols der Batteriezelle an. Da der Gate-Anschluss und der Drain-Anschluss des ersten Transistors leitend miteinander verbunden sind, liegt an dem Gate-Anschluss des ersten Transistors dasselbe Potential wie an dem Drain-Anschluss des ersten Transistors an. Folglich liegt auch an dem Gate-Anschluss des ersten Transistors das Potential des positiven Batteriezellpols der Batteriezelle an.
Weiterhin liegt an dem Source-Anschluss des ersten Transistors, der in diesem Fall mit dem negativen Batteriezellpol der Batteriezelle über den Verbraucher oder mit dem negativen Batteriezellpol der Batteriezelle über den Verbraucher und die mindestens eine weitere Batteriezelle des batteriezellexternen Stromkreises verbundenen ist, das Potential des negativen Batteriezellpols der Batteriezelle an oder das Potential des negativen Batteriezellpols eines weiteren Batteriezelle an. Insgesamt liegt zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des ersten Transistors dann eine Spannung an, die gleich mit der Batteriezellspannung ist oder größer als die Batteriezellspannung ist und zum Schalten des ersten Transistors von seinem Sperrzustand in seinen leitenden Zustand führt.
Bevorzugt begrenzt die erfindungsgemäße Strombegrenzungsschaltung einen beim Vorliegen eines an die Batteriezellanschlüsse angeschlossenen Verbrauchers über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den Verbraucher fließenden Strom. Beim Vorliegen einer an die Batteriezellanschlüsse angeschlossenen Ladeeinheit zum Aufladen der Batteriezelle bleibt die erste Schalteinheit der Strombegrenzungsschaltung in ihrem nicht leitenden Zustand geschaltet.
Weiter bevorzugt umfasst die Batteriezelleinrichtung eine Diode, die beim Vorliegen der an die Batteriezellanschlüsse angeschlossenen Ladeeinheit in ihren leitenden Zustand übergeht und von einem über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und die Ladeeinheit fließenden Strom in ihrer Durchlassrichtung durchflossen ist.
Dadurch wird beispielsweise auch ein relativ großer Ladestrom, der von dem positiven Batteriezellanschluss über die Batteriezelle zu dem negativen Batteriezellanschluss fließt, nicht durch die entsprechende Strombegrenzungsschaltung unterbrochen und die Batteriezelle kann schnell wieder aufgeladen werden.
Vorzugsweise sind die Strombegrenzungsschaltung und/oder die Diode in der Batteriezelle integriert.
Bevorzugt umfasst die Batteriezelleeinrichtung eine zwischen der Batteriezelle und einem Batteriezellanschluss angeordnete Sicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, die von dem über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Strom durchflossen ist. Weiter bevorzugt ist die Sicherung dazu vorgesehen, beim Vorliegen des über die Batteriezelle, die Batteriezellanschlüsse und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem zweiten Stromwert auszulösen.
Vorzugsweise ist die Sicherung in der Batteriezelle integriert.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die funktionellen Merkmale der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung einzeln oder in Kombination.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem für ein Batteriesystem, das eine Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen umfasst. Das Batteriemanagementsystem ist dazu ausgebildet, beim einfachen oder mehrfachen Vorliegen einer vorbestimmten Spannungsschwankung einer Batteriezellspannung, die zwischen den Batteriezellanschlüssen einer Batteriezelle einer der mehreren Batteriezelleinrichtungen anliegt, einen defekten Zustand dieser Batteriezelleinrichtung, in dem die entsprechende Strombegrenzungsschaltung einen über die entsprechende Batteriezelle und die entsprechenden Batteriezellanschlüsse fließenden Strom begrenzt, zu ermitteln.
Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen in aktuellen Batteriesystemen, wie beispielsweise in Lithium-Ionen-Batteriesystemen für solche in dem Automobilbereich (Automotive-Bereich) verwendeten Elektroantriebssysteme, eingesetzt. Denkbar wäre auch der Einsatz der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen in dem SmartCell-Technologiebereich, insbesondere zum Erzielen eines zusätzlichen funktionalen Umfangs des SmartCell-Prinzips.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem, das eine Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen umfasst, und einem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen im Detail beschrieben. Gleiche Komponenten werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. In den Zeichnungen sind:
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer batteriezellintern angeordneten Sicherung,
2 eine Batteriezelleinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Batteriezelleinrichtung eine Batteriezelle und eine batteriezellintern angeordnete Strombegrenzungsschaltung umfasst, und
3 eine Batteriezelleinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Batteriezelleinrichtung eine Batteriezelle, eine batteriezellintern angeordnete Strombegrenzungsschaltung und auch eine batteriezellintern angeordnete Sicherung umfasst.
Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt eine Batteriezelleinrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Batteriezelleinrichtung 100 umfasst eine Lithium-Ionen-Batteriezelle 11 und eine batteriezellintern angeordnete Strombegrenzungsschaltung 60. Der Innenwiderstand der Batteriezelle 11 ist mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet. In der 2 sind auch der negative Batteriezellpol 15 und der positive Batteriezellpol 16 eingezeichnet. Ferner sind auch der negative Batteriezellanschluss 21 und der positive Batteriezellanschluss 22 eingezeichnet.
Die Strombegrenzungsschaltung 60 ist in dem zwischen dem positiven Batteriezellpol 16 und dem zugeordneten positiven Batteriezellanschluss 22 verlaufenden Strompfad der Batteriezelle 11 angeordnet. Die Strombegrenzungsschaltung 60 umfasst einen ersten Transistor 70, der als Feldeffekttransistor, insbesondere als Power-MOSFET, ausgebildet ist. Der erste Transistor 70 weist einen Gate-Anschluss 71, einen Source-Anschluss 72 und einen Drain-Anschluss 73 auf.
Die Strombegrenzungsschaltung 60 umfasst weiterhin einen zweiten Transistor 80, der bevorzugt als Feldeffekttransistor, insbesondere als Standard-MOSFET, ausgebildet ist. Ferner weist der zweite Transistor 80 einen Gate-Anschluss 81, einen Source-Anschluss 82 und einen Drain-Anschluss 83 auf.
In der in der 2 dargestellten Ausführungsform ist der positive Batteriezellpol 16 mit dem Drain-Anschluss 73 des ersten Transistors 70 verbunden und der Source-Anschluss 72 des ersten Transistors 70 ist über einen ersten Widerstand 90, der bevorzugt als Shunt-Widerstand ausgebildet ist, mit dem positiven Batteriezellanschuss 22 verbunden. Zwischen dem Gate-Anschluss 71 und dem Drain-Anschluss 73 des ersten Transistors 70 ist ein zweiter Widerstand (Pull-Up Widerstand) 95 angeschlossen. Ferner ist der Gate-Anschluss 71 des ersten Transistors 70 mit dem Drain-Anschluss 83 des zweiten Transistors 80 direkt verbunden. Der Gate-Anschluss 81 des zweiten Transistors 80 ist an dem Source-Anschluss 72 des ersten Transistors 70 und der Source-Anschluss 82 des zweiten Transistors 80 ist an den positiven Batteriezellanschluss 22 angeschlossen.
Die Batteriezelleinrichtung 100 umfasst ferner eine Diode 99, die an ihrer Kathode mit dem Drain-Anschluss 73 des ersten Transistors 70 verbunden ist und an ihrer Anode mit dem Source-Anschluss 82 des zweiten Transistors 80 verbunden ist.
Schaltungstechnisch wurden also in den Längspfad des positiven Batteriezellanschlusses 22, das heißt, in den zwischen dem positiven Batteriezellpol 16 und dem positiven Batteriezellanschluss 22 verlaufenden Strompfad der Batteriezelle 11 der erste Transistor 70, der bevorzugt als Power-MOSFET ausgebildet ist, und zusätzlich auch der erste Widerstand 90, der bevorzugt als Shunt-Widerstand ausgebildet ist, eingefügt. Der erste Transistor 70 benötigt einen Spannungsbereich, der mit der maximalen Spannung, die innerhalb der Batteriezelleinrichtung 100 auftreten kann, gleichzusetzten ist. Diese maximale Spannung liegt in dem Bereich von 4,5 bis 5V.
Aufgrund der in jeder Batteriezelleinrichtung 100 zusätzlich erzeugten Verlustleistung sollte für den ersten Transistor 70 ein Transistortyp ausgewählt werden, der in seinem leitenden Zustand einen extrem geringen Widerstand der zwischen seinem Drain-Anschluss 73 und seinem Source-Anschluss 72 verlaufenden Strecken aufweist. Gleiches gilt für den als Shunt-Widerstand ausgebildeten ersten Widerstand 90. Auch dieser Shunt-Widerstand 90 darf nicht zu hoch dimensioniert werden, damit auch die durch den ersten Widerstand 90 erzeugte Verlustleistung nicht zu hoch wird. Auf diese Weise wird auch der Wirkungsgrad eines Batteriesystems mit solchen erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen 100 nicht wesentlich verschlechtert.
Im Normalbetrieb der Batteriezelleinrichtung 100, das heißt, wenn ein Strom von dem negativen Batteriezellanschluss 21 über die Batteriezelle 11 zu dem positiven Batteriezellanschluss 22 beziehungsweise über die Batteriezelle 11, die Batteriezellanschlüsse 21, 22 und einen externen Verbraucher fließt, fällt über den als Shunt-Widerstand ausgebildeten ersten Widerstand 90 eine Spannung ab, die unterhalb der Schwellenspannung des zweiten Transistors 80 liegt, der bevorzugt als Standart-MOSFET ausgebildet ist. Die Potentialdifferenz zwischen dem an dem Gate-Anschluss 71 des ersten Transistors 70 anliegenden Potential und dem an dem Source-Anschluss 72 des ersten Transistors 70 anliegenden Potential ist höher als die Schwellenspannung des ersten Transistors 70. Folglich ist der erste Transistor 70 durchgeschaltet. Der Strom kann somit ungehindert aus der Batteriezelle 11 über den durchgeschalteten Transistor 70 in den Verbraucher fließen.
Steigt nun der gezogene Strom aufgrund eines Defektes oder Fehlbeschaltung in der Batteriezelle 11 an, so steigt der Spannungsabfall über den als Shunt-Widerstand ausgebildeten ersten Widerstand 90 an. Der erste Widerstand 90 ist dabei so zu dimensionieren, dass beim Vorliegen eines Stromes, der größer als ein für die Batteriezelle 11 kritischer Strom ist, der Spannungsabfall über dem ersten Widerstand 90 so hoch wird, dass die Schwellenspannung des zweiten Transistors 80 überschritten wird. Der zweite Transistor 80 schaltet nun durch und zieht die Potentialdifferenz zwischen dem an dem Gate-Anschluss 71 des ersten Transistors 70 anliegenden Potential und dem an dem Source-Anschluss 72 des ersten Transistors 70 anliegenden Potential unterhalb die Schwellenspannung des ersten Transistors 70. Dadurch wird der erste Transistor 70 in seinen Sperrzustand geschaltet. Folglich ist der gesamte Stromfluss unterbrochen. Somit fällt auch keine Spannung mehr über den ersten Widerstand 90 ab und der zweite Transistor 80 öffnet ebenfalls wieder.
Da der Gate-Anschluss 71 des ersten Transistors 70 über den zweiten Widerstand (Pull-Up Widerstand) 95 an dem Drain-Anschluss 73 des ersten Transistors 70, angeschlossen ist, schließt der erste Transistor 70 nachdem der gesamte Stromfluss unterbrochen wurde sofort wieder solange, bis der über dem ersten Widerstand 90 entstehende Spannungsabfall die Schwellenspannung des zweiten Transistors 80 überschreitet und dadurch der erste Transistor 70 geöffnet wird oder der Stromfluss anderweitig unterbrochen wird.
Das Auftreten eines solchen Ereignisses kann extern über das Batteriemanagementsystem eines Batteriesystems mit einer Batterie, die mehrere erfindungsgemäße Batteriezelleinrichtungen 100 umfasst, ermittelt werden, indem die Spannung an den Batteriezellanschlüssen 21, 22 der Batteriezellen 11 permanent gemessen wird. Sobald die Spannung an dem positiven Batteriezellanschluss 22 einbricht, ist damit zu rechnen, dass die interne Strombegrenzungsschaltung 60 angeschlagen hat beziehungsweise aktiviert wurde. Nach einer bestimmten Zeit ist es dann ratsam, über batteriezellextern angeordnete elektronische Schalter die betroffene Batteriezelleinrichtung 100 und so auch die entsprechende Batteriezelle 11 aus dem Stromkreis des Batteriesystems herauszunehmen, beziehungsweise die entsprechende Batterie vom Verbraucher zu nehmen. So wird vermieden, dass die Strombegrenzungsschaltung 60 dauerhaft betrieben wird und der fehlerhafte Bereich einer entsprechenden Batterie, das heißt, der Bereich der Batterie, in dem sich fehlerhafte Batteriezelleinrichtungen befinden, nicht sicher außer Betrieb genommen wird.
Nach der Kontaktierung einer erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung 100 mit weiteren Batteriezelleinrichtungen (nicht dargestellt) und/oder mit dem Verbraucher (nicht dargestellt), das heißt, nach der Kontaktierung einer Batteriezelle 11 mit weiteren Batteriezellen und/oder mit dem Verbraucher, liegt zwischen dem Gate-Anschluss 71 und dem Source-Anschluss 72 des ersten Transistors 70 gleich eine Spannung an, die größer als die Schwellenspannung des ersten Transistors 70 ist. Dadurch wird der Transistor 70 sofort leitend und somit ist auch die Batteriezelleinrichtung 100 und die entsprechende Batteriezelle 11 aktiv.
Beim Aufladen der Lithium-Ionen-Batteriezelle 11 wird die Strombegrenzungsschaltung 60 durch die Diode 99 umgangen. Die Auslegung der Diode 99 bezieht sich auf den maximalen Ladestrom, der während des Aufladens der Batteriezelle 11 erlaubt ist, und muss auf eine entsprechende Verlustleistung dimensioniert werden.
3 zeigt eine Batteriezelleinrichtung 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei in der Batteriezelleinrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung neben der Batteriezelle 11, der batteriezellintern angeordneten Strombegrenzungsschaltung 60 und der Diode 99 auch eine batteriezellintern angeordnete Sicherung 40 vorhanden ist. Die Sicherung 40 ist zwischen dem positiven Batteriezellpol 16 und der Strombegrenzungsschaltung 60 angeordnet. Dabei ist die Sicherung 40 an einem ihrer Anschlüsse mit dem positiven Batteriezellpol 16 und an dem anderen ihrer Anschlüsse mit dem Drain-Anschluss 73 des ersten Transistors 70 verbunden. Vorzugsweise ist die Sicherung 40 als Schmelzsicherung ausgebildet.
Da solche derzeit für Batteriezellen 11 eingesetzten Sicherung 40 eine sehr toleranzbehaftete Art von Schmelzsicherungen sind, ist es sehr vorteilhaft, wenn eine solche Sicherung 40 durch eine erfindungsgemäße Strombegrenzungsschaltung 60 ergänzt wird, weil dadurch nur einfacher realisierbare Absicherungsmaßnahmen außerhalb der Batteriezelleinrichtungen 100 vorzunehmen sind.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 3 Bezug genommen.

Claims

Batteriezelleinrichtung (100) mit einer zwischen zwei Batteriezellanschlüsse (21, 22) geschalteten Batteriezelle (11), gekennzeichnet durch eine zwischen die Batteriezelle (11) und mindestens einen Batteriezellanschluss (21, 22) geschaltete Strombegrenzungsschaltung (60) zum Begrenzen eines über die Batteriezelle (11) und die Batterieanschlüsse (21, 22) fließenden Stromes, die eine erste Schalteinheit (70), die beim Vorliegen eines batteriezellextern an die Batteriezellanschlüsse (21, 22) angeschlossenen geschlossenen Stromkreises von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand schaltet und beim Vorliegen eines über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit einem ersten Stromwert, der einen Stromgrenzwert unterschreitet, in ihrem leitenden Zustand geschaltet bleibt, in dem die erste Schalteinheit (70) von dem Strom mit dem ersten Stromwert durchflossen ist, und eine Steuereinheit umfasst, die beim Vorliegen des über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit einem zweiten Stromwert, der gleich mit dem Stromgrenzwert ist oder den Stromgrenzwert überschreitet, die erste Schalteinheit (70) in ihren nicht leitenden Zustand schaltet, in dem die erste Schalteinheit (70) den durch diese fließenden Strom unterbricht.
Batteriezelleinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Schalteinheit (70) einen als ein Feldeffekttransistor ausgebildeten ersten Transistor (70) umfasst und/oder die Steuereinheit eine zweite Schalteinheit (80) mit zwei Schaltzuständen, insbesondere einen bevorzugt als ein weiterer Feldeffekttransistor ausgebildeten zweiten Transistor (80), umfasst.
Batteriezelleinrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei die zweite Schalteinheit (80) dazu ausgebildet ist, beim Vorliegen des über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem zweiten Stromwert den Gate-Anschluss (71) und den Source-Anschluss (72) des ersten Transistors (70) bevorzugt über einen in der Strombegrenzungsschaltung (60) angeordneten ersten Widerstand (90) leitend miteinander zu verbinden.
Batteriezelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, wobei die zweite Schalteinheit (80) beim Vorliegen des batteriezellextern an die Batteriezellanschlüsse (21, 22) angeschlossenen geschlossenen Stromkreises und beim Vorliegen des über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem ersten Stromwert in ihren nicht leitenden Zustand geschaltet ist und beim Vorliegen des über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem zweiten Stromwert von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand schaltet.
Batteriezelleinrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der erste Widerstand (90) dazu vorgesehen ist, eine über dem ersten Widerstand (90) abfallende Spannung bereitzustellen, die beim Vorliegen des über die Batteriezelle (11) und die Batteriezellanschlüsse (21, 22) fließenden Stromes mit dem zweiten Stromwert eine zwischen dem Gate-Anschluss (81) und dem Source-Anschluss (82) des zweiten Transistors (80) anliegende Spannung derartig verändert, dass der zweite Transistor (80) von seinem nicht leitenden Zustand in seinem leitenden Zustand schaltet.
Batteriezelleinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei zum Schalten des ersten Transistors (70) von seinem nicht leitenden Zustand in seinen leitenden Zustand der Drain-Anschluss (73) und der Gate-Anschluss (71) des ersten Transistors (70) bevorzugt über einen zweiten Widerstand (95) der Strombegrenzungsschaltung (60) leitend miteinander verbunden sind.
Batteriezelleeinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strombegrenzungsschaltung (60) einen beim Vorliegen eines an die Batteriezellanschlüsse (21, 22) angeschlossenen Verbrauchers über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und den Verbraucher fließenden Strom begrenzt und wobei beim Vorliegen einer an die Batteriezellanschlüsse (21, 22) angeschlossenen Ladeeinheit zum Aufladen der Batteriezelle (11) die erste Schalteinheit (70) der Strombegrenzungsschaltung (60) in ihrem nicht leitenden Zustand geschaltet bleibt
Batteriezelleinrichtung nach Anspruch 7, wobei die Batteriezelleinrichtung (100) eine Diode umfasst, die beim Vorliegen der an die Batteriezellanschlüsse (21, 22) angeschlossenen Ladeeinheit in ihren leitenden Zustand übergeht und von einem über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und die Ladeeinheit fließenden Strom in ihrer Durchlassrichtung durchflossen ist.
Verfahren zum Begrenzen eines über eine zwischen zwei Batteriezellanschlüsse (21, 22) geschaltete Batteriezelle (11) und über die Batteriezellanschlüsse (21, 22) fließenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines batteriezellextern an die Batteriezellanschlüsse (21, 22) angeschlossenen geschlossenen Stromkreises eine erste Schalteinheit (70) einer zwischen die Batteriezelle (11) und mindestens einen Batteriezellanschluss (21, 22) geschalteten Strombegrenzungsschaltung (60) von ihrem nicht leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand geschaltet wird, beim Vorliegen des über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit einem ersten Stromwert, der einen Stromgrenzwert unterschreitet, die erste Schalteinheit (70) weiterhin in ihrem leitenden Zustand geschaltet bleibt, in dem die erste Schalteinheit (70) von dem Strom mit dem ersten Stromwert durchflossen ist, und beim Vorliegen des über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit einem zweiten Stromwert, der gleich mit dem Stromgrenzwert ist oder den Stromgrenzwert überschreitet, die erste Schalteinheit (70) mittels einer Steuereinheit der Strombegrenzungsschaltung (60) in ihren nicht leitenden Zustand geschaltet wird, in dem die erste Schalteinheit (70) den durch diese fließenden Strom unterbricht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Schalteinheit (70) einen ersten als ein Feldeffekttransistor ausgebildeten Transistor umfasst und/oder die Steuereinheit eine zweite Schalteinheit (80) mit zwei Schaltzuständen, insbesondere einen bevorzugt als ein weiterer Feldeffekttransistor ausgebildeten zweiten Transistor (80), umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei beim Vorliegen des über die Batteriezelle (11), die Batteriezellanschlüsse (21, 22) und den batteriezellexternen Stromkreis fließenden Stromes mit dem zweiten Stromwert der Gate-Anschluss (71) und der Source-Anschluss (72) des ersten Transistors (70) mittels der zweiten Schalteinheit (80) bevorzugt über einen in der Strombegrenzungsschaltung (60) angeordneten ersten Widerstand (90) leitend miteinander verbunden werden.
Batteriemanagementsystem für ein Batteriesystem, das eine Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezelleinrichtungen (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, wobei das Batteriemanagementsystem dazu ausgebildet ist, beim einfachen oder mehrfachen Vorliegen einer vorbestimmten Spannungsschwankung einer Batteriezellspannung, die zwischen den Batteriezellanschlüssen (21, 22) einer Batteriezelle (11) einer der mehreren Batteriezelleinrichtungen (100) anliegt, einen defekten Zustand dieser Batteriezelleinrichtung (100), in dem die entsprechende Strombegrenzungsschaltung (60) einen über die entsprechende Batteriezelle (11) und die entsprechenden Batteriezellanschlüsse (21, 22) fließenden Strom begrenzt, zu ermitteln.