DE102015200316A1 - Battery and battery system comprising a battery - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Batteriesystem (10), aufweisend wenigstens ein Batteriemodul (12) mit einer Mehrzahl seriell oder parallel verschalteter Batteriezellen (14), und aufweisend eine Mehrzahl von Stromleitern (16), wobei die Stromleiter (16) jeweils mit wenigstens einer Batteriezelle (14) verbunden sind, und aufweisend wenigstens einen Stromsensor (11) zum Ermitteln des durch das Batteriemodul (12) fließenden Stroms, wobei wenigstens ein Stromleiter (16) wenigstens ein induktivitätserhöhendes Mittel (19) zum gezielten Erhöhen der Gesamtinduktivität des Batteriesystems derart aufweist, dass das wenigstens eine induktivitätserhöhende Mittel (19) an eine Messfrequenz des Stromsensors (11) angepasst ist, wobei die Stromanstiegsgeschwindigkeit eines durch das wenigstens eine Batteriemodul (12) fließenden Kurzschlussstroms derart begrenzt ist, dass in die Dauer des Stromanstiegs auf den Kurzschlussstrom wenigstens zwei Messpunkte des Stromsensors (11) fallen. Ein vorbeschriebenes Batteriesystem (10) erlaubt auf einfache und kostengünstige Weise eine verbesserte Kurzschlusserkennung beziehungsweise Kurzschlussstrombegrenzung und dadurch eine verbesserte Sicherheit bei dem Betrieb eines derartigen Batteriesystems (10), insbesondere in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug.The present invention relates to a battery system (10), comprising at least one battery module (12) with a plurality of battery cells (14) connected in series or in parallel, and comprising a plurality of current conductors (16), wherein the current conductors (16) are each connected to at least one battery cell (16). 14), and comprising at least one current sensor (11) for determining the current flowing through the battery module (12), wherein at least one current conductor (16) at least one inductance increasing means (19) for selectively increasing the total inductance of the battery system such that the at least one inductance-increasing means (19) is adapted to a measuring frequency of the current sensor (11), wherein the current rise speed of a short-circuit current flowing through the at least one battery module (12) is limited such that at least two measuring points of the short-circuit current in the duration of the current increase Current sensors (11) fall. A battery system (10) described above allows in a simple and cost-effective manner an improved short-circuit detection or short-circuit current limitation and thereby improved safety in the operation of such a battery system (10), in particular in an electrically driven vehicle.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer verbesserten Sicherheit. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Batteriesystem, welches eine derartige Batterie aufweist.The present invention relates to a battery with improved safety. The present invention further relates to a battery system having such a battery.
Stand der TechnikState of the art
Verschiedenste Energiespeicher, wie etwa Lithium-basierte Energiespeicher beziehungsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind aus dem heutigen Leben kaum noch wegzudenken. Anwendungsgebiete umfassen neben vollkommen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen ferner elektrische Werkzeuge, elektrische Unterhaltungselektronik, Computer, Mobiltelefone und weitere Anwendungen.Various energy storage systems, such as lithium-based energy storage or lithium-ion batteries, are almost indispensable in today's life. Areas of application include fully electrically powered vehicles or hybrid vehicles, as well as electrical tools, electrical entertainment electronics, computers, mobile phones, and other applications.
In elektrisch angetriebenen Fahrzeuge, beispielsweise, werden heutzutage als elektrische Energiespeicher (EES) oftmals auf Lithiumchemie basierende Akkumulatoren eingesetzt, da diese im Vergleich zu Nickel- oder Blei-basierten Energiespeichern eine besonders hohe Energiedichte bei geleichzeitig geringem Gewicht aufweisen. Typischer Weise sind elektrische Energiespeicher als Reihenschaltung von Einzelzellen oder als Reihenschaltung von parallel geschalteten Zellen realisiert. Meist sind die Einzelzellen in Modulen gruppiert, so dass die Gesamtbatterie als Reihenschaltung von Modulen aufgebaut ist.In electrically driven vehicles, for example, today are used as electrical energy storage (EES) often based on lithium chemistry accumulators, since they have a particularly high energy density at the same time low weight compared to nickel or lead-based energy storage. Typically, electrical energy stores are realized as a series connection of individual cells or as a series circuit of cells connected in parallel. Most of the individual cells are grouped in modules, so that the total battery is constructed as a series of modules.
Um eine von den Energiespeichern beziehungsweise Batterien ausgehende Gefährdung zu reduzieren, sind oftmals Trennvorrichtungen vorgesehen, welche einen elektrischen Leiter etwa bei dem Vorliegen eines Kurzschlusses unterbrechen können.In order to reduce a danger emanating from the energy stores or batteries, disconnecting devices are often provided which can interrupt an electrical conductor in the event of a short circuit.
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, aufweisend wenigstens ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl seriell oder parallel verschalteter Batteriezellen, und aufweisend eine Mehrzahl von Stromleitern, wobei die Stromleiter jeweils mit wenigstens einer Batteriezelle verbunden sind, und aufweisend wenigstens einen Stromsensor zum Ermitteln des durch das Batteriemodul fließenden Stroms, wobei wenigstens ein Stromleiter wenigstens ein induktivitätserhöhendes Mittel zum gezielten Erhöhen der Gesamtinduktivität des Batteriesystems derart aufweist, dass das wenigstens eine induktivitätserhöhende Mittel an eine Messfrequenz des Stromsensors angepasst ist, wobei die Stromanstiegsgeschwindigkeit eines durch das wenigstens eine Batteriemodul fließenden Kurzschlussstroms derart begrenzt ist, dass in die Dauer des Stromanstiegs auf den Kurzschlussstrom wenigstens zwei Messpunkte des Stromsensors fallen.The present invention relates to a battery system, comprising at least one battery module with a plurality of serially or parallel connected battery cells, and comprising a plurality of conductors, wherein the conductors are each connected to at least one battery cell, and comprising at least one current sensor for determining the flowing through the battery module Electricity, wherein at least one conductor has at least one inductance-increasing means for selectively increasing the total inductance of the battery system such that the at least one inductance increasing means is adapted to a measuring frequency of the current sensor, wherein the current rise rate of a current flowing through the at least one battery module short-circuit current is limited such at least two measuring points of the current sensor fall in the duration of the current increase to the short-circuit current.
Eine vorbeschriebene Batterie erlaubt auf einfache und kostengünstige Weise eine verbesserte Kurzschlusserkennung beziehungsweise Kurzschlussstrombegrenzung und dadurch eine verbesserte Sicherheit bei dem Betrieb einer derartigen Batterie, insbesondere in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug. A battery described above allows a simple and cost-effective manner an improved short-circuit detection or short-circuit current limiting and thereby improved safety in the operation of such Battery, especially in an electrically driven vehicle.
Unter einer Batterie kann dabei in für den Fachmann verständlicher Weise sowohl eine Primärbatterie, als auch besonders bevorzugt eine Sekundärbatterie, also ein wieder aufladbarer Akkumulator verstanden werden, welche vorzugsweise in Gleichstrom betrieben werden können. Beispielsweise kann die Batterie eine Lithium-Batterie, etwa eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Insbesondere kann eine vorbeschriebene Batterie eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sein.Under a battery can be understood in a manner understandable to the skilled artisan both a primary battery, and more preferably a secondary battery, so a rechargeable battery, which can be preferably operated in DC. For example, the battery may be a lithium battery, such as a lithium-ion battery. In particular, a prescribed battery may be a traction battery of an electrically powered vehicle.
Die vorbeschriebene Batterie weist wenigstens ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl seriell oder parallel verschalteter Batteriezellen auf. Die Batteriezellen können dabei beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgestaltet sein, wie diese dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind. Dabei können die Batteriezellen in der Anzahl und Ausgestaltung an das gewünschte Anwendungsgebiet angepasst sein. Für den beispielhaften Fall eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, beispielsweise, können die Batteriezellen in ihrer Gesamtheit, beispielsweise verteilt über mehrere Batteriemodule des Batteriesystems, eine Nominalspannung von größer oder gleich 200V, beispielsweise 400V oder darüber und einen nominellen Maximalstrom von bis zu 100A oder größer oder gleich 100A, beispielsweise größer oder gleich 120A, etwa 240 A oder darüber, liefern.The battery described above has at least one battery module with a plurality of battery cells connected in series or in parallel. The battery cells can be configured, for example, as lithium-ion cells, as these are known in principle to those skilled in the art. In this case, the number and configuration of the battery cells can be adapted to the desired field of application. For example, for the exemplary case of an electrically powered vehicle, the battery cells in their entirety, for example distributed across multiple battery modules of the battery system, may have a nominal voltage greater than or equal to 200V, such as 400V or greater, and a nominal maximum current of up to 100A or greater or equal 100A, for example greater than or equal to 120A, about 240A or above.
Ferner ist eine Mehrzahl von Stromleitern vorgesehen, die jeweils mit wenigstens einer Batteriezelle verbunden sind. Durch die Stromleiter können die Batteriezellen beispielsweise in an sich bekannter Weise in Batteriemodulen seriell oder parallel mit einander verschaltet sein, oder die Stromleiter können eine Mehrzahl an Batteriemodulen, wie etwa zwei Batteriemodule, miteinander verschalten. Ferner können die Stromleiter die Batteriezellen beziehungsweise die Module mit einem externen Anschluss verbinden. Beispielsweise können die Stromleiter Hochstromverbinder sein, also Verbindungsleiter, welche den vorgenannten Strömen, standhalten können. Somit sind die Stromleiter insbesondere derart ausgestaltet, dass sie Strömen von wenigstens 100A standhalten können, also bei dem Führen von 100A stabil bleiben. Davon ist in für den Fachmann verständlicher Weise umfasst, dass in Ausgestaltungen auch das Führen von höheren Strömen als 100A möglich sein kann.Further, a plurality of conductors is provided, which are each connected to at least one battery cell. The current leads allow the battery cells to be connected in series or in parallel with one another in battery modules, for example in a manner known per se, or the current conductors can interconnect a plurality of battery modules, such as two battery modules. Furthermore, the current conductors can connect the battery cells or the modules to an external connection. For example, the current conductors can be high-current connectors, that is to say connecting conductors which can withstand the aforementioned currents. Thus, the current conductors are in particular designed such that they can withstand currents of at least 100A, thus remain stable when driving 100A. This includes, in a manner understandable to a person skilled in the art, that in embodiments it may also be possible to carry higher currents than 100A.
Die Batterie weist ferner wenigstens einen Stromsensor zum Ermitteln des durch das Batteriemodul fließenden Stroms auf, wobei der Stromsensor mit einer definierten Messfrequenz arbeiten kann. Die Messfrequenz gibt dabei an, in welchem zeitlichen Abstand einzelne Messungen erfolgen können.The battery also has at least one current sensor for determining the current flowing through the battery module, wherein the current sensor can operate at a defined measurement frequency. The measuring frequency indicates in which time interval individual measurements can take place.
Die Messwerte eines derartigen Stromsensors, wie beispielsweise eines Shunt-Sensors oder eines Hall-Sensors, können zu diskreten Zeitpunkten, die wie vorstehend beschrieben durch die Messfrequenz definiert sein können, ausgewertet werden und gegebenenfalls zur Verringerung der Rechenleistung einer Steuereinheit durch eine Software gemittelt und/oder gefiltert und mit geringerer Wiederholrate weiterverarbeitet werden. Der Messbereich dieser Stromsensoren kann beispielsweise auf den spezifizierten Systemstrom ausgelegt sein, kann also nur wenig über den maximalen Betriebsstrom hinaus gehen, wie etwa bis zu 50% darüber.The measured values of such a current sensor, such as, for example, a shunt sensor or a Hall sensor, can be evaluated at discrete points in time which can be defined by the measurement frequency as described above and averaged by software to reduce the computing power of a control unit and / or or filtered and processed at a lower repetition rate. The measuring range of these current sensors may be designed, for example, to the specified system current, so it can go only slightly beyond the maximum operating current, such as up to 50% above.
Wenigstens ein Stromleiter kann dabei ein induktivitätserhöhendes Mittel aufweisen. Dies kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die Gesamtinduktivität des Batteriemoduls beziehungsweise des Batteriesystems durch das Einfügen dieses Mittels im Vergleich zu einem Batteriemodul ohne dieses Mittel ansteigt. Als Vergleich kann dabei insbesondere ein elektrischer Leiter dienen, der die gleiche Länge aufweist wie der mit dem induktivitätserhöhenden Mittel ausgestattete Leiter und welcher dabei in einer Geraden geformt ist.At least one current conductor can have an inductance-increasing means. In the context of the present invention, this may mean, in particular, that the total inductance of the battery module or of the battery system increases by the insertion of this means in comparison to a battery module without this means. In particular, an electrical conductor which has the same length as the conductor equipped with the inductance-increasing means and which is formed in a straight line can serve as comparison.
Der Stromleiter mit dem induktivitätserhöhenden Mittel ist dabei vorzugsweise ein solcher Leiter, der mit wenigstens einer Batteriezelle beispielsweise unmittelbar verbunden ist und dabei vorzugsweise unmittelbar innerhalb einer Batterie angeordnet sein kann. Beispielsweise kann der Stromleiter ein Hochstromverbinder sein. Ein derartiges Bauteil kann somit individuell an die gewünschte Anwendung angepasst werden. Darüber hinaus kann so wiederum eine besonders einfache Implementierbarkeit und Nachrüstbarkeit erlauben.The current conductor with the inductance-increasing means is preferably such a conductor, which is for example directly connected to at least one battery cell and thereby preferably can be arranged directly within a battery. For example, the current conductor may be a high current connector. Such a component can thus be adapted individually to the desired application. In addition, this in turn can allow a particularly simple implementation and retrofitting.
Durch das induktivitätserhöhende Mittel oder durch die Mehrzahl an induktivitätserhöhenden Mitteln kann dabei ermöglicht werden, dass die Gesamtinduktivität L des Batteriemoduls im Vergleich zu herkömmlichen Batteriemodulen signifikant ansteigt. Durch die Erhöhung der Induktivität kann die Zeitkonstante t = L/R erhöht werden, wobei R den Innenwiderstand der Batterie angibt, und damit die Sprungantwort der Batterie auf den Kurzschluss derart verzögert werden, dass das Batteriemanagement-System einen Überstrom sicher erkennen und gegebenenfalls eine Trenneinrichtung aktivieren kann, wie dies nachstehend im Detail erläutert wird. The inductance-increasing means or the plurality of inductance-increasing means can thereby enable the total inductance L of the battery module to increase significantly in comparison to conventional battery modules. By increasing the inductance, the time constant t = L / R can be increased, wherein R indicates the internal resistance of the battery, and thus the step response of the battery to the short circuit are delayed such that the battery management system detects an overcurrent safely and optionally a separator can activate, as explained in detail below.
Dabei ist das wenigstens eine induktivitätserhöhende Mittel derart gewählt, dass das wenigstens eine induktivitätserhöhende Mittel an eine Messfrequenz des Stromsensors angepasst ist, so dass die Stromanstiegsgeschwindigkeit eines durch das Batteriemodul fließenden Kurzschlussstroms derart begrenzt ist, dass in die Dauer des Stromanstiegs auf den Kurzschlussstrom wenigstens zwei Messpunkte des Stromsensors, insbesondere wenigstens fünf Messpunkte des Stromsensors, fallen. Eine derartige Anpassung beziehungsweise eine derartige Auswahl des induktivitätserhöhenden Mittels oder der induktivitätserhöhenden Mittel weist gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik signifikante Vorteile auf.In this case, the at least one inductance-increasing means is selected such that the at least one inductance-increasing means is adapted to a measurement frequency of the current sensor, so that the current rise rate of a current flowing through the battery module short-circuit current is limited such that in the duration of the current increase to the short-circuit current at least two Measuring points of the current sensor, in particular at least five measuring points of the current sensor fall. Such adaptation or selection of the inductance-increasing means or means has significant advantages over the prior art solutions.
Beispielsweise bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen kann in einer vorbeschriebenen Batterie beziehungsweise in einem Batteriesystem aufweisend eine derartige Batterie eine oder mehrere Vorrichtungen vorgesehen sein, um einen Kurzschlussstrom zu begrenzen beziehungsweise um eine elektrische Leitung bei dem Auftreten von Kurzschlussströmen zu trennen. Hierzu können beispielsweise Schmelzsicherungen in den elektrischen Leitungen vorgesehen sein. Dadurch kann verhindert werden, dass Brandgefahr besteht oder dass Zellen beschädigt werden. Die Schmelzsicherungen können ausgebildet sein aus verjüngten Leitern, wie beispielsweise Kupferleitern, die etwa mehrere seriell oder parallel realisierte Engstellen in dem Leiter aufweisen. Bei Kurzschlussströmen können diese Engstellen schmelzen und den Leiter somit unterbrechen.For example, in electrically powered vehicles may be provided in a prescribed battery or in a battery system having such a battery one or more devices to limit a short-circuit current or to separate an electrical line in the occurrence of short-circuit currents. For this purpose, for example, fuses may be provided in the electrical lines. This can prevent the risk of fire or cell damage. The fuses may be formed of tapered conductors, such as copper conductors, which have approximately several serially or parallel realized bottlenecks in the conductor. With short-circuit currents, these bottlenecks can melt and thus interrupt the conductor.
Allerdings schwächen derartige Verjüngungen die Struktur des Leiters, wodurch unter Vibrationen die Engstellen brechen und zu einer veränderten Sicherungscharakteristik und zu einer unberechtigten beziehungsweise ungewollten Unterbrechung des Stromkreises führen können. Auch bei einem Betrieb mit spezifizierten Spitzenströmens kann es an den Verjüngungen beziehungsweise Engstellen zu einer Erwärmung und somit zu einer Alterung der Sicherung kommen, was ebenfalls zu einer Veränderung der Sicherheitscharakteristik und zu unberechtigten Unterbrechungen des Stromkreises führen kann.However, such rejuvenations weaken the structure of the conductor, which can break the bottlenecks under vibration and lead to a changed fuse characteristic and to an unauthorized or unwanted interruption of the circuit. Even when operating with specified peak currents, it can come at the tapers or bottlenecks to a warming and thus aging of the fuse, which can also lead to a change in the safety characteristics and unauthorized interruptions of the circuit.
Zudem haben Schmelzsicherungen eine bestimmte Charakteristik: liegt der fließende Strom nur wenig über dem für eine Trennung durch die Sicherung spezifizierten Wert, kann es mehrere Sekunden dauern, wie etwa bis zu über 100s, bis der Strom unterbrochen wird. Bei sehr hohen Strömen kann die Sicherung dagegen schon nach weniger als 1ms trennen. Daher können Schmelzsicherungen, von denen wenigstens eine in einer vorbeschriebenen Batterie vorgesehen sein kann, die Sicherheit deutlich erhöhen, bieten jedoch noch Verbesserungspotential.In addition, fuses have a specific characteristic: if the flowing current is only slightly above the value specified for a fuse break, it may take several seconds, such as up to more than 100s, for the current to be interrupted. At very high currents, however, the fuse can already disconnect after less than 1ms. Therefore, fuses, at least one of which may be provided in a battery as described above, can increase safety significantly, but still provide room for improvement.
Es kann daher von Vorteil sein, dass bei einem vorbeschriebenen Batteriesystem auf das Vorsehen einer Schmelzsicherung verzichtet werden kann. Dadurch kann das Batteriesystem zum Einen besonders kostengünstig gestaltet sein und kann auf der anderen Seite die Langzeitstabilität erhöht sein.It may therefore be advantageous that can be dispensed with the provision of a fuse in a battery system described above. As a result, the battery system on the one hand be designed to be particularly cost-effective and can be increased on the other hand, the long-term stability.
Weiterhin kann bei einem vorbeschrieben Batteriesystem, etwa in Fahrzeugen, eine oder mehrere beispielsweise irreversible oder auch reversible Trenneinrichtungen, wie beispielsweise Schütze, vorgesehen sein, die bei Nichtnutzung der Batterie, wie beispielsweise des Fahrzeugs, die Batterie von dem Bordnetz beziehungsweise Traktionsnetz beispielsweise zweipolig trennen, um den Bereich des Fahrzeugs, der unter Spannung von beispielsweise > 60 V steht, auf das Batterieinnere zu begrenzen. Diese Trenneinrichtungen werden auch zum Schutz der Batterie beispielsweise vor Tiefentladung unter Überladung genutzt. Dazu können die Trenneinrichtungen nicht nur den spezifischen Betriebsstrom tragen und trennen, sondern können auch deutlich höhere Ströme wie beispielsweise bis zu 400 % zumindest einige Male trennen. Ferner kann die Trenneinrichtung dazu dienen, einen Stromleiter bei dem Vorliegen eines Kurzschlussstroms zu trennen. Die Trenneinrichtungen werden üblicherweise von der Steuereinheit, wie beispielsweise von dem Batterie-Management-System gesteuert. Dabei kann die Steuereinheit von der Detektionsvorrichtung zum Detektieren von durch das Batteriemodul fließendem Strom mit aktuellen Stromwerten versorgt wird und bei dem Vorliegen eines Stroms, der oberhalb eines Grenzwertes liegt, die Trennvorrichtung zum Trennen eines Kurzschlussstroms ansteuern.Furthermore, in a previously described battery system, for example in vehicles, one or more, for example, irreversible or reversible separating devices, such as contactors, may be provided, which disconnect the battery from the electrical system or traction network, for example, when the battery is not in use, such as the vehicle, for example, bipolar to limit the area of the vehicle, which is under voltage of, for example,> 60 V, to the interior of the battery. These separators are also used to protect the battery, for example, before deep discharge under overload. For this purpose, the separation devices can not only carry and separate the specific operating current, but can also separate significantly higher currents, for example up to 400%, at least a few times. Further, the separator may serve to disconnect a current conductor in the presence of a short-circuit current. The disconnecting devices are usually controlled by the control unit, such as the battery management system. In this case, the control unit is supplied by the detection device for detecting current flowing through the battery module with current current values and in the presence of a current which is above a limit, the disconnecting device for disconnecting a short-circuit current to control.
Aufgrund des geringen Innenwiderstands beispielsweise von Lithium-Ionen-Batterien sind sehr hohe Kurzschlussströme möglich, die sowohl den Messbereich der verwendeten Stromsensoren, als auch die Trennfähigkeit der Trenneinrichtung zumindest in Stromspitzen übersteigen können.Due to the low internal resistance, for example of lithium-ion batteries very high short-circuit currents are possible, which can exceed both the measuring range of the current sensors used, as well as the separation capability of the separator at least in current peaks.
Da bei einem Kurzschluss der Strom typischerweise sehr schnell ansteigt, beispielsweise begründet durch eine Fehlansteuerung oder ein Durchlegieren eines IGBTs, oder durch den Kontakt zweier spannungsführender Teile, kann der Messwert des Stromsensors herkömmlicherweise von einem Abtastschritt zum nächsten vom momentan Messwert in den Messbereichsanschlag springen. Dabei kann zwischen den Abtastschritten eine Zeitdauer in einem Bereich von größer als 0,5 ms, beispielsweise 1ms oder darüber liegen. In diesem Zustand ist es der Steuereinheit nur schwer möglich zu erfassen, ob der Strom noch in einem Bereich liegt, der durch die Trenneinrichtung getrennt werden kann. In diesem Fall ist es somit notwendig, auf die Funktion der Schmelzsicherung zu vertrauen. Das System ist nach Beseitigung des externen Kurzschlusses nur durch Tausch der Sicherung wieder in Betrieb zu setzen.Since, in the event of a short circuit, the current typically increases very rapidly, for example due to a faulty drive or breakdown of an IGBT, or due to the contact of two live parts, the measured value of the current sensor can conventionally jump from one sensing step to the next from the instantaneous measured value to the measuring range stop. In this case, between the sampling steps, a time duration in a range of greater than 0.5 ms, for example 1 ms or above. In this state, it is difficult for the control unit to detect whether the current is still in a range that can be separated by the separator. In this case, it is therefore necessary to rely on the function of the fuse. After removing the external short circuit, the system can only be put back into operation by replacing the fuse.
Da es trotz auslösender Sicherung zu Schädigungen der Zellen durch hohe Kurzschlussströme kommen kann, und da bei hohen Kurzschlussströmen der Strom durch die Sicherung sehr schnell getrennt wird, kann es vorkommen, dass der Messbereichsanschlag des Stromsensors nicht erfasst wird, da der Kurzschlussstrom und die Trennung zwischen zwei Abtastschritten liegen können, oder dass der Messbereichsanschlag lediglich für einen Abtastschritt anliegt. In Letzterem Fall kann sich auswirken, dass, da es im Fahrzeugumfeld zu Fehlmessung etwa durch Einstreuungen, Bordnetzschwankungen usw. führen kann, ein einmaliges Erfassen eines Messbereichsanschlag oftmals nicht zu einem Eintrag in einem Fehlerspeicher führt. Daher ist es oftmals fraglich, ob nach dem Ausfall der Schmelzsicherung die betroffenen Zellen und somit der Batteriestapel weiterbetrieben werden darf.Since damage to the cells can occur due to high short-circuit currents despite triggering fuse, and since the current is separated very quickly by the fuse at high short-circuit currents, it may happen that the Measuring range stop of the current sensor is not detected, since the short-circuit current and the separation between two sampling steps may be, or that the measuring range stop is present only for a sampling step. In the latter case may have the effect that, since it may lead to incorrect measurement in the vehicle environment, for example by interference, vehicle electrical system fluctuations, etc., a single detection of a measuring range stop often does not lead to an entry in a fault memory. Therefore, it is often questionable whether after the failure of the fuse the affected cells and thus the battery stack may continue to operate.
Dieses Problem tritt unter Verwendung der vorbeschriebenen Batterie jedoch gerade nicht auf. Dadurch, dass das wenigstens eine induktivitätserhöhende Mittel an eine Messfrequenz des Stromsensors angepasst ist, so dass die Stromanstiegsgeschwindigkeit eines durch das Batteriemodul fließenden Kurzschlussstroms derart begrenzt ist, dass in die Dauer des Stromanstiegs auf den Kurzschlussstrom wenigstens zwei Messpunkte des Stromsensors fallen, ist es möglich, wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens fünf, Messwerte für den durch das Batteriemodul fließenden Strom zu ermitteln, bevor der Strom die Stärke eines Kurzschlussstromes erreicht hat. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Kurzschlussstrom sicher und verlässlich ermittelt wird, wobei durch die Mehrzahl an Messergenissen ferner eine Fehlmessung oder ein Fehlerhaftes Schließen eines Schutzschalters ausgeschlossen werden kann. Dadurch kann auf sichere Weise ermittelt werden, ob und in welchem Umfang eine Batterie nach dem Schließen eines Schutzschalters noch betrieben werden kann.However, this problem does not occur using the battery described above. Characterized in that the at least one inductance-increasing means is adapted to a measuring frequency of the current sensor, so that the current rise rate of a current flowing through the battery module short-circuit current is limited so that in the duration of the current increase to the short-circuit current at least two measuring points of the current sensor, it is possible at least two, preferably at least five, to determine measurements for the current flowing through the battery module current before the current has reached the strength of a short-circuit current. In this way, it can be ensured that a short-circuit current is determined reliably and reliably, wherein a faulty measurement or a faulty closing of a circuit breaker can furthermore be ruled out by the plurality of measurement results. This can be determined in a secure manner, whether and to what extent a battery can still be operated after closing a circuit breaker.
Dadurch, dass die physikalisch mögliche Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms durch das wenigstens eine induktivitätserhöhende Mittel des Leiters durch eine Induktivitätserhöhung signifikant begrenzt ist, können darüber hinaus durch die Steuereinheit die batterieeigenen Trenneinrichtungen rechtzeitig aktiviert werden, bevor der anstiegsbegrenzte Kurzschlussstrom den Bereich überschreitet, der noch durch die Trenneinrichtung getrennt werden kann. Dadurch kann die Batterie trotz extern aufgetretenem Kurzschluss weiterbetrieben werden, da durch die Trennung des Kurzschlussstroms durch die Trenneinrichtung die Schmelzsicherung nicht auslöst. Es kann jedoch beachtet werden, dass die Schmelzsicherung gealtert ist und zeitnah ausgetauscht werden sollte. Ist es darüber hinaus möglich, die Erkennung und Abschaltung hinreichend zuverlässig auszulegen, kann auf die Schmelzsicherung ganz verzichtet werden.In addition, since the physically possible rate of increase of the current through the at least one inductance-increasing means of the conductor is significantly limited by an increase in inductance, the control unit can activate the battery's own disconnecting means in good time before the rise-limited short-circuit current exceeds the range still passing through the disconnecting means can be separated. As a result, the battery can continue to operate despite externally occurred short circuit, as the fuse does not trip due to the separation of the short-circuit current through the disconnecting device. However, it should be noted that the fuse has aged and should be replaced promptly. If it is also possible to interpret the detection and shutdown sufficiently reliable, can be completely dispensed with the fuse.
Somit kann einer Steuereinrichtung, wie beispielsweise einem Batterie-Management-System, auf besonders vorteilhafte Weise ermöglicht werden, dass ein Kurzschluss sicher erkannt wird. Insbesondere kann unterschieden werden, ob eine gegebenenfalls vorliegende Schmelzsicherung aufgrund von Alterung oder Vibration oder aber aufgrund eines Kurzschlusses den Stromkreis unterbrochen hat. Es ist somit besonders vorteilhaft möglich, anhand von Fehlerspeichereinträgen über den möglichen Verbleib der Batterie zu entscheiden.Thus, a control device such as a battery management system can be made particularly advantageous in that a short circuit is surely detected. In particular, it can be distinguished whether an optionally present fuse has broken due to aging or vibration or due to a short circuit the circuit. It is thus particularly advantageous to decide on the basis of fault memory entries on the possible whereabouts of the battery.
Bei einer vorbeschriebenen Batterie erfolgt daher gerade keine Anpassung der Regeltechnik beziehungsweise der Messzyklen an die gegebene Induktivität der Batterie, sondern die Induktivität wird vielmehr angepasst an die vorhandene Peripherie des Batteriesystems beziehungsweise des jeweiligen Batteriemoduls und an die einstellbaren Messzyklen. Dadurch kann das Batteriesystem insbesondere für Batteriemodule mit geringem Innenwiderstand, wie etwa für Lithiumbatterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, von Vorteil sein. Eine Implementierung der vorbeschriebenen Batterie in bestehende Batteriesysteme ist dadurch besonders einfach durchführbar. Ferner kann durch eine geeignete Anpassbarkeit die von einem Kurzschluss ausgehende Gefährdung besonders sicher reduziert werden.In the case of a previously described battery, therefore, there is no adaptation of the control technology or of the measuring cycles to the given inductance of the battery, but rather the inductance is adapted to the existing periphery of the battery system or of the respective battery module and to the adjustable measuring cycles. As a result, the battery system may be particularly advantageous for battery modules with low internal resistance, such as for lithium batteries, such as lithium-ion batteries. An implementation of the above-described battery in existing battery systems is particularly easy to carry out. Furthermore, by suitable adaptability, the risk posed by a short circuit can be reduced particularly reliably.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann das wenigstens eine induktivitätserhöhende Mittel derart gewählt sein, dass die Stromanstiegsgeschwindigkeit eines durch das Batteriemodul fließenden Kurzschlussstroms derart begrenzt ist, dass in die Dauer des Stromanstiegs auf einen Auslösestrom einer Schutzvorrichtung zum Unterbrechen des Kurzschlussstroms wenigstens zwei Messpunkte des Stromsensors fallen. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann ein besonders sicheres Betreiben der Batterie möglich sein, da nicht nur ein Kurzschluss sicher detektiert werden kann, sondern in Antwort auf das Detektieren des Kurzschlussstroms dieser auch sicher getrennt werden kann. Denn es kann im Wesentlichen ausgeschlossen werden, dass der Kurzschlussstrom die Trennfähigkeit der Schutzvorrichtung beziehungsweise der Trennvorrichtung übersteigt. Dies kann insbesondere bei Batterien mit einem geringen Innenwiderstand, wie etwa bei Lithium-Ionen-Batterien von Vorteil sein.Within the scope of an embodiment, the at least one inductance-increasing means may be selected such that the current rise rate of a short-circuit current flowing through the battery module is limited such that at least two measuring points of the current sensor fall within the duration of the current increase to a tripping current of a protective device for interrupting the short-circuit current. In particular, in this embodiment, a particularly safe operation of the battery may be possible because not only a short circuit can be detected safely, but in response to the detection of the short-circuit current this can also be safely separated. Because it can be ruled out substantially that the short-circuit current exceeds the separation capability of the protective device or the separating device. This may be particularly advantageous for batteries with low internal resistance, such as in lithium-ion batteries.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das wenigstens eine induktivitätserhöhende Mittel derart gewählt sein, dass das Batteriesystem eine Gesamtindutkivität aufweist, die ein einem Bereich von größer oder gleich 10mH, beispielsweise größer oder gleich 20mH, etwa größer oder gleich 25mH, bis kleiner oder gleich 500mH, insbesondere bis kleiner oder gleich 250mH, liegt, und dass die Messfrequenz Messungen in einem zeitlichen Abstand von größer oder gleich 1ms bis kleiner oder gleich 100ms bestimmt. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann durch eine signifikante Erhöhung der Gesamtinduktivität des Batteriemoduls es ermöglicht werden, dass kostengünstige Messeinrichtungen beziehungsweise Steuereinrichtungen verwendet werden können mit vergleichsweise geringen Messfrequenzen. Denn Messfrequenzen in dem vorbeschriebenen Bereich sind durch in der ON-board-Diagnose bei Kraftfahrzeugen übliche Systeme, wie insbesondere Batterie-Management-Systeme, gebräuchlich und meist problemlos und kostengünstig anwendbar, wodurch durch die vorgenannten Parameter insbesondere eine geeignete Kombination von Erhöhung der Induktivität und preisgünstigen und problemlos einsetzbaren Mess- und Auswertesystemen möglich wird.In the context of a further embodiment, the at least one inductance-increasing means may be selected such that the battery system has a total inactivity which is in a range of greater than or equal to 10mH, for example greater than or equal to 20mH, greater than or equal to 25mH, less than or equal to 500mH, in particular to less than or equal to 250mH, and that the measuring frequency determines measurements at a time interval of greater than or equal to 1 ms to less than or equal to 100 ms. In particular, in this embodiment, it is possible by a significant increase in the total inductance of the battery module be that cost-effective measuring devices or control devices can be used with relatively low measurement frequencies. For measuring frequencies in the above-described range are customary in the ON-board diagnosis in motor vehicles systems, in particular battery management systems, and usually easily and inexpensively applicable, whereby by the aforementioned parameters, in particular a suitable combination of increasing the inductance and inexpensive and easy to use measuring and evaluation systems is possible.
Beispielsweise kann die Induktivität, wie etwa die Induktivität des Gesamtsystems ermittelbar sein durch Impedanzspektroskopie oder in an sich bekannter Weise mittels einer LCR-Brücke beziehungsweise Wechselspannungsbrücke. For example, the inductance, such as the inductance of the entire system can be determined by impedance spectroscopy or in a conventional manner by means of an LCR bridge or AC bridge.
Ferner kann dadurch, dass durch das induktivitätserhöhende Mittel eine Erhöhung der Induktivität auf einen Betrag von größer oder gleich 10mH, insbesondere größer oder gleich 20mH, beispielsweise größer oder gleich 25mH realisiert wird, auf besonders einfache Weise eine Einsetzbarkeit in Batteriesysteme mit hohen Strömen, beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, möglich sein. Rein beispielhaft und in keiner Weise beschränkend kann bei einer Batterie mit typischerweise 0,1 Ohm Innenwiderstand, 400 V Nominalspannung und einem nominellen Maximalstrom von 240 A und einem Stromsensor mit einem Messbereich von 330 A für fünf Messungen in einem Abstand von je einer Milisekunde eine Gesamte-Induktivität von 20 mH vorteilhaft sein.Furthermore, as a result of the inductance-increasing means increasing the inductance to an amount of greater than or equal to 10mH, in particular greater than or equal to 20mH, for example greater than or equal to 25mH realized, in a particularly simple manner a usability in battery systems with high currents, for example an electrically powered vehicle, be possible. By way of example and not limitation, for a battery having typically 0.1 ohm internal resistance, 400 volts nominal voltage and a nominal maximum current of 240 amperes and a current sensor having a measurement range of 330 amps for a total of five measurements at one milisecond each Inductivity of 20 mH be advantageous.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein Stromleiter in einer induktivitätserhöhenden Struktur ausgebildet sein beziehungsweise diese aufweisen. Das bedeutet, dass der Stromleiter von seiner herkömmlichen Form, etwa einer Geraden oder einem rechten Winkel oder einer Bogenform, abweicht und vielmehr eine insbesondere lokal begrenzte Struktur aufweist, durch welche eine erhöhte Induktivität erzeugt wird, wobei sich die Induktivitätserhöhung insbesondere auf einen geraden Leiter gleicher Länge beziehen kann. Dabei kann insbesondere die Gesamtlänge des Leiters gemeint sein und nicht zwingend die geometrische Länge, also die Länge des Bauteils. Die Induktivität ist dabei ermittelbar, wie es dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist.In the context of a further embodiment, at least one current conductor may be formed in or have an inductance-increasing structure. This means that the current conductor deviates from its conventional shape, such as a straight line or a right angle or an arc shape, and rather has a particular locally limited structure, by which an increased inductance is generated, wherein the inductance increase in particular on a straight ladder same Can relate length. In this case, in particular the total length of the conductor may be meant and not necessarily the geometric length, ie the length of the component. The inductance can be determined, as is generally known to the person skilled in the art.
Dadurch, dass wenigstens ein Stromleiter eine induktivitätserhöhende Struktur aufweist beziehungsweise das induktivitätserhöhende Mittel durch die induktivitätserhöhende Struktur gebildet wird, kann eine erhöhte Induktivität somit durch den Leiter als solches und gegebenenfalls ohne das Vorsehen weiterer Elemente ermöglicht werden. Dies erlaubt eine besonders einfache und kostengünstige und dabei effektive Ausbildung der Induktivität. Ferner können auf diese Weise weitere Bauteile des Batteriesystems im Wesentlichen in herkömmlicher Weise ausgestaltet werden, was eine besonders einfache Implementierung in bereits bestehende Systeme erlaubt.Because at least one current conductor has an inductance-increasing structure or the inductance-increasing means is formed by the inductance-increasing structure, an increased inductance can thus be made possible by the conductor as such and optionally without the provision of further elements. This allows a particularly simple and inexpensive while effective training of the inductance. Furthermore, in this way, further components of the battery system can be configured substantially in a conventional manner, which allows a particularly simple implementation in already existing systems.
Beispielsweise kann der Stromleiter in Form einer Schleife oder einer Spule als induktivitätserhöhende Struktur ausgebildet sein. Insbesondere durch eine Spule oder eine Schleife kann die Induktivität in großem Maße erhöht werden, um so Stromspitzen oder hohe Kurzschlussströme begrenzen zu können. Dabei kann die Anzahl der Spulenwindungen oder der Schleifen an das gewünschte Anwendungsgebiet angepasst werden. Beispielsweise kann der Stromleiter in u-Form als einfachste Schleifenform oder in der Form eines Mäanders als mehrfache Schleifenform ausgestaltet sein.For example, the current conductor in the form of a loop or a coil can be designed as an inductance-increasing structure. In particular, by a coil or a loop inductance can be greatly increased, so as to limit current spikes or high short-circuit currents can. The number of coil turns or loops can be adapted to the desired field of application. For example, the U-shape current conductor may be configured as the simplest loop shape or in the form of a meander as a multiple loop shape.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das induktivitätserhöhende Mittel ein magnetisch hochpermeables Material aufweisen. Unter einem magnetisch hochpermeablen Material kann dabei insbesondere ein derartiges Material verstanden werden, welches eine relative magnetische Permeabilität µr in einem Bereich von größer oder gleich 200, beispielsweise von größer oder gleich 300, etwa bis kleiner oder gleich 10.000 aufweist. Die relative magnetische Permeabilität µr kann dabei ermittelbar sein gemäß der
Beispielsweise kann das magnetisch hochpermeable Material an einer induktivitätserhöhenden Struktur vorliegen. Dadurch kann die Ausgestaltung der induktivitätserhöhenden Struktur, wie etwa einer Spule oder einer Schleife, besonders gering dimensioniert sein, was beispielsweise bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen die Implementierung auch in geringen Platzverhältnissen und mit geringem Gewicht ermöglichen kann.For example, the magnetically highly permeable material may be present on an inductance-increasing structure. As a result, the design of the inductance-increasing structure, such as a coil or a loop, be particularly small dimensions, which may allow for example in electrically powered vehicles, the implementation in small spaces and with low weight.
Beispielsweise kann als magnetisch hochpermeables Material ein Ferrit Verwendung finden. Insbesondere Ferrite können eine besonders hohe Induktivitätssteigerung ermöglichen, so dass eine besonders kompakte Ausgestaltung möglich sein kann. Beispielhaft aber nicht beschränkend können als Ferrite Mangan-Zink-Ferrite (MnZn), etwa in der Zusammensetzung MnaZn(1-a)Fe2O4, oder auch Nickel-Zink-Ferrite (NiZn), etwa in der Zusammensetzung NiaZn(1-a)Fe2O4, verwendet werden.For example, a ferrite can be used as the magnetically highly permeable material. In particular, ferrites can allow a particularly high increase in inductance, so that a particularly compact design can be possible. Manganese-zinc ferrites (MnZn), for example in the composition Mn a Zn (1-a) Fe 2 O 4 , or else nickel-zinc ferrites (NiZn), for example in the composition Ni a , may be used as examples of ferrites Zn (1-a) Fe 2 O 4 .
Es kann ferner vorgesehen sein, dass das magnetisch hochpermeable Material im Inneren von Spulenwindungen eines in Form einer Spule geformten Stromleiters angeordnet ist, beziehungsweise dass das hochpermeable Material von den Spulenwindungen umgeben ist. Diese Anordnung kann wiederum sehr raumsparend anordbar sein, so dass eine Anwendung auch bei geringen Platzverhältnissen möglich ist. Ferner kann so eine besonders gute Induktivitätssteigerung ermöglicht werden.It may further be provided that the magnetically highly permeable material in the interior of Coil windings of a coil shaped in the form of a current conductor is arranged, or that the highly permeable material is surrounded by the coil turns. This arrangement can in turn be arranged very space-saving, so that an application is possible even in small spaces. Furthermore, a particularly good inductance increase can thus be made possible.
Alternativ kann es möglich sein, dass das magnetisch hochpermeable Material wenigstens einen Stromleiter zumindest teilweise, insbesondere vollständig, umschließt, etwa im Bereich der induktivitätssteigernden Struktur. Beispielsweise kann das hochpermeable Material im Bereich der induktivitätssteigernden Struktur als Hülle für den Stromleiter dienen. Auch diese Ausgestaltung kann wiederum eine besonders platzsparende Realisierung ermöglichen.Alternatively, it may be possible for the magnetically highly permeable material to at least partially, in particular completely, surround at least one current conductor, for example in the region of the inductance-increasing structure. For example, the highly permeable material in the region of the inductance-increasing structure can serve as a sheath for the current conductor. This embodiment can in turn allow a particularly space-saving implementation.
Zeichnungen drawings
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the objects according to the invention are illustrated by the drawings and explained in the following description, wherein the features described individually or in any combination may be an object of the present invention, as far as the context does not clearly indicate the opposite. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it
In der
In der
Ferner ist ein Stromsensor
In der
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