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Die vorliegende Erfindung betrifft nachladbare Batteriezelleinheiten, die zu einem Batteriemodul zusammengeschaltet werden können, und insbesondere eine eigensichere Batteriezelleinheit mit Einschaltverzögerung und ein Schaltverfahren für eigensichere Batteriezelleinheiten.
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Stand der Technik
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Leistungsfähige wieder aufladbare Batteriemodule, üblicherweise bestehend aus mehreren miteinander elektrisch verschalteten Batteriezellen, sind eine wichtige Komponente der Elektro- und Hybridfahrzeugtechnik. Speziell die in der Branche geforderten Auflagen an Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Batteriesystemen, die aus mehreren miteinander verschalteten Batteriemodulen und somit einer relativ hohen Zahl von Batteriezellen bestehen können, gehören zu den Herausforderungen der Entwicklung von Akkumulatorentechnologien. Zunehmend werden in der Automobilindustrie Lithium-Ionen-Zellen verwendet. Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch ihre hohen Energiedichten und Zellspannungen aus. Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch relativ empfindlich bezüglich Überladung wie auch Tiefentladung.
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Um die Sicherheit, vor allem von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen, sind eigensichere Batteriezellen und Batteriemodule erstrebenswert, die sich mit der ihnen zugeordneten Elektronik selbst vor unzulässigen elektrischen Betriebszuständen schützen können, ohne dabei auf die Funktion einer Elektronik eines Batteriemanagementsystems angewiesen zu sein. Eigensichere Batteriezellen sollten kurzschlussfest, nicht brennbar, und nicht explosiv sein und auch keine exothermen Reaktionen, im englischen Sprachgebrauch auch „thermal runaway“ genannt, auslösen. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise eigensichere Batteriezellen bekannt, die elektronische Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine ultraschnelle Entladeschaltung, die die Batteriezelle vor Störfällen, wie interne oder externe Kurzschlüsse, Überlastung, Tiefentladung oder unzulässiger externer Erwärmung schützt.
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Um einen bestimmten Wert der Gesamtspannung eines Batteriemoduls oder eines Batteriesystems zu erreichen, werden entsprechend dem gegenwärtigen Stand der Technik mehrere elektrisch eigensichere Batteriezellen, die entweder in Serie und/oder parallel miteinander verschaltet sind, von einer übergeordneten Steuereinheit, beispielsweise einem Batteriemanagementsystem, entsprechend einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit eingeschaltet. Um die Leistungsfähigkeit der einzelnen Batteriezellen zu maximieren und deren Lebensdauer zu verlängern, sind die einzelnen Batteriezellen mit Elektronik ausgerüstet, um die eigenen Zustandsbedingungen zu ermitteln und einen eigenen Schaltzustand dementsprechend auszuführen. Die Prioritätensetzung der Nutzung der Batteriezellen erfolgt typischerweise entweder entsprechen dem Ladezustand einzelner Batteriezellen, welcher im englischen Sprachgebrauch auch als State of Charge (SOC) bezeichnet wird, oder der Alterung einzelner Batteriezellen, die im englischen Sprachgebrauch auch als State of Health (SOH) bezeichnet wird. Zur Umsetzung dieses Schaltverfahrens ist nach dem gegenwärtigen Stand der Technik jede einzelne Batteriezelle mit einer Mikroprozessoreinheit, welche im englischen Sprachgebrauch auch als Micro-Control-Unit (MCU) bezeichnet wird, ausgerüstet, welche die Schaltwahrscheinlichkeit der entsprechenden Batteriezelle ermittelt. Dies stellt einen erheblichen technischen Aufwand dar und belastet außerdem das Batteriemanagementsystem, und insbesondere die Informationsdichte des Kommunikations-Busses.
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Aus der
US 2012/0274140 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, welches eine Schaltvorrichtung die mit einer Steuereinheit verbunden ist, aufweist. Die Schaltvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen und eine Verkabelung, die es der Steuereinheit ermöglicht, die Zusammenstellung der einzelnen Batteriezellen in dem Batteriemodul zu verändern. Dabei können der Ladezustand und die Alterung der einzelnen Batteriezellen, die Vorgeschichte des Batteriemoduls, sowie Umweltbedingungen und Herstellervorgaben berücksichtigt werden. Mithilfe der Schaltvorrichtung kann die Ausgangspannung des Batteriemoduls an die Erfordernisse eines Abnehmers, beispielsweise ein Elektromotor, angepasst werden.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Schaltverfahren für Batteriezellen oder Batteriemodule weisen eine relativ hohe Komplexität auf, die zulasten der Effizienz und zu einer starken Auslastung des Kommunikations-Busses zwischen den einzelnen Batteriezellen und dem Batteriemanagementsystem führen. Eine Überlastung des Kommunikations-Busses kann Verzögerungen beim Ein- bzw. Ausschalten von Batteriezellen eines Batteriemoduls oder Batteriesystems zur Folge haben. Dadurch kann die Genauigkeit der Steuerung zur Einstellung einer bestimmten Nennspannung beeinträchtigt werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schaltbarkeit von eigensicheren Batteriezellen, insbesondere von Lithium-Ionen-Batteriezellen, zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Reduzierung der Komplexität des Batteriemoduls oder Batteriesystems und der Reduzierung der Informationslast auf dem Kommunikations-Bus zwischen den einzelnen Batteriezellen und dem Batteriemanagementsystem.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine eigensichere Batteriezelleinheit mit Einschaltverzögerung gemäß Anspruch 1 und ein Schaltverfahren für eigensichere Batteriezelleinheiten gemäß Anspruch 10 vorgeschlagen.
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Dementsprechend sieht die Erfindung eine Batteriezelleinheit vor, welche eine nachladbare elektrochemische Batteriezelle, eine zu der Batteriezelle parallel geschaltete Überwachungs- und Steuerungseinheit und eine Koppeleinheit ausgebildet als Halbbrücke mit einem ersten Leistungshalbleiter und einem zweiten Leistungshalbleiter umfasst. Die Batteriezelleneinheit ist mit einem integrierten Schaltkreis ausgerüstet, der eine Rauschquelle aufweist. Mittels der Rauschquelle ist eine Einschaltverzögerung realisierbar.
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Die erfindungsgemäße eigensichere Batteriezelleinheit bietet den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass eine bislang für Schaltverfahren genutzte Mikroprozessoreinheit durch einen integrierten Schaltkreis mit einer Rauschquelle ersetzt werden kann und somit die die Kosten und die Komplexität eines Batteriesystems herabgesetzt werden können. Software und Prozessorchips werden nicht mehr benötigt. Durch die Nutzung eines integrierten Schaltkreises anstelle einer Mikroprozessoreinheit wird die Datenlast auf dem Kommunikations-Bus, der die einzelnen Batteriezelleinheiten mit einem Batteriemanagementsystem verbindet, vermindert. Durch den Einsatz einer Rauschquelle zur Erzeugung einer individuellen Einschaltverzögerung eigensicherer Batteriezelleinheiten kann weiterhin die Frequenz der Aktivierung bzw. Deaktivierung einer Batteriezelleinheit erhöht werden und die Nennspannung eines Batteriemoduls bzw. eines Batteriesystems, das mehrere erfindungsgemäße Batteriezelleinheiten aufweist, präziser eingestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Rauschquelle eine Induktionsspule, und insbesondere eine Kleinsignal-Induktionsspule ist. Durch den Einsatz relativ einfacher Bauelemente können die Kosten und die Komplexität der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit reduziert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mehrere Batteriezelleinheiten zu einem Batteriemodul miteinander verschaltbar sind, wobei die Einschaltverzögerung die einzelnen Batteriezelleinheiten individuell einstellbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Batteriezelleinheit können Batteriesysteme aufgebaut werden, bei denen wesentlich geringere Anforderungen an das zugeordnete Batteriemanagementsystem gestellt werden. Damit werden flexible und kundenspezifische Batteriemodule bzw. Batteriesysteme ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels unterschiedlicher Spannungen der Rauschquelle verschiedene Spannungskennlinien der Batteriezelleinheit und somit unterschiedliche Einschaltmomente erzeugbar sind. Dadurch kann die Frequenz der Aktivierung bzw. Deaktivierung einer Batteriezelleinheit erhöht werden und die Nennspannung eines Batteriemoduls bzw. eines Batteriesystems, das mehrere erfindungsgemäße Batteriezelleinheiten aufweist, präziser eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Schwellenspannung U1 festlegbar ist, die den Zeitpunkt des Ein- bzw. Ausschaltens der Batteriezelleinheit bestimmt. Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Batteriezelleinheit beim Überschreiten der Schwellenspannung U1 einschaltbar und beim Unterschreiten der Schwellenspannung U1 ausschaltbar ist. Somit kann der Batteriezellzustand der Batteriezellen der Batteriezelleinheiten, insbesondere der Ladezustand oder der Alterungszustand, beim Schalten der Batteriezelleinheiten berücksichtigt werden. Dies kann zu einer Verlängerung der Lebensdauer und zu einer Steigerung der Leistungsfähigkeit der einzelnen Batteriezellen führen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist. Lithium-Ionen Batteriesysteme bieten aktuell die Besten Entwicklungschancen für den Erfolg von Hybrid- und Elektroautos.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine erste Diode parallel zu dem ersten Leistungshalbleiter geschaltet ist und eine zweite Diode parallel zu dem zweiten Leistungshalbleiter geschaltet ist, wobei der erste Leistungshalbleiter und die erste Diode einen ersten Leistungshalbleiterschalter und der zweite Leistungshalbleiter und die zweite Diode einen zweiten Leistungshalbleiterschalter bilden. Durch den Einsatz von Leistungselektronik ist die erfindungsgemäße Batteriezelleinheit flexible steuerbar. Außerdem bieten leistungselektronische Systeme den Vorteil, dass sie relativ hohe Wirkungsgrade haben.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Schaltverfahren für ein Batteriesystem, welches mehrere eigensichere Batteriezelleinheiten umfasst, die jeweils eine nachladbare elektrochemische Batteriezelle, eine zu der Batteriezelle parallel geschaltete Überwachungs- und Steuerungseinheit und eine Koppeleinheit ausgebildet als Halbbrücke mit einem ersten Leistungshalbleiter und einem zweiten Leistungshalbleiter aufweisen, vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass durch Integration einer Rauschquelle in jede einzelne Batteriezelleinheit für jede einzelne Batteriezelleinheit eine individuelle Einschaltverzögerung realisiert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße eigensichere Batteriezelleinheit;
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2 in einer schematischen Darstellung die Spannungskennlinien verschiedener erfindungsgemäßer eigensicherer Batteriezelleinheiten in Abhängigkeit von der Spannung der Rauschquelle;
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3 in einer schematischen Darstellung eine Schwellenspannung für eine erfindungsgemäße eigensichere Batteriezelleinheit; und
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4 in einer schematischen Darstellung individuelle Schwellenspannungen einzelner erfindungsgemäßer eigensicherer Batteriezelleinheiten.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In der 1 ist das Prinzipschaltbild einer eigensicheren Batteriezelleinheit 10 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die elektrisch eigensichere Batteriezelleinheit 10 umfasst eine elektrochemische Batteriezelle 11, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, und eine zu der Batteriezelle 11 parallel geschaltete Überwachungs- und Steuerungseinheit 12. Die Überwachungs- und Steuerungseinheit 12 weist Überwachungselektronik 13 zum Überwachen der Batteriezelle 11 auf. Des Weiteren kann die Überwachungs- und Steuerungseinheit 12 beispielsweise eine Sensorvorrichtung zum Erfassen physikalischer Größen, eine Zustandsermittlungsvorrichtung (Batteriezellzustandserkennung und -Prädiktion), die aus den Sensorsignalen den aktuellen Batteriezellzustand insbesondere hinsichtlich ihrer Sicherheit erkennt und auch das zukünftige Verhalten der Batteriezelle 11 vorhersagen beziehungsweise prädizieren kann, und eine Aktorvorrichtung (Sicherheitsaktorik), mit der die Batteriezelle 11 bei Erkennen eines kritisch werdenden Batteriezellzustands in einen sicheren Betriebsmodus überführt werden kann, auf weisen.
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In der Batteriezelleinheit 11 kann eine Entladevorrichtung (nicht separat dargestellt) angeordnet sein, die mittels der Aktorvorrichtung aktiviert werden kann. Die Entladevorrichtung ist dazu vorgesehen ist, in einem aktivierten Entlademodus die Batteriezelle 11 mittels von moderaten Entladeströmen und/oder in einem aktivierten Schnellentlademodus die Batteriezelle 11 mittels von hohen Entladeströmen nahe dem Kurzschlussstrom zu entladen. Weiterhin können in der Batteriezelleinheit 10 Sicherheitsfunktionen, beispielsweise eine Tiefenentladungssicherheitsfunktion integriert sein, die von der Überwachungs- und Steuerungseinheit 12 bereitgestellt werden und die Batteriezelle 11 bei Vorliegen eines kritischen oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes sofort in einen sicheren Betriebsmodus überführen können.
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Die Batteriezelleinheit 10 weist ferner eine Koppeleinheit auf, die aus einer Halbbrücke 14 mit einem ersten Leistungshalbleiter 15 und einem zweiten Leistungshalbleiter 16 ausgebildet ist. Die Leistungshalbleiter 15 und 16 können beispielsweise Transistoren sein. Parallel zu dem ersten Leistungshalbleiter 15 ist eine erste Diode 17 geschaltet und parallel zu dem zweiten Leistungshalbleiter 16 ist eine zweite Diode 18 geschaltet. Die Dioden 17 und 18 sind vorzugsweise Freilaufdioden. Die Durchlassrichtung der Dioden 17 und 18 verläuft entgegen der Durchlassrichtung des entsprechenden Leistungshalbleiters 15 bzw. 16. Der erste Leitungshalbleiter 15 und die erste Diode 17 bilden einen ersten Leistungshalbleiterschalter und der zweite Leitungshalbleiter 16 und die zweite Diode 18 bilden einen zweiten Leistungshalbleiterschalter.
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Die Halbbrücke 14 ist an einem ersten, dem ersten Leistungshalbleiter 15 zugeordneten Anschluss mit dem Pluspol der Batteriezelle 11 und an einem zweiten, dem zweiten Leistungshalbleiter 16 zugeordneten Anschluss mit dem Minuspolder Batteriezelle 11 verbunden. Die Halbbrücke 14 ist ferner an einem Mittelanschluss mit einem ersten Ausgangsterminal der Batteriezelleinheit 10 verbunden. Die Überwachungs- und Steuerungseinheit 12 ist erfindungsgemäß mit einer integrierten Ansteuerung für die Leistungshalbleiter 15 und 16 eingerichtet.
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Im Normalbetrieb wird die Batteriezelle 10 mittels des oberen Teils der Halbbrücke 13, dem ersten Leistungshalbleiterschalter gebildet von dem ersten Leistungshalbleiter 15 und der ersten Diode 17, angeschaltet und mittels des unteren Teils der Halbbrücke 14, dem zweiten Leistungshalbleiterschalter gebildet von dem zweiten Leistungshalbleiter 16 und der zweiten Diode 18, ausgeschaltet.
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Erreicht die Batteriezelle 10 einen bestimmten Batteriezellzustand, wie beispielsweise einen vorgegebenen minimalen Spannungswert, bis zu dem die Batteriezelle 11 entladen werden kann, oder einen vorgegebenen maximalen Spannungswert, bis zu dem die Batteriezelle 11 geladen werden kann, so wird der obere Teil der der Halbbrücke 14, und somit der erste Leistungshalbleiterschalter, ausgeschaltet, während der untere Teil der Halbbrücke 14, und somit der zweite Leistungshalbleiterschalter, eingeschaltet wird.
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Eine Mehrzahl von eigensicheren Batteriezelleinheiten 10 kann entweder in Serie und/oder parallel miteinander verschaltet werden und somit ein Batteriemodul bzw. ein Batteriesystem bilden. Um einen bestimmten Wert der Gesamtspannung eines solchen Batteriemoduls oder Batteriesystems zu erreichen, werden die eigensicheren Batteriezelleinheiten 10 von einer übergeordneten zentralen Steuereinheit, beispielsweise einem Batteriemanagementsystem, entsprechend einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit ein- bzw. ausgeschaltet.
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Um die Leistungsfähigkeit der einzelnen Batteriezellen 11 zu maximieren und deren Lebensdauer zu verlängern, sind die einzelnen Batteriezelleinheiten 10 mit Elektronik ausgerüstet, um die eigenen Zustandsbedingungen zu ermitteln und einen eigenen Schaltzustand dementsprechend auszuführen. Die Prioritätensetzung der Nutzung der Batteriezelleinheiten 10 erfolgt typischerweise entweder entsprechen dem Ladezustand einzelner Batteriezellen 11, welcher im englischen Sprachgebrauch auch als State of Charge (SOC) bezeichnet wird, oder der Alterung einzelner Batteriezellen 11, die im englischen Sprachgebrauch auch als State of Health (SOH) bezeichnet wird.
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Zur Umsetzung dieses Schaltverfahrens ist die erfindungsgemäße Batteriezelleinheit 10 mit einem integrierten Schaltkreis 20, beispielsweise einem Logikschaltkreis, ausgerüstet, der eine Rauschquelle 21 aufweist. Der Logikschaltkreis kann eigenständig arbeiten, nachdem er Freigabesignal erhalten hat. Die Rauschquelle 21 ist vorzugsweise eine Induktionsspule und insbesondere sine Kleinsignal-Induktionsspule. Mithilfe einer Kleinsignal-Induktionsspuleist es möglich, deutliche Einschaltverzögerungen zwischen einzelnen Batteriezelleinheiten 10 zu erzeugen. Der integrierte Schaltkreis 20 kann entsprechend einer Ausführungsform in die Überwachungs- und Steuerungseinheit 12 integriert sein. Mithilfe der Rauschquelle 21 wird eine Einschaltverzögerung erreicht, die für jede Batteriezelleinheit 10 individuell eingestellt werden kann. Damit werden flexible und kundenspezifische Batteriemodule bzw. Batteriesysteme ermöglicht.
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In 2 sind die Spannungskennlinien verschiedener erfindungsgemäßer eigensicherer Batteriezelleinheiten 31, 32 und 33 in Abhängigkeit von der Spannung der Rauschquelle 21 dargestellt. Die eigensicheren Batteriezelleinheiten 31, 32 und 33 entsprechen in ihrem Aufbau der zuvor beschriebenen eigensicheren Batteriezelleinheit 10. Wie aus 2 ersichtlich, ist es möglich mit unterschiedlichen Spannungen der Rauschquelle 21 verschiedene Spannungskennlinien in den einzelnen Batteriezelleinheiten 31, 32 und 33 zu erzeugen und somit unterschiedliche Einschaltmomente für die einzelnen Batteriezelleinheiten 31, 32 und 33.
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In 3 ist eine Schwellenspannung für eine erfindungsgemäße eigensichere Batteriezelleinheit 31 gezeigt. Zusätzlich zum Erzeugen einer Einschaltverzögerung mithilfe der Rauschquelle 21 welche das Schalten mehrerer Batteriezelleinheiten 31, 32 und 33 vereinfacht und optimiert, kann eine Schwellenspannung für jede einzelne Batteriezelleinheit festgelegt werden. In 3 ist die Schwellspannung U1 für die Batteriezelleinheit 31 dargestellt. Die Schwellenspannung U1 bestimmt, wann die Batteriezelleinheit 31 ein- bzw. ausgeschaltet wird. Wenn die Schwellenspannung U1 überschritten wird, wird die Batteriezelleinheit 31 eingeschaltet, und wenn die Schwellenspannung U1 unterschritten wird, wird die Batteriezelleinheit 31 ausgeschaltet.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, kann die Schwellenspannung für jede einzelne Batteriezelleinheit individuell festgelegt werden. 4 zeigt die individuellen Schwellenspannungen U1 und U2 für die entsprechenden einzelnen Batteriezelleinheiten 31 und 32. Ein Kriterium für die Bestimmung oder Festlegung der individuellen Schwellspannungen U1 und U2 kann beispielsweise der Batteriezellzustand der Batteriezellen 11 der Batteriezelleinheiten 31 und 32 sein, insbesondere der Ladezustand oder der Alterungszustand. Demzufolge, wenn der Ladezustand und/oder der Alterungszustand einer Batteriezelleinheit hoch ist, wird die Schwellenspannung niedrig angesetzt und somit eine kurze Einschaltverzögerung ermöglicht.
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Durch den Einsatz einer Rauschquelle 21 zur Erzeugung einer individuellen Einschaltverzögerung eigensicherer Batteriezelleinheiten 10 können die Kosten und die Komplexität eines Batteriesystems herabgesetzt werden, während die Frequenz der Aktivierung bzw. Deaktivierung einer Batteriezelleinheit 10 erhöht werden kann. Weiterhin kann durch eine Verminderung der Datenlast auf dem Kommunikations-Bus, der die einzelnen Batteriezelleinheiten 10 mit einem Batteriemanagementsystem verbindet, die Nennspannung eines Batteriemoduls bzw. eines Batteriesystems, das mehrere Batteriezelleinheiten 10 aufweist, präziser eingestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Batteriezelleinheit 10 ist nicht auf den Einsatz von Lithium-Ionen-Batteriezellen beschränkt und kann auch für andere Batteriezelltechnologien, wie beispielsweise für Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen, eingesetzt werden.
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Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0274140 A1 [0005]
