DE102017211989A1

DE102017211989A1 - Steueranordnung, Zellenanordnung und Arbeitsvorrichtung

Info

Publication number: DE102017211989A1
Application number: DE102017211989.6A
Authority: DE
Inventors: Patrick Kaupp; Thomas Schaedlich; Chrysanthos Tzivanopoulos; Holger Stegmueller; Sven Bergmann; Thomas Kaiser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2019-01-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steueranordnung (50) für mindestens eine Schnellentladeeinheit (30) einer Batteriezelle (10) mit (i) einem Triggerabschnitt (51), welcher zur Steuerung des Betriebs der Schnellentladeeinheit (30) in Abhängigkeit vom Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Schnellentladezustands und dazu eingerichtet ist, mit der Schnellentladeeinheit (30) verbunden oder verbindbar zu sein, und mit (ii) einem Erfassungsabschnitt (55), welcher zur Detektion und zum Signalisieren des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Schnellentladezustands an den Triggerabschnitt (51) eingerichtet ist, bei welcher der Erfassungsabschnitt (55) als elektronischer Baustein den Triggerabschnitt (51) funktional und/oder als elektronische Baugruppe umfasst.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steueranordnung, insbesondere für mindestens eine Schnellentladeeinheit einer Batteriezelle, eine Zellenanordnung, insbesondere ein Zellenmodul oder eine Batterie, und eine Arbeitsvorrichtung, insbesondere ein Fahrzeug.
Die jüngste Entwicklung im Bereich der elektronischen Industrie und dergleichen hat den Wunsch nach mobilen elektronischen Geräten mit hoher Performance und kompakter Bauweise gesteigert. Derartige elektronische Geräte benötigen Batterien mit einer hohen Kapazität und Energiedichte. In diesem Bereich sind insbesondere Batterien geeignet, die reich sind an Nickel und/oder an Lithium. Derartige Batterien sind jedoch bei einer Fehlfunktion oder bei einem fehlerhaften Einsatz der Batterie problematisch, weil unter bestimmten Umständen Fehlersituationen auftreten könnten, zum Beispiel das so genannte Entgasen oder die Entwicklung übermäßiger Wärme bis hin zur Entstehung von Feuer oder einer Explosion.
DE 10 2013 204 510 A1 beschreibt ein elektrisch eigensicheres Batteriemodul mit ultraschneller Entladeschaltung und ein Verfahren zur Überwachung eines Batteriemoduls. Die US 2012/0187914 offenbart ein Steuerverfahren für ein Batteriesystem mit gesteigerter Sicherheit.
Zur Vermeidung der oben beschriebenen Fehlerfälle werden Batteriezellen häufig mit Schnellentladeeinheiten oder Schnellabschalteinrichtungen ausgestattet, insbesondere im Zusammenhang mit bestimmten Separatoren innerhalb des zu Grunde liegenden elektrochemischen Teils der Batteriezelle. Eine derartige Schnellentladeeinheit kann so aufgebaut sein, dass sie den elektrochemischen Teil über einen Widerstand, der zwischen den Zellanschlüssen eine elektrische Verbindung herstellt, entlädt, so dass die im elektrochemischen Teil gespeicherte Energiemenge reduziert wird. Dabei wird gleichzeitig die Temperatur des elektrochemischen Teils und insbesondere des Separators erhöht, wodurch dieser für bestimmte Ionenarten zumindest teilweise impermeabel wird. Auf diese Weise erfolgt eine irreversible Passivierung der zu Grunde liegenden Batteriezelle.
Problematisch bei herkömmlichen Zellanordnungen, Zellmodulen oder Batterien ist die Notwendigkeit des Vorsehens unterschiedlicher Baugruppen um einerseits einen Gefahrenzustand messen und erkennen zu können und um andererseits Schnellentladeeinheiten steuern zu können. Dies führt zu gesteigerten Entwicklung- und Produktionskosten.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Steueranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die verschiedenen Steuerfunktionalitäten mit einer verringerten Anzahl von Baukomponenten realisiert werden können. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine Steueranordnung für mindestens eine Schnellentladeeinheit einer Batteriezelle geschaffen wird (i) mit einem Triggerabschnitt, welcher zur Steuerung des Betriebs der Schnellentladeeinheit in Abhängigkeit vom Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Schnellentladezustands und dazu eingerichtet ist, mit der Schnellentladeeinheit verbunden oder verbindbar zu sein, und (ii) mit einem Erfassungsabschnitt, welcher zur Detektion und zum Signalisieren des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Schnellentladezustands an den Triggerabschnitt eingerichtet ist, bei welcher der Erfassungsabschnitt als elektronischer Baustein den Trägerabschnitt funktional und/oder als elektronische Baugruppe umfasst. Durch diese Maßnahmen entfällt die Notwendigkeit, für das Erfassen des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Schnellentladezustands und für das bedingte Triggern oder Auslösen einer zu Grunde liegenden Schnellentladeeinheit separate Bausteine oder Baugruppen vorzusehen. Dabei wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter einem Schnellentladezustand ein Zustand einer Batteriezelle und/oder einer von der Batteriezelle zu versorgenden Einrichtung verstanden, welcher einen Schnellentladevorgang der Batteriezelle erfordert, insbesondere um eine Gefahrensituation zu vermeiden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Erfassungsabschnitt kann auf vielfältige Weise ausgebildet sein, wobei verschieden starke Integrationskonzepte einzeln oder in Kombination miteinander zum Tragen kommen können.
So ist es bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Steueranordnung vorgesehen, dass der Erfassungsabschnitt mit dem Triggerabschnitt ganz oder teilweise als integrierter Schaltkreis, ASIC und/oder als diskrete Schaltung ausgebildet ist. Mischformen sind dabei mit umfasst.

Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung, also das Integrieren eines Triggerabschnitts in einem Erfassungsabschnitt bei einer Steueranordnung für eine Schnellentladeeinheit oder in umgekehrter Sichtweise das Integrieren eines Erfassungsabschnitts in einem Triggerabschnitt bei einer Steueranordnung für eine Schnellentladeeinheit lässt sich insbesondere durch die nachfolgend in der Tabelle aufgelisteten und an sich bekannten ASICs verschiedener Hersteller realisieren.

Hersteller	ASIC
AMS	AS8506
Analog Devices	AD7280
Cellwise	CW1165
Elithion	EL01 / EL02
Freescale	MC33771
Imagis	Apollo
Intersil	SL9208; ISL9216/17; ISL94200/201
Linear Technology	LTC6801, LTC6802, LTC6803, LTC6804
Maxim	DS2726; MAX1894 / MAX1924; MAX11068; MAX11080, MAX17823, MAX17830
O2Micro	OZ890
Renesas	R2A20027, R2A20028, R2A270100HFP
Texas Instruments	bq series BQ77PL900; bq76PL536; bq76PL537; bq29330 / bq20z90; bq78PL114 / bq76PL102; bq76PL455A
Toshiba	TB9141FG

Die erfindungsgemäße Steueranordnung lässt sich bei einzelnen Batteriezellen in vorteilhafter Weise zum Einsatz bringen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Erfassungsabschnitt mit dem Triggerabschnitt eingerichtet ist, über jeweils einen ersten zellindividuellen Zellanschlusseingang mit einem jeweiligen ersten Ausgang einer Schnellentladeeinheit einer zu Grunde liegenden Batteriezelle verbunden oder verbindbar zu sein.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Verbindung mit einem oder über einen jeweiligen ersten Ausgang eines Treibers der jeweiligen Schnellentladeeinheit und/oder mittels einer jeweiligen ersten und zellindividuellen Erfassungsleitung realisiert ist oder wird.
Die erfindungsgemäßen Vorzüge entfalten sich insbesondere beim Einsatz im Zusammenhang mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, zum Beispiel einer allgemeinen Zellenanordnung oder einem Zellmodul.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn der Erfassungsabschnitt mit dem Triggerabschnitt eingerichtet ist, über eine Mehrzahl erster und zellindividueller Zellanschlusseingänge individuell mit ersten Ausgängen von Schnellentladeeinheiten einer zu Grunde liegenden Mehrzahl von Batteriezellen verbunden oder verbindbar zu sein, insbesondere mit ersten Ausgängen entsprechender Treiber.
In diesem Zusammenhang kann der Erfassungsabschnitt mit dem Triggerabschnitt zusätzlich oder alternativ eingerichtet sein, über jeweils einen zweiten gemeinsamen Zellanschlusseingang mit einem jeweiligen zweiten Ausgang einer Schnellentladeeinheit einer zu Grunde liegenden Batteriezelle und insbesondere mit einer Mehrzahl zweiter Ausgänge einer Mehrzahl von Batteriezellen verbunden oder verbindbar zu sein.
Eine derartige Verbindung kann in vorteilhafter Weise mit einem zweiten Ausgang eines jeweiligen Treibers der Schnellentladeeinheit und/oder über eine zweite und gemeinsame Erfassungsleitung realisiert sein oder werden.
Ein besonders hohes Maß an Zuverlässigkeit und Steuerbarkeit stellt sich dann ein, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steueranordnung der Erfassungsabschnitt mit dem Triggerabschnitt, den ersten und zellindividuellen Zellanschlusseingänge jeweils vorgeschaltet, erste und zellindividuelle Schalteinrichtungen aufweist.
Diese ersten zellindividuellen Schalteinrichtungen können über individuelle Steuerleitungen betätigbar sein, um insbesondere die ersten und zellindividuellen Zellanschlusseingänge selektiv mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung zu verbinden oder sie von dieser zu trennen.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Versorgungsleitung steuerbar und insbesondere über einen Auslöseschalter und über einen Diagnoseschalter mit einer Auslösestromquelle bzw. mit einer Diagnosestromquelle verbindbar ist. Durch diese Maßnahmen ergibt sich die Möglichkeit, die jeweils zu schaltenden Lasten von dem jeweils zu initiierenden Prozess abhängig zu gestalten, zumal für einen reinen Analyse- oder Diagnoseprozess im allgemeinen eine weitaus geringere elektrische Leistung zu übertragen ist als im Zusammenhang mit einem Auslösevorgang oder Trigger Prozess, bei welchem eine zu Grunde liegende Schnellentladeeinheit zu schalten ist.
In diesem Zusammenhang ist es bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Steueranordnung vorgesehen, dass die gemeinsame Erfassungsleitung dem gemeinsamen Zellanschlusseingang nachgeschaltet über einen Diagnosewiderstand oder direkt über einen gemeinsamen Freigabeschalter steuerbar mit einem Masseanschluss verbunden oder verbindbar ist, wobei der gemeinsame Freigabeschalter insbesondere mittels einer Steuerleitung steuerbar betätigbar ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Zellenanordnung und insbesondere ein Zellmodul oder eine Batterie als solche.
Dabei ist jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen ausgebildet, von denen jede einen ersten Zellanschluss und einen zweiten Zellanschluss aufweist, zwischen denen ein elektrischer Kontakt oder eine elektrische Verbindung zu einer Schnellentladeeinheit ausgebildet oder ausbildbar ist.
Es ist ferner eine erfindungsgemäße Steueranordnung ausgebildet, die mit dem ersten und dem zweiten der jeweiligen Treiber der Schnellentladeeinheit einer jeweiligen Batteriezelle verbunden oder verbindbar ist.
Eine jeweilige Batteriezelle kann ausgebildet sein mit:

- ersten und zweiten Zellanschlüssen zur externen Kontaktierung der Batteriezelle,
- einem elektrochemischen Teil, vorzugsweise mit oder nach Art einer Jelly-Roll- und/oder einer Elektrodenstapelkonfiguration, in elektrischer Verbindung mit den Zellanschlüssen, und
- einer Schnellentladeeinheit, welche mit den Zellanschlüssen und parallel zum elektrochemischen Teil elektrisch verbunden oder verbindbar ist und welche eingerichtet ist, eine Batteriezelle beim Vorliegen erster Bedingungen zu entladen, indem die Zellanschlüsse elektrisch miteinander verbunden werden, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Widerstands, unter Verwendung eines Entladeschalters und/oder unter Einsatz des Treibers zum Auslösen des Entladeschalters.

Der elektrochemische Teil kann eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, eine Elektrolytkomponente mit einer elektrisch leitenden Salzkomponente und einer Lösungsmittelkomponente sowie einen Separator aufweisen.
Der Separator kann eingerichtet sein, beim Erreichen einer vorbestimmten Temperatur zumindest teilweise impermeabel zu sein oder zu werden für Ionen, die im Inneren des elektrochemischen Teils erzeugt werden oder vorhanden sind.
Die Schnellentladeeinheit kann eingerichtet sein, die Batteriezelle mittels eines ersten Stroms, der durch die Batteriezelle und durch die Schnellentladeeinheit fließt, zu entladen, und zwar durch Verbinden der ersten und zweiten Zellanschlüsse mittels des Widerstands der Schnellentladeeinheit.
Der Widerstand kann so gewählt sein oder werden, dass während des Stromflusses der erste Strom durch die Batteriezelle und durch die Schnellentladeeinheit bewirkt, dass sich der elektrochemische Teil derart erwärmt, dass der Separator die vorbestimmte Temperatur erreicht.
Zusätzlich oder alternativ kann der Widerstand der Schnellentladeeinheit so gewählt sein oder werden, dass ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle während des Aufheizens des elektrochemischen Teils mittels des ersten Stroms durch die elektrochemische Zelle und durch die Schnellentladeeinheit verhindert wird.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Separator so eingerichtet ist, dass er beim Erreichen der vorbestimmten Temperatur zumindest teilweise undurchlässig oder impermeabel wird für im elektrochemischen Teil vorhandene oder erzeugte Ionen. Ein derartiger Vorgang realisiert in bedingter, aber steuerbarer Art und Weise eine, insbesondere irreversible, Passivierung der zu Grunde liegenden Batteriezelle oder einer Mehrzahl davon.
Innerhalb einiger oder weniger Millisekunden nach Aktivierung der Schnellentladeeinheit werden Ladungsträger sehr schnell entladen, und zwar direkt vor den jeweiligen Elektroden. Dies führt zu einer Verarmung an Ladungsträgern vor den Elektroden und mithin zu einer starken Polarisation der Elektroden. Innerhalb der nachfolgenden 100 ms werden in einem zweiten Schritt die bereits im Elektrolyten vorhandenen Ladungsträger sehr schnell entladen, und zwar verglichen mit den Reaktionen der Insertion oder Deinsertion (insertion/deinsertion reaction) der Elektroden, verglichen mit dem langsamen Diffusionsvorgang durch die Festkörper-Elektrolytgrenzfläche (SEI: solid electrolyte interface) sowie verglichen mit der langsamen Diffusion in das aktive Material. Dies bewirkt eine starke Trennung der Ladungsträger vor der Elektrode, wodurch eine weitere Polarisation der Elektrode im Zusammenhang mit einem starken Spannungsabfall der Batteriezelle auftritt, dies führt zu einer ersten Plateauphase.
Je schneller die Entladung erfolgt, desto besser entwickelt sich das Sicherheitsverhalten der Batteriezelle. Dies ist deshalb so, weil der Entladestrom schnell abfällt und die Erwärmung der Batterie nicht lokal auf die Schadenszone begrenzt ist. Daher ist die Gesamterwärmung der Batteriezelle niedrig verglichen mit der lokalen Erwärmung im Falle eines Kurzschlusses.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug mit einem Aggregat zum Ausführen eines Arbeitsvorgangs und insbesondere einen Antrieb sowie mindestens eine erfindungsgemäße Zellanordnung oder eine Batterie, welche zur Versorgung des Aggregats zu dessen Betrieb mit elektrischer Energie ausgebildet sind.
Figurenliste
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung mit Fokus auf eine Batteriezelle, bei welcher eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steueranordnung eingesetzt wird.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zellenanordnung unter Verwendung einer von Ausführungsform erfindungsgemäßen Steueranordnung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 und 2 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung mit Fokus auf eine Batteriezelle 10, bei welcher eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steueranordnung 50 eingesetzt wird.
Die in 1 dargestellte Batteriezelle 10 weist in einem Gehäuse 17 einen elektrochemischen Teil 20 auf, der gebildet wird von einer ersten oder positiven Elektrode 21, einer zweiten oder negativen Elektrode 22 und einer Elektrolytkomponente 23 mit mindestens einer Salzkomponente 24 mit mindestens einer Lösungsmittelkomponente oder Lösungskomponente 25.
Die Elektroden 21, 22 sind im Elektrolyten 23 eingetaucht oder eingebettet und werden durch den Separator 26 getrennt. Der Separator 26 besitzt die Eigenschaft, beim Erreichen einer vorbestimmten Temperaturschwelle von unten zumindest teilweise impermeabel zu werden für eine oder für mehrere Ionenspezies, die in der Batteriezelle 10 vorliegen oder erzeugt werden. Durch diesen Vorgang werden weitere elektrochemische Prozesse, die zu einer Energieerzeugung führen können, unterbunden. Die Batteriezelle 10 wird damit passiviert, dieser Vorgang kann irreversibel sein.
Der elektrochemische Teil 20 ist über Anschlussleitungen 15 und 16 mit den ersten und zweiten Zellanschlüssen 11, 12 verbunden, welche so eingerichtet und ausgebildet sind, dass sie einen externen Kontakt ausbilden können, um zum Beispiel in direkter oder indirekter Art und Weise elektrische Energie über Versorgungsleitungen 61 und 62 einer Last 60 zuzuführen. Auf diese Art und Weise wird zum Beispiel eine die Last 60 bereitstellende Einrichtung betrieben. Alternativ oder zusätzlich können über die Leitungen 61 und 62 benachbarte Batteriezellen 10 oder eine Mehrzahl von Batteriezellen 10 kontaktiert werden, um zum Beispiel ein Zellmodul 110 oder eine Zellenanordnung 110 bzw. eine Batterie 100 mit einer Mehrzahl verschalteter Batteriezellen 10 zu bilden.
Jeder der ersten und zweiten Zellanschlüsse 11, 12 weist einen Verbindungsbereich 13 zum Ausbilden einer elektrischen Verbindung der Batteriezelle 10 und seiner Anschlussleitungen 15, 16 mit der Schnellentladeeinheit 30 auf.
Zusätzlich weisen die ersten und zweiten Zellanschlüsse 11, 12 jeweils einen externen Bereich 14 auf, um mit den Versorgungsleitungen 61, 62 und der Last 60 direkt oder indirekt verbunden zu werden oder alternativ eine Verbindung zu Zellanschlüssen 11, 12 benachbarter Zellen 10 zu schaffen.
Zusätzlich zu den Anschlussleitungen 15, 16 zum Verbinden der Batteriezelle 10 sind an den Verbindungsknoten 35, 36 Entladeleitungen oder Entladekontakte 33, 34 an den Verbindungsbereichen 13 ausgebildet, und zwar zum elektrischen Verbinden der Verbindungsbereiche 13 der ersten und zweiten Zellanschlüsse 11, 12 mit der Schnellentladeeinheit 30.
Die Schnellentladeeinheit 30 ist ihrerseits eingerichtet, ein Schnellentladen und/oder Passivieren der Batteriezelle 10 und insbesondere des elektrochemischen Teils 20 unter vorgegebenen Bedingungen zu bewirken, um eine Gefahrensituation zu vermeiden.
Wie schematisch in 1 dargestellt ist, kann dieser Schnellentladevorgang realisiert werden durch Betätigen eines Entladeschalters 32, der im Allgemeinen auch als Schnellentladeelement bezeichnet werden kann und der die elektrische Verbindung zwischen den Anschlussknoten 35 und 36 zum Entladen und Passivieren der Batteriezelle 10 und insbesondere des elektrochemischen Teils 20 bewirkt, und zwar über den seriell verbundenen Entladewiderstand 31, welcher einen geeigneten Widerstandswert besitzt.
Andererseits wird der Widerstandswert des Widerstands 31 so bemessen, dass sich ein Entladen des elektrochemischen Teils 20 in vergleichsweise kurzer Zeit bewerkstelligen lässt, und zwar ohne dass die Batteriezelle 10 und ihr elektrochemischer Teil 20 ein thermisches Durchgehen (thermal runaway) erleiden.
Zur weiteren Unterstützung der Sicherheitsaspekte, die mittels der Schnellentladeeinheit 30 erzielt werden, wird erfindungsgemäß der Treiber 37 der Schnellentladeeinheit 30 mit Triggerleitung 56 und der Triggersonde 52 zum Auslösen des Entladeschalters 32 über in 2 genauer dargestellte erste und zweite Anschlüsse oder Ausgänge 38-1, ..., 38-16; 39-1, ..., 39-16 mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Steueranordnung 50 sowie mit dem Erfassungsabschnitt 55 und dem Triggerabschnitt 51 verbunden.
Die Steueranordnung 50 ist so ausgebildet, dass sie über den Triggerabschnitt 51 nach Signalisierung durch den Erfassungsabschnitt 55 über die ersten und zweiten Erfassungsleitungen 57-1,..., 57-16 bzw. 59 den Treiber 37 der jeweiligen Schnellentladeeinheit 30 veranlasst, mittels der Triggerleitung 56 und gegebenenfalls mittels der Triggersonde 52 den Entladeschalter 32 beim Vorliegen bestimmter Bedingungen auszulösen, um eine elektrische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Zellanschlüssen 11, 12 über die Verbindungsknoten 5 und 30, 36 und die Entladeleitungen 33, 34 und im Wesentlichen nach Art eines Kurzschlusses zu bewirken, wodurch im Schnellentladezustand, also in einem Zustand, bei welchem die Batteriezelle 10 schnell entladen werden muss, um ein Notfall zu vermeiden, ein höherer Stromfluss bewirkt wird, welcher den Separator 26 passiviert.
Auf diese Weise ist die Steueranordnung 50 über den Triggerabschnitt 51 in der Lage, beim Vorliegen bestimmter Bedingungen den Schnellentladevorgang zu initiieren und durchzuführen, wobei erfindungsgemäß der Triggerabschnitt 51 kein separates Bauteil darstellt, sondern in seiner Funktion und/oder als Baugruppe im Erfassungsabschnitt 55 integriert ausgebildet ist.
Die Bedingungen, die zu einem Initiieren und Durchführen des Schnellentladevorgangs führen, können im Zusammenhang gesehen werden mit Zustandsbedingungen oder Betriebsbedingungen des elektrochemischen Teils 20 der Batteriezelle 10.
Zusätzlich oder alternativ können auch externe Bedingungen zur Berücksichtigung sinnvoll und vorteilhaft sein, zum Beispiel im Zusammenhang mit einer Unfallsituation, welche primär zunächst nichts mit den Batteriezellen 10 zu tun hat.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zellenanordnung 110 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steueranordnung 50, bei welcher der Triggerabschnitt 51 ein integraler Bestandteil des Erfassungsabschnitts 55 ist, und zwar in funktionaler und/oder struktureller Hinsicht.
Jede Batteriezelle 10 der Zellenanordnung 110 oder Batterie 100 weist einen elektrochemischen Teil auf, welcher über die Versorgungsleitungen 61 und 62 einen externen Abgriff ermöglicht. Über die Verbindungsknoten 35 und 36 ist jeweils eine Schnellentladeeinheit 30 mit einem Treiber 37 und einem Entladeschalter 32 ausgebildet. Über eine Triggerleitung 56 und eine Triggersonde 52 kann ein jeweiliger Treiber 37 die Auslösung des Entladeschalters 32 bewirken.
Das Auslösen unterliegt bestimmten Bedingungen und wird insbesondere über die Ausgestaltung der Steueranordnung 50 geregelt, nämlich im Zusammenhang mit dem Erfassungsabschnitt 55 zum Erfassen des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Schnellentladezustands einer jeweiligen Batteriezelle 10.
Über erste und zellindividuelle Erfassungsleitungen 57-1, ..., 57-16 sowie über eine gemeinsame zweite Erfassungsleitung 59 wird über die Steueranordnung 50 und insbesondere deren Erfassungsabschnitt 55 der Zustand der jeweiligen Batteriezelle 10 erfasst und gegebenenfalls auch bewertet. Aufgrund der Mehrzahl erster und zellindividueller Erfassungsleitungen 57-1, ..., 57-16 kann auch eine entsprechende Mehrzahl individueller Batteriezellen 10 bezüglich ihres Zustands oder Betriebsverhaltens erfasst werden.
Liegt ein Schnellentladezustand einer jeweils überwachten Batteriezelle 10 vor, das heißt also ein Zustand, bei dem aus Sicherheitsgründen die jeweilige Batteriezelle 10 schnell entladen werden sollte, so wird dies dem Triggerabschnitt 51 signalisiert, welcher veranlasst, dass über die Erfassungsleitungen 57-1, ..., 57-16 und 59 gegebenenfalls eine entsprechend betroffene Batteriezelle 10 durch Aktivierung des Treibers 37 und entsprechend durch Auslösen des Entladeschalters 32, nämlich über eine entsprechende Triggerleitung 56, ein jeweiliger Entladeschalter 32 geschlossen wird, um über die Entladeleitungen 33, 34 die Zellanschlüsse 11, 12, die zu den Versorgungsleitungen 61, 62 führen, miteinander kurz zu schließen, um somit den Schnellentladevorgang und die Passivierung der Batteriezelle 10 zu initiieren.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 sind der Erfassungsabschnitt 55 und der Triggerabschnitt 51 als miteinander integrales Bauteil ausgebildet und beruhen maßgeblich auf dem Aufbau des Logikschaltkreises 70 mit seinen ersten oder zellindividuellen Anschlüssen 81-1, ..., 81-16, seinem zweiten und gemeinsamen Anschluss 83 und seinem Steuer- und/oder Triggeranschluss 82.
Um eine individuelle Ansteuerung der einzelne Batteriezellen 10, ihrer Schnellentladeeinheiten 30 und der entsprechenden Treiber 32 mit den Entladeschaltern 32 bewerkstelligen zu können, ist den Zellanschlusseingängen z1 bis z16 jeweils eine erste und zellindividuelle Schalteinheit 71-1, ..., 71-16, die auch einfach als Schalter bezeichnet werden können, vorgeschaltet. Die ersten und zellindividuellen Schalteinheiten 71-1, ..., 71-16 sind über Steuer- und/oder Triggerleitungen 73-1, ..., 70-16 in ihrem Schaltverhalten steuerbar, wobei die Triggerleitungen 73-1, ..., 70-16 mit den ersten und zellindividuellen Anschlüssen 81-1, ..., 81-16 des Logikschaltkreises 70 verbunden sind.
Die ersten und zellindividuellen Schalteinheiten 71-1, ..., 71-16 sind an eine gemeinsame Versorgungsleitung 84 angeschlossen, welche über eine Stromversorgung mit einer Auslösestromquelle 76 und mit einer Diagnosestromquelle 78 über einen Auslöseschalter 75, der auch mit S_A1 bezeichnet wird, bzw. einem Diagnoseschalter 77, der auch mit S_D bezeichnet wird, entsprechend beaufschlagbar ist. Die Stromquellen 76 und 78 können mit der Modulspannung VMODUL verbunden sein.
Je nach Schalterstellung der ersten und zellindividuellen Schalteinheiten 71-1, ..., 71-16 sind die Stromquellen 76 und 78 einzeln oder gemeinsam mit den ersten und zellindividuellen Anschlüssen 57-1, ..., 57-16 verbindbar.
Dazu ist noch ein zweiter oder gemeinsamer Freigabeschalter 72, der auch mit S_A2 bezeichnet wird, über eine mit dem Steuer- und/oder Triggeranschluss 82 verbindbare Steuer- und/oder Triggerleitung 74 steuerbar ausgebildet. Dieser stellt eine direkte Verbindung mit dem Masseanschluss 86 her, nämlich über die Umgehungsleitung 87, oder behält im offenen Zustand die Verbindung des zweiten gemeinsamen Zellanschlusseingangs z und damit der zweiten und gemeinsamen Erfassungsleitung 59 mit der Masse über den Mess- oder Diagnosewiderstand 88 bei.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Steuerkonzepts für Schnellentladeeinheiten 30 für Batteriezellen 10 und Zellanordnungen 110, insbesondere für Zellmodule 110 und Batterien 100, welches bei hoher Zuverlässigkeit kostengünstig aufgebaut werden kann.
Ein Kernaspekt ist dabei die Verwendung an sich bekannter Standardschaltkreise für verschiedenartige Lösungen von Teilproblemen, und zwar in integrierter Form. Beispiele für derartige Standardschaltkreise in Form von ASICs sind in der oben im Detail wiedergegebenen Tabelle aufgelistet.
Jede Batteriezelle 10 weist dabei eine Schnellentladeeinheit 30 mit einer entsprechenden Treiberschaltung 37 auf.
Erfindungsgemäß ist der Erfassungsabschnitt 55 der Steueranordnung 50, welcher auch als CSC-Schaltkreis (CSC : englisch für cell sense circuit, Zellmesskreis) bezeichnet werden kann, so aufgebaut, dass er den Triggerabschnitt 51, welcher die Steuerfunktion zum Auslösen oder Triggern des Treibers 37 realisiert, funktional und/oder von seiner Struktur her umfasst und damit integriert. Dadurch wird die Notwendigkeit einer Mehrzahl voneinander unabhängiger und separater Bauteile oder Baugruppen vermieden, wobei maßgeblich auf einen Logikschaltkreises 70 abgestellt werden kann.
Das zu Grunde liegende Bauteil des Logikschaltkreises 70 oder auch die Steueranordnung 50 in Gänze können zum Beispiel aus einem einzelnen ASIC gebildet sein. Auch sind andere Konzepte integrierter Schaltungen und/oder das Vorhandensein von diskreten Schaltungen denkbar, selbst in Korrelation miteinander.
Erfindungsgemäß verfügt jede Treiberschaltung 37 eingangsseitig über zwei Ausgänge oder Anschlüsse 38-1, ..., 38-16 bzw. 39-1, ..., 39-16. Diese Anschlüsse können wahlweise zum Auslösen der Schnellentladeeinheit 30 und zur Diagnose des Zustands der jeweiligen Batteriezelle 10 verwendet werden. Dies geschieht durch entsprechende Ansteuerung der oben bereits erwähnten Schalter 71-1, ..., 71-16, 72, 75 und 77 in Kombination miteinander.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht mit anderen Worten auch darin, die Steueranordnung 50, zum Beispiel aufgefasst als ASIC, zusätzlich mit einer Ansteuerfunktion für Schnellentladeeinheiten 30 einer Anordnung 110 einer Mehrzahl von Batteriezellen 10 auszustatten, so dass die Notwendigkeit voneinander separierter Bauteile oder Bausteine entfällt.
Funktionsprinzip des Zündens einer Schnellentladeeinheit 30
Bei diesem Betriebsmodus wird die Stromquelle 76, A durch Schließen des Schalters 75, S_A1 aktiviert, wobei auch der gemeinsame Freigabeschalter 72, S_A2 und ein jeweiliger zu einer zu aktivierenden Schnellentladeeinheit 30 einer Batteriezelle 10 gehörender erster oder zellindividueller Schalter 71-1, ..., 71-16 geschlossen werden. Der Auslösestrom I_A fließt nur über die Treiberschaltung 37 der aktivierten Schnellentladeeinheit 30. Eine jeweils ausgewählte Treiberschaltung 37 zündet die entsprechend ausgewählte Schnellentladeeinheit 30 einer zu Grunde liegenden und von Havarie bedrohten Batteriezelle 10.
Funktionsprinzip der Diagnose einer Schnellentladeeinheit 30
Bei diesem Betriebsmodus wird durch Schließen des Diagnoseschalters 77, S_D bei offenem Auslöseschalter 75 die Diagnosestromquelle 78 aktiviert, wobei der gemeinsame Freigabeschalter 72, S_A2 geöffnet ist und der zu einer entsprechenden Batteriezelle 10 und der jeweiligen Schnellentladeeinheit 30 gehörige erste und zellindividuelle Schalter 71-1, ..., 71-16 geschlossen wird. Der Diagnosestrom I_D fließt über die Treiberschaltung 37 der auszulesenden Schnellentladeeinheit 30 und durch die interne Auswerteschaltung, nämlich im Zusammenhang mit dem Spannungsabfall V_DIAG am Mess- und/oder Diagnosewiderstand 88. Der Diagnosestrom I_D führt zu keiner Zündung der Schnellentladeeinheit 30.
Durch die erfindungsgemäße Integration der Auslöse- und/oder Triggerfunktion in den Erfassungsabschnitt 55 als Zellmesskreis, also durch funktionale und/oder strukturelle Integration des die Triggerfunktion übernehmenden Triggerabschnitts 51 der Steueranordnung 50 wird neben der Verringerung der Anzahl von Bausteinen oder Bauteilen zur Realisierung des erfindungsgemäßen Konzepts auch die Anzahl der zu deren Realisierung notwendigen Anschlüsse reduziert, wodurch sich eine Vereinfachung des strukturellen Aufbaus für die Steueranordnung 50 und insbesondere für den Erfassungsabschnitt 55 mit dem integrierten Triggerabschnitt 51 einstellt. Dies ergibt sich daraus, dass ausschließlich die Anzahl erster und zellindividueller Zellanschlusseingänge z1, ..., z16 zur Kontaktierung der ersten Ausgänge 38-1, ..., 38-16 der Treiber 37 notwendig ist, wogegen zur Verbindung der zweiten Ausgänge 39-1, ..., 39-16 der Treiber 37 mittels der zweiten und gemeinsamen Erfassungsleitung ein einziger zusätzlicher und gemeinsamer zweiter Zellanschlusseingang z erforderlich ist.
Wie oben bereits beschrieben wurde, ist ein alternativer oder zusätzlicher Aspekt das Ausbilden einer Diagnosefunktion im Zusammenhang mit der Ansteuerfunktion des Bausteins, welcher der Steueranordnung 50 gemäß der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegt.
Gemäß einer alternativen Sichtweise kann dieser Aspekt auch beschrieben werden als Ausgestaltung eines Bausteins, welcher die Ansteuerung realisiert, mit einer Diagnosefunktion oder -fähigkeit.
Beide Blickrichtungen der vorliegenden Erfindung beinhalten die Möglichkeit einer besonders kompakten Ausgestaltung der der Steueranordnung 50 zu Grunde liegenden Baugruppen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013204510 A1 [0003]
US 2012/0187914 [0003]

Claims

Steueranordnung (50) für mindestens eine Schnellentladeeinheit (30) einer Batteriezelle (10), mit - einem Triggerabschnitt (51), welcher zur Steuerung des Betriebs der Schnellentladeeinheit (30) in Abhängigkeit vom Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Schnellentladezustands und dazu eingerichtet ist, mit der Schnellentladeeinheit (30) verbunden oder verbindbar zu sein, und - einem Erfassungsabschnitt (55), welcher zur Detektion und zum Signalisieren des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Schnellentladezustands an den Triggerabschnitt (51) eingerichtet ist, bei welcher der Erfassungsabschnitt (55) als elektronischer Baustein den Triggerabschnitt (51) funktional und/oder als elektronische Baugruppe umfasst.
Steueranordnung (50) nach Anspruch 1, bei welcher der Erfassungsabschnitt (55) mit dem Triggerabschnitt (51) ganz oder teilweise als integrierter Schaltkreis, ASIC und/oder als diskrete Schaltung ausgebildet ist.
Steueranordnung (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Erfassungsabschnitt (55) mit dem Triggerabschnitt (51) eingerichtet ist, über jeweils einen ersten zellindividuellen Zellanschlusseingang (z1-z16) mit einem jeweiligen ersten Ausgang (38-1, ..., 38-16) einer Schnellentladeeinheit (30) einer zu Grunde liegenden Batteriezelle (10) verbunden oder verbindbar zu sein, insbesondere mit einem jeweiligen ersten Ausgang (38-1, ..., 38-16) eines Treibers (37) der jeweiligen Schnellentladeeinheit (30) und/oder mittels einer jeweiligen ersten und zellindividuellen Erfassungsleitung (57-1, ..., 57-16).
Steueranordnung (50) nach Anspruch 3, bei welcher der Erfassungsabschnitt (55) mit dem Triggerabschnitt (51) eingerichtet ist, über eine Mehrzahl erster und zellindividueller Zellanschlusseingänge (z1-z16) individuell mit ersten Ausgängen (38-1, ..., 38-16) von Schnellentladeeinheiten (30) einer zu Grunde liegenden Mehrzahl von Batteriezellen (10) verbunden oder verbindbar zu sein, insbesondere mit ersten Ausgängen (38-1, ..., 38-16) entsprechender Treiber (37).
Steueranordnung (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Erfassungsabschnitt (55) mit dem Triggerabschnitt (51) eingerichtet ist, über jeweils einen zweiten gemeinsamen Zellanschlusseingang (z) mit einem jeweiligen zweiten Ausgang (39-1, ..., 39-16) einer Schnellentladeeinheit (30) einer zu Grunde liegenden Batteriezelle (10) und insbesondere mit einer Mehrzahl zweiter Ausgänge (39-1, ..., 39-16) einer Mehrzahl von Batteriezellen (10) verbunden oder verbindbar zu sein, insbesondere mit einem zweiten Ausgang (39-1, ..., 39-16) eines jeweiligen Treibers (37) der Schnellentladeeinheit (30) und/oder über eine zweite und gemeinsame Erfassungsleitung (59).
Steueranordnung (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Erfassungsabschnitt (55) mit dem Triggerabschnitt (51) den ersten und zellindividuellen Zellanschlusseingängen (z1-z16) vorgeschaltet erste und zellindividuelle Schalteinrichtungen (71-1, ..., 71-16) aufweist, welche insbesondere über individuelle Steuerleitungen (73-1, ..., 73-16) betätigbar sind, um insbesondere die ersten und zellindividuellen Zellanschlusseingänge (z1-z16) selektiv mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung (84) zu verbinden oder von dieser zu trennen.
Steueranordnung (50) nach Anspruch 6, bei welcher die Versorgungsleitung (84) steuerbar, insbesondere über einen Auslöseschalter (75) und einen Diagnoseschalter (77), mit einer Auslösestromquelle (76) bzw. mit einer Diagnosestromquelle (78) verbindbar ist.
Steueranordnung (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern auf Anspruch 5 zurückbezogen, bei welcher die gemeinsame Erfassungsleitung (59) dem gemeinsamen Zellanschlusseingang (z) nachgeschaltet über einen Diagnosewiderstand (88) oder direkt über einen gemeinsamen Freigabeschalter (72) steuerbar mit einem Masseanschluss verbunden oder verbindbar ist, wobei der gemeinsame Freigabeschalter (72) insbesondere mittels einer Steuerleitung (74) steuerbar betätigbar ist.
Zellenanordnung (110) und insbesondere Zellmodul (110) oder Batterie (100), - welche mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (10) ausgebildet ist, von denen jede einen ersten Zellanschluss (11) und einen zweiten Zellanschluss (12) aufweist, zwischen denen ein elektrischer Kontakt zu einer Schnellentladeeinheit (30) mit einem Treiber (37) mit einem ersten Ausgang (38-1, ..., 38-16) und einem zweiten Ausgang (39-1, ..., 39-16) ausgebildet oder ausbildbar ist und - welche eine Steueranordnung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, die mit den ersten und zweiten Ausgängen (38-1, ..., 38-16; 39-1, ..., 39-16) der jeweiligen Treiber (32) der Schnellentladeeinheit (30) einer jeweiligen Batteriezelle (10) verbunden oder verbindbar ist.
Zellenanordnung (110) nach Anspruch 9, bei welcher eine jeweilige Batteriezelle (10) ausgebildet ist mit: - ersten und zweiten Zellanschlüssen (11, 12) zur externen Kontaktierung der Batteriezelle (10), - einem elektrochemischen Teil (20), vorzugsweise mit oder nach Art einer Jelly-Roll- und/oder einer Elektrodenstapelkonfiguration (20'), in elektrischer Verbindung mit den Zellanschlüssen (11, 12), und - einer Schnellentladeeinheit (30), welche elektrisch verbunden oder verbindbar ist mit den Zellanschlüssen (11, 12) parallel zum elektrochemischen Teil (20) und welche eingerichtet ist, die Batteriezelle (10) beim Vorliegen erster Bedingungen zu entladen, indem die Zellanschlüsse (11, 12) elektrisch miteinander verbunden werden, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Widerstands (31), unter Verwendung eines Entladeschalters (32) und/oder unter Einsatz des Treibers (37) zum Auslösen des Entladeschalters (32).
Zellenanordnung (110) nach Anspruch 9 oder 10, bei welcher - der elektrochemische Teil (20) eine positive Elektrode (21), eine negative Elektrode (22), eine Elektrolytkomponente (23) mit einer elektrisch leitenden Salzkomponente (24) und einer Lösungsmittelkomponente (24) sowie einen Separator (26) aufweist, - der Separator (26) eingerichtet ist, beim Erreichen einer vorbestimmten Temperatur zumindest teilweise impermeabel zu sein oder zu werden für Ionen, die im Inneren des elektrochemischen Teils (20) erzeugt werden oder vorhanden sind, - die Schnellentladeeinheit (30) eingerichtet ist, die Batteriezelle (10) mittels eines ersten Stroms, der durch die Batteriezelle (10) und durch die Schnellentladeeinheit (30) fließt, zu entladen, und zwar durch Verbinden der ersten und zweiten Zellanschlüsse (11, 12) mittels des Widerstands (31) der Schnellentladeeinheit (30), - der Widerstand (31) insbesondere so gewählt ist, dass er während des Stromflusses bewirkt, dass der erste Strom durch die Batteriezelle (10) und durch die Schnellentladeeinheit (30) bewirkt, dass sich der elektrochemische Teil (20) derart erwärmt, dass der Separator (26) die vorbestimmte Temperatur erreicht, und/oder - der Widerstand (31) der Schnellentladeeinheit (30) so gewählt ist, dass ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle (10) während des Erwärmens des elektrochemischen Teils (20) mittels des ersten Stroms durch die elektrochemische Zelle (20) und durch die Schnellentladeeinheit (30) verhindert wird.
Arbeitsvorrichtung (1) und insbesondere Fahrzeug, mit - einem Aggregat zum Ausführen eines Arbeitsvorgangs, insbesondere ein Antrieb, und - mindestens einer Zellanordnung (110) oder Batterie (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, welche zur Versorgung des Aggregats zu dessen Betrieb mit elektrischer Energie ausgebildet ist.