DE102018203164A1 - Safety system and method for performing an emergency discharge function on a battery - Google Patents

Safety system and method for performing an emergency discharge function on a battery Download PDF

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Abstract

Sicherheitssystem (13) zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie (14), insbesondere bei einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Steuereinrichtung (12), welche dazu eingerichtet ist, sobald mittels dieser die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei einer Batteriezelle (2, 3, 4) der Batterie (14) erkannt wird, zum Durchführen der Notentladefunktion wenigstens bei einer der durchgehenden Batteriezelle benachbarten Batteriezelle (2, 3, 4) und/oder bei wenigstens einem mehrere Batteriezellen (2, 3, 4) aufweisenden Nachbarmodul (1) des Batteriemoduls (1) mit der durchgehenden Batteriezelle einen Kurzschluss herzustellen. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie (14).

Figure DE102018203164A1_0000
Safety system (13) for carrying out an emergency discharge function in a battery (14), in particular in a high-voltage battery of a motor vehicle, comprising a control device (12) which is set up as soon as it is in danger of thermal runaway in a battery cell (2, 3, 4) of the battery (14) is detected, for carrying out the emergency discharge function at least in one of the continuous battery cell adjacent battery cell (2, 3, 4) and / or at least one more battery cells (2, 3, 4) having neighboring module (1) of the Battery module (1) with the continuous battery cell to make a short circuit. The invention further relates to a method for performing an emergency discharge function in a battery (14).
Figure DE102018203164A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitssystem und ein Verfahren zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie, insbesondere bei einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, mit einem derartigen Sicherheitssystem.The invention relates to a safety system and a method for performing an emergency discharge function in a battery, in particular in a high-voltage battery of a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a battery, in particular a high-voltage battery for a motor vehicle, with such a security system.

Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, werden aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung im Kraftfahrzeugbereich immer häufiger eingesetzt. Oftmals werden Batterien auf Lithium-Ionen-Basis eingesetzt. Mit steigender Temperatur reagieren Lithium-Batterien unter Druckaufbau in der Zelle, was in einen so genannten Thermal Runaway, d.h. ein thermisches Durchgehen der Zelle, münden kann.Batteries, especially high-voltage batteries, are being used more and more often due to the increasing electrification in the automotive sector. Often, lithium-ion based batteries are used. As the temperature rises, lithium batteries react to build up pressure in the cell, resulting in a so-called thermal runaway, i. a thermal runaway of the cell, can lead.

Die DE 10 2013 204 534 A1 beschäftigt sich unter anderem ebenfalls mit dem thermischen Durchgehen von Batteriezellen. In diesem Zusammenhang wird unter anderem eine Stoßsicherheitsvorrichtung erwähnt, welche in einer Batteriezelle integriert ist. Bei einer starken mechanischen Deformation eines Batteriezellgehäuses wird ein definierter Kurzschlusspfad in der betreffenden Batteriezelle bereitgestellt, der eine starke lokale Erwärmung der Batteriezelle verhindert und dadurch die Sicherheit der Batteriezelle erhöhen soll. Ansonsten wird in dem Dokument noch eine Kurzschlusssicherheitsfunktion beschrieben, bei welcher in einem Gefahrenfall eine Batteriezelle so verschaltet werden kann, dass keine Spannung an jeweiligen Außenterminals der Batteriezelle anliegt.The DE 10 2013 204 534 A1 also deals with the thermal runaway of battery cells, among other things. In this context, inter alia, a shock safety device is mentioned, which is integrated in a battery cell. In the case of a strong mechanical deformation of a battery cell housing, a defined short circuit path is provided in the relevant battery cell, which prevents a strong local heating of the battery cell and thereby increases the safety of the battery cell. Otherwise, a short-circuit safety function is described in the document, in which in a hazardous situation, a battery cell can be connected so that no voltage is applied to the respective outer terminals of the battery cell.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Risiko eines thermischen Durchgehens bei einer Batterie, insbesondere bei einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, zu verhindern.It is the object of the present invention to prevent the risk of thermal runaway in a battery, in particular in a high-voltage battery for a motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Sicherheitssystem sowie durch ein Verfahren zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie, insbesondere bei einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a safety system and by a method for performing an emergency discharge function in a battery, in particular in a high-voltage battery of a motor vehicle, having the features of the independent patent claims. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Sicherheitssystem zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie, insbesondere bei einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, umfasst eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, sobald mittels dieser die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei einer durchgehenden Batteriezelle der Batterie erkannt wird, zum Durchführen der Notentladefunktion wenigstens bei einer der durchgehenden Batteriezelle benachbarten Batteriezelle und/oder bei wenigstens einem mehrere Batteriezellen aufweisenden Nachbarmodul des Batteriemoduls mit der durchgehenden Batteriezelle einen Kurzschluss herzustellen.The safety system according to the invention for carrying out an emergency discharge function in a battery, in particular in a high-voltage battery of a motor vehicle, comprises a control device which, as soon as it detects the danger of thermal run-through in a continuous battery cell of the battery, at least contributes to performing the emergency discharge function a battery cell adjacent to the continuous battery cell and / or to establish a short circuit with the continuous battery cell in the case of at least one neighboring module of the battery module having a plurality of battery cells.

Mittels des erfindungsgemäßen Sicherheitssystems wird ein kurzfristiges und kurzzeitiges Notentladen auf Ebene der Batteriezellen und/oder auf Ebene der Batteriemodule ermöglicht. Zudem kann es bei dem Sicherheitssystem auch vorgesehen sein, dass die Notentladefunktion auf Ebene der gesamten Batterie durchgeführt wird, indem die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, sobald mittels dieser die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei einer der durchgehenden Batteriezelle benachbarten Batteriezelle der Batterie (Nachbarzelle) erkannt wird, die gesamte der Batterie kurzuschließen und dadurch diese der Notentladefunktion zu unterziehen. Als durchgehende Batteriezelle wird eine Batteriezelle bezeichnet, bei der die Gefahr eines thermischen Durchgehens erkannt wird. Die Batterie umfasst eine Mehrzahl von Batteriemodulen, die wiederum eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassen. Deshalb gibt es zu der durchgehenden Batteriezelle benachbarte Batteriezellen bzw. benachbarte Batteriemodule zu dem Modul mit einer durchgehenden Batteriezelle.By means of the security system according to the invention, a short-term and short-term emergency discharge at the level of the battery cells and / or at the level of the battery modules is made possible. In addition, it can also be provided in the safety system that the emergency discharge is performed at the level of the entire battery by the controller is set up as soon as by means of this the risk of thermal runaway in one of the continuous battery cell adjacent battery cell of the battery (neighbor cell) is detected to short-circuit the entire battery and thereby subject it to the emergency discharge function. As a continuous battery cell, a battery cell is referred to, in which the risk of thermal runaway is detected. The battery comprises a plurality of battery modules, which in turn comprise a plurality of battery cells. Therefore, there are adjacent battery cells adjacent battery modules or adjacent battery modules to the module with a continuous battery cell.

Im Falle eines internen Kurzschlusses oder jeglichen abnormalen thermischen Ereignisses innerhalb der Batteriezellen, welches zu dem so genannten Thermal Runaway führen könnte, kann mittels des erfindungsgemäßen Sicherheitssystems die Batterie auf Zell-, Modul- oder gesamter Batterieebene sofort beispielsweise für eine oder zwei Minuten kurzgeschlossen und somit entladen werden. Bei Strömen von mehreren 100 Ampere und auch bis zu mehreren 1000 Ampere kann der SOC auf Zellebene, Modulebene oder Batterieebene um bis zu 30 Prozent bezogen auf den vollen Ladezustand entladen werden. Beispielsweise können dadurch benachbarte Zellen, welche sich neben der Batteriezelle befinden, bei welcher die Gefahr des thermischen Durchgehens erkannt worden ist, sehr schnell auf einem Ladezustand von 70 Prozent entladen werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Ladezustand von Batteriezellen, insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen, von 70 Prozent SOC der so genannte Hotbox Effekt nicht so weit voranschreitet, als dass sich ein thermisches Durchgehen ereignet.In the event of an internal short circuit or any abnormal thermal event within the battery cells, which could lead to the so-called thermal runaway, the battery at the cell, module or battery level can be immediately short-circuited, for example, for one or two minutes and thus by means of the safety system according to the invention be discharged. At currents of several 100 amperes and even up to several 1000 amperes, the SOC at cell level, module level or battery level can be discharged by up to 30 percent relative to full charge. For example, adjacent cells that are adjacent to the battery cell, where the risk of thermal runaway has been detected, can be discharged very quickly to a state of charge of 70 percent. The invention is based on the finding that in a state of charge of battery cells, in particular in the case of lithium-ion cells, of 70 percent SOC, the so-called hot box effect does not progress as far as that a thermal runaway occurs.

Mittels des erfindungsgemäßen Sicherheitssystems ist es auf zuverlässige Weise möglich, bei einem Fehlerfall innerhalb der Batterie, welcher bei zumindest einer Batteriezelle der Batterie zu einem thermischen Durchgehen führen würde, eine Ausbreitung des thermischen Durchgehens innerhalb der restlichen Batterie zu verhindern. Die beschriebene Notentladefunktion kann bei allen elektrischen Energiespeichern mit Batteriezellen, insbesondere wenn diese eine hohe Energiedichte aufweisen, effektiv eingesetzt werden und damit beispielsweise ein Gefährdungslevel bzw. eine Sicherheitsstufe zu erfüllen, bei der ein Platzen der Batterie und eine Entzündung unterbunden sind.By means of the safety system according to the invention, it is possible in a reliable manner, in case of a fault within the battery, which would lead to thermal runaway in at least one battery cell of the battery, to prevent propagation of thermal runaway within the remaining battery. The emergency discharge function described can be effective in all electrical energy storage with battery cells, especially if they have a high energy density be used and thus, for example, to meet a hazard level or a security level, in which a burst of the battery and an ignition are prevented.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Kurzschluss für eine vorgegebene Dauer aufrecht zu erhalten. Die Dauer kann dabei derart vorgegeben sein, dass auf Zellebene, Modulebene oder auf Ebene der gesamten Batterie eine hinreichende Entladung erzielt werden kann, sodass ein thermisches Durchgehend der gesamten Batterie zuverlässig verhindert werden kann.An advantageous embodiment of the invention provides that the control device is adapted to maintain the short circuit for a predetermined duration. The duration may be predetermined such that sufficient discharge can be achieved at the cell level, module level or at the level of the entire battery, so that a thermal through-out of the entire battery can be reliably prevented.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Kurzschluss solange aufrechtzuerhalten, bis ein vorgegebener Ladezustand bei der Nachbarzelle und/oder dem Nachbarmodul erreicht worden ist. Beispielsweise ist es möglich, den Ladezustand auf Zellebene und/oder Modulebene auf SOC 70 Prozent vorzugeben. Sobald ermittelt wird, dass dieser vorgegebene Ladezustand erreicht oder sogar unterschritten worden ist, kann die Steuereinrichtung den Kurzschluss auf Zellebene und/oder Modulebene wieder aufheben. Durch Vorgabe des Ladezustands ist es möglich, auf zuverlässige Weise eine entsprechende Entladung auf Zellebene, Modulebene oder sogar auf Batterieebene sicherzustellen, wodurch das thermische Durchgehen auf Modulebene und auch auf Batterieebene zuverlässig verhindert werden kann.A further advantageous embodiment of the invention provides that the control device is set up to maintain the short circuit until a predetermined state of charge has been reached in the neighboring cell and / or the neighboring module. For example, it is possible to specify the state of charge at the cell level and / or module level to SOC 70 percent. Once it is determined that this predetermined state of charge has been reached or even exceeded, the controller can cancel the short circuit at the cell level and / or module level again. By specifying the state of charge, it is possible to reliably ensure a corresponding discharge at the cell level, module level or even at the battery level, whereby the thermal runaway at the module level and also at the battery level can be reliably prevented.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Sicherheitssystem je Batteriezelle der Batterie einen Kurzschlussstromkreis mit einem Schaltelement aufweist, welches mittels der Steuereinrichtung zum Durchführen der Notentladefunktion betätigbar ist. Dadurch ist es auf zuverlässige Weise möglich, jede der Batteriezellen der Batterie zum Durchführen der Notentladefunktion einzeln kurzzuschließen. Bei dem Schalelement kann es sich sowohl um ein mechanisch betätigbares elektrisches Bauelement als auch um einen elektronischen Schalter handeln. Vorzugsweise ist es also auf Zellebenen jeweils je Batteriezelle einzeln möglich, diese der Notentladefunktion zu unterwerfen. Dies macht das Sicherheitssystem besonders ausfallsicher.According to a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the security system per battery cell of the battery has a short-circuit circuit with a switching element which can be actuated by means of the control device for performing the Notentladefunktion. Thereby, it is reliably possible to individually short each of the battery cells of the battery for performing the emergency discharge function. The formwork element may be both a mechanically actuatable electrical component and an electronic switch. Preferably, it is therefore individually possible on cell levels per battery cell to subject them to the emergency discharge function. This makes the security system particularly fail-safe.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung je Kurzschlussstromkreis eine Steuereinheit zum Betätigen der jeweiligen Schaltelemente aufweist. Beispielsweise können die jeweiligen Steuereinheiten unabhängig voneinander die jeweiligen Kurzschlussstromkreise schließen und öffnen. Dadurch wird ein besonders ausfallsicheres Sicherheitssystem bereitgestellt, was sich wiederum positiv auf die erzielbare Sicherheit bei der betreffenden Batterie auswirkt, in welcher das Sicherheitssystem eingesetzt wird.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the control device per short circuit has a control unit for actuating the respective switching elements. For example, the respective control units can independently close and open the respective short circuit circuits. As a result, a particularly failsafe security system is provided, which in turn has a positive effect on the achievable safety of the battery in question, in which the security system is used.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Sicherheitssystem je Batteriemodul der Batterie einen Kurzschlussstromkreis mit einem Schaltelement aufweist, welches mittels der Steuereinrichtung zum Durchführen der Notentladefunktion betätigbar ist. So ist es bei Bedarf auch möglich, durch Betätigung des Schaltelements auf Batteriemodulebene das gesamte betreffende Batteriemodul der Batterie der Notentladefunktion zu unterwerfen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das betreffende Batteriemodul noch kein Schaden genommen hat. Lediglich ein einziges Schaltelement auf Batteriemodulebene muss mittels der Steuereinrichtung geschlossen werden, um die Notendladefunktion durchzuführen.A further advantageous embodiment of the invention provides that the safety system per battery module of the battery has a short-circuit circuit with a switching element which can be actuated by means of the control device for performing the emergency discharge function. Thus, if necessary, it is also possible, by operating the switching element on the battery module level, to subject the entire relevant battery module to the battery of the emergency discharge function. This is particularly advantageous if the battery module in question has not taken any damage. Only a single switching element on battery module level must be closed by means of the control device to perform the Notendladefunktion.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung je Batteriemodul eine Steuereinheit zum Durchführen der Notentladefunktion aufweist. Die einzelnen Batteriemodule können also unabhängig voneinander mittels ihrer jeweiligen Steuereinheit der Notentladefunktion unterworfen werden. Dies macht das Sicherheitssystem besonders robust und ausfallsicher.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the control device per battery module has a control unit for performing the Notentladefunktion. The individual battery modules can thus be independently subjected to the emergency discharge function by means of their respective control unit. This makes the security system particularly robust and failsafe.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Sicherheitssystem eine Sensoreinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, Zustandsgrößen der Batteriezellen zu erfassen und diesbezügliche Sensordaten der Steuereinrichtung bereitzustellen, welche dazu eingerichtet ist, basierend auf den Sensordaten die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei den Batteriezellen der Batterie zu ermitteln. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise je Batteriezelle Temperaturen, Ströme, Zellinnendrücke, Spannungen und dergleichen überwachen. A further advantageous embodiment of the invention provides that the safety system has a sensor device which is designed to detect state variables of the battery cells and to provide sensor data of the control device which is set up, based on the sensor data, the risk of thermal runaway in the battery cells to determine the battery. The sensor device can monitor, for example, per battery cell temperatures, currents, internal cell pressures, voltages and the like.

Zudem ist es möglich, das beispielsweise in einem Speicher des Sicherheitssystems ein Kennfeld hinterlegt ist, wobei die Steuereinrichtung auf das Kennfeld und auf die Sensordaten zugreifen kann, um die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei den einzelnen Batteriezellen zu ermitteln.In addition, it is possible that, for example, a map is stored in a memory of the security system, wherein the control device can access the map and the sensor data to determine the risk of thermal runaway in the individual battery cells.

Die erfindungsgemäße Batterie umfasst das erfindungsgemäße Sicherheitssystem oder eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherheitssystems. Bei der Batterie handelt es sich vorzugsweise um eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug. Beispielsweise kann es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln. Es kann sich aber auch um einen anderen Batterietypus handeln.The battery according to the invention comprises the security system according to the invention or an advantageous embodiment of the security system according to the invention. The battery is preferably a high-voltage battery for a motor vehicle. For example, the battery may be a lithium-ion battery. It can also be a different battery type.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie, insbesondere bei einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, wird sobald die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei einer durchgehenden Batteriezelle eines Batteriemoduls der Batterie erkannt wird, zum Durchführen der Notentladefunktion wenigstens bei einer der durchgehenden Batteriezelle benachbarten Batteriezelle und/oder bei wenigstens einem mehrere Batteriezellen aufweisenden Nachbarmodul des Batteriemoduls mit der durchgehenden Batteriezelle ein Kurzschluss hergestellt. Ferner ist es auch möglich, dass beim Durchführen der Notentladefunktion bei der gesamten Batterie ein Kurzschluss hergestellt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sicherheitssystems sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie umgekehrt anzusehen, wobei das Sicherheitssystem insbesondere Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte aufweist. In the method according to the invention for carrying out an emergency discharge function in a battery, in particular in a high-voltage battery of a motor vehicle, as soon as the risk of thermal runaway in a continuous battery cell of a battery module of the battery is detected, at least one battery cell adjacent to the continuous battery cell performs the emergency discharge function / or in the case of at least one neighboring module of the battery module having a plurality of battery cells, a short circuit is produced with the continuous battery cell. Further, it is also possible that a short circuit is made in performing the emergency discharge function on the entire battery. Advantageous embodiments of the security system according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the method according to the invention and vice versa, wherein the security system has in particular means for carrying out the method steps.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Die Zeichnung zeigt in:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls, welches mehrere Batteriezellen und je Batteriezelle jeweilige Kurzschlussstromkreise und auf Batteriemodulebene einen Kurzschlussstromkreis zum Durchführen einer Notentladefunktion aufweist; und in
  • 2 eine schematische Darstellung einer Batterie, bei welche mehrere der in 1 gezeigten Batteriemodule in Reihe geschaltet sind.
The drawing shows in:
  • 1 a schematic representation of a battery module, which has a plurality of battery cells and each battery cell respective short circuit circuits and battery module level a short circuit for performing an emergency discharge; and in
  • 2 a schematic representation of a battery, wherein a plurality of in 1 shown battery modules are connected in series.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.In the figures, the same or functionally identical elements have been provided with the same reference numerals.

Ein Batteriemodul 1 ist in einer schematischen Darstellung in 1 gezeigt. Das Batteriemodul 1 umfasst mehrere Batteriezellen 2, 3, 4. Je Batteriezelle 2, 3, 4 ist jeweils ein Kurzschlussstromkreis 5 auf Zellebene vorgesehen, welcher mittels eines jeweiligen Schaltelements 6 geschlossen werden kann. Die Kurzschlussstromkreise 5 auf Zellebene weisen zudem jeweils einen Widerstand 7 auf.A battery module 1 is in a schematic representation in 1 shown. The battery module 1 includes several battery cells 2 . 3 . 4 , Per battery cell 2 . 3 . 4 each is a short circuit 5 provided at cell level, which by means of a respective switching element 6 can be closed. The short circuit circuits 5 At the cellular level also each have a resistance 7 on.

Zudem weist das Batteriemodul 1 noch einen Kurzschlussstromkreis 8 auf Modulebene auf. Der Kurzschlussstromkreis 8 kann durch Betätigung eines Schaltelements 9 geschlossen werden, wobei der Kurzschlussstromkreis 8 ebenfalls noch einen Widerstand 10 aufweist.In addition, the battery module points 1 another short circuit 8th at the module level. The short-circuit circuit 8th can by actuation of a switching element 9 be closed, with the short circuit 8th also another resistance 10 having.

Das Batteriemodul 1 umfasst des Weiteren eine Sensoreinrichtung 11, welche dazu ausgelegt ist, Zustandsgrößen der einzelnen Batteriezellen 2, 3, 4 zu erfassen und zu überwachen sowie diesbezügliche Sensordaten einer Steuereinrichtung 12 des Batteriemoduls 1 bereitzustellen. Die Steuereinrichtung 12 ist dazu eingerichtet, basierend auf den Sensordaten die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei den einzelnen Batteriezellen 2, 3, 4 zu ermitteln.The battery module 1 further comprises a sensor device 11 , which is designed to state variables of the individual battery cells 2 . 3 . 4 to capture and monitor and related sensor data of a control device 12 of the battery module 1 provide. The control device 12 is set up, based on the sensor data, the risk of thermal runaway in the individual battery cells 2 . 3 . 4 to investigate.

Die jeweiligen Kurzschlussstromkreise 5, 8 inklusive ihrer Schalelemente 6, 9 und Widerstände 7, 10 sowie die Sensoreinrichtung 11 und die Steuereinrichtung 12 bilden zusammen ein Sicherheitssystem 13 für das Batteriemodul 1.The respective short circuit circuits 5 . 8th including their formwork elements 6 . 9 and resistances 7 . 10 as well as the sensor device 11 and the controller 12 Together they form a security system 13 for the battery module 1 ,

In 2 ist eine Batterie 14 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Bei der Batterie 14 kann es sich beispielsweise um eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug handeln. Mehrere der in 1 gezeigten Batteriemodule 1 sind zu der Batterie 14 in Reihe zusammengeschaltet. Bei derartigen Batterien 14 kann aufgrund verschiedenster Gründe ein Temperaturanstieg auf Zellebene zum so genannten Thermal Runaway, auf Deutsch dem thermischen Durchgehen, führen. Das thermische Durchgehen ist eine sich selbst verstärkende, exotherme chemische Reaktion, wobei sehr schnell sehr hohe Temperaturen erreicht werden können, die chemisch eingelagertes Lithium zur Zündung bringen könnten. Das thermische Durchgehen bei einer der Batteriezellen 2, 3, 4 in den jeweiligen Batteriemodulen 1 kann schnell zur Ausbreitung des thermischen Durchgehens bei den jeweils benachbarten Zellen 2, 3, 4 beziehungsweise den benachbarten Batteriemodulen 1 führen. Würde beispielsweise ein thermisches Durchgehen bei der Batteriezelle 3 erfolgen, so würde der Temperaturanstieg bei den benachbarten Batteriezellen 2, 4 innerhalb weniger Sekunden ebenfalls zu einem thermischen Durchgehen führen. Aufgrund des so genannten „Hotbox Effekts“ würden auch die benachbarten Batteriezellen 2, 4 aller Wahrscheinlichkeit nach thermisch durchzugehen beginnen, d.h. das thermische Durchgehen könnte ab einem gewissen Zeitpunkt auf Gesamtbatterieebene nicht mehr verhindert werden.In 2 is a battery 14 shown in a schematic representation. At the battery 14 it may, for example, be a high-voltage battery for a motor vehicle. Several of the in 1 shown battery modules 1 are to the battery 14 connected in series. With such batteries 14 Due to various reasons, an increase in temperature at the cellular level can lead to the so-called thermal runaway, or thermal runaway in German. Thermal runaway is a self-reinforcing, exothermic chemical reaction that can very quickly reach very high temperatures that could cause chemically embedded lithium to ignite. The thermal run through one of the battery cells 2 . 3 . 4 in the respective battery modules 1 can quickly spread the thermal runaway in the adjacent cells 2 . 3 . 4 or the adjacent battery modules 1 to lead. Would, for example, a thermal run through the battery cell 3 take place, so would the temperature rise in the adjacent battery cells 2 . 4 within a few seconds also lead to a thermal runaway. Due to the so-called "hot box effect" would also the neighboring battery cells 2 . 4 in all likelihood begin to pass thermally, ie the thermal runaway could no longer be prevented at a certain point in time at the overall battery level.

Um dies zu verhindern, ist die Batterie 14 dazu in der Lage, eine Notendladefunktion durchzuführen. Dies kann mittels der einzelnen Sicherheitssysteme 13 erfolgen. Sobald die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei einer der Batteriezellen 2, 3, 4 bei einem der Batteriemodule 1 erkannt wird, wird zum Durchführen der Notendladefunktion bei den jeweils benachbarten Batteriezellen 2, 3, 4 und/oder bei den benachbarten Batteriemodulen 1 ein Kurzschluss hergestellt. Dafür können die Steuereinrichtung 12 beispielsweise auf Zellebene die jeweiligen Kurzschlussstromkreise 5 schließen. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Steuereinrichtungen 12 die jeweiligen Kurzschlussstromkreise 8 auf Modulebene schließen. Die Steuereinrichtungen 12 sind dazu eingerichtet, die jeweiligen Kurzschlüsse beispielsweise für eine vorgegebene Dauer aufrecht zu erhalten. Zudem ist es auch möglich, dass die Steuereinrichtungen 12 dazu eingerichtet sind, den Kurzschluss jeweils so lange aufrecht zu erhalten, bis ein vorgegebener Ladezustand bei den jeweiligen Batteriezellen 2, 3, 4 und/oder bei den Batteriemodulen 1 erreicht worden ist. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Kurzschlussstromkreise 5 auf Zellebene so lange geschlossen bleiben, bis die jeweiligen Batteriezellen 2, 3, 4 einen Ladezustand von 70 Prozent SOC erreicht haben. Dadurch kann üblicherweise verhindert werden, dass sich bei diesen Batteriezellen 2, 3, 4 ein thermisches Durchgehen ereignet.To prevent this, the battery is 14 to be able to perform a emergency discharge function. This can be done by means of individual security systems 13 respectively. Once the risk of thermal runaway in one of the battery cells 2 . 3 . 4 at one of the battery modules 1 is recognized is for performing the Notendladefunktion at the respective adjacent battery cells 2 . 3 . 4 and / or at the adjacent battery modules 1 a short circuit made. For this, the control device 12 for example, at cell level the respective short circuit circuits 5 shut down. Alternatively or additionally, it is also possible that the control devices 12 the respective short circuit circuits 8th close at module level. The control devices 12 are set up to maintain the respective shorts, for example, for a given duration. In addition, it is also possible that the control devices 12 are configured to maintain the short circuit each time until a predetermined state of charge at the respective battery cells 2 . 3 . 4 and / or the battery modules 1 has been achieved. For example, it may be provided that the short circuit circuits 5 remain closed at cell level until the respective battery cells 2 . 3 . 4 have reached a state of charge of 70 percent SOC. This can usually be prevented that in these battery cells 2 . 3 . 4 a thermal runaway occurs.

Zudem ist es auch möglich, dass je Kurzschlussstromkreis 5 auf Zellebene jeweils eine hier nicht dargestellte Steuereinheit zum Betätigen der jeweiligen Schaltelemente 6 vorgesehen ist. Dadurch können die Kurzschlussstromkreise 5 auf Zellebene jeweils einzeln betätigt beziehungsweise geschlossen und geöffnet werden, selbst wenn einzelne Stromkreise 5 auf Zellebene schon beschädigt worden sein sollten.In addition, it is also possible that each short circuit 5 at cell level in each case a control unit, not shown here, for actuating the respective switching elements 6 is provided. This allows the short circuit circuits 5 individually actuated or closed and opened at the cell level, even if individual circuits 5 should have already been damaged at the cellular level.

Mittels der erläuterten Sicherheitssystems 13 und mittels des erläuterten Verfahrens zum Durchführen der Notentladefunktion bei der Batterie 14 ist es auf zuverlässige Weise möglich, ein thermisches Durchgehen auf Gesamtmodulebene und insbesondere auch auf Gesamtbatterieebene zuverlässig zu verhindern. Sobald bei nur einer der Batteriezellen 2, 3, 4 die Gefahr eines thermischen Durchgehens erkannt wird, wird zumindest bei den benachbarten Batteriezellen 2, 3, 4 und/oder auch bei zumindest einem der benachbarten Batteriemodule 1 die besagte Notendladefunktion durchgeführt, indem die jeweiligen Kurzschlussstromkreise 5 auf Zellebene und/oder die Kurzschlussstromkreise 8 auf Modulebene durch Betätigung der entsprechenden Schaltelemente 6, 9 für eine vorgegebenen Zeit oder so lange geschlossen bleiben, bis die jeweiligen Batteriezellen 2, 3, 4 einen im Hinblick auf die Ausbreitung des thermischen Durchgehens unkritischen Ladezustand erreicht haben. So wird ein besonders schnelles und kurzfristiges Notentladen auf Batteriezellen-, Modul- oder Gesamtbatterieebene ermöglicht.By means of the explained security system 13 and by means of the explained method for performing the emergency discharge function in the battery 14 it is possible in a reliable manner to reliably prevent thermal runaway on the overall module level and in particular on the overall battery level. Once with only one of the battery cells 2 . 3 . 4 the risk of thermal runaway is detected, at least in the adjacent battery cells 2 . 3 . 4 and / or at least one of the adjacent battery modules 1 the said emergency discharge function performed by the respective short-circuit circuits 5 at cell level and / or the short circuit circuits 8th at the module level by actuation of the corresponding switching elements 6 . 9 remain closed for a given time or until the respective battery cells 2 . 3 . 4 have achieved a non-critical with regard to the propagation of thermal runaway state of charge. This enables particularly fast and short-term emergency discharging at the battery cell, module or overall battery level.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Batteriemodulbattery module
22
Batteriezellebattery cell
33
Batteriezellebattery cell
44
Batteriezellebattery cell
55
Kurzschlussstromkreis auf ZellebeneShort circuit on cell level
66
Schaltelementswitching element
77
Widerstandresistance
88th
Kurschlussstromkreis auf ModulebeneShort circuit on module level
99
Widerstandresistance
1010
Sensoreinrichtungsensor device
1111
Steuereinrichtungcontrol device
1212
Sicherheitssystemsecurity system
1313
Batteriebattery

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013204534 A1 [0003]DE 102013204534 A1 [0003]

Claims (10)

Sicherheitssystem (13) zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie (14), insbesondere bei einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Steuereinrichtung (12), welche dazu eingerichtet ist, sobald mittels dieser die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei einer Batteriezelle (2, 3, 4) der Batterie (14) erkannt wird, zum Durchführen der Notentladefunktion wenigstens bei einer der durchgehenden Batteriezelle benachbarten Batteriezelle (2, 3, 4) und/oder bei wenigstens einem mehrere Batteriezellen (2, 3, 4) aufweisenden Nachbarmodul (1) des Batteriemoduls (1) mit der durchgehenden Batteriezelle einen Kurzschluss herzustellen.Safety system (13) for carrying out an emergency discharge function in a battery (14), in particular in a high-voltage battery of a motor vehicle, comprising a control device (12) which is set up as soon as it is in danger of thermal runaway in a battery cell (2, 3, 4) of the battery (14) is detected, for carrying out the emergency discharge function at least in one of the continuous battery cell adjacent battery cell (2, 3, 4) and / or at least one more battery cells (2, 3, 4) having neighboring module (1) of the Battery module (1) with the continuous battery cell to make a short circuit. Sicherheitssystem (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) dazu eingerichtet ist, den Kurzschluss für eine vorgegebene Dauer aufrecht zu erhalten.Security system (13) after Claim 1 , characterized in that the control device (12) is adapted to maintain the short circuit for a predetermined duration. Sicherheitssystem (13) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) dazu eingerichtet ist, den Kurzschluss so lange aufrecht zu erhalten, bis ein vorgegebener Ladezustand bei der Nachbarzelle (2, 3, 4) und/oder dem Nachbarmodul (1) erreicht worden ist.Security system (13) after Claim 1 or 2 , characterized in that the control device (12) is adapted to maintain the short circuit until a predetermined state of charge in the neighboring cell (2, 3, 4) and / or the neighboring module (1) has been reached. Sicherheitssystem (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (13) je Batteriezelle (2, 3, 4) der Batterie (14) einen Kurzschlussstromkreis (5) mit einem Schaltelement (6) aufweist, welches mittels der Steuereinrichtung (12) zum Durchführen der Notentladefunktion betätigbar ist.Safety system (13) according to one of the preceding claims, characterized in that the safety system (13) per battery cell (2, 3, 4) of the battery (14) has a short-circuit circuit (5) with a switching element (6) which by means of the control device (12) is operable to perform the Notentladefunktion. Sicherheitssystem (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) je Kurzschlussstromkreis (5) eine Steuereinheit zum Betätigen der jeweiligen Schaltelemente (6) aufweist.Security system (13) after Claim 4 , characterized in that the control device (12) per short-circuit circuit (5) has a control unit for actuating the respective switching elements (6). Sicherheitssystem (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (13) je Batteriemodul (1) der Batterie (14) einen Kurzschlussstromkreis (8) mit einem Schaltelement (9) aufweist, welches mittels der Steuereinrichtung (12) zum Durchführen der Notentladefunktion betätigbar ist.Safety system (13) according to one of the preceding claims, characterized in that the safety system (13) per battery module (1) of the battery (14) has a short circuit (8) with a switching element (9), which by means of the control device (12) Performing the Notentladefunktion is actuated. Sicherheitssystem (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) je Batteriemodul (1) eine Steuereinheit zum Durchführen der Notentladefunktion aufweist.Safety system (13) according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (12) per battery module (1) has a control unit for performing the emergency discharge function. Sicherheitssystem (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (13) eine Sensoreinrichtung (11) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, Zustandsgrößen der Batteriezellen (2, 3, 4) zu erfassen und diesbezügliche Sensordaten der Steuereinrichtung (12) bereitzustellen, welche dazu eingerichtet, basierend auf den Sensordaten die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei den Batteriezellen (2, 3, 4) der Batterie (14) zu ermitteln.Safety system (13) according to one of the preceding claims, characterized in that the safety system (13) has a sensor device (11) which is designed to detect state variables of the battery cells (2, 3, 4) and sensor data of the control device (12 ), which is adapted to determine based on the sensor data, the risk of thermal runaway in the battery cells (2, 3, 4) of the battery (14). Batterie (14), insbesondere Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, mit einem Sicherheitssystem (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Battery (14), in particular high-voltage battery for a motor vehicle, having a safety system (13) according to one of the preceding claims. Verfahren zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie (14), insbesondere bei einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, bei welchem sobald die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei einer durchgehenden Batteriezelle (2, 3, 4) eines Batteriemoduls (1) der Batterie (14) erkannt wird, zum Durchführen der Notentladefunktion wenigstens bei einer der durchgehenden Batteriezelle benachbarten Batteriezelle und/oder bei wenigstens einem mehrere Batteriezellen (2, 3, 4) aufweisenden Nachbarmodul (1) des Batteriemoduls (1) mit der durchgehenden Batteriezelle ein Kurzschluss hergestellt wird.Method for performing an emergency discharge function in a battery (14), in particular in a high-voltage battery of a motor vehicle, in which once the risk of thermal runaway in a continuous battery cell (2, 3, 4) of a battery module (1) of the battery (14) is detected in that at least one battery cell adjacent to the continuous battery cell and / or at least one neighboring module (1) of the battery module (1) having at least one battery cell (2, 3, 4) is short-circuited with the continuous battery cell.
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