DE102013204539A1 - Battery cell device with fine-circuit safety function and method for monitoring a battery cell - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung (221) mit einer Batteriezelle (21) und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Batteriezelle (21). Die die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Sensorvorrichtung (240), eine Zustandsermittlungsvorrichtung (250), die dazu ausgebildet ist, anhand einer Auswertung von durch die Sensorvorrichtung (240) bereitgestellten aktuellen Messwerten von physikalischen Größen einen aktuellen und/oder künftigen Batteriezellzustand zu erkennen und/oder vorherzusagen, und eine Aktorvorrichtung (260), die dazu ausgebildet ist, die Batteriezelle (21) aus einem kritischen und/oder kritisch werdenden Batteriezellzustand in einen sicheren Betriebsmodus zu überführen und/oder zu halten. Es wird dabei vorzugsweise eine Feinschlusssicherheitsfunktion (270) bereitgestellt, mittels der ein kritischer Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle (21) durch einen batteriezellintern liegenden Feinschluss beschädigt werden kann, ermittelt werden kann und die Batteriezelle (21) in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Feinschlussbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle (21) keine Spannung an den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) abgibt, überführt werden kann.The invention relates to a battery cell device (221) with a battery cell (21) and a monitoring device for monitoring the battery cell (21). The monitoring device comprises a sensor device (240), a state determination device (250), which is designed to recognize and / or predict a current and / or future battery cell state on the basis of an evaluation of current measured values of physical quantities provided by the sensor device (240) , and an actuator device (260) which is designed to transfer and / or to keep the battery cell (21) from a critical and / or critical battery cell state to a safe operating mode. A fine-circuit safety function (270) is preferably provided, by means of which a critical battery cell state in which the battery cell (21) can be damaged by a fine circuit located inside the battery cell can be determined and the battery cell (21) in a fine-circuit operating mode designed as a safe operating mode, in which the battery cell (21) does not supply any voltage to the output terminals (222, 223) of the battery cell device (221).
Description
Bereich der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Batteriezelle. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Überwachen der in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle mittels der in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Überwachungsvorrichtung. Auch betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem mit mindestens einer Batteriezelleinrichtung.The present invention relates to a battery cell device having a battery cell and a monitoring device for monitoring the battery cell. The invention further relates to a corresponding method for monitoring the battery cell arranged in a battery cell device by means of the monitoring device arranged in the battery cell device. The invention also relates to a vehicle having a battery system with at least one battery cell device.
Stand der TechnikState of the art
Es ist üblich, Batterien für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als Traktionsbatterien zu bezeichnen, da diese Batterien für die Speisung elektrischer Antriebe eingesetzt werden. Um die bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen geforderten Leistungs- und Energiedaten zu erzielen, werden in den eingesetzten Traktionsbatterien einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Bei Elektrofahrzeugen werden häufig 100 Batteriezellen oder mehr in Serie verschaltet, wobei die Traktionsbatterien Spannungen von bis zu 450 V aufweisen. Auch bei Hybridfahrzeugen wird üblicherweise die Spannungsgrenze von 60V überschritten, welche bei einer Berührung durch Menschen noch als unkritisch eingestuft wird.It is common to refer to batteries for use in hybrid and electric vehicles as traction batteries, as these batteries are used for the supply of electric drives. In order to achieve the performance and energy data required for hybrid and electric vehicles, individual battery cells are connected in series and sometimes additionally in parallel in the traction batteries used. In electric vehicles often 100 battery cells or more are connected in series, the traction batteries have voltages of up to 450 V. Even in hybrid vehicles, the voltage limit of 60V is usually exceeded, which is still classified as uncritical when touched by people.
In der
Die Batterie
Ein thermisches Durchgehen
Für Lithium-Ionen-Batteriezellen sind Sicherheitstests vorgeschrieben. Um die Batteriezellen
In einer Batteriezelle
In einer Batteriezelle
In einer Batteriezelle
In einer Batteriezelle
In einer Batteriezelle
Bei den aktuell in der Entwicklung befindlichen Batteriezellen
In der
Die Elektronik des Batteriemanagementsystems, insbesondere die Überwachungselektronik der Batteriezellen
So wie bei dem in der
Ferner ist das zentrale Batteriesteuergerät
Das zentrale Batteriesteuergerät
Mit einem Batteriemanagementsystem eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems wird angestrebt, die Sicherheit des Batteriesystems
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Batteriezelle bereitgestellt. Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von mehreren die Batteriezelle betreffenden physikalischen Größen, eine Zustandsermittlungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand einer insbesondere modellbasierten Auswertung der von der Sensorvorrichtung bereitgestellten aktuellen Messwerte der physikalischen Größen einen aktuellen und/oder künftigen Batteriezellzustand zu erkennen und/oder vorherzusagen, und eine Aktorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Batteriezelle aus einem kritischen und/oder kritisch werdenden Batteriezellzustand in einen sicheren Betriebsmodus zu überführen und/oder zu halten. Ferner stellt die Überwachungsvorrichtung vorzugsweise eine Feinschlusssicherheitsfunktion bereit, mittels der durch die Zustandsermittlungsvorrichtung ein kritischer Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle durch einen batteriezellintern liegenden Feinschluss beschädigt werden kann, ermittelt werden kann, und die Batteriezelle bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes durch die Aktorvorrichtung in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Feinschlussbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle keine Spannung an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinrichtung abgibt, überführt und/oder gehalten werden kann.According to the invention, a battery cell device is provided with a battery cell and a monitoring device for monitoring the battery cell. The monitoring device comprises a sensor device for detecting a plurality of physical variables relating to the battery cell, a state determination device which is designed to detect and / or determine a current and / or future battery cell state based on a particular model-based evaluation of the current physical value measurements provided by the sensor device and an actuator device configured to transition and / or maintain the battery cell from a critical and / or critical battery cell state to a safe mode of operation. Furthermore, the monitoring device preferably provides a fine-circuit safety function, by means of which a critical battery cell state in which the battery cell can be damaged by a battery cell internal fine closure can be determined by the state detection device, and the battery cell in the presence of the critical battery cell state by the actuator device as a safe Operating mode designed fine-close mode of operation, in which the battery cell can not deliver voltage at the Ausgangsterminals the battery cell device, transferred and / or can be held.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Überwachen einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle mittels einer in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Überwachungsvorrichtung bereitgestellt. Dabei werden mehrere physikalische Größe zum Ermitteln eines Batteriezellzustandes mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Sensorvorrichtung erfasst. Ferner wird ein aktueller und/oder künftiger Batteriezellzustand mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Zustandsermittlungsvorrichtung anhand einer insbesondere modelbasierten Auswertung der von der Sensorvorrichtung bereitgestellten aktuellen Messwerte der physikalischen Größen erkannt und/oder vorhergesagt. Ferner wird bei Vorliegen eines kritischen und/oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes die Batteriezelle mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Aktorvorrichtung in einen sicheren Betriebsmodus überführt. Weiterhin wird von der Überwachungsvorrichtung eine vorzugsweise Feinschlusssicherheitsfunktion bereitgestellt, mittels der das Auftreten eines kritischen Batteriezellzustandes, in dem die Batteriezelle durch einen batteriezellintern liegenden Feinschluss beschädigt werden kann, durch die Zustandsermittlungsvorrichtung ermittelt wird. Dabei wird bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle durch die Aktorvorrichtung in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Feinschlussbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle keine Spannung an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinrichtung abgibt, überführt und/oder gehalten.The invention further provides a method for monitoring a battery cell arranged in a battery cell device by means of a monitoring device arranged in the battery cell device. In this case, a plurality of physical variables are detected for determining a battery cell state by means of a sensor device arranged in the monitoring device. Furthermore, a current and / or future battery cell state is detected and / or predicted by means of a state determination device arranged in the monitoring device on the basis of a particularly model-based evaluation of the current measured values of the physical quantities provided by the sensor device. Furthermore, in the presence of a critical and / or critical battery cell state, the battery cell is transferred into a safe operating mode by means of an actuator device arranged in the monitoring device. Furthermore, a preferably fine-circuit safety function is provided by the monitoring device, by means of which the occurrence of a critical battery cell state in which the battery cell can be damaged by a battery cell internal fine closure is determined by the state determination device. In this case, in the presence of the critical battery cell state, the battery cell is transferred and / or held by the actuator device in a designed as a safe mode fine fines operation mode in which the battery cell outputs no voltage at the Ausgangsterminals the battery cell device.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Einfach ausgedrückt wird eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung beziehungsweise Überwachungselektronik bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Überwachungselektronik kann auch in der Batteriezelle integriert sein. Eine Batteriezelle mit integrierter erfindungsgemäßer Überwachungselektronik wird im Folgenden auch als elektrisch eigensichere oder eigensichere Batteriezelle bezeichnet. In simple terms, a battery cell device is provided with a battery cell and a monitoring device or monitoring electronics according to the invention. The monitoring electronics according to the invention can also be integrated in the battery cell. A battery cell with integrated monitoring electronics according to the invention is also referred to below as electrically intrinsically safe or intrinsically safe battery cell.
Eine elektrisch eigensichere Batteriezelle umfasst eine elektrochemische Batteriezelle, insbesondere eine elektrochemische Lithium-Ionen-Batteriezelle, eine Sensorik (Sensorvorrichtung) zur Erfassung physikalischer Größen zur Ermittlung des Zustandes der Batteriezelle, eine Batteriezustandserkennung und -Prädiktion (Zustandsermittlungsvorrichtung), die aus den Sensorsignalen den aktuellen Zustand der Batteriezelle (Batteriezellzustand) insbesondere hinsichtlich ihrer Sicherheit ermittelt und auch das künftige Verhalten der Batteriezelle prädizieren (vorhersagen) kann, und eine Sicherheitsaktorik (Aktorvorrichtung), mit der die Batteriezelle bei Erkennung eines kritisch werdenden Zustandes und/oder Betriebes der Batteriezelle bei Bedarf in einen sichern Betriebszustand überführt werden kann. An electrically intrinsically safe battery cell comprises an electrochemical battery cell, in particular an electrochemical lithium-ion battery cell, a sensor system for detecting physical quantities for determining the state of the battery cell, a battery state detection and prediction device determining the current state from the sensor signals the battery cell (battery cell state) determined in particular with regard to their safety and predict the future behavior of the battery cell (predict), and a safety actuator (actuator device), with the battery cell when recognizing a critical condition and / or operation of the battery cell when needed in a secure operating state can be transferred.
Optional kann die eigensichere Batteriezelle eine zusätzliche Elektronik (Spannungseinstellungsvorrichtung) umfassen, mittels der die Ausgangsspannung der Batteriezelle derartig geschaltet werden kann, dass an den Batteriezellterminals (Ausgangsterminals) die Batteriezellspannung in positiver Orientierung oder die Batteriezellspannung in negativer Orientierung oder eine Spannung von 0 V anliegen kann. Optionally, the intrinsically safe battery cell may comprise additional electronics (voltage adjustment device) by means of which the output voltage of the battery cell can be switched such that the battery cell voltage in positive orientation or the battery cell voltage in negative orientation or a voltage of 0 V can be present at the battery cell terminals (output terminals) ,
Ferner sind in der eigensicheren Batteriezelle bevorzugt Sicherheitsfunktionen, insbesondere eine Feinschusssicherheitsfunktion integriert, die bei Vorliegen eines kritischen oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes die Batteriezelle sofort in einen sicheren Betriebsmodus überführen. Die Feinschlusssicherheitsfunktion erkennt das Vorliegen eines batteriezellintern liegenden Feinschlusses (eines internen Schlusses), der beispielsweise als Folge eines Dendriten oder eines bei der Fertigung der Batteriezelle eingebrachten Fremdpartikels auftreten kann, und überführt die Batteriezelle in einen Betriebsmodus (Zustand), in dem die Batteriezelle zwischen ihren beiden Batteriezellterminals (Ausgangsterminals) die Spannung von 0 V abgibt und nicht mehr geladen werden kann. Ferner wird mittels der Feinschlusssicherheitsfunktion die Batteriezelle in Abhängigkeit ihres Zustandes (Batteriezellzustand) in den aus elektrochemischer Sicht sichersten Zustand der vollständigen Entladung überführt.Furthermore, in the intrinsically safe battery cell, safety functions, in particular a fine safety fuse function, are preferably integrated, which immediately convert the battery cell into a safe operating mode in the presence of a critical or critical battery cell state. The Feinschlusssicherheitsfunktion detects the presence of a battery cell internal fine closure (an internal conclusion), which can occur, for example, as a result of a dendrite or introduced in the manufacture of the battery cell foreign particle, and transfers the battery cell in an operating mode (state) in which the battery cell between their both battery cell terminals (output terminals) the voltage of 0 V and can no longer be charged. Furthermore, by means of the fine-circuit safety function, the battery cell, depending on its state (battery cell state), is transferred to the state of complete discharge which is safest from the electrochemical point of view.
Die Batteriezelle wird dann insbesondere in Verbindung mit der hier vorgestellten Feinschlusssicherheitsfunktion so sicher ausgeführt, dass die Anforderungen an ein übergeordnetes Batteriemanagementsystem insbesondere bezüglich der Behandlung der Batteriezelle bei einem batteriezellintern liegenden Feinschluss gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden können. Die eigensichere Batteriezelle kann sich selbst vor unzulässigen Betriebszuständen schützen, ohne dabei auf die Funktion der Elektronik eines übergeordneten Batteriemanagementsystems angewiesen zu sein. Mit einer eigensicheren Batteriezelle steht ein Grundbaustein zur Verfügung, aus dem in einfacher Weise sichere Batteriesysteme aufgebaut werden können. So kann die Sicherheit insbesondere von großen Batteriesystemen, wie sie beispielsweise bei Elektro- und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, signifikant erhöht werden. The battery cell is then carried out so securely in particular in connection with the fine-circuit safety function presented here, that the requirements for a higher-level battery management system, in particular with regard to the treatment of the battery cell with a battery cell internal fine closure over the prior art can be reduced. The intrinsically safe battery cell can protect itself against impermissible operating states, without having to depend on the function of the electronics of a higher-level battery management system. An intrinsically safe battery cell provides a basic building block from which safe battery systems can be constructed in a simple manner. Thus, the security can be significantly increased in particular of large battery systems, such as those used for example in electric and hybrid vehicles.
Darüber hinaus können die heute durchgeführten, nicht zielführenden Maßnahmen für die elektrische Sicherheit der Batteriezelle, wie beispielsweise das Vorsehen der Batteriezelle mit einer Überladesicherheitsvorrichtung (Overcharge Safety Device) oder mit einer Batteriezellsicherung (Cell Fuse), entfallen. Auch die beispielsweise durch das Ausstatten der Batteriezelle mit einer Nail Penetration Safety Device NSD durchgeführten Maßnahmen für die Erhöhung der Sicherheit bei starken mechanischen Krafteinwirkungen, die beispielsweise bei Penetration der Batteriezelle mit spitzen Gegenständen, die durch den Nageleindringtest (Nail Penetration Test) simuliert wird, sowie bei starken Deformation der Batteriezelle, die durch die Stoßtests (Crush Tests) in den drei Raumachsen simuliert werden, auftreten, können entfallen beziehungsweise zumindest wesentlich einfacher realisiert werden, da die Anforderungen seitens der Batteriezelle geringer sind.In addition, the current non-targeted measures for the electrical safety of the battery cell, such as the provision of the battery cell with an overcharge safety device (Overcharge Safety Device) or a battery cell fuse (Cell Fuse) eliminated. Also, for example, by providing the battery cell with a Nail Penetration Safety Device NSD measures to increase the security of strong mechanical force effects, for example, in penetration of the battery cell with sharp objects, which is simulated by the Nail Penetration Test (Nail Penetration Test), and occur at high deformation of the battery cell, which are simulated by the impact tests (crush tests) in the three spatial axes, can be eliminated or at least much easier to implement, since the requirements are lower by the battery cell.
Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Sensorvorrichtung dazu ausgebildet, die Batteriezellspannung zu erfassen und/oder das Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag sich in einem vorbestimmten Batteriezellspannungsbereich befindet, zu überwachen. Ferner ist die Sensorvorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, einen durch die Batteriezelle fließenden Strom und/oder eine Batteriezelltemperatur, insbesondere eine Batteriezellinnentemperatur und/oder eine Batteriezellwickeltemperatur und/oder eine Batteriezellaußentemperatur, und/oder einen Batteriezellinnendruck und/oder eine lineare Beschleunigung der Batteriezelle und/oder eine Drehbeschleunigung der Batteriezelle zu erfassen. Weiterhin ist die Aktorvorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, zum Überführen der Batteriezelle in den sicheren Betriebsmodus und/oder zum Halten der Batteriezelle in dem sicheren Betriebsmodus eine in der Batteriezelle angeordnete Entladevorrichtung zu aktivieren. Die Entladevorrichtung ist dabei dazu vorgesehen, in einem aktivierten Entlademodus die Batteriezelle mittels eines vorbestimmten Entladestroms und/oder in einem aktivierten Schnellentlademodus die Batteriezelle mittels eines Entladestroms, der einen vorbestimmten Bruchteil eines Kurzschlussstromes der Batteriezelle beträgt, zu entladen. Auch ist die Aktorvorrichtung dazu ausgebildet, einen in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Strombypass zu aktivieren. Der Strombypass ist dazu vorgesehen, im aktivierten Zustand einen zwischen den Batteriezellterminals fließenden Strom über einen batteriezellextern liegenden Strompfad umzuleiten.In a particular embodiment of the battery cell device according to the invention, the sensor device is designed to detect the battery cell voltage and / or to monitor the presence of a battery cell voltage whose magnitude is in a predetermined battery cell voltage range. Furthermore, the sensor device is preferably configured to generate a current flowing through the battery cell and / or a battery cell temperature, in particular a battery cell temperature and / or a battery cell temperature and / or a battery cell external temperature, and / or a battery cell internal pressure and / or a linear acceleration of the battery cell and / or detect a spin of the battery cell. Furthermore, the actuator device is preferably designed to activate an unloading device arranged in the battery cell for transferring the battery cell into the safe operating mode and / or for holding the battery cell in the safe operating mode. The discharge device is provided for discharging the battery cell by means of a predetermined discharge current and / or in an activated fast discharge mode in an activated discharge mode by means of a discharge current which is a predetermined fraction of a short-circuit current of the battery cell. The actuator device is also designed to supply a current bypass arranged in the battery cell device activate. The current bypass is intended, in the activated state, to divert a current flowing between the battery cell terminals via a current path lying outside the battery cell.
In der Sensorvorrichtung beziehungsweise Sensorik werden die im Folgenden angegebenen Sensorelemente zur Erfassung des Batteriezustands eingesetzt.In the sensor device or sensor system, the following sensor elements are used to detect the battery condition.
Die Sensorvorrichtung umfasst bevorzugt zunächst eine Batteriezellspannungserfassung, mittels der die die Ausgangsspannung der elektrochemischen Batteriezelle erfasst wird. Optional kann diese Batteriezellspannungserfassung noch durch eine Spannungsbereichskontrolle ergänzt werden, mit der überwacht wird, ob die Batteriezellspannung sich innerhalb des spezifizierten zulässigen Bereichs, der sich beispielsweise zwischen 2,8 V bis 4,2 V erstreckt.The sensor device preferably initially comprises a battery cell voltage detection, by means of which the output voltage of the electrochemical battery cell is detected. Optionally, this battery cell voltage sensing may be supplemented by a voltage range control that monitors whether the battery cell voltage is within the specified allowable range, for example, between 2.8V to 4.2V.
Ferner oder alternativ umfasst die Sensorvorrichtung bevorzugt eine Batteriezellstromerfassung, mit der der elektrische Strom durch die elektrochemische Batteriezelle erfasst wird, und/oder eine Batteriezelltemperaturerfassung, mit der die Temperatur der elektrochemischen Batteriezelle erfasst wird. Besonders interessant ist die Temperatur des Zellwickels. Falls erforderlich, können die Außentemperatur und die Innentemperatur der Batteriezelle erfasst werden.Furthermore or alternatively, the sensor device preferably comprises a battery cell current detection, with which the electric current is detected by the electrochemical battery cell, and / or a battery cell temperature detection, with which the temperature of the electrochemical battery cell is detected. Particularly interesting is the temperature of the cell coil. If necessary, the outside temperature and the inside temperature of the battery cell can be detected.
Auch umfasst die Sensorvorrichtung bevorzugt alternativ oder zusätzlich eine Druckerfassung, mit der der Innendruck einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen Batteriezelle mit Hartschalen-Gehäuse (Hardcase Gehäuse), erfasst wird. The sensor device preferably also comprises, alternatively or additionally, a pressure sensor with which the internal pressure of a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell with a hard-shell housing (hardcase housing), is detected.
Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung Beschleunigungssensoren bevorzugt alternativ oder zusätzlich für die drei Raumachsen zur Erfassung von linearen Beschleunigungen der Batteriezelle. Weitere Sensorelemente können in Abhängigkeit von der Batteriezelltechnologie erforderlich sein oder gegebenenfalls sinnvoll sein, um die Genauigkeit oder Zuverlässigkeit der Batteriezustandserkennung zu verbessern und einen sicherheitsrelevanten Betrieb oder Zustand der Batteriezelle voraussagen zu können. So kann beispielsweise der Einsatz von Drehratensensoren (Drehbeschleunigungssensoren) sinnvoll sein, um eine fahrdynamisch kritische Situation zu erkennen und frühzeitig die Überführung der Batteriezellen in einen auch beim Auftreten eines einem Unfall sicheren Betriebsmodus einzuleiten Furthermore, the sensor device preferably comprises acceleration sensors alternatively or additionally for the three spatial axes for detecting linear accelerations of the battery cell. Other sensor elements may be required depending on the battery cell technology or may be useful to improve the accuracy or reliability of the battery state detection and to predict a safety-related operation or state of the battery cell can. Thus, for example, the use of rotation rate sensors (spin sensors) may be useful to detect a driving dynamics critical situation and early to initiate the transfer of the battery cells in a safe even when the occurrence of an accident mode of operation
Aus den Sensorelementsignalen für die Spannung, Strom, Temperatur und Innendruck der Batteriezelle kann mittels einer erfindungsgemäßen Batteriezustandserkennung ermittelt werden, ob die Batteriezelle sich in einem kritischen Zustand befindet beziehungsweise in einen kritischen Zustand kommen wird. Für die Batteriezustandserkennung und -Prädiktion können in vorteilhafter Weise modellbasierte Verfahren beziehungsweise Auswertungen zum Einsatz kommen.From the sensor element signals for the voltage, current, temperature and internal pressure of the battery cell can be determined by means of a battery condition detection according to the invention, whether the battery cell is in a critical state or will come into a critical state. For the battery state detection and prediction model-based methods or evaluations can be used advantageously.
Des Weiteren ist die Aktorvorrichtung beziehungsweise die Sicherheitsaktorik dazu ausgebildet, die Batteriezelle wieder in einen sicheren Zustand zu überführen beziehungsweise in einem sicheren Bereich zu halten.Furthermore, the actuator device or the safety actuator is designed to restore the battery cell to a safe state or to keep it in a safe area.
Dazu ist die Sicherheitsaktorik einer eigensicheren Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, bevorzugt in der Lage, die Batteriezelle entladen zu können. Die Anforderungen an die dabei zu realisierenden Entladeströme sind abhängig von der verwendeten Batteriezellchemie und den Worst-Case-Betriebsbedingungen und Worst-Case-Fehlgebrauchsbedingungen (worst case misuse) oder Worst-Case-Missbrauchsbedingungen (worst case abuse), denen die Batteriezelle ausgesetzt werden kann. For this purpose, the safety actuator of an intrinsically safe battery cell, in particular a lithium-ion battery cell, is preferably able to discharge the battery cell. The requirements for the discharge currents to be realized depend on the battery cell chemistry used and the worst case operating conditions and worst case misuse conditions or worst case abuse conditions to which the battery cell can be exposed ,
In vielen Fällen wird es erforderlich sein, die Entladevorrichtung mit einer Schnellentladevorrichtung (Ultra Fast Discharge Device (UFDD)) beziehungsweise mit einem Schnellentlademodus vorzusehen, um die Zelle eigensicher zu bekommen. Mit einer Schnellentladevorrichtung kann die Batteriezelle mit sehr hohen Entladeströmen nahe dem Kurzschlussstrom sehr schnell entladen werden.In many cases it will be necessary to provide the unloading device with an Ultra Fast Discharge Device (UFDD) or a fast discharge mode to get the cell intrinsically safe. With a quick discharge device, the battery cell can be discharged very quickly with very high discharge currents near the short-circuit current.
Die Möglichkeit zur Entladung der Batteriezelle ist für die Realisierung einer eigensicheren Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, bevorzugt eine notwendige Bedingung.The possibility for discharging the battery cell is for the realization of an intrinsically safe battery cell, in particular a lithium-ion battery cell, preferably a necessary condition.
Ferner ist die Sicherheitsaktorik für die Realisierung einer eigensicheren Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen Batteriezelle, bevorzugt in der Lage, einen Strombypass für die Batteriezelle schalten beziehungsweise aktivieren zu können. Über den Strombypass kann ein Strom zwischen den beiden Batteriezellterminals beziehungsweise Ausgangsterminals fließen, ohne dass der Strom durch die elektrochemische Batteriezelle fließt. Der Strombypass muss in der Lage sein, Ströme beider Polarität führen zu können.Furthermore, the safety actuator for the realization of an intrinsically safe battery cell, in particular a lithium-ion battery cell, is preferably able to switch or activate a current bypass for the battery cell. A current can flow between the two battery cell terminals or output terminals via the current bypass, without the current flowing through the electrochemical battery cell. The current bypass must be able to carry currents of both polarities.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Zustandsermittlungsvorrichtung dazu ausgebildet, das Auftreten eines batteriezellintern liegenden Feinschlusses, insbesondere eines als Folge von batteriezellintern vorhandenen Dendriten und/oder von batteriezellintern vorhandenen elektrisch leitenden Fremdpartikeln auftretenden batteriezellintern liegenden Feinschlusses, bei Vorliegen einer Änderungsgeschwindigkeit der mittels der Sensorvorrichtung erfassten Batteriezellruhespannung, die einen vorbestimmten Batteriezellruhespannungsänderungsgeschwindigkeit-Grenzwert überschreitet, zu erkennen. Ferner ist die Aktorvorrichtung dazu ausgebildet, bei Auftreten des batteriezellintern liegenden Feinschlusses die Batteriezelle mittels einer dauerhaften Aktivierung des Strombypasses in den Feinschlussbetriebsmodus zu überführen.In a particularly advantageous embodiment of the battery cell device according to the invention, the state detection device is adapted to the occurrence of a battery cell internal fine closure, in particular a battery cell internal existing dendrites and / or battery cell internally present electrically conductive foreign particles occurring battery cell internal fine closure, in the presence of a rate of change by means of Sensor device detected battery cell arrest voltage that exceeds a predetermined battery cell threshold voltage change threshold. Further, the actuator device is adapted to convert the battery cell by means of a permanent activation of the current bypass in the fine operation mode when the battery cell internal fine closure occurs.
Einfach ausgedrückt wird bei der bevorzugten Ausführungsform mittels der Feinschlusssicherheitsfunktion zunächst die Erkennung eines batteriezellintern liegenden Feinschlusses wie im Folgenden dargestellt durchgeführt: Weist eine Batteriezelle einen batteriezellintern liegenden Feinschluss auf, äußerst sich das zu Beginn in einer erhöhten Selbstentladung der Batteriezelle. Die Selbstentladung kann in Phasen, in denen die Batteriezelle nicht mit Lade- oder Entladeströmen beaufschlagt wird, über die zeitliche Änderung der Ruhespannung erfasst werden. Bei Lithium-Ionen-Batteriezellen liegt die Selbstentladung einer ordnungsgemäß funktionierenden Batteriezelle in der Größenordnung von 1% bis 3% pro Monat. Dies entspricht einer Änderung der Batteriezellruhespannung im Bereich von etwa 1 mV bis zu etwa 6 mV pro Monat. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Batteriezellruhespannung nicht linear von dem Batteriezellladezustand abhängig ist. Die angegebenen Werte für die Batteriezellruhespannung sind typische Werte und sind von dem Chemiesystem der Batteriezelle abhängig. Erkennt die Überwachungsvorrichtung (Batteriezellüberwachungselektronik) eine deutlich höhere Selbstentladung der Batteriezelle über eine deutlich über einen entsprechenden Grenzwert (der vorbestimmten Batteriezellruhespannungsänderungsgeschwindigkeit-Grenzwert) liegende zeitliche Änderung der Batteriezellruhespannung, liegt ein interner Feinschluss vor. Ein solcher Feinschluss kann beispielsweise als Folge einer Bildung von Dendriten oder als Folge eines bei der Fertigung der Batteriezelle entstandenen Fremdpartikeleinschlusses auftreten, da sich sowohl ein solches Dendrit als auch ein solches Fremdpartikeleinschluss durch den Separator der Batteriezelle hindurchbohren können und dann die Elektroden kurzschließen. Bei Erkennung eines internen Schlusses wird mittels der Feinschlusssicherheitsfunktion der Strombypass dauerhaft aktiviert. Dies hat zur Folge, dass die Batteriezelle nicht mehr weiter aufgeladen werden kann. Dies hat auch zur Folge, dass die Batteriezelle, oder, genauer ausgedrückt, der elektrochemische Teil der eigensicheren Batteriezelle, nicht unkontrolliert über externe Lasten entladen wird.Put simply, in the preferred embodiment, by means of the fine-circuit safety function, the detection of a battery cell internal fine closure is first carried out as shown below: If a battery cell has a battery cell internal fine closure, this is extremely pronounced in the beginning in an increased self-discharge of the battery cell. The self-discharge can be detected in phases in which the battery cell is not charged with charging or discharging currents, over the temporal change of the rest voltage. For lithium-ion battery cells, the self-discharge of a properly functioning battery cell is on the order of 1% to 3% per month. This corresponds to a change in battery cell arrest voltage in the range of about 1 mV to about 6 mV per month. It should be noted that the battery cell arrest voltage is not linearly dependent on the battery cell charge state. The values given for the battery cell arrest voltage are typical values and depend on the chemistry of the battery cell. If the monitoring device (battery cell monitoring electronics) detects a significantly higher self-discharge of the battery cell than a time change of the battery cell arrest voltage that lies well above a corresponding limit value (the predetermined battery cell rest voltage change rate limit value), an internal fine closure occurs. Such a fine closure can occur, for example, as a consequence of the formation of dendrites or as a result of foreign particle confinement arising during the production of the battery cell, since both such dendrite and foreign particle confinement can drill through the separator of the battery cell and then short the electrodes. If an internal fault is detected, the current bypass is permanently activated by means of the fine-circuit safety function. This has the consequence that the battery cell can not be charged further. This also has the consequence that the battery cell, or more precisely, the electrochemical part of the intrinsically safe battery cell is not unloaded uncontrollably via external loads.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Aktorvorrichtung dazu ausgebildet, den Entlademodus und/oder den Schnellentlademodus der Entladevorrichtung in Abhängigkeit von dem Batteriezellinnendruck und/oder von dem Batteriezellladezustand zu aktivieren. Dabei wird Feinschlussbetriebsmodus überführt Batteriezelle über die mittels der Aktorvorrichtung geeignet aktivierte Entladevorrichtung entladen. Ferner ist die in den ist die Zellzustandsermittlungsvorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, den Batteriezellinnendruck und/oder den Batteriezellladezustand und/oder die Batteriezelltemperatur und/oder die Batteriezelltemperaturänderungsgeschwindigkeit während der Entladung der in dem Feinschlussmodus überführten Batteriezelle über die Entladevorrichtung in dem aktivierten Entlademodus zu überwachen.In a further particularly preferred embodiment of the battery cell device according to the invention, the actuator device is designed to activate the discharge mode and / or the fast discharge mode of the discharge device as a function of the battery cell internal pressure and / or the battery cell charge state. In this case, fine-circuit operating mode is transferred to the battery cell via the discharge device which is suitably activated by means of the actuator device. Furthermore, the cell state determination device is preferably designed to monitor the battery cell internal pressure and / or the battery cell charge state and / or the battery cell temperature change rate and / or the battery cell temperature change rate during the discharge of the battery cell transferred in the fine closing mode via the discharge device in the activated discharge mode.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Aktorvorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, den Entlademodus der Entladevorrichtung zum Entladen der in den Feinschlussbetriebsmodus überführten Batteriezelle bei Vorliegen eines Batteriezelladezustandes, der einen ersten Batteriezellladezustandsgrenzwert unterschreitet, oder bei Vorliegen eines Batteriezelladezustandes, der einen gegenüber dem ersten Batteriezelladezustandsgrenzwert größeren zweiten Batteriezellladezustandsgrenzwert überschreitet, und eines Batteriezellinnendruckes, der mit einem als normaler Batteriezellinnendruck vorbestimmten Batteriezellinnendruck gleich ist, übereinstimmt, zu aktivieren. Ferner ist die Aktorvorrichtung dazu ausgebildet, den während des aktivierten Entlademodus der Entladevorrichtung vorkommenden Entladestrom mittels einer in der Entladevorrichtung angeordneten Stromregelung in Abhängigkeit der aktuellen Batteriezellinnendruckes und/oder des aktuellen Batteriezellladezustand und/oder des Batteriezelltemperatur und/oder des aktuellen Batteriezelltemperaturänderungsgeschwindigkeit zu regeln.Preferably, the actuator device according to the invention is preferably adapted to the discharging mode of the discharging device for discharging the battery cell transferred into the fine closing operation mode in the presence of a battery cell state which exceeds a first battery cell state of charge limit or in the presence of a battery cell state exceeding a second battery cell state of charge value greater than the first battery cell state of charge limit, and of a battery cell internal pressure equal to a predetermined cell battery internal pressure battery cell internal pressure agrees to activate. Furthermore, the actuator device is designed to regulate the discharge current occurring during the activated discharge mode of the discharge device by means of a current regulation arranged in the discharge device as a function of the current battery cell internal pressure and / or the current battery cell charge state and / or the battery cell temperature and / or the current battery cell temperature change speed.
Mit anderen Worten, mittels der Feinschlusssicherheitsfunktion kann in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batteriezelle (Batteriezellladezustand) und von dem Innendruck der Batteriezelle (Batteriezellinnendruck) ermöglicht werden, die Batteriezelle so schnell wie möglich beziehungsweise so schnell wie nötig in den elektrochemisch sichersten Zustand der vollständigen Entladung zu überführen. Dabei wird bei niedrigen Ladezuständen die Ladevorrichtung (Discharge Device) aktiviert. Die Entladung der Batteriezelle erfolgt bevorzugt über eine Stromregelung und kann in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batteriezelle, von dem Innendruck, und/oder der Temperatur (Batteriezelltemperatur) beziehungsweise der zeitlichen Änderung der Temperatur der Batteriezelle (Batteriezelltemperaturänderungsgeschwindigkeit) angepasst werden. Ferner wird bei hohen Ladezuständen und normalen Druckverhältnissen in der Batteriezelle genauso wie bei niedrigen Ladezuständen der Batteriezelle vorgegangen.In other words, by means of the fine-circuit safety function, depending on the state of charge of the battery cell (battery cell charging state) and the internal pressure of the battery cell (battery cell internal pressure), the battery cell can be brought into the electrochemically safest state of full discharge as fast as possible or as fast as necessary convict. At low charge states, the charging device (Discharge Device) is activated. The discharge of the battery cell is preferably via a current control and can be adjusted depending on the state of charge of the battery cell, the internal pressure, and / or the temperature (battery cell temperature) or the time change of the temperature of the battery cell (battery cell temperature change rate). Furthermore, the same procedure is used for high charge states and normal pressure conditions in the battery cell as for low charge states of the battery cell.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Aktorvorrichtung dazu ausgebildet, den Schnellentladungsmodus der Entladevorrichtung zum Entladen der in den Feinschlussbetriebsmodus überführten Batteriezelle bei Vorliegen eines Batteriezelladezustandes, der einen gegenüber dem ersten Batteriezelladezustandsgrenzwert größeren, zweiten Batteriezellladezustandsgrenzwert überschreitet, und eines unzulässig hohen Batteriezellinnendruckes zu aktivieren.The actuator device according to the invention is preferably designed to discharge the rapid discharge mode of the unloading device activate the battery cell transferred to the fine closing mode of operation in the presence of a battery cell state that exceeds a second battery cell state-of-charge limit greater than the first battery cell state of charge limit, and an inadmissibly high battery cell internal pressure.
Einfach ausgedrückt wird, falls die Entladevorrichtung ein Schnellentlademodus (Ultra Fast Discharge Device) aufweist, mittels der Feinschlusssicherheitsfunktion bei hohen Ladezuständen der Batteriezelle (Batteriezelladezustände) und zu hohem Innendruck in der Batteriezelle (Batteriezellinnendruck) bevorzugt ein schnellstmögliches Entladen über die Entladevorrichtung im Schnellentlademodus durchgeführt, um die Batteriezelle schnellstmöglich in den elektrochemisch stabilsten Zustand zu überführen. Ein erhöhter Innendruck der Batteriezelle deutet darauf hin, dass durch eine lokale Erwärmung der Batteriezelle bereits eine Elektrolytzersetzung stattfindet. Dabei kann es – je nach Position des Temperatursensors – sein, dass der Temperatursensor noch keinen nennenswerten Temperaturanstieg der Batteriezelle erfassen kann. Die Batteriezelle muss in diesem Fall in einen energetisch günstigeren Zustand gebracht werden, um die Sicherheit zu gewährleisten. Dies geschieht in diesem Fall bevorzugt durch die Entladung der Batteriezelle.Stated simply, if the discharger has a fast discharge mode (Ultra Fast Discharge Device), by means of the fine circuit safety function at high charge states of the battery cell (battery cell charge states) and high internal pressure in the battery cell (battery cell internal pressure), preferably, discharge as fast as possible via the discharge device in fast discharge mode to transfer the battery cell as quickly as possible to the most electrochemically stable state. An increased internal pressure of the battery cell indicates that local heating of the battery cell already causes electrolyte decomposition. It may be - depending on the position of the temperature sensor - that the temperature sensor can not detect a significant increase in temperature of the battery cell. In this case, the battery cell must be brought into a more energetically favorable state in order to ensure safety. This happens in this case preferably by the discharge of the battery cell.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Aktorvorrichtung dazu ausgebildet, die Ladevorrichtung nach der vollständigen Entladung der im Feinschlussbetriebsmodus überführten Batteriezelle zu deaktivieren.In a particularly preferred embodiment of the battery cell device according to the invention, the actuator device is designed to deactivate the charging device after the complete discharge of the battery cell transferred in the fine-circuit operating mode.
Nachdem die Batteriezelle vollständig entladen wird, ist die Batteriezelle auch bei Vorliegen eines batteriezellintern liegenden Feinschlusses sicher. Die Entladevorrichtung (Discharge Device) kann dann wieder deaktiviert werden. Die Aktivierung des Strombypasses bleibt bevorzugt dauerhaft aufrecht erhalten. Das heißt, dass die Batteriezelle nicht mehr geladen werden kann, aber, wenn sie in einem Batteriesystem eingebaut ist, Ströme beider Polarität über den Bypass führen kann. Damit kann die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit eines solchen Batteriesystems deutlich gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden.After the battery cell is completely discharged, the battery cell is safe even in the presence of a battery cell internal fine closure. The unloading device (Discharge Device) can then be deactivated again. The activation of the current bypass preferably remains permanently maintained. This means that the battery cell can no longer be charged, but if it is installed in a battery system, currents of both polarities can pass through the bypass. Thus, the reliability and availability of such a battery system can be significantly improved over the prior art.
Mit der beschriebenen, insbesondere in einer Batteriezelle integrierten Feinschlusssicherheitsfunktion kann die Batteriezelle alle Maßnahmen, die zur Überführung der Batteriezelle in den sichersten Zustand erforderlich sind, selbst durchführen und ist nicht auf die Funktionalität eines übergeordneten Batteriemanagementsystems angewiesen.With the described, especially in a battery cell integrated Feinschlusssicherheitsfunktion the battery cell can perform all measures that are necessary for the transfer of the battery cell in the safest state, even and is not dependent on the functionality of a parent battery management system.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die funktionellen Merkmale der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung einzeln oder in Kombination.The method according to the invention preferably comprises the functional features of the battery cell device according to the invention individually or in combination.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die in dem Feinschlussbetriebsmodus überführten Batteriezelle über eine in der Batteriezelleinrichtung angeordnete und von der Aktorvorrichtung aktivierte Entladevorrichtung mittels von geeigneten Entladeströmen, insbesondere in Abhängigkeit eines aktuellen Batteriezellinnendruckes und/oder eines aktuellen Batteriezellladezustandes und/oder einer aktuellen Batteriezelltemperatur geregelten Entladeströmen, vollständig entladen.Preferably, in the method according to the invention, the battery cell transferred in the fine-circuit operating mode is discharged via an unloading device arranged in the battery cell device and controlled by suitable discharge currents, in particular as a function of a current battery cell internal pressure and / or a current battery cell charge state and / or a current battery cell temperature. completely discharged.
Ein anderer wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem, das eine Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen und ein Batteriemanagementsystem, das dazu ausgebildet ist, mit den in den Batteriezelleinrichtungen angeordneten Überwachungsvorrichtungen zu kommunizieren, umfasst.Another essential aspect of the invention relates to a vehicle having a battery system comprising a battery having a plurality of battery cell devices according to the invention and a battery management system that is configured to communicate with the monitoring devices arranged in the battery cell devices.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In der
Dabei ist die Sensorvorrichtung
In der Batteriezelleinrichtung
Ferner sind in der Batteriezelleinrichtung
Wesentlich für die Feinschlusssicherheitsfunktion ist, dass die Aktorvorrichtung (Aktorik)
Optional umfasst die Überwachungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung
Bei der in der
Mit solchen erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen, die jeweils so wie die in der
Mit solchen erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen, die jeweils so wie die in der
In der
Das Batteriemodell liefert außerdem Einschätzungen oder berechnete Werte über einen Ladezustand (SOC)
Die
Falls ein Feinschluss erkannt wird, beispielsweise indem festgestellt wird, das der Ladezustand der Batteriezelle
Nach der Ausführungsform in
Bei hohen Ladezuständen SOC, beispielsweise bei einem Ladezustand oberhalb eines oberen Ladezustandsschwellenwertes SOC2, und normalen Druckverhältnissen in der Batteriezelle
Bei hohen Ladezuständen SOC und zu hohem Innendruck p in der Zelle, beispielsweise wenn der Innendruck oberhalb des vorgegebenen oberen Innendruckschwellenwertes p2 liegt, wird vorzugsweise ein schnellstmögliches Entladen in einem Schnellentlademodus, insbesondere mittels einer Entladevorrichtung zum ultraschnellen Entladen (Ultra Fast Discharge Device) durchgeführt, um die Batteriezelle
Nach der Überführung in den vollständig entladenen Zustand ist die Batteriezelle
Erfindungsgemäß werden die Batteriezellen oder Batteriemodule dabei derart angesteuert, dass sich deren Betriebsparameter innerhalb der jeweiligen Grenzwerte befinden, die für einen sicheren Betrieb notwendig sind. According to the invention, the battery cells or battery modules are controlled such that their operating parameters are within the respective limits which are necessary for safe operation.
So werden Lithium-Ionen-Batteriezellen typischerweise innerhalb eines Spannungsbereichs Umin bis Umax von 2,8 V bis 4,2 V, oder bevorzugt 3,0 V bis 4,2 V Volt betrieben. Dies gilt insbesondere für sicherheitsrelevante für Werte Umin_safety oder Umax_safety. Diese Angaben gelten jedoch für die zu messenden Spannungen U Batteriezelle im Leerlauf, das heißt, wenn kein Strom durch die Batteriezelle fließt. Dabei sind diese Grenzwerte unbedingt zu beachten, da ansonsten die Elektroden Beschädigungen erleiden können. Thus, lithium ion battery cells are typically operated within a voltage range of Umin to Umax of 2.8V to 4.2V, or preferably 3.0V to 4.2V volts. This applies in particular to safety-relevant values Umin_safety or Umax_safety. However, these specifications apply to the voltages to be measured U battery cell at idle, that is, when no current flows through the battery cell. It is important to observe these limits, otherwise the electrodes may be damaged.
Die Leerlaufspannung der Batteriezellen hängt im Wesentlichen von deren Ladezustand ab. Dabei wird typischerweise bei einer Spannung UBatteriezelle von 2,8 V ein Ladezustand SOC von 0%, bei 3,5 V ein Ladezustand von 20%, und bei 4,2 V ein Ladezustand von 100% angenommen, wobei diese Werte jeweils von Art und Material der Kathode, der Anode, und/oder des verwendeten Elektrolyts abhängen.The open circuit voltage of the battery cells depends essentially on their state of charge. In this case, typically a charge state SOC of 0%, at 3.5 V a charge state of 20%, and at 4.2 V a state of charge of 100% is assumed for a voltage U battery cell of 2.8 V, these values being in each case of type and Material of the cathode, the anode, and / or the electrolyte used.
Wenn ein Strom durch eine Batteriezelle fließt, können die Batteriezellspannungen UBatteriezelle von den obigen Zahlenangaben abweichen. Angenommen, die Leerlaufspannung betrage 3,5 V, und der Innenwiderstand der Batteriezelle bei 25 °C sei 10 mΩ. Bei einem Ladestrom von 100 A ergäbe das dann einen zu messenden Spannungswert UBatteriezelle von 3,5 V + 1,0 V = 4,5 V. Bei einer Temperatur von 0 °C beträgt der Innenwiderstand der Batteriezelle beispielhaft jedoch bis zu 50 mΩ, was bei einem beispielhaften Entladestrom von 50 A einen Spannungswert UBatteriezelle von 3,5 V minus 2,5 V = 1,0 V ergäbe. Aufgrund der angewandten Ansteuerung und der verwendeten Sensoren werden diese Spannungswerte bei Raumtemperatur beziehungsweise bei 0°C aber nicht erreicht. Allgemein können im Betrieb der Batteriezellen der Wert für Umax zwischen 4,2 V und 5,0 V liegen und der Wert für Umin zwischen 1,5 V und 4,2 V, vorzugsweise zwischen 1,8 V und 4,15 V, diese Werte beziehen sich jedoch nicht auf die Leerlaufspannung. When a current flows through a battery cell, the battery cell voltages UBatteriezelle may differ from the above figures. Suppose the open circuit voltage is 3.5 V and the internal resistance of the battery cell at 25 ° C is 10 mΩ. At a charging current of 100 A, this would then give a voltage value U battery cell of 3.5 V + 1.0 V = 4.5 V. The internal resistance of the battery cell can be as high as 50 mΩ, for example, at a temperature of 0 ° C For example, for an exemplary discharge current of 50A, a voltage would be U battery cell of 3.5V minus 2.5V = 1.0V. Due to the applied control and the sensors used, these voltage values are not reached at room temperature or at 0 ° C. Generally, during operation of the battery cells, the Umax value may be between 4.2V and 5.0V and the Umin value between 1.5V and 4.2V, preferably between 1.8 V and 4.15 V, but these values do not refer to the no-load voltage.
Die obigen Spannungswerte gelten für eine einzelne Batteriezelle. Für ein Batteriemodul kommt es darauf an, wie viele Zellen in Reihe oder parallel geschaltet sind. So liegt die zulässige Modul-Leerlaufspannung UBatteriemodul zwischen n × 2,8 V bis n × 4,2 V, wobei n für die Anzahl der Batteriezellen steht, die miteinander in Reihe geschaltet sind. The above voltage values apply to a single battery cell. For a battery module, it depends on how many cells are connected in series or in parallel. Thus, the allowable module open circuit voltage UBatteriemodul is between n × 2.8V to n × 4.2V, where n is the number of battery cells connected in series.
Grenzwerte für Temperaturen bei Lithium-Ionen-Batteriezellen liegen etwa bei Tmin = –40 °C und Tmax = 30°C bis 50 °C, bevorzugt 30°C bis 45 °C, am meisten bevorzugt 35°C bis 40°C. Aus Sicherheitsaspekten sollte eine maximale Temperatur Tmax-safety von 46°C bis 80°C, bevorzugt 50°C bis 60°C nicht überschritten werden. Ferner sollte die maximale Außentemperatur Taußen, bei der die Batteriezellen betrieben werden, 40 °C nicht übersteigen. Limit values for temperatures in lithium-ion battery cells are approximately at Tmin = -40 ° C and Tmax = 30 ° C to 50 ° C, preferably 30 ° C to 45 ° C, most preferably 35 ° C to 40 ° C. For safety reasons, a maximum temperature Tmax-safety of 46 ° C to 80 ° C, preferably 50 ° C to 60 ° C should not be exceeded. Furthermore, the maximum outdoor temperature Taußen, at which the battery cells are operated, should not exceed 40 ° C.
Die Batterieströme durch die Batteriezellen sollten nicht außerhalb eines Bereichs von –1000 A bis +1000 A, bevorzugt –600 A bis +600 A, noch mehr bevorzugt –500 A bis +500 A, noch mehr bevorzugt –450 A bis +450 A, und noch mehr bevorzugt –350 A bis +350 A, liegen. The battery currents through the battery cells should not be outside a range of -1000 A to +1000 A, preferably -600 A to +600 A, more preferably -500 A to +500 A, even more preferably -450 A to +450 A, and more preferably -350 A to + 350 A, are.
Der Innendruck einer Batteriezelle sollte den Druckbereich von 2 bar bis 8 bar, bevorzugt 3 bar bis 7 bar, nicht verlassen.The internal pressure of a battery cell should not leave the pressure range of 2 bar to 8 bar, preferably 3 bar to 7 bar.
Die obige Diskussion wurde beispielhaft für Lithium-Ionen-Batteriezellen beziehungsweise Lithium-Ionen-Batteriemodule geführt, wobei die angegebenen Werte insbesondere für Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Lithium-Mangan-Kobalt-Oxid als Aktivmaterial für die Kathode gelten. Jedoch ist die Erfindung jedoch nicht auf solche Batteriezellen, insbesondere nicht auf Lithium-Ionen-Batteriezellen beschränkt. In der Praxis hängen die Zahlenwerte der zu wählenden Betriebsparameter somit vom jeweiligen Batteriezelltyp ab.The above discussion has been made by way of example for lithium-ion battery cells or lithium-ion battery modules, the values given in particular for lithium-ion battery cells with lithium manganese cobalt oxide as active material for the cathode. However, the invention is not limited to such battery cells, in particular not to lithium-ion battery cells. In practice, the numerical values of the operating parameters to be selected thus depend on the particular battery cell type.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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