DE102009025211A1 - Battery cell arrangement for traction battery of battery and hybrid vehicles, has fuse element assigned to serial cells to disconnect cell in case of failure of other cells, where failed cell is separated by fuse element - Google Patents

Battery cell arrangement for traction battery of battery and hybrid vehicles, has fuse element assigned to serial cells to disconnect cell in case of failure of other cells, where failed cell is separated by fuse element Download PDF

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Abstract

The arrangement has a fuse element (F) e.g. safety fuse, assigned to serial cells (B1-Bn) to disconnect a cell in case of failure of the other cells, where the cells comprise a separate bypass device (H). The failed cell is separated by the fuse element when energy contents of the cells exceed a predetermined measure. The bypass device has a voltage-dependent element that triggers short-circuiting of the cells in case of failure. The bypass device has two oppositely polarized Zener-diodes in series and a transistor that is provided parallel to the Zener-diodes. An independent claim is also included for a method for operating a battery cell arrangement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung mit mehreren seriellen Zellen, wobei jede der Zellen eine eigene Bypasseinrichtung, mit der sie bei Ausfall überbrückt wird, aufweist und jeder Zelle ein Sicherungselement zugeordnet ist, um eine Zelle bei deren Ausfall von den übrigen Zellen abtrennen zu können. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Batteriezellenanordnung.The The present invention relates to a battery cell arrangement with multiple serial cells, each of the cells having its own bypass device, with which it is bridged in case of failure, and Each cell is assigned a fuse element to a cell to be able to separate them from the other cells if they fail. Moreover, the present invention relates to a corresponding Method for operating a battery cell arrangement.

In diversen Batterie- und Hybridfahrzeugen werden leistungsstarke, seriell aufgebaute Traktionsbatterien eingesetzt. Jede dieser Traktionsbatterien besteht aus einer Vielzahl in Serie verschalteter Zellen bzw. Module. Das Ausfallrisiko einer Traktionsbatterie ist möglichst gering zu halten.In various battery and hybrid vehicles will be powerful, serially constructed traction batteries used. Each of these traction batteries is made from a large number of cells or modules interconnected in series. The Risk of failure of a traction battery is minimized to keep.

Bei einer seriell verschalteten Traktionsbatterie steigt das Ausfallrisiko R mit der Anzahl n der Zellen, wenn das Ausfallrisiko einer einzelnen Zelle Ri ist, wie folgt: R = 1 – (1 – Ri)n In a serially connected traction battery, the default risk R increases with the number n of cells when the failure risk of a single cell is R i , as follows: R = 1 - (1 - R i ) n

Gelingt es, im Fehlerfall die betroffene Zelle bzw. die betroffenen Zellen aus dem Strang zu nehmen, ohne den Strang zu unterbrechen oder zu beeinträchtigen, können die verbleibenden „gesunden” Zellen bzw. Module die Last der fehlerhaften mittragen. Die Leistung bzw. Energie wird dann nur um den Bruchteil der fehlerhaften Zelle geschmälert. Das Gleiche gilt für die Reichweite des Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb bzw. mit elektrischer Antriebsunterstützung.Succeed it, in case of failure, the affected cell or the affected cells to get out of the way without interrupting the strand or to can affect the remaining "healthy" cells or modules bear the burden of the faulty ones. The performance Energy is then diminished only by the fraction of the faulty cell. The same applies to the range of the vehicle with electric Drive or with electrical drive support.

Aus der Druckschrift US 6087035 A ist ein Diodenbypass für ausgefallene Batteriezellen bekannt. Die dortige Batteriezellenanordnung besteht aus mehreren in Serie geschalteten Zellen, von denen jede eine parallel geschaltete Diode besitzt. Die Kathode jeder Diode ist elektrisch an den positiven Anschluss der jeweiligen Zelle geschaltet. Unterhalb einer gewissen Spannung schaltet die Diode kurz.From the publication US 6087035 A is a diode bypass for failed battery cells known. The local battery cell arrangement consists of several series-connected cells, each of which has a diode connected in parallel. The cathode of each diode is electrically connected to the positive terminal of each cell. Below a certain voltage, the diode switches short.

Darüber hinaus offenbart die Druckschrift US 2002/0070707 A1 ein Batteriepack, das ebenfalls mehrere in Serie verbundene Zellen aufweist. Außerdem sind die Zellen mit Bypasselementen versehen, um sie bei Ausfall zu überbrücken. Die Spannung an den Zellen wird überwacht, und bei zu niedriger Spannung werden die Zellen von dem Verbund abgetrennt. Dies erfolgt aktiv durch Erhitzen eines Schmelzelements.In addition, the document discloses US 2002/0070707 A1 a battery pack that also has several cells connected in series. In addition, the cells are provided with bypass elements to bridge them in case of failure. The voltage across the cells is monitored, and if the voltage is too low, the cells are disconnected from the composite. This is done actively by heating a fusible element.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Ausfallrisiko einer Traktionsbatterie gering zu halten und dafür eine verhältnismäßig einfache Steuerung mit geringem Energieverbrauch bereitzustellen.The The object of the present invention is the risk of failure to keep a traction battery low and for one relatively simple control with to provide low energy consumption.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a battery cell arrangement according to claim 1 and a method according to claim 5. Advantageous Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Eine Batteriezellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt mehrere Zellen, wobei jede der Zellen eine eigene Bypasseinrichtung, mit der sie bei Ausfall überbrückt wird, aufweist und wobei jeder Zelle ein Sicherungselement zugeordnet ist, um eine Zelle bei deren Ausfall von den übrigen Zellen abtrennen zu können. Eine ausgefallene Zelle wird durch das Sicherungselement nur dann abgetrennt, wenn der Energieinhalt der Zelle ein vorgegebenes Maß überschreitet.A Battery cell assembly according to the present invention Invention has several cells, each of which cells has its own Bypass device with which it bridges in case of failure and wherein each cell is assigned a security element, one cell if it fails, the other cells to disconnect. A failed cell is going through the fuse element only separated when the energy content the cell exceeds a predetermined level.

Auch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Batteriezellenanordnung mit mehreren seriellen Zellen arbeitet nach dem Prinzip, dass eine ausgefallene Zelle nur dann abgetrennt wird, wenn der Energieinhalt der Zelle ein vorgegebenes Maß überschreitet.Also the inventive method for operating a Battery cell arrangement with multiple serial cells works after the principle that a failed cell is separated only if the energy content of the cell exceeds a predetermined level.

Vorzugsweise ist eine Zelle durch die jeweilige Bypasseinrichtung reversibel überbrückbar. Darüber hinaus kann jede Bypasseinrichtung ein spannungsabhängiges Element aufweisen, welches das Kurzschließen der zugeordneten Zelle bei Ausfall auslöst. Weiterhin kann die Bypasseinrichtung in Serie zwei entgegengesetzt gepolte Zenerdioden und parallel zu dieser Serienschaltung einen Transistor aufweisen.Preferably is a cell reversibly bridged by the respective bypass device. In addition, each bypass device can be a voltage-dependent Have element which shorting the associated Cell triggers in case of failure. Furthermore, the bypass device in series two oppositely poled Zener diodes and parallel to this series circuit having a transistor.

In vorteilhafter Weise wird durch die Erfindung das Ausfallrisiko einer Traktionsbatterie vermindert und die Reichweite eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb erhöht.In Advantageously, by the invention, the risk of default Traction battery decreases and the range of a vehicle increased with electric drive.

Insbesondere kann die Nutzungsdauer gegen Lebensdauerende dadurch verlängert werden, dass nur die schlechteste detektierte Zelle herausgeschaltet wird. Die vorgeschlagene Schaltung kann auch in mehrsträngigen Batterien angewandt werden.Especially This can extend the useful life towards end of life be turned off that only the worst detected cell becomes. The proposed circuit can also be multi-stranded Batteries are applied.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:The The present invention will become apparent from the accompanying drawings explained in more detail, in which show:

1 ein prinzipielles Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie; und 1 a schematic circuit diagram of a traction battery according to the invention; and

2 ein Schaltungsdiagramm eines Bypass- bzw. Hilfselements. 2 a circuit diagram of a bypass or auxiliary element.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.The embodiments described in more detail below represent preferred embodiment Forms of the present invention.

Vorrangiges Ziel ist es, eine Batteriezellenanordnung mit mehreren seriellen Zellen bzw. Modulen bereitzustellen, wobei das Ausfallrisiko vermindert ist. Dabei wird nachfolgend auch ein entsprechendes Betriebsverfahren für die Batteriezellenanordnung angegeben. Konkret soll zum einen eine oder mehrere fehlerhafte Zellen in dem Fall gesteuert abgekoppelt werden, in dem die fehlerhafte(n) Zelle(n) die Leistung des seriellen Zellenstrangs stört/stören. Zum anderen soll die Leistungsfähigkeit des Gesamtstrangs nahtlos aufrechterhalten werden.primary The goal is a battery cell arrangement with multiple serial To provide cells or modules, whereby reduces the risk of failure is. In the process, a corresponding operating method will also be described below indicated for the battery cell assembly. To be concrete on the one hand one or more faulty cells decoupled controlled in the case in which the faulty cell (s) are the performance of the serial Cell strand disturbs / disturbs. On the other hand, the Maintaining efficiency of the total strand seamlessly become.

Gemäß 1 besteht ein Gesamtstrang einer Traktionsbatterie aus mehreren Batterien (Zellen/Modulen) B1, B2, ..., Bn. Jeder dieser Einzelbatterien bzw. Zellen ist eine Sicherung F vorgeschaltet. Parallel zu jeder Zelle-Sicherung-Serienschaltung ist eine Bypasseinrichtung (hier auch Hilfselement H genannt) geschaltet. Die einzelnen Parallelschaltungen jeder Zelle bzw. Batterie B1, B2, ..., Bn sind miteinander seriell zu dem Gesamtstrang verbunden.According to 1 is a total strand of a traction battery of several batteries (cells / modules) B 1 , B 2 , ..., B n . Each of these individual batteries or cells is preceded by a fuse F. Parallel to each cell fuse series circuit is a bypass device (also called auxiliary element H) connected. The individual parallel circuits of each cell or battery B 1 , B 2 ,..., B n are connected to one another in series with the total line.

Im Falle eines (detektierten) Fehlers in einer der Zellen B1, B2, ..., Bn schließt das jeweilige Hilfselement H dauerhaft oder reversibel die betroffene Zelle bzw. die betroffenen Zellen kurz. Dabei sind mindestens drei Fälle zu unterscheiden:

  • 1. Ist der Energieinhalt der Zelle(n) noch groß, wird die Sicherung F die Zelle(n) vom Strang trennen.
  • 2. Ist der Energieinhalt der Zelle(n) klein, entlädt sich/entladen sich die betroffene(n) Zelle(n) über das Hilfselement H und ist/sind somit gefahrloser zu warten.
  • 3. Hat sich der Innenwiderstand der betroffenen Zelle(n) unzulässig erhöht (bzw. entladen, defekt), kann ein spannungsabhängiges Element in dem Hilfselement H das Kurzschließen der betroffenen Zelle(n) auslösen. Das Umpolen der Spannung an der/den betroffenen Zelle(n) wird dadurch verhindert und fatale Folgefehler werden unterbunden.
In the case of a (detected) fault in one of the cells B 1 , B 2 ,..., B n , the respective auxiliary element H permanently or reversibly closes the affected cell or the affected cells briefly. At least three cases have to be distinguished:
  • 1. If the energy content of the cell (s) is still large, the fuse F will disconnect the cell (s) from the string.
  • 2. If the energy content of the cell (s) is small, the affected cell (s) discharges / discharges via the auxiliary element H and is thus more safely to maintain.
  • 3. If the internal resistance of the affected cell (s) has increased inadmissibly (or discharged, defective), a voltage-dependent element in the auxiliary element H can trigger the short-circuiting of the affected cell (s). The polarity reversal of the affected cell (s) is thereby prevented and fatal consequential errors are prevented.

In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Hilfselements H im Detail dargestellt. Demnach besitzt das Hilfselement H zwischen Eingang und Ausgang eine Serienschaltung von zwei entgegengesetzt gepolten Zenerdioden Z1 und Z2. Parallel zu dieser Serienschaltung ist die Drain-Source-Strecke eines MOSFET-Transistors T1 geschaltet. Das Gate des MOSFET-Transistors T1 ist als Steuereingang nach außen geführt. Die Steuereingänge der Hilfselemente H sind in 1 mit Pfeilen angedeutet.In 2 an embodiment of an auxiliary element H is shown in detail. Accordingly, the auxiliary element H between input and output has a series connection of two oppositely poled Zener diodes Z 1 and Z 2 . Parallel to this series connection, the drain-source path of a MOSFET transistor T 1 is connected. The gate of the MOSFET transistor T 1 is guided as a control input to the outside. The control inputs of the auxiliary elements H are in 1 indicated by arrows.

Übersteigt die außen anliegende Spannung die Zenerspannung und die Durchlassspannung der Diode, leitet die Zenerdiode, und die Spannung wird auf die Zenerspannung begrenzt. Der Stromanstieg ist in diesem Bereich exponential zur Spannung. Werden Zenerdioden verwendet, bei denen die Elektroden direkt auf den Halbleiter-Kristall geführt sind, wird der Halbleiter-Kristall oberhalb einer kritischen Verlustleistung zerstört und es entsteht eine dauerhafte elektrische Verbindung (Durchlegierung). Dies entspricht dem obigen Fall 3. Für die obigen Fälle 1 und 2 kann beispielsweise über den Transistor T1 die jeweilige Zelle gesteuert kurzgeschlossen werden. Es sollte jedoch sichergestellt werden, dass die Kurzschlusszeit bis zum Auslösen der Sicherung F so kurz gehalten wird, dass von der Zelle keine Gefahr ausgeht. Die Sicherung F ist ein Trennelement und kann z. B. eine Schmelzsicherung, ein Halbleiterelement, ein elektromechanisches Trennelement oder eine Pyrosicherung sein.If the external voltage exceeds the zener voltage and the forward voltage of the diode, the zener diode conducts and the voltage is limited to the zener voltage. The current increase in this area is exponential to the voltage. If Zener diodes are used, in which the electrodes are guided directly onto the semiconductor crystal, the semiconductor crystal is destroyed above a critical power loss and a permanent electrical connection (alloying) results. This corresponds to the above case 3. For the above cases 1 and 2, for example, via the transistor T 1, the respective cell can be short-circuited controlled. However, it should be ensured that the short-circuit time until the release of the fuse F is kept so short that the cell poses no danger. The fuse F is a separator and can, for. Example, a fuse, a semiconductor element, an electromechanical separator or a pyrosicherung.

Durch die in dem obigen Ausführungsbeispiel dargestellte Batteriezellenanordnung bzw. deren Beschaltung führt der Ausfall einer oder mehrerer einzelner Zellen bzw. Module nicht zu einem Totalausfall der Traktionsbatterie. Außerdem verliert die Batterie nur ein n-tel ihrer Leistungsfähigkeit bei n Zellen. Insgesamt vermindert sich auch das Ausfallrisiko der Gesamtbatterie.By the battery cell assembly shown in the above embodiment or their wiring causes the failure of one or more individual Cells or modules not to a total failure of the traction battery. In addition, the battery loses only one nth of its efficiency at n cells. Overall, the default risk of the Total battery.

Des Weiteren kann bei Zellenausfall ein Service-Dienstleister ohne großen Komfortverlust und risikolos mit dem Fahrzeug angesteuert werden. Eine optionale zusätzliche Analyseschaltung könnte entscheiden, ob der Service kurzfristig, langfristig oder gar nicht notwendig ist. Eine entsprechende Implementierung kann im BMS (Batteriemanagementsystem) durch geeignete Algorithmen erfolgen. Insgesamt kann so eine Reduzierung von Fahrzeugausfällen erreicht werden, so dass eine Kostenreduzierung im Servicebereich sowie Ressourcenschonung erzielt werden kann.Of Further, cell failure can be a service provider without a major Loss of comfort and without risk be controlled by the vehicle. An optional additional analysis circuit could Decide if the service is short term, long term or not at all necessary is. A corresponding implementation can be found in the BMS (battery management system) done by suitable algorithms. Overall, such a reduction Of vehicle failures are achieved, so that a cost reduction in the Service area and resource conservation can be achieved.

Wie oben bereits angedeutet wurde, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung die Nutzungsdauer dieser Anordnung verlängert werden, da gegen Lebensdauerende vorzugsweise immer nur die schlechteste Zelle herausgeschaltet wird. Dies ist durch übliche Zellspannungsüberwachung detektierbar. Dadurch kann letztlich auch die Sicherheit im Fahrbetrieb erhöht werden, da Systemabschaltungen und gesamte Fahrzeugausfälle eher verhindert werden können.As has already been indicated above, can by the inventive Method or the battery cell arrangement according to the invention the useful life of this arrangement be extended as against End of life preferably always switched off only the worst cell becomes. This is by usual cell voltage monitoring detectable. As a result, ultimately, the safety during driving be increased because system shutdowns and overall vehicle failures rather can be prevented.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

  • B1, B2, ..., Bn B 1 , B 2 , ..., B n
    Batterienbatteries
    FF
    Sicherungfuse
    HH
    Hilfselementauxiliary member
    Z1, Z2 Z 1 , Z 2
    ZenerdiodenZener diodes
    T1 T 1
    MOSFET-TransistorMOSFET transistor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 6087035 A [0005] - US 6087035 A [0005]
  • - US 2002/0070707 A1 [0006] US 2002/0070707 A1 [0006]

Claims (5)

Batteriezellenanordnung mit – mehreren seriellen Zellen (B1, B2, ..., Bn), wobei – jede der Zellen eine eigene Bypasseinrichtung (H), mit der sie bei Ausfall überbrückt wird, aufweist und – jeder Zelle ein Sicherungselement (F) zugeordnet ist, um eine Zelle bei deren Ausfall von den übrigen Zellen abtrennen zu können, dadurch gekennzeichnet, dass – eine ausgefallene Zelle (B1, B2, ..., Bn) durch das Sicherungselement (F) nur dann abgetrennt wird, wenn der Energieinhalt der Zelle ein vorgegebenes Maß überschreitet.Battery cell arrangement with - a plurality of serial cells (B 1 , B 2 , ..., B n ), wherein - each of the cells has its own bypass device (H), with which it is bypassed in case of failure, and - each cell a fuse element (F ) is assigned, in order to be able to separate a cell from the remaining cells in the event of failure, characterized in that - a failed cell (B 1 , B 2 , ..., B n ) is only separated by the securing element (F) when the energy content of the cell exceeds a predetermined level. Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zelle (B1, B2, ..., Bn) durch die jeweilige Bypasseinrichtung (H) reversibel überbrückbar ist.Battery cell arrangement according to claim 1, characterized in that a cell (B 1 , B 2 , ..., B n ) by the respective bypass means (H) is reversibly bridged. Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Bypasseinrichtung (H) ein spannungsabhängiges Element aufweist, welches das Kurzschließen der zugeordneten Zelle bei Ausfall auslöst.Battery cell arrangement according to claim 1 or 2, characterized characterized in that each bypass device (H) is a voltage-dependent Has element that shorting the associated Cell triggers in case of failure. Batteriezellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Bypasseinrichtung (H) in Serie zwei entgegengesetzt gepolte Zenerdioden (Z1, Z2) und parallel zu dieser Serienschaltung einen Transistor (T1) aufweist.Battery cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that each bypass device (H) comprises in series two oppositely poled Zener diodes (Z 1 , Z 2 ) and, parallel to this series circuit, a transistor (T 1 ). Verfahren zum Betreiben einer Batteriezellenanordnung mit mehreren seriellen Zellen (B1, B2, ..., Bn) durch – Überbrücken einer der Zellen bei deren Ausfall und – Abtrennen der Zelle bei deren Ausfall von den übrigen Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass – die ausgefallene Zelle (B1, B2, ..., Bn) nur dann abgetrennt wird, wenn der Energieinhalt der Zelle ein vorgegebenes Maß überschreitet.Method for operating a battery cell arrangement with a plurality of serial cells (B 1 , B 2 ,..., B n ) by bridging one of the cells in the event of their failure and separating the cell in the event of its failure from the remaining cells, characterized in that the failed cell (B 1 , B 2 , ..., B n ) is separated only when the energy content of the cell exceeds a predetermined level.
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