DE102013204534A1 - Battery cell device with short 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 Überwachungsvorrichtung umfasst eine Sensorvorrichtung (240), eine Zustandsermittlungsvorrichtung (250), die dazu ausgebildet ist, anhand einer Auswertung von durch die Sensorvorrichtung bereitgestellten aktuellen Messwerten 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 Batteriezellzustand in einen sicheren Betriebsmodus zu überführen. Es wird vorzugsweise eine Kurzschlusssicherheitsfunktion (270) bereitstellt, mittels der durch die Zustandsermittlungsvorrichtung (250) ein kritischer Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle (21) durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschluss zwischen Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (21) beschädigt werden kann, ermittelt werden kann. Dabei kann die Batteriezelle (21) durch die Aktorvorrichtung (260) in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Kurzschlussbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle (21) keine Spannung an den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) abgibt, überführt oder gehalten werden.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 provided by the sensor device, and an actuator device (260) which is designed to convert the battery cell (21) from a critical battery cell state into a safe operating mode. A short-circuit safety function (270) is preferably provided, by means of which the condition determination device (250) can cause a critical battery cell state in which the battery cell (21) can be damaged by a short circuit between the output terminals (222, 223) of the battery cell device (21) located outside the battery cell, can be determined. The battery cell (21) can be transferred or held by the actuator device (260) into a short-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 1 ist das Prinzipschaltbild eines Batteriesystems 10 mit einer derartigen Traktionsbatterie 20 dargestellt. Die Batterie 20 umfasst mehrere Batteriezellen 21. Zur Vereinfachung der Darstellung aus der 1 wurden nur zwei Batteriezellen mit dem Bezugszeichen 21 versehen.In the 1 is the schematic diagram of a battery system 10 with such a traction battery 20 shown. The battery 20 includes several battery cells 21 , To simplify the illustration from the 1 were only two battery cells by the reference numeral 21 Mistake.

Die Batterie 20 ist aus zwei Batteriezellreihenschaltungen 22, 23 ausgebildet, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 21 umfassen. Die Batteriezellreihenschaltungen 22, 23 sind mit ihren Anschlüssen jeweils mit einem Batterieterminal 24, 25 sowie einem Anschluss eines Servicesteckers 30 verbunden. Das positive Batterieterminal 24 ist mit der Batterie 20 über eine Trenn- und Ladeeinrichtung 40 verbindbar, die einen Trennschalter 41 umfasst, der zu einer Reihenschaltung aus einem Ladeschalter 42 und einem Ladewiderstand 43 parallel geschaltet ist. Das negative Batterieterminal 25 ist mit der Batterie 20 über eine Trenneinrichtung 50 verbindbar, die einen weiteren Trennschalter 51 umfasst.The battery 20 is from two battery cell series circuits 22 . 23 formed, each having a plurality of battery cells connected in series 21 include. The battery cell series circuits 22 . 23 are with their connections each with a battery terminal 24 . 25 and a connection of a service connector 30 connected. The positive battery terminal 24 is with the battery 20 via a separating and charging device 40 connectable, which is a circuit breaker 41 comprising, connected to a series connection of a charging switch 42 and a charging resistor 43 is connected in parallel. The negative battery terminal 25 is with the battery 20 via a separating device 50 connectable, which is another disconnector 51 includes.

2 zeigt ein Diagramm 60, das die Fehlmechanismen von Lithium-Ionen-Batterien und deren Konsequenzen 62 stark schematisiert darstellt. Die dargestellten Fehlmechanismen können zu einem durch eine unzulässige Temperaturerhöhung 63 hervorgerufenen thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) 64 der Batteriezellen 21 führen. Bei Vorliegen eines thermischen Durchgehens 64 kann es zu einer Emittierung vom Gas 65, die beispielsweise beim Öffnen eines Berstventils als Folge eines erhöhten Batteriezellinnendruckes auftreten kann, zu einem Brennen 66 der Batteriezellen, oder im Extremfall sogar zu einem Bersten 67 der Batteriezellen 21 kommen. Daher muss das Auftreten eines thermischen Durchgehens 64 bei dem Einsatz von Batteriezellen 21 in Traktionsbatterien mit einer höchsten Wahrscheinlichkeit nahe 1 ausgeschlossen werden. 2 shows a diagram 60 that the fault mechanisms of lithium ion batteries and their consequences 62 is very schematic. The illustrated malfunction mechanisms can be caused by an inadmissible increase in temperature 63 induced thermal runaway (thermal runaway) 64 the battery cells 21 to lead. In the presence of a thermal runaway 64 There may be an issue from the gas 65 , which may occur, for example, when opening a burst valve as a result of increased battery cell internal pressure, to a burning 66 the battery cells, or even bursting in extreme cases 67 the battery cells 21 come. Therefore, the occurrence of thermal runaway must be 64 in the use of battery cells 21 be excluded in traction batteries with a high probability close to 1.

Ein thermisches Durchgehen 64 kann bei einem Überladen 70 einer Batteriezelle, als Folge einer Tiefenentladung 80 einer Batteriezelle 21 während des anschließenden Ladevorganges oder bei Vorliegen von unzulässig hohen Lade- und Entladeströmen der Batteriezelle 21, die beispielsweise bei Vorliegen eines externen Kurzschlusses 90 entstehen können, auftreten. Ferner kann ein thermisches Durchgehen 64 auch bei Vorliegen eines batteriezellinternen Kurzschlusses 100 auftreten, der beispielsweise als Folge einer starken mechanischen Krafteinwirkung während eines Unfalls 101 oder als Folge der Bildung von batteriezellinternen Dendriten 102 entstehen kann, die beispielsweise bei Vorliegen von zu hohen Ladeströmen bei tiefen Temperaturen entstehen können. Weiterhin kann ein thermisches Durchgehen 64 auch als Folge von batteriezellinternen Kurzschlüssen auftreten, die durch bei der Fertigung entstehende Verunreinigungen der Batteriezellen 21, insbesondere durch in den Batteriezellen 21 vorhandenen metallischen Fremdpartikeln 103, verursacht werden können. Auch kann ein thermisches Durchgehen 64 bei Vorliegen einer unzulässigen Erwärmung der Batteriezellen 21, die beispielsweise als Folge eines Fahrzeugbrandes entstehen kann, oder bei Vorliegen einer Überlastung 120 der Batteriezellen 21 auftreten.A thermal runaway 64 can be overcharged 70 a battery cell, as a result of a deep discharge 80 a battery cell 21 during the subsequent charging process or in the presence of impermissibly high charging and discharging currents of the battery cell 21 , for example, in the presence of an external short circuit 90 can arise, occur. Furthermore, a thermal runaway 64 even in the presence of a battery cell internal short circuit 100 occur, for example, as a result of a strong mechanical force during an accident 101 or as a result of the formation of battery cell internal dendrites 102 may arise, for example, in the presence of excessive charging currents at low temperatures. Furthermore, a thermal runaway 64 also occur as a result of battery cell internal short circuits caused by in the manufacturing impurities of the battery cells 21 , in particular by in the battery cells 21 existing metallic foreign particles 103 , can be caused. Also, a thermal runaway 64 in the presence of an impermissible heating of the battery cells 21 , which may arise, for example, as a result of a vehicle fire, or in the presence of an overload 120 the battery cells 21 occur.

Für Lithium-Ionen-Batteriezellen sind Sicherheitstests vorgeschrieben. Um die Batteriezellen 21 transportieren zu können, müssen beispielsweise UN Transport-Tests durchgeführt werden. Die Testergebnisse müssen gemäß den EUCAR Gefahrenstufen beziehungsweise Gefahrenlevel (EUCAR Hazard Levels) bewertet werden. Die Batteriezellen 21 müssen dabei vorgegebene Mindestsicherheitslevels einhalten. Um dies zu erreichen, werden in den Batteriezellen 21, die für den Einsatz in Traktionsbatterien ausgebildet sind, umfangreiche Zusatzmaßnahmen getroffen. Solche Zusatzmaßnahmen werden dadurch getroffen, dass sogenannte Sicherheitsvorrichtungen (Safety Devices) in den Batteriezellen integriert werden. Typischerweise werden die im Folgenden angegebenen Sicherheitsvorrichtungen integriert. For lithium-ion battery cells, safety tests are mandatory. To the battery cells 21 For example, UN transport tests must be carried out. The test results must be assessed according to the EUCAR Hazard Levels (EUCAR Hazard Levels). The battery cells 21 must comply with given minimum safety levels. To achieve this, are in the battery cells 21 , which are designed for use in traction batteries, taken extensive additional measures. Such additional measures are taken by integrating so-called safety devices in the battery cells. Typically, the safety devices listed below are integrated.

In einer Batteriezelle 21 wird eine Überladesicherheitsvorrichtung (Overcharge Safety Device (OSD)) integriert. Eine solche Überladesicherheitsvorrichtung bewirkt dass die Batteriezelle 21 bei einem Überladevorgang eine EUCAR Gefahrenstufe 4 nicht überschreitet. Der zulässige Bereich der Batteriezellspannung endet bei 4,2 V. Bei einem Überladevorgang baut die Batteriezelle 21 ab einer Batteriezellspannung von etwa 5 V einen so hohen Innendruck auf, das eine Membran der Überladesicherheitsvorrichtung nach außen gewölbt wird und die Batteriezelle 21 elektrisch kurzschließt. Als Folge davon wird die Batteriezelle 21 solange entladen, bis eine batteriezellinterne Sicherung aktiviert wird. Der Kurzschluss der Batteriezelle 21 zwischen den beiden Batteriezellterminals bleibt über die Überladesicherheitsvorrichtung erhalten.In a battery cell 21 becomes an Overcharge Safety Device (Overcharge Safety Device (OSD)). Such a Überladesicherheitsvorrichtung causes that the battery cell 21 during an overcharge, an EUCAR hazard level 4 does not exceed. The permissible range of the battery cell voltage ends at 4.2 V. During an overcharging process, the battery cell builds 21 from a battery cell voltage of about 5 V to such a high internal pressure, which is arched a membrane of the overcharge safety device to the outside and the battery cell 21 electrically shorts. As a result, the battery cell becomes 21 until a battery-internal fuse is activated. The short circuit of the battery cell 21 between the two battery cell terminals remains over the Überladesicherheitsvorrichtung.

In einer Batteriezelle 21 wird ferner eine Batteriezellsicherung (Cell Fuse) integriert. Diese in der Batteriezelle 21 integrierte Schmelzsicherung ist ein sehr wirksames Schutzinstrument auf Batteriezellebene, verursacht aber erhebliche Probleme bei der Verbau der Batteriezellen 21 in einer Serienschaltung eines Batteriemoduls beziehungsweise in einem Batteriesystem. Dort sind diese Maßnahmen eher kontraproduktiv. In a battery cell 21 Furthermore, a battery cell fuse (Cell Fuse) is integrated. This in the battery cell 21 Integrated fuse is a very effective battery cell level protection device, but causes considerable problems in the installation of the battery cells 21 in a series connection of a battery module or in a battery system. There, these measures are rather counterproductive.

In einer Batteriezelle 21 wird auch eine Nageleindringsicherheitsvorrichtung (Nail Penetration Safety Device (NDS)) integriert. Diese Nageleindringsicherheitsvorrichtung schützt die Batteriezelle 21, indem beim Eindringen eines Nagels in der Batteriezelle 21 ein definierter Kurzschlusspfad aufgebaut wird, der nicht zu einer starken lokalen Erwärmung der Batteriezelle im Bereich des Nageleintrittes führt, welche zu einem lokalen Schmelzen des vorhandenen Separators führen könnte.In a battery cell 21 Also, a Nail Penetration Safety Device (NDS) is integrated. This nail penetration safety device protects the battery cell 21 , by penetrating a nail in the battery cell 21 a defined short circuit path is established, which does not lead to a strong local heating of the battery cell in the area of the nail entry, which could lead to a local melting of the existing separator.

In einer Batteriezelle 21 wird auch eine Funktionssicherheitsschicht (Safety Function Layer (SFL)) integriert. Die Funktionssicherheitsschicht wird durch die keramische Beschichtung einer der beiden Elektroden, vorzugsweise durch die keramische Beschichtung der Anode, realisiert. Mittels der Funktionssicherheitsschicht kann bei einem Schmelzen des Separators ein flächiger Kurzschluss der Batteriezelle 21 und damit eine extrem schnelle Umsetzung der elektrischen Energie der Batteriezelle 21 in Verlustwärme verhindert werden. In a battery cell 21 A functional safety layer (SFL) is also integrated. The functional safety layer is realized by the ceramic coating of one of the two electrodes, preferably by the ceramic coating of the anode. By means of the functional safety layer, when the separator melts, a flat short-circuit of the battery cell can occur 21 and thus an extremely fast conversion of the electrical energy of the battery cell 21 be prevented in lost heat.

In einer Batteriezelle 21 wird ferner auch eine Stoßsicherheitsvorrichtung (Crush Safety Device) integriert. Die Stoßsicherheitsvorrichtung weist eine ähnliche Funktionsweise wie die Nageleindringsicherheitsvorrichtung auf. Bei einer starken mechanischen Deformation des Batteriezellgehäuse wird ein definierter Kurzschlusspfad in der Batteriezelle 21 bereitgestellt, der eine starke lokale Erwärmung der Batteriezelle 21 verhindert und dadurch die Sicherheit der Batteriezelle 21 erhöht.In a battery cell 21 Furthermore, a shock safety device (Crush Safety Device) is integrated. The shock safety device has a similar operation as the nail penetration safety device. With a strong mechanical deformation of the battery cell case becomes a defined short circuit path in the battery cell 21 provided a strong local heating of the battery cell 21 prevents and thereby the safety of the battery cell 21 elevated.

Bei den aktuell in der Entwicklung befindlichen Batteriezellen 21 sind insbesondere die Maßnahmen für die elektrische Sicherheit, die beispielsweise vor einem Überladen schützen oder einen Überstromschutz gewährleisten, mit erheblichem Aufwand verbunden. Diese Maßnahmen sind zudem nach dem Verbau einer Batteriezelle 21 in ein Batteriemodul beziehungsweise in ein Batteriesystem eher kontraproduktiv als sinnvoll. Beispielsweise kann bei einer Aktivierung der Schmelzsicherung einer Batteriezelle 21 die Situation entstehen, dass die Elektronik des vorhandenen Batteriemanagementsystems (BMS) sehr hohen negativen Spannungen ausgesetzt wird. Dadurch entsteht auf der Batteriesystemebene ein zusätzlicher Aufwand, der verursacht wird, weil die Transportvorschriften auf der Batteriezellebene erfüllt werden müssen, ohne dass ein Nutzen damit verbunden wäre. For the battery cells currently under development 21 In particular, the measures for electrical safety, for example, protect against overcharging or ensure overcurrent protection, associated with considerable effort. These measures are also after the installation of a battery cell 21 in a battery module or in a battery system rather counterproductive than useful. For example, upon activation of the fuse of a battery cell 21 The situation arises that the electronics of the existing battery management system (BMS) is exposed to very high negative voltages. This results in an additional effort on the battery system level, which is caused because the transport regulations must be met at the battery cell level without any benefit associated with it.

In der 3 ist das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems 10 dargestellt, das eine Traktionsbatterie 20 mit mehreren Batteriezellen 21 und ein Batteriemanagementsystem umfasst. Die Elektronik des Batteriemanagementsystem (BMS) weist eine dezentrale Architektur auf, bei der die aus der Überwachungselektronik (CSC Elektronik) der Batteriezellen 21 ausgebildeten Zellüberwachungseinheiten 130 als Satelliten ausgeführt sind, zum Überwachen des Funktionszustandes einer oder mehreren Batteriezellen 21 jeweils ausgebildet sind und über ein internes Bussystem 141 mit einem zentralen Batteriesteuergerät (BCU) 140 kommunizieren.In the 3 is the block diagram of a known from the prior art battery system 10 shown that a traction battery 20 with several battery cells 21 and a battery management system. The electronics of the battery management system (BMS) has a decentralized architecture in which the from the monitoring electronics (CSC electronics) of the battery cells 21 trained cell monitoring units 130 are designed as satellites, for monitoring the functional state of one or more battery cells 21 are each formed and via an internal bus system 141 with a central battery control unit (BCU) 140 communicate.

Die Elektronik des Batteriemanagementsystems, insbesondere die Überwachungselektronik der Batteriezellen 21, ist dabei erforderlich, um die Batteriezellen 21 vor den kritischen, in der 2 dargestellten Zuständen zu schützen, die zu einem thermischen Durchgehen führen können. In der Elektronik des Batteriemanagementsystems wird ein hoher Aufwand betrieben, um zum einen die Batteriezellen 21 vor einer Überlastung durch externe Ursachen, wie beispielsweise durch einen Kurzschluss in dem Inverter eines Elektroantriebes, zu schützen und zum anderen nicht durch eine Fehlfunktion der Elektronik des Batteriemanagementsystems, wie beispielsweise durch eine fehlerhafte Erfassung der Batteriezellspannungen durch die Zellüberwachungseinheiten 130, zu gefährden.The electronics of the battery management system, in particular the monitoring electronics of the battery cells 21 , is required to the battery cells 21 before the critical, in the 2 Protected states that can lead to a thermal runaway. In the electronics of the battery management system, a high effort is operated, on the one hand, the battery cells 21 to protect against overload by external causes, such as by a short circuit in the inverter of an electric drive, and not by a malfunction of the electronics of the battery management system, such as by a faulty detection of the battery cell voltages by the cell monitoring units 130 , to endanger.

So wie bei dem in der 1 dargestellten Batteriesystem 10 ist bei dem in der 3 dargestellten Batteriesystem 10 die Traktionsbatterie 20 mit einem positiven Batterieterminal 24 über eine Trenn- und Ladeeinrichtung 40 verbindbar und mit einem negativen Batterieterminal 25 über eine Trenneinrichtung 50 verbindbar. Für die Bezeichnung gleicher Komponenten der in den 1 und 3 dargestellten Batteriesysteme wurden hier gleiche Bezugszeichen verwendet.Just like the one in the 1 illustrated battery system 10 is in the in the 3 illustrated battery system 10 the traction battery 20 with a positive battery terminal 24 via a separating and charging device 40 connectable and with a negative battery terminal 25 via a separating device 50 connectable. For the designation of the same components in the 1 and 3 shown Battery systems have been given the same reference numerals.

Ferner ist das zentrale Batteriesteuergerät 140 dazu ausgebildet, den Trennschalter (Relais) 41 und den Ladeschalter (Relais) 42 der Trenn- und Ladeeinrichtung 40 anzusteuern. Das Ansteuern des Trennschalters 41 und des Ladeschalters 42 mittels des Batteriesteuergeräts 140 ist mit dem Pfeil 142 symbolisiert. Auch ist das zentrale Batteriesteuergerät 140 dazu ausgebildet, den weiteren Trennschalter (Relais) 51 der Trenneinrichtung 50 anzusteuern. Das Ansteuern des Trennschalters 51 mittels des Batteriesteuergeräts 140 ist mit dem Pfeil 143 symbolisiert.Further, the central battery control device 140 adapted to disconnect (relay) 41 and the charging switch (relay) 42 the separating and charging device 40 head for. The activation of the disconnector 41 and the charging switch 42 by means of the battery control device 140 is with the arrow 142 symbolizes. Also is the central battery control unit 140 adapted to the other disconnector (relay) 51 the separator 50 head for. The activation of the disconnector 51 by means of the battery control device 140 is with the arrow 143 symbolizes.

Das zentrale Batteriesteuergerät 140 ist jeweils über eine Hochvoltleitung 144, 145 mit einem jeweils anderen Batterieterminal 24, 25 verbunden. Ferner umfasst das zentrale Batteriesteuergerät 140 Stromsensoren 150, 160, die dazu ausgebildet sind, den durch die Traktionsbatterie 20 fließenden Strom zu messen. Das Batteriesteuergerät 140 kommuniziert auch mit einer Fahrzeugschnittstelle über einen CAN-Bus 146. Über den CAN-Bus können dem Batteriesteuergerät 140 Informationen über den Funktionszustand des Fahrzeuges bereitgestellt werden.The central battery control unit 140 is in each case via a high-voltage line 144 . 145 with a different battery terminal 24 . 25 connected. Furthermore, the central battery control device comprises 140 current sensors 150 . 160 that are designed by the traction battery 20 to measure flowing electricity. The battery control unit 140 also communicates with a vehicle interface via a CAN bus 146 , Via the CAN bus, the battery control unit can 140 Information about the functional state of the vehicle can be provided.

Mit einem Batteriemanagementsystem eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems wird angestrebt, die Sicherheit des Batteriesystems 10 so zu erhöhen, dass keine unzumutbare Gefährdung auftritt. Dabei werden gemäß der ISO 26262 hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit des Batteriemanagementsystems gestellt, da eine Fehlfunktion der Elektronik eine Gefährdung darstellen kann. Für Batteriemanagementsysteme in Elektrofahrzeugen und Steckdosenhybriden (Plug-in-Hybride) wird sich voraussichtlich eine Einstufung gemäß der Gefahrenstufe ASIL C etablieren, falls die Sicherheit der Batteriezellen 21 nicht signifikant erhöht werden kann.With a battery management system of a battery system known from the prior art is sought, the safety of the battery system 10 to increase so that no unreasonable risk occurs. It will be in accordance with the ISO 26262 high demands on the functional safety of the battery management system, as a malfunction of the electronics can pose a threat. For battery management systems in electric vehicles and plug-in hybrids (plug-in hybrids), a classification according to the danger level ASIL C is expected to establish if the safety of the battery cells 21 can not be significantly increased.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Batteriezelle bereitgestellt. Dabei umfasst die Überwachungsvorrichtung 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 bevorzugt eine Kurzschlusssicherheitsfunktion bereit, mittels der durch die Zustandsermittlungsvorrichtung ein kritischer Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschluss zwischen den Ausgangsterminals der Batteriezelleinrichtung beschädigt werden kann, ermittelt werden kann, wobei die Batteriezelle bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes durch die Aktorvorrichtung in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Kurzschlussbetriebsmodus, 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. In this case, the monitoring device comprises a sensor device for detecting a plurality of physical variables relating to the battery cell, a state determining device which is designed to detect 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 or predict and an actuator device configured to transfer 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 short-circuit safety function by means of which a critical battery cell state in which the battery cell can be damaged by a battery cell external short circuit between the Ausgangsterminals the battery cell device can be determined, the battery cell in the presence of the critical battery cell state by the Actuator in a designed as a safe operating mode short circuit operating mode in which the battery cell outputs no voltage at the Ausgangsterminals the battery cell device, transferred and / or can be held.

Erfindungsgemäß wird 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. Dabei wird bei Vorliegen eines kritischen und/oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes die Batteriezelle mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Aktorvorrichtung in einen sicheren Betriebsmodus überführt. Ferner wird von der Überwachungsvorrichtung bevorzugt eine Kurzschlusssicherheitsfunktion bereitgestellt, mittels der das Auftreten eines kritischen Batteriezellzustandes, in dem die Batteriezelle durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschlusses zwischen Ausgangsterminals der Batteriezelleinrichtung beschädigt werden kann, durch die Zustandsermittlungsvorrichtung ermittelt wird, wobei bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle durch die Aktorvorrichtung in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Kurzschlussbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle keine Spannung an den Ausgangsterminals der Batteriezelleinrichtung abgibt, überführt und/oder gehalten wird.According to the invention, a method is provided 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. In this case, when a critical and / or critical battery cell state is present, the battery cell is transferred into a safe operating mode by means of an actuator device arranged in the monitoring device. Furthermore, the monitoring device preferably provides a short-circuit safety function by means of which the occurrence of the critical battery cell state causes the battery cell to pass through the occurrence of a critical battery cell state in which the battery cell can be damaged by a battery cell external short circuit between Ausgangsterminals the battery cell device the actuator device in a designed as a safe operating mode short circuit operating mode in which the battery cell does not deliver voltage to the Ausgangsterminals the battery cell device, transferred and / or held.

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 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 an (electrically) 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 einer Sicherheitsaktorik (Aktorvorrichtung), mit der die Batteriezelle bei Erkennung eines kritisch werdenden Zustandes und/oder Betriebes der Batteriezelle bei Bedarf in einen sicheren Betriebsmodus 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 safe operating mode 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 Kurzschlusssicherheitsfunktion integriert, die bei Vorliegen eines kritischen oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes die Batteriezelle sofort in einen sicheren Betriebsmodus überführen. Die Kurzschlusssicherheitsfunktion wird dabei zum sicheren Betrieb einer Batteriezelle, bei dem ein externer beziehungsweise batteriezellextern liegenden Kurzschluss auftritt, eingesetzt und ist derartig konzipiert, dass die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle, die abhängig von dem Betriebszustand der Batteriezelle und den Umgebungsbedingungen ist, nicht beeinträchtigt wird.Furthermore, safety functions, in particular a short circuit safety function, are preferably integrated in the intrinsically safe battery cell, which immediately convert the battery cell into a safe operating mode in the presence of a critical or critical battery cell state. The short-circuit safety function is used for the safe operation of a battery cell in which an external or battery cell external short circuit occurs, and is designed such that the performance of the battery cell, which is dependent on the operating state of the battery cell and the ambient conditions is not affected.

Die Batteriezelle wird dann insbesondere in Verbindung mit der hier vorgestellten Kurzschlusssicherheitsfunktion so sicher ausgeführt, dass die Anforderungen an ein übergeordnetes Batteriemanagementsystem insbesondere bezüglich der Vermeidung einer Überlastung der Batteriezelle bei Vorliegen eines externen Kurzschlusses gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden können.The battery cell is then carried out so securely, in particular in connection with the short-circuit safety function presented here, that the requirements for a higher-level battery management system, in particular with regard to avoiding overloading the battery cell in the presence of an external short circuit over the prior art can be significantly reduced.

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. Insbesondere können Gefährdungen, wie sie bei beziehungsweise nach ersten Crashtests (Crash Tests) der aktuell in Serie eingeführten Steckdosenhybride (Plug-In-Hybrids) und Elektrofahrzeuge aufgetreten sind, vermieden werden. 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. In particular, hazards as they occurred during or after the first crash tests (crash tests) of the currently introduced in series plug-in hybrids (plug-in hybrids) and electric vehicles can be avoided.

Darüber hinaus können die heute durchgeführten, nicht zielführenden Maßnahmen für die elektrische Sicherheit der Batteriezelle, wie beispielsweise das Ausstatten 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 non-targeted measures taken today for the electrical safety of the battery cell, such as equipping the battery cell with an overcharge safety device (Overcharge Safety Device) or with 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 bevorzugt dazu ausgebildet, einen in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Strombypass zu aktivieren. Der Strombypass der dazu vorgesehen ist, 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. Also, the actuator device is preferably adapted to a To activate in the battery cell device arranged current bypass. The current bypass is provided to redirect in the activated state a current flowing between the battery cell terminals current over a battery cell external current path.

In der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung beziehungsweise Sensorik werden insbesondere die im Folgenden angegebenen Sensorelemente zur Erfassung des Batteriezustands eingesetzt.In the sensor device or sensor system according to the invention, in particular the sensor elements specified below are used for detecting 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 kann 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 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 bevorzugt alternativ oder zusätzlich Beschleunigungssensoren 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 alternatively or additionally acceleration sensors 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. 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 schnell entladen werden.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 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 quickly discharged 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, eine bevorzugt notwendige Bedingung.The possibility of discharging the battery cell is a preferred condition for the realization of an intrinsically safe battery cell, in particular a lithium-ion battery cell.

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 dieser 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 this current flowing through the electrochemical battery cell. The current bypass must be able to carry currents of both polarities.

Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Zustandsermittlungsvorrichtung dazu ausgebildet, den kritischen Batteriezellzustand, in dem die Batterie durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschlusses zwischen den Ausgangsterminals der Batteriezelle beschädigt werden kann, bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle fließenden Stromes, der für eine vorbestimmte Zeit einen vorbestimmten zeitabhängigen Stromgrenzwert, insbesondere einen vorbestimmten und mit zunehmender Betriebsdauer der Batteriezelle abnehmenden Stromgrenzwert, überschreitet, zu ermitteln. Vorzugsweise ist der vorbestimmte zeitabhängige Stromgrenzwert während des Betriebes der Batteriezelle in Abhängigkeit von weiteren Parametern, insbesondere in Abhängigkeit von dem Batteriezellladezustand und/oder von der Batteriezelltemperatur, einstellbar. Ferner ist die Aktorvorrichtung dazu ausgebildet, bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle mittels einer Aktivierung des Strombypasses in den Kurzschlussbetriebsmodus zu überführen.In a particular embodiment of the battery cell device according to the invention, the state detection device is adapted to the critical battery cell state in which the battery can be damaged by a battery cell outside lying short circuit between the Ausgangsterminals the battery cell, in the presence of a current flowing through the battery cell current for a predetermined time predetermined time-dependent current limit, in particular a predetermined and with increasing operating time of the battery cell decreasing current limit, exceeds to determine. Preferably, the predetermined time-dependent current limit value during operation of the battery cell in dependence on other parameters, in particular in dependence on the battery cell state of charge and / or on the battery cell temperature, adjustable. Furthermore, the actuator device is designed to convert the battery cell into the short-circuit operating mode by means of activation of the current bypass in the presence of the critical battery cell state.

Mit anderen Worten kann die erfindungsgemäße Kurzschlusssicherheitsfunktion zwei Teilfunktionen aufweisen, wobei die erste der zwei Teilfunktionen (Funktionsblöcke) der integrierten Kurzschlusssicherheitsfunktion eine Sicherungskennlinie I(t) umfasst, mit der ein Strom-Zeit-Auslöseverhalten realisiert werden kann. Überschreitet der Batteriezellstrom für eine gewisse Zeit einen Stromgrenzwert, der mit zunehmender Dauer abnimmt, wird ein Kurzschluss beziehungsweise ein Überstrom erkannt, und der Strombypass beziehungsweise die Strombypassfunktion wird aktiviert. Die Auslösekennlinie kann dabei beliebig vorgegeben werden, das heißt, dass insbesondere nicht auf die Eigenschaften einer Schmelzsicherung Rücksicht genommen werden muss. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. Zusätzlich kann die Auslösekennlinie bei Bedarf auch in Abhängigkeit von weiteren Parametern, wie beispielsweise dem Batterieladezustand und der Batteriezelltemperatur, während des Betriebs der Batteriezelle adaptiert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Kurzschlusssicherheitsfunktion die Batteriezelle hinsichtlich der Nutzung ihrer Leistungsfähigkeit nicht eingeschränkt wird. Das bedeutet, dass die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle durch die Kurzschlusssicherheitsfunktion nicht beeinträchtigt wird, da die vorhin genannte Sicherungskennlinie i(t) beliebig vorgegeben werden kann. Dabei müssen beispielsweise die Restriktionen einer Schmelzsicherung nicht in Kauf genommen werden.In other words, the short-circuit safety function according to the invention can have two sub-functions, wherein the first of the two sub-functions (function blocks) of the integrated short-circuit safety function comprises a safety characteristic I (t), with which a current-time tripping behavior can be realized. If the battery cell current exceeds a current limit value for a certain time, which decreases with increasing duration, a short circuit or an overcurrent is detected, and the current bypass or the current bypass function is activated. The tripping characteristic can be arbitrarily specified, that is, in particular, does not have to take into account the properties of a fuse. This represents a significant improvement over the prior art. In addition, the tripping characteristic can also be adapted as needed, depending on other parameters, such as the battery state of charge and the battery cell temperature, during operation of the battery cell. In this way it can be achieved that the short circuit safety function does not restrict the battery cell with regard to the use of its performance. This means that the performance of the battery cell is not impaired by the short-circuit safety function, since the aforementioned fuse characteristic i (t) can be specified as desired. In this case, for example, the restrictions of a fuse can not be accepted.

Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Zustandsermittlungsvorrichtung dazu ausgebildet, den kritischen Batteriezellzustand, in dem die Batterie durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschlusses zwischen den Ausgangsterminals der Batteriezelle beschädigt werden kann, bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle fließenden Stromes, der einen vorbestimmten Kurzschlussstromgrenzwertes übersteigt, und bei gleichzeitigem Vorliegen einer mittels einer Auswertung des zeitabhängigen Verlaufes und/oder der Zeitableitung des zeitabhängiges Verlaufes des durch die Batteriezelle fließenden Stromes bestimmten Änderungsgeschwindigkeit des durch die Batteriezelle fließenden Stromes, die einen vorbestimmten Stromänderungsgeschwindigkeitsgrenzwert übersteigt, zu ermitteln. In a particular embodiment of the battery cell device according to the invention, the state determination device is designed to prevent the critical battery cell state in which the battery can be damaged by a battery cell external short circuit between the output terminals of the battery cell in the presence of a current flowing through the battery cell, which exceeds a predetermined short-circuit current limit, and at the same time to determine a determined by means of an evaluation of the time-dependent course and / or the time derivative of the time-dependent course of the current flowing through the battery cell rate of change of the current flowing through the battery cell current exceeding a predetermined Stromänderungsgeschwindigkeitsgrenzwert.

Ferner kann die Zustandsermittlungsvorrichtung dazu ausgebildet sein, den kritischen Batteriezellzustand, in dem die Batterie durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschlusses zwischen den Ausgangsterminals der Batteriezelle beschädigt werden kann, bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle fließenden Stromes, der einen vorbestimmten Kurzschlussstromgrenzwert übersteigt, und bei gleichzeitigem Vorliegen einer mittels einer Auswertung des zeitabhängigen Verlaufes und/oder der Zeitableitung des zeitabhängiges Verlaufes des Batteriezellspannung bestimmten Batteriezellspannungsänderungsgeschwindigkeit, die einen vorbestimmten Spannungsänderungsgeschwindigkeitsgrenzwert übersteigt, zu ermitteln. Weiterhin ist die Aktorvorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle mittels einer Aktivierung des Strombypasses in den Kurzschlussmodus zu überführen.Furthermore, the state determining device may be configured to prevent the critical battery cell state, in which the battery can be damaged by a battery cell-external short circuit between the output terminals of the battery cell, in the presence of a current flowing through the battery cell, which exceeds a predetermined short-circuit current limit, and at the same time by means of an evaluation of the time-dependent course and / or the time derivative of the time-dependent course of the battery cell voltage determined battery cell voltage change rate, which exceeds a predetermined voltage change rate limit. Furthermore, the actuator device is preferably designed, in the presence of the critical battery cell state, to convert the battery cell into the short-circuit mode by means of activation of the current bypass.

Anders ausgedrückt realisiert eine zweite der zwei Teilfunktionen (Funktionsblöcke) der integrierten Kurzschlusssicherheitsfunktion optional eine zusätzliche Kurzschlusserkennung.In other words, a second of the two sub-functions (function blocks) of the integrated short-circuit safety function optionally implements an additional short-circuit detection.

Ausgehend von den zeitlichen Verläufen der Batteriezellspannung und des Batteriezellstroms sowie gegebenenfalls zusätzlich auch von den entsprechenden zeitlichen Ableitungen wird bevorzugt detektiert, ob eine plötzliche starke Änderung dieser Größen auftritt. Bei Vorliegen von sehr schnellen Änderungen dieser Größen und einer gleichzeitigen Überschreitung eines Stromgrenzwertes wird sofort auf einen externen Kurzschluss der Batteriezelle geschlossen und der Strombypass aktiviert. Diese zweite Teilfunktion der Kurzschlusssicherheitsfunktion ist insbesondere für sehr niederohmige elektrische Kurzschlüsse vorgesehen und ermöglicht gegebenenfalls eine schnellere Aktivierung des Strombypass, da aufgrund der Auswertung des Batteriezellstroms und des Batteriezellspannung die Kurzschlusssituation schneller plausibilisiert werden kann.Based on the temporal courses of the battery cell voltage and the battery cell current as well as optionally also on the corresponding time derivatives, it is preferably detected whether a sudden strong change of these quantities occurs. In the case of very rapid changes of these quantities and a simultaneous exceeding of a current limit value, an external short circuit of the battery cell is immediately closed and the current bypass activated. This second partial function of the short-circuit safety function is provided in particular for very low-resistance electrical short circuits and possibly enables a faster activation of the current bypass, since due to the evaluation of the battery cell current and the battery cell voltage, the short-circuit situation can be made more easily plausible.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Aktorvorrichtung dazu ausgebildet, die Entladevorrichtung zum Entladen der in den Kurzschlussbetriebsmodus überführten Batteriezelle zu aktivieren. Preferably, the actuator device according to the invention is designed to activate the discharge device for discharging the transferred to the short-circuit operating mode battery cell.

Mit der beschriebenen, insbesondere integrierten Kurzschlusssicherheitsfunktion kann eine erfindungsgemäße Batteriezelleinrichtung, insbesondere eine eigensichere Batteriezelle, alle erforderliche Maßnahmen, um die Batteriezelle gegenüber einem externen Kurzschluss hinsichtlich des Auftretens einer sicherheitskritischen Situation zu schützen, selbst durchführen und ist nicht auf die Funktionalität eines übergeordneten Batteriemanagementsystems angewiesen. Dies stellt in Verbindung mit der Flexibilität bei der Definition der beliebig vorgebbaren Sicherungskennlinie (Auslösekennlinie) i(t) der Kurzschlusssicherheitsfunktion eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. With the described, in particular integrated short circuit safety function, a battery cell device according to the invention, in particular an intrinsically safe battery cell, can perform all necessary measures to protect the battery cell against an external short circuit with regard to the occurrence of a safety critical situation, and is not on the Functionality of a higher-level battery management system instructed. This, in conjunction with the flexibility in the definition of the arbitrarily specifiable safety characteristic (tripping characteristic) i (t) of the short-circuit safety function, represents a considerable improvement over the prior art.

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.

Insbesondere umfasst da Verfahren dabei bevorzugt Schritte, bei denen ein Strombypass geschaltet wird, sobald ein Kurzschluss erkannt oder ein Batteriestrom oder Batteriezellstrom eine parameterabhängige Sicherungskennlinie überschreitet. In particular, the method preferably comprises steps in which a current bypass is switched as soon as a short circuit is detected or a battery current or battery cell current exceeds a parameter-dependent fuse characteristic.

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:

1 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer Traktionsbatterie, 1 the block diagram of a known from the prior art battery system with a traction battery,

2 ein Diagramm, dass die Fehlermechanismen einer aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen-Batterie darstellt, die zu einem thermischen Durchgehen dieser Lithium-Ionen-Batterie führen können, 2 FIG. 3 is a diagram illustrating the failure mechanisms of a prior art lithium-ion battery that may cause thermal cycling of this lithium-ion battery. FIG.

3 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer aus mehreren Batteriezellen ausgebildeten Traktionsbatterie und einem Batteriemanagementsystem, 3 3 is a block diagram of a battery system known from the prior art with a traction battery formed from a plurality of battery cells and a battery management system;

4 das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 4 the schematic diagram of a battery cell device according to a first embodiment of the invention,

5 ein Ablaufdiagramm einer modellbasierten Zustandsermittlung und Prädiktion, mit der die erfindungsgemäße Erkennung und/oder Vorhersage eines Batteriezellzustandes ausgeführt werden kann, nach einer Ausführungsform der Erfindung, und 5 a flowchart of a model-based state determination and prediction, with which the detection and / or prediction of a battery cell state according to the invention can be performed, according to an embodiment of the invention, and

6 ein Ablaufdiagramm einer Sicherheitsfunktionalität einer eigensicheren Batteriezelle, die mit der erfindungsgemäßen Kurzschlusssicherheitsfunktion ausgestattet ist. 6 a flowchart of a security functionality of an intrinsically safe battery cell, which is equipped with the short circuit safety function according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 4 ist das Prinzipschaltbild einer eigensicheren Batteriezelleinrichtung 221 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die elektrisch eigensichere Batteriezelleinrichtung 221 umfasst eine Batteriezelle 21, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, und eine Überwachungsvorrichtung (Überwachungselektronik) zum Überwachen der Batteriezelle 21. Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Sensorvorrichtung (Sensorik) 240 zur Erfassung physikalischer Größen zur Ermittlung des Zustandes der Batteriezelle, eine Zustandsermittlungsvorrichtung 250 (Batteriezellzustandserkennung und -Prädiktion), die aus den Sensorsignalen den aktuellen Batteriezellzustand 21 insbesondere hinsichtlich ihrer Sicherheit erkennt und auch das zukünftige Verhalten der Batteriezelle 21 vorhersagen beziehungsweise prädizieren kann, und eine Aktorvorrichtung (Sicherheitsaktorik) 260, mit der die Batteriezelle 21 beim Erkennen eines kritisch werdenden Batteriezellzustands in einen sicheren Betriebsmodus überführt werden kann.In the 4 is the schematic diagram of an intrinsically safe battery cell device 221 illustrated according to a first embodiment of the invention. The electrically intrinsically safe battery cell device 221 includes a battery cell 21 , in particular a lithium-ion battery cell, and a monitoring device (monitoring electronics) for monitoring the battery cell 21 , The monitoring device comprises a sensor device (sensor system) 240 for detecting physical quantities for determining the state of the battery cell, a state detecting device 250 (Battery cell state detection and prediction), which from the sensor signals the current battery cell state 21 especially in terms of their safety and also recognizes the future behavior of the battery cell 21 predict or predicate, and an actuator device (safety actuator) 260 with which the battery cell 21 upon detection of a critical battery cell state can be converted to a safe mode of operation.

Dabei ist die Sensorvorrichtung 240 dazu ausgebildet, die Batteriezellspannung zu erfassen und zu überwachen, und einen durch die Batteriezelle fließenden Strom, eine Batteriezelltemperatur, und einen Batteriezellinnendruck zu erfassen. Ferner ist die Sensorvorrichtung 240 dazu ausgebildet, eine lineare Beschleunigung und/oder eine Drehbeschleunigung der Batteriezelle 21 zu erfassen.In this case, the sensor device 240 configured to detect and monitor the battery cell voltage, and to detect a current flowing through the battery cell, a battery cell temperature, and a battery cell internal pressure. Furthermore, the sensor device 240 adapted to a linear acceleration and / or a rotational acceleration of the battery cell 21 capture.

In der Batteriezelleinrichtung 221 ist ferner eine Entladevorrichtung (nicht separat dargestellt) angeordnet, die mittels der die Aktorvorrichtung 260 aktiviert werden kann. Die Entladevorrichtung ist dazu vorgesehen ist, in einem aktivierten Entlademodus die Batteriezelle 21 mittels moderater Entladeströme und/oder in einem aktivierten Schnellentlademodus die Batteriezelle mittels hoher Entladeströme nahe dem Kurzschlussstrom zu entladen. In the battery cell device 221 Furthermore, a discharge device (not shown separately) is arranged, which by means of the actuator device 260 can be activated. The discharge device is intended, in an activated discharge mode, the battery cell 21 by means of moderate discharge currents and / or in an activated fast discharge mode to discharge the battery cell by means of high discharge currents near the short-circuit current.

Ferner sind in der Batteriezelleinrichtung 221 Sicherheitsfunktionen, insbesondere eine Kurzschlusssicherheitsfunktion 270 integriert, die von der Überwachungsvorrichtung bereitgestellt werden und die Batteriezelle 21 bei Vorliegen eines kritischen oder kritisch werdenden Batteriezellzustand sofort in einen sicheren Betriebsmodus überführen können. Mittels der Kurzschlusssicherheitsfunktion 270 kann die Batteriezelle 21 bei Vorliegen eines batteriezellextern liegenden Kurzschlusses in einen sicheren Kurzschlussbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle 21 zwischen ihren beiden Batteriezellterminals 222, 223 eine Spannung von 0 V abgibt, versetzt werden. Further, in the battery cell device 221 Safety functions, in particular a short-circuit safety function 270 integrated, which are provided by the monitoring device and the battery cell 21 in the event of a critical or critical battery cell state can be immediately transferred to a safe mode of operation. By means of the short circuit safety function 270 can the battery cell 21 in the presence of a battery cell external short circuit in a safe short circuit operating mode in which the battery cell 21 between their two battery cell terminals 222 . 223 a voltage of 0 V, be offset.

Wesentlich für die Kurzschlussfunktion ist, dass die Aktorvorrichtung (Aktorik) 260 den Strombypass aktivieren beziehungsweise schalten kann und dass die Batteriezelle 21 über die Entladevorrichtung (Discharge Device) entladen werden kann. Essential for the short-circuit function is that the Aktorvorrichtung (Aktorik) 260 can activate or switch the current bypass and that the battery cell 21 can be discharged via the discharge device (Discharge Device).

Optional umfasst die Überwachungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung 221 eine Spannungseinstellvorrichtung (Schaltaktorik) 280, die dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung der Batteriezelle 21 derartig zu schalten, dass die Batteriezelle 21 an den Batteriezellterminals 222, 223 die Batteriezellspannung in positiver Orientierung (+UBatteriezelle) oder keine Spannung (0V) oder die Batteriezellspannung in negativer Orientierung (–UBatteriezelle) abgeben kann. Einfach ausgedrückt kann die Ausgangsspannung der Batteriezelle 21 mittels der Spannungseinstellungsvorrichtung 280 auf die Spannungswerte +UBatteriezelle, 0V und gegebenenfalls auch noch –UBatteriezelle geschaltet werden.Optionally, the monitoring device comprises the battery cell device according to the invention 221 a tension adjusting device (switching actuator) 280 , which is adapted to the output voltage of the battery cell 21 to switch such that the battery cell 21 at the battery cell terminals 222 . 223 the battery cell voltage in positive orientation (+ U battery cell ) or no voltage (0V) or the battery cell voltage in negative orientation (-U battery cell) can deliver. Simply put, the output voltage of the battery cell 21 by means of the tension adjustment device 280 be switched to the voltage values + U battery cell, 0V and possibly also -U battery cell.

Bei der in der 4 dargestellten erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung 221, die, wenn die erfindungsgemäße Überwachungselektronik in der Batteriezelle 21 integriert wird, als eigensichere Batteriezelle bezeichnet wird, können die bisher eingesetzten Überladesicherheitsvorrichtungen (Overcharge Safety Devices (OSDs)) und Batteriezellsicherungen (Cell Fuses) entfallen und die zur Erhöhung der Sicherheit bei mechanischer Deformierung oder Penetration eingesetzten Maßnahmen wie beispielsweise das Ausstatten der Batteriezellen mit einer Nageleindringsicherheitsvorrichtung (Nail Penetration Safety Device (NSD)) entweder ebenfalls entfallen oder zumindest wesentlich einfacher ausgeführt werden, da deutlich geringere Anforderungen an diese Maßnahmen gestellt werden. Dies stellt gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Verbesserung dar. Die UN Transporttests werden für die erfindungsgemäße Batteriezelleinrichtung 221 beziehungsweise für die eigensichere Batteriezelle 21, das heißt für die Batteriezelle 21 mit der zugehörigen Sensorvorrichtung (Sensorik) 240 und Aktorvorrichtung (Sicherheitsaktorik) 250 durchgeführt. Die Batteriezelle 21 darf dann zusammen mit der dazugehörigen Sensorvorrichtung (Sensorik) 240 und Aktorvorrichtung (Sicherheitsaktorik) 250 transportiert werden. Das bedeutet, dass die Batteriezelle 21 nur als eine in der Batteriezelleinrichtung 221 angeordnete Batteriezelle 21 oder als eigensichere Batteriezelle mit integrierter Überwachungselektronik transportiert werden darf.When in the 4 illustrated battery cell device according to the invention 221 that, when the monitoring electronics according to the invention in the battery cell 21 is integrated, is referred to as intrinsically safe battery cell, the overcharge safety devices (OSDs) used previously and battery cell fuses (cell fuses) can be omitted and the measures used to increase the security of mechanical deformation or penetration measures such as equipping the battery cells with a Nageleindringsicherheitsvorrichtung (Nail Penetration Safety Device (NSD)) either also eliminated or at least made much easier, since much lower requirements are imposed on these measures. This represents a significant improvement over the prior art. The UN transport tests are for the battery cell device according to the invention 221 or for the intrinsically safe battery cell 21 that is for the battery cell 21 with the associated sensor device (sensors) 240 and actuator device (safety actuator) 250 carried out. The battery cell 21 may then together with the associated sensor device (sensors) 240 and actuator device (safety actuator) 250 be transported. That means the battery cell 21 only as one in the battery cell device 221 arranged battery cell 21 or may be transported as an intrinsically safe battery cell with integrated monitoring electronics.

Mit solchen erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen, die jeweils so wie die in der 4 dargestellten Batteriezelleinrichtung 221 ausgebildet sind, können Batteriesysteme aufgebaut werden, bei denen wesentlich geringere Anforderungen an das zugeordnete Batteriemanagementsystem gestellt werden. Die Elektronik eines solchen Batteriemanagementsystems kann dann voraussichtlich mit den üblichen Qualitätssicherungsmaßnahme entwickelt werden (ASIL-Einstufung QM) und muss nicht ASIL C erfüllen.With such battery cell devices according to the invention, each such as those in the 4 shown battery cell device 221 are formed, battery systems can be constructed in which much lower demands are placed on the associated battery management system. The electronics of such a battery management system can then probably be developed with the usual quality assurance measure (ASIL classification QM) and does not have to meet ASIL C.

Mit solchen erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen, die jeweils so wie die in der 4 dargestellten Batteriezelleinrichtung 221 ausgebildet sind, sind nicht auf den Einsatz von Lithium-Ionen-Batteriezellen 21 beschränkt und können auch für andere Batteriezelltechnologien, wie beispielsweise für Nickel-Metallhydrid-Batteriezellen, eingesetzt werden With such battery cell devices according to the invention, each such as those in the 4 shown battery cell device 221 are not trained on the use of lithium-ion battery cells 21 limited and can also be used for other battery cell technologies, such as nickel-metal hydride battery cells

In der 5 wird das Ablaufdiagramm einer modellbasierten Zustandsermittlung und -prädiktion gezeigt, mit der die erfindungsgemäße Erkennung und/oder Vorhersage eines Batteriezellzustandes ausgeführt werden kann. Die Zustandsermittlung 510 wird an einer Batterie 20 durchgeführt, in der eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen 221 angeordnet sein können. Die Zustandsermittlung 510 wird von der erfindungsgemäßen Zustandsermittlungsvorrichtung 250 durchgeführt, die als Beobachter fungiert und ein Batteriemodell 507 mit Parameteradaption implementiert. Wie in 5 gezeigt wird, erhält das Batteriemodell 507 aktuelle Messwerte von unterschiedlichen, die Batterie 20 betreffenden physikalischen Größen. Diese umfassen insbesondere einen aktuellen Batteriezellstrom IBatt, eine Batteriezelltemperatur TBatt, und einen Batteriezellinnendruck PBatt. Von der Zustandsermittlungsvorrichtung wird mit Hilfe des Batteriemodells 507 ein aktueller Batteriezustand ermittelt. Das Batteriemodell 507 und der daraus ermittelte Zustand werden laufend anhand von aktuellen Messwerten überprüft. So kann beispielsweise eine modellbasierten Batteriezellspannung UMod mit einer gemessenen aktuellen Batteriespannung UBatt verglichen werden. Anhand des Vergleichs und einer dabei festgestellten Abweichung kann das angewandte Batteriemodell 507 entsprechend angepasst werden. In the 5 the flowchart of a model-based state determination and prediction is shown, with which the detection and / or prediction of a battery cell state according to the invention can be performed. The state determination 510 gets on a battery 20 performed in which a plurality of battery cell devices according to the invention 221 can be arranged. The state determination 510 is by the state detection device according to the invention 250 which acts as an observer and a battery model 507 implemented with parameter adaptation. As in 5 is shown receives the battery model 507 current readings of different, the battery 20 relevant physical quantities. These include in particular a current battery cell current I Batt , a battery cell temperature T Batt , and a battery cell internal pressure P Batt . The state determination device uses the battery model 507 a current battery condition determined. The battery model 507 and the condition determined from this are constantly checked on the basis of current measured values. For example, a model-based battery cell voltage U Mod can be compared with a measured current battery voltage U Batt . Based on the comparison and a detected deviation, the applied battery model 507 be adjusted accordingly.

Das Batteriemodell liefert außerdem Einschätzungen oder berechnete Werte über einen Ladezustand (SOC) 501, einen Alterungszustand (SOH) 502, und einen Sicherheitszustand 503, die zur Verarbeitung im Rahmen der Batteriezustandsprädiktion 511 als Eingangsgrößen an ein weiteres Batteriemodell 509 mit Zustandsprädiktion übergeben werden. Die Batteriezustandsprädiktion erhält ferner weitere, für die Genauigkeit der Vorhersage relevante Informationen 508, die insbesondere Lastprofile und Randbedingungen umfassen. Beispielsweise können die Informationen gespeicherte Werte mit dem zeitlichen Verlauf eines Ladestroms I(t) enthalten, die als weiterer Parameter in das weitere Batteriemodell 509 einfließen. Mit Hilfe des weiteren Batteriemodells 509 werden daraufhin die Eingangsdaten 501, 502, 503, I(t) verarbeitet und Vorhersagen ausgegeben. Insbesondere werden Vorhersagen über die Batterieleistung 504 über die in der Batterie 20 gespeicherte Energie 505, den Funktionszustand (SOF) 506 der Batterie 20, und/oder den vorhersehbaren Sicherheitszustand 503 der Batterie 20 getroffen. Auf diese Weise können der vorhersehbare Sicherheitszustand 512 oder der aktuelle Sicherheitszustand 503 Aufschluss darüber geben, ob ein normaler Betriebszustand der Batterie 20 vorliegt, oder ob sich die Batterie 20 in einem kritischen Zustand befindet. The battery model also provides estimates or calculated values of state of charge (SOC) 501 , an aging condition (SOH) 502 , and a security condition 503 for processing in the context of battery condition prediction 511 as input to another battery model 509 be passed with state prediction. The battery state prediction also receives additional information relevant to the accuracy of the prediction 508 , which include in particular load profiles and boundary conditions. For example, the information may contain stored values with the time profile of a charging current I (t), which as another parameter in the further battery model 509 incorporated. With the help of the further battery model 509 will then be the input data 501 . 502 . 503 , I (t) processed and Predictions issued. In particular, predictions about battery performance are made 504 about in the battery 20 stored energy 505 , the functional state (SOF) 506 the battery 20 , and / or the predictable safety condition 503 the battery 20 met. In this way, the predictable security state 512 or the current security status 503 Provide information about whether a normal operating condition of the battery 20 present, or if the battery 20 is in a critical condition.

In der 6 ist ein Ablaufdiagramm einer Sicherheitsfunktionalität einer eigensicheren Batteriezelle 21 gezeigt, die mit der erfindungsgemäßen Kurzschlusssicherheitsfunktion 270 ausgestattet ist. Die Kurzschlusssicherheitsfunktion 270 umfasst Mittel und Maßnahmen zum Schutz der Batteriezelle 21 vor einem externen Kurzschluss und weist nach in der in 6 gezeigten Ausführungsform zwei Teilfunktionen 601, 602 auf. Die erste Teilfunktion 601 beziehungsweise ein erster Funktionsblock 601 umfasst die Berücksichtigung einer oder mehrerer Sicherungskennlinien 604, womit ein Strom-Zeit-Auslöseverhalten realisiert werden kann. Überschreitet der Zellstrom I(t) für eine gewisse Zeit einen Grenzwert, der mit zunehmender Dauer abnimmt, so wird erfindungsgemäß ein Kurzschluss beziehungsweise ein Überstrom erkannt, woraufhin eine Strombypassfunktion 603 aktiviert wird. Die jeweilige Sicherungskennlinie 604 beziehungsweise Auslösekennlinie 604 kann dabei beliebig vorgegeben werden, wobei insbesondere nicht auf die Eigenschaften einer Schmelzsicherung Rücksicht genommen werden muss. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. Zusätzlich kann die Sicherungskennlinie 604 bei Bedarf während des Betriebs der Batteriezelle 21 auch adaptiert werden, vorzugsweise in Abhängigkeit von weiteren Parametern, wie beispielsweise einem Ladezustand SOC oder der Temperatur T der Batteriezelle 21, wie aus der in 6 gezeigten Schar von Sicherungskennlinien 604 ersichtlich. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Kurzschlusssicherheitsfunktion 270 hinsichtlich der Nutzung ihrer Leistungsfähigkeit während des Betriebs nicht einschränkt.In the 6 is a flowchart of a safety functionality of an intrinsically safe battery cell 21 shown with the short-circuit safety function according to the invention 270 Is provided. The short circuit safety function 270 includes means and measures to protect the battery cell 21 in front of an external short circuit and points in the in 6 shown embodiment, two sub-functions 601 . 602 on. The first part function 601 or a first functional block 601 includes the consideration of one or more safety characteristics 604 , whereby a current-time tripping behavior can be realized. Exceeds the cell current I (t) for a certain time a limit, which decreases with increasing duration, so according to the invention, a short circuit or an overcurrent is detected, whereupon a current bypass function 603 is activated. The respective fuse characteristic 604 or tripping characteristic 604 can be arbitrarily specified, in particular, does not have to take into account the properties of a fuse. This represents a significant improvement over the prior art. In addition, the fuse characteristic 604 if necessary during operation of the battery cell 21 also be adapted, preferably in dependence on other parameters, such as a state of charge SOC or the temperature T of the battery cell 21 , as from the in 6 shown crowd of fuse characteristics 604 seen. In this way it can be achieved that the short circuit safety function 270 does not restrict their use during operation.

Die zweite Teilfunktion 602 beziehungsweise ein zweiter Funktionsblock 602 realisiert zusätzlich optional eine Kurzschlusserkennung. Dazu wird ausgehend von den zeitlichen Verläufen der Batteriezellspannung U(t) und des durch die Batteriezelle 21 fließenden Stroms I(t) sowie gegebenenfalls zusätzlich der zeitlichen Ableitungen der Batteriezellspannung dU(t)/dt und des Batteriezellestroms dI(t)/dt detektiert, ob eine plötzliche starke Änderung dieser Größen U(t), I(t) auftritt. Bei sehr schnellen Änderungen dieser Größen U(t), I(t) und gleichzeitiger Überschreitung eines Stromgrenzwertes kann sofort auf einen Kurzschluss der Batteriezelle geschlossen werden und der Strombypass 603 aktiviert werden. Diese Funktion ist insbesondere für sehr niederohmige elektrische Kurzschlüsse vorgesehen und ermöglicht gegebenenfalls eine schnellere Aktivierung des Strombypass 603, da aufgrund der Auswertung von Batteriezellstrom I(t) und Batteriezellspannung U(t) die Kurzschlusssituation schneller plausibilisiert werden kann.The second subfunction 602 or a second functional block 602 additionally implements a short-circuit detection. For this purpose, starting from the temporal courses of the battery cell voltage U (t) and that through the battery cell 21 flowing current I (t) and optionally additionally the time derivatives of the battery cell voltage dU (t) / dt and the battery cell current dI (t) / dt detects whether a sudden strong change of these quantities U (t), I (t) occurs. In the case of very rapid changes of these variables U (t), I (t) and simultaneous exceeding of a current limit value, a short-circuit of the battery cell can be immediately concluded and the current bypass 603 to be activated. This function is intended especially for very low-resistance electrical short circuits and possibly enables a faster activation of the current bypass 603 because due to the evaluation of battery cell current I (t) and battery cell voltage U (t), the short-circuit situation can be made more plausible more quickly.

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 1.8V and 4.15V Values, however, do not refer to the open circuit 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 1 bis 6 Bezug genommen.In addition to the above written disclosure is hereby further disclosure of the invention supplementary to the representation in the 1 to 6 Referenced.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • ISO 26262 [0019] ISO 26262 [0019]

Claims (10)

Batteriezelleinrichtung (221) mit einer Batteriezelle (21) und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Batteriezelle (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung eine Sensorvorrichtung (240) zur Erfassung von mehreren die Batteriezelle (21) betreffenden physikalischen Größen, eine Zustandsermittlungsvorrichtung (250), die dazu ausgebildet ist, anhand einer insbesondere modellbasierten Auswertung von durch die Sensorvorrichtung bereitgestellten aktuellen Messwerten der 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, umfasst und vorzugsweise eine Kurzschlusssicherheitsfunktion (270) bereitstellt, mittels der durch die Zustandsermittlungsvorrichtung (250) ein kritischer Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle (21) durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschluss zwischen Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (21) beschädigt werden kann, ermittelt werden kann und die Batteriezelle (21) bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes durch die Aktorvorrichtung (260) in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Kurzschlussbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle (21) keine Spannung an den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) abgibt, überführt und/oder gehalten wird. Battery cell device ( 221 ) with a battery cell ( 21 ) and a monitoring device for monitoring the battery cell ( 21 ), characterized in that the monitoring device comprises a sensor device ( 240 ) for detecting a plurality of the battery cell ( 21 ), a state determining device ( 250 ), which is designed to recognize and / or predict a current and / or future battery cell state based on a particularly model-based evaluation of current measured values of the physical quantities provided by the sensor device, and an actuator device ( 260 ), which is adapted to the battery cell ( 21 ) from a critical and / or critical battery cell state to a safe operating mode and / or to hold, and preferably comprises a short circuit safety function ( 270 provided by the state determining device ( 250 ) a critical battery cell state in which the battery cell ( 21 ) by a battery cell external short circuit between output terminals ( 222 . 223 ) of the battery cell device ( 21 ) can be damaged, can be determined and the battery cell ( 21 ) in the presence of the critical battery cell state by the actuator device ( 260 ) in a short-circuit operating mode designed as a safe operating mode, in which the battery cell ( 21 ) no voltage at the output terminals ( 222 . 223 ) of the battery cell device ( 221 ), transferred and / or held. Batteriezelleinrichtung (221) nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung (240) dazu ausgebildet ist, die Batteriezellspannung zu erfassen und/oder das Vorliegen einer Batteriezellspannung, deren Betrag sich in einem vorbestimmten Batteriezellspannungsbereich befindet, zu überwachen, und/oder einen durch die Batteriezelle (21) fließenden Strom und/oder eine Batteriezelltemperatur und/oder eine Batteriezellinnentemperatur, insbesondere eine Batteriezellwickeltemperatur und/oder eine Batteriezellaußentemperatur, und/oder einen Batteriezellinnendruck zu erfassen und/oder eine lineare Beschleunigung der Batteriezelle und/oder eine Drehbeschleunigung der Batteriezelle zu erfassen und/oder die Aktorvorrichtung (260) dazu ausgebildet ist, zum Überführen der Batteriezelle (21) in den sicheren Betriebsmodus und/oder zum Halten der Batteriezelle (21) in dem sicheren Betriebsmodus eine in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordnete Entladevorrichtung zu aktivieren, die dazu vorgesehen ist, in einem aktivierten Entlademodus die Batteriezelle (21) mittels eines vorbestimmten Entladestroms und/oder in einem aktivierten Schnellentlademodus die Batteriezelle (21) mittels eines Entladestroms, der einen vorbestimmten Bruchteil eines Kurzschlussstromes der Batteriezelle (21) beträgt, zu entladen, und/oder einen in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordneten Strombypass (603) zu aktivieren, der dazu vorgesehen ist, im aktivierten Zustand einen zwischen den Batteriezellterminals (222, 223) fließenden Strom über einen batteriezellextern liegenden Strompfad umzuleiten. Battery cell device ( 221 ) according to claim 1, wherein the sensor device ( 240 ) is adapted 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, and / or by the battery cell ( 21 ) and / or a battery cell temperature and / or a battery cell temperature, in particular a battery cell winding temperature and / or a battery cell outside temperature, and / or a battery cell internal pressure to detect and / or a linear acceleration of the battery cell and / or a rotational acceleration of the battery cell to detect and / or the actuator device ( 260 ) is adapted to transfer the battery cell ( 21 ) into the safe operating mode and / or to hold the battery cell ( 21 ) in the safe operating mode a in the battery cell device ( 221 ) arranged to enable discharging device, which is provided, in an activated discharge mode, the battery cell ( 21 ) by means of a predetermined discharge current and / or in an activated fast discharge mode, the battery cell ( 21 ) by means of a discharge current which is a predetermined fraction of a short-circuit current of the battery cell ( 21 ), and / or one in the battery cell device ( 221 ) arranged current bypass ( 603 ), which is intended, when activated, to switch between the battery cell terminals ( 222 . 223 ) to redirect current flowing through a battery cell external lying current path. Batteriezelleinrichtung (221) nach Anspruch 2, wobei die Zustandsermittlungsvorrichtung (250) dazu ausgebildet ist, den kritischen Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle (21) durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschlusses zwischen den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleeinrichtung (221) beschädigt werden kann, bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle (21) fließenden Stromes, der für eine vorbestimmte Zeit einen vorbestimmten zeitabhängigen Stromgrenzwert, insbesondere einen vorbestimmten und mit zunehmender Betriebsdauer der Batteriezelle (21) abnehmenden Stromgrenzwert und/oder einen vorbestimmten zeitabhängigen Stromgrenzwert, der in Abhängigkeit von weiteren Parametern, insbesondere in Abhängigkeit von dem Batteriezellladezustand und/oder Batteriezelltemperatur, während des Betriebes der Batteriezelle (21) einstellbar ist, überschreitet, zu ermitteln und/oder die Aktorvorrichtung (260) dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle (21) mittels einer Aktivierung des Strombypasses (603) in den Kurzschlussbetriebsmodus zu überführen. Battery cell device ( 221 ) according to claim 2, wherein the state determining device ( 250 ) is adapted to the critical battery cell state in which the battery cell ( 21 ) by a battery cell external short circuit between the output terminals ( 222 . 223 ) of the battery cell device ( 221 ), in the presence of a through the battery cell ( 21 ) flowing current for a predetermined time a predetermined time-dependent current limit, in particular a predetermined and with increasing operating time of the battery cell ( 21 ) decreasing current limit value and / or a predetermined time-dependent current limit value which depends on further parameters, in particular as a function of the battery cell charge state and / or battery cell temperature, during operation of the battery cell ( 21 ) is adjustable, exceeds, to determine and / or the Aktorvorrichtung ( 260 ) is designed, in the presence of the critical battery cell state, the battery cell ( 21 ) by means of activation of the current bypass ( 603 ) into the short circuit operating mode. Batteriezelleinrichtung (221) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Zustandsermittlungsvorrichtung (250) dazu ausgebildet ist, den kritischen Batteriezellzustand, in dem die Batteriezelle (21) durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschlusses zwischen den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) beschädigt werden kann, bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle (21) fließenden Stromes, der einen vorbestimmten Kurzschlussstromgrenzwert übersteigt, und bei gleichzeitigen Vorliegen einer mittels einer Auswertung des zeitabhängigen Verlaufes und/oder der Zeitableitung des zeitabhängiges Verlaufes des durch die Batteriezelle (21) fließenden Stromes bestimmten Änderungsgeschwindigkeit des durch die Batteriezelle (21) fließenden Stromes, die einen vorbestimmten Stromänderungsgeschwindigkeitsgrenzwert übersteigt, und/oder einer mittels einer Auswertung des zeitabhängigen Verlaufes und/oder der Zeitableitung des zeitabhängiges Verlaufes des Batteriezellspannung bestimmten Batteriezellspannungsänderungsgeschwindigkeit, die einen vorbestimmten Spannungsänderungsgeschwindigkeitsgrenzwert übersteigt, zu ermitteln.Battery cell device ( 221 ) according to one of claims 2 or 3, wherein the state determining device ( 250 ) is adapted to the critical battery cell state in which the battery cell ( 21 ) by a battery cell external short circuit between the output terminals ( 222 . 223 ) of the battery cell device ( 221 ), in the presence of a through the battery cell ( 21 ) flowing current, which exceeds a predetermined short-circuit current limit, and in the simultaneous presence of an evaluation of the time-dependent course and / or the time derivative of the time-dependent course of the battery cell ( 21 ) flowing current determined rate of change of the battery cell ( 21 ) flowing current exceeding a predetermined Stromungsungsgeschwindigkeitsgrenzwert, and / or by means of an evaluation of the time-dependent course and / or the time derivative of the time-dependent course of the battery cell voltage determined battery cell voltage change rate, which exceeds a predetermined voltage change rate limit. Batteriezelleinrichtung (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktorvorrichtung (260) dazu ausgebildet ist, die Entladevorrichtung zum Entladen der die in den Kurzschlussbetriebsmodus überführte Batteriezelle (21) zu aktivieren. Battery cell device ( 221 ) according to one of the preceding claims, wherein the actuator device ( 260 ) is adapted to the unloading device for unloading the in the Short circuit operating mode transferred battery cell ( 21 ) to activate. Verfahren zum Überwachen einer in einer Batteriezelleinrichtung (221) angeordneten Batteriezelle (21) mittels einer in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordneten Überwachungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere physikalische Größen zum Ermitteln eines Batteriezellzustandes mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Sensorvorrichtung (240) erfasst werden, ein aktueller und/oder künftiger Batteriezellzustand mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Zustandsermittlungsvorrichtung (250) anhand einer insbesondere modelbasierten Auswertung der von der Sensorvorrichtung (240) bereitgestellten aktuellen Messwerte der physikalischen Größen erkannt und/oder vorhergesagt wird, bei Vorliegen eines kritischen und/oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes die Batteriezelle (21) mittels einer in der Überwachungsvorrichtung angeordneten Aktorvorrichtung (260) in einen sicheren Betriebsmodus überführt wird, und von der Überwachungsvorrichtung vorzugsweise eine Kurzschlusssicherheitsfunktion (270) bereitgestellt wird, mittels der das Auftreten eines kritischen Batteriezellzustandes, in dem die Batteriezelle (21) durch einen batteriezellextern liegenden Kurzschluss zwischen Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) beschädigt werden kann, durch die Zustandsermittlungsvorrichtung (250) ermittelt wird, und bei Vorliegen des kritischen Batteriezellzustandes die Batteriezelle (21) durch die Aktorvorrichtung (260) in einen als sicheren Betriebsmodus ausgelegten Kurzschlussbetriebsmodus, in dem die Batteriezelle (21) keine Spannung an den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) abgibt, überführt und/oder gehalten wird.Method for monitoring a battery cell device ( 221 ) arranged battery cell ( 21 ) by means of a in the battery cell device ( 221 ) arranged monitoring device, characterized in that a plurality of physical quantities for determining a battery cell state by means of a monitoring device arranged in the sensor device ( 240 ), a current and / or future battery cell state by means of a condition-determining device arranged in the monitoring device ( 250 ) based on a particular model-based evaluation of the sensor device ( 240 ) detected and / or predicted, in the presence of a critical and / or critical battery cell state, the battery cell ( 21 ) by means of an actuator device arranged in the monitoring device ( 260 ) is transferred into a safe operating mode, and preferably a short-circuit safety function ( 270 ) by means of which the occurrence of a critical battery cell state in which the battery cell ( 21 ) by a battery cell external short circuit between output terminals ( 222 . 223 ) of the battery cell device ( 221 ) can be damaged by the condition-determining device ( 250 ) is determined, and in the presence of the critical battery cell state, the battery cell ( 21 ) by the actuator device ( 260 ) in a short-circuit operating mode designed as a safe operating mode, in which the battery cell ( 21 ) no voltage at the output terminals ( 222 . 223 ) of the battery cell device ( 221 ), transferred and / or held. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Auftreten eines batteriezellextern liegenden Kurzschlusses zwischen den Ausgangsterminals (222, 223,) der Batteriezelleinrichtung (221) bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle (21) fließenden und mittels der Sensorvorrichtung (240) erfassten Stromes, der für eine vorbestimmte Zeit einen vorbestimmten zeitabhängigen Stromgrenzwert, insbesondere einen vorbestimmten und mit zunehmender Betriebsdauer der Batteriezelle (21) abnehmenden Stromgrenzwert und/oder einen vorbestimmten zeitabhängigen Stromgrenzwert, der in Abhängigkeit von weiteren Parametern, insbesondere in Abhängigkeit von dem Batteriezellladezustand (SOC) und/oder Batteriezelltemperatur (T), während des Betriebes der Batteriezelle (21) einstellbar ist, überschreitet, mittels der Zustandsermittlungsvorrichtung (250) erkannt wird.Method according to claim 6, wherein the occurrence of a battery cell external short circuit between the output terminals ( 222 . 223 ,) of the battery cell device ( 221 ) in the presence of a through the battery cell ( 21 ) and by means of the sensor device ( 240 ) detected current, which for a predetermined time a predetermined time-dependent current limit, in particular a predetermined and with increasing operating time of the battery cell ( 21 ) decreasing current limit value and / or a predetermined time-dependent current limiting value which depends on further parameters, in particular as a function of the battery cell charge state (SOC) and / or battery cell temperature (T), during operation of the battery cell ( 21 ) is adjustable, by means of the state determining device ( 250 ) is recognized. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Auftreten eines batteriezellextern liegenden Kurzschlusses zwischen den Ausgangsterminals (222, 223) der Batteriezelleinrichtung (221) bei Vorliegen eines durch die Batteriezelle (21) fließenden und mittels der Sensorvorrichtung (240) erfassten Stromes, der eine einen vorbestimmten Kurzschlussstromgrenzwertes übersteigt, und bei gleichzeitigen Vorliegen einer mittels einer Auswertung des zeitabhängigen Verlaufes und/oder der Zeitableitung des zeitabhängiges Verlaufes des durch die Batteriezelle (21) fließenden Stromes ermittelten Änderungsgeschwindigkeit des durch die Batteriezelle (21) fließenden Stromes, der einen vorbestimmten Stromänderungsgeschwindigkeitsgrenzwert übersteigt, und/oder einer mittels einer Auswertung des zeitabhängigen Verlaufes und/oder der Zeitableitung des zeitabhängiges Verlaufes des mittels der Sensorvorrichtung (240) erfassten Batteriezellspannung ermittelten Batteriezellspannungsänderungsgeschwindigkeit, die einen vorbestimmten Spannungsänderungsgeschwindigkeitsgrenzwert übersteigt, mittels der Zustandsermittlungsvorrichtung ermittelt wird.Method according to one of claims 6 or 7, wherein the occurrence of a battery cell external short circuit between the output terminals ( 222 . 223 ) of the battery cell device ( 221 ) in the presence of a through the battery cell ( 21 ) and by means of the sensor device ( 240 ) detected current, which exceeds a predetermined short-circuit current limit, and in the simultaneous presence of an evaluation of the time-dependent course and / or the time derivative of the time-dependent course of the battery cell ( 21 ) flowing current determined rate of change of the battery cell ( 21 ) flowing current, which exceeds a predetermined Stromänderungsgeschwindigkeitsgrenzwert, and / or by means of an evaluation of the time-dependent course and / or the time derivative of the time-dependent course of the means of the sensor device ( 240 ) detected battery cell voltage detected battery cell voltage change rate, which exceeds a predetermined voltage change speed limit, is determined by means of the state determining device. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die in den Kurzschlussbetriebsmodus überführte Batteriezelle (21) über eine in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordnete und mittels der Aktorvorrichtung (260) aktivierten Entladevorrichtung entladen wird.Method according to one of claims 6 to 8, wherein the transferred into the short-circuit operating mode battery cell ( 21 ) via a in the battery cell device ( 221 ) and by means of the actuator device ( 260 ) activated unloading device is discharged. Fahrzeug mit einem Batteriesystem, das eine Batterie mit mehreren Batteriezelleinrichtungen (221) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und ein Batteriemanagementsystem, das dazu ausgebildet ist, mit den in den Batteriezelleinrichtungen (221) angeordneten Überwachungsvorrichtungen zu kommunizieren, umfasst.Vehicle having a battery system that includes a battery having a plurality of battery cell devices ( 221 ) according to one of claims 1 to 5 and a battery management system, which is designed with the in the battery cell devices ( 221 ) to communicate arranged monitoring devices comprises.
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Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3166172A1 (en) * 2015-11-05 2017-05-10 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Battery cell with a fast discharging unit and fast discharging method for such a battery cell
EP3166169A1 (en) * 2015-11-05 2017-05-10 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Battery cell and battery
EP3166173A1 (en) * 2015-11-05 2017-05-10 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Battery system for a vehicle
US9761913B2 (en) 2015-08-26 2017-09-12 Solarcity Corporation High efficiency high voltage battery pack for onsite power generation systems
DE102017208842A1 (en) 2017-05-24 2018-11-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Memory device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle, motor vehicle with such a memory device, and method for operating such a memory device
DE102017218064A1 (en) 2017-10-11 2019-04-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for operating a memory device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle, and a memory device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle
DE102017218578A1 (en) 2017-10-18 2019-04-18 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Storage device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle
DE102018200173A1 (en) * 2018-01-08 2019-07-11 Robert Bosch Gmbh Battery system for an electric vehicle, method for operating a battery system and electric vehicle
DE102018203164A1 (en) 2018-03-02 2019-09-05 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Safety system and method for performing an emergency discharge function on a battery
CN117445755A (en) * 2023-11-01 2024-01-26 山东大学 Cloud computing-based remote monitoring system for batteries of electric vehicle
DE102023106946A1 (en) 2023-03-20 2024-09-26 Lisa Dräxlmaier GmbH Method for designing physical parameters of a vehicle electrical system in the event of a short-circuit fault based on a physical model
CN118739516A (en) * 2024-09-04 2024-10-01 成都砾奇能机电设备有限公司 Base station controllable power generation device

Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3454859A (en) * 1967-05-23 1969-07-08 Us Navy Nickel-cadmium battery reconditioner
DE2726367A1 (en) * 1977-06-10 1978-12-21 Bosch Gmbh Robert DEVICE FOR REGULATING POWER DRAWING FROM AN ELECTRIC BATTERY
DE3102223A1 (en) * 1981-01-22 1982-08-05 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Protection circuit for DC voltage sources having a small short-circuit current/rated current ratio
DE3744264A1 (en) * 1987-12-24 1989-07-13 Man Nutzfahrzeuge Gmbh SAFETY DEVICE IN A MOTOR VEHICLE
DE4305819A1 (en) * 1992-02-25 1993-09-02 Mitsubishi Electric Corp
DE69109987T2 (en) * 1990-09-26 1995-11-30 Sony Corp Protection device for secondary battery.
EP0926796A2 (en) * 1997-12-26 1999-06-30 Hitachi, Ltd. Protection apparatus for a storage battery
US6025696A (en) * 1998-03-27 2000-02-15 Space Systems/Loral, Inc. Battery cell bypass module
DE102006000729A1 (en) * 2006-01-04 2007-07-05 Conti Temic Microelectronic Gmbh Measured value detecting and processing device for use in motor vehicle, has adjusting unit for adjusting limiting current of short circuit detection threshold of decoder unit based on actual value of input-switching threshold of unit
DE102007048620A1 (en) * 2006-10-11 2008-04-24 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit System and method for monitoring a high voltage energy storage connection
US20090066291A1 (en) * 2007-09-10 2009-03-12 Jenn-Yang Tien Distributed energy storage control system
US20100157495A1 (en) * 2008-12-18 2010-06-24 William Densham Circuits and methods for protection of battery modules
DE102009002466A1 (en) * 2009-04-17 2010-10-21 Robert Bosch Gmbh Extended battery diagnosis for traction batteries
WO2011028160A1 (en) * 2009-09-04 2011-03-10 Autoliv Development Ab A vehicle battery safety system
WO2011095630A1 (en) * 2010-02-08 2011-08-11 Fortu Intellectual Property Ag High-current battery system and method for controlling a high-current battery system
US20110242716A1 (en) * 2008-12-26 2011-10-06 Yazaki Corporation Load circuit protection device
EP2403105A2 (en) * 2010-06-29 2012-01-04 O2 Micro, Inc. Battery management systems for protecting batteries from fault conditions
DE102011075421A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-08 Sb Limotive Company Ltd. Battery with at least one battery module string
DE102011077311A1 (en) * 2011-06-09 2012-12-13 Sb Limotive Company Ltd. Method for detecting a release of a safety device
EP2181481B1 (en) * 2007-07-18 2013-10-30 Tesla Motors, Inc. Mitigation of propagation of thermal runaway in a multi-cell battery pack

Patent Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3454859A (en) * 1967-05-23 1969-07-08 Us Navy Nickel-cadmium battery reconditioner
DE2726367A1 (en) * 1977-06-10 1978-12-21 Bosch Gmbh Robert DEVICE FOR REGULATING POWER DRAWING FROM AN ELECTRIC BATTERY
DE3102223A1 (en) * 1981-01-22 1982-08-05 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Protection circuit for DC voltage sources having a small short-circuit current/rated current ratio
DE3744264A1 (en) * 1987-12-24 1989-07-13 Man Nutzfahrzeuge Gmbh SAFETY DEVICE IN A MOTOR VEHICLE
DE69109987T2 (en) * 1990-09-26 1995-11-30 Sony Corp Protection device for secondary battery.
DE4305819A1 (en) * 1992-02-25 1993-09-02 Mitsubishi Electric Corp
EP0926796A2 (en) * 1997-12-26 1999-06-30 Hitachi, Ltd. Protection apparatus for a storage battery
US6025696A (en) * 1998-03-27 2000-02-15 Space Systems/Loral, Inc. Battery cell bypass module
DE102006000729A1 (en) * 2006-01-04 2007-07-05 Conti Temic Microelectronic Gmbh Measured value detecting and processing device for use in motor vehicle, has adjusting unit for adjusting limiting current of short circuit detection threshold of decoder unit based on actual value of input-switching threshold of unit
DE102007048620A1 (en) * 2006-10-11 2008-04-24 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit System and method for monitoring a high voltage energy storage connection
EP2181481B1 (en) * 2007-07-18 2013-10-30 Tesla Motors, Inc. Mitigation of propagation of thermal runaway in a multi-cell battery pack
US20090066291A1 (en) * 2007-09-10 2009-03-12 Jenn-Yang Tien Distributed energy storage control system
US20100157495A1 (en) * 2008-12-18 2010-06-24 William Densham Circuits and methods for protection of battery modules
US20110242716A1 (en) * 2008-12-26 2011-10-06 Yazaki Corporation Load circuit protection device
DE102009002466A1 (en) * 2009-04-17 2010-10-21 Robert Bosch Gmbh Extended battery diagnosis for traction batteries
WO2011028160A1 (en) * 2009-09-04 2011-03-10 Autoliv Development Ab A vehicle battery safety system
WO2011095630A1 (en) * 2010-02-08 2011-08-11 Fortu Intellectual Property Ag High-current battery system and method for controlling a high-current battery system
EP2403105A2 (en) * 2010-06-29 2012-01-04 O2 Micro, Inc. Battery management systems for protecting batteries from fault conditions
DE102011075421A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-08 Sb Limotive Company Ltd. Battery with at least one battery module string
DE102011077311A1 (en) * 2011-06-09 2012-12-13 Sb Limotive Company Ltd. Method for detecting a release of a safety device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ISO 26262

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9761913B2 (en) 2015-08-26 2017-09-12 Solarcity Corporation High efficiency high voltage battery pack for onsite power generation systems
EP3166172A1 (en) * 2015-11-05 2017-05-10 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Battery cell with a fast discharging unit and fast discharging method for such a battery cell
EP3166169A1 (en) * 2015-11-05 2017-05-10 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Battery cell and battery
EP3166173A1 (en) * 2015-11-05 2017-05-10 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Battery system for a vehicle
WO2017076718A1 (en) * 2015-11-05 2017-05-11 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Battery system for a vehicle
CN106876805A (en) * 2015-11-05 2017-06-20 锂能源和电力有限责任两合公司 Battery cell and its repid discharge method with repid discharge unit
CN106876815A (en) * 2015-11-05 2017-06-20 锂能源和电力有限责任两合公司 Battery cell and battery pack
CN106876805B (en) * 2015-11-05 2021-11-30 罗伯特·博世有限公司 Battery cell having fast discharge unit and fast discharge method thereof
WO2018215380A1 (en) 2017-05-24 2018-11-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Storage device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle, motor vehicle comprising such a storage device, and method for operating such a storage device
US11155168B2 (en) 2017-05-24 2021-10-26 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Storage device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle, motor vehicle comprising such a storage device, and method for operating such a storage device
DE102017208842A1 (en) 2017-05-24 2018-11-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Memory device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle, motor vehicle with such a memory device, and method for operating such a memory device
DE102017218064A1 (en) 2017-10-11 2019-04-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for operating a memory device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle, and a memory device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle
DE102017218578A1 (en) 2017-10-18 2019-04-18 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Storage device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle
WO2019076979A1 (en) 2017-10-18 2019-04-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Storage device for storing electrical energy, in particular for a motor vehicle
DE102018200173A1 (en) * 2018-01-08 2019-07-11 Robert Bosch Gmbh Battery system for an electric vehicle, method for operating a battery system and electric vehicle
DE102018203164A1 (en) 2018-03-02 2019-09-05 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Safety system and method for performing an emergency discharge function on a battery
DE102023106946A1 (en) 2023-03-20 2024-09-26 Lisa Dräxlmaier GmbH Method for designing physical parameters of a vehicle electrical system in the event of a short-circuit fault based on a physical model
CN117445755A (en) * 2023-11-01 2024-01-26 山东大学 Cloud computing-based remote monitoring system for batteries of electric vehicle
CN118739516A (en) * 2024-09-04 2024-10-01 成都砾奇能机电设备有限公司 Base station controllable power generation device

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