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

Abstract

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

Description

Translated fromGerman

Dievorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung mitmehreren seriellen Zellen, wobei jede der Zellen eine eigene Bypasseinrichtung,mit der sie bei Ausfall überbrückt wird, aufweist undjeder Zelle ein Sicherungselement zugeordnet ist, um eine Zellebei deren Ausfall von den übrigen Zellen abtrennen zu können.Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendesVerfahren zum Betreiben einer Batteriezellenanordnung.TheThe present invention relates to a battery cell arrangement withmultiple serial cells, each of the cells having its own bypass device,with which it is bridged in case of failure, andEach cell is assigned a fuse element to a cellto be able to separate them from the other cells if they fail.Moreover, the present invention relates to a correspondingMethod for operating a battery cell arrangement.

Indiversen Batterie- und Hybridfahrzeugen werden leistungsstarke,seriell aufgebaute Traktionsbatterien eingesetzt. Jede dieser Traktionsbatterien bestehtaus einer Vielzahl in Serie verschalteter Zellen bzw. Module. DasAusfallrisiko einer Traktionsbatterie ist möglichst geringzu halten.Invarious battery and hybrid vehicles will be powerful,serially constructed traction batteries used. Each of these traction batteries is madefrom a large number of cells or modules interconnected in series. TheRisk of failure of a traction battery is minimizedto keep.

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

Gelingtes, im Fehlerfall die betroffene Zelle bzw. die betroffenen Zellenaus dem Strang zu nehmen, ohne den Strang zu unterbrechen oder zubeeinträchtigen, können die verbleibenden „gesunden” Zellenbzw. Module die Last der fehlerhaften mittragen. Die Leistung bzw.Energie wird dann nur um den Bruchteil der fehlerhaften Zelle geschmälert.Das Gleiche gilt für die Reichweite des Fahrzeugs mit elektrischemAntrieb bzw. mit elektrischer Antriebsunterstützung.Succeedit, in case of failure, the affected cell or the affected cellsto get out of the way without interrupting the strand or tocan affect the remaining "healthy" cellsor modules bear the burden of the faulty ones. The performanceEnergy is then diminished only by the fraction of the faulty cell.The same applies to the range of the vehicle with electricDrive or with electrical drive support.

Ausder DruckschriftUS6087035 A ist ein Diodenbypass für ausgefalleneBatteriezellen bekannt. Die dortige Batteriezellenanordnung besteht ausmehreren in Serie geschalteten Zellen, von denen jede eine parallelgeschaltete Diode besitzt. Die Kathode jeder Diode ist elektrischan den positiven Anschluss der jeweiligen Zelle geschaltet. Unterhalb einergewissen Spannung schaltet die Diode kurz.From the publication US 6087035 A is a diode bypass for failed battery cells known. The local battery cell arrangement consists of several series-connected cells, each of which has a diode connected in parallel. The cathode of each diode is electrically connected to the positive terminal of each cell. Below a certain voltage, the diode switches short.

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

DieAufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Ausfallrisikoeiner Traktionsbatterie gering zu halten und dafür eineverhältnismäßig einfache Steuerung mitgeringem Energieverbrauch bereitzustellen.TheThe object of the present invention is the risk of failureto keep a traction battery low and for onerelatively simple control withto provide low energy consumption.

Erfindungsgemäß wirddiese Aufgabe gelöst durch eine Batteriezellenanordnungnach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5. VorteilhafteWeiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the inventionthis object is achieved by a battery cell arrangementaccording to claim 1 and a method according to claim 5. AdvantageousFurther developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

EineBatteriezellenanordnung gemäß der vorliegendenErfindung besitzt mehrere Zellen, wobei jede der Zellen eine eigeneBypasseinrichtung, mit der sie bei Ausfall überbrücktwird, aufweist und wobei jeder Zelle ein Sicherungselement zugeordnet ist,um eine Zelle bei deren Ausfall von den übrigen Zellenabtrennen zu können. Eine ausgefallene Zelle wird durchdas Sicherungselement nur dann abgetrennt, wenn der Energieinhaltder Zelle ein vorgegebenes Maß überschreitet.ABattery cell assembly according to the present inventionInvention has several cells, each of which cells has its ownBypass device with which it bridges in case of failureand wherein each cell is assigned a security element,one cell if it fails, the other cellsto disconnect. A failed cell is going throughthe fuse element only separated when the energy contentthe cell exceeds a predetermined level.

Auchdas erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einerBatteriezellenanordnung mit mehreren seriellen Zellen arbeitet nachdem Prinzip, dass eine ausgefallene Zelle nur dann abgetrennt wird, wennder Energieinhalt der Zelle ein vorgegebenes Maß überschreitet.Alsothe inventive method for operating aBattery cell arrangement with multiple serial cells works afterthe principle that a failed cell is separated only ifthe energy content of the cell exceeds a predetermined level.

Vorzugsweiseist eine Zelle durch die jeweilige Bypasseinrichtung reversibel überbrückbar.Darüber hinaus kann jede Bypasseinrichtung ein spannungsabhängigesElement aufweisen, welches das Kurzschließen der zugeordnetenZelle bei Ausfall auslöst. Weiterhin kann die Bypasseinrichtungin Serie zwei entgegengesetzt gepolte Zenerdioden und parallel zudieser Serienschaltung einen Transistor aufweisen.Preferablyis a cell reversibly bridged by the respective bypass device.In addition, each bypass device can be a voltage-dependentHave element which shorting the associatedCell triggers in case of failure. Furthermore, the bypass devicein series two oppositely poled Zener diodes and parallel tothis series circuit having a transistor.

Invorteilhafter Weise wird durch die Erfindung das Ausfallrisiko einerTraktionsbatterie vermindert und die Reichweite eines Fahrzeugsmit elektrischem Antrieb erhöht.InAdvantageously, by the invention, the risk of defaultTraction battery decreases and the range of a vehicleincreased with electric drive.

Insbesonderekann die Nutzungsdauer gegen Lebensdauerende dadurch verlängertwerden, dass nur die schlechteste detektierte Zelle herausgeschaltetwird. Die vorgeschlagene Schaltung kann auch in mehrsträngigenBatterien angewandt werden.EspeciallyThis can extend the useful life towards end of lifebe turned off that only the worst detected cellbecomes. The proposed circuit can also be multi-strandedBatteries are applied.

Dievorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungennäher erläutert, in denen zeigen:TheThe present invention will become apparent from the accompanying drawingsexplained in more detail, in which show:

1 einprinzipielles Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßenTraktionsbatterie; und 1 a schematic circuit diagram of a traction battery according to the invention; and

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

Dienachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispielestellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungdar.The embodiments described in more detail below represent preferred embodiment Forms of the present invention.

VorrangigesZiel ist es, eine Batteriezellenanordnung mit mehreren seriellenZellen bzw. Modulen bereitzustellen, wobei das Ausfallrisiko vermindertist. Dabei wird nachfolgend auch ein entsprechendes Betriebsverfahrenfür die Batteriezellenanordnung angegeben. Konkret sollzum einen eine oder mehrere fehlerhafte Zellen in dem Fall gesteuert abgekoppeltwerden, in dem die fehlerhafte(n) Zelle(n) die Leistung des seriellenZellenstrangs stört/stören. Zum anderen soll dieLeistungsfähigkeit des Gesamtstrangs nahtlos aufrechterhaltenwerden.primaryThe goal is a battery cell arrangement with multiple serialTo provide cells or modules, whereby reduces the risk of failureis. In the process, a corresponding operating method will also be described belowindicated for the battery cell assembly. To be concreteon the one hand one or more faulty cells decoupled controlled in the casein which the faulty cell (s) are the performance of the serialCell strand disturbs / disturbs. On the other hand, theMaintaining efficiency of the total strand seamlesslybecome.

Gemäß1 bestehtein Gesamtstrang einer Traktionsbatterie aus mehreren Batterien(Zellen/Modulen) B₁, B₂,..., B_n. Jeder dieser Einzelbatterien bzw.Zellen ist eine Sicherung F vorgeschaltet. Parallel zu jeder Zelle-Sicherung-Serienschaltungist eine Bypasseinrichtung (hier auch Hilfselement H genannt) geschaltet.Die einzelnen Parallelschaltungen jeder Zelle bzw. Batterie B₁, B₂, ..., B_n sind miteinander seriell zu dem Gesamtstrangverbunden.According to 1 is a total strand of a traction battery of several batteries (cells / modules) B₁ , B₂ , ..., B_n . Each of these individual batteries or cells is preceded by a fuse F. Parallel to each cell fuse series circuit is a bypass device (also called auxiliary element H) connected. The individual parallel circuits of each cell or battery B₁ , B₂ ,..., B_n are connected to one another in series with the total line.

ImFalle eines (detektierten) Fehlers in einer der Zellen B₁, B₂, ..., B_n schließt das jeweilige HilfselementH dauerhaft oder reversibel die betroffene Zelle bzw. die betroffenenZellen kurz. Dabei sind mindestens drei Fälle zu unterscheiden:

• 1. Ist der Energieinhalt der Zelle(n) nochgroß, wird die Sicherung F die Zelle(n) vom Strang trennen.
• 2. Ist der Energieinhalt der Zelle(n) klein, entlädt sich/entladensich die betroffene(n) Zelle(n) über das Hilfselement Hund ist/sind somit gefahrloser zu warten.
• 3. Hat sich der Innenwiderstand der betroffenen Zelle(n) unzulässigerhöht (bzw. entladen, defekt), kann ein spannungsabhängigesElement in dem Hilfselement H das Kurzschließen der betroffenen Zelle(n)auslösen. Das Umpolen der Spannung an der/den betroffenenZelle(n) wird dadurch verhindert und fatale Folgefehler werden unterbunden.

In the case of a (detected) fault in one of the cells B₁ , B₂ ,..., B_n , the respective auxiliary element H permanently or reversibly closes the affected cell or the affected cells briefly. At least three cases have to be distinguished:

• 1. If the energy content of the cell (s) is still large, the fuse F will disconnect the cell (s) from the string.
• 2. If the energy content of the cell (s) is small, the affected cell (s) discharges / discharges via the auxiliary element H and is thus more safely to maintain.
• 3. If the internal resistance of the affected cell (s) has increased inadmissibly (or discharged, defective), a voltage-dependent element in the auxiliary element H can trigger the short-circuiting of the affected cell (s). The polarity reversal of the affected cell (s) is thereby prevented and fatal consequential errors are prevented.

In2 istein Ausführungsbeispiel eines Hilfselements H im Detaildargestellt. Demnach besitzt das Hilfselement H zwischen Eingangund Ausgang eine Serienschaltung von zwei entgegengesetzt gepoltenZenerdioden Z₁ und Z₂.Parallel zu dieser Serienschaltung ist die Drain-Source-Streckeeines MOSFET-Transistors T₁ geschaltet.Das Gate des MOSFET-Transistors T₁ ist alsSteuereingang nach außen geführt. Die Steuereingängeder Hilfselemente H sind in1 mit Pfeilenangedeutet.In 2 an embodiment of an auxiliary element H is shown in detail. Accordingly, the auxiliary element H between input and output has a series connection of two oppositely poled Zener diodes Z₁ and Z₂ . Parallel to this series connection, the drain-source path of a MOSFET transistor T_{1 is} connected. The gate of the MOSFET transistor T₁ is guided as a control input to the outside. The control inputs of the auxiliary elements H are in 1 indicated by arrows.

Übersteigtdie außen anliegende Spannung die Zenerspannung und dieDurchlassspannung der Diode, leitet die Zenerdiode, und die Spannungwird auf die Zenerspannung begrenzt. Der Stromanstieg ist in diesemBereich exponential zur Spannung. Werden Zenerdioden verwendet,bei denen die Elektroden direkt auf den Halbleiter-Kristall geführtsind, wird der Halbleiter-Kristall oberhalb einer kritischen Verlustleistungzerstört und es entsteht eine dauerhafte elektrische Verbindung(Durchlegierung). Dies entspricht dem obigen Fall 3. Fürdie obigen Fälle 1 und 2 kann beispielsweise überden Transistor T₁ die jeweilige Zelle gesteuertkurzgeschlossen werden. Es sollte jedoch sichergestellt werden,dass die Kurzschlusszeit bis zum Auslösen der SicherungF so kurz gehalten wird, dass von der Zelle keine Gefahr ausgeht.Die Sicherung F ist ein Trennelement und kann z. B. eine Schmelzsicherung,ein Halbleiterelement, ein elektromechanisches Trennelement oder einePyrosicherung sein.If the external voltage exceeds the zener voltage and the forward voltage of the diode, the zener diode conducts and the voltage is limited to the zener voltage. The current increase in this area is exponential to the voltage. If Zener diodes are used, in which the electrodes are guided directly onto the semiconductor crystal, the semiconductor crystal is destroyed above a critical power loss and a permanent electrical connection (alloying) results. This corresponds to the above case 3. For the above cases 1 and 2, for example, via the transistor T_1, the respective cell can be short-circuited controlled. However, it should be ensured that the short-circuit time until the release of the fuse F is kept so short that the cell poses no danger. The fuse F is a separator and can, for. Example, a fuse, a semiconductor element, an electromechanical separator or a pyrosicherung.

Durchdie in dem obigen Ausführungsbeispiel dargestellte Batteriezellenanordnungbzw. deren Beschaltung führt der Ausfall einer oder mehrerer einzelnerZellen bzw. Module nicht zu einem Totalausfall der Traktionsbatterie.Außerdem verliert die Batterie nur ein n-tel ihrer Leistungsfähigkeitbei n Zellen. Insgesamt vermindert sich auch das Ausfallrisiko derGesamtbatterie.Bythe battery cell assembly shown in the above embodimentor their wiring causes the failure of one or more individualCells or modules not to a total failure of the traction battery.In addition, the battery loses only one nth of its efficiencyat n cells. Overall, the default risk of theTotal battery.

DesWeiteren kann bei Zellenausfall ein Service-Dienstleister ohne großenKomfortverlust und risikolos mit dem Fahrzeug angesteuert werden.Eine optionale zusätzliche Analyseschaltung könnteentscheiden, ob der Service kurzfristig, langfristig oder gar nichtnotwendig ist. Eine entsprechende Implementierung kann im BMS (Batteriemanagementsystem)durch geeignete Algorithmen erfolgen. Insgesamt kann so eine Reduzierungvon Fahrzeugausfällen erreicht werden, so dass eine Kostenreduzierung imServicebereich sowie Ressourcenschonung erzielt werden kann.OfFurther, cell failure can be a service provider without a majorLoss of comfort and without risk be controlled by the vehicle.An optional additional analysis circuit couldDecide if the service is short term, long term or not at allnecessary is. A corresponding implementation can be found in the BMS (battery management system)done by suitable algorithms. Overall, such a reductionOf vehicle failures are achieved, so that a cost reduction in theService area and resource conservation can be achieved.

Wieoben bereits angedeutet wurde, kann durch das erfindungsgemäßeVerfahren bzw. die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnungdie Nutzungsdauer dieser Anordnung verlängert werden, da gegenLebensdauerende vorzugsweise immer nur die schlechteste Zelle herausgeschaltetwird. Dies ist durch übliche Zellspannungsüberwachungdetektierbar. Dadurch kann letztlich auch die Sicherheit im Fahrbetrieberhöht werden, da Systemabschaltungen und gesamte Fahrzeugausfälleeher verhindert werden können.Ashas already been indicated above, can by the inventiveMethod or the battery cell arrangement according to the inventionthe useful life of this arrangement be extended as againstEnd of life preferably always switched off only the worst cellbecomes. This is by usual cell voltage monitoringdetectable. As a result, ultimately, the safety during drivingbe increased because system shutdowns and overall vehicle failuresrather can be prevented.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

• B₁,B₂, ..., B_nB₁ , B₂ , ..., B_n

  Batterienbatteries

  FF

  Sicherungfuse

  HH

  Hilfselementauxiliary member

  Z₁,Z₂Z₁ , Z₂

  ZenerdiodenZener diodes

  T₁T₁

  MOSFET-TransistorMOSFET transistor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims (5)

Translated fromGerman

Batteriezellenanordnung mit – mehrerenseriellen Zellen (B₁, B₂,..., B_n), wobei – jede derZellen eine eigene Bypasseinrichtung (H), mit der sie bei Ausfall überbrücktwird, aufweist und – jeder Zelle ein Sicherungselement(F) zugeordnet ist, um eine Zelle bei deren Ausfall von den übrigen Zellenabtrennen zu können,dadurch gekennzeichnet,dass – eine ausgefallene Zelle (B₁,B₂, ..., B_n) durchdas Sicherungselement (F) nur dann abgetrennt wird, wenn der Energieinhaltder Zelle ein vorgegebenes Maß überschreitet.Battery cell arrangement with - a plurality of serial cells (B₁ , B₂ , ..., B_n ), wherein - each of the cells has its own bypass device (H), with which it is bypassed in case of failure, and - each cell a fuse element (F ) is assigned, in order to be able to separate a cell from the remaining cells in the event of failure,characterized in that - a failed cell (B₁ , B₂ , ..., B_n ) is only separated by the securing element (F) when the energy content of the cell exceeds a predetermined level.Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass eine Zelle (B₁, B₂, ..., B_n) durchdie jeweilige Bypasseinrichtung (H) reversibel überbrückbarist.Battery cell arrangement according to claim 1, characterized in that a cell (B₁ , B₂ , ..., B_n ) by the respective bypass means (H) is reversibly bridged.Batteriezellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass jede Bypasseinrichtung (H) ein spannungsabhängigesElement aufweist, welches das Kurzschließen der zugeordnetenZelle bei Ausfall auslöst.Battery cell arrangement according to claim 1 or 2, characterizedcharacterized in that each bypass device (H) is a voltage-dependentHas element that shorting the associatedCell triggers in case of failure.Batteriezellenanordnung nach einem der vorhergehendenAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Bypasseinrichtung(H) in Serie zwei entgegengesetzt gepolte Zenerdioden (Z₁, Z₂) und parallel zudieser Serienschaltung einen Transistor (T₁)aufweist.Battery cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that each bypass device (H) comprises in series two oppositely poled Zener diodes (Z₁ , Z₂ ) and, parallel to this series circuit, a transistor (T₁ ).Verfahren zum Betreiben einer Batteriezellenanordnungmit mehreren seriellen Zellen (B₁, B₂, ..., B_n) durch – Überbrückeneiner der Zellen bei deren Ausfall und – Abtrennender Zelle bei deren Ausfall von den übrigen Zellen, dadurchgekennzeichnet, dass – die ausgefallene Zelle (B₁, B₂, ..., B_n) nur dann abgetrennt wird, wenn der Energieinhaltder Zelle ein vorgegebenes Maß überschreitet.Method for operating a battery cell arrangement with a plurality of serial cells (B₁ , B₂ ,..., B_n ) by bridging one of the cells in the event of their failure and separating the cell in the event of its failure from the remaining cells, characterized in that the failed cell (B₁ , B₂ , ..., B_n ) is separated only when the energy content of the cell exceeds a predetermined level.