蓄電池單池單元及用于監(jiān)控蓄電池單池的方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種具有蓄電池單池（21）和用于監(jiān)控蓄電池單池（21）的功能狀態(tài)的監(jiān)控和控制單元（230）的蓄電池單池單元（221）。在蓄電池單池單元中設(shè)置有其中設(shè)置中形成全橋的兩個(gè)半橋（240、250）的耦合單元，半橋分別包括與蓄電池單池（21）的正極（222）耦合的第一功率半導(dǎo)體（241、251）、與蓄電池單池（21）的負(fù)極（223）耦合的第二功率半導(dǎo)體（242、252）和中間連接端并且經(jīng)由相應(yīng)的中間連接端與蓄電池單池單元（221）的相應(yīng)的另一個(gè)輸出端輸出端子（224、225）相連接。蓄電池單池單元（21）被設(shè)置為在正常運(yùn)行下如此地運(yùn)行半橋的功率半導(dǎo)體，從而使得蓄電池單池（21）的蓄電池單池電壓可選地以正的或者負(fù)的方向施加至蓄電池單池單元（221）的輸出端子（224、225）。
【專利說明】蓄電池單池單元及用于監(jiān)控蓄電池單池的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)施例涉及具有蓄電池單池和用于監(jiān)控所述蓄電池單池的功能狀態(tài)的監(jiān)控和控制單元的蓄電池單池單元。本發(fā)明還涉及一種用于借助于在所述蓄電池單池單元中設(shè)置的監(jiān)控和控制單元來監(jiān)控在蓄電池單池單元中設(shè)置的蓄電池單池的功能狀態(tài)的方法。此夕卜，本發(fā)明涉及一種蓄電池系統(tǒng)，其包括具有至少一個(gè)蓄電池組的蓄電池和蓄電池管理系統(tǒng)，在所述蓄電池組中設(shè)置有多個(gè)依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元。

【背景技術(shù)】
[0002]通常，將應(yīng)用在混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛中的蓄電池稱為牽引用蓄電池，因?yàn)檫@些蓄電池用于電氣驅(qū)動(dòng)裝置的供電。在圖1中示出了具有一個(gè)這樣的牽引用蓄電池20的蓄電池系統(tǒng)的原理電路圖。蓄電池20包括多個(gè)蓄電池單池21。為了簡化在圖1中的圖示僅僅兩個(gè)蓄電池單池設(shè)有附圖標(biāo)記21。
[0003]蓄電池20由兩個(gè)蓄電池單池串聯(lián)電路22、23構(gòu)成，它們分別包括多個(gè)串聯(lián)連接的蓄電池單池21。這些蓄電池單池串聯(lián)電路22、23或單池模塊分別與蓄電池端子24、25和與充電用插頭30的連接端連接。
[0004]正蓄電池端子24經(jīng)由分離和充電裝置40與蓄電池20可連接，該分離和充電裝置包括分離開關(guān)41，其與由充電開關(guān)42和充電電阻43組成的串聯(lián)電路并聯(lián)連接。負(fù)蓄電池端子25經(jīng)由分離裝置50與蓄電池20是可連接的，該分離裝置包括另一分離開關(guān)51。
[0005]此外圖2示出了圖60，其中非常示意地示出鋰離子蓄電池的不同的故障機(jī)制61及其后果62。該示出的故障機(jī)制61能夠?qū)е滦铍姵貑纬氐挠刹辉试S的溫度升高63引起的熱擊穿(Thermal Runaway)640在存在熱擊穿64的情況下能夠基于氣體65的排放-該排放能夠例如在打開安全閥的情況下作為提高的蓄電池單池內(nèi)壓的結(jié)果存在——導(dǎo)致蓄電池單池的火災(zāi)66或者在極端情況下設(shè)置導(dǎo)致蓄電池單池21的破裂67。因此必須在蓄電池單池21在牽引用蓄電池中的應(yīng)用的情況下以最大接近I的概率排除熱擊穿64的存在。
[0006]熱擊穿64能夠在蓄電池單池的過充時(shí)作為在緊接著的充電過程期間的蓄電池單池的深度放電的結(jié)果或者在存在蓄電池單池的不允許的高充電和放電電流——它們能夠例如對(duì)于外部短路90而產(chǎn)生一的情況下存在。此外熱擊穿64能夠在存在蓄電池單池內(nèi)部短路100的情況下存在，該短路能夠例如作為在事故101期間的極大的機(jī)械力作用的結(jié)果或者作為蓄電池單池內(nèi)部樹狀晶102的形成的結(jié)果產(chǎn)生，該樹狀晶能夠例如在低溫下存在過高充電電流的情況下產(chǎn)生。此外熱擊穿64也能夠作為蓄電池單池內(nèi)部短路的結(jié)果存在，該內(nèi)部短路能夠通過在制造時(shí)產(chǎn)生的蓄電池單池污染、尤其是通過在蓄電池單池中存在的金屬異物顆粒103引起。而且熱擊穿64能夠在存在蓄電池單池的不允許的發(fā)熱——其例如能夠作為車輛火災(zāi)的結(jié)果產(chǎn)生——的情況下或者在存在蓄電池單池120的過載的情況下存在。
[0007]在圖3中示出了由現(xiàn)有技術(shù)已知的蓄電池系統(tǒng)10的原理電路圖，該蓄電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)蓄電池單池21的牽引用蓄電池20和蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)。蓄電池管理系統(tǒng)11的電子裝置具有分散架構(gòu)，其中將由蓄電池單池21的監(jiān)控電子裝置(CSC電子裝置)構(gòu)成的監(jiān)控和控制單元130設(shè)計(jì)為衛(wèi)星，它們分別設(shè)定用于監(jiān)控一個(gè)或多個(gè)蓄電池單池21的功能狀態(tài)并且經(jīng)由內(nèi)部總線系統(tǒng)141與中央蓄電池控制裝置(B⑶)140通信。
[0008]蓄電池管理系統(tǒng)11的電子裝置、尤其是蓄電池單池21的監(jiān)控電子裝置是需要的，以便保護(hù)臨界的在圖2中示出的狀態(tài)的蓄電池單池21，這能夠?qū)е聼釗舸Ｔ谛铍姵毓芾硐到y(tǒng)11的電子裝置中運(yùn)行高消耗，以便一方面保護(hù)蓄電池單池21免于由于外部原因例如由于在電子驅(qū)動(dòng)裝置的逆變器中的短路的過載，另一方面避免由于蓄電池管理系統(tǒng)的電子裝置的故障、例如由于蓄電池單池電壓通過監(jiān)控和控制單元130的錯(cuò)誤的檢測(cè)危害蓄電池單池21。
[0009]如同在圖1中示出的蓄電池系統(tǒng)中那樣，在圖3中示出的蓄電池系統(tǒng)中牽引用蓄電池經(jīng)由分離和充電裝置40與正蓄電池端子24是可連接的并且經(jīng)由分離裝置50與負(fù)蓄電池端子25是可連接的。在此為了表示相同或相似的構(gòu)件對(duì)于在圖1和3中示出的蓄電池系統(tǒng)分別使用相同的附圖標(biāo)記。
[0010]此外將中央的蓄電池控制裝置140設(shè)計(jì)為控制分離和充電裝置40的分離開關(guān)(繼電器)41和充電開關(guān)(繼電器)42。分離開關(guān)41和充電開關(guān)42借助于蓄電池控制裝置140的控制在圖中以箭頭142表示。而且中央蓄電池控制裝置140設(shè)計(jì)為控制分離裝置50的另一分離開關(guān)(繼電器)51。借助于蓄電池控制裝置140分離開關(guān)51的控制以箭頭143表
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[0011]中央的蓄電池控制裝置140經(jīng)由高伏特導(dǎo)線144、145與各個(gè)其他的蓄電池端子
24、25連接。此外中央的蓄電池控制裝置140包括電流傳感器150、160，它們被設(shè)置用于測(cè)量流經(jīng)牽引用蓄電池20的電流。蓄電池控制裝置140經(jīng)由CAN總線146也與車輛接口(vehicle interface)通信。經(jīng)由CAN總線能夠給蓄電池控制裝置140提供關(guān)于車輛的功能狀態(tài)的信息。
[0012]在應(yīng)用由現(xiàn)有技術(shù)已知的蓄電池系統(tǒng)的蓄電池管理系統(tǒng)11中因此力求如此提高蓄電池系統(tǒng)10的安全，使得不存在不合理的危險(xiǎn)。在此按照標(biāo)準(zhǔn)IS026262對(duì)蓄電池管理系統(tǒng)11的功能安全提出了高要求，因?yàn)槿缟弦呀?jīng)闡明的電子裝置的故障能夠?qū)е挛ｋU(xiǎn)。此外對(duì)于鋰離子蓄電池單池規(guī)定了安全測(cè)試。為了允許運(yùn)輸蓄電池單池，必須實(shí)施例如UN運(yùn)輸測(cè)試。測(cè)量結(jié)果必須按照EUCAR危險(xiǎn)級(jí)別或危險(xiǎn)等級(jí)(EUCAR hazard level)進(jìn)行評(píng)估。蓄電池單池在此必須遵循預(yù)定的最小安全等級(jí)。為了達(dá)到這一點(diǎn)，在設(shè)定用于牽引用蓄電池的蓄電池單池中采取多種附加措施。
[0013]如果不能夠顯著提高蓄電池單池21的安全，那么對(duì)于用于具有用于電動(dòng)車和插拔式混合動(dòng)力(Plug-1n混合動(dòng)力)的牽引用蓄電池20的蓄電池系統(tǒng)的蓄電池管理系統(tǒng)預(yù)測(cè)地建立按照危險(xiǎn)等級(jí)ASIL C的分級(jí)。這樣的附加措施由此采取，即將所謂的安全裝置(Safety Devices)集成到蓄電池單池中。因此在蓄電池單池中典型地集成有在下文中說明的安全裝置。
[0014]在蓄電池單池中集成過充安全裝置(0SD)。這樣的過充安全裝置使得蓄電池單池在過充過程中不超過EUCAR危險(xiǎn)等級(jí)4。蓄電池單池電壓的允許范圍在4.2V處結(jié)束。在過充過程中蓄電池單池自從一個(gè)大約5V的蓄電池單池電壓形成如此高的內(nèi)壓，其向外彎曲過充安全裝置的膜片并且將該蓄電池單池電地短路。作為其結(jié)果如此地將蓄電池單池放電，直至激活蓄電池單池內(nèi)的安全裝置。在蓄電池單池的兩個(gè)極之間的蓄電池單池的短路通過過充安全裝置維持。
[0015]此外將蓄電池單池安全裝置(Cell Fuse)集成到蓄電池單池中。該在蓄電池單池中集成的熔斷式安全裝置是在蓄電池單池層面上非常有效的保護(hù)儀器，但是當(dāng)蓄電池單池在蓄電池模塊的串聯(lián)電路中或在蓄電池系統(tǒng)中安裝時(shí)引起極大的問題。在那里這些措施反而是不利的。
[0016]在蓄電池單池中也集成了穿刺安全裝置(NDS)。該穿刺安全裝置保護(hù)蓄電池單池，其方法是在將釘子或尖利物品刺入到蓄電池單池中時(shí)產(chǎn)生如此限定的短路路徑，其不會(huì)導(dǎo)致在定子進(jìn)入的區(qū)域中蓄電池單池的極度局部發(fā)熱，該發(fā)熱能夠?qū)е麓嬖诘姆蛛x器的局部熔化。
[0017]在蓄電池單池中也集成有功能安全層(SFL)。該功能安全層通過蓄電池單池的兩個(gè)電極之一的陶瓷涂層、優(yōu)選通過陽極的陶瓷涂層實(shí)現(xiàn)。借助于功能安全層能夠在分離器熔化時(shí)阻止蓄電池單池的平面短路并繼而阻止蓄電池單池的電能極端快速地轉(zhuǎn)化為損耗熱量。
[0018]在蓄電池單池中此外也集成有碰撞安全裝置(Crush Safety Device)。碰撞安全裝置具有與穿刺安全裝置類似的功能方式。在蓄電池單池殼體的極度機(jī)械變形的情況下提供在蓄電池單池中限定的短路路徑，該短路路徑阻止蓄電池單池的極度的局部的發(fā)熱并且由此提高蓄電池單池的安全。
[0019]在當(dāng)前處于研發(fā)中的蓄電池單池中，尤其地用于電氣安全的措施涉及極大的成本，這些措施例如保護(hù)免于過充或者確保過濾保護(hù)。這些措施再者在蓄電池單池安裝到蓄電池模塊或蓄電池系統(tǒng)中之后甚至反而是不利的而不是有意義的。例如能夠在蓄電池單池的熔斷式安全裝置的激活時(shí)產(chǎn)生這樣的情況，即存在的蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)的電子裝置經(jīng)受非常高的負(fù)電壓。由此在蓄電池系統(tǒng)層面上產(chǎn)生附加的成本，因?yàn)楸仨殱M足針對(duì)蓄電池單池層的運(yùn)輸規(guī)程，而不會(huì)由此涉及其他的利用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]依據(jù)本發(fā)明提供了一種具有蓄電池單池和用于監(jiān)控所述蓄電池單池的功能狀態(tài)的監(jiān)控和控制單元的蓄電池單池單元。其中，在所述蓄電池單池單元中設(shè)置有具有兩個(gè)半橋的耦合單元，所述半橋分別包括與所述蓄電池單池的正極耦合的第一功率半導(dǎo)體、與所述蓄電池單池的負(fù)極耦合的第二功率半導(dǎo)體和中間連接端。所述半橋經(jīng)由相應(yīng)的中間連接端與所述蓄電池單池單元的相應(yīng)的另一個(gè)輸出端子相連接。此外，所述蓄電池單池單元被設(shè)置為在所述耦合單元的正常運(yùn)行下借助于通過所述監(jiān)控和控制單元的控制如此地運(yùn)行，以接通半橋的所述第一功率半導(dǎo)體和所述另一個(gè)半橋的所述第二功率半導(dǎo)體并且斷開所述半橋的所述分別另一個(gè)功率半導(dǎo)體，從而使得所述蓄電池單池的蓄電池單池電壓可選地以正的或者負(fù)的方向施加至所述蓄電池單池單元的所述輸出端子。
[0021]依據(jù)本發(fā)明還提供了一種用于借助于在蓄電池單池裝置中設(shè)置的監(jiān)控和控制單元來監(jiān)控在所述蓄電池單池裝置中設(shè)置的蓄電池單池的方法。其中，所述蓄電池單池借助于在所述蓄電池單池單元中設(shè)置的耦合單元來驅(qū)動(dòng)，所述耦合單元包括兩個(gè)形成全橋的、由功率半導(dǎo)體組成的半橋。倘若通過所述監(jiān)控和控制單元確定與所述蓄電池單池的正常運(yùn)行有偏差的所述蓄電池單池的錯(cuò)誤情形或者危險(xiǎn)情形，則所述蓄電池單池借助于所述耦合單元的控制和/或與所述蓄電池單池的所述極耦合的用于快速放電所述蓄電池單池的放電電路設(shè)置于安全的狀態(tài)。
[0022]依據(jù)本發(fā)明還提供了一種蓄電池系統(tǒng)，其包括具有至少一個(gè)蓄電池組，在所述至少一個(gè)蓄電池組中設(shè)置有多個(gè)依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元。此外，所述蓄電池系統(tǒng)包括蓄電池管理系統(tǒng)，其中，所述蓄電池管理系統(tǒng)被構(gòu)造為與所述蓄電池單池單元的所述監(jiān)控和控制單元通信。
[0023]從屬權(quán)利要求示出了本發(fā)明優(yōu)選的改進(jìn)。
[0024]清楚地說，依據(jù)本發(fā)明提供一種蓄電池單池單元，其包括集成的監(jiān)控和控制單元并且具有可換極的輸出電壓的蓄電池單池。尤其是基于在蓄電池單池單元中設(shè)置的具有四個(gè)功率半導(dǎo)體的耦合單元實(shí)現(xiàn)了通過功率半導(dǎo)體的有目的的控制提供一系列可調(diào)節(jié)的用于保護(hù)蓄電池單池的安全功能。安全功能能夠基于通過監(jiān)控和控制單元蓄電池單池的監(jiān)控有目的地應(yīng)用。在正常運(yùn)行中能夠關(guān)于在蓄電池模塊的輸出端子上提供的輸出電壓將蓄電池單池?fù)Q極，從而依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元能夠沿正方向或負(fù)方向輸出蓄電池單池電壓。
[0025]基于依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池的功能，即換極蓄電池單池電壓，依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池尤其是適用在具有分步可調(diào)節(jié)的輸出電壓的三相蓄電池系統(tǒng)中，將這些三相蓄電池系統(tǒng)稱為蓄電池直流逆變器，或者一般適用于在具有分步可調(diào)節(jié)的輸出電壓的多相蓄電池系統(tǒng)中。
[0026]優(yōu)選地，依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元還被構(gòu)造用于，為了調(diào)節(jié)蓄電池單池的正常運(yùn)行，其中在蓄電池單池的輸出端子上不存在電壓，如此控制耦合單元的功率半導(dǎo)體，使得接通半橋的或者第一或者第二功率半導(dǎo)體。換句話說，依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池也能夠可選擇地輸出OV電壓到其輸出端子。優(yōu)選地，在此斷開其他兩個(gè)功率半導(dǎo)體，也就是說例如在接通第一功率半導(dǎo)體的情況下斷開兩個(gè)第二功率半導(dǎo)體，以及與之相反地。
[0027]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式中，依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元設(shè)計(jì)為，當(dāng)存在其值超過上面的電壓限制值的蓄電池單池電壓或蓄電池單池電壓時(shí)，和/或當(dāng)存在其值低于下面的電壓限制值的蓄電池單池電壓或蓄電池單池電壓時(shí)，如此控制耦合單元的功率半導(dǎo)體，以便調(diào)節(jié)蓄電池單池的功能狀態(tài)，在所述功能狀態(tài)下沒有電流能夠流經(jīng)所述蓄電池單池，使得接通半橋的第一或第二功率半導(dǎo)體并且斷開半橋的第二或第一功率半導(dǎo)體。
[0028]這具有的優(yōu)點(diǎn)在于，監(jiān)控和控制單元根據(jù)超過蓄電池單池電壓或蓄電池單池電壓的上限制值識(shí)別在正常運(yùn)行下工作的蓄電池單池的有威脅的過充，并且隨后能夠有利地不再給蓄電池單池充電并且由此例如在蓄電池充電裝置故障的情況下安全地保護(hù)蓄電池單池免于過充。
[0029]此外，監(jiān)控和控制單元根據(jù)低于蓄電池單池電壓或蓄電池單池電壓的下面的限制值識(shí)別基于在正常運(yùn)行下工作的蓄電池單池的有威脅的深度放電，其中將蓄電池單池轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)，在該狀態(tài)下不再有電流流經(jīng)蓄電池單池。可能通過整個(gè)包括依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池的蓄電池系統(tǒng)向外可輸出的電流在依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池中流經(jīng)僅僅存在的功率半導(dǎo)體或半導(dǎo)體開關(guān)。
[0030]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施形式中，依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元設(shè)定用于，當(dāng)存在其值超過預(yù)定或適合地選擇的充電電流限制值的充電電流時(shí)，和/或當(dāng)存在其值超過預(yù)定或適合地選擇的放電電流限制值的放電電流時(shí)，如此控制所述耦合單元的所述功率半導(dǎo)體以便調(diào)節(jié)所述蓄電池單池的功能狀態(tài)，在所述功能狀態(tài)下不再有電流能夠流經(jīng)所述蓄電池單池，使得接通所述半橋的第一或第二功率半導(dǎo)體并且斷開所述半橋的第二或第一功率半導(dǎo)體。
[0031]因此監(jiān)控和控制單元基于在正常運(yùn)行中工作的蓄電池單池識(shí)別到由于過高的放電電流的有威脅的過載，這些過高的放電電流例如能夠作為由于在逆變器中的故障蓄電池的外部短路的結(jié)果存在。在此將蓄電池單池轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)，在該狀態(tài)下沒有電流流經(jīng)蓄電池單池。因此保護(hù)蓄電池單池免于具有不允許高的放電電流的負(fù)載。
[0032]此外，所述監(jiān)控和控制單元基于在正常運(yùn)行中工作的蓄電池單池識(shí)別到由于過高的充電電流的有威脅的過載，其中隨后將蓄電池單池轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)，在該狀態(tài)下不再有電流流經(jīng)蓄電池單池。因此保護(hù)蓄電池單池免于具有不允許高的充電電流的負(fù)載。這例如在存在非常低的溫度的情況下是尤其有利的，其中各個(gè)蓄電池單池關(guān)于在陽極上可構(gòu)成的鋰涂層是尤其敏感的。
[0033]在本發(fā)明的一個(gè)尤其有利的實(shí)施形式中，依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元被構(gòu)造用于，根據(jù)尤其是通過蓄電池管理系統(tǒng)通信的信息的分析識(shí)別危險(xiǎn)情況的存在，在該危險(xiǎn)情況下能夠損壞蓄電池單池。此外，依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元能夠被構(gòu)造用于，當(dāng)存在危險(xiǎn)情況時(shí)如此控制耦合單元的兩個(gè)半橋中的至少之一，使得接通一個(gè)半橋的第一或第二功率半導(dǎo)體并且使得相同半橋的第二或第一功率半導(dǎo)體在所謂的激活運(yùn)行中作為可控制的電阻工作，從而將蓄電池單池放電。為此能夠?qū)⒘硪话霕虻牡谝缓?或第二功率半導(dǎo)體斷開。此外能夠?yàn)榱诵铍姵貑纬氐姆烹姺謩e接通各個(gè)半橋的兩個(gè)第一或第二功率半導(dǎo)體，與之相對(duì)地相應(yīng)地兩個(gè)半橋的第二或第一功率半導(dǎo)體在激活運(yùn)行中工作。
[0034]換句話說，能夠在一種情況下——其中依據(jù)本發(fā)明本質(zhì)安全的蓄電池單池的監(jiān)控和控制單元的電子裝置通過蓄電池管理系統(tǒng)例如被告知關(guān)于此的相應(yīng)信息，即關(guān)于其中安裝有依據(jù)本發(fā)明的蓄電池系統(tǒng)的汽車具有事故的信息一經(jīng)由兩個(gè)半橋之一或者并聯(lián)地經(jīng)由兩個(gè)半橋?qū)⑿铍姵貑纬胤烹?。在蓄電池單池?jīng)由兩個(gè)半橋之一放電期間蓄電池單池沒有通過其輸出端子輸出電壓，然而即便如此緩慢地放電。尤其是作為可控的電阻運(yùn)行的功率半導(dǎo)體在此包括其熱連接和冷卻按照要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0035]在依據(jù)本發(fā)明的電的本質(zhì)安全的蓄電池單池單元中設(shè)置的蓄電池單元將與該蓄電池單元相關(guān)聯(lián)的并且設(shè)置在所述蓄電池單池單元中的耦合單元和監(jiān)控和控制單元結(jié)合地如此地安全地實(shí)施，使得相較于出自如今的現(xiàn)有技術(shù)已知的蓄電池系統(tǒng)的蓄電池管理系統(tǒng)，依據(jù)本發(fā)明的蓄電池系統(tǒng)現(xiàn)在基本上必須向蓄電池管理系統(tǒng)提出更少的要求。此外，能夠省去多個(gè)至今典型地實(shí)施的然而并非目的導(dǎo)引的措施，例如為蓄電池單元布置集成的過度充電安全裝置和/或集成的蓄電池單池安全裝置。
[0036]在本發(fā)明的另一尤其有利的實(shí)施形式中，監(jiān)控和控制單元設(shè)置用于，根據(jù)測(cè)量的單池溫度或蓄電池單池溫度的分析、尤其是當(dāng)超過預(yù)定溫度限制值的單池溫度或蓄電池單池溫度時(shí)和/或根據(jù)蓄電池單池電壓或蓄電池單池電壓的分析、尤其是當(dāng)蓄電池單池電壓或蓄電池單池電壓的電壓驟降時(shí)識(shí)別危險(xiǎn)情況的存在。
[0037]在本發(fā)明的另一尤其優(yōu)選的實(shí)施形式中，此外，蓄電池單池設(shè)有與所述蓄電池單池的極耦合的放電電路、尤其是具有由功率半導(dǎo)體和電阻組成的串聯(lián)電路的放電電路。在此，能夠?qū)⑿铍姵貑纬貑卧O(shè)置用于，當(dāng)存在危險(xiǎn)情況時(shí)如此控制所述放電電路，使得能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池單池借助于放電電路的放電、尤其是蓄電池單池以一個(gè)流經(jīng)放電電路的放電電流的放電，所述放電電流等于所述蓄電池單池的短路電流的預(yù)定的一部分。其優(yōu)點(diǎn)在于，在此不會(huì)基于熱損耗功率限制可實(shí)現(xiàn)的放電電流，該熱損耗功率在作為可控制的電阻運(yùn)行的功率半導(dǎo)體中產(chǎn)生或者功率半導(dǎo)體能夠在持續(xù)運(yùn)行中被強(qiáng)加。
[0038]因此，如果由蓄電池管理系統(tǒng)告知依據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)安全的蓄電池單池的監(jiān)控和控制單元的電子裝置設(shè)有依據(jù)本發(fā)明的蓄電池系統(tǒng)的車輛具有事故，那么能夠通過放電電路——其在下文中也稱為超快速放電電路(UFDD)——盡可能快地將蓄電池單池放電。為了支持放電電流，蓄電池單池也能夠通過一個(gè)或兩個(gè)半橋放電。
[0039]按照一個(gè)方面能夠基于依據(jù)本發(fā)明危險(xiǎn)情況的識(shí)別有利地尤其是也可靠地識(shí)別測(cè)試過程——在該測(cè)試過程期間測(cè)試蓄電池單池——的實(shí)施或者其他對(duì)于蓄電池單池類似的情況。
[0040]如果依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池例如在UN運(yùn)輸測(cè)試的范圍中經(jīng)受穿刺測(cè)試(NailPenetrat1n Test)或碰撞測(cè)試(Crush Test),依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元的電子裝置通過蓄電池單池電壓或蓄電池單池電壓的分析識(shí)別到通過電流將蓄電池單池放電，而不會(huì)運(yùn)行該蓄電池單池。該過程的識(shí)別能夠例如通過蓄電池單池電壓或蓄電池單池電壓的電壓驟降實(shí)現(xiàn)。作為其結(jié)果立刻觸發(fā)經(jīng)由依據(jù)本發(fā)明的放電電路對(duì)該蓄電池單池的放電，并且隨后基本上經(jīng)由放電電路對(duì)該蓄電池單池放電?？蛇x擇地也能夠在此如已經(jīng)闡明的那樣通過兩個(gè)半橋?qū)崿F(xiàn)蓄電池單池的放電的支持。
[0041]如果依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池經(jīng)受強(qiáng)烈的發(fā)熱，那么能夠通過依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元的電子裝置識(shí)別這一點(diǎn)。作為其結(jié)果立刻觸發(fā)例如經(jīng)由依據(jù)本發(fā)明的放電電路對(duì)該蓄電池單池的放電,并且經(jīng)由放電電路及時(shí)將蓄電池單池放電。
[0042]總而言之，依據(jù)本發(fā)明的電的本質(zhì)安全的蓄電池單池能夠結(jié)合在蓄電池單池中設(shè)置的耦合單元以及監(jiān)控和控制單元如此安全地設(shè)計(jì)，使得相比于由現(xiàn)有技術(shù)已知的蓄電池系統(tǒng)在依據(jù)本發(fā)明的蓄電池管理系統(tǒng)中必須對(duì)蓄電池管理系統(tǒng)提出更小的要求。除此之外能夠不用考慮多種當(dāng)今實(shí)施的然而非目的明顯的措施，例如給蓄電池單池或蓄電池單池設(shè)有集成的過充安全裝置和/或集成的蓄電池單池安全裝置。
[0043]此外能夠不用考慮或者至少非常簡單地實(shí)現(xiàn)常規(guī)的措施，其用于在存在強(qiáng)機(jī)械力作用的情況下提高安全性，如給蓄電池單池設(shè)有集成的穿刺安全裝置和/或設(shè)有集成的碰撞安全裝置，因?yàn)樵谝罁?jù)本發(fā)明的蓄電池單池側(cè)的要求更小。在此實(shí)現(xiàn)了，強(qiáng)烈的機(jī)械力作用——如其例如在UN運(yùn)輸測(cè)試中仿真的那樣——能夠無危險(xiǎn)地作用于蓄電池單池。這尤其是也涉及借助于穿刺測(cè)試以尖刺的物體對(duì)蓄電池單池的穿刺和/或借助于碰撞關(guān)于所有三個(gè)空間軸的蓄電池單池或各個(gè)蓄電池單池的強(qiáng)烈變形。依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池能夠借助于監(jiān)控和控制單元自動(dòng)保護(hù)自身免于不允許的運(yùn)行狀態(tài)，在此例如不應(yīng)該分配到蓄電池管理系統(tǒng)的電子裝置的安全功能上。
[0044]因此，通過依據(jù)本發(fā)明的電氣的本質(zhì)安全的蓄電池單池單元的一種基本組合是可用的，由這種基本組合能夠構(gòu)成尤其是在電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛中的安全的蓄電池系統(tǒng)，其安全性尤其高于在由現(xiàn)有技術(shù)已知的蓄電池系統(tǒng)中的安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]本發(fā)明將參照所附的附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。其中:
[0046]圖1示出了由現(xiàn)有技術(shù)已知的具有牽引蓄電池的蓄電池系統(tǒng)的原理圖；
[0047]圖2示出了由現(xiàn)有技術(shù)一直的鋰離子蓄電池的錯(cuò)誤機(jī)制的圖示，該錯(cuò)誤機(jī)制能夠引起該鋰離子蓄電池單池的熱擊穿；
[0048]圖3示出了由現(xiàn)有技術(shù)已知的具有由多個(gè)蓄電池單池構(gòu)造的牽引蓄電池和蓄電池管理系統(tǒng)的蓄電池系統(tǒng)的原理圖；
[0049]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施形式的蓄電池單池單元的原理圖；
[0050]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施形式的蓄電池單池單元的原理圖；以及
[0051]圖6示出了具有三個(gè)蓄電池組的蓄電池直流逆變器的原理圖，在該三個(gè)蓄電池組中分別串聯(lián)連接多個(gè)依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元。

【具體實(shí)施方式】
[0052]在圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施形式的蓄電池單池單元221的原理圖。該蓄電池單池單元221根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施形式包括蓄電池單池21和耦合單元，該耦合單兀由具有第一和第二功率半導(dǎo)體241、242的第一半橋(圖4中右邊的半橋)240和具有第一和第二功率半導(dǎo)體251、252的第二半橋(圖4中左邊的半橋)250來構(gòu)造。兩個(gè)半橋240、250共同形成具有四個(gè)功率半導(dǎo)體241、242、251、252的全橋。與該功率半導(dǎo)體241、242、251、252分別并聯(lián)地連接有二極管260，其導(dǎo)通方向與相應(yīng)的功率半導(dǎo)體的導(dǎo)通方向相反。為了簡化圖示，每個(gè)半橋僅設(shè)置有一個(gè)二極管以附圖標(biāo)記160來標(biāo)記。
[0053]第一半橋240在與第一功率半導(dǎo)體(圖4中右側(cè)的半橋的上面的功率半導(dǎo)體開關(guān))241相關(guān)聯(lián)的第一連接端處該蓄電池單池21的正極222相連接并且在與第二功率半導(dǎo)體242 (圖4中右側(cè)的半橋的下面的功率半導(dǎo)體開關(guān))相關(guān)聯(lián)的第二連接端處該蓄電池單池21的負(fù)極223相連接。第一半橋240還在中間連接端處與蓄電池單池單元221的輸出連接端224相連接。
[0054]第二半橋250在與第一功率半導(dǎo)體(圖4中左側(cè)的半橋的上面的功率半導(dǎo)體開關(guān))251相關(guān)聯(lián)的第一連接端處該蓄電池單池21的正極222相連接并且在與第二功率半導(dǎo)體252 (圖4中左側(cè)的半橋的下面的功率半導(dǎo)體開關(guān))相關(guān)聯(lián)的第二連接端處該蓄電池單池21的負(fù)極223相連接。第二半橋250還在中間連接端處與蓄電池單池電壓225的輸出連接端224相連接。
[0055]依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221還包括與蓄電池單池21并聯(lián)連接的監(jiān)控和控制單元230，以監(jiān)控蓄電池單池21的功能狀態(tài)。監(jiān)控和控制單元230依據(jù)本發(fā)明地設(shè)置有用于四個(gè)功率半導(dǎo)體241、242、251、252的集成的控制裝置。
[0056]在圖4中，也示出了用于具有多個(gè)依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221的蓄電池管理系統(tǒng)211。該蓄電池管理系統(tǒng)211被構(gòu)造為與監(jiān)控和控制單元230通信或者交換信息。在蓄電池管理系統(tǒng)211和該監(jiān)控和控制單元20之間的信息交換借助于雙箭頭215來同步。
[0057]具有帶有換極的輸出電壓的蓄電池單池21的電本質(zhì)安全的蓄電池單池單元221例如借助于在圖4中示出的如下所說明的裝置來實(shí)現(xiàn)。
[0058]功率半導(dǎo)體241、242、251、252能夠借助于依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元230如此地加以控制，使得當(dāng)在正常運(yùn)行之下時(shí)蓄電池單池21應(yīng)該以正的方向(+UBatte—)來傳送在輸出端子224、225處的蓄電池單池電壓，第一半橋240的第一功率半導(dǎo)體241以及第二半橋250的第二功率半導(dǎo)體252被接通并且另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體242、251被斷開。
[0059]功率半導(dǎo)體241、242、251、252能夠借助于依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元230還如此地加以控制，使得當(dāng)在正常運(yùn)行之下時(shí)該蓄電池單池21以負(fù)的方向(_UBatte—)來傳送在輸出端子224、225處的蓄電池單池電壓，第一半橋240的第二功率半導(dǎo)體242以及第二半橋250的第一功率半導(dǎo)體251被接通并且另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體241、252被斷開。
[0060]功能半導(dǎo)體241、242、251、252能夠借助于依據(jù)本發(fā)明的監(jiān)控和控制單元230還如此地加以控制，使得當(dāng)在蓄電池單池21的正常運(yùn)行之下時(shí)可選地可調(diào)節(jié)蓄電池單池21的功能狀態(tài)，在該功能狀態(tài)之下該蓄電池單池不傳送任何輸出電壓。在該狀態(tài)之下或是兩個(gè)半橋240、250的第一功率半導(dǎo)體241、251被接通且另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體242、252被斷開或是兩個(gè)半橋240、250的第二功率半導(dǎo)體242、252被接通且另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體241、252被斷開。
[0061]如果該監(jiān)控和控制單元230從蓄電池單池21的正常運(yùn)行開始借助于蓄電池單池電壓的上面的限制值的超過識(shí)別有威脅的過度充電，那么將借助于該監(jiān)控和控制單元230或是接通兩個(gè)半橋240、250的第一功率半導(dǎo)體241、251且斷開另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體242、252或是替代地接通兩個(gè)半橋240、250的第二功率半導(dǎo)體242、252且斷開另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體241、242。蓄電池單池21然后不再繼續(xù)充電并且能夠由此例如在存在應(yīng)用的蓄電池充電裝置的錯(cuò)誤功能時(shí)安全地保護(hù)免于過度充電。
[0062]如果該監(jiān)控和控制單元230從蓄電池單池21的正常運(yùn)行開始借助于低于蓄電池單池電壓的下面的限制值識(shí)別有威脅的深度放電，那么將借助于該監(jiān)控和控制單元230或是接通兩個(gè)半橋240、250的第一功率半導(dǎo)體241、251且斷開另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體242、252或是替代地接通兩個(gè)半橋240、250的第二功率半導(dǎo)體242、252且斷開另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體
241、242?？赡芙?jīng)由整個(gè)蓄電池系統(tǒng)向外所傳送的電流僅經(jīng)由該蓄電池單池單元221的耦合單元的功率半導(dǎo)體(半導(dǎo)體開關(guān))241、242、251、252流入在此視為依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221的蓄電池單池21。
[0063]如果該監(jiān)控和控制單元230從蓄電池單池21的正常運(yùn)行開始通過過高的放電電流識(shí)別蓄電池單池21的有威脅的過載，例如能夠由于在逆變器中的錯(cuò)誤而作為結(jié)果存在的外部的短路，那么將借助于該監(jiān)控和控制單元230或是接通兩個(gè)半橋240、250的第一功率半導(dǎo)體241、251且斷開另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體242、252或是替代地接通兩個(gè)半橋240、250的第二功率半導(dǎo)體242、252且斷開另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體241、242。然后，沒有電流在流經(jīng)實(shí)際的蓄電池單池21。蓄電池單池因此被保護(hù)免于具有不被允許的高的放電電流的負(fù)擔(dān)。
[0064]如果該監(jiān)控和控制單元230從蓄電池單池21的正常運(yùn)行開始通過在極其低的溫度時(shí)的過高的充電電流識(shí)別蓄電池單池21的有威脅的過載，在該溫度時(shí)蓄電池單池21對(duì)于尤其是在陽極形成鋰涂層方面特別敏感，那么將借助于該監(jiān)控和控制單元230或是接通兩個(gè)半橋240、250的第一功率半導(dǎo)體241、251且斷開另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體242、252或是替代地接通兩個(gè)半橋240、250的第二功率半導(dǎo)體242、252且斷開另外兩個(gè)功率半導(dǎo)體241、
242。然后，沒有電流在流經(jīng)實(shí)際的蓄電池單池21。蓄電池單池因此被保護(hù)免于具有不被允許的高的充電電流的負(fù)擔(dān)。
[0065]如果依據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)安全的蓄電池單池單元221的該監(jiān)控和控制單元230例如在車輛中由蓄電池管理系統(tǒng)211來通知該車輛有事故，那么蓄電池單池21將經(jīng)由兩個(gè)半橋240,250中的一個(gè)半橋或者也經(jīng)由兩個(gè)半橋240、250并行地加以放電。例如，為此將借助于該監(jiān)控和控制單元230接通兩個(gè)半橋240、250中的一個(gè)半橋的第二功率半導(dǎo)體242、252或者也接通兩個(gè)半橋240、250的第二功率半導(dǎo)體242、252并且以所謂的主動(dòng)的運(yùn)行的方式將兩個(gè)半橋240、250中的一個(gè)半橋的第一功率半導(dǎo)體241、251或者也將兩個(gè)半橋240、250的第一功率半導(dǎo)體241、251驅(qū)動(dòng)為可控的電阻。蓄電池單池21的放電也能夠借助于兩個(gè)半橋240、250的第一功率半導(dǎo)體241、251和第二功率半導(dǎo)體241、251的角色互換以相同的方式來實(shí)現(xiàn)。蓄電池單池單元221在其接線端或者輸出端子224、225上不傳送任何電壓并且該蓄電池單池21盡管如此緩慢地放電?？蓪?shí)現(xiàn)的放電電流通過熱損失功率來加以限制，該熱損失功率能夠在連續(xù)運(yùn)行時(shí)被強(qiáng)加至作為可控的電阻來驅(qū)動(dòng)的功率半導(dǎo)體241、251、
242、252。因此，尤其是作為可控的電阻來驅(qū)動(dòng)的功率半導(dǎo)體241、251、242、252包括其熱連接和冷卻在內(nèi)將相應(yīng)于其要求地加以解釋。
[0066]在圖5中示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施形式的蓄電池單池單元221的原理圖。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施形式的該蓄電池單池單元221與在圖4中示出的根據(jù)第一實(shí)施形式的蓄電池單池單元的區(qū)別在于，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施形式的蓄電池單池單元221附加地包括作為超快速放電裝置(超快速放電設(shè)備:UFDD)的放電電路270。對(duì)于依據(jù)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施形式的蓄電池單池單元的相同的構(gòu)件的附圖也使用了相同的附圖標(biāo)記。在此，放電電路270包括連接在正極222和負(fù)極223之間的、由功率半導(dǎo)體271和電阻22組成的串聯(lián)電路并且在該蓄電池單池單元221中借助于流經(jīng)該放電電路270的放電電流來放電該蓄電池單池21。
[0067]如果依據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)安全的蓄電池單池單元221的該監(jiān)控和控制單元230由設(shè)置在具有多個(gè)這樣的蓄電池單池單元221的蓄電池系統(tǒng)之中的蓄電池管理系統(tǒng)211來通知在其中設(shè)置有依據(jù)本發(fā)明的蓄電池系統(tǒng)的該車輛有事故，那么蓄電池單池21經(jīng)由該放電電路270來快速放電。為了支持該放電電路270，蓄電池單池21同時(shí)也經(jīng)由兩個(gè)半橋240、250來放電。為了支持該放電電路，將借助于該監(jiān)控和控制單元230來接通兩個(gè)半橋240、250的兩個(gè)第二功率半導(dǎo)體242、252。蓄電池單池單元21然后在放電期間不傳送任何電壓至其接線端或者輸出端子224、225。該放電電路270能夠如此地設(shè)計(jì)，使得該蓄電池單池21能夠以近乎短路電流的極其大的放電電流來放電。蓄電池單池21由此能夠被非?？斓貛氚踩臓顟B(tài)。由此能夠在車輛層面控制如下情形，在該情形下蓄電池單池21機(jī)械上較大地變形或者通過尖的物體來刺入。
[0068]相似地，在附圖4中所示出的實(shí)施形式中，支持性地借助于該監(jiān)控和控制單元230也能夠?qū)⒃搩蓚€(gè)半橋240、250的第一功率半導(dǎo)體241、251作為可控的電阻驅(qū)動(dòng)入主動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)。
[0069]如果依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221的蓄電池單池例如在UN傳輸測(cè)試的范圍內(nèi)經(jīng)受穿刺測(cè)試或者沖擊測(cè)試或者處于可比較的情形之下，然后該監(jiān)控和控制單元230通過對(duì)蓄電池單池電壓的分析識(shí)別該蓄電池單池21通過電流放電而不是被驅(qū)動(dòng)。該過程的識(shí)別能夠例如通過蓄電池單池21的電壓驟降來實(shí)現(xiàn)。該監(jiān)控和控制單元230此時(shí)立即觸發(fā)經(jīng)由依據(jù)本發(fā)明的放電電路270來放電該蓄電池單池21并且該蓄電池單池21然后實(shí)質(zhì)上通過該放電電路270來放電。
[0070]如果依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221的蓄電池單池暴露于較大的升溫之下則能夠由該監(jiān)控和控制單元230來識(shí)別。因?yàn)橛糜谛铍姵貑纬?1的升溫的時(shí)間常數(shù)通常非常大，所以能夠經(jīng)由依據(jù)本發(fā)明的放電電路270在蓄電池單池21的溫度超過臨界值之前實(shí)時(shí)地引入蓄電池單池21的放電?？蛇x地，蓄電池單池21的房貸呢也能夠經(jīng)由兩個(gè)半橋240、250來實(shí)現(xiàn)。為了支持放電電路270，將借助于該監(jiān)控和控制單元230來接通尤其是兩個(gè)半橋240、250的兩個(gè)第二功率半導(dǎo)體242、252。由此該依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元的蓄電池單池21基本上相較于由如今的現(xiàn)有技術(shù)已知的蓄電池單池更安全。
[0071]在此所介紹的依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221在激活通過在半橋240、250中的開關(guān)狀態(tài)的改變而實(shí)現(xiàn)的安全措施時(shí)保持在輸出端子224、225上施加的蓄電池單池電壓，或者在激活超快速放電裝置(UFDD) 270時(shí)將該量總是保持在小雨例如4.2V的最大允許的蓄電池單池電壓。這同樣示出了相較于如今的現(xiàn)有技術(shù)的顯著的改善，因?yàn)榉駝t例如在激活蓄電池單池內(nèi)部的保險(xiǎn)絲時(shí)將會(huì)存在非常高的負(fù)的電壓，該電壓在電動(dòng)車輛蓄電池中能夠達(dá)到直至-400V，這將會(huì)給蓄電池管理系統(tǒng)的電子裝置帶來大的問題。
[0072]在此所介紹的依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221并不限于鋰離子蓄電池單池。該蓄電池單池單元也能夠包括其他蓄電池技術(shù)例如鎳金屬氫化物蓄電池單池。
[0073]在此所示出的依據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)安全的具有可換極的輸出端子的蓄電池單池21的蓄電池單池221能夠省去之前使用的過度充電安全裝置(OSD)和蓄電池單池保險(xiǎn)絲(單池保險(xiǎn)絲)。為了提高安全性而在機(jī)械變形或者擊穿時(shí)使用的措施例如具有集成的穿刺安全裝置能夠要么被省去或者至少基本上更簡單地加以實(shí)施。在此所介紹的依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221能夠構(gòu)建蓄電池系統(tǒng)，蓄電池管理系統(tǒng)211對(duì)于該蓄電池系統(tǒng)提出比由現(xiàn)有技術(shù)已知的蓄電池系統(tǒng)基本山更少的要求。該蓄電池管理系統(tǒng)211的電子裝置能夠因此明顯地僅僅開發(fā)具有通常的質(zhì)量安全措施(ASIL級(jí)別QM)并且不必滿足ASILC級(jí)。該蓄電池系統(tǒng)的安全性能夠相較于如今的現(xiàn)有技術(shù)明顯地得以改善。在此所介紹的依據(jù)本發(fā)明的電的本質(zhì)安全的蓄電池單池單元221的使用的一個(gè)示例為在圖6中所示出的蓄電池直流逆變器210。
[0074]緣于在此所介紹的依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221的功能性，即蓄電池單池電壓在蓄電池單池21的接線端處得以換極，所以依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221又使其適于在具有分步可調(diào)的輸出電壓的這樣的蓄電池直流逆變器210中使用。
[0075]在圖6中所示出的蓄電池直流逆變器210是具有分步可調(diào)的輸出電壓的三相的蓄電池系統(tǒng)。該蓄電池直流逆變器210包括三個(gè)蓄電池組280、290、300，它們分別具有由多個(gè)依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單池單元221所組成的串聯(lián)電路。蓄電池組20、290、300的該串聯(lián)電路分別經(jīng)由充電和分離裝置40與正的蓄電池組極281、291、301相連接并且分別經(jīng)由分離裝置50與負(fù)的蓄電池組極282、292、302相連接。
[0076]其中，依據(jù)本發(fā)明如此地控制該些蓄電池單池或者蓄電池模塊，使得其運(yùn)行參數(shù)位于相應(yīng)的限制值之內(nèi)，該限制值對(duì)于安全的運(yùn)行是必須的。
[0077]所以，鋰離子蓄電池單池典型地在一個(gè)電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，Umin至Umax為2.8V至
4.2V,或者優(yōu)選地為3.0V至4.2V。這尤其是對(duì)于值Umin_safety或者Umax_safety的安全性重要是有效的。該數(shù)據(jù)然而也適用于待測(cè)量的電壓UBatteriezelle處于空載，也就是說，當(dāng)無電流流經(jīng)該蓄電池單池時(shí)。其中必須無條件地注意該限制值，因?yàn)榉駝t該電子裝置將承受損壞。
[0078]蓄電池單池的空載電壓基本上取決于其充電狀態(tài)。其中，典型地，假設(shè)在電壓UBatteriezelle為2.8V時(shí)充電狀態(tài)SCO為0%，在為3.5V時(shí)充電狀態(tài)為20%，在為4.2V時(shí)充電狀態(tài)為100%，其中，該些值也分別與陰極、陽極和/或所使用的電解質(zhì)的類型和材料有關(guān)。
[0079]當(dāng)有電流流經(jīng)蓄電池單池時(shí)，蓄電池單池電壓UBatteriezelle與上面的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)有偏差。假設(shè)空載電壓為3.5V并且蓄電池單池的內(nèi)阻在25°C時(shí)為ΙΟπιΩ。在充電電流為100Α時(shí)，然后得出待測(cè)量的電壓值UBatteriezelle為3.5V+1.0V=4.5V。然而，當(dāng)溫度為0°C時(shí)該蓄電池單池的內(nèi)阻例如為50πιΩ，這使得在例如放電電流為50Α時(shí)得出電壓值UBatteriezelle為3.5V減去2.5V=1.0V。由于所應(yīng)用的控制和所應(yīng)用的傳感器，在環(huán)境溫度時(shí)或在0°C時(shí)并不能達(dá)到該電壓值。通常來說，在蓄電池單池的運(yùn)行中該值的Umax的值能夠位于4.2V至5.0V之間并且該值的Umin的值能夠位于1.5V至4.2V之間，優(yōu)選地在
1.8V至4.15V之間，該值然而并不涉及空載電壓。
[0080]上面的電壓值適用于單個(gè)的蓄電池單池。對(duì)于蓄電池模塊來說，將取決于有多少個(gè)單池串聯(lián)或者并聯(lián)連接。所以，所允許的模塊空載電壓U蓄電池模塊位于nX2.8V至η X 4.2V之間，其中，η代表相互間串聯(lián)連接的蓄電池單池的數(shù)量。
[0081]用于鋰離子蓄電池單池的溫度的界限值例如位于Tmin=-40°C并且Tmax=30°C至50 °C優(yōu)選地為30 °C至45 °C最為優(yōu)選地35 °C至40 °C。出于安全性方面，最大溫度Tmax-safety應(yīng)該不超過在46°C至80°C,優(yōu)選地50°C至60°C。此外,最大外部溫度Tau β en應(yīng)該不超過40°C，在該溫度時(shí)蓄電池單池運(yùn)行。
[0082]通過蓄電池單池的蓄電池電流不應(yīng)該在-1000A至+1000A，優(yōu)選為-600A至+600A,更為優(yōu)選地在-500A至+500A，再優(yōu)選地在-450A至+450A，并且再優(yōu)選地在-350A至+350A的范圍之外。
[0083]蓄電池單池的內(nèi)部壓力應(yīng)該不離開壓力范圍2巴至8巴之間優(yōu)選地為在3巴至7巴之間。
[0084]上述的討論示例性地用于鋰離子蓄電池單池或者鋰離子蓄電池模塊，其中，所給出的值尤其是對(duì)于具有作為用于陰極的活性材料的氧化鋰錳鈷的鋰離子蓄電池單池。然而，本發(fā)明并不限于這樣的蓄電池單池，尤其是并不限于鋰離子蓄電池單池。因此，在實(shí)踐中，待選擇的運(yùn)行參數(shù)的數(shù)值取決于相應(yīng)的蓄電池單池類型。
[0085]除了以上書面的公開之外，本發(fā)明的另外的公開在此將補(bǔ)充在圖1至圖6中所示出的圖示。
【權(quán)利要求】
1.一種具有蓄電池單池(21)和用于監(jiān)控所述蓄電池單池(21)的功能狀態(tài)的監(jiān)控和控制單元(230)的蓄電池單池單元(221)，其特征在于，在所述蓄電池單池單元(21)中設(shè)置有具有兩個(gè)半橋(240、250)的耦合單元，所述半橋分別包括與所述蓄電池單池(21)的正極(222)耦合的第一功率半導(dǎo)體(241、251)、與所述蓄電池單池(21)的負(fù)極(223)耦合的第二功率半導(dǎo)體(242、252)和中間連接端并且經(jīng)由相應(yīng)的中間連接端與所述蓄電池單池單元(221)的相應(yīng)的另一個(gè)輸出端子(224、225)相連接，其中，所述蓄電池單池單元(21)被設(shè)置為在所述耦合單元的正常運(yùn)行下借助于通過所述監(jiān)控和控制單元(23)的控制如此地運(yùn)行，以接通半橋(240、250)的所述第一功率半導(dǎo)體(241、251)和所述另一個(gè)半橋(240、250)的所述第二功率半導(dǎo)體(242、252)并且斷開所述半橋(240、250)的所述分別另一個(gè)功率半導(dǎo)體(241、242、251、252)，從而使得所述蓄電池單池(21)的蓄電池單池電壓可選地以正的或者負(fù)的方向施加至所述蓄電池單池單元(221)的所述輸出端子(224、225)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池單池單元(221)，其中，所述蓄電池單池(221)還被設(shè)置為在所述正常運(yùn)行下借助于通過所述監(jiān)控和控制單元(23)的控制如此地控制所述耦合單元，以接通所述第一功率半導(dǎo)體(241、251)或所述第二功率半導(dǎo)體(242、252)，從而使得無蓄電池單池電壓施加至所述蓄電池單池電壓(221)的所述輸出端子(224、225)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的蓄電池單池(221)，其中，所述監(jiān)控和控制單元(221)被構(gòu)造為監(jiān)控所述蓄電池單池(21)的蓄電池單池電壓和/或流經(jīng)所述蓄電池單池的電流并且在存在其量超過上面的電壓限制值的蓄電池單池電壓時(shí)和/或在存在其量低于下面的電壓限制值的蓄電池單池電壓時(shí)和/或在存在其量超過預(yù)先確定的充電電流限制值時(shí)和/或在存在其量低于預(yù)先確定的放電電流限制值時(shí)如此地控制用于調(diào)節(jié)所述蓄電池單池(21)的、在該功能狀態(tài)中無電流流經(jīng)所述蓄電池單池(21)的功能狀態(tài)的所述耦合單元的所述功率半導(dǎo)體(241、242、251、252)，從而接通所述半橋(240、250)的所述第一功率半導(dǎo)體(241,251)或者所述第二功率半導(dǎo)體(242、252)并且斷開所述半橋(240、250)的所述第二功率半導(dǎo)體(242、252)或 者所述第一功率半導(dǎo)體(241、251)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的蓄電池單池電壓(221)，其中，所述監(jiān)控和控制單元(230)被構(gòu)造為借助于尤其是通過蓄電池管理系統(tǒng)通信的信息和/或測(cè)量的所述蓄電池單池(21)的單元溫度的分析和/或所述蓄電池單池電壓的分析來識(shí)別危險(xiǎn)情形的存在，尤其是在單元溫度超過預(yù)先確定的溫度限制值時(shí)和/或在所述蓄電池單池電壓的電壓驟降時(shí)，并且在存在所述危險(xiǎn)情形時(shí)為了放電所述蓄電池單池(21)如此地控制所述耦合單元，使得在所述半橋(240、250)中的至少一個(gè)中接通所述相應(yīng)的第一功率半導(dǎo)體(241、251)或者所述相應(yīng)的第二功率半導(dǎo)體(242、252)并且將所述相應(yīng)的另一個(gè)功率半導(dǎo)體(241、242、251、252 )設(shè)置于主動(dòng)的運(yùn)行之下。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的蓄電池單池電壓(221)，其中，所述蓄電池單池單元(221)包括與所述蓄電池單池(21)的所述極(222、223)耦合的放電電路(270)，尤其是具有由功率半導(dǎo)體(271)和電阻(272)組成的串聯(lián)電路的放電電路(270)，并且被構(gòu)造為在存在危險(xiǎn)情形時(shí)如此地控制所述放電電路(270)，所得所述蓄電池單池(21)的放電借助于所述放電電路(270)來實(shí)現(xiàn)，尤其是以相應(yīng)于所述蓄電池單池的短路電流中的預(yù)先確定的一部分的流經(jīng)所述放電電路(270 )的放電電路來放電所述蓄電池單池。
6.一種用于借助于在蓄電池單池裝置(221)中設(shè)置的監(jiān)控和控制單元(230)來監(jiān)控在所述蓄電池單池裝置(221)中設(shè)置的蓄電池單池(21)的方法，其特征在于，所述蓄電池單池(21)借助于在所述蓄電池單池電壓(221)中設(shè)置的耦合單元來驅(qū)動(dòng)，所述耦合單元包括兩個(gè)形成全橋的、由功率半導(dǎo)體(241、242、251、252)組成的半橋(240、250)，其中，倘若通過所述監(jiān)控和控制單元(230)確定于所述蓄電池單池(21)的正常運(yùn)行有偏差的所述蓄電池單池(21)的錯(cuò)誤情形或者危險(xiǎn)情形，則所述蓄電池單池借助于所述耦合單元的控制和/或與所述蓄電池單池(21)的所述極(222、223)耦合的用于快速放電所述蓄電池單池(21)的放電電路(270)設(shè)置于安全的狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，借助于所述監(jiān)控和控制單元(221)來監(jiān)控所述蓄電池單池(21)的蓄電池單池電壓和/或流經(jīng)所述蓄電池單池的電流并且在存在其量低于下面的電壓限制值的蓄電池單池電壓時(shí)和/或在存在其量超過預(yù)先確定的充電電流限制值的充電電流時(shí)和/或在存在其量超過預(yù)先確定的放電電流限制值的放電電流時(shí)將所述耦合單元的所述功率半導(dǎo)體(241、242、251、252)設(shè)置于在其中無電流流經(jīng)所述蓄電池單池(21)的開關(guān)狀態(tài)之下。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，通過所述監(jiān)控和控制單元(230)借助于尤其是通過所述蓄電池管理系統(tǒng)通信的信息和/或測(cè)量的蓄電池單池(21)的單元溫度的分析和/或所述蓄電池單池電壓的分析來確定危險(xiǎn)情形的存在，尤其是在單元溫度超過預(yù)先確定的溫度限制值時(shí)和/或所述蓄電池單池電壓的電壓驟降時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在存在所述危險(xiǎn)情形時(shí)為了放電所述蓄電池單池(21)，所述耦合單元如此地被控制，使得在所述半橋(240、250)中的至少一個(gè)中分別接通功率半導(dǎo)體(241、242、251、252)并且將所述相應(yīng)的另一個(gè)功率半導(dǎo)體(241、242、251、252 )驅(qū)動(dòng)進(jìn)入主動(dòng)的運(yùn)行作為可控的電阻。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在存在所述危險(xiǎn)情形時(shí)所述蓄電池單池(21)借助于所述放電電路(270)以流經(jīng)所述放電電路(270)的放電電流來放電，所述放電電流相應(yīng)于所述蓄電池單池(21)的短路電流的預(yù)先確定的一部分。
11.一種蓄電池系統(tǒng)(210)，其包括具有至少一個(gè)蓄電池組(280、290、300)和蓄電池管理系統(tǒng)(211)的蓄電池，在所述至少一個(gè)蓄電池組中設(shè)置有多個(gè)依據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的蓄電池單池單元(221)，其中，所述蓄電池管理系統(tǒng)(211)被構(gòu)造為與所述蓄電池單池單元(221)的所述監(jiān)控和控制單元(230)通信。
【文檔編號(hào)】H01M10/42GK104051803SQ201410096251
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】H·芬克 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會(huì)社