DE102013209393A1 - Battery cell module and method of operating a battery cell module - Google Patents

Battery cell module and method of operating a battery cell module Download PDF

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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Abstract

Es wird ein Batteriezellmodul (10) mit einer Batteriezelle (11) und einer integrierten Zellelektronik beschrieben, wobei die Batteriezelle (11) dazu vorgesehen ist, in einer Serienschaltung aus mehreren Batteriezellen (11) in einer Batterie angeordnet zu werden. Dabei wird die Batterie im Normalbetrieb von einem Batteriestrom durchflossen. Ferner umfasst die Zellelektronik eine Anordnung (18) aus leistungselektronischen Halbleiterschaltern (12, 13), die in dem Normalbetrieb gemäß einer ersten Schalterstellungskombination geschaltet sind und zur Verhinderung einer Fehlfunktion in eine zweite Schalterstellungskombination geschaltet werden können, bei der der Batteriestromfluss durch die Batterie aufrechterhalten werden kann.
Ferner wird ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben eines Batteriezellmoduls (11) beschrieben. A battery cell module (10) with a battery cell (11) and integrated cell electronics is described, wherein the battery cell (11) is intended to be arranged in a series connection of a plurality of battery cells (11) in a battery. In this case, the battery is traversed by a battery current in normal operation. Furthermore, the cell electronics comprise an assembly (18) of electronic power semiconductor switches (12, 13), which are connected in normal operation according to a first switch position combination and can be switched to prevent malfunction in a second switch position combination in which the battery current flow are maintained by the battery can.
Furthermore, an associated method for operating a battery cell module (11) is described.

Figure DE102013209393A1_0001
Figure DE102013209393A1_0001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellmodul mit einer Batteriezelle und einer integrierten Zellelektronik, wobei die Batteriezelle dazu vorgesehen ist, in einer Serienschaltung aus mehreren Batteriezellen in einer Batterie angeordnet zu werden. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben eines Batteriezellmoduls, mit dem die Eigensicherheit des Batteriezellmoduls erhöht werden kann.The present invention relates to a battery cell module having a battery cell and an integrated cell electronics, wherein the battery cell is intended to be arranged in a series circuit of a plurality of battery cells in a battery. Furthermore, the invention relates to an associated method for operating a battery cell module, with which the intrinsic safety of the battery cell module can be increased.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Dabei sind die einzelnen Batteriezellen typischerweise jeweils als eigenständige Einheit ausgebildet, die die Zellchemie wie Wickel, Elektrolyt, und so weiter umfasst, wobei die chemischen Bestandteile in einem mechanischen Zellgehäuse der jeweiligen Batteriezelle eingebaut sind. It is becoming apparent that in the future, battery systems will increasingly be used in stationary applications as well as in vehicles such as hybrid and electric vehicles. In order to meet the voltage and available power requirements of a particular application, a large number of battery cells are connected in series. The individual battery cells are typically each formed as an independent unit, which includes the cell chemistry such as winding, electrolyte, and so on, wherein the chemical components are installed in a mechanical cell housing of the respective battery cell.

Der Ausfall einer Batteriezelle kann wegen der Serienschaltung zum Ausfall der Batterie und dieser wiederum zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen, weshalb insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Batterie gestellt werden. Daher werden für jede Batteriezelle jeweils bestimmte Sicherheitsmaßnahmen angewandt, die die Sicherheit der Batteriezelle gewährleisten sollen. Die Sicherheitsmaßnahmen können unterteilt werden in chemische Maßnahmen, das heißt die Zellchemie betreffende Maßnahmen, und mechanische Maßnahmen, die beispielsweise die interne oder externe Verschaltung zur Batteriezelle betreffen. Dabei umfassen die chemischen Maßnahmen unter anderem die Verwendung von Aktivmaterialien und die Zugabe von Additiven. Als mechanische Maßnahme kommt üblicherweise der Einsatz einer Sicherung in der Zelle in Betracht.The failure of a battery cell can lead to failure of the battery due to the series connection to the failure of the battery and this in turn to a failure of the overall system, which is why high demands are placed on the reliability of the battery especially for safety-related applications. Therefore, for each battery cell certain security measures are applied to ensure the safety of the battery cell. The security measures can be subdivided into chemical measures, that is to say the measures relating to cell chemistry, and mechanical measures, which concern, for example, the internal or external connection to the battery cell. The chemical measures include the use of active materials and the addition of additives. As a mechanical measure is usually the use of a fuse in the cell into consideration.

Insbesondere die diversen mechanischen Maßnahmen führen dazu, dass im Falle eines Überstroms oder der Überladung ein Stromfluss der Batterie unterbrochen wird, so dass das Gesamtbatteriesystem nicht mehr verfügbar ist. Dies ist beispielsweise bei der Verwendung einer Zell-Sicherung der Fall.In particular, the various mechanical measures cause a current flow of the battery is interrupted in the event of overcurrent or overcharging, so that the overall battery system is no longer available. This is the case, for example, when using a cell backup.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Batteriezellmodul mit einer Batteriezelle und einer integrierten Zellelektronik zur Verfügung gestellt, wobei die Batteriezelle dazu vorgesehen ist, in einer Serienschaltung aus mehreren Batteriezellen in einer Batterie angeordnet zu werden. Dabei wird die Batterie im Normalbetrieb von einem Batteriestrom durchflossen. Die Zellelektronik umfasst eine Anordnung aus leistungselektronischen Halbleiterschaltern, die in dem Normalbetrieb gemäß einer ersten Schalterstellungskombination geschaltet sind. Die Halbleiterschalter sind ferner so angeordnet, dass sie zur Verhinderung einer Fehlfunktion der Batteriezelle in eine zweite Schalterstellungskombination geschaltet werden können, bei der der Batteriestromfluss durch die Batterie aufrechterhalten werden kann. According to the invention, a battery cell module with a battery cell and integrated cell electronics is made available, wherein the battery cell is intended to be arranged in a series connection of a plurality of battery cells in a battery. In this case, the battery is traversed by a battery current in normal operation. The cell electronics comprises an arrangement of electronic power semiconductor switches, which are connected in the normal operation according to a first switch position combination. The semiconductor switches are further arranged to be switched to a second switch position combination for preventing malfunction of the battery cell, wherein the battery current flow through the battery can be maintained.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriezellmoduls, das eine Batteriezelle und eine integrierte Zellelektronik umfasst, wobei die Batteriezelle in einer Serienschaltung aus mehreren Batteriezellen in einer Batterie angeordnet ist. Die Batterie wird im Normalbetrieb von einem Batteriestrom durchflossen. Zur Erhöhung der Eigensicherheit des Batteriezellmodus werden in der Zellelektronik angeordnete leistungselektronische Halbleiterschalter angesteuert, wobei die Halbleiterschalter im Normalbetrieb gemäß einer ersten Schalterstellungskombination betrieben werden. Bei Auftreten eines sicherheitskritischen Zustandes Batterie werden die Halbleiterschalter zur Verhinderung einer Fehlfunktion in eine zweite Schalterstellungskombination geschaltet, bei der der Batteriestromfluss durch die Batterie aufrechterhalten werden kann. In der zweiten Schalterstellungskombination ist dabei die Batteriezelle zumindest einseitig vom Batteriestromkreis getrennt. Furthermore, the invention relates to a method for operating a battery cell module comprising a battery cell and an integrated cell electronics, wherein the battery cell is arranged in a series circuit of a plurality of battery cells in a battery. The battery is traversed by a battery current during normal operation. To increase the intrinsic safety of the battery cell mode, power electronic semiconductor switches arranged in the cell electronics are actuated, the semiconductor switches being operated in normal operation according to a first switch position combination. Upon the occurrence of a safety-critical battery condition, the semiconductor switches are switched to a second switch position combination to prevent malfunction in which the battery current flow through the battery can be maintained. In the second switch position combination, the battery cell is separated from the battery circuit at least on one side.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine hohe Eigensicherheit des Batteriezellmoduls zur Verfügung gestellt werden kann. Weiterhin wird es durch die Erfindung ermöglicht, den Energieinhalt pro Batteriezelle zu steigern, beispielsweise indem nunmehr eine weniger sichere Chemie verwendet werden kann. Ferner können aufgrund der erfindungsgemäß pro Batteriezelle inhärent zur Verfügung gestellten Sicherheit die Sicherheitsanforderungen an das Batteriemanagementsystem signifikant gesenkt werden. Gleichzeitig wird die Verfügbarkeit der Batterie heraufgesetzt, was insbesondere dadurch erreicht wird, dass im Fehlerfall eine Überbrückung der Batteriezelle durch die in die Zellelektronik integrierten leistungselektronischen Halbleiterschalter geschieht. Somit wird insgesamt eine Lösung zur Erhöhung der Eigensicherheit einer Batteriezelle und zur Sicherung einer Batterie geschaffen, bei der insbesondere im sicherheitskritischen Fall ein Fehler oder eine Fehlfunktion automatisch vermieden werden kann. So kann insbesondere automatisch verhindert werden, dass eine Zerstörung der Batteriezelle durch einen beibehaltenen durch die Batteriezelle beziehungsweise deren Zellchemie fließenden Überstrom erfolgt. Gleichzeitig bleibt jedoch die Batterie als solches weiterhin funktionsfähig, da der Batteriestrom an sich durch die gewählte Schalterstellungskombination aufrechterhalten werden kann. Damit kann effektiv auf individuelle Anforderungen der Batteriezelle reagiert werden. Dieses vorteilhafte Verhalten des Batteriezellmoduls wird aufgrund der Verwendung von leistungselektronischen Halbleiterschaltern insbesondere auch bei hohen Strömen ermöglicht. An advantage of the invention is that a high intrinsic safety of the battery cell module can be provided. Furthermore, it is possible by the invention to increase the energy content per battery cell, for example, by now a less secure chemistry can be used. Furthermore, due to the invention per each battery cell inherently provided security, the safety requirements for the battery management system can be significantly reduced. At the same time, the availability of the battery is increased, which is achieved in particular by the fact that, in the event of a fault, the battery cell is bridged by the electronic power semiconductor switches integrated into the cell electronics. Thus, a solution for increasing the intrinsic safety of a battery cell and for securing a battery is provided on the whole, in which an error or a malfunction can be automatically avoided, in particular in the safety-critical case. Thus, in particular, it can be automatically prevented that destruction of the battery cell is caused by a retained overcurrent flowing through the battery cell or its cell chemistry he follows. At the same time, however, the battery remains functional as such, since the battery current can be maintained per se by the selected switch position combination. This can be effectively responded to individual requirements of the battery cell. This advantageous behavior of the battery cell module is possible due to the use of electronic power semiconductor switches especially at high currents.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden die Halbleiterschalter in einer Halbrücken-Konfiguration angeordnet. Genauer gesagt weist dabei die erfindungsgemäße Anordnung aus leistungselektronischen Halbleiterschaltern eine mit den Batteriezellenterminals gekoppelte Halbbücken-Konfiguration mit einem ersten Halbleiterschalter und einem zweiten Halbleiterschalter auf.According to one embodiment of the invention, the semiconductor switches are arranged in a half-bridge configuration. More precisely, the inventive arrangement of electronic power semiconductor switches has a half-bridge configuration coupled to the battery cell terminals with a first semiconductor switch and a second semiconductor switch.

Bevorzugt wird der erste Halbleiterschalter zwischen einer ersten Batterieelektrode und einem ersten Batteriezellenterminal angeordnet, wobei der zweite Halbleiterschalter zwischen einer zweiten Batterieelektrode und einem zweiten Batteriezellenterminal angeordnet wird. Preferably, the first semiconductor switch is disposed between a first battery electrode and a first battery cell terminal, wherein the second semiconductor switch is disposed between a second battery electrode and a second battery cell terminal.

Damit wird auf eine einfache Art und Weise eine zumindest einpolige Trennung der Batteriezelle ermöglicht, wodurch die Batteriezelle zuverlässig geschützt werden kann und gleichzeitig der Betrieb der Batterie beibehalten werden kann. This allows a simple way at least a single-pole separation of the battery cell, whereby the battery cell can be reliably protected and at the same time the operation of the battery can be maintained.

So ist vorzugsweise in einem „Gut“-Zustand der Batteriezelle, das heißt, in einem Normalbetrieb, der erste Schalter immer leitend, wohingegen in einem „Schlecht“-Zustand, der eine Gefährdung durch entstehenden Brand oder eine Explosion hervorrufen könnte, der erste Schalter gesperrt und der zweite Schalter leitend wird, so dass die betroffene Zelle überbrückt wird.Thus, in a "good" state of the battery cell, that is, in normal operation, the first switch is always conductive, whereas in a "bad" state, which could cause fire or explosion hazard, the first switch locked and the second switch is turned on, so that the affected cell is bridged.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Zellelektronik ferner einen Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis zur Überwachung der Batteriezelle auf, wobei der Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis dazu eingerichtet ist, die leistungselektronischen Halbleiterschalter anzusteuern. Damit kann die Eigensicherheit des Batteriezellmoduls auf besonders zuverlässige Weise sichergestellt werden. According to a very advantageous embodiment of the invention, the cell electronics further comprises a drive and monitoring circuit for monitoring the battery cell, wherein the drive and monitoring circuit is adapted to drive the electronic power semiconductor switches. Thus, the intrinsic safety of the battery cell module can be ensured in a particularly reliable manner.

Es wird bevorzugt, den erfindungsgemäßen Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis derart autonom zu gestalten, dass insbesondere eine Unabhängigkeit gegenüber einer zentralen Batteriesteuerungseinheit und sonstigen in der Batterie oder anderen Batteriezellen angeordneten Ansteuerungs- oder Überwachungsmodulen besteht. So kann der erfindungsgemäße Ansteuerungsund Überwachungsschaltkreis auf unabhängig Weise eigene Entscheidungsalgorithmen anwenden und die Funktionsfähigkeit der Batteriezelle und damit der Batterie gewährleisten. It is preferred to make the drive and monitoring circuit according to the invention autonomous in such a way that, in particular, there is independence from a central battery control unit and other control or monitoring modules arranged in the battery or other battery cells. Thus, the drive and monitoring circuit according to the invention can independently apply its own decision algorithms and ensure the functionality of the battery cell and thus the battery.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ferner eine Batterie mit einem oder mehreren Batteriesträngen und einer Batteriesteuerungseinheit geschaffen, wobei zumindest einer der Batteriestränge ein Batteriezellmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. Die den Batteriezellen zugehörigen Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreise können jeweils in der Batteriezelle oder auf der Batteriezelle integriert sein. According to one aspect of the invention, there is further provided a battery having one or more battery strings and a battery control unit, wherein at least one of the battery strings has a battery cell module according to any one of the preceding claims. The drive and monitoring circuits associated with the battery cells can each be integrated in the battery cell or on the battery cell.

In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass im Rahmen dieser Anmeldung der Begriff „Batteriezellmodul“ auch synonym für „Batteriezelle“ verwendet werden kann. Eine begriffliche Unterscheidung erfolgt hauptsächlich, um zu verdeutlichen, dass eine „Umleitung“ von Batteriestrom innerhalb des Batteriezellmoduls geschehen kann. In this context, it is noted that in the context of this application, the term "battery cell module" synonymous with "battery cell" can be used. A conceptual distinction is made primarily to clarify that a "redirection" of battery power can occur within the battery cell module.

So kann die erfindungsgemäße Batteriezelle beziehungsweise das Batteriezellmodul eine Hardcase-Batteriezelle sein, in oder auf dessen Gehäuse die erfindungsgemäße Halbleiterschalter-Anordnung integriert ist.Thus, the battery cell according to the invention or the battery cell module may be a hardcase battery cell, in or on the housing of the semiconductor switch assembly according to the invention is integrated.

Bevorzugt ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. The battery cell is preferably a lithium-ion battery cell.

Der in den Batteriezellmodulen angeordnete Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis kann dazu eingerichtet sein, mittels einer Überwachung von Betriebsparametern, insbesondere einer Zellspannung und/oder eines durch die Batteriezelle fließenden Stroms und/oder einer Temperatur der Batteriezelle und/oder eines Innendrucks der Batteriezelle, zu bestimmen, ob ein sicherheitskritischer Zustand der Batteriezelle vorliegt. The drive and monitoring circuit arranged in the battery cell modules can be set up to determine by means of a monitoring of operating parameters, in particular a cell voltage and / or a current flowing through the battery cell and / or a temperature of the battery cell and / or an internal pressure of the battery cell, whether a safety-critical condition of the battery cell is present.

Dadurch kann die autonome Sicherheit des Batteriezellmoduls, je nach Anwendungsfall, abgestimmt auf die jeweiligen Erfordernisse geeignet implementiert werden. As a result, the autonomous safety of the battery cell module, depending on the application, can be suitably implemented to suit the respective requirements.

In einer praktischen Weiterbildung der Erfindung weist der Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis Komparatoren auf, die insbesondere als Fensterkomparatoren ausgelegt sein können und zur Überwachung der Betriebsparameter mit geeigneten Grenzwerten betrieben werden. Die Zellelektronik kann ferner eine Logikschaltung aufweisen, die Signale aus den Komparatoren ausliest und verarbeitet. In a practical development of the invention, the drive and monitoring circuit comparators, which can be designed in particular as a window comparator and are operated to monitor the operating parameters with suitable limits. The cell electronics may further comprise a logic circuit which reads out and processes signals from the comparators.

Die zur Bestimmung der Betriebsparameter verwendeten Detektionsmittel, wie beispielsweise Temperatursensor oder Stromsensor, können auch direkt auf der Batteriezelle integriert sein. Alternativ kann beispielsweise der Stromsensor auch extern angeordnet sein.The detection means used to determine the operating parameters, such as temperature sensor or current sensor, may also be integrated directly on the battery cell. Alternatively, for example, the current sensor may also be arranged externally.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor zur Verfügung gestellt, das die erfindungsgemäße Batterie aufweist. Dabei ist die Batterie mit einem Antriebsstrang des Elektromotors verbunden. According to one aspect of the invention, a motor vehicle is provided with an electric motor having the battery according to the invention. The battery is connected to a drive train of the electric motor.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 ein Batteriezellmodul mit einer Batteriezelle und einer integrierten Anordnung aus Halbleiterschaltern, mit denen die Batteriezelle in einem sicherheitskritischen Zustand überbrückt wird, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und 1 a battery cell module having a battery cell and an integrated arrangement of semiconductor switches, with which the battery cell is bridged in a safety-critical state, according to a first embodiment of the invention, and

2 ein Batteriezellmodul mit einer Batteriezelle und einer integrierten Anordnung aus Halbleiterschaltern nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei im Unterschied zu der 1 zusätzlich ein Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis des Batteriezellmoduls gezeigt ist. 2 a battery cell module with a battery cell and an integrated arrangement of semiconductor switches according to a second embodiment of the invention, wherein, in contrast to the 1 additionally a drive and monitoring circuit of the battery cell module is shown.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist Batteriezellmodul 10 mit einer Batteriezelle 11, wobei die Batteriezelle 11 eine erste Batterieelektrode 16 und eine zweite Batterieelektrode 17 umfasst, und einer integrierten Anordnung 18 aus Halbleiterschaltern 12, 13, mit denen die Batteriezelle 11 in einem sicherheitskritischen Zustand überbrückt wird, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Sicherheit der Batteriezelle 11 durch Integration von leistungselektronischen Halbleiterschaltern 12, 13 zu erhöhen. Dazu werden die leistungselektronischen Haltleiterschaltern 12, 13 so angeordnet, dass ein Abkoppeln der Batteriezelle 11 in einer Gefährdungssituation zuverlässig erreicht wird. Die Batteriezellmodul 10 weist Batteriezellterminals 14, 15 auf, die mit den Halbleiterschaltern 12, 13 verbunden sind, wie in der Figur gezeigt. Dabei sind die Halbleiterschalter 12, 13 gemäß einer Halbbrücken-Konfiguration 18 verschaltet. In the 1 is battery cell module 10 with a battery cell 11 , wherein the battery cell 11 a first battery electrode 16 and a second battery electrode 17 includes, and an integrated arrangement 18 from semiconductor switches 12 . 13 with which the battery cell 11 is bridged in a safety-critical state, according to a first embodiment of the invention. It is proposed according to the invention, the safety of the battery cell 11 through integration of electronic power semiconductor switches 12 . 13 to increase. These are the electronic power semiconductor switches 12 . 13 arranged so that uncoupling the battery cell 11 is achieved reliably in a hazardous situation. The battery cell module 10 has battery cell terminals 14 . 15 on that with the semiconductor switches 12 . 13 are connected as shown in the figure. Here are the semiconductor switches 12 . 13 according to a half-bridge configuration 18 connected.

Im Normalbetrieb, wenn das Batteriezellmodul 10 sich in einem „Gut“-Zustand befindet, in dem die Betriebsparameter der Batteriezelle 11 sich innerhalb normaler Grenzen bewegen, ist bei dieser Konfiguration der Halbleiterschalter 12, der mit dem positiven Batteriezellterminal 14 verbunden ist, immer leitend. Befindet sich dahingegen das Batteriezellmodul 10 in einem „Schlecht“-Zustand, bei dem die Betriebsparameter der Batteriezelle 11 auf einen sicherheitskritischen Bereich befinden, beispielsweise mit einer erhöhten Zelltemperatur, ist der Halbleiterschalter 12 gesperrt und der mit dem negativen Batteriezellenterminal 15 des Batteriezellmoduls 10 verbundene Haltleiterschalter 13 leitend, so dass die betroffene Batteriezelle 11 überbrückt beziehungsweise umgangen wird. Im überbrückten Zustand werden die Batteriezellenterminals 14, 15 leitend miteinander verbunden, wohingegen die Batteriezelle 11 von den Batteriezellterminals 14, 15 zumindest einseitig abgekoppelt wird. Der dem „Schlecht“-Zustand zugehörige Schaltzustand wird gewählt beziehungsweise automatisch angesteuert, wenn sich aus den Messungen des Batteriezustandes beziehungsweise des Zustandes des Batteriezellmoduls 10 oder der Batteriezelle 11 ein Hinweis auf eine Gefährdung ergibt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein Zustand festgestellt wird, der einen Brand oder eine Explosion hervorrufen könnte, also beispielsweise bei erhöhtem Innendruck und/oder erhöhter Temperatur der Batteriezelle 11. In normal operation, when the battery cell module 10 is in a "good" state in which the operating parameters of the battery cell 11 moving within normal limits is the semiconductor switch in this configuration 12 That with the positive battery cell terminal 14 connected, always conductive. On the other hand, is the battery cell module 10 in a "bad" condition where the operating parameters of the battery cell 11 are located on a safety critical area, for example, with an increased cell temperature, is the semiconductor switch 12 locked and the one with the negative battery cell terminal 15 of the battery cell module 10 connected semiconductor switches 13 conductive, leaving the affected battery cell 11 bridged or bypassed. In the bridged state, the battery cell terminals become 14 . 15 conductive interconnected, whereas the battery cell 11 from the battery cell terminals 14 . 15 uncoupled at least on one side. The switching state associated with the "bad" state is selected or automatically controlled, if it results from the measurements of the battery state or the state of the battery cell module 10 or the battery cell 11 an indication of a hazard. This is especially the case when a condition is detected which could cause a fire or an explosion, for example at elevated internal pressure and / or elevated temperature of the battery cell 11 ,

Zur Ansteuerung der Halbleiterbrücke beziehungsweise der in Halbbrücken-Konfiguration angeordneten Halbleiterschalter 12, 13 wird ein autonomer Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis 27 vorgeschaltet, der die Zellspannung und/oder den Strom und/oder die Zelltemperatur und/oder den Innendruck hinsichtlich vorgegebener Grenzen überwacht. Eine entsprechende Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der 2 erläutert.For driving the semiconductor bridge or arranged in half-bridge configuration semiconductor switch 12 . 13 becomes an autonomous drive and monitoring circuit 27 upstream, which monitors the cell voltage and / or the current and / or the cell temperature and / or the internal pressure with respect to predetermined limits. A corresponding embodiment of the invention will be described below with reference to FIG 2 explained.

Gemäß der zweiten Ausführungsform generiert der Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis 27 die an die leistungselektronischen Halbleiterschalter 12, 13 ausgegeben Ansteuerungssignale anhand von ermittelten Betriebsparametern, die durch eine vorgeschaltete Messelektronik ermittelt werden. Die Messelektronik umfasst Komparatoren 23, 24, 25, die vorzugsweise als Fensterkomparatoren mit geeigneten Grenzwerten ausgelegt sind. Dabei verarbeitet der Komparator 25 einen Messwert eines mittels eines Stromsensors 28 ermittelten Batteriestroms I, wohingegen der Komparator 24 mit der Spannung der Batteriezelle 10 angesteuert wird. Schließlich wird der Komparator 23 von einem Temperatursensor 26 mit einem Eingangssignal versorgt. Die Ausgänge der Komparatoren 23, 24, 25 sind mit einem Logikschaltkreis 21 verbunden, der in dieser Ausführungsform eine Treiberschaltung 22 mittels von digitalen Signalen ansteuert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die in der 2 beschriebene Elektronik zumindest teilweise direkt auf der Batteriezelle 11 oder in der Batteriezelle 11 integriert.According to the second embodiment, the driving and monitoring circuit generates 27 the power electronic semiconductor switches 12 . 13 Outputs control signals based on determined operating parameters, which are determined by an upstream measuring electronics. The measuring electronics includes comparators 23 . 24 . 25 , which are preferably designed as window comparators with suitable limits. The comparator processes this 25 a reading of one by means of a current sensor 28 determined battery current I, whereas the comparator 24 with the voltage of the battery cell 10 is controlled. Finally, the comparator 23 from a temperature sensor 26 supplied with an input signal. The outputs of the comparators 23 . 24 . 25 are with a logic circuit 21 connected, which in this embodiment, a driver circuit 22 by means of digital signals. In a preferred embodiment of the invention, in the 2 described electronics at least partially directly on the battery cell 11 or in the battery cell 11 integrated.

Claims (10)

Batteriezellmodul (10) mit einer Batteriezelle (11) und einer integrierten Zellelektronik, wobei die Batteriezelle (11) dazu vorgesehen ist, in einer Serienschaltung aus mehreren Batteriezellen (11) in einer Batterie angeordnet zu werden, wobei die Batterie im Normalbetrieb von einem Batteriestrom durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellelektronik eine Anordnung (18) aus leistungselektronischen Halbleiterschaltern (12, 13) umfasst, die in dem Normalbetrieb gemäß einer ersten Schalterstellungskombination geschaltet sind und zur Verhinderung einer Fehlfunktion in eine zweite Schalterstellungskombination geschaltet werden können, bei der der Batteriestromfluss durch die Batterie aufrechterhalten werden kann. Battery cell module ( 10 ) with a battery cell ( 11 ) and an integrated cell electronics, wherein the battery cell ( 11 ) is provided in a series connection of several battery cells ( 11 ) to be arranged in a battery, wherein the battery is traversed by a battery current in normal operation, characterized in that the cell electronics an arrangement ( 18 ) from electronic power semiconductor switches ( 12 . 13 ), which in normal operation are connected according to a first switch position combination and can be switched to prevent a malfunction in a second switch position combination, in which the battery current flow can be maintained by the battery. Batteriezellmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die Anordnung (18) aus leistungselektronischen Halbleiterschaltern (12, 13) eine mit den Batteriezellenterminals (14, 15) gekoppelte Halbbücken-Konfiguration mit einem ersten Halbleiterschalter (12) und einem zweiten Halbleiterschalter (13) aufweist.Battery cell module ( 10 ) according to claim 1, wherein the arrangement ( 18 ) from electronic power semiconductor switches ( 12 . 13 ) one with the battery cell terminals ( 14 . 15 ) coupled half-bridge configuration with a first semiconductor switch ( 12 ) and a second semiconductor switch ( 13 ) having. Batteriezellmodul (10) nach Anspruch 2, wobei der erste Halbleiterschalter (12) zwischen einer ersten Batterieelektrode (16) und einem ersten Batteriezellenterminal (14) angeordnet ist und der zweite Halbleiterschalter (13) zwischen einer zweiten Batterieelektrode (17) und einem zweiten Batteriezellenterminal (15) angeordnet ist. Battery cell module ( 10 ) according to claim 2, wherein the first semiconductor switch ( 12 ) between a first battery electrode ( 16 ) and a first battery cell terminal ( 14 ) is arranged and the second semiconductor switch ( 13 ) between a second battery electrode ( 17 ) and a second battery cell terminal ( 15 ) is arranged. Batteriezellmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zellelektronik ferner einen Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis (27) zur Überwachung der Batteriezelle (11) aufweist, der dazu vorgesehen ist, die leistungselektronischen Halbleiterschalter (12, 13) anzusteuern. Battery cell module ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the cell electronics further comprise a drive and monitoring circuit ( 27 ) for monitoring the battery cell ( 11 ), which is provided to the power semiconductor electronic switches ( 12 . 13 ) head for. Batteriezellmodul (10) nach Anspruch 4, wobei der Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis (27) dazu eingerichtet ist, mittels einer Überwachung von Betriebsparametern, insbesondere einer Zellspannung und/oder eines durch die Batteriezelle fließenden Stroms und/oder einer Temperatur der Batteriezelle (11) und/oder eines Innendrucks der Batteriezelle (11), zu bestimmen ob ein sicherheitskritischer Zustand der Batteriezelle vorliegt.Battery cell module ( 10 ) according to claim 4, wherein the drive and monitoring circuit ( 27 ) is arranged, by means of a monitoring of operating parameters, in particular a cell voltage and / or a current flowing through the battery cell and / or a temperature of the battery cell ( 11 ) and / or an internal pressure of the battery cell ( 11 ) to determine whether a safety critical condition of the battery cell is present. Batteriezellmodul (10) nach Anspruch 5, wobei der Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis (27) Komparatoren (23, 24, 25), insbesondere Fensterkomparatoren aufweist, die mit zur Überwachung der Betriebsparameter geeigneten Grenzwerten ausgelegt und mit einem Logikschaltkreis (21) verbunden sind. Battery cell module ( 10 ) according to claim 5, wherein the drive and monitoring circuit ( 27 ) Comparators ( 23 . 24 . 25 ), in particular having window comparators designed with limit values suitable for monitoring the operating parameters and having a logic circuit ( 21 ) are connected. Batteriezellmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreis (27) in der Batteriezelle (11), insbesondere innerhalb eines Zellgehäuses, oder auf der Batteriezelle (11) integriert ist. Battery cell module according to one of claims 4 to 6, wherein the drive and monitoring circuit ( 27 ) in the battery cell ( 11 ), in particular within a cell housing, or on the battery cell ( 11 ) is integrated. Batterie mit einem oder mehreren Batteriesträngen und einer Batteriesteuerungseinheit, wobei zumindest einer der Batteriestränge ein Batteriezellmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei die jeweiligen Ansteuerungs- und Überwachungsschaltkreise (27) der Batteriezellmodule (10) als gegenüber der Batteriesteuerungseinheit autonom arbeitender Schaltkreise ausgeführt sind. Battery having one or more battery strings and a battery control unit, wherein at least one of the battery strings is a battery cell module ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the respective drive and monitoring circuits ( 27 ) of the battery cell modules ( 10 ) are designed as compared to the battery control unit autonomously operating circuits. Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor und der Batterie nach Anspruch 8, wobei die Batterie mit einem Antriebsstrang des Elektromotors verbunden ist. Motor vehicle with an electric motor and the battery according to claim 8, wherein the battery is connected to a drive train of the electric motor. Verfahren zum Betreiben eines Batteriezellmoduls (10), das eine Batteriezelle (11) und eine integrierte Zellelektronik umfasst, wobei die Batteriezelle (11) in einer Serienschaltung aus mehreren Batteriezellen (11) in einer Batterie angeordnet ist, wobei die Batterie im Normalbetrieb von einem Batteriestrom durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Eigensicherheit der Batteriezelle (11) in der Zellelektronik angeordnete leistungselektronische Halbleiterschalter (12, 13) angesteuert werden, die im Normalbetrieb gemäß einer ersten Schalterstellungskombination betrieben werden und bei Auftreten eines sicherheitskritischen Zustandes der Batterie zur Verhinderung einer Fehlfunktion in eine zweite Schalterstellungskombination geschaltet werden, bei der der Batteriestromfluss durch die Batterie aufrechterhalten werden kann, wobei durch Schalten in die zweite Schalterstellungskombination die Batteriezelle (10) vom Batteriestromkreis getrennt wird.Method for operating a battery cell module ( 10 ), which is a battery cell ( 11 ) and an integrated cell electronics, wherein the battery cell ( 11 ) in a series connection of several battery cells ( 11 ) is arranged in a battery, wherein the battery is traversed by a battery current in normal operation, characterized in that to increase the intrinsic safety of the battery cell ( 11 ) arranged in the cell electronics power electronic semiconductor switch ( 12 . 13 ) are operated, which are operated in normal operation according to a first switch position combination and are switched on occurrence of a safety-critical state of the battery to prevent malfunction in a second switch position combination in which the battery current flow can be maintained by the battery, wherein by switching in the second switch position combination the battery cell ( 10 ) is disconnected from the battery circuit.
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