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DE102017211047A1 - Battery pack and method for operating a battery pack - Google Patents

Battery pack and method for operating a battery pack Download PDF

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DE102017211047A1
DE102017211047A1 DE102017211047.3A DE102017211047A DE102017211047A1 DE 102017211047 A1 DE102017211047 A1 DE 102017211047A1 DE 102017211047 A DE102017211047 A DE 102017211047A DE 102017211047 A1 DE102017211047 A1 DE 102017211047A1
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DE
Germany
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battery
battery pack
control unit
battery cell
pressure sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102017211047.3A
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German (de)
Inventor
Christian Korn
Morteza Fakhri
Nils Ohmer
Thomas Pilz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lithium Energy and Power GmbH and Co KG
Original Assignee
Lithium Energy and Power GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Lithium Energy and Power GmbH and Co KG filed Critical Lithium Energy and Power GmbH and Co KG
Priority to DE102017211047.3A priority Critical patent/DE102017211047A1/en
Publication of DE102017211047A1 publication Critical patent/DE102017211047A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriepack (5), insbesondere für ein Elektrofahrzeug, umfassend mindestens ein Batteriemodul (7) mit mindestens einer Batteriezelle, mindestens einen Drucksensor (70) zur Erkennung einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack (5) und eine Steuereinheit (80), wobei mindestens ein Sensorsignal (60) von dem mindestens einen Drucksensor (70) zu der Steuereinheit (80) übertragbar ist. Mindestens eine der Batteriezellen weist mindestens eine Deaktivierungsvorrichtung (72) zur Deaktivierung der Batteriezelle auf, wobei mindestens ein Ansteuersignal (64) von der Steuereinheit (80) zu der mindestens einen Deaktivierungsvorrichtung (72) übertragbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriepacks (5), insbesondere in einem Elektrofahrzeug, bei einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack (5).The invention relates to a battery pack (5), in particular for an electric vehicle, comprising at least one battery module (7) with at least one battery cell, at least one pressure sensor (70) for detecting a mechanical action on the battery pack (5) and a control unit (80), wherein at least one sensor signal (60) from the at least one pressure sensor (70) to the control unit (80) is transferable. At least one of the battery cells has at least one deactivating device (72) for deactivating the battery cell, wherein at least one actuation signal (64) can be transmitted from the control unit (80) to the at least one deactivating device (72). The invention further relates to a method for operating a battery pack (5) according to the invention, in particular in an electric vehicle, in the case of a mechanical action on the battery pack (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriepack, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, welches mindestens ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle, mindestens einen Drucksensor zur Erkennung einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack und eine Steuereinheit umfasst, wobei mindestens ein Sensorsignal von dem mindestens einen Drucksensor zu der Steuereinheit übertragbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriepacks, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, bei einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack.The invention relates to a battery pack, in particular for an electric vehicle, which comprises at least one battery module having at least one battery cell, at least one pressure sensor for detecting a mechanical action on the battery pack and a control unit, wherein at least one sensor signal from the at least one pressure sensor to the control unit is transferable , The invention also relates to a method for operating a battery pack according to the invention, in particular in an electric vehicle, in the case of a mechanical action on the battery pack.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Fahrzeugen wie Elektrofahrzeugen (EV), Hybridfahrzeugen (HEV) oder Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEV) sowie in stationären Anlagen und in Consumer-Elektronik-Produkten vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an welche hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batteriezellen. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.It is becoming apparent that in the future, battery systems will increasingly be used, in particular in vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV) or plug-in hybrid vehicles (PHEV) as well as in stationary systems and in consumer electronics products high demands are placed on reliability, performance, safety and durability. Battery systems with lithium-ion battery cells are particularly suitable for such applications. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge.

Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen hohe Anforderungen bezüglich der funktionalen Sicherheit auf. Ein nicht sachgemäßer Betrieb der Batteriezellen kann zu exothermen Reaktionen bis hin zum Brand und/oder zur Entgasung führen. Insbesondere kann ein Brand oder eine Explosion entstehen, wenn ein Metallteil in eine Batteriezelle eindringt. Aber auch eine Verformung oder sonstige Beschädigung eines Zellgehäuses einer Batteriezelle kann bereits eine exotherme Reaktion auslösen.Battery systems with lithium-ion battery cells have high requirements in terms of functional safety. Improper operation of the battery cells can lead to exothermic reactions leading to fire and / or degassing. In particular, a fire or an explosion may occur when a metal part penetrates into a battery cell. But even a deformation or other damage to a cell housing of a battery cell can already trigger an exothermic reaction.

Mehrere Batteriezellen werden elektrisch verschaltet und zu einem Batteriemodul verbunden. Die einzelnen Batteriezellen werden dabei sowohl seriell als auch parallel verschaltet. Ein derartiges Batteriemodul umfasst einen Modulrahmen, in welchem die einzelnen zugehörigen Batteriezellen angeordnet sind. Mehrere Batteriemodule werden zu einem Batteriepack verbunden. Ein derartiges Batteriepack umfasst einen Batterierahmen, in welchem die einzelnen zugehörigen Batteriemodule angeordnet sind. In Elektrofahrzeugen werden Batteriepacks in der Regel im Unterboden untergebracht, wodurch der Schwerpunkt des Elektrofahrzeugs tiefer liegt, und was aufgrund der großen, zusammenhängend verfügbaren Fläche vorteilhaft ist.Several battery cells are electrically connected and connected to a battery module. The individual battery cells are connected both serially and in parallel. Such a battery module comprises a module frame, in which the individual associated battery cells are arranged. Several battery modules are connected to a battery pack. Such a battery pack comprises a battery frame, in which the individual associated battery modules are arranged. In electric vehicles battery packs are usually housed in the underbody, which is the center of gravity of the electric vehicle is lower, and what is advantageous due to the large, contiguous area available.

Bei einem Unfall des Elektrofahrzeugs kann es zu einer Verformung eines Modulrahmens oder eines Batterierahmens kommen. Dadurch kann eine Beschädigung eines Zellgehäuses einer Batteriezelle verursacht werden. Ein Unfall kann beispielsweise mittels einer in dem Fahrzeug vorhanden AirbagSteuerung oder mittels separater Beschleunigungsaufnehmer erkannt werden. Auch mittels geeignet angebrachter Drucksensoren ist eine Erkennung eines Unfalls möglich.In the case of an electric vehicle accident, a deformation of a module frame or a battery frame may occur. This may cause damage to a cell case of a battery cell. An accident can be detected, for example, by means of an airbag control system present in the vehicle or by means of separate acceleration sensors. Also by means of suitably mounted pressure sensors detection of an accident is possible.

Aus der DE 10 2007 063 188 A1 ist eine Batterie für ein Fahrzeug bekannt, welche mindestens eine von einem Gehäuse umgebene Einzelzelle umfasst. Am dem Gehäuse ist mindestens ein Drucksensor angeordnet, der mechanische Beanspruchungen mindestens eines Gehäusebereichs misst. Der Drucksensor ist dabei mit einer Auswerteeinheit verbunden.From the DE 10 2007 063 188 A1 For example, a battery for a vehicle is known which comprises at least one single cell surrounded by a housing. At least one pressure sensor, which measures mechanical stresses of at least one housing region, is arranged on the housing. The pressure sensor is connected to an evaluation unit.

Aus der DE 10 2012 020 324 A1 ist eine Batterie für ein Fahrzeug bekannt, welche ein Batteriegehäuse und eine Batteriezelle umfasst. In der Batteriezelle ist ein Drucksensor vorgesehen, der mit einem Batteriemanagementsystem verbunden ist.From the DE 10 2012 020 324 A1 For example, a battery for a vehicle is known, which comprises a battery housing and a battery cell. In the battery cell, a pressure sensor is provided, which is connected to a battery management system.

Aus der DE 10 2012 110 733 A1 ist eine Batterie für ein Fahrzeug bekannt, welche einen elastisch verformbaren Hohlraum mit zumindest einem Drucksensor aufweist. Ferner ist eine Steuereinheit zur Auswertung von Signalen des Drucksensors vorgesehen.From the DE 10 2012 110 733 A1 For example, a battery for a vehicle is known, which has an elastically deformable cavity with at least one pressure sensor. Furthermore, a control unit for evaluating signals of the pressure sensor is provided.

Aus der DE 10 2013 016 797 A1 ist eine Batterie mit Einzelzellen bekannt. In der Nähe der Batterie oder in einem Gehäuse der Batterie ist zumindest ein Drucksensor angeordnet. Der Drucksensor ist mit einer Steuereinheit einer Kollisionserkennungseinheit verbunden.From the DE 10 2013 016 797 A1 is a battery with single cells known. At least one pressure sensor is arranged in the vicinity of the battery or in a housing of the battery. The pressure sensor is connected to a control unit of a collision detection unit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Batteriepack vorgeschlagen welches mindestens ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle, mindestens einen Drucksensor zur Erkennung einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack und eine Steuereinheit umfasst. Dabei ist mindestens ein Sensorsignal von dem mindestens einen Drucksensor zu der Steuereinheit übertragbar. Das Batteriepack findet beispielsweise in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, Anwendung.A battery pack is proposed which comprises at least one battery module with at least one battery cell, at least one pressure sensor for detecting a mechanical action on the battery pack and a control unit. In this case, at least one sensor signal can be transmitted from the at least one pressure sensor to the control unit. The battery pack is used, for example, in a vehicle, in particular in an electric vehicle.

Ein Batteriemodul umfasst in der Regel mehrere Batteriezellen, die seriell oder Parallel miteinander verschaltet sind. Ein Batteriepack umfasst eine oder mehrere Batteriemodule, die ebenfalls elektrisch miteinander verschaltet sind. Batteriepacks und/oder Batteriemodul umfassen ferner jeweils eine Kühleinheit, mittels welcher eine Überhitzung der Batteriezellen im regulären Betrieb vermieden wird.A battery module generally comprises a plurality of battery cells, which are connected in series or in parallel with each other. A battery pack comprises one or more battery modules, which are also electrically interconnected. Battery pack and / or battery module further include respectively a cooling unit, by means of which an overheating of the battery cells is avoided during normal operation.

Vorliegend handelt es sich bei den Batteriezellen bevorzugt um Lithium-Ionen-Batteriezellen. Eine solche Batteriezelle umfasst unter anderem eine Anode, eine Kathode sowie einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator. Die Anode, die Kathode und der Separator bilden eine Elektrodeneinheit, welche in einem festen oder flexiblen Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse ist dabei vorzugsweise mit einem Elektrolyt gefüllt, welcher Lithiumionen enthält.In the present case, the battery cells are preferably lithium-ion battery cells. Such a battery cell comprises inter alia an anode, a cathode and a separator arranged between the anode and the cathode. The anode, the cathode and the separator form an electrode unit, which is arranged in a fixed or flexible housing. The housing is preferably filled with an electrolyte containing lithium ions.

Der Separator ist eine elektrisch isolierende Membran und besteht beispielsweise aus einem Polymer oder Keramik. Auch Verbundmaterialien, welche Polymer und Keramik enthalten, sind bekannt. Der Separator dient zur elektrischen Isolation der Anode von der Kathode. Der Separator ist porös ausgebildet und ist für Lithiumionen durchlässig. Somit können Lithiumionen von der Anode zu der Kathode sowie in umgekehrte Richtung den Separator durchdringen.The separator is an electrically insulating membrane and consists for example of a polymer or ceramic. Composite materials containing polymer and ceramic are also known. The separator is used for electrical isolation of the anode from the cathode. The separator is porous and is permeable to lithium ions. Thus, lithium ions can pass through the separator from the anode to the cathode and in the reverse direction.

Unter einer mechanischen Einwirkung ist beispielsweise ein Stoß, insbesondere infolge eines Unfalls des Fahrzeugs, zu verstehen. Dazu gehören unter anderem ein Zusammenprall des Batteriepacks mit anderen Fahrzeugteilen sowie ein Eindringen von Fremdkörpern. Eine solche mechanische Einwirkung kann eine mechanische Verformung eines Bauteils verursachen.By a mechanical action, for example, a shock, especially as a result of an accident of the vehicle to understand. This includes, among other things, a collision of the battery pack with other vehicle parts as well as the penetration of foreign bodies. Such a mechanical action can cause a mechanical deformation of a component.

Ein Drucksensor kann einerseits den absoluten Luftdruck in seiner Umgebung als auch Änderungen des Luftdrucks messen. Der Drucksensor ist mit der Steuereinheit verbunden und überträgt entsprechende Sensorsignale an die Steuereinheit. Es wurde herausgefunden, dass eine mechanische Verformung innerhalb eines Batteriepacks aufgrund einer mechanischen Einwirkung eine lokale Druckänderung verursacht. Somit kann mittels eines Drucksensors eine mechanische Verformung innerhalb eines Batteriepacks detektiert werden, welche zu einer exothermen Reaktion der Batteriezellen in dem Batteriepack, beispielsweise zu einem thermischen Durchgehen, führen könnte.A pressure sensor can on the one hand measure the absolute air pressure in its environment as well as changes in the air pressure. The pressure sensor is connected to the control unit and transmits corresponding sensor signals to the control unit. It has been found that mechanical deformation within a battery pack due to mechanical action causes a local pressure change. Thus, by means of a pressure sensor, a mechanical deformation within a battery pack can be detected, which could lead to an exothermic reaction of the battery cells in the battery pack, for example, to a thermal runaway.

Erfindungsgemäß weist mindestens eine der Batteriezellen mindestens eine Deaktivierungsvorrichtung zur Deaktivierung der Batteriezelle auf, wobei mindestens ein Ansteuersignal von der Steuereinheit zu der mindestens einen Deaktivierungsvorrichtung übertragbar ist.According to the invention, at least one of the battery cells has at least one deactivation device for deactivating the battery cell, wherein at least one activation signal can be transmitted from the control unit to the at least one deactivation device.

Die Deaktivierungsvorrichtung bringt die Batteriezelle bei der Deaktivierung in einen sicheren Zustand. In dem sicheren Zustand sind ein Transport von Lithiumionen innerhalb der Batteriezelle sowie ein Fluss von Elektronen außerhalb der Batteriezelle verhindert. Wenn die Batteriezelle sich in einem sicheren Zustand befindet, so kann weder ein interner Kurzschluss noch ein externer Kurzschluss einen Entladestrom hervorrufen, welcher die Batteriezelle auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher ein thermisches Durchgehen stattfinden würde.The deactivation device brings the battery cell into a safe state upon deactivation. In the safe state, a transport of lithium ions within the battery cell and a flow of electrons outside the battery cell are prevented. When the battery cell is in a safe state, neither an internal short circuit nor an external short circuit can cause a discharge current which heats the battery cell to a temperature at which thermal cycling would occur.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Steuereinheit eine Verarbeitungseinheit zum Empfang und zur Verarbeitung des Sensorsignals und eine Auslöseeinheit zur Übertragung des Ansteuersignals zu der mindestens einen Deaktivierungsvorrichtung auf.According to an advantageous embodiment of the invention, the control unit has a processing unit for receiving and processing the sensor signal and a trip unit for transmitting the drive signal to the at least one deactivation device.

Die Verarbeitungseinheit, welche beispielsweise als elektronischer Schaltkreis aufgebaut ist, berechnet aus dem Sensorsignal, welches beispielsweise in Form eines analogen Stromwerts oder eines analogen Spannungswerts vorliegt, ob eine mechanische Verformung innerhalb des Batteriepacks stattgefunden hat, welche zu einer exothermen Reaktion der Batteriezellen in dem Batteriepack, beispielsweise zu einem thermischen Durchgehen, führen könnte. Dabei führt die Verarbeitungseinheit auch eine Validierung des empfangenen Sensorsignals durch.The processing unit, which is constructed, for example, as an electronic circuit, calculates from the sensor signal, which is in the form of, for example, an analog current value or an analog voltage value, whether a mechanical deformation has taken place within the battery pack which leads to an exothermic reaction of the battery cells in the battery pack, For example, to a thermal runaway, could lead. The processing unit also carries out a validation of the received sensor signal.

In diesem Fall überträgt die Verarbeitungseinheit ein entsprechendes Auslösesignal an die Auslöseeinheit, welche ebenfalls beispielsweise als elektronischer Schaltkreis aufgebaut ist. Wenn die Auslöseeinheit ein entsprechendes Auslösesignal erhält, so überträgt die Auslöseeinheit ein entsprechendes Ansteuersignal zu einer Deaktivierungsvorrichtung einer Batteriezelle.In this case, the processing unit transmits a corresponding trigger signal to the trip unit, which is also constructed, for example, as an electronic circuit. When the trip unit receives a corresponding trip signal, the trip unit transmits a corresponding drive signal to a deactivation device of a battery cell.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Deaktivierungsvorrichtung als Schnellentladevorrichtung ausgestaltet. Die Schnellentladevorrichtung verursacht dabei einen externen Kurzschluss an der Batteriezelle. Daraufhin fließt ein Entladestrom, welcher die Batteriezelle elektrisch entlädt.According to an advantageous embodiment of the invention, the at least one deactivation device is designed as a quick discharge device. The fast discharge device causes an external short circuit at the battery cell. Thereupon, a discharge current flows, which discharges the battery cell electrically.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Deaktivierungsvorrichtung als Schnellabschaltvorrichtung ausgestaltet. Mittels der Schnellabschaltvorrichtung ist der Separator der Batteriezelle auf eine Temperatur aufheizbar, bei welcher ein Teil des Separators schmilzt. Dadurch werden die Poren des Separators verstopft und somit ist ein weiterer Transport von Lithiumionen verhindert.According to another advantageous embodiment of the invention, the at least one deactivation device is designed as a quick shutdown device. By means of the Schnellabschaltvorrichtung the separator of the battery cell is heated to a temperature at which melts a part of the separator. This clogs the pores of the separator and thus prevents further transport of lithium ions.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Drucksensor in einem Hohlraum eines Batterierahmens des Batteriepacks angeordnet. Der Batterierahmen nimmt dabei mindestens ein Batteriemodul oder auch mehrere Batteriemodule auf. Der Batterierahmen ist ein mechanisch stabiler, robuster Rahmen, dessen Aufgabe es ist, die enthaltenen Batteriemodule vor einer mechanischen Verformung sowie vor dem Eindringen von Fremdkörpern zu schützen.According to a preferred embodiment of the invention, at least one pressure sensor is arranged in a cavity of a battery frame of the battery pack. The battery frame takes on at least one battery module or multiple battery modules. The battery frame is on mechanically stable, robust frame whose purpose is to protect the battery modules contained from mechanical deformation as well as from the ingress of foreign bodies.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Drucksensor in einem Hohlraum eines Modulrahmens des mindestens einen Batteriemoduls angeordnet. Der Modulrahmen nimmt dabei mindestens eine Batteriezelle oder auch mehrere Batteriezellen auf. Der Modulrahmen ist ein mechanisch stabiler, robuster Rahmen, dessen Aufgabe es ist, die enthaltenen Batteriezellen vor einer mechanischen Verformung sowie vor dem Eindringen von Fremdkörpern zu schützen.According to a further preferred embodiment of the invention, at least one pressure sensor is arranged in a cavity of a module frame of the at least one battery module. The module frame takes on at least one battery cell or multiple battery cells. The module frame is a mechanically stable, robust frame, whose task is to protect the battery cells contained from mechanical deformation and from the ingress of foreign bodies.

Es wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriepacks, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, bei einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die nachfolgend genannten Schritte:A method is also proposed for operating a battery pack according to the invention, in particular in an electric vehicle, in the case of a mechanical action on the battery pack. The method according to the invention comprises the following steps:

In einem Schritt a) erfolgt eine Erkennung der mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack mittels des mindestens einen Drucksensors. Es ist bekannt, dass eine mechanische Verformung innerhalb eines Batteriepacks aufgrund einer mechanischen Einwirkung eine lokale Druckänderung verursacht.In a step a), the mechanical action on the battery pack is detected by means of the at least one pressure sensor. It is known that mechanical deformation within a battery pack due to mechanical action causes a local pressure change.

In einem Schritt b) erfolgt eine Übertragung mindestens eines Sensorsignals von dem mindestens einen Drucksensor zu der Steuereinheit. Aus dem Sensorsignal, welches beispielsweise in Form eines analogen Stromwerts oder eines analogen Spannungswerts vorliegt, wird berechnet, ob eine mechanische Verformung innerhalb des Batteriepacks stattgefunden hat, welche zu einer exothermen Reaktion der Batteriezellen in dem Batteriepack, beispielsweise zu einem thermischen Durchgehen, führen könnte.In a step b), at least one sensor signal is transmitted from the at least one pressure sensor to the control unit. From the sensor signal, which is in the form of an analog current value or an analog voltage value, for example, it is calculated whether a mechanical deformation has taken place within the battery pack, which could lead to an exothermic reaction of the battery cells in the battery pack, for example to a thermal runaway.

Falls eine solche mechanische Verformung innerhalb des Batteriepacks stattgefunden hat, so erfolgt in einem Schritt c) eine Übertragung mindestens eines Ansteuersignals von der Steuereinheit zu der mindestens einen Deaktivierungsvorrichtung mindestens einer Batteriezelle zur Deaktivierung der Batteriezelle.If such a mechanical deformation has taken place within the battery pack, in a step c), a transmission of at least one control signal from the control unit to the at least one deactivation device of at least one battery cell for deactivating the battery cell takes place.

Vorteilhaft wird das Sensorsignal von einer Verarbeitungseinheit der Steuereinheit empfangen und verarbeitet. Daraufhin wird ein Auslösesignal von der Verarbeitungseinheit zu einer Auslöseeinheit der Steuereinheit weiter geleitet. Anschließend wird das Ansteuersignal von der Auslöseeinheit zu der mindestens einen Deaktivierungsvorrichtung von mindestens einer Batteriezelle übertragen. Eine Zeitspanne zwischen der Übertragung des Sensorsignals zu der Steuereinheit bis zu der Übertragung des Ansteuersignals zu der Deaktivierungsvorrichtung der Batteriezelle beträgt beispielsweise weniger als 100 ms.Advantageously, the sensor signal is received and processed by a processing unit of the control unit. Then, a trigger signal from the processing unit to a trip unit of the control unit forwarded. Subsequently, the drive signal is transmitted from the trip unit to the at least one deactivation device of at least one battery cell. A time period between the transmission of the sensor signal to the control unit to the transmission of the drive signal to the deactivation device of the battery cell is for example less than 100 ms.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Deaktivierung der Batteriezelle die Batteriezelle von einer als Schnellentladevorrichtung ausgestalteten Deaktivierungsvorrichtung entladen. Eine Zeitspanne zwischen der Übertragung des Ansteuersignals zu der Deaktivierungsvorrichtung bis zu der Entladung der Batteriezelle durch die Schnellentladevorrichtung beträgt beispielsweise weniger als 30 ms.According to an advantageous embodiment of the invention, to deactivate the battery cell, the battery cell is discharged from a deactivation device designed as a quick discharge device. A time period between the transmission of the drive signal to the deactivation device and the discharge of the battery cell by the quick discharge device is for example less than 30 ms.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Deaktivierung der Batteriezelle die Batteriezelle von einer als Schnellabschaltvorrichtung ausgestalteten Deaktivierungsvorrichtung abgeschaltet. Eine Zeitspanne zwischen der Übertragung des Ansteuersignals zu der Deaktivierungsvorrichtung bis zu der Entladung der Batteriezelle durch die Deaktivierungsvorrichtung beträgt beispielsweise weniger als 30 ms.According to another advantageous embodiment of the invention, the battery cell is switched off by a designed as a quick shutdown deactivation device to deactivate the battery cell. For example, a period of time between the transmission of the drive signal to the deactivation device and the discharge of the battery cell by the deactivation device is less than 30 ms.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden bei Erkennung der mechanischen Einwirkung mittels mehrerer Drucksensoren mehrere Sensorsignale von den mehreren Drucksensoren zu der Steuereinheit übertragen. Dann wird in der Steuereinheit ermittelt, welche Batteriezellen von der mechanischen Einwirkung betroffen sind. Anschließend wird zu den von der mechanischen Einwirkung betroffenen Batteriezellen jeweils ein Ansteuersignal übertragen. Mittels mehrerer in dem Batteriepack verteilter Drucksensoren ist somit eine Ortsauflösung der mechanischen Verformung in dem Batteriepack möglich. Somit können gezielt nur die betroffenen Batteriezellen deaktiviert und in einen sicheren Zustand überführt werden, während andere, nicht beschädigte Batteriezellen in Betrieb bleiben. Ferner kann eine redundante Verarbeitung von Sensorsignale von mehreren Drucksensoren auch vor einer Fehlauslösung schützen.According to a preferred embodiment of the invention, a plurality of sensor signals are transmitted from the plurality of pressure sensors to the control unit upon detection of the mechanical action by means of a plurality of pressure sensors. Then it is determined in the control unit which battery cells are affected by the mechanical action. Subsequently, a respective drive signal is transmitted to the battery cells affected by the mechanical action. By means of a plurality of pressure sensors distributed in the battery pack, a spatial resolution of the mechanical deformation in the battery pack is thus possible. Thus, targeted only the affected battery cells can be disabled and transferred to a safe state, while other, not damaged battery cells remain in operation. Furthermore, redundant processing of sensor signals from multiple pressure sensors may also protect against false tripping.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Batteriepack-eigen und/oder eine Batteriemodul-eigene Crash- und Penetrations-Detektion. Für das erfindungsgemäße Batteriepack ergibt sich ein umfassenderer Schutz bei einem Crash ebenso wie bei einer Penetration als durch eine Airbag-Sensorik des Fahrzeugs oder mittels Beschleunigungssensoren zu erreichen ist. Ferner ist ein erfindungsgemäßes Batteriepack kostengünstiger als die Nutzung der Airbag-Sensorik des Fahrzeugs. Ein Auslösung und Deaktivierung der Batteriezellen findet nur statt, wenn ein erkanntes Crash-event auch das Batteriepack betrifft. Für das erfindungsgemäße Batteriepack ist ein geringerer Level der Systemintegration notwendig, unabhängig von einer fahrzeugspezifischen Sicherheitsarchitektur. Das erfindungsgemäße Batteriepack weist eine schnelle Reaktionszeit von bis zu ca. 10 ms auf. Damit ist bei einem Crash genug Zeit, um die Batteriezellen in einen sicheren Zustand zu bringen. Durch die Detektion wird eine rechtzeitige Auslösung einer Schnellentladevorrichtung (Fast Discharge Device, FDD) sowie einer Schnellabschaltvorrichtung (Fast Shutdown Device, FSD) ermöglicht. Dies bietet einen zeitlichen Vorsprung im Vergleich zu einer Detektion direkt an der Batteriezelle, wodurch die FDD- und FSD-Funktionalität verbessert wird.The inventive method allows a battery pack own and / or a battery module own crash and penetration detection. For the battery pack according to the invention, a more comprehensive protection results in the case of a crash as well as in a penetration than can be achieved by an airbag sensor system of the vehicle or by means of acceleration sensors. Furthermore, a battery pack according to the invention is less expensive than the use of the airbag sensor system of the vehicle. Triggering and deactivation of the battery cells only takes place if a detected crash event also affects the battery pack. For the battery pack according to the invention is a lesser level of system integration necessary, regardless of a vehicle-specific security architecture. The battery pack according to the invention has a fast response time of up to about 10 ms. This is enough time in a crash to bring the battery cells into a safe state. Detection allows timely triggering of a Fast Discharge Device (FDD) and a Fast Shutdown Device (FSD). This provides a time advantage over detection directly on the battery cell, which improves FDD and FSD functionality.

Figurenlistelist of figures

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

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Batteriepacks,
  • 2 eine schematische Draufsicht auf das Batteriepack von 1,
  • 3 eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls von 2 und
  • 4 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs mit dem Batteriepack von 1.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a battery pack,
  • 2 a schematic plan view of the battery pack of 1 .
  • 3 a schematic view of a battery module of 2 and
  • 4 a schematic representation of an electric vehicle with the battery pack of 1 ,

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriepacks 5. Das Batteriepack 5 umfasst mehrere Batteriemodule 7, wobei vorliegend nur ein Batteriemodul 7 dargestellt ist, und eine Steuereinheit 80. Das Batteriemodul 7 weist mehrere hier nicht dargestellte Batteriezellen 2 auf, welche elektrisch miteinander verschaltet sind. 1 shows a schematic representation of a battery pack 5 , The battery pack 5 includes several battery modules 7 , in the present case only one battery module 7 is shown, and a control unit 80 , The battery module 7 has several battery cells, not shown here 2 on, which are electrically interconnected.

Das Batteriemodul 7 weist mehrere Drucksensoren 70 auf. Mindestens eine der Batteriezellen 2 weist mindestens eine Deaktivierungseinheit 72 auf. Bei der Deaktivierungseinheit 72 handelt es sich beispielsweise um eine Schnellentladevorrichtung oder um eine Schnellabschaltvorrichtung. Es ist auch denkbar, dass die Batteriezelle 2 eine Schnellentladevorrichtung und eine Schnellabschaltvorrichtung aufweist.The battery module 7 has several pressure sensors 70 on. At least one of the battery cells 2 has at least one deactivation unit 72 on. At the deactivation unit 72 For example, it is a quick discharge device or an emergency shutdown device. It is also conceivable that the battery cell 2 a quick discharge device and a Schnellabschaltvorrichtung.

Die Steuereinheit 80 weist eine Verarbeitungseinheit 82 und eine Auslöseeinheit 84 auf. Die Verarbeitungseinheit 82 sowie die Auslöseeinheit 84 sind vorliegend als elektronische Schaltung aufgebaut. Vorliegend bildet die Steuereinheit 80 mit der Verarbeitungseinheit 82 und der Auslöseeinheit 84 eine bauliche Einheit. Es ist aber auch denkbar, dass die Verarbeitungseinheit 82 und die Auslöseeinheit 84 räumlich getrennt angeordnet sind.The control unit 80 has a processing unit 82 and a trip unit 84 on. The processing unit 82 as well as the trip unit 84 are constructed here as an electronic circuit. Present forms the control unit 80 with the processing unit 82 and the trip unit 84 a structural unit. It is also conceivable that the processing unit 82 and the trip unit 84 are arranged spatially separated.

Wenn im Fall einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack 5 eine Druckänderung von einem Drucksensor 70 erfasst wird, so überträgt der Drucksensor 70 ein Sensorsignal 60 in Form eines analogen Stromwerts oder eines analogen Spannungswerts zu der Verarbeitungseinheit 82 der Steuereinheit 80. Die Verarbeitungseinheit 82 empfängt und verarbeitet das Steuersignal 60.If in case of mechanical impact on the battery pack 5 a pressure change from a pressure sensor 70 is detected, the pressure sensor transmits 70 a sensor signal 60 in the form of an analog current value or an analog voltage value to the processing unit 82 the control unit 80 , The processing unit 82 receives and processes the control signal 60 ,

Die Verarbeitungseinheit 82 der Steuereinheit 80 führt eine Validierung des empfangenen Sensorsignals 60 durch und berechnet aus dem Sensorsignal 60, ob eine mechanische Verformung innerhalb des Batteriepacks 5 stattgefunden hat, welche zu einer exothermen Reaktion einer der Batteriezellen 2 in dem Batteriepack 5 führen kann.The processing unit 82 the control unit 80 performs a validation of the received sensor signal 60 through and calculated from the sensor signal 60 whether a mechanical deformation within the battery pack 5 which has resulted in an exothermic reaction of one of the battery cells 2 in the battery pack 5 can lead.

In diesem Fall überträgt die Verarbeitungseinheit 82 ein entsprechendes Auslösesignal 62 an die Auslöseeinheit 84 der Steuereinheit 80. Wenn die Auslöseeinheit 84 das Auslösesignal 62 erhält, so überträgt die Auslöseeinheit 84 ein Ansteuersignal 64 zu einer Deaktivierungsvorrichtung 72 von einer Batteriezelle 2. Daraufhin führt die Deaktivierungsvorrichtung 72 eine Deaktivierung der Batteriezelle 2 durch.In this case, the processing unit transfers 82 a corresponding trigger signal 62 to the trip unit 84 the control unit 80 , When the trip unit 84 the trigger signal 62 receives, so transmits the trip unit 84 a drive signal 64 to a deactivation device 72 from a battery cell 2 , The deactivation device then leads 72 a deactivation of the battery cell 2 by.

2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Batteriepack 5 von 1. Dabei ist die Steuereinheit 80 nicht dargestellt. Das Batteriepack 5 umfasst mehrere Batteriemodule 7, welche elektrisch miteinander verschaltet und in einem Batterierahmen 40 angeordnet sind. Der Batterierahmen 40 ist ein mechanisch stabiler, robuster Rahmen, dessen Aufgabe es ist, die enthaltenen Batteriemodule 7 vor einer mechanischen Verformung sowie vor dem Eindringen von Fremdkörpern zu schützen. 2 shows a schematic plan view of the battery pack 5 from 1 , Here is the control unit 80 not shown. The battery pack 5 includes several battery modules 7 which electrically interconnects and in a battery frame 40 are arranged. The battery frame 40 is a mechanically stable, sturdy frame whose job it is to keep the included battery modules 7 to protect against mechanical deformation as well as against the ingress of foreign bodies.

Das Batteriepack 5 umfasst ferner mehrere Drucksensoren 70. Die Drucksensoren 70 sind in Hohlräumen innerhalb des Batterierahmens 40 angeordnet. Die Drucksensoren 70 sind über hier nicht dargestellte Signalleitungen mit der Steuereinheit 80 verbunden.The battery pack 5 further includes a plurality of pressure sensors 70 , The pressure sensors 70 are in cavities within the battery frame 40 arranged. The pressure sensors 70 are not shown here signal lines to the control unit 80 connected.

3 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 7 aus 2. Das Batteriemodul 7 umfasst mehrere Batteriezellen 2, welche elektrisch miteinander verschaltet und in einem Modulrahmen 42 angeordnet sind. Der Modulrahmen 42 ist ein mechanisch stabiler, robuster Rahmen, dessen Aufgabe es ist, die enthaltenen Batteriezellen 2 vor einer mechanischen Verformung sowie vor dem Eindringen von Fremdkörpern zu schützen. 3 shows a schematic view of a battery module 7 out 2 , The battery module 7 includes several battery cells 2 which electrically interconnects and in a module frame 42 are arranged. The module frame 42 is a mechanically stable, robust frame, whose task it is the battery cells contained 2 to protect against mechanical deformation as well as against the ingress of foreign bodies.

Vorliegend weist jede der Batteriezellen 2 eine Deaktivierungsvorrichtung 72 auf. Das Batteriemodul 7 umfasst ferner einen Drucksensor 70. Der Drucksensor 70 ist dabei in einem Hohlraum innerhalb des Modulrahmens 42 angeordnet. Der Drucksensor 70 ist über hier nicht dargestellte Signalleitungen mit der Steuereinheit 80 verbunden.In the present case, each of the battery cells 2 a deactivation device 72 on. The battery module 7 further comprises a pressure sensor 70 , The pressure sensor 70 is in a cavity within the module frame 42 arranged. The pressure sensor 70 is via signal lines not shown here with the control unit 80 connected.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs 100, welches ein in 1 dargestelltes Batteriepack 5 umfasst. Das Batteriepack 5 weist einen Batterierahmen 40 auf, in welchem mehrere Batteriemodule 7 angeordnet sind. Das Batteriepack 5 ist in einem Unterboden des Elektrofahrzeugs 100 angeordnet. 4 shows a schematic representation of an electric vehicle 100 which is a in 1 illustrated battery pack 5 includes. The battery pack 5 has a battery frame 40 on, in which several battery modules 7 are arranged. The battery pack 5 is in an underbody of the electric vehicle 100 arranged.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Batteriepack (5), insbesondere für ein Elektrofahrzeug (100), umfassend mindestens ein Batteriemodul (7) mit mindestens einer Batteriezelle (2), mindestens einen Drucksensor (70) zur Erkennung einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack (5) und eine Steuereinheit (80), wobei mindestens ein Sensorsignal (60) von dem mindestens einen Drucksensor (70) zu der Steuereinheit (80) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Batteriezellen (2) mindestens eine Deaktivierungsvorrichtung (72) zur Deaktivierung der Batteriezelle (2) aufweist, wobei mindestens ein Ansteuersignal (64) von der Steuereinheit (80) zu der mindestens einen Deaktivierungsvorrichtung (72) übertragbar ist.Battery pack (5), in particular for an electric vehicle (100), comprising at least one battery module (7) with at least one battery cell (2), at least one pressure sensor (70) for detecting a mechanical action on the battery pack (5) and a control unit (80 ), wherein at least one sensor signal (60) from the at least one pressure sensor (70) to the control unit (80) is transferable, characterized in that at least one of the battery cells (2) at least one deactivation device (72) for deactivating the battery cell (2) wherein at least one drive signal (64) from the control unit (80) to the at least one deactivation device (72) is transferable. Batteriepack (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (80) eine Verarbeitungseinheit (82) zum Empfang und zur Verarbeitung des Sensorsignals (60) und eine Auslöseeinheit (84) zur Übertragung des Ansteuersignals (64) zu der mindestens einen Deaktivierungsvorrichtung (72) aufweist.Battery pack (5) after Claim 1 , characterized in that the control unit (80) has a processing unit (82) for receiving and processing the sensor signal (60) and a trip unit (84) for transmitting the drive signal (64) to the at least one deactivation device (72). Batteriepack (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Deaktivierungsvorrichtung (72) als Schnellentladevorrichtung ausgestaltet ist.Battery pack (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one deactivation device (72) is designed as a quick discharge device. Batteriepack (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Deaktivierungsvorrichtung (72) als Schnellabschaltvorrichtung ausgestaltet ist.Battery pack (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one deactivation device (72) is designed as a quick shutdown device. Batteriepack (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drucksensor (70) in einem Hohlraum eines Batterierahmens (40) des Batteriepacks (5) angeordnet ist, welcher mindestens ein Batteriemodul (7) aufnimmt.Battery pack (5) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one pressure sensor (70) in a cavity of a battery frame (40) of the battery pack (5) is arranged, which receives at least one battery module (7). Batteriepack (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drucksensor (70) in einem Hohlraum eines Modulrahmens (42) des mindestens einen Batteriemoduls (7) angeordnet ist, welcher mindestens eine Batteriezelle (2) aufnimmt.Battery pack (5) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one pressure sensor (70) in a cavity of a module frame (42) of the at least one battery module (7) is arranged, which receives at least one battery cell (2). Verfahren zum Betreiben eines Batteriepacks (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere in einem Elektrofahrzeug (100), bei einer mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack (5), umfassend folgende Schritte: a) Erkennung der mechanischen Einwirkung auf das Batteriepack (5) mittels des mindestens einen Drucksensors (70); b) Übertragung mindestens eines Sensorsignals (60) von dem mindestens einen Drucksensor (70) zu der Steuereinheit (80); c) Übertragung mindestens eines Ansteuersignals (64) von der Steuereinheit (80) zu der mindestens einen Deaktivierungsvorrichtung (72) mindestens einer Batteriezelle (2) zur Deaktivierung der Batteriezelle (2).Method for operating a battery pack (5) according to one of the preceding claims, in particular in an electric vehicle (100), with a mechanical action on the battery pack (5), comprising the following steps: a) detection of the mechanical action on the battery pack (5) by means of the at least one pressure sensor (70); b) transmitting at least one sensor signal (60) from the at least one pressure sensor (70) to the control unit (80); c) transmission of at least one drive signal (64) from the control unit (80) to the at least one deactivation device (72) of at least one battery cell (2) for deactivating the battery cell (2). Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Sensorsignal (60) von einer Verarbeitungseinheit (82) der Steuereinheit (80) empfangen und verarbeitet wird, und ein Auslösesignal (62) von der Verarbeitungseinheit (82) zu einer Auslöseeinheit (84) der Steuereinheit (80) weiter geleitet wird, und das Ansteuersignal (64) von der Auslöseeinheit (84) zu der mindestens einen Deaktivierungsvorrichtung (72) übertragen wird.Method according to Claim 7 wherein the sensor signal (60) is received and processed by a processing unit (82) of the control unit (80), and a trigger signal (62) is forwarded by the processing unit (82) to a trip unit (84) of the control unit (80); and the drive signal (64) is transmitted from the trip unit (84) to the at least one disable device (72). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei zur Deaktivierung der Batteriezelle (2) die Batteriezelle (2) von einer als Schnellentladevorrichtung ausgestalteten Deaktivierungsvorrichtung (72) entladen wird.Method according to one of Claims 7 to 8th in which, to deactivate the battery cell (2), the battery cell (2) is discharged by a deactivation device (72) designed as a quick discharge device. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zur Deaktivierung der Batteriezelle (2) die Batteriezelle (2) von einer als Schnellabschaltvorrichtung ausgestalteten Deaktivierungsvorrichtung (72) abgeschaltet wird.Method according to one of Claims 7 to 9 , wherein for deactivating the battery cell (2) the battery cell (2) is switched off by a deactivation device (72) designed as a quick shutdown device. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei bei Erkennung der mechanischen Einwirkung mittels mehrerer Drucksensoren (70) mehrere Sensorsignale (60) von den mehreren Drucksensoren (70) zu der Steuereinheit (80) übertragen werden, in der Steuereinheit (80) ermittelt wird, welche Batteriezellen (2) von der mechanischen Einwirkung betroffen sind, und zu den von der mechanischen Einwirkung betroffenen Batteriezellen (2) jeweils ein Ansteuersignal (64) übertragen wird.Method according to one of Claims 7 to 10 , wherein upon detection of the mechanical action by means of a plurality of pressure sensors (70) a plurality of sensor signals (60) from the plurality of pressure sensors (70) are transmitted to the control unit (80), in the control unit (80) is determined which battery cells (2) of the are affected mechanical action, and to the affected by the mechanical action battery cells (2) each have a drive signal (64) is transmitted.
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