DE102014208214A1

DE102014208214A1 - Formation of battery cells

Info

Publication number: DE102014208214A1
Application number: DE102014208214.5A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2015-11-05
Also published as: WO2015165726A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle (50) mit einem ersten Zellterminal (52) und einem zweiten Zellterminal (54). Die Batteriezelle (509 weist mindestens eine Kommunikationsschnittstelle (56) zum Datenaustausch zumindest mit einer Formierendstufe (16) auf. Ferner umfasst die Batteriezelle (50) eine integrierte Überwachungssensorik (60) und eine integrierte Batteriezustandserkennungssensorik (62), mit einem Speicher (110) für Formierungsdaten der Batteriezelle (50).The invention relates to a battery cell (50) having a first cell terminal (52) and a second cell terminal (54). The battery cell 509 has at least one communication interface 56 for data exchange with at least one shaping output stage 16. Furthermore, the battery cell 50 comprises an integrated monitoring sensor system 60 and an integrated battery status detection sensor system 62 having a memory 110 for Formation data of the battery cell (50).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle mit einem ersten Zellterminal und einem zweiten Zellterminal, ferner auf ein Verfahren zur Formierung von Batteriezellen sowie auf eine Verwendung von Batteriezellen. The invention relates to a battery cell having a first cell terminal and a second cell terminal, to a method for forming battery cells and to a use of battery cells.

US 6,291,972 B1 offenbart eine elektrische Schaltung zur Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Es werden parallel miteinander verschaltete Batteriezellen offenbart, die durch ein einheitliches Spannungsprofil gesteuert werden können und welche entsprechend ihres individuellen Gesundheitszustandes (State of Health = SOH) Strom ziehen. Eine Parallelschaltung von Batteriezellen umgeht die Notwendigkeit einer Stromregelung für eine jede der Batteriezellen, wodurch eine Möglichkeit zur Selbstangleichung der Batteriezellen geschaffen wird. Parallel geschaltete Batteriezellen werden mit demselben Spannungsprofil gesteuert, wobei eine jede der Batteriezellen Strom aus einem spannungsgesteuerten Kanal entsprechend ihres Gesundheitszustandes zieht. US 6,291,972 B1 discloses an electrical circuit for forming lithium-ion battery cells. There are disclosed in parallel interconnected battery cells, which can be controlled by a uniform voltage profile and which draw according to their individual state of health (SOH) power. A parallel connection of battery cells obviates the need for current regulation for each of the battery cells, thereby providing a means for self-equalization of the battery cells. Parallel connected battery cells are controlled with the same voltage profile, with each of the battery cells drawing current from a voltage controlled channel according to their state of health.

DE 10 2009 035 466 A1 hat eine Formierung von Batterieeinzelzellen zum Gegenstand. Es wird ein Verfahren zum Formieren von Einzelzellen vorgeschlagen, wobei die Einzelzellen Teil einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie sind. Das Verfahren umfasst zumindest einen vorgegebenen Ladevorgang und einen vorgegebenen Entladevorgang zu einer Aktivierung elektrisch chemischer Prozesse innerhalb der Einzelzellen. Die Einzelzellen, welche in einem Zellverbund elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind, werden gemeinsam formiert. Der Formiervorgang wird dieser Lösung zufolge mittels eines batterieextern angeordneten Batteriemanagementsystems überwacht und/oder geregelt. DE 10 2009 035 466 A1 has a formation of battery cells to the object. A method for forming individual cells is proposed, wherein the individual cells are part of a battery, in particular a lithium-ion battery. The method comprises at least one predetermined charging process and a predetermined discharging process for activating electrical chemical processes within the individual cells. The individual cells, which are connected in a cell network electrically series and / or parallel, are formed together. According to this solution, the forming process is monitored and / or regulated by means of a battery management system arranged battery-externally.

EP 2 424 069 A2 bezieht sich auf eine Anlage zur Formierung von Lithium-Ionen-Zellen. Es wird eine Anlage zur Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen offenbart, die vorzugsweise einen Objektträger für die zu formierende Lithium-Ionen-Zellen umfasst und ein Formiersystem mit einem elektrischen Schaltkreis mit einer AC/CD-Umrichteeinheit sowie mehreren DC-Ausgängen, mit welchen die Lithium-Ionen-Zellen elektrisch leitend verbunden werden können. Damit ein energieoptimiertes Formieren ermöglicht wird, ist an jeden der DC-Ausgänge ein Batteriemanagementsystem angeschlossen und mit zumindest einer Lithium-Ionen-Zelle verbindbar. EP 2 424 069 A2 refers to a plant for the formation of lithium-ion cells. Disclosed is a system for forming lithium-ion battery cells, which preferably comprises a slide for the lithium-ion cells to be formed, and a forming system with an electrical circuit having an AC / CD converter unit and a plurality of DC outputs, with which the lithium-ion cells can be electrically connected. In order to enable energy-optimized forming, a battery management system is connected to each of the DC outputs and can be connected to at least one lithium-ion cell.

DE 10 2004 060 359 A1 hat eine Laderegleranordnung und ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie zum Gegenstand. Es wird eine Laderegleranordnung sowie ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie offenbart. Teilströme werden von einem DC/DC-Wandler und einem Längsregler bereitgestellt. Eine Steuereinheit steuert den DC/DC-Wandler und den Längsregler in Abhängigkeit vom tatsächlichen Ladestrom der Batterie. Gemäß dieser Lösung kann bei verringerter Chipfläche die Verlustleistung reduziert und somit die Lebensdauer der aufzuladenden Batterie verlängert werden. Das gemäß DE 10 2004 060 359 A1 offenbarte Prinzip eignet sich zur Anwendung in Mobilfunkgeräten. DE 10 2004 060 359 A1 has a charge controller arrangement and a method for charging a battery to the object. A charge controller arrangement and a method for charging a battery are disclosed. Partial streams are provided by a DC / DC converter and a series regulator. A control unit controls the DC / DC converter and the series regulator as a function of the actual charging current of the battery. According to this solution, with reduced chip area, the power loss can be reduced and thus the life of the battery to be charged can be extended. The according to DE 10 2004 060 359 A1 disclosed principle is suitable for use in mobile devices.

Bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist der Formierungsprozess besonders wichtig. Mit diesem wird jede einzelne der Lithium-Ionen-Batteriezellen einerseits aktiviert und mit einem dadurch ausgelösten Voralterungsprozess soll eine definierte Ausbildung und Stabilisierung einer SEI-Schicht (SEI = Solid Electrolyte Interface) erzielt werden. Die SEI-Schicht stellt eine Korrosionsschicht dar, die sich bei Lithium-Ionen-Batteriezellen auf der Anode bildet. Diese bestimmt das Alterungsverhalten der Batteriezellen maßgeblich. Der Formierungs- und Voralterungsvorgang dauert bei heutigen Zellfertigungen für große Batteriezellen (so zum Beispiel 60Ah-Zellen) zwischen 10 und 14 Tagen. Bei heute praktizierten Formierungsverfahren werden Leistungsendstufen eingesetzt, die entweder als Linearregler oder als stromgeregelte, getaktete Endstufen in Halbbrückenschaltung arbeiten. Die Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen erfolgt gemäß dieser Verfahren mit jeweils einer Leistungselektronik für eine zu formierende Batteriezelle. Dies bedeutet, dass keine Parallelschaltung und/oder Serienschaltung von Batteriezellen während des Formierungsvorganges vorgesehen ist. Daher ist die Formierung sehr aufwendig, da eine große Anzahl teurer Leistungselektroniken eingesetzt werden muss. Die Formierung der Batteriezellen stellt in der Regel ein der teuersten und aufwendigsten Arbeitsschritte bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batteriezellen dar. Der Ablauf des erforderlichen Formierungsprozesses erfolgt gemäß einem von einer Formieranlage vorgegebenen Ablauf. Dabei handelt es sich um eine Elektronik zur Realisierung von Lade- und Entladezyklen, ferner um eine Klimatisierung innerhalb einer Klimakammer zur Realisierung der Temperaturverläufe und verschiedener Feuchtigkeitsbeladungen.In the production of lithium-ion battery cells, the formation process is particularly important. With this, each one of the lithium-ion battery cells is activated on the one hand and with a pre-aging process triggered thereby, a defined formation and stabilization of an SEI layer (SEI = Solid Electrolyte Interface) can be achieved. The SEI layer is a corrosion layer that forms on the anode of lithium-ion battery cells. This determines the aging behavior of the battery cells significantly. The formation and pre-aging process takes place in today's cell production for large battery cells (such as 60Ah cells) between 10 and 14 days. In today practiced forming process output stages are used, which operate either as a linear regulator or current-controlled, clocked power amplifiers in half-bridge circuit. The formation of lithium-ion battery cells is carried out according to this method, each with a power electronics for a battery cell to be formed. This means that no parallel connection and / or series connection of battery cells is provided during the forming process. Therefore, the formation is very expensive, since a large number of expensive power electronics must be used. The formation of the battery cells is usually one of the most expensive and expensive steps in the production of lithium-ion battery cells. The expiry of the required forming process takes place in accordance with a predetermined by a Formieranlage process. It is an electronics for the realization of charging and discharging cycles, also to an air conditioning within a climate chamber for the realization of the temperature profiles and different moisture loads.

Heutigen sich abzeichnenden Entwicklungstendenzen zufolge wird eine Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen zunehmend individuell erfolgen, um zum Beispiel die mittlere Formierungsdauer zur Formierung einer Batteriezelle zu verkürzen und/oder die Qualität ausgelieferter Batteriezellen zu erhöhen, indem Batteriezellen mit hochohmigen Schlüssen, so zum Beispiel hervorgerufen durch Verunreinigungen beim Produktionsprozess, mit einer höheren Wahrscheinlichkeit erkannt werden, als bei bisherigen Formierungsverfahren. Wird der Formierungsprozess der Batteriezelle individuell durchgeführt, kann jedoch aufgrund einer Typ-Teilenummer einer betreffenden Batteriezelle alleine nicht mehr auf den exakten Ablauf des Formierungsprozesses zurückgeschlossen werden. Daher müsste der Ablauf der Formierung für alle jemals gefertigten Batteriezellen für die gesamte Lebensdauer der Batteriezellen in einem IT-System beim Zellhersteller gespeichert werden. Dies stellt jedoch einen erheblichen kaum darstellbaren Aufwand dar. According to today's emerging trends, formation of lithium-ion battery cells will increasingly be individualized, for example, to shorten the average formation time for forming a battery cell and / or to increase the quality of delivered battery cells by causing battery cells with high-impedance closures such as, for example due to impurities in the production process, are more likely to be detected than in previous forming processes. Will the Forming process of the battery cell performed individually, but can not be deduced due to a type part number of a particular battery cell alone on the exact course of the forming process. Therefore, the process of formation would have to be stored for all ever manufactured battery cells for the entire life of the battery cells in an IT system at the cell manufacturer. However, this represents a considerable effort hardly representable.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einem ersten Zellterminal und einem zweiten Zellterminal vorgeschlagen, die mindestens eine Kommunikationsschnittstelle zum Datenaustausch zumindest mit einer Formierendstufe sowie zumindest eine integrierte Überwachungs- und Zustandserkennungselektronik aufweist, ferner einen Speicher zur Speicherung der Betriebshistorie und der Formierungsdaten der betreffenden Batteriezelle umfasst.According to the invention, a battery cell with a first cell terminal and a second cell terminal is proposed, which has at least one communication interface for data exchange at least with a forming stage and at least one integrated monitoring and state detection electronics, further comprising a memory for storing the operating history and the formation data of the battery cell in question.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung besteht die Möglichkeit, den Formierungsprozess an jede einzelne zu formierende Batteriezelle individuell anzupassen, indem batteriezellenindividuelle Informationen während des Formierungsprozesses ausgewertet und in diesen einfließen können. Insbesondere besteht die Möglichkeit, dass die betreffende zu formierende Batteriezelle den Formierungsprozess über mindestens eine Kommunikationsschnittstelle beeinflusst, mittels derer die Batteriezelle mit der Formierelektronik oder einer Formierendstufe und anderen Steuerelektroniken, beispielsweise einer Steuerelektronik zur Steuerung einer Klimatisierungseinrichtung Informationen austauschen kann. By means of the solution proposed according to the invention, it is possible to individually adapt the forming process to each individual battery cell to be formed, in that battery cell-specific information can be evaluated during the forming process and incorporated into it. In particular, there is the possibility that the relevant battery cell to be formed influences the forming process via at least one communication interface, by means of which the battery cell can exchange information with the forming electronics or a forming stage and other control electronics, for example control electronics for controlling an air conditioning device.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung umfasst eine in die Batteriezelle integrierte oder der Batteriezelle zugeordnete Elektronik mit einer Überwachungselektronik, mit einer Sensorik zur Ermittlung einer Batteriezellenspannung U und/oder eines Batteriezellenstromes I und/oder einer Batteriezellentemperatur T und/oder eines Batteriezelleninnendruckes p, mindestens einer Linearbeschleunigung a und/oder einer Drehbeschleunigung α, der die Batteriezelle ausgesetzt war. A preferred embodiment of the proposed solution according to the invention comprises an integrated into the battery cell or the battery cell associated electronics with a monitoring electronics, with a sensor for detecting a battery cell voltage U and / or a battery cell current I and / or a battery cell temperature T and / or a battery cell internal pressure p, at least a linear acceleration a and / or a rotational acceleration α, which was exposed to the battery cell.

Die in die Batteriezelle integrierte Zustandserkennungselektronik umfasst eine Sensorik und eine Aktorik, mit welcher die Betätigung von Sicherheitseinrichtungen, beispielsweise eines Berstventiles oder dergleichen oder die Aktivierung einer Schnellentladungseinheit möglich ist. Ferner umfasst die erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle mit integrierter Elektronik eine Aktorik zum Schalten einer Batteriezellenausgangsspannung U. In einer Ausführungsmöglichkeit der Aktorik zum Schalten einer Batteriezellenausgangsspannung umfasst die Batteriezelle eine Halbbrückenschaltung. Diese umfasst zwei Leistungshalbleiter sowie zwei ein- und ausschaltbare Halbleiterventile, beispielsweise Dioden. Über diese kann die Batteriezelle dahingehend geschaltet werden, dass an deren Klemmen eine Spannung U = U_Zelle oder eine Batteriezellenspannung U = 0 V anliegt. Eine andere Ausführungsmöglichkeit zu der Aktorik zum Schalten der Batteriezellenausgangsspannung U besteht darin, die Batteriezelle mit einer Vollbrückenschaltung auszulegen. Die Vollbrückenschaltung umfasst zwei Halbbrücken, die jeweils zwei Leistungshalbleiter aufweisen sowie jeweils zwei ein- und ausschaltbare Halbleiterventile, beispielsweise Sperrdioden. Mit der Vollbrückenschaltung besteht die Möglichkeit, die Batteriezelle so zu betreiben, dass an deren Klemmen die voneinander verschiedenen Spannungen U = +U_Zelle, U = –U_Zelle oder die Batteriezellenspannung U = 0 V anliegen. Die beiden Halbbrücken der Vollbrücke erlauben es, zwischen dem ersten Zellterminal und dem zweiten Zellterminal eine Spannung von +U_Zelle oder –U_Zelle einzustellen. Es besteht auch die Möglichkeit, die beiden Halbbrücken so zu schalten, dass sich zwischen den beiden Zellterminals eine Spannung von 0 V einstellt. Im Falle einer Spannung von +U_Zelle ist das erste Zellterminal mit dem positiven Pol der Batteriezelle und das zweite Zellterminal mit dem negativen Pol der Batteriezelle verbunden. Im Falle einer Spannung von –U_Zelle ist das erste Zellterminal mit dem negativen Pol der Batteriezelle und das zweite Zellterminal mit dem postiven Pol der Batteriezelle verbunden. The state-detection electronics integrated into the battery cell comprise a sensor system and an actuator, with which the actuation of safety devices, for example a burst valve or the like, or the activation of a quick discharge unit is possible. Furthermore, the inventively proposed battery cell with integrated electronics comprises an actuator for switching a battery cell output voltage U. In one embodiment of the actuator for switching a battery cell output voltage, the battery cell comprises a half-bridge circuit. This comprises two power semiconductors and two semiconductor valves which can be switched on and off, for example diodes. About this, the battery _cell can be switched to the effect that at their terminals a voltage U = U _cell or a battery _cell voltage U = 0 V is applied. Another possible embodiment of the actuator for switching the battery cell output voltage U is to design the battery cell with a full bridge circuit. The full-bridge circuit comprises two half-bridges, each having two power semiconductors, and in each case two semiconductor valves which can be switched on and off, for example blocking diodes. With the full-bridge circuit, it is possible to operate the battery _{cell in} such a way that the mutually different voltages U = + U _cell , U = -U _cell or the battery _cell voltage U = 0 V are applied to their terminals. The two half bridges of the full bridge make it possible to set a voltage of + U _cell or -U _cell between the first cell terminal and the second cell terminal. It is also possible to switch the two half-bridges so that a voltage of 0 V is established between the two cell terminals. In the case of a voltage of + U _cell , the first cell terminal is connected to the positive pole of the battery _cell and the second cell terminal to the negative pole of the battery _cell . In the case of a voltage of -U _cell , the first cell terminal is connected to the negative pole of the battery _cell and the second cell terminal to the positive pole of the battery cell.

In beiden Ausführungsvarianten der Aktorik umfassen die Batteriezellen neben einem leistungselektronischen Stellglied auch Sensorik sowie eine Kommunikationsschnittstelle. In both embodiments of the actuators, the battery cells in addition to a power electronic actuator also include sensors and a communication interface.

Über die Kommunikationsschnittstelle besteht die Möglichkeit, dass die Batteriezelle mit einem zellexternen Batteriemanagementsystem, einer Formierendstufe und/oder auch einer Steuerelektronik zur Steuerung einer Klimatisierungseinrichtung, kommunizieren kann. Die Kommunikationsschnittstelle der Batteriezelle wird genutzt, um mit der Formierelektronik, der Formierendstufe und den Einrichtungen zur Klimatisierung der Batteriezelle während des Formierungsprozesses zu kommunizieren. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, den Formierungsablauf batteriezellenindividuell zu steuern und gegebenenfalls den Formierungsprozess bei Auftreten von Anomalien sofort abzubrechen. Im Speicher der batteriezelleninternen Sensorik sind die Formierungsdaten sowie Betriebsdaten der Batteriezelle, beispielsweise in Form von Histogrammen gespeichert. Des Weiteren sind in diesem Speicher die Formierungsdaten, die Parameter der Formierung, der Formierungsablauf sowie der zeitliche Verlaufe der Formierungsdaten hinterlegt. Via the communication interface, there is the possibility that the battery cell can communicate with a cell-external battery management system, a forming stage and / or control electronics for controlling an air-conditioning device. The communication interface of the battery cell is used to communicate with the forming electronics, the forming stage and the means for conditioning the battery cell during the forming process. In this way it is possible to control the formation process battery cell-individual and, if necessary, immediately cancel the formation process in the event of anomalous. In the memory of the battery cell internal sensor, the formation data and operating data of the battery cell, for example, stored in the form of histograms. Furthermore, in this memory, the formation data, the parameters of the formation, the Formation process and the time course of the formation data deposited.

Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zur Formierung von Batteriezellen, wobei die Batteriezelle ihren Formierungsvorgang über eine Kommunikation mit einer Formierendstufe oder einer Formierelektronik und/oder einer Steuerelektronik für eine Klimatisierungseinrichtung individuell und autonom über eine Datenübertragung steuert, wobei batteriezellenindividuelle Parameter beim Formierungsprozess Berücksichtigung finden. Die Formierung verläuft unter Berücksichtigung einer oder mehrerer der nachfolgend aufgeführten Parameter:

– Batteriezellenspannung U,
– Batteriezellenstrom I,
– Batteriezellentemperatur T,
– Batteriezelleninnendruck p,
– Linearbeschleunigung a,
– Drehbeschleunigung α.

The invention further relates to a method for forming battery cells, wherein the battery cell individually and autonomously controls its forming process via a communication with a forming stage or a Formierelektronik and / or control electronics for an air conditioning device via a data transfer, with battery cell-individual parameters in the forming process into account Find. The formation proceeds taking into account one or more of the following parameters:

Battery cell voltage U,
Battery cell current I,
Battery cell temperature T,
- battery cell internal pressure p,
- linear acceleration a,
- Spin α.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann die zeitliche Dauer des Formierungsprozess der Batteriezelle durch die Berücksichtigung batteriezelleninterner Parameter, insbesondere des Batteriezelleninnendruckes p und der Batteriezellentemperatur T verkürzt werden. Es besteht die Möglichkeit, den Formierungsprozess sofort zu unterbrechen, falls an der Batteriezelle zunächst ein hochohmiger Anschluss detektiert wird, oder falls sich herausstellt, dass der Batteriezelleninnendruck p unzulässig hoch ist. Im vorliegenden Zusammenhang ist unter einem hochohmigen Anschluss ein solcher Anschluss zu verstehen, der einen höheren Widerstandswert, verglichen zum Widerstandswert den dieser Anschluss im Normalbetrieb annimmt, aufweist. Zu den batteriezelleninternen Parameter zählen die Linearbeschleunigung a sowie die Drehbeschleunigung α. Diese Parameter beziehen sich auf die Lebensdauer der Batteriezelle, genauer gesagt auf die Linearbeschleunigungen a bzw. die Drehbeschleunigung α, der die Batteriezelle nach dem Einbau in einem Fahrzeug ausgesetzt war. Diese Daten können beispielsweise über eine Kommunikationsschnittstelle von einer übergeordneten Speicherinstanz abgerufen werden und Eingang in den Formierungsprozess finden. With the method proposed according to the invention, the time duration of the forming process of the battery cell can be shortened by taking account of battery cell-internal parameters, in particular the battery cell internal pressure p and the battery cell temperature T. It is possible to immediately interrupt the forming process, if at first a high-impedance connection is detected at the battery cell, or if it turns out that the battery cell internal pressure p is unacceptably high. In the present context, a high-impedance connection means such a connection, which has a higher resistance value compared to the resistance that this connection assumes during normal operation. The battery cell internal parameters include the linear acceleration a and the rotational acceleration α. These parameters relate to the life of the battery cell, more precisely to the linear accelerations a or the rotational acceleration α, which was exposed to the battery cell after installation in a vehicle. This data can, for example, be retrieved from a higher-level storage instance via a communication interface and find entry into the formation process.

Da in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriezelle in der integrierten Elektronik die gesamte Betriebshistorie einschließlich der bei einem Formierungsprozess vorliegenden Parameter gespeichert werden, können die Daten beispielsweise im Falle der Klärung von Gewährleistungsansprüchen oder im Falle eines weiteren Betriebseinsatzes der Batteriezelle genutzt werden. In einem weiteren Batteriezellenanwendungszyklus können die Batteriezellen nach Ablauf ihrer Verwendung im Rahmen einer Traktionsbatterie eines Hybrid- oder eines Elektrofahrzeuges auch in stationären Batteriesystemen Verwendung finden, beispielsweise an Offshore-Windanlagen, an Windparks oder dergleichen. Since the entire operating history, including the parameters present during a forming process, are stored in the battery cell proposed according to the invention in the integrated electronics, the data can be used, for example, in the case of clarification of warranty claims or in the case of a further operation of the battery cell. In a further battery cell application cycle, the battery cells can also be used in stationary battery systems after their use in the context of a traction battery of a hybrid or an electric vehicle, for example on offshore wind farms, wind farms or the like.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung besteht die Möglichkeit, in der Batteriezelle selbst die Basisdaten für den Formierungsprozess in der integrierten Elektronik zu speichern. Dadurch kann verhindert werden, dass eine betreffende Batteriezelle mit einem falschen Formierungsprozess formiert wird und somit die Sicherheit dahingehend erhöht wird, dass bei der Formierung der betreffenden Batteriezelle keine Brände durch falsche Formierungsprozeduren verursacht werden. Des Weiteren erlaubt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung den Formierungsablauf durch zusätzliche Berücksichtigung bisher nicht berücksichtigter Informationen wie zum Beispiel den mit der integrierten Elektronik beispielsweise zu messenden Batteriezelleninnendruck der Batteriezelle individuell zu steuern. Die zeitliche Dauer eines Formierungsprozesses kann erheblich verkürzt werden, da die Möglichkeit besteht, vorab, d.h. vor Beginn des Formierungsprozesses die Batteriezellen zu selektieren, beispielsweise aufgrund der in der integrierten Elektronik gespeicherten Daten zum Batteriezelleninnendruck p einen zu hohen Wert für diesen aufweisen. Zellen mit hochohmigen Schlüssen weisen zum Beispiel eine Abweichung des zellinternen Gasdrucks während des Formierungsprozesses auf und können so frühzeitig selektiert werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, bei einer Abweichung eines detektierten batteriezelleninternen Gasinnendrucks p während des Formierungsprozesses den Formierungsprozess für die betroffene Batteriezelle individuell abzubrechen und die Batteriezelle aus dem Formierungsprozess herauszunehmen. Somit lassen sich beispielsweise Brände bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriezellen wirksam vermeiden.By the solution proposed according to the invention, it is possible to store in the battery cell itself the basic data for the forming process in the integrated electronics. Thereby, it can be prevented that a respective battery cell is formed with a wrong forming process and thus the safety is increased so that no fires are caused by wrong forming procedures in the formation of the battery cell concerned. Furthermore, the solution proposed according to the invention allows the formation process to be individually controlled by additional consideration of previously unaccounted for information, such as the battery cell internal pressure of the battery cell to be measured, for example, with the integrated electronics. The time duration of a forming process can be shortened considerably, since it is possible to pre-set, i. prior to the beginning of the forming process to select the battery cells, for example, due to the data stored in the integrated electronics data for the battery cell internal pressure p have too high value for this. For example, cells with high-resistance closures exhibit a deviation of the cell-internal gas pressure during the forming process and can thus be selected at an early stage. Furthermore, there is the possibility, in the event of a deviation of a detected internal battery internal pressure p during the forming process, of interrupting the forming process for the affected battery cell individually and of removing the battery cell from the forming process. Thus, for example, fires can be effectively avoided in the production of lithium-ion battery cells.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erlaubt eine individuelle Formierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Des Weiteren wird die mittlere Formierungsdauer der Batteriezellen verkürzt und die Qualität ausgelieferter Batteriezellen erhöht, insbesondere dadurch, dass Batteriezellen mit hochohmigen Schlüssen so zum Beispiel durch Verunreinigungen beim Produktionsprozess mit höherer Wahrscheinlichkeit erkannt werden als bisher. Mit der vorliegenden Lösung können die Formierungsdaten von Batteriezellen mit in deren integrierter Elektronik in dieser zelleigenen Elektronik gespeichert werden, so dass bei Bedarf auf diese Daten sehr leicht zurückgegriffen werden kann. The proposed solution according to the invention allows individual formation of lithium-ion battery cells. Furthermore, the average formation time of the battery cells is shortened and the quality of delivered battery cells is increased, in particular by the fact that battery cells with high-impedance closures are thus more likely to be detected, for example due to impurities in the production process, than before. With the present solution, the formation of data from battery cells can be stored in their integrated electronics in this cell's own electronics, so that when needed this data can be accessed very easily.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Anhand der Zeichnung wir die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawing, the invention will be described in more detail below.

Es zeigt: It shows:

1 eine linear geregelte Formierendstufe mit Einprägung der Formierströme, 1 a linearly controlled forming stage with impression of the forming streams,

2 eine getaktet arbeitende Formierendstufe, bei der die zur Formierung erforderlichen Ströme ebenfalls eingeprägt werden, 2 a clocked forming stage in which the currents required for the formation are also impressed,

3 eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle mit integrierter Kommunikationsschnittstelle und integrierter Überwachungssensorik und Batteriezustandserkennungssensorik, 3 a battery cell proposed according to the invention with integrated communication interface and integrated monitoring sensor system and battery state detection sensor system,

4 den Verlauf eines ersten Strompfades bei Ausstattung der Batteriezelle gemäß der Darstellung in 3 mit einer Halbbrückenschaltung, 4 the course of a first current path in equipment of the battery cell as shown in FIG 3 with a half-bridge circuit,

5 eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle gemäß der Darstellung in 3 mit einer Vollbrückenschaltung zwei Halbbrückenschaltungen umfassend zur Stellung unterschiedlicher Spannungen, 5 a battery cell proposed according to the invention as shown in FIG 3 with a full-bridge circuit, two half-bridge circuits comprising different voltages,

6 die schematische Darstellung des von der Batteriezelle gesteuerten Formierungsprozess für Batteriezellen mit integrierter Elektronik und 6 the schematic representation of the controlled by the battery cell forming process for battery cells with integrated electronics and

7 die Darstellung des elektronischen Speichers innerhalb der Batteriezelle, in dem die Formierungsdaten sowie Betriebshistorie der betreffenden Batteriezelle gespeichert sind. 7 the representation of the electronic memory within the battery cell, in which the formation data and operating history of the battery cell concerned are stored.

1 zeigt eine linear geregelte Formierendstufe, bei der die Formierströme eingeprägt werden. 1 shows a linear controlled forming stage, in which the Formierströme be imprinted.

1 ist eine zu formierende Batteriezelle 10 zu entnehmen, die in einer schematisch angedeuteten Aufnahmeeinrichtung 12 aufgenommen ist. Die zu formierende Batteriezelle 10 ist mit einer Formierendstufe 16 über elektrische Anschlüsse 14 elektrisch verbunden. Die Formierendstufe 16 ihrerseits ist über einen Einspeiseanschluss 18 elektrisch kontaktierbar. Im Wesentlichen ist die Formierendstufe 16 durch einen Gleichspannungszwischenkreis 20 gebildet, der ein Glättungskondensator 22 aufweist. Über einen ersten Leistungshalbleiter 24 sowie einen zweiten Leistungshalbleiter 26 sowie ein erstes Halbleiterventil 28 und ein zweites Halbleiterventil 30 können die Formierströme für die zu formierende Batteriezelle 10 in diese eingeprägt werden. Bei den Halbleiterventilen 28, 30 handelt es sich beispielsweise um Dioden. 1 is a battery cell to be formed 10 to take in a schematically indicated recording device 12 is included. The battery cell to be formed 10 is with a forming stage 16 via electrical connections 14 electrically connected. The forming stage 16 in turn is via a feed connection 18 electrically contactable. In essence, the forming stage 16 through a DC voltage intermediate circuit 20 formed, which is a smoothing capacitor 22 having. About a first power semiconductor 24 and a second power semiconductor 26 and a first semiconductor valve 28 and a second semiconductor valve 30 can the Formierströme for the battery cell to be formed 10 be imprinted in these. For the semiconductor valves 28 . 30 For example, these are diodes.

2 zeigt eine getaktet arbeitende Formierendstufe, bei der die Formierströme für die zu formierende Batteriezelle ebenfalls eingeprägt werden. 2 shows a clocked forming stage, in which the Formierströme for the battery cell to be formed are also impressed.

In Erweiterung des in 1 dargestellten Schaltbildes umfasst die Schaltung gemäß der Darstellung in 2 Senseleitungen 32, über welche die Spannung der zu formenden Batteriezelle 10 abgegriffen werden kann. Die Senseleitungen 32 sind über Anschlüsse 34 an der Aufnahmeeinrichtung 12 angeschlossen. Die Formierendstufe 16 umfasst neben dem Gleichspannungszwischenkreis 20, dem Glättungskondensator 22, den Leistungshalbleitern 24, 26 sowie den Halbleiterventilen 28, 30 eine Speicherdrossel 36 sowie einen Strommesser 38. In extension of in 1 illustrated circuit diagram includes the circuit shown in FIG 2 Sense lines 32 over which the voltage of the battery cell to be formed 10 can be tapped. The sense lines 32 are about connections 34 at the receiving device 12 connected. The forming stage 16 includes in addition to the DC voltage intermediate circuit 20 , the smoothing capacitor 22 , the power semiconductors 24 . 26 as well as the semiconductor valves 28 . 30 a storage choke 36 as well as an electricity meter 38 ,

Ausführungsvariantenvariants

3 zeigt eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle 50 mit einem ersten Zellterminal 52, einem zweiten Zellterminal 54 sowie einer Kommunikationsschnittstelle 56. An der mindestens einen an der Batteriezelle 50, die eigensicher ausgestaltet ist, vorgesehenen Kommunikationsschnittstelle wird insbesondere ein Datenbus angeschlossen, über den die Batteriezelle 50 mit einer Formierendstufe 16, einem Batteriemanagementsystem sowie einer später noch zu erläuternden Steuerelektronik 108 für eine Klimatisierungseinrichtung 106 kommuniziert. 3 shows a battery cell proposed according to the invention 50 with a first cell terminal 52 , a second cell terminal 54 as well as a communication interface 56 , At least one of the battery cell 50 , which is intrinsically safe, provided communication interface is connected in particular a data bus, via which the battery cell 50 with a shaping stage 16 , a battery management system and an electronic control system to be explained later 108 for an air conditioning device 106 communicated.

Die in 3 dargestellte Batteriezelle 50 umfasst eine Zellchemie, beispielsweise mindestens einen Batteriewickel sowie eine Mechanik zur Fixierung des Batteriewickels im Gehäuse der Batteriezelle 50. Die Batteriezelle 50 umfasst integrierte Sicherheitsfunktionen, so beispielsweise eine Berstplatte oder ein Berstventil, welches bei einem zu hohen Batteriezelleninnendruck p öffnet, so dass Schadgase aus dem Inneren der Batteriezelle 50 entweichen können. Die in 3 dargestellte Batteriezelle 50 umfasst eine Überwachungssensorik 60. Die Überwachungssensorik 60 weist eine Sensorik auf, über welche beispielsweise batteriezelleninterne Parameter, wie die Batteriezellenspannung U, der Batteriezellenstrom I, die Batteriezellentemperatur T, der Batteriezelleninnendruck p, mindestens eine Linearbeschleunigung a sowie optional eine Drehbeschleunigung α ermittelt und detektiert werden können. Darüber hinaus umfasst die Batteriezelle 50 gemäß der Darstellung in 3 eine Batteriezustandserkennungs-Einheit bzw. eine Prädiktionseinheit, mit welcher der Zustand der Batterie dokumentierbar ist. Darüber hinaus umfasst die Batteriezelle 50 eine Sicherheitsaktorik 64 über welche beispielsweise eine Schnellentladungseinheit 72 oder eine Stromüberbrückungsleitung angesteuert und aktiviert werden können. Darüber hinaus umfasst die Batteriezelle 50 gemäß der Darstellung in 3 optional eine Aktorik 66 zum Schalten der Zellausgangsspannung U. Schließlich umfasst die Batteriezelle 50 einen Speicher 110, in welchem die bei der Formierung der Batteriezelle 50 relevanten Parameter sowie der zeitliche Ablauf des Formierungsprozesses gespeichert werden. In the 3 illustrated battery cell 50 includes a cell chemistry, for example at least one battery winding and a mechanism for fixing the battery pack in the housing of the battery cell 50 , The battery cell 50 includes integrated safety functions, such as a bursting plate or a bursting valve, which opens at too high a battery cell internal pressure p, so that noxious gases from the inside of the battery cell 50 can escape. In the 3 illustrated battery cell 50 includes a monitoring sensor 60 , The monitoring sensor 60 has a sensor via which, for example, battery cell internal parameters such as the battery cell voltage U, the battery cell current I, the battery cell temperature T, the battery cell internal pressure p, at least one linear acceleration a and optionally a rotational acceleration α can be detected and detected. In addition, the battery cell includes 50 as shown in 3 a battery state detection unit or a prediction unit, with which the state of the battery can be documented. In addition, the battery cell includes 50 a security actor 64 about which, for example, a fast discharge unit 72 or a power bypass line can be controlled and activated. In addition, the battery cell includes 50 as shown in 3 optionally an actuator 66 for switching the cell output voltage U. Finally, the battery cell includes 50 a memory 110 in which the in the formation of the battery cell 50 relevant parameters and the timing of the forming process are stored.

4 zeigt eine erste Ausführungsmöglichkeit der Aktorik zum Schalten der Batteriezellenausgangsspannung. 4 shows a first embodiment of the actuator for switching the battery cell output voltage.

Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle 50 in dieser Ausführungsvariante eine Controllereinheit 68 umfasst, welche die Kommunikationsschnittstelle 56 enthält. Die Controllereinheit 68 ist Bestandteil einer Zellüberwachungselektronik 70. Die Batteriezelle 50 umfasst darüber hinaus eine Schnellentladungseinheit 72 (Ultra Fast Discharge Device = UFDD), welche Teil der in 3 schematisch dargestellten Sicherheitsaktorik 64 ist. Die Schnellentladungseinheit 72 umfasst einen Widerstand 74 und einen mit diesem in Reihe liegenden Leistungsschalter 76, über den eine Schnellentladung der zu vermehrenden Batteriezelle 50 gegebenenfalls erfolgen kann. Des Weiteren umfasst in der in 4 dargestellten Ausführungsvariante der Batteriezelle 50 diese eine Halbbrückenschaltung 78. Die Halbbrückenschaltung 78 enthält die beiden Leistungshalbleiter 24 bzw. 26 sowie parallel dazu geschaltet die beiden in Gegenrichtung durchlässigen Dioden 28, 30, hier ausgebildet als Sperrdioden. Über die in 4 dargestellte Halbbrückenschaltung 78 können an den Zellterminals 52 bzw. 54 der Batteriezelle 50 gemäß der 4 die Batteriezellenspannungen U = +U_Zelle oder U = 0V geschaltet werden. Es stellt sich der in 4 dargestellte erste Formierungsstrom 80 dar, der über die Batteriezelle 50 fließt, wobei die Batteriezellenspannung U über den ersten Leistungshalbleiter 24 gestellt ist. Unter der Voraussetzung, dass die Leistungshalbleiter 24, 26 nur im eingeschalteten oder nur im voll ausgeschalteten Betrieb arbeiten. From the illustration according to 4 shows that the inventively proposed battery cell 50 in this embodiment, a controller unit 68 includes which the communication interface 56 contains. The controller unit 68 is part of cell monitoring electronics 70 , The battery cell 50 also includes a fast discharge unit 72 (Ultra Fast Discharge Device = UFDD), which is part of the in 3 schematically illustrated safety actuator 64 is. The quick discharge unit 72 includes a resistor 74 and a circuit breaker in series with it 76 over which a rapid discharge of the battery cell to be propagated 50 if necessary. Furthermore, in the in 4 illustrated embodiment of the battery cell 50 this a half-bridge circuit 78 , The half-bridge circuit 78 contains the two power semiconductors 24 respectively. 26 as well as parallel connected to the two diodes permeable in the opposite direction 28 . 30 , here designed as blocking diodes. About the in 4 illustrated half-bridge circuit 78 can at the cell terminals 52 respectively. 54 the battery cell 50 according to the 4 the battery _cell voltages U = + U _cell or U = 0V are switched. It turns the in 4 illustrated first forming current 80 that's about the battery cell 50 flows, wherein the battery cell voltage U via the first power semiconductor 24 is placed. On the assumption that the power semiconductors 24 . 26 only work when the system is switched on or only when fully switched off.

5 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Aktorik zum Schalten der Batteriezellenausgangsspannung U zu entnehmen. Im in 5 dargestellten Falle umfasst die Batteriezelle 50 neben der Controllereinheit 68, der Schnellentladungseinheit 72, die analog gemäß der Darstellung in 4 aufgebaut ist, eine Vollbrückenschaltung 82. Die Vollbrückenschaltung 82 ihrerseits enthält eine erste Halbbrücke 84 und eine zweite Halbbrücke 86. Während die erste Halbbrücke die beiden Leistungshalbleiter 24, 26 sowie die beiden Dioden 28, 30, beide ausgeführt als Sperrdioden, umfasst, enthält die zweite Halbbrücke 86 einen dritten Leistungshalbleiter 88, einen vierten Leistungshalbleiter 90 sowie die dritten und vierten Dioden 92, 94, die in dieser Ausführungsvariante ebenfalls als Sperrdioden ausgebildet sind. Mit der in 5 dargestellten Ausführungsvariante der Aktorik zum Schalten der Batteriezellenausgangsspannung U, lassen sich entsprechend des zweiten Formierungsstrompfades 96 an dem ersten Zellterminal 52 bzw. dem zweiten Zellterminal 54 voneinander verschiedene Batteriezellenspannungen einstellen, je nach eingestelltem zweiten Formierungsstrompfad. Je nach Schaltung der beiden Halbbrücken 84 und 86 der Vollbrückenschaltung 82, können zwischen dem ersten Zellterminal 52 und dem zweiten Zellterminal 54 entweder die voneinander verschiedenen Spannungen +U_Zelle, –U_zelle oder 0 V eingestellt werden. Vor Stellung der Spannung +U_Zelle ist das erste Zellterminal 52 mit dem positiven Pol der Batteriezelle 10 und das zweite Zellterminal 54 mit dem negativen Pol der Batteriezelle 10 verbunden. Im Falle der Stellung der Spannung –U_Zelle ist das erste Zellterminal 52 mit dem negativen Pol der Batteriezelle 10 und das zweite Zellterminal 54 mit dem positiven Pol der Batteriezelle 10 verbunden. 5 is another embodiment of the actuator for switching the battery cell output voltage U can be seen. Im in 5 illustrated case includes the battery cell 50 next to the controller unit 68 , the fast discharge unit 72 , analogous to the representation in 4 is constructed, a full bridge circuit 82 , The full bridge circuit 82 in turn contains a first half-bridge 84 and a second half bridge 86 , While the first half-bridge, the two power semiconductors 24 . 26 as well as the two diodes 28 . 30 both embodied as blocking diodes, includes the second half-bridge 86 a third power semiconductor 88 , a fourth power semiconductor 90 as well as the third and fourth diodes 92 . 94 , which are also formed in this embodiment as blocking diodes. With the in 5 illustrated variant of the actuator for switching the battery cell output voltage U, can be according to the second Formierungsstrompfades 96 at the first cell terminal 52 or the second cell terminal 54 Set battery cell voltages different from each other, depending on the set second shaping current path. Depending on the circuit of the two half bridges 84 and 86 the full bridge circuit 82 , can be between the first cell terminal 52 and the second cell terminal 54 either the mutually different voltages + U _cell , _{-U cell} or 0 V be set. Before voltage is applied + U _cell is the first cell terminal 52 with the positive pole of the battery cell 10 and the second cell terminal 54 with the negative pole of the battery cell 10 connected. In case the position of the voltage -U _cell is the first cell terminal 52 with the negative pole of the battery cell 10 and the second cell terminal 54 with the positive pole of the battery cell 10 connected.

6 zeigt das Prinzipschaltbild einer Batteriezelle eines von der Batteriezelle autonom gesteuerten Formierungsprozess. 6 shows the schematic diagram of a battery cell autonomously controlled by the battery cell forming process.

6 zeigt, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriezelle 50 eine erste Kommunikationsschnittstelle 98 umfasst sowie die in 3 ebenfalls nur schematisch angedeutete integrierte Sicherheitsfunktionsschicht, die Überwachungssensorik 60 mit entsprechender Sensorik sowie eine Batteriezustandserkennungseinheit bzw. Prädiktionseinheit 62. Darüber hinaus umfasst die Batteriezelle 50 die Zellüberwachungselektronik 70, vergleiche 4 und 5 sowie gegebenenfalls die Sicherheitsaktorik 64 sowie die Schaltaktorik 66. 6 shows that the inventively proposed battery cell 50 a first communication interface 98 includes as well as the in 3 also only schematically indicated integrated safety function layer, the monitoring sensor 60 with corresponding sensors and a battery state detection unit or prediction unit 62 , In addition, the battery cell includes 50 the cell monitoring electronics 70 , compare 4 and 5 and, if appropriate, the security actuators 64 as well as the Schaltaktorik 66 ,

Die Batteriezelle 50 ist in einer Klimatisierungseinrichtung 106 aufgenommen. Die Klimatisierungseinrichtung 106 wird durch eine Steuerelektronik 108 gesteuert. Die Batteriezelle 50 steht über eine zweite Kommunikationsschnittstelle 100 über einen Datenbus, insbesondere einen ersten CAN-Datenbus 102, mit einer der ersten Kommunikationsschnittstelle 98 der Formierendstufe 16 bzw. einer Formierelektronik in einer einen bidirektionalen Datenaustausch ermöglichenden Verbindung. Der erste Datenbus 102 kann mit einem zweiten Datenbus 104, der ebenfalls als CAN-Bus ausgebildet sein kann, kommunizieren, so dass über die zweite Kommunikationsschnittstelle 100 der Batteriezelle 50 auch die Steuerelektronik 108 der Klimatisierungseinrichtung 106 adressierbar ist. Auch hier besteht ein bidirektional erfolgender Datenaustausch. The battery cell 50 is in an air conditioning device 106 added. The air conditioning device 106 is controlled by an electronic control system 108 controlled. The battery cell 50 is via a second communication interface 100 via a data bus, in particular a first CAN data bus 102 , with one of the first communication interface 98 the forming stage 16 or a Formierelektronik in a bidirectional data exchange enabling connection. The first data bus 102 can with a second data bus 104 , which can also be configured as a CAN bus, communicate, so that via the second communication interface 100 the battery cell 50 also the control electronics 108 the air conditioning device 106 is addressable. Again, there is a bidirectional data exchange.

Bei der in 6 schematisch dargestellten Batteriezelle 50 kann es sich um eine solche handeln, die für den Aufbau von Batteriesystemen für Traktionsbatteriesystemen in Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen geeignet ist sowie auch für Batterien im Nicht-Automobilbereich, so zum Beispiel stationäre Systeme für Einsatz als Zwischenspeicher in dezentralen Energieversorgungssystemen oder Industriebatterien. At the in 6 schematically illustrated battery cell 50 it may be one suitable for the construction of battery systems for traction battery systems in hybrid vehicles or electric vehicles, as well as for non-automotive batteries, such as stationary systems for use as caches in distributed power systems or industrial batteries.

Die zweite Kommunikationsschnittstelle 100 der Batteriezelle 50 wird dazu genutzt, dass die Batteriezelle 50 mit einem zellexternen Batteriemanagementsystem und/oder mit der Formierendstufe 16 bzw. einer dementsprechenden Formierelektronik kommunizieren kann. Des Weiteren kann die Batteriezelle 50 mit der Steuerelektronik 108 für die Klimatisierungseinrichtung 106 während des Formierungsprozesses kommunizieren. Auf diese Weise kann der Formierungsprozess batteriezellenindividuell erfolgen und der Formierungsprozess sofort unterbrochen werden für den Fall, dass die Batteriezelle 50 bei der Formierung auffällig wird. Darunter ist zu verstehen, dass die betreffende Batteriezelle 50 einen zunächst noch hochohmigen Schluss aufweist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann die Formierungsdauer erheblich verkürzt werden und die Sicherheit während des Formierungsprozesses erheblich erhöht werden, verglichen mit Lösungen gemäß des Standes der Technik. The second communication interface 100 the battery cell 50 is used to make the battery cell 50 with a cell external battery management system and / or with the forming stage 16 or a corresponding Formierelektronik can communicate. Furthermore, the battery cell 50 with the control electronics 108 for the air conditioning device 106 communicate during the forming process. In this way, the forming process can be carried out battery cell-individual and the formation process can be interrupted immediately in the event that the battery cell 50 is noticeable in the formation. By this is meant that the battery cell in question 50 has a first high-impedance conclusion. By inventively proposed solution, the formation time can be significantly shortened and the safety during the forming process can be significantly increased compared with solutions according to the prior art.

7 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Batteriezelle zur Vornahme eines autonom gesteuerten Formierungsprozesses mit einem Speicher für die Formierungsdaten. 7 shows a schematic diagram of a battery cell for performing an autonomously controlled forming process with a memory for the formation data.

Das Prinzipschaltbild gemäß 7 unterscheidet sich von dem in 6 dargestellten Prinzipschaltbild dadurch, dass die Batteriezelle 50 den Speicher 110 umfasst, in dem batteriezellenintern batteriezellenindividuelle Daten gespeichert werden können; ferner während der Formierung eingestellte Formierungsparameter, gemäß derer der Formierungsprozess verläuft. Auch in diesem Falle umfasst die Batteriezelle 50 neben der integrierten Sicherheitsfunktionalität 58, der Überwachungssensorik 60 mit entsprechender Sensorik die Batteriezustandserkennung 62 sowie die Zellüberwachungselektronik 70 und gegebenenfalls eine Sicherheitsaktorik 64 sowie eine Schaltaktorik 66. Im Unterschied zu 6 ist die Batteriezelle 50 gemäß der Darstellung in 7 mit dem Speicher 110 zur Speicherung der Batteriehistorie bzw. zur Speicherung der Formierungsdaten, die während eines Formierungsprozesses eingestellt werden, versehen. Über die zweite Kommunikationsschnittstelle 100 kommuniziert die Batteriezelle 50 über den ersten Datenbus 102 (CAN-Bus) mit der korrespondierenden ersten Kommunikationsschnittstelle 98 der Formierendstufe 16. Diese umfasst eine Leistungselektronik 112, analog zur Formierendstufe 16 gemäß der Darstellung in 6. Einspeiseanschlüsse der Formierendstufe sind in den 6 und 7 durch Bezugszeichen 18 identifiziert. Die Batteriezelle 50 kommuniziert gemäß der Darstellung in 7 darüber hinaus über den zweiten Datenbus 104 (CAN-Bus) ebenfalls mit der Steuerelektronik 108 zur Steuerung der Klimatisierungseinrichtung 106, in der die betreffende Batteriezelle 50 gerade aufgenommen ist. Über die Steuerelektronik 108 für die Klimatisierungseinrichtung 106 können die Temperatur- bzw. Feuchtigkeitszustände, die während des Formierungsprozesses anliegen, entsprechend eingestellt und gegebenenfalls angepasst oder variiert werden. The block diagram according to 7 is different from the one in 6 illustrated schematic diagram in that the battery cell 50 the memory 110 comprises, in the battery cell internal battery cell individual data can be stored; and forming parameters set during formation according to which the forming process proceeds. Also in this case includes the battery cell 50 in addition to the integrated security functionality 58 , the monitoring sensor 60 with appropriate sensors, the battery condition detection 62 as well as cell monitoring electronics 70 and optionally a security actuator 64 as well as a switching actuator 66 , In contrast to 6 is the battery cell 50 as shown in 7 with the memory 110 for storing the battery history or for storing the formation data, which are set during a Formierungsprozesses provided. Via the second communication interface 100 communicates the battery cell 50 over the first data bus 102 (CAN bus) with the corresponding first communication interface 98 the forming stage 16 , This includes power electronics 112 , analogous to the forming stage 16 as shown in 6 , Infeed terminals of the forming stage are in the 6 and 7 by reference numerals 18 identified. The battery cell 50 communicates as shown in 7 beyond that via the second data bus 104 (CAN bus) also with the control electronics 108 for controlling the air conditioning device 106 in which the relevant battery cell 50 just recorded. About the control electronics 108 for the air conditioning device 106 For example, the temperature or moisture states that are present during the forming process can be adjusted accordingly and, if necessary, adjusted or varied.

In dem Speicher 110 der Batteriezelle 50 werden die Betriebsdaten der Batteriezelle 50 beispielsweise in Form von Histogrammen und/oder als Formierungsdaten gespeichert. Die zweite Kommunikationsschnittstelle 100 wird dazu genutzt, um mit der Formierendstufe 16 bzw. einer Formierelektronik und der Klimatisierungseinrichtung 106 der Batteriezelle 50 während des Formierungsprozesses zu kommunizieren. Auf diese Weise können Daten zum Ablauf des batteriezellenindividuell durchgeführten Formierungsprozesses an die Batteriezelle 50 übermittelt werden und in der Batteriezelle 50 im Speicher 110 gespeichert werden. Die zweite Kommunikationsschnittstelle 100 kann auch dazu genutzt werden, um diese Daten bei einem Übergang zu einem weiteren Betriebszyklus, beispielsweise nach Beendigung des Betriebszyklus in einer Traktionsbatterie eines Fahrzeuges, in einem sich anschließenden Betriebszyklus in einer stationären Anwendung oder bei Gewährleistungsansprüchen direkt aus der betreffenden Batteriezelle 50 auszulesen. In the store 110 the battery cell 50 become the operating data of the battery cell 50 stored for example in the form of histograms and / or as formation data. The second communication interface 100 is used to with the forming stage 16 or a Formierelektronik and the air conditioning device 106 the battery cell 50 communicate during the forming process. In this way, data can be sent to the battery cell for the course of the battery cell-specific forming process 50 be transmitted and in the battery cell 50 In the storage room 110 get saved. The second communication interface 100 can also be used to transfer this data when transitioning to another cycle of operation, for example, after the end of the operating cycle in a traction battery of a vehicle, in a subsequent operating cycle in a stationary application or warranty claims directly from the relevant battery cell 50 read.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereiches 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.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6291972 B1 [0002]
DE 102009035466 A1 [0003]
EP 2424069 A2 [0004]
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Claims

Battery cell ( 50 ) with a first cell terminal ( 52 ) and a second cell terminal ( 54 ), characterized in that the battery cell ( 50 ) at least one communication interface ( 56 . 100 ) for data exchange at least with a forming stage ( 16 ) as well as an integrated monitoring sensor system ( 60 ) and integrated battery state detection electronics ( 62 ) with a memory ( 110 ) for formation data.

Battery cell according to claim 1, characterized in that the monitoring sensor system ( 60 ) Contains sensors for determining a voltage, a current, a temperature, a battery cell internal pressure, at least one linear acceleration and / or a rotational acceleration.

Battery cell according to one of the preceding claims, characterized in that the state detection electronics ( 62 ) Sensors and a safety actuator ( 64 ) for activating safety devices, in particular a burst valve or a fast discharge unit ( 72 ) having.

Battery cell according to one of the preceding claims, characterized in that the battery cell ( 50 ) an actuary ( 66 ) for switching a battery cell output voltage.

Battery cell according to the preceding claim, characterized in that the battery cell ( 50 ) a half-bridge circuit ( 78 ) with power semiconductors which can be switched on and off ( 24 . 26 ) Diodes ( 28 . 30 ) for delivering mutually different voltages.

Battery cell according to claim 4, characterized in that the battery cell ( 50 ) a full bridge circuit ( 82 ), whose half-bridges ( 84 . 86 ) at the cell terminals ( 52 . 54 ) set different voltages from each other.

Battery cell according to one of the preceding claims, characterized in that the battery cell ( 50 ) via the at least one communication interface ( 98 . 100 ) with the forming stage ( 16 ) and / or a battery management system and / or control electronics for an air conditioning device ( 106 ) communicates.

Battery cell according to the preceding claim, characterized in that the communication between the battery cell ( 50 ) and the forming stage ( 16 ) and / or the battery management system and / or the control electronics ( 108 ) for the air conditioning device ( 106 ) via at least one data bus ( 102 . 104 ), in particular at least one CAN bus runs.

Battery cell according to one of the preceding claims, characterized in that the memory ( 110 ) for formation data operating data of the battery cell ( 50 ) in histogram form and / or the formation data and a temporal formation process.

Method for forming battery cells ( 50 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the battery cell ( 50 ) a forming process via the communication with a formation amplifier ( 16 ) and / or control electronics ( 108 ) for an air conditioning device ( 106 ) individually and autonomously via a data transmission ( 56 . 98 . 100 . 102 . 104 ) taking into account internal battery cell parameters.

A method according to claim 10, characterized in that the formation of the battery cell ( 50 ) taking into account one or more of the following parameters - battery cell voltage, battery cell current, battery cell temperature, battery cell internal pressure, at least one linear acceleration, and rotational acceleration. is controlled.

A method according to claim 10, characterized in that the time duration of the forming process of the battery cell ( 50 ) is shortened by the consideration of battery cell internal parameters, in particular the battery cell internal pressure and the battery cell temperature.

A method according to claim 10, characterized in that the forming process is interrupted if at the battery cell ( 50 ), a terminal is detected, which has a higher electrical resistance with respect to the normal operation of the battery cell 50 resistance value present at this terminal.

Use of battery cells ( 50 ) according to one of claims 1 to 9 in a further operating cycle, which corresponds to a first operating cycle of the battery cell ( 50 ) in a hybrid or electric vehicle, wherein in the further cycle of operation in the memory ( 110 ) stored operating conditions and the formation data are taken into account.