DE102017216786B4 - Vehicle battery with several cell modules and at least one cell module monitoring device - Google Patents
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Abstract
Fahrzeugbatterie (12) mit mehreren Zellmodulen (10) und mit zumindest einer Zellmodulüberwachungsvorrichtung (1), umfassend ein erstes Bauteil (4), welches eine Auswertungseinheit (4.1) und eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung (4.2, 4.3) umfasst, und eine zumindest teilweise flexible Trägerplatte (2), wobei die zumindest teilweise flexible Trägerplatte (2) einen Bereich (3) aufweist, bei dem das erste Bauteil (4) angeordnet ist, wobei jedes der Zellmodule (10) mittels zumindest einer Leitung (8), die auf der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte (2) angeordnet ist, mit der zumindest einen Zellmodulüberwachungsvorrichtung (1) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (8) über die gesamte Fläche der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte (2) gleichmäßig verteilt angeordnet sind, so dass von den Leitungen (8) freiwerdende Wärme gleichmäßig über die zumindest teilweise flexible Trägerplatte (2) verteilt wird, wobei die zumindest teilweise flexible Trägerplatte (2) derart bei den Zellmodulen (10) angeordnet ist, dass die mittels der Leitungen (8) erwärmte zumindest teilweise flexible Trägerplatte (2) die Zellmodule (10) heizt, wobei die zumindest teilweise flexible Trägerplatte (2) um die Zellmodule (10) herumgeführt ist.Vehicle battery (12) with a plurality of cell modules (10) and with at least one cell module monitoring device (1), comprising a first component (4) which comprises an evaluation unit (4.1) and a wireless communication device (4.2, 4.3), and an at least partially flexible carrier plate (2), wherein the at least partially flexible carrier plate (2) has a region (3) in which the first component (4) is arranged, wherein each of the cell modules (10) is coupled to the at least one cell module monitoring device (1) by means of at least one line (8) which is arranged on the at least partially flexible carrier plate (2), characterized in that the lines (8) are arranged evenly distributed over the entire surface of the at least partially flexible carrier plate (2), so that heat released by the lines (8) is evenly distributed over the at least partially flexible carrier plate (2), wherein the at least partially flexible carrier plate (2) is arranged near the cell modules (10) in such a way that the at least partially flexible Carrier plate (2) heats the cell modules (10), wherein the at least partially flexible carrier plate (2) is guided around the cell modules (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie mit mehreren Zellmodulen und zumindest einer Zellmodulüberwachungsvorrichtung.The invention relates to a vehicle battery with several cell modules and at least one cell module monitoring device.
Die zunehmende Verbreitung elektrisch betriebener Fahrzeuge sowie von Hybridfahrzeugen führt dazu, dass bei der Herstellung von Fahrzeugbatterien, die diese Fahrzeuge zumindest teilweise antreiben, kostengünstige und zugleich bauraumsparende Lösungen gesucht werden. Fahrzeugbatterien, die insbesondere in das Traktionsnetz von Fahrzeugen eingebunden werden, umfassen in der Regel mehrere Zellmodule, deren Batteriekenngrößen über zumindest ein Zellmodulüberwachungsgerät gemessen und überwacht werden. Solche Zellmodulüberwachungsgeräte umfassen eine Vielzahl von Bauteilen, deren Installation und Konstruktion einen hohen Aufwand bedeuten. Insbesondere die Anbringung von Widerständen und Verbindungssteckern führt zu einem hohen Bauraumbedarf. Zudem werden separate Heizsysteme verbaut, die dafür sorgen, dass Fahrzeugbatterien auch bei niedrigen Temperaturen eine zufriedenstellende Leistung erbringen können. Doch auch dies ist mit hohen Kosten und einem großen Bauraumbedarf verbunden.The increasing popularity of electric vehicles and hybrid vehicles means that cost-effective and space-saving solutions are being sought for the manufacture of vehicle batteries that at least partially power these vehicles. Vehicle batteries, which are particularly integrated into the traction network of vehicles, usually comprise several cell modules, the battery parameters of which are measured and monitored by at least one cell module monitoring device. Such cell module monitoring devices comprise a large number of components, the installation and construction of which is very complex. In particular, the attachment of resistors and connectors leads to a high installation space requirement. In addition, separate heating systems are installed to ensure that vehicle batteries can deliver satisfactory performance even at low temperatures. But this is also associated with high costs and a large installation space requirement.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeugbatterie bereitzustellen, deren Zellmodule auf einfache Weise geheizt werden können.The present invention is based on the object of providing a vehicle battery whose cell modules can be heated in a simple manner.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Fahrzeugbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention, this object is achieved by a vehicle battery having the features of
Eine ebenfalls offenbarte Zellmodulüberwachungsvorrichtung umfasst ein erstes Bauteil, welches eine Auswertungseinheit und eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung umfasst. Weiterhin umfasst die Zellmodulüberwachungsvorrichtung eine zumindest teilweise flexible Trägerplatte, wobei die zumindest teilweise flexible Trägerplatte einen Bereich aufweist, bei dem das erste Bauteil angeordnet ist.A cell module monitoring device also disclosed comprises a first component which comprises an evaluation unit and a wireless communication device. Furthermore, the cell module monitoring device comprises an at least partially flexible carrier plate, wherein the at least partially flexible carrier plate has a region in which the first component is arranged.
Unter einer flexiblen Trägerplatte wird insbesondere eine biegsame Trägerplatte verstanden. Durch die Anordnung der Zellmodulüberwachungsvorrichtung auf einer flexiblen Trägerplatte ist es insbesondere möglich, die Zellmodulüberwachungsvorrichtung auf kompakte und sichere Weise an eine Bordnetzverdrahtung anzubinden, die ebenfalls über flexible Trägerplatten geführt wird. Die Zellmodulüberwachungsvorrichtung kann dann gemeinsam mit der Verdrahtung mit den Zellmodulen kompakt als ein einzelnes Bauteil ausgeführt werden. Hierdurch können wiederum Bauraum und Einzelteile eingespart werden.A flexible carrier plate is understood to mean, in particular, a flexible carrier plate. By arranging the cell module monitoring device on a flexible carrier plate, it is possible in particular to connect the cell module monitoring device in a compact and secure manner to the on-board network wiring, which is also routed via flexible carrier plates. The cell module monitoring device can then be designed together with the wiring to the cell modules as a compact single component. Here This in turn saves installation space and individual parts.
Weiterhin kann es dadurch, dass die Zellmodulüberwachungsvorrichtung das erste Bauteil mit der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung umfasst, ermöglicht werden, eine drahtlose Kommunikation der Zellmodulüberwachungsvorrichtung mit Vorrichtungen des Fahrzeugs bereitzustellen. Dadurch ist es insbesondere möglich, bisherige Steck- und/oder Kabelverbindungen der Zellmodulüberwachungsvorrichtung, welche zur Verbindung der Zellmodulüberwachungsvorrichtung mit Vorrichtungen des Fahrzeugs zur Datenübertragung dienen, zu ersetzen. Durch die Anordnung der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung ist es daher vorteilhafterweise möglich, Bauraum zu sparen.Furthermore, the fact that the cell module monitoring device comprises the first component with the wireless communication device makes it possible to provide wireless communication between the cell module monitoring device and devices in the vehicle. This makes it possible in particular to replace previous plug and/or cable connections of the cell module monitoring device, which are used to connect the cell module monitoring device to devices in the vehicle for data transmission. The arrangement of the wireless communication device therefore advantageously makes it possible to save installation space.
Die Zellmodulüberwachungsvorrichtung ist insbesondere dazu ausgestaltet, Spannungen und Temperaturen eines Zellmoduls zu erfassen und zu überwachen. Dies geschieht insbesondere über die Auswertungseinheit, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgestaltet ist. Der Mikrocontroller wird in der Fahrzeugbatterie dazu verwendet, die Spannungs- und Temperaturüberwachung der Zellmodule durch Steuersignale zu steuern.The cell module monitoring device is designed in particular to detect and monitor voltages and temperatures of a cell module. This is done in particular via the evaluation unit, which is designed as a microcontroller, for example. The microcontroller is used in the vehicle battery to control the voltage and temperature monitoring of the cell modules using control signals.
Durch die Integration der Auswertungseinheit mit der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung in das erste Bauteil, kann auf die Anbringung vieler Einzelteile verzichtet werden. Dadurch wird eine kompakte Bauweise für die Zellmodulüberwachungsvorrichtung bereitgestellt.By integrating the evaluation unit with the wireless communication device into the first component, it is possible to dispense with the attachment of many individual parts. This provides a compact design for the cell module monitoring device.
In einer Ausgestaltung der Zellmodulüberwachungsvorrichtung ist das erste Bauteil in den Bereich der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte integriert. Dadurch kann vorteilhafterweise die Bauweise der Zellmodulüberwachungsvorrichtung noch kompakter ausgestaltet werden.In one embodiment of the cell module monitoring device, the first component is integrated into the area of the at least partially flexible carrier plate. This advantageously allows the design of the cell module monitoring device to be made even more compact.
Weiterhin kann der Bereich der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte, bei welchem das erste Bauteil angeordnet ist, starr ausgebildet sein. Die Trägerplatte, die von der Zellmodulüberwachungsvorrichtung umfasst ist, muss daher nicht vollständig flexibel ausgestaltet sein. Durch die starre Ausbildung der Trägerplatte in dem Bereich, in dem das erste Bauteil angeordnet ist, kann insbesondere die Robustheit des Bereichs, in welchem die Elektronik, welche in der Regel sensibel gegenüber Umwelteinflüssen ist, vorteilhafterweise erhöht werden. Um dabei eine sichere und kompakte Bauweise der Zellmodulüberwachungsvorrichtung zu gewährleisten, kann der Bereich, in dem das erste Bauteil angeordnet ist, von einem flexiblen Teil der flexiblen Trägerplatte umgeben sein.Furthermore, the area of the at least partially flexible carrier plate in which the first component is arranged can be rigid. The carrier plate which is surrounded by the cell module monitoring device therefore does not have to be completely flexible. The rigid design of the carrier plate in the area in which the first component is arranged can advantageously increase the robustness of the area in which the electronics, which are generally sensitive to environmental influences, are located. In order to ensure a safe and compact design of the cell module monitoring device, the area in which the first component is arranged can be surrounded by a flexible part of the flexible carrier plate.
Die starre Ausgestaltung des Bereichs kann dabei insbesondere über mechanische Verstärkung des Bereichs erreicht werden. Beispielsweise können in dem Bereich mehrere Materialschichten angebracht werden. Dadurch wird die zumindest teilweise flexible Trägerplatte in dem Bereich verstärkt und starr ausgebildet. Alternativ kann der Bereich auch dadurch starr ausgebildet werden, dass eine herkömmliche Platine, auf welcher das erste Bauteil aufgebracht ist, in die zumindest teilweise flexible Trägerplatte integriert wird.The rigid design of the area can be achieved in particular by mechanically reinforcing the area. For example, several layers of material can be applied in the area. This strengthens the at least partially flexible carrier plate in the area and makes it rigid. Alternatively, the area can also be made rigid by integrating a conventional circuit board, on which the first component is applied, into the at least partially flexible carrier plate.
Die zumindest teilweise flexible Trägerplatte wird dabei insbesondere aus einem Kunststoff hergestellt. Der Kunststoff ist dabei insbesondere Polyester, Polyethylennaphthalat oder Polyimid. Die Dicke der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte kann dabei insbesondere in einem Bereich von 25 µm bis 75 µm liegen.The at least partially flexible carrier plate is made in particular from a plastic. The plastic is in particular polyester, polyethylene naphthalate or polyimide. The thickness of the at least partially flexible carrier plate can in particular be in a range from 25 µm to 75 µm.
Die zumindest teilweise flexible Trägerplatte kann insbesondere eine FPC-Folie sein. FPC steht hierbei für „flexible printed circuit“. Die Integration des ersten Bauteils in die FPC-Folie kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das erste Bauteil auf die FPC-Folie gedruckt wird. Hierbei entsteht eine besonders kompakt ausgebildete Zellmodulüberwachungsvorrichtung.The at least partially flexible carrier plate can in particular be an FPC film. FPC stands for "flexible printed circuit". The integration of the first component into the FPC film can be achieved, for example, by printing the first component onto the FPC film. This creates a particularly compact cell module monitoring device.
In einer anderen Ausgestaltung umfasst die drahtlose Kommunikationsschnittstelle insbesondere eine Funkschnittstelle zur Kommunikation mit einem Batteriemanagementsystem, einem Fahrzeugbus und/oder einer Benutzerschnittstelle. Es sind dann keine Verbindungsstecker mehr notwendig. Dadurch kann vorteilhafterweise Bauraum eingespart werden. Zudem kann vorteilhafterweise auch darauf verzichtet werden, Lötverbindungen herzustellen. Dadurch, dass auf einen Lötprozess verzichtet werden kann, werden keine ungenügenden Verbindungen hergestellt, die zu Ausfällen des Zellmoduls führen.In another embodiment, the wireless communication interface comprises in particular a radio interface for communication with a battery management system, a vehicle bus and/or a user interface. Connection plugs are then no longer required. This advantageously saves installation space. In addition, it is advantageously also possible to dispense with the need to produce soldered connections. Because a soldering process can be dispensed with, no inadequate connections are produced that lead to failures of the cell module.
In einer weiteren Ausgestaltung ist in dem Bereich ein zweites und/oder drittes Bauteil angeordnet, wobei das zweite Bauteil eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung und/oder das dritte Bauteil einen Ausgleichs-Filter umfasst. Es sind dann vorteilhafterweise alle notwendigen elektronischen Bauteile der Zellmodulüberwachungsvorrichtung in dem Bereich der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte integriert. Dadurch kann eine kompakte und bauraumsparende Bauweise für die Zellmodulüberwachungsvorrichtung bereitgestellt werden.In a further embodiment, a second and/or third component is arranged in the area, the second component comprising an application-specific integrated circuit and/or the third component comprising a compensation filter. All necessary electronic components of the cell module monitoring device are then advantageously integrated in the area of the at least partially flexible carrier plate. This makes it possible to provide a compact and space-saving design for the cell module monitoring device.
Unter einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, auch als ASIC bezeichnet, wird im Allgemeinen eine elektronische Schaltung verstanden, die als unveränderbarer Schaltkreis ausgestaltet ist. Dies bedeutet, dass eine einmal implementierte Funktion eines ASICs nicht mehr verändert werden kann. Die Integration eines solchen ASICs kann dabei insbesondere in Form eines Mikrochips realisiert werden. Bei Fahrzeugbatterien mit zentraler Kenngrößenerfassung ist das ASIC dazu programmiert, relevante für die Berechnung der aktuellen Leistungsfähigkeit des Batteriesystems benötigte Batteriekenngrößen zu ermitteln, und diese an ein Batteriemanagementsystem zu übermitteln, welche die aktuelle Leistungsfähigkeit berechnet. Bei Fahrzeugbatterien mit dezentraler Kenngrößenerfassung kann das ASIC dazu programmiert sein, die für das Energiemanagement relevante aktuelle Leistungsfähigkeit aus den erfassten verschiedenen Batteriekenngrößen zu ermitteln. Das dritte Bauteil kann beispielsweise als Ausgleichs-Filter ausgestaltet sein. Da sich einzelne Zellmodule der Fahrzeugbatterie beispielsweise in ihrer Kapazität voneinander unterscheiden können, kann es dazu kommen, dass beim Aufladen der Fahrzeugbatterie das Zellmodul mit geringster Kapazität, ihre Ladeendspannung erreicht hat, während andere Zellmodule noch weitergeladen werden müssen, um ihre Ladeendspannung zu erreichen. Bei einem Fortsetzen des Ladevorgangs besteht jedoch die Gefahr, dass das bereits vollständig geladene Zellmodul durch Überladen beschädigt wird. Bei einem Abbruch des Ladevorgangs kann die Fahrzeugbatterie hingegen ihren optimalen Ladezustand nicht erreichen. Um diese Unterschiede auszugleichen, sind in Fahrzeugen Ausgleichs-Systeme, die auch als Balancing-Systeme bezeichnet werden, angeordnet. Diese setzen sich aus Balancing-Widerständen und einem Balancing-Filter zusammen, welche ein gesteuertes Entladen der Zellmodule ermöglichen.An application-specific integrated circuit, also known as ASIC, is generally understood to be an electronic circuit that is designed as an unchangeable circuit. This means that a once implemented mented function of an ASIC can no longer be changed. The integration of such an ASIC can be implemented in particular in the form of a microchip. In vehicle batteries with central parameter recording, the ASIC is programmed to determine relevant battery parameters required for calculating the current performance of the battery system and to transmit these to a battery management system, which calculates the current performance. In vehicle batteries with decentralized parameter recording, the ASIC can be programmed to determine the current performance relevant for energy management from the various battery parameters recorded. The third component can be designed as a compensation filter, for example. Since individual cell modules of the vehicle battery can differ from one another in terms of their capacity, for example, it can happen that when the vehicle battery is being charged, the cell module with the lowest capacity has reached its final charge voltage, while other cell modules still need to be charged in order to reach their final charge voltage. If the charging process is continued, however, there is a risk that the cell module that has already been fully charged will be damaged by overcharging. If the charging process is interrupted, the vehicle battery cannot reach its optimal charge level. To compensate for these differences, balancing systems are installed in vehicles. These consist of balancing resistors and a balancing filter, which enable controlled discharging of the cell modules.
In einer anderen Ausgestaltung umfasst der Bereich Verbindungsstellen, an welchen Leitungen zur Verbindung der Zellmodulüberwachungsvorrichtung mit einem Zellmodul befestigbar sind. Die Leitungen können dabei insbesondere ebenfalls in die zumindest teilweise flexible Trägerplatte integriert sein.In another embodiment, the region comprises connection points to which lines for connecting the cell module monitoring device to a cell module can be attached. The lines can in particular also be integrated into the at least partially flexible carrier plate.
In der vorliegenden Beschreibung wird auch ein Zellmodul für eine Fahrzeugbatterie mit einer Zellmodulüberwachungsvorrichtung beschrieben. Das Zellmodul ist dabei mittels Leitungen, die auf einer zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte angeordnet sind, mit der Zellmodulüberwachungsvorrichtung gekoppelt. Dabei kann die Zellmodulüberwachungsvorrichtung in das Zellmodul integriert sein. Dies bedeutet, dass jedes Zellmodul einer Fahrzeugbatterie eine eigene Zellmodulüberwachungsvorrichtung aufweist. Die Kenngrößen eines der Zellmodule einer Fahrzeugbatterie werden dann dezentral erfasst. Durch die Kommunikation mit dem Batteriemanagementsystems des Fahrzeugs können dann die Informationen der Zellmodulüberwachungsvorrichtungen aller Zellmodule zentral verarbeitet werden. Alternativ kann die Zellmodulüberwachungsvorrichtung auch außerhalb des Zellmoduls angeordnet sein. In diesem Fall sind insbesondere alle Zellmodule einer Fahrzeugbatterie mit dieser Zellmodulüberwachungsvorrichtung gekoppelt. Die Kenngrößen der Zellmodule werden in diesem Fall zentral erfasst. Durch die Anordnung einer Zellmodulüberwachungsvorrichtung in einem Zellmodul einer Fahrzeugbatterie kann eine kompakte und bauraumsparende Integration der Zellmodulüberwachungsvorrichtung in das Zellmodul bereitgestellt werden.The present description also describes a cell module for a vehicle battery with a cell module monitoring device. The cell module is coupled to the cell module monitoring device by means of lines that are arranged on an at least partially flexible carrier plate. The cell module monitoring device can be integrated into the cell module. This means that each cell module of a vehicle battery has its own cell module monitoring device. The parameters of one of the cell modules of a vehicle battery are then recorded decentrally. By communicating with the vehicle's battery management system, the information from the cell module monitoring devices of all cell modules can then be processed centrally. Alternatively, the cell module monitoring device can also be arranged outside the cell module. In this case, in particular, all cell modules of a vehicle battery are coupled to this cell module monitoring device. The parameters of the cell modules are recorded centrally in this case. By arranging a cell module monitoring device in a cell module of a vehicle battery, a compact and space-saving integration of the cell module monitoring device into the cell module can be provided.
Die Erfindung betrifft, wie bereits erwähnt, eine Fahrzeugbatterie mit mehreren Zellmodulen und zumindest einer Zellmodulüberwachungsvorrichtung. Dabei ist jedes der Zellmodule mittels zumindest einer Leitung, die auf einer zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte angeordnet ist, mit der zumindest einen Zellmodulüberwachungsvorrichtung gekoppelt. Die Leitungen können insbesondere an den Verbindungsstellen der Zellmodulüberwachungsvorrichtung befestigt werden.As already mentioned, the invention relates to a vehicle battery with several cell modules and at least one cell module monitoring device. Each of the cell modules is coupled to the at least one cell module monitoring device by means of at least one line that is arranged on an at least partially flexible carrier plate. The lines can be attached in particular to the connection points of the cell module monitoring device.
Insbesondere ist für jedes Zellmodul eine Zellmodulüberwachungsvorrichtung angeordnet, wobei jedes Zellmodul mit der ihm zugeordneten Zellmodulüberwachungsvorrichtung mittels zumindest einer Leitung verbunden ist.In particular, a cell module monitoring device is arranged for each cell module, wherein each cell module is connected to the cell module monitoring device assigned to it by means of at least one line.
Die zumindest teilweise flexible Trägerplatte kann dann im Bereich der Leitung insbesondere als Flachleiterfolie ausgebildet sein, bei welcher die Leitung als flache Bahn in einer FPC-Folie aufgedruckt ist. Dadurch kann die Verbindung der Zellmodule mit der Zellmodulüberwachungsvorrichtung und die Verbindung der Zellmodule untereinander auf kompakte und bauraumsparende Weise vorgenommen werden.The at least partially flexible carrier plate can then be designed in the area of the cable in particular as a flat conductor foil, in which the cable is printed as a flat track in an FPC foil. This allows the connection of the cell modules to the cell module monitoring device and the connection of the cell modules to one another to be carried out in a compact and space-saving manner.
Die Leitung ist insbesondere eine Widerstandsleitung, wobei der Widerstand, den die Leitung bereitstellt, mittels des Materials, aus welchem die Leitung gefertigt ist, des Leitungsdurchmessers, der Leitungsbreite und/oder der Leitungsführung auf der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte festgelegt ist. Hierdurch können normalerweise bei der Zellmodulüberwachungsvorrichtung verbaute physische Balancing-Widerstände durch Widerstandsleitungen ersetzt werden. Hierdurch können wiederum Bauraum und Einzelteile eingespart werden. Weiterhin kann die von den Widerstandsleitungen produzierte Wärme leicht über die zumindest teilweise flexible Trägerplatte abgeführt werden.The line is in particular a resistance line, wherein the resistance that the line provides is determined by means of the material from which the line is made, the line diameter, the line width and/or the line routing on the at least partially flexible carrier plate. This means that physical balancing resistors normally installed in the cell module monitoring device can be replaced by resistance lines. This in turn makes it possible to save installation space and individual parts. Furthermore, the heat produced by the resistance lines can be easily dissipated via the at least partially flexible carrier plate.
Der Widerstand, den die Widerstandsleitung bereitstellt, kann insbesondere durch das verwendete Material festgelegt werden. Die Leitung kann insbesondere ein Draht sein. Mögliche Legierungen für den Draht enthalten dabei vorzugsweise einen hohen Kupferanteil. Beispielsweise wird eine Kupfer-Nickel-, Kupfer-Mangan-, Kupfer-Mangan-Zinn-, Kupfer-Nickel-Eisen-Mangan- oder eine Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung verwendet. Bevorzugt wird jedoch die Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung verwendet, insbesondere in einer Zusammensetzung, bei welcher sich eine Konstantan-Legierung ergibt. Konstantan weist einen über weite Bereiche annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand auf. Dadurch, dass der spezifische elektrische Widerstand von Konstantan temperaturunabhängig ist, sind Drähte aus Konstantan besonders gut zum Ersatz von physischen Balancing-Widerständen geeignet.The resistance provided by the resistance line can be determined in particular by the material used. The line can in particular be a wire. Possible alloys for the wire preferably contain a high copper content. For example, a copper-nickel, copper-manganese, copper-manganese-tin, copper-nickel-iron-manganese or a copper-nickel-manganese alloy is used. However, the copper-nickel-manganese alloy is preferably used, especially in a composition that results in a constantan alloy. Constantan has an almost constant specific electrical resistance over wide ranges. Because the specific electrical resistance of constantan is independent of temperature, constantan wires are particularly well suited to replacing physical balancing resistors.
Weiterhin kann der Widerstand, den die Leitung bereitstellen soll, über den Durchmesser bzw. die Querschnittsfläche der Leitung entsprechend gewählt werden. Wird eine Flachleiterfolie verwendet, wird der Widerstand der Leitung über die Breite der Leitung gewählt. Dabei kann eine sehr geringe Dicke in einem Bereich von 10 µm bis 50 µm bei einer Länge in einem Bereich von beispielsweise 0,05 m bis 0,2m realisiert werden. Hieraus ergibt sich dann ein Widerstand für eine Leitung in einem Bereich von 0,1 kΩ bis einschließlich 0,5 kΩ.Furthermore, the resistance that the cable is to provide can be selected based on the diameter or cross-sectional area of the cable. If a flat conductor foil is used, the resistance of the cable is selected based on the width of the cable. A very small thickness in a range of 10 µm to 50 µm with a length in a range of, for example, 0.05 m to 0.2 m can be achieved. This then results in a resistance for a cable in a range of 0.1 kΩ up to and including 0.5 kΩ.
Weiterhin kann der Widerstand, den die Leitung bereitstellen soll, auch dadurch, dass die Leitungen auf eine bestimmte Weise in der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte geführt wird, gewählt werden. Die Leitung kann dabei insbesondere mäanderartig durch die zumindest teilweise flexible Trägerplatte geführt werden.Furthermore, the resistance that the line is to provide can also be selected by routing the lines in a certain way in the at least partially flexible carrier plate. The line can in particular be routed in a meandering manner through the at least partially flexible carrier plate.
In einer Verwirklichung der erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie sind mehrere Leitungen über die gesamte Fläche der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte gleichmäßig verteilt angeordnet, so dass von den Leitungen freiwerdende Wärme gleichmäßig über die zumindest teilweise flexible Trägerplatte verteilt wird, wobei die zumindest teilweise flexible Trägerplatte derart bei den Zellmodulen angeordnet ist, dass die mittels der Leitungen erwärmte zumindest teilweise flexible Trägerplatte die Zellmodule heizt. Dabei ist die zumindest teilweise flexible Trägerplatte um die Zellmodule herumgeführt. Hierdurch wird es ermöglicht, dass Energie aus den Zellmodulen in Wärme umgesetzt wird. Durch eine Steuerung des Stroms, der durch die Leitungen geführt wird, kann die von den Leitungen erzeugte Wärme gesteuert werden. Auf diese Weise können die Leitungen eine Heizung für die Fahrzeugbatterie bereitstellen, ohne dass ein separates Heizsystem in die Batterie integriert werden muss. Die Führung um die Zellmodule ist dabei insbesondere mäanderartig. Dies führt vorteilhafterweise dazu, dass jedes Zellmodul von zumindest drei Seiten von der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte umgeben ist. Die zumindest teilweise flexible Trägerplatte kann hierbei direkt an den Zellmodulen anliegen. Dadurch kann eine besonders effektive Heizung der Zellmodule bereitgestellt werden.In one implementation of the vehicle battery according to the invention, several lines are arranged evenly distributed over the entire surface of the at least partially flexible carrier plate, so that heat released by the lines is evenly distributed over the at least partially flexible carrier plate, wherein the at least partially flexible carrier plate is arranged near the cell modules in such a way that the at least partially flexible carrier plate heated by means of the lines heats the cell modules. The at least partially flexible carrier plate is guided around the cell modules. This makes it possible for energy from the cell modules to be converted into heat. By controlling the current that is guided through the lines, the heat generated by the lines can be controlled. In this way, the lines can provide heating for the vehicle battery without a separate heating system having to be integrated into the battery. The routing around the cell modules is in particular meander-like. This advantageously leads to each cell module being surrounded by the at least partially flexible carrier plate on at least three sides. The at least partially flexible carrier plate can lie directly against the cell modules. This allows particularly effective heating of the cell modules to be provided.
Weiterhin können auf der zumindest teilweise flexiblen Trägerplatte durch die Leitung eine Sicherung bereitgestellt werden. Die Sicherung kann dabei insbesondere dadurch bereitgestellt werden, dass der Durchmesser oder die Breite der Leitung im Bereich der Sicherung reduziert ist gegenüber dem Durchmesser oder der Breite der Leitung, wenn sie nicht im Bereich der Sicherung verläuft. Weiterhin kann auch die Führung der Leitung im Bereich der Sicherung verändert sein. Insbesondere verläuft die Leitung im Sicherungsbereich mäanderartig. Eine solche Sicherung kann dabei vorteilhafterweise herkömmliche Schmelzsicherungen, die durch einen aufwendigen Lötprozess in die Zellmodule eingearbeitet werden müssen, ersetzt werden. Es entfällt daher zunächst der Lötprozess. Insbesondere kann es bei dem Lötprozess für die Schmelzsicherungen dazu kommen, dass eine ungenügende Verbindung zwischen der Schmelzsicherung und den Leitungen hergestellt wird. Dies führt zu einem Ausfall der Balancing-Einheit eines Zellmoduls. Durch die Anordnung der Sicherungen kann dieser Lötprozess entfallen. Es werden daher keine ungenügenden Verbindungen hergestellt, die zu Ausfällen der Balancing-Einheit des Zellmoduls führen. Weiterhin kann das separate Bauteil der Schmelzsicherung eingespart werden. Dies wiederum führt zu einer Reduzierung von Kosten und Bauraum.Furthermore, a fuse can be provided by the line on the at least partially flexible carrier plate. The fuse can be provided in particular by reducing the diameter or width of the line in the area of the fuse compared to the diameter or width of the line when it does not run in the area of the fuse. Furthermore, the routing of the line in the area of the fuse can also be changed. In particular, the line runs in a meandering manner in the fuse area. Such a fuse can advantageously replace conventional fuses, which have to be incorporated into the cell modules using a complex soldering process. The soldering process is therefore initially eliminated. In particular, the soldering process for the fuses can result in an inadequate connection being made between the fuse and the lines. This leads to a failure of the balancing unit of a cell module. This soldering process can be eliminated by arranging the fuses. Therefore, no inadequate connections are made that lead to failures of the balancing unit of the cell module. Furthermore, the separate component of the fuse can be saved. This in turn leads to a reduction in costs and installation space.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Zellmodulüberwachungsvorrichtung, -
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Anordnungeiner Zellmodulüberwachungsvorrichtung aus 1 in einer Fahrzeugbatterie in einem Fahrzeug, -
3 zeigt einen Aufbau eines Zellmoduls und die Verbindung des Zellmoduls mit der Zellmodulüberwachungsvorrichtung, -
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung von Widerstandsleitungen auf einer flexiblen Trägerplatte, -
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung von Widerstandsleitungen auf der flexiblen Trägerplatte, -
6 zeigt eine Anordnung mehrerer Zellmodule und der flexiblen Trägerplatte als Heizsystem in einer Fahrzeugbatterie, und -
7 zeigt eine Anordnung mehrerer Zellmodule und der flexiblen Trägerplatte in einer Fahrzeugbatterie mit einem Wärmeabtransport aus der Fahrzeugbatterie.
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1 shows an embodiment of a cell module monitoring device, -
2 shows an embodiment of the arrangement of a cell module monitoring device from1 in a vehicle battery in a vehicle, -
3 shows a structure of a cell module and the connection of the cell module with the cell module monitoring device, -
4 shows a first embodiment for the design of resistance lines on a flexible carrier plate, -
5 shows a second embodiment for the design of resistance lines on the flexible carrier plate, -
6 shows an arrangement of several cell modules and the flexible carrier plate as a heating system in a vehicle battery, and -
7 shows an arrangement of several cell modules and the flexible carrier plate in a vehicle vehicle battery with heat removal from the vehicle battery.
Mit Bezug zu den
Das Fahrzeug 15 wird dabei zumindest teilweise mittels einer Fahrzeugbatterie 12, welche insbesondere eine Traktionsbatterie ist, angetrieben. Das Fahrzeug 15 ist ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, welches zu einem Teil mittels der Traktionsbatterie 12 und zu einem anderen Teil mittels eines Verbrennungsmotors angetrieben wird.The
Die Traktionsbatterie 12 umfasst beispielhaft sechs Zellmodule 10. Dabei weist jedes der sechs Zellmodule 10 eine eigene Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 auf. Die Kenngrößen der Zellmodule 10 werden daher dezentral erfasst.The
Die Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 umfasst ein erstes Bauteil 4. Das erste Bauteil 4 wiederum umfasst eine Auswertungseinheit 4.1, welche als Mikrocontroller ausgebildet ist.The cell
Weiterhin umfasst das erste Bauteil 4 eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung, die sich aus einem Transceiver 4.2 und einer Antenne 4.3 zusammensetzt. Der Transceiver 4.2 und die Antenne 4.3 bilden eine Funkschnittstelle zur Kommunikation mit einem Batteriemanagementsystem 17, dem Fahrzeugbus 13 und einer Benutzerschnittstelle 14 des Fahrzeugs 15.Furthermore, the
Die Benutzerschnittstelle 14 ist dabei als Anzeigefläche ausgestaltet, auf welcher einem Nutzer Informationen zur Fahrzeugbatterie 12 angezeigt werden können. Diese Informationen erhält die Anzeigefläche 14 über die Funkschnittstelle 4.2, 4.3.The
Durch die Funk-Kommunikation der Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 mit dem Batteriemanagementsystem 17 können dann die Informationen des Zellmoduls 10 mit den Informationen anderer Zellmodule 10 gemeinsam verarbeitet werden.Through the radio communication of the cell
Die Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 umfasst zudem ein zweites 5 und ein drittes Bauteil 6. Das zweite Bauteil 5 ist dabei eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, im Folgenden als ASIC bezeichnet. Das dritte Bauteil 4.3 ist als Balancing-Filter ausgestaltet.The cell
Weiterhin umfasst die Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 eine flexible Trägerplatte 2. Die flexible Trägerplatte 2 ist dabei aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyester, Polyethylennaphthalat oder Polyimid gefertigt. Die Dicke der flexiblen Trägerplatte liegt in einem Bereich von 25 bis 75 µm. Die flexible Trägerplatte 2 ist insbesondere eine FPC-Folie (FPC = flexible printed circuit).The cell
Die FPC-Folie 2 weist weiterhin einen Bereich 3 auf, in welchem das erste 4, zweite 5 und dritte Bauteil 6 integriert sind. Der Bereich 3 ist dabei starr ausgestaltet. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Bereich 3, welcher sensible elektronische Bauteile umfasst, robust gegenüber Umwelteinflüssen ausgestaltet werden kann. Der Bereich 3 wird beispielsweise durch mechanische Verstärkung starr ausgebildet. In diesem Fall werden bei der FPC-Folie 2 bei dem Bereich 3 zusätzliche Materialschichten verklebt, welche den Bereich 3 verstärken. Die Bauteile 4 bis 6 können dann in dem Bereich 3 auf die FPC-Folie 2 gedruckt werden. Die FPC-Folie 9 ist daher nicht vollständig flexibel, sondern teilweise flexibel ausgebildet.The
In einer anderen Ausgestaltung ist der Bereich 3 jedoch als herkömmliche Platine ausgestaltet, die in die flexible Trägerplatte 2 integriert ist, und welche die Bauteile 4 bis 6 umfasst.In another embodiment, however, the
Der Bereich 3 umfasst zudem Verbindungsstellen 7, an welchen Leitungen 8 zur Verbindung der Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 mit einem Zellmodul 10 der Fahrzeugbatterie 12, befestigt werden können.The
Die Leitungen 8 werden dabei in die FPC-Folie 2 integriert, indem sie auf die FPC-Folie 2 als flache Bahnen aufgedruckt werden. Im Bereich der Leitungen 8 ist die FPC-Folie 2 als sogenannte Flachleiterfolie 2' ausgestaltet.The
Mit Bezug zu
Bei dem Zellmodul 10 handelt es sich insbesondere um ein Zellmodul 10 mit dezentraler Kenngrößenerfassung, in welches die Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 integriert ist. Die Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 ist dabei insbesondere in einem unteren Bereich des Zellmoduls 10 angeordnet.The
An den Verbindungsstellen 7 des Bereichs 3 der FPC-Folie 2 sind Leitungen 8 angebracht, die sich nach oben in das Innere des Zellmoduls 10 erstrecken.At the connection points 7 of the
Das Zellmodul 10 umfasst Verbindungselemente 11, zur Verbindung des Zellmoduls 10 mit benachbart angeordneten Zellmodulen 10. Die Verbindungselemente 11 sind dabei Kupferschienen, die ebenfalls auf der FPC-Folie 2 integriert sind.The
Vor jedem Verbindungselement 11 ist zudem eine Sicherung 9 angeordnet. Die bereitgestellte Sicherung 9 wird dabei insbesondere von der Breite der Leitungen 8 und/oder der Führung der Leitungen 8 auf der Flachleiterfolie 2' definiert. Die Breite der Leitungen 8 ist dabei im Bereich der Sicherung 9 kleiner als die Breite der Leitungen 8 in den Bereichen, die nicht als Sicherung 9 dienen. Alternativ oder zusätzlich werden die Leitungen 8 im Sicherungsbereich mäanderartig geführt. Hierdurch können herkömmliche Schmelzsicherungen, die durch einen aufwendigen Lötprozess in die Zellmodule 10 eingearbeitet werden, ersetzt werden.A
Weiterhin können die Leitungen 8 als Widerstandsleitungen ausgeführt sein. Hierdurch können physische Balancing-Widerstände, welche einen Ausgleich zwischen den Spannungen einzelner Zellmodule 10 herstellen, ersetzt werden.Furthermore, the
Dabei kann, wie in
Weiterhin kann das Material, aus welchem die Widerstandsleitungen 8 gefertigt sind, den Widerstand der Widerstandsleitungen 8 festlegen. Die Widerstandsleitungen 8 sind insbesondere Drähte aus Konstantan.Furthermore, the material from which the
In einer anderen Ausgestaltung ist die Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 nicht in das Zellmodul integriert, sondern außerhalb des Zellmoduls 10 angeordnet. In diesem Fall sind alle in der Fahrzeugbatterie 12 vorhandenen Zellmodule 10 mit der Zellmodulüberwachungsvorrichtung 1 über die Flachleiterfolie 2' mittels Widerstandsleitungen 8 verbunden.In another embodiment, the cell
Mit Bezug zu den
Die Widerstandsleitungen 8 werden dabei gleichmäßig über die Flachleiterfolie 2' verteilt angeordnet. Durch den Strom, der durch die Widerstandsleitungen 8 geleitet wird, werden diese erwärmt. Die erzeugte Wärme wird über die Flachleiterfolie 2' abgeführt.The resistance lines 8 are evenly distributed over the
Im Vergleich zu Zellmodulüberwachungsvorrichtungen 1 mit physischen Widerständen, kann ein deutlich höherer Balancing-Strom durch die Widerstandsleitungen 8 geführt werden, da diese durch den Abtransport der Wärme über die Flachleiterfolie 2' deutlich mehr Wärme abführen können.Compared to cell
Diese Wärme kann gleichzeitig dazu verwendet werden, die Zellmodule 10 bei niedrigen Temperaturen zu wärmen. Hierzu wird die Flachleiterfolie 2' mit den gleichmäßig verteilten Widerstandsleitungen 8 mäanderartig um die Zellmodule 10 herumgeführt, wie dies in
Weiterhin kann Wärme, die nicht an die Zellmodule 10 weitergegeben wird, durch einen Freiraum aus der Fahrzeugbatterie 12 geleitet werden. Dies ist in
Das Heizsystem der
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division |