DE102021203310A1 - Battery cell module with temperature sensor element - Google Patents
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Abstract
Ein Batteriezellenmodul (1) zum Speichern von elektrischer Energie umfasst mehrere Batteriezellen (10) und ein Temperatursensorelement (11), das mit jeder der mehreren Batteriezellen (10) thermisch gekoppelt ist.A battery cell module (1) for storing electrical energy comprises a number of battery cells (10) and a temperature sensor element (11) which is thermally coupled to each of the number of battery cells (10).
Description
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf ein Batteriezellenmodul zum Speichern von elektrischer Energie.In particular, the present disclosure relates to a battery cell module for storing electrical energy.
Mehrere Batteriezellen werden regelmäßig zu Batteriezellenmodulen zusammengefasst. Insbesondere bei wieder aufladbaren Batteriezellenmodulen zum Bereitstellen verhältnismäßig großer Stromstärken kann es zu einer Überhitzung einer oder mehrerer der Batteriezellen kommen, gefolgt von einem Austritt von Elektrolyt aus der einen oder den mehreren betroffenen Batteriezellen. Der Austritt größerer Mengen von Elektrolyt birgt die Gefahr eines Brands oder gar einer Explosion. Typischerweise kann der Austritt von Elektrolyt aus nur einer Batteriezelle in einem Gehäuse des Batteriezellenmoduls noch aufgefangen werden.Several battery cells are regularly combined into battery cell modules. Particularly in the case of rechargeable battery cell modules for providing relatively high current intensities, one or more of the battery cells may overheat, followed by electrolyte escaping from the one or more affected battery cells. If large amounts of electrolyte escape, there is a risk of fire or even an explosion. Typically, the escape of electrolyte from just one battery cell can still be collected in a housing of the battery cell module.
Der Anmelderin ist es aus der Praxis bekannt, Batteriezellen mit Temperatursensoren zu versehen, wobei eine Steuerungseinheit eines Batteriesystems mit solchen Batteriezellenmodulen bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur von einer der Batteriezellen eine elektrische Verbindung der Batteriezelle unterbricht. Hierdurch können eine Überhitzung der Batteriezelle und der Austritt von Elektrolyt, insbesondere von weiteren Batteriezellen in der Folge, verhindert werden.The applicant knows from practice to provide battery cells with temperature sensors, with a control unit of a battery system with such battery cell modules interrupting an electrical connection of the battery cell when a predetermined temperature of one of the battery cells is exceeded. This can prevent the battery cell from overheating and electrolyte from escaping, in particular from other battery cells that follow.
Zum Analysieren von Sensorsignalen der Temperatursensoren benötigt die Steuerungseinheit typischerweise einen Prozessor. Derartige Prozessoren haben allerdings eine erhöhte Ausfallrate. So kann es bei Batteriesystemen, die für einen langjährigen Einsatz ausgelegt sein können, vorkommen, dass der Prozessor so ausfällt dass er ein Überschreiten der vorgegebenen Temperatur der Batteriezellen nicht mehr erkennt.The control unit typically requires a processor to analyze sensor signals from the temperature sensors. However, such processors have an increased failure rate. With battery systems that can be designed for many years of use, it can happen that the processor fails in such a way that it no longer recognizes that the specified temperature of the battery cells has been exceeded.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Batteriesysteme zu ermöglichen.The object of the present invention is to enable improved battery systems.
Gemäß einem Aspekt wird ein Batteriezellenmodul für ein Batteriesystem und zum Speichern von elektrischer Energie bereitgestellt. Das Batteriezellenmodul umfasst mehrere Batteriezellen und ein Temperatursensorelement, das mit den mehreren Batteriezellen thermisch gekoppelt ist.According to one aspect, a battery cell module for a battery system and for storing electrical energy is provided. The battery cell module includes multiple battery cells and a temperature sensor element thermally coupled to the multiple battery cells.
Das basiert einerseits auf der Erkenntnis, dass bei einer drohenden Überhitzung einer Batteriezelle des Batteriezellenmoduls das gesamte Batteriezellenmodul elektrisch von einer Stromquelle oder Last getrennt werden kann, sodass es nicht darauf ankommt, welche der Batteriezellen im Batteriezellenmodul eine zu hohe Temperatur aufweist. Ferner basiert dies auf dem Gedanken, dass anstelle von einem oder mehreren separaten Temperatursensoren pro Batteriezelle ein gemeinsames Temperatursensorelement verwendet werden kann, das mit jeder der Batteriezellen thermisch gekoppelt ist. Somit kann mittels des Temperatursensorelements erfasst werden, ob eine der thermisch damit gekoppelten Batteriezellen eine einen Schwellenwert übersteigende Temperatur aufweist. Ein Batteriesystem mit dem Batteriezellenmodul kann in besonders einfacher Weise das eine (einzige) Temperatursensorelement des Batteriezellenmoduls auslesen. Das wiederum ist auch ohne einem Prozessor möglich, z.B. mit einer einfachen elektrischen oder elektronischen Schaltung, z.B. mit einem Komparator. Derartige Schaltungen können mit einer durchschnittlichen Ausfallrate von lediglich 10^-9 Ausfällen/Stunde umgesetzt werden. Erkenntnissen der Anmelderin zufolge können typische bislang regelmäßig eingesetzte Prozessoren demgegenüber durchschnittliche Ausfallraten von 10^-5 Ausfällen/Stunde aufweisen. Somit ermöglicht das beschriebene verbesserte Batteriezellenmodul ein verbessertes, und zwar insbesondere besonders langlebiges und zudem auch einfacher aufgebautes Batteriesystem.On the one hand, this is based on the knowledge that if a battery cell of the battery cell module is about to overheat, the entire battery cell module can be electrically disconnected from a power source or load, so that it does not matter which of the battery cells in the battery cell module has a temperature that is too high. Furthermore, this is based on the idea that instead of one or more separate temperature sensors per battery cell, a common temperature sensor element that is thermally coupled to each of the battery cells can be used. It can thus be detected by means of the temperature sensor element whether one of the battery cells thermally coupled thereto has a temperature exceeding a threshold value. A battery system with the battery cell module can read out the one (single) temperature sensor element of the battery cell module in a particularly simple manner. This in turn is also possible without a processor, e.g. with a simple electrical or electronic circuit, e.g. with a comparator. Such circuits can be implemented with an average failure rate of only 10^-9 failures/hour. According to the findings of the applicant, typical processors that have been used regularly up to now can, in contrast, have average failure rates of 10^-5 failures/hour. The improved battery cell module described thus enables an improved battery system, specifically one that is particularly long-lasting and also has a simpler structure.
Das Temperatursensorelement erstreckt sich z.B. über die mehreren Batteriezellen hinweg. Das ermöglicht eine thermische Kopplung mit einer besonders großen Anzahl an Batteriezellen.For example, the temperature sensing element extends across the plurality of battery cells. This enables thermal coupling with a particularly large number of battery cells.
Optional erstreckt sich das Temperatursensorelement mäanderförmig über die mehreren Batteriezellen. Hierdurch kann sowohl eine besonders sicherere Anlage des Temperatursensorelements an den einzelnen Batteriezellen erzielt werden, als auch eine verhältnismäßig großflächige Anlage. Die mehreren Batteriezellen weisen jeweils z.B. die Form eines Kreiszylinders auf. Die mehreren Batteriezellen sind beispielsweise in einer Reihe angeordnet, z.B. parallel zueinander, insbesondere parallel zueinander versetzt.Optionally, the temperature sensor element extends in a meandering pattern over the multiple battery cells. As a result, both a particularly reliable contact of the temperature sensor element on the individual battery cells and a relatively large-area contact can be achieved. The plurality of battery cells each have a shape of a circular cylinder, for example. The multiple battery cells are arranged, for example, in a row, e.g. parallel to one another, in particular offset parallel to one another.
Das Temperatursensorelement kann mit jeder der mehreren Batteriezellen in Berührung stehen. Das erleichtert die thermische Kopplung.The temperature sensor element can be in contact with each of the multiple battery cells. This facilitates thermal coupling.
In einer Ausgestaltung umfassen die mehreren Batteriezellen mindestens drei Batteriezellen, mindestens fünf Batteriezellen oder mindestens zehn Batteriezellen. So kann gegenüber den eingangs beschriebenen Batteriezellenmodulen eine besonders große Anzahl an separaten Temperatursensoren eingespart werden.In one configuration, the multiple battery cells include at least three battery cells, at least five battery cells, or at least ten battery cells. In this way, a particularly large number of separate temperature sensors can be saved compared to the battery cell modules described at the outset.
Die mehreren Batteriezellen sind z.B. miteinander elektrisch parallel geschaltet. So werden besonders große, durch das Batteriezellenmodul bereitgestellte Stromstärken ermöglicht.For example, the plurality of battery cells are electrically connected in parallel with one another. In this way, particularly large current intensities provided by the battery cell module are made possible.
Das Temperatursensorelement umfasst z.B. einen länglichen Körper. Das erleichtert die an die mehreren Batteriezellen thermisch gekoppelte Anordnung des Temperatursensorelements. Optional ist das Temperatursensorelement flexibel, insbesondere derart, dass es um und/oder an die einzelnen Batteriezellen gelegt werden kann. Der längliche Körper kann einen Innenraum definieren. Der längliche Körper ist z.B. ein länglicher Hohlkörper. Der Körper ist z.B. schlauchförmig. The temperature sensor element comprises, for example, an elongate body. That makes it easier for them multiple battery cells thermally coupled arrangement of the temperature sensor element. The temperature sensor element is optionally flexible, in particular in such a way that it can be placed around and/or on the individual battery cells. The elongated body can define an interior space. The elongate body is, for example, an elongate hollow body. The body is, for example, tubular.
Optional erstreckt sich ein elektrischer Leiter in dem Innenraum, z.B. entlang des beispielsweise länglichen Innenraums. Über diesen Leiter können Temperaturmesswerte erfasst werden. Der Leiter umfasst z.B. Nickel oder besteht daraus.Optionally, an electrical conductor extends in the interior space, for example along the interior space, which is elongate, for example. Temperature readings can be recorded via this conductor. For example, the conductor includes or consists of nickel.
Beispielsweise ist der Innenraum, abschnittsweise oder vollständig, durch eine z.B. den Leiter umgebende Füllung ausgefüllt. Hierdurch kann der Leiter von dem Körper räumlich separiert sein. Die Füllung kann einen sich mit der Temperatur ändernden elektrischen Widerstand aufweisen, insbesondere mit einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem elektrischen Widerstand. Das erlaubt das Erkennen einer lokal erhöhten Temperatur, die den eingestellten Schwellwert überschreitet. Eine Erhöhung der durchschnittlichen Umgebungstemperatur, die unter dem Schwellwert liegt, führt nicht zu einer Veränderung des Widerstands (oder nur zu einer vernachlässigbaren Veränderung). So kann der Sensor eine lokale Temperaturerhöhung erkennen und von einer durchschnittlichen Temperaturerhöhung unterscheiden..For example, the interior is partially or completely filled with a filling surrounding the conductor, for example. This allows the conductor to be spatially separated from the body. The filling can have an electrical resistance that changes with the temperature, in particular with a non-linear relationship between the temperature and the electrical resistance. This allows the detection of a locally increased temperature that exceeds the set threshold. An increase in average ambient temperature below the threshold does not change the resistance (or only a negligible change). In this way, the sensor can detect a local temperature increase and distinguish it from an average temperature increase.
In einer Ausgestaltung umfasst die Füllung ein eutektisches Material oder besteht daraus. Optional umfasst die Füllung ein Salz oder besteht daraus. Beispielsweise umfasst die Füllung eine eutektische Salzmischung oder besteht daraus. Beispielsweise kann die Füllung ein Eutektikum der Natrium-, Kalium- und Lithiumnitrate umfassen oder daraus bestehen. Ein eutektisches Material erlaubt einen plötzlichen Phasenübergang bei Überschreiten eines Temperaturschwellenwerts. Hierdurch kann durch Erfassen eines plötzlich abfallenden elektrischen Widerstands ein lokales Überschreiten des Temperaturschwellenwerts ermittelt werden.In one configuration, the filling includes or consists of a eutectic material. Optionally, the filling includes or consists of a salt. For example, the filling includes or consists of a eutectic salt mixture. For example, the filling may include or consist of a eutectic of sodium, potassium and lithium nitrates. A eutectic material allows for a sudden phase transition when a temperature threshold is exceeded. As a result, local exceeding of the temperature threshold value can be determined by detecting a sudden drop in electrical resistance.
Der längliche Körper ist z.B. elektrisch leitfähig. Beispielsweise umfasst der Körper ein Metall oder eine Metalllegierung, oder besteht daraus. Optional umfasst der längliche Körper Inconel oder besteht daraus.For example, the elongate body is electrically conductive. For example, the body includes or consists of a metal or a metal alloy. Optionally, the elongate body comprises or consists of Inconel.
Gemäß einem Aspekt wird ein Batteriesystem bereitgestellt, welches das Batteriezellenmodul nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung umfasst, sowie eine Steuerungseinheit, die zum Erfassen von Sensorsignalen mittels des Temperatursensorelements an das Temperatursensorelement angeschlossen ist.According to one aspect, a battery system is provided, which comprises the battery cell module according to any configuration described herein, and a control unit which is connected to the temperature sensor element for acquiring sensor signals by means of the temperature sensor element.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinheit dazu ausgebildet ist, basierend auf den erfassten Sensorsignalen des Temperatursensors eine elektrische Verbindung zwischen dem Batteriezellenmodul und einem Leistungsanschluss des Batteriesystems zu trennen (oder zu schließen). Hierzu umfasst die Steuerungseinheit z.B. einen Schalter, beispielsweise in Form eines Relais, einen Transistor und/oder einen Thyristor. Somit kann bei Erkennen einer Überhitzung von zumindest einer der Batteriezellen eine Stromzufuhr oder Last besonders schnell und sicher abgeschaltet werden, sodass ein Austreten von Elektrolyt der Batteriezelle(n) verhindert werden kann.It can be provided that the control unit is designed to disconnect (or close) an electrical connection between the battery cell module and a power connection of the battery system based on the detected sensor signals of the temperature sensor. For this purpose, the control unit includes, for example, a switch, for example in the form of a relay, a transistor and/or a thyristor. Thus, when overheating of at least one of the battery cells is detected, a power supply or load can be switched off particularly quickly and safely, with the result that electrolyte from the battery cell(s) can be prevented from escaping.
Optional umfasst das Batteriesystem mehrere Batteriezellenmodule, insbesondere jeweils nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung.Optionally, the battery system includes a plurality of battery cell modules, in particular according to any configuration described herein.
Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, bereitgestellt, umfassend das Batteriesystem nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Ferner kann das (Luft-)Fahrzeug eine elektrisch an das Batteriesystem angeschlossene elektrische Maschine umfassen, z.B. einen Elektromotor, insbesondere zum Antrieb einer Schub erzeugenden Vorrichtung, z.B. eines Propellers.According to one aspect, a vehicle, in particular an aircraft, is provided, comprising the battery system according to any configuration described herein. Furthermore, the (aircraft) vehicle can comprise an electrical machine, e.g. an electric motor, which is electrically connected to the battery system, in particular for driving a thrust-generating device, e.g. a propeller.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:
-
1 ein Batteriesystem mit einer Steuerungseinheit und mehreren Batteriezellenmodulen mit jeweils einem Tem peratursensorelement; -
2 ein Temperatursensorelement des Batteriesystems gemäß1 ; und -
3 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einem elektrisch angetriebenen Propeller unddem Batteriesystem gemäß 1 .
-
1 a battery system with a control unit and a plurality of battery cell modules, each with a temperature sensor element; -
2 according to a temperature sensor element of thebattery system 1 ; and -
3 an aircraft in the form of an airplane with an electrically driven propeller and the battery system according to1 .
Das Batteriesystem 3 umfasst zumindest ein Batteriezellenmodul 1, optional mehrere Batteriezellenmodule 1. Nachfolgend wird lediglich ein Batteriezellenmodul 1 beschrieben, wobei optionale weitere Batteriezellenmodule 1 identisch aufgebaut an angeschlossen sein können. Das eine Batteriezellenmodul 1 oder die mehreren Batteriezellenmodule 1 können auch als Batteriepack bezeichnet werden.The
Das Batteriezellenmodul 1 umfasst mehrere Batteriezellen 10. Die Batteriezellen 10 sind parallel zueinander und entlang einer Reihe angeordnet, wobei auch andere Anordnungen denkbar sind, z.B. in mehreren Reihen. Vorliegend ist jede der Batteriezellen zylindrisch, konkret: kreiszylindrisch geformt. Im gezeigten Beispiel sind die Batteriezellen 10 wieder aufladbar und können jeweils als Akkumulatorzellen bezeichnet werden. Die Batteriezellen 10 sind jeweils z.B. als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet.The
Jede der Batteriezellen 10 weist zwei Pole 100A, 100B auf, einen Pluspol und einen Minuspol. Zwischen den Polen 100A, 100B besteht eine elektrische Spannung. Die jeweils gleichnamigen Pole der mehreren Batteriezellen 10 sind jeweils über einen Leiter miteinander elektrisch verbunden. Somit sind die Batteriezellen 10 miteinander parallel geschaltet.Each of the
Ferner umfasst das Batteriezellenmodul 1 ein Temperatursensorelement 11. Das Temperatursensorelement 11 ist mit jeder der mehreren Batteriezellen 1 thermisch gekoppelt, steht thermisch damit in Kontakt. Das Temperatursensorelement 11 steht im gezeigten Beispiel in Berührung mit jeder der mehreren Batteriezellen 10. Vorliegend erstreckt sich das Temperatursensorelement 11 mäanderförmig entlang der Reihe der Batteriezellen 10. Somit steht das Temperatursensorelement 11 mit jeder der Batteriezellen 10 entlang einer halbkreisförmigen Bahn in Kontakt.Furthermore, the
Das Temperatursensorelement 11 weist zwei elektrische Anschlüsse auf, zwischen denen ein temperaturabhängiger Widerstand vorliegt. Steigt die Temperatur von einer oder mehreren der Batteriezellen 10, so ändert sich der elektrische Widerstand zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen. In
Die Steuerungseinheit 2 umfasst einen Komparator 21. Der Komparator 21 kann wie im gezeigten Beispiel dazu ausgebildet sein, zwei Spannungen miteinander zu vergleichen. Ein Signal (z.B. ein elektrisches Potential) an einem Ausgang des Komparators 21 zeigt an, welche der beiden Spannungen größer ist. Vorliegend ist eine optionale Ausleseeinheit 24 vorgesehen, welche an einem mit einem Eingang des Komparators 21 elektrisch verbundenen Ausgang ein elektrisches Potential ausgibt, die dem Widerstand des Temperatursensorelements 11 entspricht. Am anderen Eingang des Komparators 21 liegt ein einer vorgegebenen Referenztemperatur Tref entsprechendes elektrisches Potential an. Die Schaltung mit dem Komparator 21 und der Ausleseeinheit 24 ist lediglich beispielhaft zu verstehen und es sind auch andere Arten von Schaltungen denkbar, die über eine Messung des Widerstands des Temperatursensorelements 11 das Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur (z.B. 50 oder 80 oder 100 Grad Celsius) erfasst. Es ist ersichtlich, dass derartige elektrische Schaltungen typischerweise besonders einfach und robust sind. Somit ist gegenüber der Nutzung eines Prozessors eine besonders geringe Ausfallwahrscheinlichkeit möglich.The
Das Batteriesystem 1 kann zwar dennoch einen Prozessor 23 und ggf. auch einen Analog-zu-Digital-Wandler, ADC 22, umfassen, beispielsweise für weitere, hier nicht beschriebene Funktionen. Aber zur Überwachung und insbesondere zum Schutz vor Überhitzung der einzelnen Batteriezellen 10 sind diese Komponenten nicht notwendig.The
Der Ausgang des Komparators 21 ist vorliegend an ein Verbindungsmodul 20 angeschlossen. Das Verbindungsmodul 20 verbindet das Batteriezellenmodul 1 oder die Batteriezellenmodule 1 elektrisch mit dem Leistungsanschluss 30.The output of the
Dabei weist das Verbindungsmodul 20 für das Batteriezellenmodul 1 oder jedes der mehreren Batteriezellenmodule 1 einen in
Das Temperatursensorelement 11 ist somit dazu ausgebildet, lokale Temperaturänderungen zu erfassen. Demgegenüber führt das Temperatursensorelement 11 keine Mittelung von Temperaturen über ein verhältnismäßig langes Stück (z.B. die gesamte Länge) des Temperatursensorelements 11 durch.The
Das Temperatursensorelement 11 umfasst ferner einen Verbinder 113, z.B. in Form eines Schraub- oder Steckverbinders zum Anschluss an die Steuerungseinheit 2. Der Körper 111 ist z.B. auf das Erdpotential gelegt.The
Das Batteriesystem 3 kann insbesondere mit hohen Strömen betrieben werden, z.B. als Fahrzeug-Traktionsbatterie. Das Batteriesystem 3 ermöglicht einen besonders sicheren Schutz vor Überhitzung bei einem zugleich besonders einfachen Aufbau und geringen Herstellungskosten.The
Das Luftfahrzeug 4 umfasst ferner das vorstehend beschriebene Batteriesystem 3. Die elektrische Maschine 40 ist elektrisch mit dem Batteriesystem 3 verbunden und wird dadurch mit Energie versorgt. Alternativ oder zusätzlich dient die elektrische Maschine 40 als Generator und ist dazu eingerichtet, elektrische Energie an das Batteriesystem 3 bereitzustellen.The
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.It should be understood that the invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and improvements can be made without departing from the concepts described herein. Any of the features may be employed separately or in combination with any other feature, provided they are not mutually exclusive, and the disclosure extends to and encompasses all combinations and sub-combinations of one or more features described herein.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Batteriezellenmodulbattery cell module
- 1010
- Batteriezellebattery cell
- 100A, 100B100A, 100B
- Polpole
- 1111
- Temperatursensorelementtemperature sensing element
- 110110
- Leiterdirector
- 111111
- KörperBody
- 112112
- Füllungfilling
- 113113
- VerbinderInterconnects
- 114114
- Innenraum inner space
- 22
- Steuerungseinheitcontrol unit
- 2020
- Verbindungsmodulconnection module
- 200200
- SchalterSwitch
- 2121
- Komparatorcomparator
- 2222
- ADCADC
- 2323
- Prozessorprocessor
- 2424
- Ausleseeinheit readout unit
- 33
- Batteriesystembattery system
- 3030
- Leistungsanschluss power connection
- 44
- Luftfahrzeugaircraft
- 4040
- elektrische Maschineelectric machine
- 4141
- Propellerpropeller
Claims (15)
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