CN109546250A - 用于车辆蓄电池的电池模块监测装置和电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆蓄电池(12)的电池模块监测装置(1)。所述电池模块监测装置(1)包括第一部件(4)和至少部分柔性的支承板(2)，所述第一部件(4)包括分析单元(4.1)和无线通信设备(4.2,4.3)，其中，所述至少部分柔性的支承板(2)具有其中布置第一部件(4)的区域(3)。此外，本发明涉及一种用于车辆蓄电池(12)的电池模块(10)，所述电池模块(10)具有电池模块监测装置(1)，并且本发明涉及一种车辆蓄电池(12)，所述车辆蓄电池(12)具有多个电池模块(10)和电池模块监测装置(1)。

Description

用于车辆蓄电池的电池模块监测装置和电池模块
技术领域
本发明涉及一种用于车辆蓄电池的电池模块监测装置。此外，本发明涉及一种用于车辆蓄电池的电池模块，该电池模块具有电池模块监测装置，并且本发明涉及一种车辆蓄电池，该车辆蓄电池具有多个电池模块和至少一个电池模块监测装置。
背景技术
越来越多地推广使用电动车辆和混合动力车辆导致了在生产至少部分地驱动这些车辆的车辆蓄电池时，寻求成本低廉且同时节省结构空间的解决方案。尤其是集成到车辆牵引网络中的车辆蓄电池通常包括多个电池模块，这些电池模块的蓄电池特性值通过至少一个电池模块监测设备进行测量和监测。这种电池模块监测设备包括很多个部件，这些部件的安装和构造意味着高昂的费用。电阻器和接线插头的安装尤其导致了较高的结构空间需求。此外，还安装了独立的加热系统，其确保车辆蓄电池即使在低温下也能提供令人满意的性能。然而，这确实也带来较高的成本和较大的结构空间需求。
从DE 10 2015 202 601 A1中已知一种蓄电池，其中通过电阻导线提供电阻。
此外，从WO2013/066926A1中已知一种包括电池模块的蓄电池模块。在这些电池模块之间分别布置有可用来加热这些电池模块的加热垫。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够以紧凑且低成本方式制造的电池模块监测装置、电池模块和车辆蓄电池。
根据本发明，该目的通过一种用于车辆蓄电池的电池模块监测装置、一种用于车辆蓄电池的电池模块和一种车辆蓄电池来实现。
根据本发明的电池模块监测装置包括第一部件，其包括分析单元和无线通信设备。此外，电池模块监测装置包括至少部分柔性的支承板，其中，至少部分柔性的支承板具有其中布置第一部件的区域。
柔性支承板尤其应理解为可弯曲的支承板。电池模块监测装置在柔性支承板上的布置使得尤其能够将电池模块监测装置以紧凑且安全的方式连接到车载电网布线上，该车载电网布线同样通过柔性支承板导引。电池模块监测装置则可以与布线一起、连同电池模块紧凑地构造为一个单独部件。这又可以节省结构空间和单独的部件。
此外，通过使根据本发明的电池模块监测装置包括具有无线通信设备的第一部件，可以提供电池模块监测装置与车辆装置的无线通信。这使得尤其可以替换电池模块监测装置的用于将电池模块监测装置与车辆装置连接以进行数据传输的现有插塞连接和/或电缆连接。因此，通过布置无线通信设备有利地能够实现节省结构空间。
电池模块监测装置尤其构造成采集和监测电池模块的电压和温度。这尤其通过分析单元来完成，分析单元例如构造为微控制器。微控制器在车辆蓄电池中用于通过控制信号来控制电池模块的电压和温度监测。
通过将分析单元连同无线通信设备集成到第一部件中，可以省去许多单独的部件的安装。由此为电池模块监测装置提供了紧凑的结构。
在电池模块监测装置的一个实施方式中，第一部件集成到至少部分柔性的支承板的区域中。由此，电池模块监测装置的结构有利地还可以更加紧凑地构造。
此外，至少部分柔性的支承板的其中布置有第一部件的区域可以构造为刚性的。因此，由电池模块监测装置包括的支承板不必完全构造为柔性的。由于支承板在其中布置第一部件的区域中的刚性构造，尤其是可以有利地提高通常对环境影响敏感的电子器件所在区域的坚固性。在此为了确保电池模块监测装置的安全和紧凑的结构方式，其中布置第一部件的区域可以由柔性支承板的柔性部分围绕。
该区域的刚性构造在此尤其可以通过对该区域的机械增强来实现。例如，可以在该区域中安置多个材料层。由此使至少部分柔性的支承板在该区域中被增强并且刚性地构造。将该区域上施加有第一部件的传统电路板集成到至少部分柔性的支承板中，由此备选地，该区域也可以刚性地构造。
至少部分柔性的支承板在此尤其由塑料制成。塑料在此尤其是聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。至少部分柔性的支承板的厚度在此尤其可以在25微米至75微米的范围。
至少部分柔性的支承板尤其可以是FPC膜。FPC代表“柔性印刷电路”。例如，通过将第一部件印刷到FPC膜上，可以实现将第一部件集成到FPC膜中。在此形成了特别紧凑设计的电池模块监测装置。
在另一实施方式中，无线通信接口尤其包括用于与蓄电池管理系统、车辆总线和/或用户界面通信的无线电接口。这时则不再需要接线插头。由此可以有利地节省结构空间。此外，还可以有利地省去形成焊接连接。由于可以省去焊接工艺，因此不会形成导致电池模块故障的不充分连接。
在另一实施方式中，在该区域中布置有第二和/或第三部件，其中第二部件包括专用集成电路和/或第三部件包括补偿滤波器。在这种情况下，根据本发明的电池模块监测装置的所有必要电子元器件都有利地集成到至少部分柔性的支承板的区域中。由此可以提供紧凑且节省结构空间的用于电池模块监测装置的结构。
专用集成电路(也称为ASIC)一般而言被理解为电子电路，该电子电路设计为不可改变的开关电路。这意味着不再能够改变ASIC的一次实施功能。这种ASIC的集成在此尤其可以以微芯片的形式实现。对于具有中央特性值采集的车辆蓄电池，ASIC被编程用于确定对计算蓄电池系统的当前性能所需的相关蓄电池特性值，并将这些特性值传输到蓄电池管理系统，该蓄电池管理系统计算当前性能。对于具有分散式特性值采集的车辆蓄电池，ASIC可以被编程用于由采集的各种不同的蓄电池特性值确定与能量管理相关的当前性能。
例如，第三部件可以设计为补偿滤波器。因为车辆蓄电池的各个电池模块例如在其容量上可彼此不同，所以这会导致，当给车辆蓄电池充电时，具有最低容量的电池模块已达到其充电结束电压，而其它电池模块仍然需要进一步充电以达到其充电结束电压。然而，如果继续充电过程，则存在已充满电的电池模块会因过度充电而损坏的风险。当充电过程中断时，车辆蓄电池反而不能达到其最佳充电状态。为了补偿这些差异，在车辆中布置有补偿系统(也称为平衡系统)。所述补偿系统由平衡电阻和平衡滤波器组成，其能够实现电池模块的可控放电。
在另一个实施方式中，该区域包括连接点，用于将电池模块监测装置与电池模块相连的导线可固定到所述连接点上。这些导线在此尤其也可以集成到至少部分柔性的支承板中。
本发明还涉及一种具有电池模块监测装置的用于车辆蓄电池的电池模块。电池模块在此借助布置在至少部分柔性的支承板上的导线与电池模块监测装置耦连。在此，电池模块监测装置可以集成到电池模块中。这意味着车辆蓄电池的每个电池模块均具有自己的电池模块监测装置。车辆蓄电池的所述电池模块之一的特性值则被分散式采集。通过与车辆的蓄电池管理系统的通信，则可以集中处理所有电池模块的电池模块监测装置的信息。备选地，电池模块监测装置也可以布置在电池模块外部。在这种情况下，尤其是车辆蓄电池的所有电池模块都与该电池模块监测装置耦连。在这种情况下，电池模块的特性值则被集中地采集。通过将根据本发明的电池模块监测装置布置在车辆蓄电池的电池模块中，可以提供电池模块监测装置在电池模块中紧凑且节省结构空间的集成。
本发明还涉及一种具有多个电池模块和至少一个电池模块监测装置的车辆蓄电池。在这种情况下，每个电池模块均借助布置在至少部分柔性的支承板上的至少一条导线与至少一个电池模块监测装置耦连，这些导线尤其可以固定在电池模块监测装置的连接点上。
尤其地，为每个电池模块布置电池模块监测装置，其中每个电池模块均通过至少一条导线与其所配属的电池模块监测装置连接。
至少部分柔性的支承板则可以构造在导线的区域中，尤其是构造为扁平导体膜，其中导线作为扁平线路被印制在FPC膜中。由此可以以紧凑且节省结构空间的方式实现电池模块与电池模块监测装置的连接以及电池模块彼此的连接。
该导线尤其是电阻线，其中由导线提供的电阻通过制造导线的材料、导线直径、导线宽度和/或在至少部分柔性的支承板上的布线来确定。由此，通常在电池模块监测装置中安装的物理平衡电阻器可以由电阻线代替。这又可以节省结构空间和单独的部件。此外，由电阻线产生的热量可以容易地通过至少部分柔性的支承板导出。
由电阻线提供的电阻尤其可以由所使用的材料确定。该导线尤其可以是金属线。用于金属线的可能的合金在此优选含有高比例的铜。例如，使用铜镍、铜锰、铜锰锡、铜镍铁锰或铜镍锰合金。然而，优选使用铜镍锰合金，尤其是以其中产生康铜合金的组成。康铜具有在宽范围内近似恒定的比电阻。由于康铜的比电阻率与温度无关，因此由康铜构成的金属线特别好地适合用于代替物理平衡电阻器。
此外，导线应提供的电阻可以根据导线的直径或横截面积来相应地选择。如果使用扁平导体膜，则通过导线宽度来选择导线电阻。在这种情况下，可以在例如0.05μm至0.2μm的范围内的长度上实现10μm至50μm范围内的非常小的厚度。这则获得了在0.1kΩ至0.5kΩ的范围内(包括端值)的导线电阻。
此外，导线应提供的电阻还可以通过使导线以特定方式在至少部分柔性的支承板中导引来进行选择。该导线在此尤其是可以蜿蜒地导引通过至少部分柔性的支承板。
在根据本发明的车辆蓄电池的一个实施方式中，多条导线布置成均匀分布在至少部分柔性的支承板的整个表面上，使得导线所释放的热量被均匀分布在至少部分柔性的支承板上，其中至少部分柔性的支承板这样布置在电池模块中，使得借助导线被加热的至少部分柔性的支承板对电池模块进行加热。在此，至少部分柔性的支承板围绕电池模块导引。由此使得来自电池模块的能量可以转换成热量。通过控制被导引通过导线的电流，可以控制由导线产生的热量。以这种方式，导线可以为车辆蓄电池提供加热装置，而无需将单独的加热系统集成在电池中。在电池模块周围的导引在此尤其是蜿蜒状的。这有利地导致每个电池模块均被至少部分柔性的支承板的至少三个侧面围绕。至少部分柔性的支承板在此可以直接贴靠在电池模块上。由此可以提供对电池模块特别有效的加热。
此外，在至少部分柔性的支承板上可以通过导线提供保险装置。在此尤其可以通过如下方式提供保险装置：在保险装置的区域中的导线的直径或宽度相对于当导线不在保险装置的区域中延伸时的导线的直径或宽度减小。此外，导线的布线还可以在保险装置的区域中改变。尤其是，导线在保险装置区域中蜿蜒地延伸。这样的保险装置在此可以有利地代替常规的熔断丝，所述熔断丝必须通过复杂的焊接工艺加工到电池模块中。因此，这首先取消了焊接工艺。尤其地，在熔断丝的焊接工艺过程中可能造成熔断丝和导线之间的不足连接。这导致电池模块的平衡单元的故障。通过保险装置的布置可以取消该焊接工艺。因此，不会形成任何导致电池模块的平衡单元的故障的不足连接。此外，可以节省熔断丝的单独部件。这再次导致成本降低和结构空间减小。
现在参考附图借助实施例阐述本发明。
附图说明
图1示出了电池模块监测装置的实施例，
图2示出了图1的电池模块监测装置在车辆的车辆蓄电池中的布置的实施例，
图3示出了根据本发明的电池模块的结构以及电池模块与电池模块监测装置的连接，
图4示出了柔性支承板上的电阻线设计的第一实施例，
图5示出了柔性支承板上的电阻线设计的第二实施例，
图6示出了多个电池模块和柔性支承板作为加热系统在车辆蓄电池中的布置，
图7示出了多个电池模块和柔性支承板在车辆蓄电池中的布置，其中从车辆蓄电池中运走热量。
具体实施方式
参照图1和图2阐述根据本发明的电池模块监测装置1的实施例和电池模块监测装置1在车辆15中的布置。
车辆15在此至少部分地通过车辆蓄电池12驱动，车辆蓄电池12尤其是牵引蓄电池。车辆15是电动车辆或混合动力车辆，其一部分地借助牵引蓄电池12驱动并且另一部分地借助内燃机驱动。
牵引蓄电池12例如包括六个电池模块10。在此，六个电池模块中的每一个都具有自己的电池模块监测装置1。电池模块10的特性值因此是分散式采集的。
电池模块监测装置1包括第一部件4。第一部件4又包括分析单元4.1，分析单元4.1设计为微控制器。
此外，第一部件4包括无线通信设备，其由收发器4.2和天线4.3组成。收发器4.2和天线4.3形成用于与车辆15的蓄电池管理系统17、车辆总线13和用户界面14通信的无线电接口。
用户界面14在此构造为显示面，在该显示面上可以向用户显示关于车辆蓄电池12的信息。显示面14通过无线电接口4.2,4.3获得该信息。
通过电池模块监测装置1与蓄电池管理系统17的无线电通信，则可以将电池模块10的信息与其它电池模块10的信息一起处理。
电池模块监测装置1还包括第二部件5和第三部件6。第二部件5在此是专用集成电路，以下称为ASIC。第三个部件4.3构造为平衡滤波器。
此外，电池模块监测装置1包括柔性支承板2。柔性支承板2在此由塑料制成，尤其是由聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺制成。柔性支承板的厚度在25到75微米的范围内。柔性支承板2尤其是FPC膜(FPC＝flexibleprinted circuit，即柔性印刷电路)。
FPC膜2还具有区域3，在所述区域3中集成了第一部件4、第二部件5和第三部件6。区域3在此构造为刚性的。由此可以确保包括敏感电子元器件的区域3可构造成相对环境影响不敏感。区域3例如通过机械增强而刚性地构造。在这种情况下，在区域3处的FPC膜2中粘接有使区域3增强的附加材料层。部件4至6则可以在区域3中印制在FPC膜2上。FPC膜9的构造因此不是完全柔性，而是部分柔性。
然而，在另一个实施方式中，区域3构造为常规的印刷电路板，该印刷电路板集成到柔性支承板2中，并且包括部件4至6。
区域3还包括连接点7，在连接点7上可以固定有用于将电池模块监测装置1与车辆蓄电池12的电池模块10连接的导线8。
导线8在此集成到FPC膜2中，方式是将这些导线8作为扁平线路印制在FPC膜2上。在导线8的区域中，FPC膜2构造为所谓的扁平导体膜2'。
参照图3阐述电池模块10的实施例，即电池模块10如何布置在车辆蓄电池12中的方式。
电池模块10尤其是具有分散式特征量采集的电池模块10，其中集成有电池模块监测装置1。电池模块监测装置1在此尤其布置在电池模块10的下部区域中。
在FPC膜2的区域3的连接点7处安装有导线8，这些导线8向上延伸到电池模块10的内部。
电池模块10包括连接元件11，用于将电池模块10与相邻布置的电池模块10连接。连接元件11在此是铜条，这些铜条同样集成到FPC膜2上。
在每个连接元件11的前面还设置有保险装置9。所提供的保险装置9在此尤其由导线8的宽度和/或导线8在扁平导体膜2'上的导引装置来限定。在此，在保险装置9的区域中的导线8的宽度小于在不用作保险装置9的区域中的导线8的宽度。备选地或额外地，导线8在保险装置区域中蜿蜒地导引。由此可以代替通过耗费的焊接工艺加工到电池模块10中的常规的熔断丝。
此外，导线8可以设计为电阻线。由此可以代替在各个电池模块10的电压之间产生平衡的物理平衡电阻器。
在这种情况下，如图4所示，每条导线8均具有不同的宽度。备选地或额外地，如图5所示，导线8蜿蜒地导引穿过扁平导体膜2'。在此尤其是由导线的蜿蜒导引而产生的导线长度导致了不同的电阻。
此外，制成电阻线8的材料可以确定电阻线8的电阻。电阻线8尤其是由康铜构成的金属线。
在另一个实施方式中，电池模块监测装置1不集成到电池模块中，而是布置在电池模块10的外部。在这种情况下，存在于车辆蓄电池12中的所有电池模块10都借助电阻线8通过扁平导体膜2'与电池模块监测装置1连接。
参照图5和图6阐述用于车辆蓄电池12的加热系统。图6中所示的车辆蓄电池12的特性值的采集在此仅通过一个电池模块监测装置1集中实现。
电阻线8在此均匀分布在扁平导体膜2'上。通过被引过电阻线8的电流，对该电阻线8进行加热。所产生的热量通过扁平导体膜2'导出。
与具有物理电阻的电池模块监测装置1相比，明显更高的平衡电流可导引通过电阻线8，因为这些电阻线通过扁平导体膜2'运走热量可以导出明显更多的热量。
该热量可以同时用于在低温下加热电池模块10。为此，扁平导体膜2'以均匀分布的电阻线8蜿蜒地围绕电池模块10导引，如图6所示的那样。由此，每个电池模块10均可以在三个侧面上被扁平导体膜2'包围。这样，由扁平导体膜2'导出的热量可以直接传递到电池模块10上。
此外，未传递到电池模块10上的热量可以通过自由空间从车辆蓄电池12导出。这在图7中用箭头16表示。
图5至7的加热系统也可应用在具有分散式特性值采集的车辆蓄电池12中。为此，电池模块10则可以借助扁平导体膜2'彼此连接，扁平导体膜2'又蜿蜒地围绕电池模块10导引。
附图标记清单
1 电池模块监测装置
2 柔性支承板；FPC膜
2‘ 扁平导体膜
3 区域；印刷电路板
4 第一部件
4.1 微控制器
4.2 收发器
4.3 天线
5 第二部件；ASIC
6 第三部件；平衡滤波器
7 连接点
8 导线
9 电阻
10 电池模块
11 连接元件
12 车辆蓄电池
13 车辆总线
14 用户界面
15 车辆
16 热量导出
17 蓄电池管理系统

Claims (10)

1.一种用于车辆蓄电池(12)的电池模块监测装置(1)，包括：
第一部件(4)，其包括分析单元(4.1)和无线通信设备(4.2,4.3)；和
至少部分柔性的支承板(2)，其中，所述至少部分柔性的支承板(2)具有其中布置第一部件(4)的区域(3)。
2.根据权利要求1所述的电池模块监测装置(1)，其特征在于，第一部件(4)集成在至少部分柔性的支承板(2)的区域中。
3.根据权利要求1或2所述的电池模块监测装置(1)，其特征在于，至少部分柔性的支承板(2)的其中布置第一部件(4)的区域(3)构造为刚性的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池模块监测装置(1)，其特征在于，所述无线通信接口(4.2，4.3)包括用于与蓄电池管理系统(17)、车辆总线(13)和/或用户界面(14)通信的无线电接口。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池模块监测装置(1)，其特征在于，所述区域(3)包括连接点(7)，在所述连接点上能够固定用于将电池模块监测装置(1)与电池模块(10)连接的导线(8)。
6.一种用于车辆蓄电池(12)的电池模块(10)，其具有根据权利要求1至5中任一项的电池模块监测装置，其中，所述电池模块(10)借助布置在至少部分柔性的支承板(2)上的至少一条导线(8)与电池模块监测装置(1)耦连。
7.一种车辆蓄电池(12)，具有多个电池模块(10)和至少一个根据权利要求1至5中任一项的电池模块监测装置(1)，其中，每个电池模块(10)均借助布置在至少部分柔性的支承板(2)上的至少一条导线(8)与至少一个电池模块监测装置(1)耦连。
8.根据权利要求7所述的车辆蓄电池(12)，其特征在于，对于每个电池模块(10)均布置一个电池模块监测装置(1)，其中，每个电池模块均借助至少一条导线(8)与其所配属的电池模块监测装置(1)连接。
9.根据权利要求7或8的车辆蓄电池(12)，其特征在于，所述导线(8)是电阻线，其中导线(8)提供的电阻通过制成所述导线的材料、导线直径、导线宽度确定和/或通过在至少部分柔性的支承板(2)上的布线确定。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的车辆蓄电池(12)，其特征在于，所述导线(8)均匀分布地布置在至少部分柔性的支承板(2)的整个表面上，使得导线(8)所释放的热量均匀分布在至少部分柔性的支承板(2)上，其中至少部分柔性的支承板(2)这样布置在电池模块(10)中，使得借助导线(8)加热的至少部分柔性的支承板对电池模块(10)进行加热，其中，至少部分柔性的支承板(2)围绕电池模块(10)导引。
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