DE102009036086A1

DE102009036086A1 - Überwachungselektronik für Batterien

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Publication number: DE102009036086A1
Application number: DE102009036086A
Authority: DE
Inventors: Simon Abraham; Markus Dr. Schweizer-Berberich; Stefan Dr. Tillmann
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-08-05
Also published as: DE102009036086B4

Abstract

Gemäß einem beispielhaften Aspekt wird eine Überwachungselektronik für eine Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen geschaffen, wobei die Überwachungselektronik eine Mehrzahl von Zell-Überwachungsschaltkreise aufweist, welche an einer flexiblen Platine befestigt sind. Insbesondere mag die Überwachungselektronik derart eingerichtet sein, dass sie für jeden Zellpol der Batterie einen Zell-Überwachungsschaltkreis aufweist. Insbesondere mag auch das Vorsehen von möglichst vielen stoffschlüssigen Verbindungen zwischen einer Elektronik und der flexiblen Platone und/oder der flexiblen Platine mit den Zellen und optionalen Temperatursensoren eine erhöhte Lebensdauer bei geringen Fehlerraten ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Überwachungselektronik für Batterien, insbesondere Lithium-Ionen Batterien. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Batteriesystem. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anbringen einer Überwachungselektronik an eine Platine und/oder an Batteriezellen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Anwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen oder stationären Anwendungen, wie Back-up Systemen mit vielen Zellen, z. B. Solar- oder Windanlagen, Telekommunication, usw..
In einer Vielzahl von elektrischen und elektronischen Geräten werden heutzutage Batterien verwendet. In vielen Anwendungen werden hierbei hohe Anforderungen hinsichtlich Lebensdauer und Kapazität an die Batterien gestellt. Beispielsweise werden in Laptopcomputern Lithium-Ionen Batterien eingesetzt, welche zum sicheren Betrieb meist eine Überwachungselektronik aufweisen. Diese Überwachungselektronik ermöglicht auch die Optimierung des Batteriezustands, was für eine lange kalendarische und zyklische Lebensdauer vorteilhaft sein mag.
Ein Teil der Überwachungselektronik misst die Zellspannungen und Temperaturen und ermöglicht den Ladeausgleich aller Zellen innerhalb einer Batterie. Dafür wird die Überwachungselektronik mit Leitungen an die einzelnen Zellen der Batterie angeschlossen. Hochvoltbatterien werden mit vielen einzelnen Zellen aufgebaut, deren Anzahl über hundert Zellen bis mehrere tausend betragen kann.
Eine solche Überwachungselektronik und das gesamte Batteriesystems kann je nach Auslegung desselben komplex und fehleranfällig sein. Ein Ausfall insbesondere der sicherheitsrelevanten Überwachung der Batterie kann zu einem Totalausfall der Batterie führen.
Somit mag es eine Aufgabe sein eine Überwachungselektronik für eine Batterie und ein Verfahren zum Anbringen einer Überwachungselektronik an eine Platine zu schaffen.
Diese Aufgabe mag durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem beispielhaften Aspekt wird eine Überwachungselektronik für eine Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen geschaffen, wobei die Überwachungselektronik eine Mehrzahl von Zell-Überwachungsschaltkreisen aufweist, welche an eine flexiblen Platine befestigt sind. Insbesondere mag die Überwachungselektronik derart eingerichtet sein, dass sie für jeden Zellpol der Batterie einen Zell-Überwachungsschaltkreis aufweist. Insbesondere mag die Überwachungselektronik für eine Lithium-Ionen Batterie geeignet sein. Sie mag jedoch für jede Art von Batterie verwendbar sein, welche eine Vielzahl von Zellen aufweist, welche überwacht werden müssen, beispielsweise hinsichtlich ihres Ladezustandes. Insbesondere mögen in der flexiblen Platine oder Leiterplatte Leiterbahnen vorhanden sein, welche zur Signal und/oder Leistungsübertragung ausgebildet sein mögen. Beispielsweise mögen die Leiterbahnen derart als Brücken auf der flexiblen Platine ausgeführt sein, dass die flexible Platine entsprechend der gewünschten Anwendungen konfigurierbar ist.
Gemäß einem beispielhaften Aspekt wird ein Batteriesystem geschaffen, welches eine Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen mit jeweils zumindest einem Zellpol und eine Überwachungselektronik gemäß einem beispielhaften Aspekt aufweist, wobei der zumindest eine Zellpol von zumindest einer der Mehrzahl von Zellen mit einem Zell-Überwachungsschaltkreis der Überwachungselektronik gekoppelt ist. Insbesondere mögen mehrere oder alle Zellen mit ihren zumindest einem Zellpol an jeweils einen Zell-Überwachungsschaltkreis der Überwachungselektronik gekoppelt sein. Insbesondere mag die Kopplung stoffschlüssig ausgeführt sein. Zu bemerken ist ferner, dass mehrere oder alle Kopplungen von Zellpolen und ihren zugehörigen Zell-Überwachungsschaltkreisen stoffschlüssig ausgebildet sein mögen.
Gemäß einem beispielhaften Aspekt wird ein Verfahren zum Anbringen einer Überwachungselektronik für eine Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen an einer Platine geschaffen, wobei das Verfahren ein Bereitstellen einer flexiblen Platine und ein stoffschlüssiges Anbringen zumindest einer Zell-Überwachungselektronik an einer flexiblen Platine aufweist. Insbesondere mag das stoffschlüssige Anbringen mittels Lötens oder mittels Surface Mounted Device Technologie durchgeführt werden.
Unter dem Begriff ”flexible Platine” oder ”flexible Leiterplatte” mag insbesondere eine Platine verstanden werden, welche geeignet ist gebogen oder verformt zu werden, ohne dass sie bricht oder Schaden nimmt. Insbesondere mag die Platine auch elastisch sein, so dass sie nach Wegfall einer äußeren Kraft in ihre Ursprungsform oder Ausrichtung zurückkehrt. Sie mag jedoch auch plastisch verformbar sein, so dass sie nach Wegfall der entsprechenden Kraft in der verformten oder gebogenen Form verbleibt. Hierdurch mag es möglich sein, die Überwachungselektronik mitsamt der flexiblen Platine einen Gehäuse oder Hohlraum anzupassen oder auf leichte und/oder effiziente Art in einem solchen Hohlraum unterzubringen. Anders ausgedrückt mag die Verwendung einer flexiblen Platine eine optimale Nutzung des Bauraumes ermöglichen, beispielsweise mögen so Zell-Überwachungsschaltkreise (Cell Supervision Circuits = CSCs) auf einfache Weise zwischen die Zellableiter oder Zellpole platziert werden. Eine solche flexible Platine oder Flexplatine mag sehr variabel gestaltbar sein, sowohl bei der Herstellung derselben, z. B. mittels Ätzens, Bohrens oder Lötens, als auch nach der Herstellung, indem sie gebogen oder verformt werden kann. Es sollte bemerkt werden, dass die flexible Platine sowohl flexible als auch starre Bereiche aufweisen mag, d. h. um als Flexplatine bezeichnet zu werden, reicht es aus, wenn Bereiche der Platine flexibel ausgestaltet sind. Beispielsweise mag die Platine in den Bereichen, an welchen unmittelbar die Überwachungsschaltkreise angeschlossen oder gekoppelt werden, starr ausgestaltet sein. Die flexible Platine mag auch zwei oder mehrlagig ausgeführt werden, wobei eine äußere Kupferlage der flexiblen Platine direkt auf Zellpole von Batteriezellen geschweißt oder gelötet werden mag.
Auch mag das Vorsehen der flexiblen Platine die Kontaktierungssicherheit erhöhen, da eine solche Platine mitsamt ihren angeschlossenen oder befestigten Überwachungsschaltkreisen äußeren Kräften nachgeben mag, wobei eine Gefahr der Ablösung der Überwachungsschaltkreise verringert sein mag.
Ferner mag ein Vorteil einer flexiblen Platine darin liegen, dass bei der Herstellung beliebige Formen festgelegt werden können, wodurch es beispielsweise möglich sein mag, ganze oder Teile von Kabelbäumen zu ersetzen. Auch mögen flexible Platinen eine erhöhte Resistenz gegenüber vibrationsbedingten Schäden aufweisen. Insbesondere mag auch das Vorsehen von möglichst vielen stoffschlüssigen Verbindungen zwischen einer Elektronik und der flexiblen Platone und/oder der flexiblen Platine mit den Zellen und optionalen Temperatursensoren eine erhöhte Lebensdauer bei geringen Fehlerraten ermöglichen.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Überwachungselektronik beschrieben. Die Ausgestaltungen und Merkmale, die in diesem Zusammenhang beschrieben werden, gelten jedoch auch für das Batteriesystem und das Verfahren zum Anbringen einer Überwachungselektronik.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Überwachungselektronik ist zumindest einer der Mehrzahl von Zell-Überwachungsschaltkreisen stoffschlüssig an der flexiblen Platine befestigt.
Unter dem Begriff ”stoffschlüssig” mag insbesondere jede Verbindung verstanden werden, bei welcher ein Material eine stoffschlüssige Verbindung mit einer Komponente eingeht, beispielsweise ein Zell-Überwachungsschaltkreis mit einem entsprechenden Anschluss der flexiblen Platine. D. h. beispielsweise eine Verbindung bei der ein Material oder Stoff, z. B. Kleber oder Lot, verwendet wird eine Verbindung herzustellen. Beispiele für eine solche stoffschlüssige Verbindung mögen somit Löten oder Schweißen sein. Hiervon sind insbesondere kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindungen zu unterscheiden, bei welchen beispielsweise der Zell-Überwachungschaltkreis in die Platine gesteckt wird.
Durch das Vorsehen einer stoffschlüssigen Verbindung im Gegensatz zu einer kraft- oder formschlüssigen Verbindung mögen sich gegenüber dem Stand der Technik gewisse Vorteile ergeben.

– Durch Vermeidung von Steckkontakten mag sich eine kostengünstige und sehr zuverlässige elektrische Verbindung zwischen der flexiblen Platine bzw. von Zellpolen oder Zellableiter, welche ebenfalls an der flexiblen Platine befestigt sein mögen, und Zell-Überwachungsschaltkreisen ergeben.
– Verringerung der Bauteilanzahl. Eine Vielzahl von Platinen, Steckern, Kabel oder Kupferblechen wird durch eine flexible Platine ersetzt.
– Es mag kein manuelles Löten oder Schweißen von Kabelverbindungen mehr notwendig sein.
– Modularität und Wiederverwendung: Die gleichen CSCs mögen für verschiedene Anwendungsfälle (Batterien) verwendet werden. Insbesondere mag es nur nötig sein, die flexible Platine jeweils anzupassen.
– Die Herstellung mag weitgehend automatisierbar sein.
– Eine solche Ausgestaltung mag robust gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere in der Anwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, sein. Beispielsweise mag die Korrosion von Steckkontakten entfallen und zudem mögen die Verbindungen sehr vibrationsfest sein.
– Durch stoffschlüssige Verbindung mögen niedrige Übergangswiderstände an den Kontaktstellen ermöglicht werden.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Überwachungselektronik ist zumindest einer der Mehrzahl von Zell-Überwachungsschaltkreisen an die fleixible Platine gelötet. Insbesondere mögen mehrere oder alle Zell-Überwachungsschaltkreise mittels Lötens an der flexiblen Platine befestigt sein. Alternativ mag der zumindest eine Zell-Überwachungsschaltkreis mittels Schweißens, z. B. mittels Ultraschallschweißens, an der flexiblen Platine befestigt sein.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Überwachungselektronik ist der zumindest eine Zell-Überwachungsschaltkreis mittels Wellenlötens und/oder mittels Stempellötens und/oder THR-(Through-Hole-Reflow)Lötens oder Schweißens an der flexiblen Platine befestigt.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Überwachungselektronik ist zumindest einer die Zell-Überwachungsschaltkreise auf der flexiblen Platine aufgedruckt. Insbesondere mögen mehrere oder alle Zell-Überwachungsschaltkreise auf die flexible Platine aufgedruckt sein. Insbesondere mag der zumindest eine der Zell-Überwachungsschaltkreise mittels Surface Mounted Device Technologie auf die flexible Platine aufgedruckt sein.
D. h. elektrischen Bauteile (ICs, Widerstände, usw) der Überwachungsschaltkreise mögen direkt auf der flexiblen Platine aufgebracht sein und mögen eine integrierte Lösung bieten. Die flexible Platine mag anderseits direkt an Zellpole oder Zellableiter gelötet oder geschweißt sein. Diese integrierte Lösung mag in einem Schritt fertigbar sein und mag eine sehr geringe Bauhöhe der Überwachungsschaltkreise ermöglichen.
Unabhängig von der Befestigungsart der Zell-Überwachungsschaltkreise, d. h. unabhängig, ob diese gelötet oder direkt gedruckt werden, können weitere elektronische Komponenten auf der flexiblen Platine angebracht oder ausgebildet werden.
Eine Grundidee eines beispielhaften Aspekts mag darin gesehen werden, dass ein Batteriesystem geschaffen wird, wobei das Batteriesystem eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist, welche Zellpole oder Zellableitungen aufweist. Jede der Zellableitungen ist mit einem zugehörigen Zell-Überwachungsschaltkreis (CSC) ausgestattet, welche stoffschlüssig mit einer flexiblen Platine (Flexplatine) gekoppelt sein mögen. Auch die Zellpole mögen stoffschlüssig mit der flexiblen Platine gekoppelt oder verbunden sein. Ferner mag die flexible Platine weitere oder zusätzliche elektronische oder elektrische Komponenten aufweisen, z. B. Leiterbahnen, Widerstände und dergleichen. Die elektronischen Komponenten der CSC mögen hierbei beispielsweise mittels SMD-Technologie direkt auf die Flexplatine aufgebracht sein. Die Flexplatine mag so gestaltet sein, dass sie an sämtliche Zellpole, Zellableiter oder Zellkontakte einer Batterie oder Teile einer Batterie angeschlossen bzw. befestigt werden kann.
Die mit den CSCs bestückte Flexplatine mag mittels Ultraschallschweißung, mittels Weichlötens oder ähnlichen Verfahren direkt mit den Zellpolen verbunden werden. Insbesondere mögen hierbei die elektronischen Komponenten CSC über Leiterbahnen auf der Flexplatine untereinander elektrisch verbunden sein.
Das beschriebene Batteriesystem mag für elektrische Antriebe in Elektro- und Hybridfahrzeugen zu Einsatz kommen. Weitere Einsatzmöglichkeiten mögen stationäre Systeme beinhalten, wie beispielsweise in Windkraft- oder Solaranlegen, Telekommunikationssystemen, z. B. dezentrale Systeme wie Basisstaionen oder Verteilerkästen.
Auf der Flexplatine sind optional auch Schnittstellen zu weiteren Batteriemodulen, Batteriemanagementsystemen oder anderen Komponenten aufgebracht. Ferner mag die flexible Platine Leiterbahnen aufweisen, welche CSCs untereinander und/oder Zellpolen elektrisch verbinden, z. B. mittels Kommunikationsbussen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Kategorien oder Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
1 zeigt schematisch eine Verbindung von Überwachungsschaltkreisen und einer flexiblen Platine.
2 zeigt schematisch einen Aufbau einer flexiblen Platine mit mehreren Überwachungsschaltkreisen gemäß einer ersten Ausführungsform.
3 zeigt schematisch einen Aufbau einer flexiblen Platine mit mehreren Überwachungsschaltkreisen gemäß einer zweiten Ausführungsform.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass in der Zeichnung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten gleich oder ähnlich gewählt sind.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten darstellt.
1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Verbinden von Überwachungsschaltkreisen und einer flexiblen Platine. Insbesondere zeigt 1A eine flexible Platine 100 oder Flexplatine auf welcher Leiterbahnen 101 ausgebildet sind. Ferner zeigt 1A zwei Überwachungsschaltkreise (CSC) 102 und 103, wobei der CSC 102 bereits mit der Flexplatine 100 verbunden ist, während der CSC 103 gerade mit der Flexplatine verbunden wird, was durch den Pfeil 104 schematisch angedeutet wird. Schematisch sind bei den CSCs Zellpotential- oder Kommunikationsverbindungen 105 angedeutet. Die CSCs können mittels Leiterbahnen auf der Flexplatine auf die benötigte Zellenanzahl angepasst oder für diese konfiguriert werden.
1B zeigt die Anordnung der 1B nachdem der CSC 103 auf der Flexplatine 100 angebracht ist. Nachfolgend wird der CSC mittels Wellenslötens oder THR-Lötens oder Schweißens stoffschlüssig mit der Flexplatine 100 verbunden, was durch die Erhebung 106 und den Pfeil 107 angedeutet ist.
1C zeigt die Anordnung nach Abschluss der Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung, welche außer durch Wellenlötens auch mittels Stempellötens, THR oder Schweißens, z. B. Ultraschallschweißen, durchgeführt werden mag.
2 zeigt schematisch einen Aufbau einer flexiblen Platine 200 mit mehreren Überwachungsschaltkreisen 203 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Insbesondere zeigt 2A eine Zelle 210 einer Batterie, welche Zellpole oder Zellableitungen 211 aufweist. An die Zellableitungen 211 ist ein CSC 203 mit einer flexiblen Platine 200 verbunden. Die Flexibilität der Platine 200 ist schematisch angedeutet, indem die Platine 200 in 2A eine Biegung aufweist. Durch die Flexibilität der Platine 200 mag es möglich sein, dass sich das Batteriesystem an dem zur Verfügung stehenden Raum anpasst.
2B zeigt ein Batteriesystem mit mehreren CSC 203, welche einerseits mit Verbindungsleitungen 212 mit zugeordneten Zellableiter stoffschlüssig verbunden sind und andererseits mittels Verbindungsleitungen 213 untereinander verbunden sind. Ferner ist in 2B noch schematisch eine Schnittstelle 214 angedeutet, mittels welcher ein Batteriemanagementsystem und/oder optionale zusätzliche Batteriemodule angekoppelt werden können.
3 zeigt schematisch einen Aufbau einer flexiblen Platine 300 mit mehreren Überwachungsschaltkreisen 303 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Insbesondere zeigt 3A eine Zelle 310 einer Batterie, welche Zellpole oder Zellableitungen 311 aufweist. An die Zellableitungen 311 ist ein CSC 303 gekoppelt, welcher direkt auf einer flexiblen Platine 300 ausgebildet, z. B. gedruckt, ist. Die Flexibilität der Platine 300 ist schematisch angedeutet, indem die Platine 300 in 3A eine Biegung aufweist. Durch die Flexibilität der Platine 300 mag es möglich sein, dass sich das Batteriesystem an dem zur Verfügung stehenden Raum anpasst. Ferner mag eine optionale Versteifung 315 der Flexplatine 300 vorgesehen sein, welche in Teilen der Flexplatine diese zu einer starren Platine umbildet. Dies mag insbesondere vorteilhaft für Bereiche sein, auf welchen unmittelbar die CSCs angeordnet sind.
3B zeigt ein Batteriesystem mit mehreren CSC 303, welche einerseits mit Verbindungsleitungen 312 mit zugeordneten Zellableiter 311 stoffschlüssig verbunden sind und andererseits mittels Verbindungsleitungen 313 untereinander verbunden sind. Ferner ist in 3B noch schematisch eine Schnittstelle 314 angedeutet, mittels welcher ein Batteriemanagementsystem und/oder optionale zusätzliche Batteriemodule angekoppelt werden können.

Claims

Überwachungselektronik für eine Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen (210), wobei die Überwachungselektronik eine Mehrzahl von Zell-Überwachungsschaltkreise (102, 103) aufweist, welche an einer flexiblen Platine (100) befestigt sind.
Überwachungselektronik gemäß Anspruch 1, wobei zumindest einer der Mehrzahl von Zell-Überwachungsschaltkreisen (102, 103) stoffschlüssig an der flexiblen Platine (100) befestigt ist.
Überwachungselektronik gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest einer der Mehrzahl von Zell-Überwachungsschaltkreisen (103) an die flexible Platine (100) gelötet ist.
Überwachungselektronik gemäß Anspruch 3, wobei der zumindest eine Zell-Überwachungsschaltkreis (103) mittels Wellenlötens und/oder mittels Stempellötens und/oder Through-Hole-Reflow-Lötens und/oder Schweißens an der flexiblen Platine (100) befestigt ist.
Überwachungselektronik gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest einer die Zell-Überwachungsschaltkreise (302) auf der flexiblen Platine (300) aufgedruckt ist.
Überwachungselektronik gemäß Anspruch 5, wobei der zumindest eine der Zell-Überwachungsschaltkreise (303) mittels Surface Mounted Device Technologie auf die flexible Platine (300) aufgedruckt ist.
Batteriesystem, welches aufweist, eine Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen (210, 310) mit jeweils zumindest einem Zellpol (211, 311), und eine Überwachungselektronik gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zumindest eine Zellpol (211, 311) von zumindest einer der Mehrzahl von Zellen (210, 310) mit einem Zell-Überwachungsschaltkreis (203, 303) der Überwachungselektronik gekoppelt ist.
Batteriesystem gemäß Anspruch 7, wobei die Kopplung stoffschlüssig ausgeführt ist.
Verfahren zum Anbringen einer Überwachungselektronik für eine Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen (210, 310) an einer flexiblen Platine (200, 300), wobei das Verfahren aufweist, Bereitstellen einer flexiblen Platine (200, 300), und stoffschlüssiges Anbringen zumindest einer Zell-Überwachungselektronik (203, 303) an einer flexiblen Platine (200, 300).
Verfahren gemäß Anspruch 9, ferner aufweisend: stoffschlüssiges Anbringen eines Zellpols (211, 311) einer der Mehrzahl von Zellen (210, 310) an der flexiblen Platine (200, 300).