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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Batterien, insbesondere Hochleistungs- oder Hochvolt-Batterien in Form von Lithium-Ionen-Batterien, wie sie als Traktionsbatterien für zumindest teilweise elektrische angetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden, verfügen typischerweise über einen Aufbau aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, welche in Reihe und/oder parallel zueinander elektrisch verschaltet sind. Um eine gute Leistungsfähigkeit derartiger Batterien zu gewährleisten, ist es wichtig, dass die Batterieeinzelzellen mit möglichst ähnlichen Spannungen betrieben werden. Hierfür ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, die Spannungen der einzelnen Batteriezellen über eine Einzelzellspannungsüberwachung zu erfassen und zu überwachen.
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Ferner erwärmen sich die Batterieeinzelzellen beim Laden und Entladen teilweise stark. Für eine gute Funktionsfähigkeit und eine lange Lebensdauer der Batterieeinzelzellen ist es jedoch von Vorteil, wenn die Batterieeinzelzellen auf einem vorgegebenen Betriebstemperaturniveau arbeiten. Hierfür werden die Batterieeinzelzellen beziehungsweise der Verbund aus Batterieeinzelzellen, welcher die Batterie oder ein Modul der Batterie ausbildet, typischerweise aktiv gekühlt, beispielsweise über einen Kühlwärmetauscher, welcher von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium oder dem Kältemittel einer Klimaanlage durchströmt wird.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es auch bekannt, dass zur Überwachung der Temperatur der Einzelzellen und zur Steuerung der Kühlungseinrichtung zumindest an einigen der Batterieeinzelzellen Temperatursensoren, beispielsweise in Form von Thermoelementen, beispielsweise mittels Klebung oder Klemmung angebracht werden. Dies ist entsprechend aufwändig und wenig prozesssicher, zumal von dem Temperatursensor zu einer Batterieelektronik oder einer Auswerteelektronik für die Messergebnisse des Thermoelements zusätzlich noch elektrische Signalleitungen verlegt werden müssen.
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Aus der
JP 2009-277420 A ist es bekannt, eine Batterie mit einem Temperaturerfassungsmodul auszustatten, welches die Elektronik zur Auswertung der erfassten Temperaturwerte sowie die Temperatursensoren im Bereich einer Platine aufweist. Diese Platine wird dann im Bereich der Batterie positioniert, sodass die Temperatursensoren in thermischem Kontakt mit den Batterieeinzelzellen kommen. Wie aus der genannten Schrift ersichtlich, ist dieser Aufbau entsprechend komplex und erfordert eine Vielzahl von elektrischen Isolierungen und einen entsprechend aufwändigen mechanischen Aufbau, welcher eine Vielzahl von Einzelelementen umfasst, welche bei der Montage der Batterieeinzelzellen mit in die Batterie integriert werden müssen.
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Aus dem nächstliegenden Stand der Technik in Form der
JP 2010-003627 A ist es außerdem bekannt, dass eine Batterie mit einer Einzelzellspannungsüberwachung und Thermoelementen zur Erfassung der Temperatur im Bereich der Batterieeinzelzellen ausgestattet wird. Die Thermoelemente werden dabei auf den Stromschienen, welche die Batterieeinzelzellen elektrisch untereinander verschalten, positioniert. Die Idee dahinter besteht darin, dass die gut wärmeleitenden Stromschienen in etwa die Temperatur der Batterie annehmen, und so durch diese einfache Positionierung der Temperatursensoren in einem gut zugänglichen Bereich in etwa die Temperatur der Batterieeinzelzellen erfasst werden kann. Prinzipbedingt hat dieser Aufbau dabei den Nachteil, dass jeweils nur die mittlere Temperatur zwischen zwei benachbarten über die Stromschiene verbundenen Batterieeinzelzellen im Mittel erfasst werden kann, und dass der in den Stromschienen fließende Strom durch den unvermeidlichen ohmschen Widerstand auch im Bereich der Stromschiene selbst nochmals Verlustwärme erzeugt, welche das Messergebnis aufgrund der im Betrieb vergleichsweise hohen durch die Stromschiene fließenden Ströme ebenfalls nachteilig beeinflusst. Ferner ist die Elektronik zur Auswertung der von den Temperatursensoren erfassten Daten teilweise in die Elektronik der Einzelzellspannungsüberwachung integriert. Aufgrund der Tatsache, dass die Einzelzellspannungsüberwachung für jede einzelne Zelle erfolgt, während die Temperaturmessung immer für zwei Zellen im Mittel erfolgt, ist es beim Aufbau gemäß der
JP 2010-003627 A erforderlich, dass unterschiedliche Elektronikeinheiten vorgehalten werden, welche einmal nur zur Spannungsüberwachung und einmal zur Spannungsüberwachung und Auswertung der vom Temperatursensor gelieferten Werte dienen. Dies ist aufgrund der größeren Anzahl an unterschiedlichen Baueinheiten teuer bei der Montage aufwändig und komplex und führt leicht zu Fehlern bei der Herstellung der Batterie.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur von Batterieeinzelzellen anzugeben, welche die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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In dem erfindungsgemäßen Aufbau einer Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur von Batterieeinzelzellen ist es vorgesehen, dass auf jedem der elektrischen Kontaktelemente, welche jeweils eine der Elektroden jeder der Batterieeinzelzellen mit der Spannungsmessung für die jeweilige Batterieeinzelzelle verbindet, ein Temperatursensor angeordnet ist. Durch diese vorteilhafte Anordnung des Temperatursensors auf den Kontaktelementen, also dem Niederspannungsabgriff oder LV-Kontakt (Low Voltage = Niederspannung) entsteht ein sehr einfacher Aufbau, welcher die oben genannten Nachteile vermeidet. Dadurch, dass jeder der Batterieeinzelzellen ein Temperatursensor zugeordnet ist, kann zuverlässig die Temperatur jeder einzelnen Batteriezelle erfasst werden. Der Aufbau mit einer Kontaktierung der Temperatursensoren mit den Kontaktelementen in Form der Niederspannungskontakte vermeidet außerdem eine Verfälschung des Temperaturwerts durch die ohmschen Verluste im Bereich der Kontakte, da im Bereich der Niederspannungskontakte nur minimale Ströme fließen und so die Gefahr einer Erwärmung durch ohmsche Verluste, anders als bei den Stromschienen, welche die gesamte in die Batterie eingeladene oder aus dieser entladene Leistung leiten müssen, nicht befürchtet werden muss.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass die Auswertung der vom Temperatursensor gelieferten Messwerte und die Spannungsmessung für jede der Batterieeinzelzellen in einer Elektronikeinheit integriert ausgebildet ist. Eine solche Elektronikeinheit, welche jeweils die Auswertung der vom Temperatursensor gelieferten Werte und die Auswertung der Einzelzellspannungsüberwachung in sich integriert, ist besonders einfach und effizient, da der Aufbau der Elektronik jeweils identisch ist und bei der Montage nicht zwischen unterschiedlichen Elektroniken unterschieden werden muss. Dies erhöht die Stückzahl der eingesetzten baugleichen Elektroniken und kann so die hierfür anfallenden Kosten reduzieren. Außerdem wird durch die Verwendung von jeweils identischen Elektroniken bei der Montage der Batterie die Gefahr von eventuellen Fehlern vermieden, da hier keine Elektroniken vertauscht werden können.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es außerdem vorgesehen, dass die Elektronikeinheiten für alle Batterieeinzelzellen der Batterie als eine batterieintegrierte Einheit ausgebildet sind. Der Vorteil dieses Aufbaus besteht im Wesentlichen darin, dass im Bereich der Batterie selbst lediglich eine Elektronikeinheit beziehungsweise ein Elektronikmodul positioniert werden muss. Dieses kann unabhängig von der Montage der Batterie vormontiert sein, sodass dieses lediglich bei der Endmontage der Batterie mit dieser kontaktiert werden muss.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind die Temperatursensoren dabei als Thermoelemente ausgebildet, sodass diese sehr einfach und kostengünstig realisiert werden können. In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass die Thermoelemente gegenüber den Kontaktelementen elektrisch isoliert ausgebildet sind. Diese elektrische Isolierung der Thermoelemente gegenüber den Niedervolt-Kontaktelementen verhindert eine Verfälschung des Messergebnisses und kann sehr einfach beispielsweise durch einen elektrisch isolierenden, aber wärmeleitend ausgeführten Kleber realisiert werden, mittels welchem die Thermoelemente auf den Niedervolt-Kontaktelementen positioniert und befestigt werden.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in ihrem Einsatz in Batterien, welche als Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden. Insbesondere die dynamisch hochbelasteten Batterien in Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen leiden bei schlechter Temperierung der Batterieeinzelzellen und/oder einer Überhitzung der Batterieeinzelzellen stark. Dadurch wird die Lebensdauer der Batterieeinzelzellen und damit letztlich die Lebensdauer der gesamten Traktionsbatterie deutlich verkürzt. Ein besonders günstiger Einsatzzweck für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Temperaturen der Batterieeinzelzellen liegt also darin, diese in einer Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug einzusetzen, um hier eine gezielte Regelung der Kühlung vornehmen zu können und so durch homogene Eigenschaften der Batterieeinzelzellen untereinander eine möglichst lange Lebensdauer der Batterie trotz der hohen dynamischen Belastung zu gewährleisten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich außerdem aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung einer Batterie in einer ersten Ausführungsform;
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2 einige der Teile der Batterie gemäß 1;
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3 eine Darstellung analog der Darstellung in 2 in Explosionsdarstellung;
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4 einen Ausschnitt aus der Darstellung gemäß 2 ohne Rahmen und aus einem anderen Blickwinkel;
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5 eine dreidimensionale Darstellung einer Batterie in einer zweiten Ausführungsform;
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6 eine Ansicht analog der Darstellung in 5 in Explosionsdarstellung; und
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7 eine Ansicht einer Batterieeinzelzelle des Aufbaus gemäß 5.
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In der Darstellung der 1 ist eine Batterie 1 in einer dreidimensionalen Darstellung zu erkennen. Die Batterie 1 ist dabei beispielhaft in einer ersten möglichen Ausführungsform realisiert und besteht aus einer Anzahl von Batterieeinzelzellen 2, welche in der Darstellung der 3 nicht explizit zu erkennen sind. In den Darstellungen der 2 und 3 sind jeweils eine oder mehrere der Batterieeinzelzellen 2 zu erkennen. Die Batterieeinzelzellen 2 der Batterie 1 sind in der gewählten beispielhaften Ausführungsform der Darstellung in 1 in Form von sogenannten Pouch- oder Coffeebag-Zellen ausgebildet. Die Elektroden der in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführten Batterieeinzelzellen 2 werden dabei abwechselnd mit Separatoren übereinander gestapelt und dann in einen Folienbeutel beziehungsweise zwischen zwei Folien eingebracht, mit Elektrolyt getränkt und mit einer Siegelnaht gegenüber der Umgebung abgedichtet.
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Wie aus der Darstellung der 3 zu erkennen ist, wird dabei jeweils zwischen zwei der Batterieeinzelzellen 2 ein Rahmen 3 eingebracht, insbesondere ein elektrisch isolierender Kunststoffrahmen, welcher die Batterieeinzelzellen 2 mechanisch stabilisiert. In der Darstellung der 1 ist eine Vielzahl dieser Rahmen 3 zu erkennen, welche über zwei Druckbrillen 4 an den beiden Enden des Stapels sowie zwischen den Druckbrillen befindlichen Zugankern 5 miteinander verbunden sind. Durch die Zuganker 5 lassen sich die beiden Druckbrillen 4 und damit der Aufbau aus den Rahmen 3 und den Batterieeinzelzellen 2 zu einem Stapel verspannen. Die Größe des Stapels lässt sich dabei entsprechend der benötigten Leistung variieren. Jede der Batterieeinzelzellen 2 weist außerdem, wie es insbesondere in der Explosionsdarstellung der 3 und in der 4 zu erkennen ist, jeweils zwei Stromableiter 6 auf. Jeder der Stromableiter 6 ist mit einer der Elektroden des Elektrodenstapels der Batterieeinzelzelle 2 verbunden, sodass über die Stromableiter 6 die Batterie 1 geladen und Leistung aus der Batterie 1 entladen werden kann. Je nach Anforderungen lassen sich über die Stromableiter 6 Parallelverschaltungen und/oder Reihenverschaltungen der Batterieeinzelzellen 2 in der Batterie 1 realisieren. Die Stromableiter 6 kommen auf hierfür vorgesehenen Ausnehmungen 7 des Rahmens 3 zu liegen. Die beiden Stromableiter 6 der benachbarten Batterieeinzelzellen 2 können dann, wie in der Darstellung der 2 und 4 zu erkennen ist, miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Schmelzschweißen oder Pressschweißen. Die Stromableiter 6 sind auch in der Darstellung der 1 im oberen Bereich der Rahmen 3 zu erkennen. Diese können beispielsweise über mit ihnen verbundene Stromschienen dann die elektrische Kontaktierung der gesamten Batterie 1 übernehmen. Vorzugsweise werden die Stromschienen dabei in der Darstellung der 1 auf der einen und der anderen Seite des Verbunds aus Batterieeinzelzellen 2 angeordnet und beispielsweise mit den Stromableitern 6 verschweißt.
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Zusätzlich zu den Stromableitern 6 weist jede der Batterieeinzelzellen in an sich bekannter Art und Weise ein Anschlusselement für eine Einzelzellspannungsüberwachung auf. In den Darstellungen der 3 und 4 ist dieses Anschlusselement 8 besonders gut zu erkennen. In der Explosionsdarstellung der 3 ist zu erkennen, dass dieses Anschlusselement 8 im Bereich des Rahmens 3 eine eigene Ausnehmung 9 hat, in welcher es im montierten Zustand zu liegen kommt. In der Darstellung der 4, bei welcher auf die Darstellung des Rahmens 3 verzichtet worden ist, ist zu erkennen, dass das Anschlusselement 8 als Teilelement des Stromableiters 6 ausgeführt ist und damit ebenfalls mit einer der Elektroden in der Batterieeinzelzelle 2 in Verbindung steht. Das Anschlusselement 8 ist nun, wie es in den Darstellungen der 2 und 4 besonders gut zu erkennen ist, über ein Kontaktelement 10 mit einer Elektronikeinheit 11 verbunden. Diese Elektronikeinheit 11 dient dabei der Erfassung der Spannungen der einzelnen Batterieeinzelzellen 2 und wird auch als Einzelzellspannungsüberwachung bezeichnet. Wie aus der Darstellung der 1 zu erkennen ist, ist diese Elektronikeinheit 11 dabei als eine einzige mit der Batterie 1 integrierte Elektronikeinheit 11 ausgebildet, welche über eine Vielzahl von Kontaktelementen 10 mit den jeweiligen Anschlusselementen 8 der Batterieeinzelzellen in elektrischer Verbindung steht. Die Kontaktelemente 10 bilden so einen Niedervolt-Anschluss zwischen dem an der Batterie 1 hierfür vorgesehenen Anschlusselement 8 und der Elektronikeinheit 11. Über diesen Niedervolt-Anschluss des Kontaktelements 10 kann in an sich bekannter Art und Weise die Spannung jeder einzelnen Batterieeinzelzelle 2 erfasst und über die Elektronikeinheit 11 entsprechend ausgewertet und/oder über einen Datenbus an eine Zentralelektronik, beispielsweise eines Fahrzeugs, weitergegeben werden.
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Erfindungsgemäß sind im Bereich der Kontaktelemente 10 nun außerdem Temperatursensoren 12, vorzugsweise in Form von Thermoelementen, positioniert. Die Temperatursensoren 12 stehen dabei in direktem wärmeleitendem Kontakt mit den Kontaktelementen 10 und können gegenüber diesen elektrisch isoliert ausgebildet sein, falls ihr Gehäuse nicht ohnehin elektrisch isolierend ausgebildet ist. Die elektrische Isolation kann beispielsweise durch einen wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Kleber erfolgen, mittels dem die Temperatursensoren 12 im Bereich der Kontaktelemente 10 befestigt sind. Die Temperatursensoren 12 liefern ihre Signale ebenfalls in die unmittelbar benachbarte Elektronikeinheit 11, in welcher diese Signale ausgewertet werden. Damit kann auf das aufwändige Verlegen von Signalleitungen und dergleichen weitgehend verzichtet werden. Da jede der Batterieeinzelzellen 2 über ein Kontaktelement zur Einzelzellspannungsüberwachung angeschlossen ist und da im Bereich jedes einzelnen Kontaktelements 10 ein Temperatursensor positioniert werden kann, besteht nun die Möglichkeit, die Temperatur jeder einzelnen der Batterieeinzelzellen 2 direkt zu überwachen. Da im Bereich des Niedervolt-Anschlusses zwar ein direkter elektrisch und wärmeleitender Kontakt zwischen dem Elektrodenstapel der Batterieeinzelzelle 2 und dem Kontaktelement 10, auf welchem das Thermoelement 12 angeordnet ist, besteht, ist die Messung der Temperatur in diesem Bereich vergleichsweise genau und zuverlässig. Andererseits wird über das Kontaktelement 10 anders als über den Stromableiter 6 typischerweise lediglich ein minimaler Strom fließen, da dieser Niedervolt-Anschluss ausschließlich zu Messzwecken dient und allenfalls der Belastung mit Spannung und Strom aus einer einzelnen Batterieeinzelzelle ausgesetzt ist. Damit wird eine Verfälschung des Temperaturwerts durch ohmsche Verluste in dem Kontaktelement 10 weitgehend minimiert.
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In der Darstellung der 5 ist der Aufbau nochmals anhand einer alternativen Ausführungsform der Batterie 1 beschrieben. Auch diese besteht aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen 2, welche in diesem Fall als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet sind. Solche aus dem Stand der Technik bekannten bipolaren Rahmenflachzellen bestehen im Wesentlichen aus einem elektrisch nicht leitenden Rahmen 13 sowie einem den Rahmen rechts und links jeweils verschließenden elektrisch leitenden Hüllblech 14, 15. In dem Elektrodenstapel sind die Elektroden der einen Polung mit dem Hüllblech 14 und die Elektroden der Polung mit dem anderen Hüllblech 15 verbunden. Durch ein Übereinanderstapeln der Batterieeinzelzelle 2 in dieser bipolaren Ausführungsform entsteht so ohne weiteres Zutun direkt eine Reihenschaltung der aufeinandergestapelten Zellen. Auch hier ist der Stapel der Batterieeinzelzellen 2 wieder über Zuganker 5 und Druckbrillen beziehungsweise Druckplatten 4 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mechanisch verspannt. Der Aufbau der einzelnen bipolaren Rahmenflachzelle ist dabei in der Explosionsdarstellung der 6 und in der Darstellung der 7 nochmals näher zu erkennen. Dabei ist der zur Batterieeinzelzelle 2 gehörende Rahmen 13 zu erkennen, welcher auf der einen Seite mit dem ersten Hüllblech 14 und auf der anderen Seite mit dem zweiten Hüllblech 15 verschlossen ist. Die Hüllbleche 14, 15 bilden die Stromableiter, analog den Stromableitern 6 des ersten dargestellten Ausführungsbeispiels.
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Wie es insbesondere in der Darstellung der 7 zu erkennen ist, ist eines der Hüllbleche 15 zusätzlich mit einem Anschlusselement 8 versehen, welches beispielsweise als Teil des einen Hüllblechs 15 ausgebildet ist und durch Abkanten auf der Oberseite des Rahmens 13 zu liegen kommt. In der Darstellung der 6 ist dann in dem teilweise in Explosionsdarstellung dargestellten Aufbau zu erkennen, dass die einzelnen elektrischen Anschlusselemente 8 der Batterieeinzelzellen nebeneinander zu liegen kommen, ohne sich zu berühren. Auf diese Anschlusselemente 8 werden dann – die in diesem Fall auf einer Seite der Auswerteelektronik 11 angeordneten – Kontaktelemente 10 positioniert und beispielsweise durch Pressschweißen oder Schmelzschweißen mit den Anschlusselementen 8 verbunden. Auf den Kontaktelementen 10 sind in bereits beschriebener Art und Weise dann wieder die Temperatursensoren 12 in Form von Thermoelementen positioniert, um so die Temperatur jeder einzelnen der Batterieeinzelzellen 2 im Bereich ihres Niedervolt-Anschlusses sicher und zuverlässig ermitteln zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2009-277420 A [0005]
- JP 2010-003627 A [0006, 0006]
