DE102011003945A1 - Speichermodul - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Speichermodul (4) mit einer Vielzahl von Speicherzellen (6). Erfindungsgemäß weist das Speichermodul (4) mit einer Vielzahl von Speicherzellen (6), die jeweils zueinander räumlich angeordnet sind, wenigstens einen Liniensensor (24) auf, der im Speichermodul (4) angeordnet ist. Somit erhält man ein Speichermodul (4) mit einer Vielzahl von Speicherzellen (6), bei dem sich der Aufwand für eine Temperaturüberwachung wesentlich verringert.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Speichermodul.
  • Ein Energiespeichersystem umfasst wenigstens zwei Speichermodule, die elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind. Jedes Speichermodul weist eine Vielzahl von gestapelt angeordneten und elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten elektrischen und/oder elektrochemischen Speicherzellen für elektrische Energie auf. Als Speicherzellen werden bevorzugt Doppelschichtkondensatoren oder Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet. Diese Speicherzellen eines Speichermoduls sind zueinander räumlich angeordnet.
  • Die Betriebstemperatur einzelner oder mehrerer Speicherzellen eines Speichermoduls können beispielsweise durch Überladung, interner Ausfallmechanismen oder ungleicher Alterung sich wesentlich erhöhen, was zu lokalen Überhitzungen eines Speichermoduls führen kann. Derartige lokale Überhitzungen führen zur Schädigung und/oder zum Öffnen einzelner Zellen, bei denen gegebenenfalls gefährliche Inhaltsstoffe austreten können. Dies kann im Extremfall zum Brand oder zur Explosion der Speicherzellen oder eines Speichermoduls führen.
  • Um einen Brand bzw. eine Explosion eines Speichermoduls zu verhindern, kann ein geeigneter Füllstoff in das Modul eingebracht werden. Dieser Füllstoff, insbesondere ein Füllstoff aus strukturfestem Material, kann dadurch gleichzeitig die Funktion einer mechanischen Fixierung der Speichermodule übernehmen. Um eine übermäßige Erhitzung einzelner Speicherzellen rechtzeitig zu erkennen, wäre eine Temperaturüberwachung sehr hilfreich.
  • Aus der DE 10 2005 020 602 A1 ist eine Batteriesensorvorrichtung mit zumindest einer Temperaturerfassungseinheit bekannt. Diese Temperaturerfassungseinheit umfasst zumindest zwei Sensormittel. Als Sensormittel werden kostengünstige elektrische Widerstände, beispielsweise ein Heißleiter, auch als NTC-Widerstand bezeichnet, und/oder ein Kaltleiter, auch als PTC-Widerstand bezeichnet, genutzt. Diese Sensormittel werden dabei an verschiedenen Stellen eines Speichersystems, beispielsweise auf einzelnen Batteriezellen, zwischen zwei Batteriezellen, oder im Aufnahmebereich von Batteriezellen angeordnet. Mittels dieser Temperaturerfassungseinrichtung können mehrere Temperaturkenngrößen an mehreren Erfassungsstellen eines Speichersystems erfasst werden. Mittels dieser Temperaturkenngrößen werden zumindest ein Temperaturdifferenz, eine Mitteltemperaturkenngröße und/oder eine maximale und/oder minimale Temperatur bestimmt. Dieses Energiespeichersystem weist ebenfalls eine Signalverarbeitungseinheit auf, die zur Verarbeitung zu mindestens einer Temperaturkenngröße der Temperaturerfassungseinrichtung vorgesehen ist.
  • Eine derartige Batteriesensorvorrichtung mit wenigstens einer Temperaturerfassungseinheit wird bei Batterievorrichtungen eingesetzt, die häufig aufgrund hoher Energieanforderungen eine hohe Packungsdichte aufweisen. Eine derartige Batterievorrichtung, insbesondere ein Energiespeichersystem, wird bei Hybridantriebseinheiten für Hybridkraftfahrzeuge verwendet. Bei Energiespeichersystemen mit einer hohen Packungsdichte ist es besonders sinnvoll, eine Information über eine Temperaturverteilung und/oder über die Temperaturdifferenz zu erwerben, da eine lokale anormale Temperatur sich aufgrund einer hohen Packungsdichte über das gesamte Energiespeichersystem verteilen kann. Um Folgeschäden zu vermeiden, ist eine Bestimmung einer Mitteltemperaturkenngröße, einer maximalen und/oder minimalen Temperaturkenngröße mittels mehrerer Sensormittel vorteilhaft.
  • Aus der DE 100 11 233 A1 ist eine Batterieeinheit bekannt, die eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, von denen einige Temperatursensoren aufweisen. Die Gesamtzahl der Temperatursensoren ist kleiner als die Gesamtzahl der Batteriezellen. Bei einer Anordnung von mehreren Batteriezellen sind Zellen mit und ohne Temperatursensoren gemischt aufgereiht. Diese Temperatursensoren der Batterieeinheit sind in einer Vielzahl von Temperatursensor-Blöcken aufgeteilt, wobei eine abnormale Temperatur einer Zelle durch Miteinandervergleich von Widerstandswerten der Temperatursensor-Block erkannt wird. Auch bei dieser Batterieinheit werden PTC-Widerstände als Temperatursensoren verwendet.
  • Bei diesem bekannten Energiespeichersystem mit Temperatursensoren steigt mit der Anzahl der Temperatursensoren der Aufwand für die Verkabelung dieser Sensoren. Auch eine Reihen-/Parallelschaltung vieler Sensoren birgt eine hohe Fehlerrate, woraus eine schlechte Zuverlässigkeit resultiert.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Speichermodul anzugeben, bei dem sich der Aufwand für eine Temperaturüberwachung wesentlich vereinfacht.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
  • Dadurch, dass als Temperatursensor ein Liniensensor verwendet wird, vereinfachen sich der Montageaufwand der Temperatursensoren und deren Verdrahtung innerhalb eines Speichermoduls wesentlich. Mittels eines Liniensensors können abhängig von der Verlegung bzw. der Packungsart der Speicherzellen eines Speichermoduls immer mehrere Speicherzellen gleichzeitig temperaturmäßig überwacht werden.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Speichermoduls ist ein Füllstoff, vorzugsweise aus einem strukturfesten Material, vorgesehen. Dieser Füllstoff kann vorteilhafterweise aus mehreren Schalen bestehen, wodurch die Verlegung von Liniensensoren einfacher durchgeführt werden kann. D. h., der Aufwand für die Ausstattung eines Speichermoduls mit Temperaturmesseinrichtungen in Form von Liniensensoren verringert sich erheblich.
  • Um die Montage weiter zu vereinfachen, sind die Enden der Liniensensoren jeweils als Stifte ausgebildet. Dadurch können diese Liniensensoren in Kanäle eines Füllstoffes, insbesondere aus strukturfestem Material, eines Speichermoduls gesteckt werden. Bei dieser Ausführungsform der Liniensensoren ist es vorteilhaft, wenn der Liniensensor sternförmig ausgebildet ist. Dadurch weist dieser mehrere Enden auf, die jeweils als Stift ausgebildet sind. Mittels eines derartig ausgebildeten Liniensensors können eine Vielzahl von Speicherzellen gleichzeitig temperaturmäßig überwacht werden.
  • Als Liniensensor können handelsübliche linienförmige Temperaturmelder oder handelsübliche Lichtwellenleiter verwendet werden. Wird mittels des linienförmigen Temperaturmelders eine Übertemperatur an irgendeiner Stelle dieses Liniensensors ermittelt, wird an dieser Stelle des Liniensensors, die erhitzt wird, der Sensor aktiviert. Wird hingegen ein Lichtwellenleiter als Liniensensor verwendet, so wird eine Temperatur faseroptisch gemessen. Durch eine lokale Temperaturerhöhung verändern sich die optischen Eigenschaften dieses Lichtwellenleiters an der Stelle der Temperaturerhöhung. Diese optische Veränderung des Lichtwellenleiters aktiviert die Meldung.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Speichermodul schematisch veranschaulicht sind.
  • 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines herkömmlichen Energiespeichersystems, in der
  • 2 ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Speichermoduls dargestellt, die
  • 3 zeigt einen handelsüblichen linienförmigen Temperaturmelder, wobei in der
  • 4 die Verwendung eines langen Liniensensors innerhalb eines Speichermoduls dargestellt ist, und in der
  • 5 ist die Verwendung eines sternförmig verzweigten Liniensensors bei einem Speichermodul veranschaulicht.
  • Gemäß der Prinzipdarstellung eines herkömmlichen Energiespeichersystems 2 der 1 besteht dieses aus einer Reihenschaltung von m Speichermodulen 4 1, ..., 4 m, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jedes Speichermodul 4 1, ..., 4 m weist n Speicherzellen 6 1, ..., 6 n auf, die ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Ein Anschluss des Speichermoduls 4 1 und des Speichermoduls 4 m bilden jeweils eine Klemme 8 und 10 dieses Energiespeichersystems 2. Dieses Energiespeichersystem 2 weist außerdem noch ein Monitoringsystem 12 und eine Steuereinrichtung 14 auf, die datentechnisch, beispielsweise mit einem Datenbus 16, miteinander verknüpft sind. Dem Monitoringsystem 12 sind die Zellenspannungen U11, ..., Umn der Speicherzellen 6 1, ..., 6 mn zugeführt. Diese ermittelten Signale werden der Steuereinrichtung 14 des Energiespeichersystems 2 zugeführt, die aufgrund dieser Signale bestimmt, ob einzelne Speicherzellen 6 11, ..., 6 mn zusätzlich geladen oder entladen werden müssen. Dadurch wird erreicht, dass die nutzbare Kapazität annähernd gleich der Nennkapazität des Energiespeichersystems 2 ist.
  • In der 2 ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Speichermoduls 4 schematisch dargestellt. In dieser Ausschnittsdarstellung ist eine Vielzahl von Speicherzellen 6 dargestellt, die mittels elektrischer Verbindungselemente 18 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Diese Speicherzellen 6 werden mittels eines Füllstoffs 20 einander räumlich zugeordnet. Besteht dieser Füllstoff 20 aus einem strukturfesten Material, kann dieser Füllstoff 20 außerdem die Speicherzellen 6 eines Speichermoduls 4 mechanisch zueinander fixieren. Sind im Füllstoff 20 mehrere Kanäle 22 angeordnet, können diese jeweils einen Liniensensor 24 aufnehmen. Wie dieser Liniensensor 24 bei diesem Speichermodul 4 verlegt worden ist, kann der 4 genauer entnommen werden. Diese Kanäle 22 sind im Füllstoff 20 aus strukturfestem Material derart angeordnet, dass jeweils vier Speicherzellen 6 gleichzeitig temperaturmäßig überwacht werden können.
  • Als Liniensensor 24 kann ein handelsüblicher linienförmiger Temperaturmelder 26 verwendet werden. Ein derartiger handelsüblicher linienförmiger Temperaturmelder 26 ist in 3 schematisch dargestellt. Er weist zwei Stahladern 28 und 30 auf, die beide mit hitzebeständigem Kunststoff 32 umhüllt sind. Die einen Enden der beiden Stahladern 28 und 30 sind mittels eines Abschlusswiderstands 34 miteinander elektrisch leitend verbunden, die anderen Enden der beiden Stahladern 28 und 30 bilden eine innere Kontaktierung 36, 38, an denen jeweils ein äußerer Kontakt 40 bzw. 42 angeschlossen ist. Die beiden Stahladern 28 und 30 sind mit den inneren Kontaktierungen 36 und 38 und dem Abschlusswiderstand 34 von einem formgebenden, hitzeempfindlichen Material 44 umgeben. Sobald eine vorgegebene Aktivierungstemperatur erreicht ist, schmilzt an der Stelle, an der diese Aktivierungstemperatur überschritten wird, das formgebende, hitzeempfindliche Material 44 und löst dadurch ein Alarmsignal aus. Es ist nicht notwendig, dass erst eine bestimmte Kabellänge erhitzt werden muss, bevor ein Alarmsignal ausgelöst wird. Ein derartiger linienförmiger Temperaturmelder ist außerdem in der WO 2009/115127 A1 näher beschrieben.
  • In der 4 sind vier Speicherzellen 6 des Speichermoduls 4 der 2 dargestellt, um zu verdeutlichen, wie der lange Liniensensor 24 im Speichermodul 4 verlegt worden ist. Bei dieser Verlegungsart des langen Liniensensors 24 besteht der Füllstoff 20 aus zwei schalenförmigen strukturfesten Füllmaterialien 46 und 48, die derart bemessen sind, dass zwei Kanäle 22 entstehen, die mittels eines Querkanals 50 miteinander verbunden sind. Dieser Querkanal 50 ist derart bemessen, dass der lange Liniensensor 24 innerhalb eines ersten Kanals 22, des Querkanals 50 und des zweiten Kanals 22 verlegt werden kann, wobei die Biegeradien des Liniensensors 24 nicht unterschritten werden. Theoretisch könnte innerhalb eines Speichermoduls 4 ein einziger Linienleiter 24 verlegt werden.
  • Wegen der Redundanz werden jedoch wenigstens zwei Liniensensoren 24 jeweils in einem Speichermodul 4 verlegt, deren Speicherzellen 6 elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet sind.
  • In der 5 sind ebenfalls vier Speicherzellen 6 des Speichermoduls 4 nach der Erfindung dargestellt. Als Liniensensor 24 ist ein sternförmig ausgebildeter Liniensensor 24 vorgesehen, der zwei Abzweige 52 und 54 an einem Ende des Liniensensors 24 aufweist. Ein sternförmig ausgebildeter Liniensensor 24 kann jedoch auch eine Vielzahl von diesen Abzweigen 52 und 54 aufweisen. Beispielsweise kann die Anzahl dieser Abzweige 52 und 54 davon abhängig gemacht werden, wie viele Speicherzellen 6 eines Speichermoduls 4 gleichzeitig temperaturmäßig überwacht werden sollen. Bei dieser Anordnung sind die beiden schalenförmigen strukturfesten Füllmaterialien 46 und 48 derart bemessen, dass nur zwei Kanäle 22 entstehen. In jeweils einem Kanal 22 wird ein Abzweig 52 und 54 des sternförmig ausgebildeten Liniensensors 24 gesteckt. Um diese Montage des sternförmig ausgebildeten Liniensensors 24 zu vereinfachen, sind die Enden der Abzweige 52 und 54 jeweils als Stift ausgebildet. Dadurch können diese stiftartig ausgebildeten Abzweige 52 und 54 eines sternförmig ausgebildeten Liniensensors 24 einfach in jeweils einen Kanal 22 gesteckt werden.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Verwendung eines handelsüblichen linienförmigen Temperaturmelders 26 als Liniensensor 24 bei einem Speichermodul 4, das jeweils eine Vielzahl von Speicherzellen 6 aufweisen, kann auf einfache Art und Weise eine lokale Überhitzung mehrerer Speicherzellen eines Speichermoduls 4 detektiert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005020602 A1 [0005]
    • DE 10011233 A1 [0007]
    • WO 2009/115127 A1 [0023]

Claims (14)

  1. Speichermodul (4) mit einer Vielzahl von Speicherzellen (6), die jeweils zueinander räumlich angeordnet sind und mit wenigstens einem Liniensensor (24), der im Speichermodul (4) angeordnet ist.
  2. Speichermodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Liniensensor (24) mehreren benachbarten Speicherzellen (6) zugeordnet ist.
  3. Speichermodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllstoff (20) vorgesehen ist, der zwischen den Speicherzellen (6) eingebracht ist.
  4. Speichermodul (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (20) aus strukturfestem Material besteht.
  5. Speichermodul (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturfeste Füllstoff (20) aus mehreren Schalen (46, 48) besteht.
  6. Speichermodul (4) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturfeste Füllstoff (20) Kanäle (22) für die Aufnahme von Liniensensoren (24) aufweist.
  7. Speichermodul (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (22) im Füllstoff (20) mittels Querkanäle (50) untereinander verbunden sind.
  8. Speichermodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende eines jeden Liniensensors (24) als Stift ausgebildet ist.
  9. Speichermodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Liniensensor (24) an einem Ende sternförmig ausgebildet ist.
  10. Speichermodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Liniensensor (24) ein linearer elektronischer Wärmemelder (26) ist.
  11. Speichermodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Liniensensor (24) ein Lichtwellenleiter ist.
  12. Speichermodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (6) ein Batterie ist.
  13. Speichermodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (6) ein Doppelschichtkondensator ist.
  14. Speichermodul (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (6) ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.
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