DE102011079895A1 - High-voltage battery for use in power supply device of motor vehicle, has module control unit that controls or regulates energy balance of energy storage module having several electrochemical memory cells - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Hochvoltspeicher zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit integrierter Modulsteuereinheit.The invention relates to a high-voltage storage for power supply, in particular of a motor vehicle, with integrated module control unit.
In einem üblicherweise als Batterie bezeichneten Hochvoltspeicher zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs kommen meist eine Mehrzahl an Energiespeichermodulen zum Antrieb des Fahrzeugs, beispielsweise von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zum Einsatz. Ein jeweiliges Energiespeichermodul besteht typischerweise aus mehreren gestapelten Speicherzellen. Die einzelnen Speicherzellen enthalten elektrochemische Zellen der Batterie. Der Stapel aus den einzelnen Speicherzellen wird zumeist verspannt. Die Verspannung dient neben der mechanischen Fixierung der Module zueinander insbesondere dazu, eine Verformung durch Gasdruckänderungen, welche beim Betrieb in den im Inneren der Module angeordneten elektrochemischen Zellen auftreten, entgegenzuwirken.In a high-voltage accumulator, usually referred to as a battery, for supplying voltage to a motor vehicle, a plurality of energy storage modules are usually used to drive the vehicle, for example electric vehicles or hybrid vehicles. A respective energy storage module typically consists of several stacked storage cells. The individual memory cells contain electrochemical cells of the battery. The stack of individual memory cells is usually braced. The bracing is used in addition to the mechanical fixation of the modules to each other in particular to counteract deformation by gas pressure changes, which occur during operation in the arranged inside the modules electrochemical cells.
Die mehreren Speicherzellen der Energiespeichermodule müssen untereinander elektrisch verbunden werden. Ferner bedarf es einer Steuerung des Energiehaushalts innerhalb der einzelnen Energiespeichermodule.The multiple memory cells of the energy storage modules must be electrically connected to each other. Furthermore, it requires a control of the energy budget within the individual energy storage modules.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochvoltspeicher anzugeben, der bei kostengünstiger Herstellung und kompaktem Aufbau, eine sichere Spannungsversorgung gewährleistet.It is an object of the present invention to provide a high-voltage storage, which ensures cost-effective production and compact design, a secure power supply.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmalskombinationen des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The object is achieved by the feature combinations of the independent claim. The dependent claims show advantageous embodiments of the invention.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Hochvoltspeicher zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend zumindest ein Energiespeichermodul, wobei jedes Energiespeichermodul zumindest zwei Speicherzellen umfasst, wobei jede Speicherzelle zumindest eine elektrochemische Zelle umfasst, und wobei jede Speicherzelle zumindest zwei elektrische Anschlussterminals aufweist, ein Speicherzellenkontaktierungselement, ausgebildet zum elektrischen Verbinden der Anschlussterminals aller Speicherzellen zumindest eines Energiespeichermoduls, und eine Modulsteuereinheit, ausgebildet zum Steuern und/oder Regeln des Energiehaushalts des Energiespeichermoduls, wobei alle Bauelemente der Modulsteuereinheit in dem Speicherzellenkontaktierungselement integriert sind.Thus, the object is achieved by a high-voltage storage device for supplying power, in particular a motor vehicle, comprising at least two storage cells, each storage cell comprising at least one electrochemical cell, and wherein each storage cell has at least two electrical connection terminals, a storage cell contacting element, designed for electrically connecting the connection terminals of all memory cells of at least one energy storage module, and a module control unit, designed for controlling and / or regulating the energy balance of the energy storage module, wherein all components of the module control unit are integrated in the memory cell contacting element.
Die Integration der elektrischen Bauelemente der Modulsteuereinheit in das Speicherzellenkontaktierungselement hat folgende Vorteile: Es entsteht eine kompakte Einheit mit entsprechenden Vorteilen in der Bauform und der Baugröße. Es werden weniger Stecker benötigt. Dies wirkt sich zum einen vorteilhaft auf die Übergangswiderstände aus. Zum anderen können dadurch Probleme in der Kontaktierung vermieden werden. So wird das Risiko von Wackelkontakten reduziert bzw. eliminiert. Darüber hinaus ist kein separates Gehäuse für die Modulsteuereinheit erforderlich. Der Kabelbaum gestaltet sich weniger aufwendig, da die einzelnen Modulsteuereinheiten nicht mehr über einen Kabelbaum mit den einzelnen Speicherzellenkontaktierungselementen verbunden werden müssen. Zur Integration der Modulsteuereinheit in dem Speicherzellenkontaktierungselement gibt es verschiedene bevorzugte Möglichkeiten: Die einzelnen Bauelemente der Modulsteuereinheit können auf einer eigenen Leiterplatte zusammengefasst werden. Diese Leiterplatte ist dann wiederum auf das Speicherzellenkontaktierungselement auflötbar oder aufsteckbar. Insbesondere wird die aufsteckbare Variante bevorzugt, da somit die Modulsteuereinheit austauschbar ist. Des Weiteren können auch einzelne oder alle Bauelemente der Modulsteuereinheit direkt auf das Speicherzellenkontaktierungselement, insbesondere auf eine Leiterplatte des Speicherzellenkontaktierungselements, aufgelötet und/oder aufgesteckt werden.The integration of the electrical components of the module control unit in the memory cell contacting element has the following advantages: The result is a compact unit with corresponding advantages in the design and the size. It requires fewer connectors. This has an advantageous effect on the contact resistance. On the other hand, problems in the contacting can be avoided. This reduces or eliminates the risk of loose contacts. In addition, no separate housing for the module control unit is required. The wiring harness is less expensive, since the individual module control units no longer need to be connected via a cable harness with the individual Speicherzellenkontaktierungselementen. There are various preferred options for integrating the module control unit in the memory cell contacting element: The individual components of the module control unit can be combined on a separate printed circuit board. This printed circuit board can then be soldered or plugged onto the memory cell contacting element. In particular, the attachable variant is preferred because thus the module control unit is interchangeable. Furthermore, individual or all components of the module control unit can be soldered and / or attached directly to the memory cell contacting element, in particular to a printed circuit board of the memory cell contacting element.
Diese Vorteile werden insbesondere dadurch realisiert, dass das Speicherzellenkontaktierungselement eine Leiterplatte zum Kontaktieren der Anschlussterminals aller Speicherzellen zumindest eines Energiespeichermoduls umfasst, wobei alle Bauelemente der Modulsteuereinheit direkt auf dieser Leiterplatte angeordnet sind. insbesondere sind alle Elemente der Modulsteuereinheit direkt auf dieser Leiterplatte kontaktiert. Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass für jedes Anschlussterminal ein mit der Leiterplatte verbundenes Kontaktierungselement in dem Speicherzellenkontaktierungselement angeordnet ist, wobei die Kontaktierungselemente in elektrisch leitendem Kontakt mit jeweils einem Anschlussterminal stehen. Insbesondere sind die einzelnen Kontaktierungselemente direkt auf der Leiterplatte des Speicherzellenkontaktierungselements angeordnet. In dieser bevorzugten Ausbildung bedeutet somit die Integration der Modulsteuereinheit in das Speicherzellenkontaktierungselement folgendes: Die Modulsteuereinheit wird nicht als eigenständige bauliche Einheit ausgeführt, die beispielsweise über einen Stecker mit dem Speicherzellenkontaktierungselement verbunden ist. Vielmehr werden die elektrischen Bauelemente der Modulsteuereinheit direkt auf der Leiterplatte des Speicherzellenkontaktierungselements angeordnet. Somit existieren keine zwei Leiterplatten (eine erste Leiterplatte für die Modulsteuereinheit und eine zweite Leiterplatte für das Speicherzellenkontaktierungselement), sondern eine gemeinsame Leiterplatte, die sowohl die Speicherzellenkontaktierungs-Funktionalität als auch die Modulsteuer-Funktionalität vereint.These advantages are realized in particular in that the memory cell contacting element comprises a printed circuit board for contacting the connection terminals of all memory cells of at least one energy storage module, wherein all components of the module control unit are arranged directly on this printed circuit board. In particular, all elements of the module control unit are contacted directly on this circuit board. Furthermore, it is advantageously provided that, for each connection terminal, a contacting element connected to the printed circuit board is arranged in the memory cell contacting element, wherein the contacting elements are in electrically conductive contact with a respective connection terminal. In particular, the individual contacting elements are arranged directly on the printed circuit board of the memory cell contacting element. In this preferred embodiment, the integration of the module control unit into the memory cell contacting element thus means the following: The module control unit is not designed as an independent structural unit, which is connected to the memory cell contacting element, for example via a plug. Rather, the electrical components of the module control unit are arranged directly on the circuit board of the Speicherzellenkontaktierungselements. Thus, there are no two printed circuit boards (a first printed circuit board for the module control unit and a second printed circuit board for the memory cell contacting element), but a common printed circuit board covering both the Speicherzellenkontaktierungs functionality and the module control functionality united.
Als weitere Alternative ist vorgesehen, die Bauelemente der Modulsteuereinheit auf einer separaten Leiterplatte zu vereinen. Diese Leiterplatte wird dann auf die Leiterplatte bzw. auf den Träger des Speicherzellenkontaktierungselements gesteckt. Dadurch ist die Modulsteuereinheit zum einen in dem Speicherzellenkontaktierungselement integriert, zum anderen kann sie aber auch ausgewechselt werden.As a further alternative, it is intended to combine the components of the module control unit on a separate circuit board. This printed circuit board is then plugged onto the printed circuit board or onto the carrier of the memory cell contacting element. As a result, the module control unit is integrated on the one hand in the memory cell contacting element, on the other hand, it can also be replaced.
Bevorzugt ist für jedes Energiespeichermodul eine eigene Modulsteuereinheit vorgesehen. Somit ist jedes Energiespeichermodul steuerungs- bzw. regeduell Maßnahmen durchgeführt werden. So lässt sich bevorzugt für jedes der Energiespeichermodule individuell dessen Ladungszustand überwachen und eine Regulierung des Ladungszustandsniveaus durchführen. Um sicherzustellen, dass bei dieser Regulierung sämtliche Energiespeichermodule ein einheitliches Ladungszustands-Niveau einnehmen, sind die einzelnen Modulsteuereinheiten bevorzugt untereinander vernetzt, insbesondere über einen Ringbus.Preferably, a separate module control unit is provided for each energy storage module. Thus, each energy storage module control or regeduell actions are performed. Thus, it is preferable for each of the energy storage modules to individually monitor its charge state and to perform a regulation of the charge state level. To ensure that all energy storage modules occupy a uniform state of charge level in this regulation, the individual module control units are preferably interconnected, in particular via a ring bus.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Modulsteuereinheit zur Temperaturüberwachung des Energiespeichermoduls, insbesondere zur separaten Temperaturüberwachung einer jeden Speicherzelle, ausgebildet ist. Hierzu umfasst die Modulsteuereinheit bevorzugt zumindest ein Bauelement, das als Temperatursensor ausgebildet ist.Furthermore, it is preferably provided that the module control unit for temperature monitoring of the energy storage module, in particular for separate temperature monitoring of each memory cell, is formed. For this purpose, the module control unit preferably comprises at least one component which is designed as a temperature sensor.
Des Weiteren ist es von Vorteil, dass die Modulsteuereinheit zum Erfassen eines Ladezustands des Energiespeichermoduls ausgebildet ist. Insbesondere ist die Modulsteuereinheit zum separaten Erfassen eines Ladezustands einer jeden Speicherzelle ausgebildet. Das Erfassen des Ladezustands erfolgt vorteilhafterweise durch Erfassen einer Zellspannung.Furthermore, it is advantageous that the module control unit is designed to detect a state of charge of the energy storage module. In particular, the module control unit is configured to separately detect a state of charge of each memory cell. The detection of the charge state is advantageously carried out by detecting a cell voltage.
Der erfindungsgemäße Hochvoltspeicher umfasst in seiner einfachsten Ausführung nur ein Energiespeichermodul. Allerdings können auch mehrere Energiespeichermodule seriell oder parallel geschaltet zu einem Hochvoltspeicher zusammengefasst werden. In einer ersten Variante befindet sich dann auf jedem Energiespeichermodul ein eigenes Speicherzellenkontaktierungselement mit integrierter Modulsteuereinheit. Allerdings ist auch bevorzugt vorgesehen, dass zumindest zwei Energiespeichermodule mit einem gemeinsamen Speicherzellenkontaktierungselement und einer in diesem gemeinsamen Speicherzellenkontaktierungselement integrierten gemeinsamen Modulsteuereinheit ausgerüstet sind. Insbesondere umfasst dann das gemeinsame Speicherzellenkontaktierungselement eine Leiterplatte für beide Energiespeichermodule. Auf dieser einen gemeinsamen Leiterplatte ist dann giespeichermodule angeordnet.The high-voltage storage according to the invention comprises in its simplest embodiment, only one energy storage module. However, several energy storage modules can be connected in series or in parallel to form a high-voltage storage. In a first variant, a separate memory cell contacting element with integrated module control unit is then located on each energy storage module. However, it is also preferably provided that at least two energy storage modules are equipped with a common memory cell contacting element and a common module control unit integrated in this common memory cell contacting element. In particular, the common memory cell contacting element then comprises a printed circuit board for both energy storage modules. Giespeichermodule is then arranged on this one common printed circuit board.
In weiterer bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass die Speicherzellen des zumindest einen Energiespeichermoduls derart angeordnet sind, dass alle Anschlussterminals zu einer Seite des Hochvoltspeichers ausgerichtet sind. So kann des Speicherzellenkontaktierungselement als flächige Platte ausgebildet werden, die auf diese eine Seite aufgesetzt wird. Umfasst der erfindungsgemäße Hochvoltspeicher mehrere Energiespeichermodule, so sind bevorzugt alle Anschlussterminals alter Speicherzellen zu einer Seite hin ausgerichtet.In a further preferred embodiment, it is provided that the memory cells of the at least one energy storage module are arranged such that all connection terminals are aligned to one side of the high-voltage memory. Thus, the memory cell contacting element can be formed as a flat plate, which is placed on this one side. If the high-voltage storage device according to the invention comprises a plurality of energy storage modules, then preferably all connection terminals of old storage cells are aligned to one side.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass die Speicherzellen prismatische Speicherzellen sind, die, zu mindestens einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten über Zuganker verspannt sind. Die über die Zuganker verspannten Endplatten dienen neben der mechanischen Fixierung der Speicherzellen zueinander insbesondere dazu, eine Verformung durch Gasdruckänderungen, welche beim Betrieb in den im Inneren der Module angeordneten elektrochemischen Zellen auftreten, entgegenzuwirken.In a further preferred embodiment, it is provided that the memory cells are prismatic memory cells which, stacked in at least one row, are arranged one behind the other and clamped between two end plates via tie rods. The clamped over the tie rods end plates serve in addition to the mechanical fixation of the memory cells to each other in particular to counteract deformation by gas pressure changes, which occur during operation in the arranged inside the modules electrochemical cells.
Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass die Speicherzellen des zumindest einen Energiespeichermoduls mittels des Speicherzellenkontaktierungselements untereinander elektrisch seriell und/oder parallel verbunden sind, so dass die Speicherzellen im jeweiligen Energiespeichermodul zu einem Anschlusskontakt erster Polarität und einem Anschlusskontakt zweiter Polarität zusammengeführt sind. Die Anbindung der integrierten Modulsteuereinheit erfolgt bevorzugt ebenfalls über die Anschlusskontakte erster oder zweiter Polarität oder es ist eine separate Datenleitung zur Ansteuerung der Modulsteuereinheit vorgesehen.In addition, it is preferably provided that the memory cells of the at least one energy storage module are electrically connected to one another in series and / or in parallel by means of the memory cell contacting element, so that the memory cells in the respective energy storage module are brought together to form a terminal contact of the first polarity and a connection contact of the second polarity. The connection of the integrated module control unit preferably also takes place via the connection contacts of the first or second polarity, or a separate data line is provided for controlling the module control unit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Showing:
Im Folgenden wird ein erstes Ausführungsbeispiel anhand der
In
Da in dem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul
Bei dem Energiespeichermodul
Die Positionierung und Ausrichtung der insgesamt zwölf Speicherzellen
integriert auf der Leiterplatte
Die Anschlussterminals
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- EnergiespeichermodulEnergy storage module
- 1010
- Speicherzellememory cell
- 1111
- Anschlussterminal erster PolaritätConnection terminal of the first polarity
- 1212
- Anschlussterminal zweiter PolaritätConnection terminal of the second polarity
- 1313
- Vorderseitefront
- 1414
- Rückseiteback
- 1515
- Hauptflächemain area
- 1616
- Hauptflächemain area
- 2020
- Klebefolieadhesive film
- 3030
- Endplatteendplate
- 3535
- Endplatteendplate
- 4040
- Zugankertie rods
- 4141
- Zugankertie rods
- 4242
- Zugankertie rods
- 6060
- Speicherzellen-ReiheMemory cell row
- 6161
- Speecherzellen-ReiheSpeecherzellen series
- 8080
- SpeicherzellenkontaktierungselementSpeicherzellenkontaktierungselement
- 8181
- Leiterplattecircuit board
- 8282
- Kontaktierungselementecontacting
- 8383
- Anschlusskontaktconnection contact
- 8484
- Anschlusskontaktconnection contact
- 9595
- ModulsteuereinheitModule control unit
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