DE102011081124A1

DE102011081124A1 - Batteriemodul mit einer Batteriezustandserkennung (BZE) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Lithium Ionen Batterie

Info

Publication number: DE102011081124A1
Application number: DE102011081124A
Authority: DE
Inventors: Boris Gendlin; Michael Gless; Ralf Angerbauer; Conrad Bubeck; Stefan Baumann; Andreas Ruehle
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2013-02-21
Also published as: WO2013023850A1

Abstract

Es wird ein Batteriemodul (10) beschrieben, welches eine Vielzahl von in Serie oder parallel geschalteter, wiederaufladbarer Batterien (12) umfasst und ein Gehäuse (14) zur Aufnahme der Batterien (12), einen Gehäusedeckel (16) zum Verschluss des Gehäuses (14) aufweist, wobei eine Kontaktierung der Batterien (12) über in den Gehäusedeckel (16) integrierte elektrische Leitungen (18) erfolgt, und eine Batteriezustandserkennung (20) zur Erfassung von Ladezustand, Batteriezustand und Alterungsgrad der Batterien (12) wird mittels eines Batteriesensors ermöglicht. Die Batteriezustandserkennung (20) ist dabei in den Gehäusedeckel (16) integriert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit dieser Batterie, wobei die Batteriezustandserkennung (BZE) einer Lithium-Ionen-Batterie in den Gehäusedeckel der Batterie integriert ist.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (zum Beispiel bei Windkraftanlagen), in Fahrzeugen (zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) als auch im Bereich der Konsumgüter (zum Beispiel Laptops und Mobiltelefone) vermehrt wiederaufladbare Batterien zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
In 1 ist ein Batteriemodul des Standes der Technik zu sehen. Das Batteriemodul umfasst ein Gehäuse, an dessen Oberseite sich ein Gehäusedeckel befindet und unterhalb des Gehäusedeckels die Kontakte angeordnet sind, die mit einer Mehrzahl von Batteriezellen verbunden sind. Die Batteriezellen sind in dem Gehäuse in sogenannten Modulen zusammengefasst und hintereinander angeordnet. Es werden beispielsweise sechs Batteriezellen verspannt und in Reihe geschaltet. Um die Daten einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie auszulesen, müssen die Batteriezellen miteinander angeschlossen werden. Dies wird in der Regel durch das Anschließen der Batteriezustandserkennung (BZE) an Kontakte realisiert, wobei die Kontakte mit Elektroden verbunden sind, die elektrisch leitfähig sind. Die Batteriezustandserkennung wird separat hergestellt und ist über einen separaten Anschluss mit der Batterie angeschlossen. Mit anderen Worten wird die Batteriezustandserkennung über Steckkontakte auf das fertige Modul gesteckt. Die notwendige Verkabelung zu den einzelnen Batteriezellen ist bereits im Moduldeckel integriert.
Die Batteriezustandserkennung ist eine wesentliche Voraussetzung für ein gutes Elektrisches Energiemanagement, die die Leistungsfähigkeit der Batterie zuverlässig berechnet. Algorithmen für die Batteriezustandserkennung nutzen als Eingangsgrößen üblicherweise die Messgrößen Batteriestrom, -spannung und -temperatur. Auf Basis dieser Größen werden der Ladezustand (State of Charge, SOC), der Batteriezustand bzw. die Leistungsfähigkeit (State of Function, SOF) und der Alterungsgrad (State of Health, SOH) der Batterie bestimmt und dem Elektrischen Energiemanagement als Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt.
Zur Messung der Batteriegrößen wird ein Batteriesensor verwendet, der den Batteriestrom und die -spannung direkt misst. Die Batterietemperatur wird über eine Temperaturmessung in der Nähe der Batterie bestimmt, da die direkte Messung der Säuretemperatur der Batterie im Fahrzeug einen Eingriff in die Batterie erfordern würde, der aktuell nicht möglich ist.
Ein Beispiel für eine Funktion der Batteriezustandserkennung ist die Startfähigkeitsbestimmung auf Basis des SOF. Beim SOF wird das zukünftige Verhalten der Batterie bei Belastung mit dem Startstrom vorhergesagt. Das heißt, die Batteriezustandserkennung bestimmt den Batteriespannungseinbruch bei einem vorgegebenen Startstromprofil. Da das minimale Spannungsniveau für einen erfolgreichen Start bekannt ist, liefert der vorhergesagte Spannungseinbruch ein Maß für die aktuelle Startfähigkeit. Abhängig vom Abstand des vorhergesagten Spannungseinbruchs zur Startfähigkeitsgrenze definiert das Elektrische Energiemanagement Maßnahmen zum Erhalt oder zur Verbesserung der Startfähigkeit.
Die Erfassung der Batteriemessgrößen Strom, Spannung und Temperatur muss sehr genau, dynamisch und zeitsynchron sein. Insbesondere die Messung von Strömen im Bereich einiger mA (Milliampere) bis hin zu Startströmen von mehr als 1000 A (Ampere) stellt hohe Anforderungen an die Sensorik dar. Der Elektronische Batteriesensor (EBS) ist direkt im Batteriepol platziert und mit der Polklemme kombiniert. Der Strom wird mit Hilfe eines speziellen Shunts aus Manganin gemessen. Kernstück der elektrischen Schaltung des Batteriesensors ist ein ASIC, das unter anderem einen leistungsstarken Mikroprozessor zur Messwerterfassung und -verarbeitung enthält. Auf diesem Mikroprozessor werden auch die Algorithmen der Batteriezustandserkennung abgearbeitet. Die Kommunikation mit übergeordneten Steuergeräten erfolgt über den LIN-Bus. Der Batteriesensor kann neben der Berechnung des Batteriezustands für das Elektrische Energiemanagement auch für weitere Funktionen genutzt werden. Zum Beispiel kann die präzise Erfassung von Strom und Spannung auch zur geführten Fehlersuche in Produktion und Werkstätten genutzt werden.
Ein Beispiel für eine Batteriezustandserkennung ist aus der DE 10 2008 063 136 A1 bekannt. So geht aus der DE 10 2008 063 136 A1 eine Lithium-Ionen-Batterie hervor, die bei thermischer und/oder elektrischer Überlastung von einem Bordnetz eines Fahrzeugs getrennt wird. Dazu werden mittels einer Batterieelektronik zweckmäßigerweise automatisch Parameter der Lithium-Ionen-Batterie überwacht und mittels einer Erfassungseinheit werden die Parameter der Lithium-Ionen-Batterie, wie zum Beispiel der Stromwert, der Spannungswert, der Temperaturwert und/oder der Zellinnendruck ermittelt. Somit ist ein kritischer Zustand der Lithium-Ionen-Batterie bereits frühzeitig erkennbar und die Lithium-Ionen-Batterie kann bei einem Überschreiten der hinterlegten Grenzwerte in der Batterieelektronik mittels des Trenners von der Batterieelektronik gesteuert und vom Bordnetz getrennt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul zur Verfügung gestellt, das eine Vielzahl von in Serie oder parallel geschalteter, wiederaufladbarer Batterien umfasst, ein Gehäuse zur Aufnahme der Batterien, einen Gehäusedeckel zum Verschluss des Gehäuses aufweist, wobei eine Kontaktierung der Batterien über in den Gehäusedeckel integrierte elektrische Leitungen erfolgt und eine Batteriezustandserkennung zur Erfassung von Ladezustand, Batteriezustand und Alterungsgrad der Batterien mittels eines Batteriesensors durchgeführt wird. Die Batteriezustandserkennung ist dabei in den Gehäusedeckel integriert.
Das Batteriemodul stellt somit eine integrierte Batteriezustandserkennung in dem Gehäuse der Lithium-Ionen-Batteriezelle dar. Diese Anordnung in dem Gehäuse der Lithium-Ionen-Batteriezelle ermöglicht es vorteilhaft, einzelne Lithium-Ionen-Batteriezellen mit der Batteriezustandserkennung direkt innerhalb des Gehäuses zu verbinden und mittels eines Batteriesensors werden der Batteriestrom und die Batteriespannung gemessen. Zudem wird mittels der Integrierung der Batteriezustandserkennung in den Deckel keine separate Batteriezustandserkennung benötigt, was vorteilhaft Materialkosten spart sowie eine kompaktere Unterbringung der Batteriezustandserkennung bereitstellt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Batterie eine Lithium-Ionen-Sekundärzelle ist. Durch diese Eigenschaft der Batterie wird vorteilhaft kein Memory-Effekt erzeugt und die Selbstentladung der Batterie ist dabei sehr gering.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Batteriezellen mit der Batteriezustandserkennung in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind. Hiermit stehen die Batteriezellen direkt mit der Batteriezustandserkennung in Kontakt, wodurch vorteilhaft eine kompaktere Bauform geschaffen wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Batteriezustandserkennung mit dem Gehäusedeckel fest ausgebildet ist. Hiermit wird vorteilhaft eine genaue und schnelle Positionierung der Kontakte mit der Benutzerzustandserkennung gewährleistet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gehäusedeckel eine Anschlussbuchse aufweist, die eingangsseitig mit der Batteriezustandserkennung und den elektrischen Leitungen verbunden ist. Hiermit ist vorteilhaft, dass keine zusätzlichen Anschlüsse notwendig sind, um zum Beispiel die Daten aus der Batteriezustandserkennung auszulesen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Batteriezellen identische Bauformen aufweisen. Hiermit ist vorteilhaft der Einbau einer jeden Batteriezelle an jeder Stelle des Batteriemoduls möglich. Es ist somit ein modulares System geschaffen, in dem die Anzahl der Gleichteile erhöht ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Batteriezellen aneinander anliegen, so dass der Bereich der Batteriezellen, die dicht am Gehäusedeckel anliegen, eine im Wesentlichen ununterbrochene Oberfläche des Batteriemoduls aufweist. Durch die gleiche Oberfläche der Batteriezellen wird vorteilhaft die Montage erleichtert sowie eine Gewichtsreduktion realisiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Kontakte der einzelnen Batteriezellen an einer gemeinsamen in dem Gehäusedeckel der Batterie integrierten Batteriezustandserkennung angeschlossen sind. Dadurch ist vorteilhaft eine besonders einfach zu realisierende und damit kostengünstige Verbindungsmöglichkeit zwischen dem Batteriemodul und der Batteriezustandserkennung geschaffen.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, mit einer Batterie in den zuvor genannten Ausgestaltungen, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie als Bauteil kommen so auch dem Kraftfahrzeug als Baugruppe zugute.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Batteriemoduls mit einer externen Batteriezustandserkennung (BZE), und
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls, im Deckel integrierte Batteriezustandserkennung (BZE).
Ausführungsformen der Erfindung
In 2 ist die bevorzugte im erfindungsgemäßen Batteriemodul 10 verwendete Batteriezelle 22 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Batteriezustandserkennung (BZE) 20 an dem Gehäusedeckel 16 der Batteriezelle 22 integriert ist und die Kontakte 26 der Batteriezellen 22 mit der Batteriezustandserkennung (BZE) 20 verbunden sind. Die Kontaktierung der Batterie 12 erfolgt durch die elektrischen Leitungen 18, die in dem Gehäusedeckel 16 integriert sind. In 2 ist außerdem ersichtlich, dass sich eine Anschlussbuchse 24 auf dem Gehäusedeckel 16 befindet, der zumindest für die Stromerzeugung und Datenübertragung verwendet wird. Das Batteriemodul 10 umfasst zudem ein Gehäuse 14, in dem sich die Batteriezellen 22 befinden, die durch die Kontakte 26 verbunden und als Paket hintereinander angeordnet sind. Alle einzelnen Kontakte 26 der Batteriezelle 22 sind dabei mit der Batteriezustandserkennung (BZE) 20 verbunden, wobei die Batteriezustandserkennung (BZE) 20 innerhalb des Gehäuses 14 integriert ist. In 2 ist ein Batteriemodul 10 mit sechs miteinander verschalteten Batteriezellen 22 vorgesehen. Ein Batteriemodul 10 kann dabei erfindungsgemäß auch mehr oder weniger als sechs Batteriezellen 22 aufweisen. Die Anzahl der Batteriezellen 22 richtet sich nach den geforderten Leistungs- und Energieparametern des Batteriemoduls 10 und den Leistungs- und Energieparametern der einzelnen Batteriezellen 22.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008063136 A1 [0008]

Claims

Batteriemodul (10) umfassend: eine Vielzahl von in Serie oder parallel geschalteter, wiederaufladbarer Batterien (12); ein Gehäuse (14) zur Aufnahme der Batterien (12); einen Gehäusedeckel (16) zum Verschluss des Gehäuses (14), wobei eine Kontaktierung der Batterien (12) über in den Gehäusedeckel (16) integrierte elektrische Leitungen (18) erfolgt; und eine Batteriezustandserkennung (20) zur Erfassung von Ladezustand, Batteriezustand und Alterungsgrad der Batterien (12) mittels eines Batteriesensors, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezustandserkennung (20) in den Gehäusedeckel (16) integriert ist.
Das Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, wobei die Batterie (12) eine Lithium-Ionen-Sekundärzelle ist.
Das Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Benutzerzustandserkennung (20) mit dem Gehäusedeckel (16) fest ausgebildet ist.
Das Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäusedeckel (16) eine Anschlussbuchse (24) aufweist, die eingangsseitig mit der Batteriezustandserkennung (20) und den elektrischen Leitungen (18) verbunden ist.
Das Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (22) identische Bauformen aufweisen.
Das Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (22) aneinander anliegen, sodass der Bereich der Batteriezellen (22), die dicht am Gehäusedeckel (16) anliegen, eine im Wesentlichen ununterbrochene Oberfläche des Batteriemoduls (10) aufweist.
Batterie (12), insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, umfassend mehrere Batteriezellen (22) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Batteriezellen (22) mit der Benutzerzustandserkennung (20) in einem Gehäuse (14) angeordnet sind.
Das Batteriemodul (10) nach Anspruch 7, wobei alle Kontakte (26) der einzelnen Batteriezellen (22) an einer gemeinsamen in dem Gehäusedeckel (16) der Batterie (12) integrierten Benutzerzustandserkennung (20) angeschlossen sind.
Kraftfahrzeug mit einer Batterie (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Batterie (12) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.