DE102011088440A1 - Energiespeicherzelle, Energiespeicherzellenmodul und Trägersubstrat - Google Patents

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Abstract

Eine Energiespeicherzelle weist einen Energiespeicher und eine Energiespeicherüberwachungseinrichtung auf, die ausgebildet ist, um eine Eigenschaft des Energiespeichers zu erfassen. Ferner weist die Energiespeicherzelle einen ersten Kommunikationsanschluss auf, der ausgebildet ist, um für eine drahtlose Übertragung der erfassten Eigenschaft mit einem weiteren Kommunikationsanschluss, der extern zu der Energiespeicherzelle ist, gekoppelt zu werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Energiespeicherzelle, wie sie beispielsweise in einem Energiespeicherzellenmodul für Elektrofahrzeuge Verwendung finden kann. Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein solches Energiespeicherzellenmodul. Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Trägersubstrat mit einer Energiespeicherüberwachungseinrichtung zum Erfassen einer Eigenschaft eines Energiespeichers.
  • Technischer Hintergrund
  • Die Reduzierung von Treibhausgasen ist aktueller denn je zuvor. Eine Maßnahme, die europaweit, aber auch in Asien und in den USA, umgesetzt wird, ist die Elektrifizierung der Straßenfahrzeuge. Diese Fahrzeuge weisen einen elektrischen Antriebsstrang auf, der selbst mindestens einen Elektromotor, einen DC/AC-Wandler und einen Energiespeicher aufweist. In den heutigen Elektrofahrzeugen weist der Energiespeicher in der Regel Lithiumionenakkumulatorzellen (bzw. Batteriezellen) auf, die wegen ihrer sehr empfindlichen Chemie eine genaue Überwachungs- (= monitoring) und Managementelektronik benötigen können.
  • 5a zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten Energiespeicherzellenmoduls 500. Das Energiespeicherzellenmodul 500 weist mehrere Zellen 501a, 501b, 501c, 501d auf und eine Überwachungsplatine 503 auf. Typischerweise weist solch ein bekanntes Energiespeicherzellenmodul 4 bis 14 Zellen auf.
  • Ferner kann ein solches Energiespeicherzellenmodul einen Temperatursensor 505, eine CAN-Bus-Schnittstelle 507 und eine für alle Zellen 501a–501d gemeinsame Spannungs- und Temperaturüberwachungselektronik 509 aufweisen, welche auf der Überwachungsplatine 503 angeordnet ist.
  • 5b zeigt eine weitere schematische Darstellung des bekannten Energiespeicherzellenmoduls 500, wobei dieses in 5b zusätzlich Leistungsgegensicherungen 511 (sogenannte Power-Anti-Fuses) aufweist.
  • Ein Pack weist dabei typischerweise mehrere solcher Module 500 (meistens 1 bis 25 Module) und eine übergeordnete Managementplatine auf.
  • Die Kommunikation zwischen den Modulen bzw. den Überwachungsplatinen 503 und der übergeordneten Managementplatine erfolgt über Datenbusse (wie beispielsweise die CAN-Bus-Schnittstelle 507, z. B. CAN-Bus „iCAN” für „internal CAN-Bus”).
  • Nachteilig an solch einem Batteriemodul 500 mit mehreren Batteriezellen 500a–500d und der Überwachungsplatine 503 ist, dass die Kontaktierung der einzelnen Batteriezellen 501a–501d zur Spannungsmessung sehr aufwendig, teuer und unzuverlässig ist. Ferner ist die Kontaktierung für Spannungsmessung, Spannungsausgleich (sogenanntes Balancing) und Temperaturmessung unabhängig voneinander, wodurch ein großer Kontaktierungsaufwand entsteht. Ferner muss jeder Batteriemodulhersteller seine eigene Überwachungsplatine entwickeln, was zu hohen Entwicklungskosten, sehr langen Time-to-Market-Zeiten und hohen Fertigungskosten führt. Das in den 5a und 5b gezeigte Batteriemodul 500 ist daher insbesondere auch bei großen Zellen ein völlig ungeeignetes Konzept für die Serienfertigung.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Konzept zu schaffen, welches eine Überwachung und ein Management von Batteriezellen (bzw. Energiespeicherzellen) wesentlich flexibler, einfacher, kostengünstiger, leistungsfähiger, intelligenter und zuverlässiger macht.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energiespeicherzelle gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, ein Energiespeicherzellenmodul gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 29 sowie ein Trägersubstrat gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 34.
  • Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Energiespeicherzelle, die einen Energiespeicher und eine Energiespeicherüberwachungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um eine Eigenschaft des Energiespeichers zu erfassen. Ferner weist die Energiespeicherzelle einen ersten Kommunikationsanschluss auf, der ausgebildet ist, um für eine drahtlose Übertragung der erfassten Eigenschaft mit einem weiteren Kommunikationsanschluss, der zu der Energiespeicherzelle extern ist, gekoppelt zu werden.
  • Es ist ein Kerngedanke von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, dass ein verbessertes Konzept zum Überwachen einer Energiespeicherzelle geschaffen werden kann, wenn jede einzelne Energiespeicherzelle über ihre eigene Energiespeicherüberwachungseinrichtung verfügt und erfasste Eigenschaften (wie beispielsweise Spannung, Temperatur und/oder Druck) eines Energiespeichers einer solchen Energiespeicherzelle drahtlos mittels eines geeigneten Kommunikationsanschlusses übertragen werden können.
  • Es ist ein Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, dass dadurch, dass die Energiespeicherüberwachung auf jeder einzelnen Energiespeicherzelle durchgeführt wird und nicht mehr auf Modulebene, mehr Zuverlässigkeit und weniger Aufwand bei Aufbau und/oder Fertigung von Energiespeicherzellenmodulen ermöglicht wird, als dies bisher bekannt ist. Ferner werden die teuren und komplexen Überwachungsplatinen (wie beispielhaft in Verbindung mit 5 gezeigt) nicht mehr benötigt, da die Energiespeicherüberwachung ja bereits in der einzelnen Energiespeicherzelle integriert ist.
  • Ferner wird durch die drahtlose Übertragung der erfassten Eigenschaft (beispielsweise kapazitiv, induktiv und/oder optisch) auf den aufwendigen, internen CAN-Bus verzichtet und damit werden auch die teuren CAN-Sendeempfänger mit 1 kV galvanischer Isolation überflüssig.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der erste Kommunikationsanschluss ausgebildet sein, um die erfasste Eigenschaft basierend auf einer kapazitiven, induktiven oder optischen Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss und dem weiteren Kommunikationsanschluss zu übertragen.
  • Insbesondere im Vergleich zu teueren HF-Lösungen ist dieses System vorteilhaft, da sich solche Kommunikationsanschlüsse vergleichsweise einfach realisieren lassen (beispielsweise mittels Kontaktflächen (kapazitiv), Spulen (induktiv), LEDs und geeigneter Photozellen (optisch)).
  • Auf ein aufwendiges Antennendesign kann daher verzichtet werden.
  • So kann beispielsweise gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der erste Kommunikationsanschluss einen ersten Anschlusskontakt aufweisen, welcher als eine erste „Kondensatorplatte” ausgebildet ist, während der weitere Kommunikationsanschluss auch einen ersten Anschlusskontakt aufweist, welcher als eine zweite „Kondensatorplatte” ausgebildet ist, um eine kapazitive Kopplung zwischen diesen beiden Kommunikationsanschlüssen zu ermöglichen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass der erste Kommunikationsanschluss eine erste Spule aufweist und auch der weitere Kommunikationsanschluss eine erste Spule aufweist, welche, wenn sie nahe genug beieinander platziert werden, einen Transformator bilden und somit induktiv miteinander gekoppelt sind, um eine Datenübertragung zwischen den beiden Kommunikationsanschlüssen basierend auf der induktiven Kopplung zu ermöglichen.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann damit eine Abstrahlrichtung, in welcher der erste Kommunikationsanschluss mit dem weiteren Kommunikationsanschluss für die drahtlose Übertragung gekoppelt werden kann, fest vorgegeben sein (im Gegensatz zu HF-Lösungen, in denen eine Antenne in die verschiedensten Richtungen abstrahlt).
  • Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer ersten oben genannten Energiespeicherzelle und einer zweiten oben genannten Energiespeicherzelle. Dabei ist zumindest ein Kommunikationsanschluss der ersten Energiespeicherzelle mit einem Kommunikationsanschluss der zweiten Energiespeicherzelle gekoppelt.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können die beiden miteinander gekoppelten Kommunikationsanschlüsse der Energiespeicherzellen beispielsweise in Reihe oder auch parallel geschaltet sein.
  • In dem Fall, in dem die Kommunikationsanschlüsse in Reihe geschaltet sind, kann eine Energiespeicherüberwachungsseinrichtung einer Energiespeicherzelle beispielsweise ausgebildet sein, um, falls es an einem seiner Kommunikationsanschlüsse ein Datensignal empfängt, welches nicht an diese Energiespeicherzelle adressiert ist, dieses an einem weiteren Kommunikationsanschluss zur drahtlosen Übertragung an eine der aktuellen Energiespeicherzelle nachgeschalteten Energiespeicherzelle bereitzustellen.
  • In dem Fall, in dem die Energiespeicherzellen parallel verschaltet sind (beispielsweise an einem gemeinsamen Bus) kann die Energiespeicherüberwachungsseinrichtung einer solchen Energiespeicherzelle ausgebildet sein, um, falls ein empfangenes Datensignal nicht an diese Energiespeicherzelle adressiert war, das Datensignal zu verwerfen.
  • Mit anderen Worten kann in solch einem Energiespeicherzellenmodul jede Energiespeicherzelle eine eigene Adresse aufweisen, welche verschieden zu den Adressen der anderen Energiespeicherzellen ist.
  • Figurenkurzbeschreibung
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild einer Energiespeicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2a ein Ersatzschaltbild zweier miteinander verschalteter Energiespeicherzellen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
  • 2b eine schematische Darstellung einer der in 2a gezeigten Energiespeicherzellen sowie eines Trägersubstrats gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2c eine schematische Darstellung der Energiespeicherzelle aus 2b mit einer zusätzlichen Kühlplatte;
  • 3a Ersatzschaltbilder zweier miteinander verschalteter Energiespeicherzellen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
  • 3b Ersatzschaltbilder zweier miteinander verschalteter Energiespeicherzellen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
  • 3c Ersatzschaltbilder zweier miteinander verschalteter Energiespeicherzellen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
  • 3d Ersatzschaltbilder zweier miteinander verschalteter Energiespeicherzellen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
  • 3e eine schematische Darstellung einer der in 3a gezeigten Energiespeicherzellen sowie eines Trägersubstrats gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3f eine schematische Darstellung eines Energiespeicherzellenmoduls mit einer Mehrzahl der in 3e gezeigten Energiespeicherzellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3g eine schematische Darstellung der in 3e gezeigten Energiespeicherzelle mit einer zusätzlichen Kühlplatte gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3h eine schematische Darstellung eines Energiespeicherzellenmoduls mit einer Mehrzahl der in 3g gezeigten Energiespeicherzellen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4a ein Ersatzschaltbild zweier Energiespeicherzellen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
  • 4b eine schematische Darstellung einer der in 4a gezeigten Energiespeicherzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4c eine schematische Darstellung eines Energiespeicherzellenmodul mit einer Mehrzahl der in 4b gezeigten Energiespeicherzellen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 5a, 5b schematische Darstellungen eines bekannten Energiespeicherzellenmoduls.
  • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
  • Bevor im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben werden, sei darauf hingewiesen, dass in den Figuren selbe Elemente oder Elemente gleicher Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind und dass auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Beschreibungen für Elemente mit denselben Bezugszeichen sind daher untereinander austauschbar.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Energiespeicherzelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Die Energiespeicherzelle 100 umfasst einen Energiespeicher 101 und eine Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103. Ferner umfasst die Energiespeicherzelle 100 einen ersten Kommunikationsanschluss 105.
  • Die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 ist ausgebildet, um eine Eigenschaft 107 des Energiespeichers 101 zu erfassen.
  • Der erste Kommunikationsanschluss 105 ist ausgebildet, um für eine drahtlose Übertragung der erfassten Eigenschaft 107 mit einem weiteren Kommunikationsanschluss 109, der zu der Energiespeicherzelle 100 extern ist, gekoppelt zu werden.
  • Mit anderen Worten kann die Energiespeicherüberwachungsseinrichtung 103 die Eigenschaft 107 des Energiespeichers 101 erfassen, und, wenn der erste Kommunikationsanschluss 105 mit dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 gekoppelt ist, diese erfasste Eigenschaft 107 basierend auf der Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 drahtlos übertragen.
  • Der weitere Kommunikationsanschluss 109 kann beispielsweise ein Kommunikationsanschluss einer weiteren Energiespeicherzelle sein (die beispielsweise ausgebildet sein kann wie die Energiespeicherzelle 100), kann aber auch ein Kommunikationsanschluss einer externen Management- oder Steuerungsplatine sein, welche basierend auf der erfassten Eigenschaft 107 des Energiespeichers 101 Management- oder Steuerungsaufgaben durchführt.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der Kommunikationsanschluss 105 ausgebildet sein, um eine bidirektionale Kommunikation zu ermöglichen.
  • Mit anderen Worten kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 nicht nur ausgebildet sein, um die erfasste Eigenschaft 107 an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 bereitzustellen, sondern auch um Informationen (beispielsweise Datensignale) an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 zu empfangen, welche von dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 drahtlos übertragen wurden.
  • Wie eingangs erwähnt, kann die Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 beispielsweise eine kapazitive, induktive oder optische Kopplung sein und der Kommunikationsanschluss 105 kann daher ausgebildet sein, um die erfasste Eigenschaft 107 basierend auf dieser kapazitiven, induktiven oder optischen Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 zu übertragen.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 beispielsweise eine Temperatur der Energiespeicherzelle 101 erfassen und diese als die erfasste Eigenschaft 107 dem ersten Kommunikationsanschluss 105 bereitzustellen.
  • Ferner kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 auch ausgebildet sein, um zusätzlich oder statt der Temperatur eine Spannung der Energiespeicherzelle 101 zu messen und um diese als die erfasste Eigenschaft 107 oder eine weitere erfasste Eigenschaft dem Kommunikationsanschluss 105 zur drahtlosen Übertragung bereitzustellen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 ausgebildet sein, um einen Strom und/oder Druck an dem Energiespeicher 101 zu messen und um einen Messwert einer solchen Messung an dem Kommunikationsanschluss 105 zur drahtlosen Übertragung bereitzustellen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 auch eine sogenannte Balancing-Schaltung (deutsch: Ausgleichsschaltung, beispielsweise zur passiven Zellensymmetrierung) aufweisen, welche ausgebildet ist, um eine Spannung an der Energiespeicherzelle 101 zu variieren (beispielsweise basierend auf einem an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 empfangenen Datensignal).
  • Wie bereits erwähnt, kann dadurch, dass die Energiespeicherzelle 100 über ihre eigene Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 verfügt (welche beispielsweise eine Spannungs- und/oder Temperaturmessung durchführen kann und/oder eine Balancing-Schaltung aufweist) in einem Energiespeicherzellenmodul, welches mehrere solcher Energiespeicherzellen 100 aufweist, auf die Kontaktierung jeder einzelnen Energiespeicherzelle zur Spannungs- und Temperaturmessung an eine Überwachungsschaltung gespart werden. Die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 kann beispielsweise auf der Energiespeicherzelle 100 selbst platziert sein (beispielsweise an einer Außenwand des Energiespeichers 101) bzw. kann in dieser integriert sein. Die Informationsübertragung (wie beispielsweise das Übertragen der erfassten Eigenschaft 107 oder das Empfangen von Datensignalen) kann dabei berührungslos über die (beispielsweise kapazitive, induktive und/oder optische) Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 erfolgen.
  • Wie im Folgenden noch anhand der 3f, 3h und 4c gezeigt, kann so durch einfaches Stapeln der Energiespeicherzellen 100, wie es auch in Applikationen mit mehreren Zellen üblich ist, ein Kommunikationspfad über alle Energiespeicherzellen 100 ausgebildet werden.
  • Wie weiterhin im Folgenden gezeigt, kann die Energieversorgung dieser Schaltung (wie beispielsweise der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103) aus der Energiespeicherzelle 100 (beispielsweise aus dem Energiespeicher 101) selbst erfolgen oder von extern, beispielsweise über kapazitive oder induktive Energieübertragung, erfolgen.
  • Mit anderen Worten lässt sich mit der gleichen Anordnung, wie sie im Zusammenhang mit der Informationsübertragung beschrieben ist (also mit der Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109) auch Energie kontaktlos an alle gestapelten Energiespeicherzellen übertragen, wie im Folgenden noch anhand der 3b, 3c gezeigt wird.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der erste Kommunikationsanschluss 105 differentiell oder single-ended ausgebildet sein, wobei in dem differentiellen Fall der Kommunikationsanschluss 105 typischerweise zwei Anschlusskontakte aufweist, wobei in dem single-ended Fall typischerweise ein Anschlusskontakt ausreichend ist.
  • Ein solcher Anschlusskontakt kann in Abhängigkeit davon, wie die Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 erfolgt, gewählt werden. So kann beispielsweise bei einer kapazitiven Kopplung zwischen diesen beiden Kommunikationsanschlüssen 105, 109 ein Anschlusskontakt als „Kondensatorplatte” gewählt werden. In dem Fall einer induktiven Kopplung zwischen den beiden Kommunikationsanschlüssen 105, 109 kann ein Anschlusskontakt als eine Spule (beispielsweise eine Primärwindung eines sich durch die Kopplung des ersten Kommunikationsanschlusses 105 und des weiteren Kommunikationsanschlusses 109 ergebenden Transformators) ausgebildet sein. In dem Fall einer optischen Kopplung der beiden Kommunikationsanschlüsse 105, 109 kann ein solcher Anschlusskontakt beispielsweise als eine LED und/oder eine Photozelle ausgebildet sein.
  • Zusammenfassend ist der erste Kommunikationsanschluss 105 so ausgebildet, dass, wenn dieser mit dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 gekoppelt wird, im Falle einer kapazitiven Kopplung zwischen diesen beiden Kommunikationsanschlüssen 105, 109 ein Kondensator gebildet wird, im Falle einer induktiven Kopplung zwischen diesen beiden Kommunikationsanschlüssen 105, 109 ein Transformator gebildet wird und im Falle einer optischen Kopplung zwischen diesen beiden Kommunikationsanschlüssen 105, 109 ein optischer Übertragungspfad gebildet wird.
  • Bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen liegt jeweils eine kapazitive Kopplung vor. Mit anderen Worten ist bei folgenden Ausführungsbeispielen der Kommunikationsanschluss 105 jeweils ausgebildet, um die erfasste Eigenschaft basierend auf einer kapazitiven Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 zu übertragen.
  • Jedoch soll diese im Folgenden beschriebene Art der Kopplung nur stellvertretend für die anderen genannten Arten der Kopplung, wie beispielsweise induktive oder optische Kopplung stehen, so dass gemäß weiteren Ausführungsbeispielen die im Folgenden gezeigten kapazitiven Kopplungen jeweils durch induktive oder optische Kopplungen ersetzbar sind. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherübertragungseinrichtung 103 ausgebildet sein, um eine Kommunikation basierend auf dem CAN-Protokoll durchzuführen.
  • Ferner kann gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der Energiespeicher 101 eine Akkumulator- oder Batteriezelle sein.
  • Ferner kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Energiespeicher 101 ein Superkondensator oder ein Lithium-Ionen-Kondensator sein (Hybridspeicher wie z. B. Ultimo Zelle von JMenergy).
  • Bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Energiespeicher 101 jeweils als eine Batteriezelle ausgebildet, wobei gemäß weiteren Ausführungsbeispielen diese Batteriezelle auch durch eine Akkumulatorzelle, einen Superkondensator oder einen Lithium-Ionen-Kondensator ersetzbar ist.
  • 2a zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Energiespeicherzelle 200a und einer zweiten Energiespeicherzelle 200b gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die erste Energiespeicherzelle 200a mit der zweiten Energiespeicherzelle 200b gekoppelt.
  • Wie aus 2a ersichtlich, weisen die beiden Energiespeicherzellen 200a und 200b denselben Aufbau auf, so dass im Folgenden nur der Aufbau und die Funktionsweise der ersten Energiespeicherzelle 200a detailliert beschrieben wird, wobei diese Ausführungen in gleicher Weise auch für die zweite Energiespeicherzelle 200b gelten.
  • Die erste Energiespeicherzelle 200a bildet eine mögliche Implementierung der in 1 gezeigten schematisch dargestellten Energiespeicherzelle 100.
  • Daher weist die Energiespeicherzelle 200a auch einen Energiespeicher 101, eine Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a sowie einen ersten Kommunikationsanschluss 105 auf.
  • Wie in 2a ersichtlich, weist bei dem in 2a gezeigten Beispiel die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a eine passive Zellenspannungsausgleichsschaltung 211, einen Temperatursensor 213, einen Mikrocontroller 215 und eine Signalaufbereitungsschaltung 217 auf.
  • Ferner weist die erste Energiespeicherzelle 200a einen zweiten Kommunikationsanschluss 205 auf.
  • Der Mikrocontroller 215 ist mittels zweier ohmscher Kontakte 219a, 219b leitfähig mit dem Energiespeicher 101 verbunden und ist ausgebildet, um eine Spannung des Energiespeichers 101 (beispielsweise unter Nutzung eines Analog-zu-Digital-Wandlers) zu messen und die erfasste Spannung beispielsweise mittels der Signalaufbereitungsschaltung 217 an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 (beispielsweise in Form eines Datensignals) zur Übertragung bereitzustellen.
  • Der Temperatursensor 213 ist ausgebildet, um eine Information über eine Temperatur des Energiespeichers 101 bereitzustellen. Der Mikrocontroller 215 ist ausgebildet, um basierend auf dieser Information (beispielsweise eines Widerstandswertes des Temperatursensors 213) die Temperatur der Energiespeicherzelle 101 zu erfassen und um diese beispielsweise mittels der Signalaufbereitungsschaltung 217 an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 (beispielsweise in Form eines Datensignals) zur drahtlosen Übertragung bereitzustellen.
  • Ferner weist die passive Zellenspannungsausgleichsschaltung 211 einen Ausgleichswiderstand 221 sowie einen Schalter 223 (in 2a als Schalttransistor 223 ausgeführt) auf. Der Mikrocontroller 215 kann dabei ausgebildet sein, um, beispielsweise basierend auf einem an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 empfangenen Datensignal einen Zellenspannungsausgleich mittels dieser passiven Zellenspannungsausgleichsschaltung 211 durchzuführen. So kann beispielsweise der Mikrocontroller 215 ausgebildet sein, um den Schalttransistor 223 in einen leitenden Zustand zu schalten, so dass sich der Energiespeicher 101 über den Ausgleichswiderstand 221 (zumindest teilweise) entlädt, um somit Spannungen verschiedener Energiespeicherzellen (beispielsweise der beiden Energiespeicherzellen 200a, 200b) zueinander anzupassen.
  • Ein Datensignal, basierend auf welchem der Mikrocontroller 215 diesen Zellenspannungsausgleich durchführt, kann dabei beispielsweise von einer externen Managementplatine aus, welche mit dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 verbunden ist, an dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 bereitgestellt werden und mittels der Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 drahtlos übertragen werden.
  • Ferner können der Schalttransistor bzw. Halbleiterschalter 223 sowie der Ausgleichswiderstand 221 zusätzlich zu oder statt der passiven Zellsymmetrierung für die Zellheizung (als Heizelement) genutzt werden, um die Energiespeicherzelle 200a beispielsweise im Winter auf Temperatur zu bringen (z. B. empfindliche Li-Ion Akkus dürfen bei minus Temperaturen gar nicht geladen werden, andere können nur langsam geladen werden).
  • Der Ausgleichswiderstand 221 kann (bzw. eine Mehrzahl solcher Ausgleichswiderstände können) auf der Energiespeicherzelle 200a verteilt sein: entweder nach Funktionen, oder um die Leistung besser an die Zielstelle zu bringen
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Ausgleichswiderstand 221 auch als temperaturabhängiger Widerstand realisiert sein, so dass ferner der Ausgleichswiderstand 221 auch gleichzeitig den Temperatursensor 213 bilden kann. Insbesondere mittels druckbarer Elektronik lässt sich ein solcher Temperatursensor 213 (durch ein passendes Herstellungsverfahren), sowohl als Widerstand für das passive Balancing (Ausgleich) als auch als Heizelement für die Temperierung der Energiespeicherzelle 200a beispielsweise im Winter im Elektrofahrzeug benutzen (Vorteil: sehr kosteneffizient bei der Herstellung und Nutzung) und ferner kann auch mittels einer Widerstandsmessung an diesem Temperatursensor 213 die Temperatur des Energiespeichers 101 bestimmt werden. Auch ein Drucksensorelement kann mit einem vergleichbaren Verfahren hergestellt werden und im Bereich Energiespeicherzellen Anwendung finden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a ferner einen Drucksensor aufweisen, welcher beispielsweise seitlich auf pouch/coffee-bag Batteriezellen aufgebracht werden kann, um einen Druck in dem Energiespeicher 101 zu erfassen. Der Drucksensor kann vergleichbar dem Ausgleichswiderstand 221 hergestellt werden und eine Auswertung der Messergebnisse des Drucksensors kann beispielsweise mittels des Mikrocontrollers 215 erfolgen (vergleichbar der Auswertung der Messergebnisse des Temperatursensors 213).
  • Wie aus 2a ersichtlich, ist die erste Energiespeicherzelle 200a mit der zweiten Energiespeicherzelle 200b gekoppelt und zwar mittels einer kapazitiven Kopplung zwischen dem zweiten Kommunikationsanschluss 205 der ersten Energiespeicherzelle 200a und dem ersten Kommunikationsanschluss 105 der zweiten Energiespeicherzelle 200b. Mit anderen Worten bildet die erste Energiespeicherzelle 200a zusammen mit der zweiten Energiespeicherzelle 200b ein Energiespeicherzellenmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 2a gezeigt, sind die erste Energiespeicherzelle 200a und die zweite Energiespeicherzelle 200b in Reihe geschaltet.
  • Ferner ist aus 2a ersichtlich, dass eine Art der Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 der ersten Energiespeicherzelle 200a und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 identisch zu einer Art der Kopplung zwischen dem zweiten Kommunikationsanschluss 205 der ersten Energiespeicherzelle 200a und dem ersten Kommunikationsanschluss 105 der zweiten Energiespeicherzelle 200b ist. In dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel ist damit sowohl der erste Kommunikationsanschluss 105 als auch der zweite Kommunikationsanschluss 205 der ersten Energiespeicherzelle 200a ausgebildet, um mit einem weiteren Kommunikationsanschluss (beispielsweise dem Kommunikationsanschluss 109 oder dem ersten Kommunikationsanschluss 105 der zweiten Energiespeicherzelle 200b) kapazitiv gekoppelt zu werden.
  • Die Ausgestaltung beider Kommunikationsanschlüsse 105, 205 der Energiespeicherzelle 200a auf identische Weise ist in der Hinsicht vorteilhaft, dass bei einem Energiespeicherzellenaustausch des in 2a gezeigten Energiespeicherzellenmoduls einfach eine Energiespeicherzelle (beispielsweise die Energiespeicherzelle 200a oder die Energiespeicherzelle 200b) durch eine neue Energiespeicherzelle ersetzt werden kann, ohne diese dabei an eine bestimmte Position in dem Energiespeicherzellenmodul zu setzen.
  • Ferner kann jede der Energiespeicherzellen 200a, 200b eine ihr dediziert zugeordnete Adresse aufweisen (welche beispielsweise in einem Energiespeicherzellenmodul oder einem ganzen Pack von Energiespeicherzellenmodulen eindeutig ist).
  • Die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a kann dabei ausgebildet sein, um Datensignale über den ersten Kommunikationsanschluss 105 und/oder den zweiten Kommunikationsanschluss 205 zu empfangen und auszuwerten, und um, falls sie bei der Auswertung eines Datensignals feststellt, dass dieses Datensignal nicht für ihre Energiespeicherzelle bestimmt war, das Datensignal entweder zu verwerfen (wie noch im Folgenden anhand des Ausführungsbeispiels in 4a gezeigt) oder an dem Kommunikationsanschluss bereitzustellen, an dem sie das Datensignal nicht erhalten hat (wie in 2a und 3a–3d gezeigt).
  • So kann beispielsweise die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a (oder der Mikrocontroller 215) falls sie (er) über den ersten Kommunikationsanschluss 105 ein Datensignal empfangen hat und eine Auswertung des Datensignals ergeben hat, dass das Datensignal nicht für diese Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a bzw. diese erste Energiespeicherzelle 200a bestimmt war, das Datensignal an dem zweiten Kommunikationsanschluss 205 zur kabellosen Weiterleitung bereitzustellen.
  • Zusammenfassend kann die in 2a Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a ausgebildet sein, um Datensignale, die nicht für sie bestimmt waren, zur Weiterleitung an weitere Energiespeicherzellen (beispielsweise an die zweite Energiespeicherzelle 200b) weiterzuleiten.
  • Zusammenfassend zeigt 2a eine Energiespeicherzelle 200a mit zwei ohmschen Kontakten 219a, 219b, zwei kapazitiven Kontakten 105, 205 einer Temperaturmessfähigkeit, einer Spannungsmessfähigkeit und einem passiven Zellenspannungsausgleich.
  • Der erste Kommunikationsanschluss 105 kann beispielsweise auf einer Vorderseite der ersten Energiespeicherzelle 200a angeordnet sein und der zweite Kommunikationsanschluss 205 kann beispielsweise auf einer dieser Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite der Energiespeicherzelle 200a angeordnet sein.
  • Ferner kann die Energiespeicherzelle 200a ausgebildet sein, um eine bidirektionale Signalübertragung zu ermöglichen. In dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel basiert diese auf einer kapazitiven Kopplung sowie einem sogenannten single-ended Prinzip (massebezogenen Prinzip).
  • Wie in 2a gezeigt, kann weiterhin ein anderer, zu den Energiespeicherzellen 200a, 200b externer Kommunikationsanschluss 209 vorliegen, welcher beispielsweise in einem Batteriezellenmodul mit einem zweiten Kommunikationsanschluss 205 gekoppelt sein kann, dessen Energiespeicherzelle in einer Stapelreihenfolge der Energiespeicherzellen in dem Energiespeicherzellenmodul die letzte in der Reihe ist, um den Massebezug herstellen zu können.
  • Wie im Folgenden noch beschrieben wird, kann anstatt einer single-ended Signalübertragung auch eine differentielle Signalübertragung verwendet werden.
  • Ferner können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch einige optionale Merkmale der gezeigten Energieüberwachungsschaltung 203a weggelassen werden (wie beispielsweise der passive Zellenspannungsausgleich und/oder die Spannungsmessung).
  • Ferner kann das in 2a gezeigte Ausführungsbeispiel auch noch um zusätzliche Versorgungsspannungsanschlüsse zur Versorgung der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a erweitert werden oder die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a kann ausgebildet sein, um (wie in 2a gezeigt) ihre nötige Energie aus dem Energiespeicher 101 zu beziehen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist es durch ein geschicktes Modulationsverfahren auch möglich, dass Datensignale und Versorgungsspannung über eine einzelne Strecke übertragen werden. Mit anderen Worten kann die Energieüberwachungseinrichtung 203a ausgebildet sein, um sowohl Datensignale an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 zu empfangen, als auch (zeitgleich) eine Versorgungsspannung von diesem ersten Kommunikationsanschluss 105 zu erhalten.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können die Energiespeicherzellen 200a, 200b beispielsweise eine sogenannte Pouch-Zellenform (Taschenzellenform) oder sogenannte Coffee-Bag-Form (Kaffeetütenform) aufweisen.
  • Das in 2a gezeigte Ersatzschaltbild zeigt damit eine ideale Lösung für Pouch-Zellen mit single-ended kapazitiver Datenübertragung von Energiespeicherzelle zu Energiespeicherzelle.
  • 2b zeigt auf der linken Seite eine schematische Darstellung der Energiespeicherzelle 200a, wobei die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a auf einem Trägersubstrat 231 angeordnet ist, welches auf einer Außenoberfläche der Energiezelle 101 angeordnet ist.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann dabei der Mikrocontroller 215 die Signalaufbereitung 217 sowie der Schalttransistor 223 integriert (beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse) angeordnet sein, während der Ausgleichswiderstand 221 sowie der Temperatursensor 213 extern zu diesem Gehäuse auf dem Trägersubstrat 231 angeordnet sind.
  • 2b zeigt auf der rechten Seite das Trägersubstrat 231 mit der darauf angeordneten Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a sowie den beiden Kommunikationsanschlüssen 105, 205, dem Temperatursensor 213 und dem Ausgleichswiderstand 221 losgelöst von der Energiespeicherzelle 101.
  • In 2b sind die ohmschen Kontakte 219a, 219b, mit denen der Mikrocontroller 215 mit der Energiespeicherzelle 101 verbunden werden kann, nicht dargestellt.
  • Wie beschrieben kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Ausgleichswiderstand 221 nicht nur für die passive Zellsymmetrierung bzw. den passiven Zellenspannungsausgleich genutzt werden, sondern auch (zusätzlich oder stattdessen) als Zellheizung.
  • Genauso ist es gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch möglich, dass mehrere solche Ausgleichswiderstände 221 vorliegen, die beispielsweise über die Energiespeicherzelle 200a oder wie in 2b gezeigt über das Trägersubstrat 231 verteilt sein können.
  • Ferner können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch eine Mehrzahl von Temperatursensoren 213 vorliegen, welche über die Energiespeicherzelle 200a bzw. über das Trägersubstrat 231 verteilt angeordnet sind.
  • Wie aus 2b weiterhin ersichtlich, ist der erste Kommunikationsanschluss 105 auf einer ersten Seite 233a der Energiespeicherzelle 200a angeordnet und der zweite Kommunikationsanschluss 205 ist auf einer zweiten Seite 233b der Energiespeicherzelle 200a angeordnet, welche gegenüberliegend zu der ersten Seite 233a ist.
  • Durch diese Anordnung der Kommunikationsanschlüsse 105, 205 wird ein einfaches Stapeln der Energiespeicherzellen 200a zu einem Modul ermöglicht. Durch das Stapeln werden damit Kommunikationsanschlüsse der verschiedenen Energiespeicherzellen miteinander gekoppelt (beispielsweise kapazitiv, induktiv und/oder optisch).
  • Ferner können die Anschlusskontakte des ersten Kommunikationsanschlusses 105 und des zweiten Kommunikationsanschlusses 205 um 90° gedreht zueinander auf den gegenüberliegenden Seiten 233a, 233b der Energiespeicherzelle 200a angeordnet sein. Dadurch wird erreicht, dass die Justierung, die die Kapazität des durch die Kopplung der Anschlusskontakte gebildeten Übertragungskondensators bestimmt, wenn zwei Energiespeicherzellen 200a zusammen in einem Energiespeichermodul aufgebaut werden, keine Rolle spielt (d. h. die Kapazität des Übertragungskondensators für die Übertragung bietet ein gutes Matching bzw. eine gute Anpassung). Mit anderen Worten sind die beiden Kommunikationsanschlüsse 105, 205 so ausgebildet, dass bei einer Anordnung mehrerer der Energiespeicherzellen 200a in einem Energiespeicherzellenmodul bei einer, innerhalb eines Toleranzbereiches liegenden, lateralen Verschiebung (beispielsweise in senkrechter Richtung zu einer Schichtstapelrichtung) der Energiespeicherzellen 200a zueinander immer noch gewährleistet ist, dass die Größe eines Kontaktbereiches zweier gegenüberliegender Anschlusskontakte konstant bleibt und damit auch eine Kapazität des sich ergebenden Kondensators.
  • Beispielsweise können Abmessungen der Anschlusskontakte der Kommunikationsanschlüsse 105, 205 identisch sein, aber der Anschlusskontakt bzw. die Anschlusskontakte des ersten Kommunikationsanschluss 105 kann bzw. können verdreht (beispielsweise um 90° verdreht) zu dem Anschlusskontakt bzw. den Anschlusskontakten des zweiten Kommunikationsanschluss 205 angeordnet sein.
  • Wie in 2b gezeigt kann das Trägersubstrat 231 einen ersten Teil 235a, einen zweiten Teil 235b und einen dritten Teil 235c aufweisen. So kann beispielsweise auf dem ersten Teil 235a der erste Kommunikationsanschluss 105 angeordnet sein und auf dem zweiten Teil 235b kann der zweite Kommunikationsanschluss 205 angeordnet sein.
  • Der erste Teil 235a kann dabei ausgebildet sein, um an einer ersten Seite des Energiespeichers 101 angeordnet zu werden und der zweite Teil 235b des Trägersubstrats 231 kann ausgebildet sein, um an einer zweiten Seite des Energiespeichers 101 (welche beispielsweise gegenüberliegend zu der ersten Seite des Energiespeichers 101 ist) angeordnet zu werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass der zweite Teil 235b des Trägersubstrats 231 an einer anderen Seite des Energiespeicher 101 angeordnet ist. Solch eine andere Seite des Energiespeicher 101 kann dabei beispielsweise nicht gegenüberliegend zu der ersten Seite des Energiespeicher 101 angeordnet sein, sondern beispielsweise um 90° verdreht zu dieser. Mit anderen Worten kann gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der erste Teil 235a des Trägersubstrats 231 an einer ersten Seite des Energiespeichers 101 angeordnet sein und der zweite Teil 235b des Trägersubstrats 231 an einer anderen Seite des Energiespeichers 101, deren Flächennormale nicht parallel und auch nicht antiparallel zu einer Flächennormale der ersten Seite des Energiespeichers 101 ist (sondern beispielsweise orthogonal zu dieser).
  • Bei einigen solcher Ausführungsbeispielen kann dann sogar auf den dritten Teil 235c des Trägersubstrats 231 verzichtet werden, da der erste Teile 235a und der zweite Teil 235b (so zusagen „über Eck”) direkt miteinander verbunden sein können.
  • Der erste Teil 235a kann dabei mittels des dritten Teils 235c mit dem zweiten Teil 235b verbunden sein. Der dritte Teil 235c kann dabei, wenn das Trägersubstrat 231 an dem Energiespeicher 101 angeordnet ist, sich von der ersten Seite des Energiespeichers 101 zu der zweiten Seite des Energiespeichers 101 erstrecken.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann zumindest der dritte Teil 235c des Trägersubstrats 231 flexibel sein. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann aber auch das gesamte Trägersubstrat 231 ein flexibles Trägersubstrat sein.
  • Das Trägersubstrat 231 kann beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen bzw. aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen: Kunststoff (wie beispielsweise Thermoplast, Polyimid), Keramik (Folie), Glas (Folie), Papier und ähnliche.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Trägersubstrat 231 ausgebildet sein, um sich an dem Energiespeicher 101 anbringen lassen und um sich eventuell von diesem entfernen zu lassen, um das Trägersubstrat 231 an einem neuen Energiespeicher anbringen zu können.
  • So wird beispielsweise ermöglicht, dass bei einem Tausch des Energiespeichers 101 lediglich der verbrauchte Energiespeicher 101 getauscht wird, wobei das Trägersubstrat 231 wiederverwendet werden kann.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann das Trägersubstrat 231 ausgebildet sein, um mittels geeigneter Befestigungsmethoden an dem Energiespeicher 101 befestigt zu werden (beispielsweise mittels Klebung oder mittels magnetischer Halter oder Klemmhalterungen).
  • Es sei auch darauf hingewiesen, dass es gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch möglich ist, anstatt der Verwendung des Trägersubstrats 231, die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a direkt in die Energiespeicherzelle 200a zu integrieren.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Energiespeicher 101 einen ersten Energiespeicheranschluss 241a und einen zweiten Energiespeicheranschluss 241b aufweisen.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Oberflächenbereich eines Kommunikationsanschlusses (oder der Kommunikationsanschlüsse) einer Energiespeicherzelle nicht leitfähig sein oder mit einer nicht leitfähigen Schicht überzogen sein.
  • Bei einer Verwendung von solchen Energiespeicherzelle in einem Energiespeicherzellenmodul mit Kommunikationsanschlüssen, deren Oberflächenbereich nicht leitend ist grenzen dabei typischerweise zwei solcher nicht leitender Oberflächenbereiche zweier Kommunikationsanschlüsse zweier zueinander benachbarter Energiespeicherzellen aneinander an und können sich sogar berühren. Eine Kopplung zwischen diesen beiden Kommunikationsanschlüssen wird dann beispielsweise wie eingangs beschrieben, durch eine kapazitive, induktive und/oder optische Kopplung erreicht.
  • Analoges kann auch für die noch im Folgenden beschriebenen möglichen Versorgungsanschlüsse gelten.
  • 2c zeigt eine weitere schematische Darstellung der ersten Energiespeicherzelle 200a, wobei diese um eine Kühlplatte 243 erweitert ist, welche auf der ersten Seite 233a der Energiespeicherzelle 200a angeordnet ist. Die Kühlplatte 243 weist eine Durchgangsöffnung 245 auf, welche sich von einer dem Energiespeicher 101 zugewandten Seite der Kühlplatte 243 zu einer dem Energiespeicher 101 abgewandten Seite der Kühlplatte 243 erstreckt. Wie aus 2c ersichtlich, ist die Öffnung 245 so gewählt, dass sich diese im Bereich des ersten Anschlusskontaktes 105 befindet. Mit anderen Worten ist der erste Kommunikationsanschluss 105 in der Öffnung 245 der Kühlplatte 243 angeordnet.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Kommunikationsanschluss 105 (beispielsweise in Form einer Kondensatorplatte oder als Bestandteil eines Kondensators) auf einer zusätzlichen Schicht oder Erhöhung angeordnet sein, um den Kommunikationsanschluss 105 gegenüber den anderen Bauteilen auf dem Trägersubstrat 231 zu erhöhen, um das Hinzufügen der Kühlplatte 243 zu ermöglichen, so dass der erste Kommunikationsanschluss 105 flächig mit der dem Energiespeicher 101 abgewandten Seite der Kühlplatte 243 abschließt.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann eine Kühlplatte auch direkt auf dem Energiespeicher 101 angeordnet sein und das Trägersubstrat 231 kann zumindest an einer Seite (beispielsweise an der ersten Seite 233a) der Energiespeicherzelle 200a auf der Kühlplatte angeordnet sein, beispielsweise so, dass sich zwischen dem Trägersubstrat 231 und dem Energiespeicher 101 die Kühlplatte (ohne Loch) befindet. Beispielsweise kann die Kühlplatte Bestandteil des Energiespeichers 101 sein. In diesem Fall kann der erste Kommunikationsanschluss 105 auf der Kühlplatte angeordnet sein. Der Temperatursensor 213 (sowie eine Zellheizung) kann (können) beispielsweise an der zweiten Seite 233b der Energiespeicherzelle 200a auf dem Trägersubtrat 231 direkt an dem Energiespeicher 101 angeordnet sein.
  • Der Kommunikationsanschluss 105 (oder beispielsweise dessen Anschlusskontakt) kann so strukturiert und dimensioniert sein, dass eine resultierende Kapazität fast unabhängig zu der mechanischen Präzision beim Zusammenbauen der Energiespeicherzellen 200a ist. Dies kann beispielsweise durch das 90° zueinander verdrehte Anordnen der Anschlusskontakte der Kommunikationsanschlüsse 105, 205 erfolgen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Energiespeicher 101 mit der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a basierend auf dem sogenannten System-in-Package-Prinzip (auch bezeichnet als Ein-Chip-Prinzip) hergestellt werden.
  • Mit anderen Worten können die Bestandteile der Energiespeicherüberwachungseinrichtung in einem System-in-Package (SiP) integriert werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Bestandteile (wie beispielsweise der Temperatursensor, der Drucksensor, der Ausgleichswiderstand, der Heizwiderstand, die Kondensatorelektroden (oder die Spulen) und die Leiterbahnen etc.) der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a aber auch anhand druckbarer Elektronik hergestellt werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Bestandteile der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203a auch diskret aufgebaut werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist auch eine Kombination der oben genannten Möglichkeiten denkbar.
  • Obwohl in dem in 2c gezeigten Ausführungsbeispiel die Energiespeicherzelle 200a eine Taschenform aufweist (sogenannte Pouch-Zelle), so sind andere Formen auch möglich. So können Energiespeicherzellen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen beispielsweise eine prismatische Form oder eine zylindrische Form aufweisen.
  • Die oben gemachten Ausführungen zu dem Trägersubstrat sowie zu der Herstellung und Anordnung der Energiespeicherüberwachungseinrichtung können in analoger Weise auch für die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele gelten.
  • 3a zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Energiespeicherzelle 300a und einer zweiten Energiespeicherzelle 300b gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • Die Energiespeicherzellen 300a, 300b stellen jeweils eine mögliche Implementierung der Energiespeicherzelle 100 gemäß 1 dar.
  • Wie aus 3a ersichtlich, sind die Energiespeicherzellen 300a, 300b identisch aufgebaut, so dass im Folgenden stellvertretend nur die Energiespeicherzelle 300a beschrieben wird.
  • Die Energiespeicherzelle 300a, wie sie in 3a gezeigt ist, unterscheidet sich nur geringfügig von der in 2a gezeigten Energiespeicherzelle 200a und zwar dadurch, dass die Energiespeicherzelle 300a ausgebildet ist, um differentielle Signale zu empfangen und bereitzustellen, während die Energiespeicherzelle 200a ausgebildet ist, um single-ended Signale zu empfangen und bereitzustellen. Dementsprechend unterscheidet sich die Signalaufbereitungsschaltung 317a der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203b der ersten Energiespeicherzelle 300a von der Signalaufbereitungsschaltung 217 in 2a dadurch, dass die Signalaufbereitungsschaltung 317a ausgebildet ist, um differentielle Signale von den beiden Kommunikationsanschlüssen 105, 205 zu empfangen bzw. an diesen bereitzustellen.
  • Ferner unterscheidet sich die Energiespeicherzelle 300a von der Energiespeicherzelle 200a dadurch, dass der erste Kommunikationsanschluss 105 zwei (voneinander getrennte) Anschlusskontakte (beispielsweise zwei voneinander getrennte Kondensatorplatten) aufweist und der zweite Kommunikationsanschluss 205 auch zwei getrennte Anschlusskontakte (beispielsweise Kondensatorplatten) aufweist.
  • Zusammenfassend unterscheidet sich die Energiespeicherzelle 300a von der Energiespeicherzelle 200a dadurch, dass sie anstatt von zweit kapazitiven Kontakten vier kapazitive Kontakte (der Kommunikationsanschlüsse 105, 205) aufweist.
  • Zusammenfassend weist die in 3a gezeigte Energiespeicherzelle 300a zwei ohmsche Kontakte 219a, 219b, vier kapazitive Kontakte (die Anschlusskontakte der Kommunikationsanschlüsse 105, 205) auf und ist ausgebildet, um eine Temperaturmessung durchzuführen, eine Spannungsmessung durchzuführen, einen passiven Zellenspannungsausgleich durchzuführen und eine Zellheizung mittels des Ausgleichswiderstands 221 bereitzustellen.
  • 3a zeigt daher eine ideale Lösung für Pouch-Zellen/Coffee-Bag-Zellen mit differentieller kapazitiver Datenübertragung von Zelle zu Zelle.
  • Wie bereits beschrieben, ist es gemäß weiteren Ausführungsbeispielen durch ein geschicktes Modulationsverfahren auch möglich, dass Datensignale und Versorgungsspannung über eine einzelne Strecke übertragen werden. Mit anderen Worten kann die Energieüberwachungseinrichtung 203b ausgebildet sein, um sowohl Datensignale an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 zu empfangen, als auch (zeitgleich) eine Versorgungsspannung von diesem ersten Kommunikationsanschluss 105 zu erhalten. Mit anderen Worten kann die Energiespeicherzelle 300a ausgebildet sein, um sowohl eine Signalübertragung als auch eine Versorgungsübertragung basierend auf der Kopplung zwischen dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 und dem ersten Kommunikationsanschluss 105 durchzuführen.
  • In den bisher anhand der 2a bis 3a beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Energiespeicherüberwachungseinrichtungen jeweils ausgebildet, um ihre benötigte Energie direkt aus den Energiespeichern 101 zu beziehen.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, ist es gemäß Ausführungsbeispielen aber auch möglich, eine Versorgungsspannung zusätzlich einzuspeisen, wobei diese wie bei den Kommunikationsanschlüssen über eine drahtlose Kopplung erfolgen kann.
  • Im Folgenden sollen daher anhand der 3b und 3c zwei Beispiele gegeben werden, in denen eine Energiespeicherüberwachungseinrichtung eine Versorgungsspannung von extern eingespeist bekommt.
  • Dieses im Folgenden gezeigte Prinzip lässt sich gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch auf alle anderen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anwenden.
  • 3b zeigt ein Ersatzschaltbild einer Energiespeicherzelle 300e und einer Energiespeicherzelle 300f gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • Die Energiespeicherzellen 300e, 300f stellen jeweils eine mögliche Implementierung der Energiespeicherzelle 100 gemäß 1 dar.
  • Wie aus 3b ersichtlich, ist der Aufbau der Energiespeicherzelle 300e und der Energiespeicherzelle 300f identisch, so dass im Folgenden stellvertretend nur die Energiespeicherzelle 300e beschrieben wird.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, unterscheidet sich die Energiespeicherzelle 300e von der Energiespeicherzelle 300a aus 3a dadurch, dass eine Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203d der Energiespeicherzelle 300e ausgebildet, um eine Versorgungsspannung von außerhalb der Energiespeicherzelle 300e zu erhalten.
  • Die Energiespeicherzelle 300e weist daher ferner eine Gleichrichterschaltung 330 auf, welche ausgebildet ist, um ein empfangenes differentielles Versorgungssignal gleichzurichten und dieses als Versorgungsspannung für die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203d (beispielsweise für den Mikrocontroller 215) bereitzustellen.
  • Die Energiespeicherzelle 300e kann dazu einen ersten Versorgungsanschluss 332 aufweisen. Der erste Versorgungsanschluss 332 ist ausgebildet, um für eine drahtlose Energieversorgung der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203d mit einem weiteren Versorgungsanschluss 336, der extern zu der Energiespeicherzelle 300e ist, gekoppelt zu werden.
  • Der erste Versorgungsanschluss 332 kann dabei beispielsweise ausgebildet sein, um eine kapazitive und/oder eine induktive Kopplung mit dem weiteren Versorgungsanschluss 336 einzugehen, um basierend auf dieser Kopplung Energie von dem weiteren Versorgungsanschluss 336 zu übertragen.
  • Wie in 3b dargestellt, kann auch der erste Versorgungsanschluss 332 als differentieller Versorgungsanschluss ausgebildet sein, so dass dieser zwei einzelne Anschlusskontakte aufweist. Ebenso ist aber auch eine single-ended Variante verwendbar, bei der der erste Versorgungsanschluss 332 lediglich einen Anschlusskontakt aufweist.
  • Der erste Versorgungsanschluss 332 kann mit der Gleichrichterschaltung 330 gekoppelt sein, um die von dem weiteren Versorgungsanschluss 336 erhaltene Energie (beispielsweise in Form einer Spannung) über die Gleichrichterschaltung 330 der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203d bereitzustellen.
  • Ferner kann die Energiespeicherzelle 300e einen zweiten Versorgungsanschluss 334 aufweisen, welcher mit dem ersten Versorgungsanschluss 332 leitfähig gekoppelt ist und der ausgebildet ist, um zumindest einen Teil der von dem weiteren Versorgungsanschluss 336 drahtlos auf den ersten Versorgungsanschluss 332 übertragenen Energie zu einem anderen Versorgungsanschluss, der extern zu der Energiespeicherzelle 300e ist (beispielsweise zu dem ersten Versorgungsanschluss 332 der zweiten Energiespeicherzelle 300f) zu übertragen.
  • Mit anderen Worten können die Versorgungsanschlüsse 332, 334 ausgebildet sein, um mittels (zweier) kapazitiver Kopplung(en) von dem weiteren Versorgungsanschluss 336 erhaltene Energie auf eine weitere Energiespeicherzelle (beispielsweise die zweite Energiespeicherzelle 300f) zu übertragen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann auch auf den zweiten Versorgungsanschluss 334 verzichtet werden, z. B. in Fällen, in denen die einzelnen Energiespeicherzellen 300e, 300f nicht in Reihe (oder in Serie) geschaltet sind, sondern parallel. In diesem Fall kann es ausreichend sein, wenn jede Energiespeicherzelle lediglich einen Versorgungsanschluss (beispielsweise den ersten Versorgungsanschluss 332) aufweist.
  • In einer Anordnung der Energiespeicherzellen 300e, 300f in einem Energiespeicherzellenmodul kann das Energiespeicherzellenmodul ferner einen Abschlussversorgungsanschluss 338 aufweisen, welcher mit einem zweiten Versorgungsanschluss einer letzten Energiespeicherzelle in einem Stapel von Energiespeicherzellen des Energiespeicherzellenmoduls gekoppelt ist.
  • Ferner wird aus 3b ersichtlich, dass es gemäß einigen Ausführungsbeispielen auch möglich ist, dass die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203 lediglich eine Temperaturmessung sowie einen passiven Zellenspannungsausgleich durchführt, jedoch keine Spannungsmessung an dem Energiespeicher 101 durchführt (dies wird deutlich daran, dass der Mikrocontroller 215 nicht mit den ohmschen Kontakten 219a, 219b verbunden ist). Dies ist in 3b jedoch nur beispielhaft gezeigt, so dass es natürlich auch möglich ist, dass gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Mikrocontroller 215 mit den ohmschen Kontakten 219a, 219b verbunden ist, um eine Spannungsmessung an dem Energiespeicher 101 durchzuführen.
  • Zusammenfassend weist die in 3b gezeigte Energiespeicherzelle 300e zwei ohmsche Kontakte 219a, 219b, acht kapazitive Kontakte (die Anschlusskontakte der Kommunikationsanschlüsse 105, 205 und der Versorgungsanschlüsse 332, 334) auf und ist ausgebildet, um eine Temperaturmessung durchzuführen, keine Spannungsmessung durchzuführen und einen passiven Zellenspannungsausgleich durchzuführen.
  • 3c zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Energiespeicherzelle 300g und einer zweiten Energiespeicherzelle 300h gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • Die Energiespeicherzellen 300g, 300h stellen jeweils eine mögliche Implementierung der Energiespeicherzelle 100 gemäß 1 dar.
  • Wie aus 3c ersichtlich, ist auch hier wieder die erste Energiespeicherzelle 300g in ihrem Aufbau identisch zu der zweiten Energiespeicherzelle 300h, so dass im Folgenden nur die erste Energiespeicherzelle 300g, stellvertretend für die zweite Energiespeicherzelle 300h, beschrieben wird.
  • Die in 3c gezeigte erste Energiespeicherzelle 300g unterscheidet sich von der in 3b gezeigten ersten Energiespeicherzelle 300e dadurch, dass eine Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203e der ersten Energiespeicherzelle 300g keine passive Zellenspannungsausgleichsschaltung aufweist. Die einzige Funktion der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203e kann daher darin bestehen, mittels des Temperatursensors 213 und des Mikrocontrollers 215 die Temperatur des Energiespeichers 110 zu erfassen und diese (beispielsweise in Form eines Datensignals) basierend auf der Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss 105 und dem weiteren Kommunikationsanschluss 109 drahtlos zu übertragen.
  • Das Erfassen der Temperatur kann dabei in vorbestimmten Zeitabständen erfolgen oder ansprechend auf ein empfangenes Datensignal.
  • In dem Fall, in dem das Erfassen der Temperatur in vorbestimmten Zeitabständen erfolgt, kann sogar eine unidirektionale Signalübertragung ausreichend sein, das heißt gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203e zwar ausgebildet sein, um die erfasste Eigenschaft an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 bereitzustellen, aber nicht um Datensignale an dem ersten Kommunikationsanschluss 105 zu empfangen.
  • Wie in 3c weiterhin gezeigt, kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203e der Energiespeicherzelle 300g vollständig isoliert von dem Energiespeicher 110 sein. Mit anderen Worten kann gemäß einigen Ausführungsbeispielen die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203e nicht leitfähig mit dem Energiespeicher 110 verbunden sein.
  • Zusammenfassend weist die in 3c gezeigte Energiespeicherzelle 300 keine ohmschen Kontakte, acht kapazitive Kontakte (die Anschlusskontakte der Kommunikationsanschlüsse 105, 205 und der Versorgungsanschlüsse 332, 334) auf und ist ausgebildet, um eine Temperaturmessung, keine Spannungsmessung und keinen passiven Zellenspannungsausgleich durchzuführen.
  • 3d zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Energiespeicherzelle 300i und einer zweiten Energiespeicherzelle 300j.
  • Die Energiespeicherzellen 300i, 300j stellen jeweils eine mögliche Implementierung der Energiespeicherzelle 100 gemäß 1 dar.
  • Wie aus 3d ersichtlich, ist der Aufbau der ersten Energiespeicherzelle 300i identisch zu dem Aufbau der zweiten Energiespeicherzelle 300j. Daher wird im Folgenden nur die erste Energiespeicherzelle 300i stellvertretend für die zweite Energiespeicherzelle 300j beschrieben.
  • Die in 3d gezeigte Energiespeicherzelle 300i unterscheidet sich von der in 3a gezeigten Energiespeicherzelle 300a, lediglich dadurch, dass eine Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203f der Energiespeicherzelle 300i nicht ausgebildet ist, um einen passiven Zellenspannungsausgleich durchzuführen. In anderen Worten fehlt der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203f im Vergleich zu der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203b die passive Zellenspannungsausgleichsschaltung 211.
  • Zusammenfassend weist die Energiespeicherzelle 300i zwei ohmsche Kontakte 219a, 219b, vier kapazitive Kontakte (die Anschlusskontakte der Kommunikationsanschlüsse 105, 205) auf und ist ausgebildet, um eine Temperaturmessung durchzuführen, eine Spannungsmessung durchzuführen, aber nicht, um einen passiven Zellenspannungsausgleich durchzuführen.
  • 3e zeigt auf der linken Seite eine schematische Darstellung der Energiespeicherzelle 300a sowie auf der rechten Seite ein Trägersubstrat 331, auf dem die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203b mit dem Ausgleichswiderstand 221 und dem Temperatursensor 213 sowie die beiden Kommunikationsanschlüsse 105, 205 angeordnet sind.
  • Der hier gezeigte Aufbau der Energiespeicherzelle 300a unterscheidet sich von dem in 2b gezeigten Aufbau der Energiespeicherzelle 200a lediglich dadurch, dass der erste Kommunikationsanschluss 105 und der zweite Kommunikationsanschluss 205 anstatt einem Anschlusskontakt (aufgrund der differentiellen Auslegung) jeweils zwei Anschlusskontakte aufweisen, daher sei an dieser Stelle auf die Beschreibung zu 2b verwiesen.
  • Dasselbe gilt auch für den Vergleich zwischen dem in 3e gezeigten Trägersubstrat 331 im Vergleich zu dem in 2b gezeigten Trägersubstrat 231.
  • 3f zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeicherzellenmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In dem in 3f gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Energiespeicherzellenmodul 305 vier Energiespeicherzellen 300a auf, welche so aneinander gereiht sind, dass mindestens ein Kommunikationsanschluss eines ersten Energiespeicherzellenmoduls 300a mit mindestens einem Kommunikationsanschluss eines zweiten Energiespeicherzellenmoduls 300a gekoppelt ist, so dass eine drahtlose Übertragung zwischen zwei benachbarten Energiespeicherzellen basierend auf der Kopplung ihrer Kommunikationsanschlüsse möglich ist.
  • Wie aus 3f ersichtlich, können dabei die Kommunikationsanschlüsse von hintereinander gestapelten Energiespeicherzellenmodulen 300a direkt gegenüberliegend voneinander angeordnet sein oder mit anderen Worten kann sich in einer Abstrahlrichtung eines Kommunikationsanschlusses eines der Energiespeicherzellenmodule ein weiterer Kommunikationsanschluss eines diesem Energiespeicherzellenmodul benachbarten Energiespeicherzellenmoduls befinden.
  • Bei dem in 3f gezeigten Ausführungsbeispiel sind keine zusätzlichen Koppelelemente zwischen den Kommunikationsanschlüssen benachbarter Energiespeicherelemente nötig.
  • Obwohl in dem in 3f gezeigten Ausführungsbeispiel das Energiespeicherzellenmodul 350 eine Mehrzahl der Energiespeicherzellen 300a aufweist, so ist es gemäß weiteren Ausführungsbeispielen natürlich auch möglich, diese Energiespeicherzellen durch andere Energiespeicherzellen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung (wie beispielsweise eine der Energiespeicherzellen 200a, 300e, 300g, 300i) zu ersetzen.
  • Bei Energiespeicherzellenmodulen in denen beispielsweise die Energiespeicherzelle 300e und/oder die Energiespeicherzelle 300g Verwendung finden, welche jeweils eine externe Versorgungsspannungszuführung aufweisen, können dementsprechend zusätzlich auf dem Trägersubstrat 231 die Versorgungsanschlüsse 332, 334 angeordnet sein. Dabei ist dann wieder ein Versorgungsanschluss einer Energiespeicherzelle mit einem Versorgungsanschluss einer benachbarten Energiespeicherzelle gekoppelt (beispielsweise direkt gegenüber angeordnet). Auch hier ist kein zusätzliches Koppelelement zwischen zwei gegenüber voneinander angeordneten Versorgungsanschlüssen nötig.
  • 3g zeigt eine schematische Darstellung der Energiespeicherzelle 300a mit einer zusätzlichen Kühlplatte 243, welche auf einer Außenseite der Energiespeicherzelle 300a angeordnet ist.
  • Wie auch schon bei dem in 2c gezeigten Ausführungsbeispiel weist auch hier die Kühlplatte 243 eine Öffnung 245 auf, welche sich von einer der Energiespeicherzelle 300a (bzw. dem Energiespeicher 101 der Energiespeicherzelle 300a) zugewandten Seite der Kühlplatte 243 zu einer der Energiespeicherzelle 300a (bzw. dem Energiespeicher 101) abgewandten Seite der Kühlplatte 243 erstreckt.
  • Wie auch schon bei dem in 2c gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch hier der erste Kommunikationsanschluss 105 auf einer zusätzlichen Schicht (die als Erhöhung dient) angeordnet sein, so dass der Kommunikationsanschluss 105 flächig mit der der Energiespeicherzelle 300a abgewandten Seite der Kühlplatte 243 abschließt.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Kühlplatte 243 beispielsweise Graphit, Kupfer und/oder Aluminium aufweisen bzw. aus einem oder mehreren dieser Materialien bestehen.
  • 3h zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeicherzellenmoduls 352 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Das Energiespeicherzellenmodul 352 unterscheidet sich von dem in 3g gezeigten Energiespeicherzellenmodul 350 dadurch, dass zwischen den Energiespeicherzellen 300a zusätzlich Kühlplatten 243 angeordnet sind. Mit anderen Worten weist das Energiespeicherzellenmodul 352 einen Stapel der Energiespeicherzellen 300a auf, wobei zwischen benachbarten Energiespeicherzellen 300a jeweils eine Kühlplatte 243 angeordnet ist. Die Kühlplatten 243 weisen dabei jeweils die Öffnung 245 auf, in welcher sich die Kommunikationsanschlüsse 105, 205 der Energiespeicherzellen 300a befinden.
  • 4a zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Energiespeicherzelle 400a und einer zweiten Energiespeicherzelle 400b gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
  • Wie auch schon die anderen Ausführungsbeispiele können die Energiespeicherzellen 400a und 400b eine mögliche Implementierung der in 1 abstrakt dargestellten Energiespeicherzelle 100 bilden.
  • Wie aus 4a ersichtlich, ist der Aufbau der Energiespeicherzellen 400a, 400b identisch, so dass im Folgenden stellvertretend nur die Energiespeicherzelle 400a beschrieben wird.
  • Die Energiespeicherzelle 400a unterscheidet sich von der in 3a gezeigten Energiespeicherzelle 300a dadurch, dass sie anstatt von zwei Kommunikationsanschlüssen lediglich einen Kommunikationsanschluss 105 aufweist.
  • Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Kommunikationsanschluss 105 nicht auf einer Vorder- oder Rückseite der Energiespeicherzelle 400a angeordnet wird, sondern seitlich an dieser (wie auch noch anhand von 4b gezeigt wird), so dass in einer Anordnung der Energiespeicherzellen 400a, 400b in einem Energiespeicherzellenmodul die Energiespeicherzellen 400a, 400b nicht in Reihe geschaltet sind, sondern parallel zueinander.
  • Die Kommunikationsanschlüsse mehrerer Energiespeicherzellen 400a, 400b können dann beispielsweise mit einem Koppelelement miteinander gekoppelt werden.
  • Wie aus 4a weiterhin ersichtlich, kann die bidirektionale Signalübertragung sowohl differentiell als auch single-ended erfolgen.
  • Natürlich ist auch bei der in 4a gezeigten Energiespeicherzelle 400a eine Erweiterung dahin gehend möglich, dass deren Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203g ihre nötige Versorgungsspannung von extern bezieht. So kann die Energiespeicherzelle 400a beispielsweise um zusätzliche Versorgungsanschlüsse erweitert werden, mittels denen eine Versorgung der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203g bereitgestellt werden kann.
  • Zusammenfassend weist die in 4a gezeigte Energiespeicherzelle 400a zwei ohmsche Kontakte 219a, 219b und zwei kapazitive Kontakte (die beiden Anschlusskontakte des ersten Kommunikationsanschlusses 105) auf und ist ausgebildet, um einen passiven Zellenspannungsausgleich, eine Temperaturmessung und eine Spannungsmessung durchzuführen.
  • Ferner ist bei der Energiespeicherzelle 400a der erste Kommunikationsanschluss 105 an einer Seite oder Fläche der Energiespeicherzelle 400a angeordnet, deren Normalenvektor senkrecht zu einer Schichtstapelrichtung steht, in der in einer Anwendung der Energiespeicherzelle 400a an einem Energiespeicherzellenmodul mehrere Energiespeicherzellen 400a gestapelt angeordnet sind.
  • 4b zeigt eine schematische Darstellung der Energiespeicherzelle 400a. Wie aus 4b ersichtlich, kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 203g mit dem Ausgleichswiderstand 221 und dem Temperatursensor 213 direkt auf dem Energiespeicher 101 angeordnet sein. Ferner wird deutlich, dass der Kommunikationsanschluss 105 an einer Seite der Energiespeicherzelle 400a angeordnet ist, die bei einer Anordnung der Energiespeicherzelle 400a in einem Energiespeicherzellenmodul nicht einer weiteren, mit der Energiespeicherzelle 400a in einer Stapelrichtung in dem Energiespeicherzellenmodul angeordneten Energiespeicherzelle 400a zugewandt ist.
  • Die in den 4a und 4b gezeigte Energiespeicherzelle 400a bietet damit eine ideale Lösung für prismatische Energiespeicherzellen (Energiespeicherzellen prismatischer Form) mit differentieller kapazitiver aber auch single ended Datenübertragung von der Zelle zum Modulgehäuse.
  • Mit anderen Worten ist die Energiespeicherzelle 400a ausgebildet, um Daten direkt (ohne den Umweg über andere Energiespeicherzellen zu gehen) zu einer Managementplatine, welche beispielsweise an einem Energiespeicherzellenmodul angeordnet ist, zu übertragen.
  • 4c zeigt ein Energiespeicherzellenmodul 450 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Energiespeicherzellenmodul 450 weist eine Mehrzahl der Energiespeicherzellen 400a auf. Die Energiespeicherzellen 400a sind in einer Stapelrichtung (gekennzeichnet durch den Pfeil 401) angeordnet.
  • Im Gegensatz zu den Energiespeicherzellenmodulen 350, 352 weist das Energiespeicherzellenmodul 450 zusätzlich ein Koppelelement 403 auf (welches in dem in 4c gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine erste Koppelleiste 403a und eine zweite Koppelleiste 403b realisiert ist). Das Koppelelement 403 ist ausgebildet, um mit den ersten Kommunikationsanschlüssen 105 der Energiespeicherzellen 400a gekoppelt zu werden (beispielsweise kapazitiv, induktiv oder optisch). In dem in 4c gezeigten Beispiel ist eine kapazitive Kopplung gezeigt. Ferner ist das Koppelelement 403 ausgebildet, um basierend auf der Kopplung zwischen dem Koppelelement 403 und den ersten Kommunikationsanschlüssen 105 drahtlos Daten zwischen dem Koppelement 403 und den ersten Kommunikationsanschlüssen 105 zu übertragen.
  • In dem in 4c gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Koppelleiste 403a mit ersten Anschlusskontakten der ersten Kommunikationsanschlüsse 105 gekoppelt und die zweite Koppelleiste 403b mit zweiten Anschlusskontakten der ersten Kommunikationsanschlüsse 105 gekoppelt.
  • Die in 4c gezeigte Anordnung der Energiespeicherzellen 400a hat den Vorteil, dass in einem Fehlerfall eine Batterie oder Energiespeicherzelle 400a von dem durch das Koppelelement 403 gebildeten Bus getrennt werden kann, ohne dabei einen Einfluss auf die anderen Energiespeicherzellen 400a an diesem Bus zu haben.
  • Zusammenfassend ist bei dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel ein Kommunikationsanschluss 105 einer ersten Energiespeicherzelle 400a mit einem Kommunikationsanschluss 105 einer zweiten Energiespeicherzelle 400a mittels dem Koppelelement 403 gekoppelt. Das Koppelelement 403 verläuft dabei in einer Stapelrichtung 401 der Energiespeicherzellen 400a, die von der ersten Energiespeicherzelle 400a zur zweiten Energiespeicherzelle 400a verläuft.
  • Mit anderen Worten verläuft das Koppelelement 403 mindestens von einer Außenseite der ersten Energiespeicherzelle 400a zu einer Außenseite der zweiten Energiespeicherzelle 400a, wobei diese beiden Außenseiten nicht zueinander zugewandt sind, beispielsweise so, dass deren Normalenvektoren senkrecht zu der Stapelrichtung 401 der Energiespeicherzellen 400a stehen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Koppelelement 403 auch an anderen Flächen der Energiespeicherzellen 400a angeordnet sein, als dies in 4c gezeigt ist. So ist beispielsweise auch eine Anordnung des Koppelelements 403a an sämtlichen Außenflächen der Energiespeicherzellen 400a (beispielsweise zusätzlich zu den seitlichen, obere und untere) verwendbar, welche ermöglichen, dass sich das Koppelement über mehrere Energiespeicherzellen 400a (beispielsweise über mehr als 2 Energiespeicherzellen) hinweg erstreckt
  • Im Folgenden sollen einige Aspekte von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zusammengefasst werden.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Energiespeicherzelle 400a (im Folgenden auch als Batteriezelle bezeichnet) mit der Fähigkeit, drahtlos mit der Nachbarzelle zu kommunizieren und/oder die eine eigenständige Datenübertragung aufweist.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit integriertem Temperatursensor.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit mehreren verteilten Temperatursensoren.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit integriertem Drucksensor.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit mehreren verteilten Drucksensoren.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit integriertem Spannungssensor.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit integriertem Stromsensor (z. B. Hall-Effekt Stromsensor um den Strom durch die Energiespeicherzelle zu messen).
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit integriertem Widerstand 221 für eine passive Zellsymmetrierung.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit einem integrierten Schalter (wie beispielsweise den Transistor 223) für die passive Zellsymmetrierung.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit integriertem Widerstand (beispielsweise der Ausgleichswiderstand 221) für eine Zellheizung.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann für Zellheizung und passive Zellsymmetrierung der gleiche Ausgleichswiderstand 221 verwendet werden. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann aber auch eine Batteriezelle einen ersten Widerstand oder eine erste Mehrzahl von Widerständen für die passive Zellsymmetrierung aufweisen und einen zweiten Widerstand oder eine zweite Mehrzahl von Widerständen für die Zellheizung aufweisen.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit integrierter kapazitiver Kopplung zur Nachbarzelle.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit integrierter induktiver Kopplung zur Nachbarzelle.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Datenübertragung durch die oben genannte Kopplung erfolgen.
  • Ferner kann bei einigen Ausführungsbeispielen auch eine Energieübertragung über die oben genannte Kopplung erfolgen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können sowohl die Datenübertragung als auch die Energieübertragung über ein und dieselbe Kopplung (beispielweise unter Verwendung eines Modulationsverfahrens) erfolgen.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Datenübertragung durch die Kopplung aber mit einer Energieversorgung aus der Batteriezelle erfolgen.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Datenübertragung sowie die Energieversorgung bzw. Energieübertragung mittels der oben genannten Kopplung erfolgen.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle mit den oben genannten Ausführungen, wobei diese Ausführungen direkt auf einer Batterieverpackung dieser aufgebaut sind.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle, wobei die oben genannten Ausführungen anhand druckbarer Elektronik gefertigt sind.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Batteriezelle, wobei die oben genannten Ausführungen auf einer Extrafolie, die zusätzlich auf der Batteriezelle aufgebracht wird (beispielsweise in Form des flexiblen Trägersubstrats 231, 331) aufgebaut sind.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Batteriezelle, wobei die Ausführungen auf einer Extrafolie (beispielsweise in Form des Trägesubstrats 231, 331), die zusätzlich um die Batteriezelle aufgebaut wird, aufgebaut sind.
  • Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Überwachungselektronik oder Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 die Temperatur und die Spannung jeder einzelnen Energiespeicherzelle messen. Eine übergeordnete Managementelektronik (welche beispielsweise Bestandteil eines Energiespeicherzellenmoduls ist) bestimmt den Ladezustand (SOC: State of Charge), den Alterungsgrad (SOH: State of Health) und den Leistungszustand (SOF: State of Function) des Energiepacks bzw. des Energiespeicherzellenmoduls. Ferner kann diese Managementelektronik ausgebildet sein, um auch die Zellenspannungssymmetrierung (Battery Cell-Voltage Balancing) zu übernehmen. Mit anderen Worten kann die Managementelektronik ausgebildet sein, um basierend auf den von den Energiespeicherzellen gelieferten erfassten Eigenschaften Steuersignale, beispielsweise zum passiven Zellenspannungsausgleich, den Energiespeicherzellen bereitzustellen.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen neuartigen und vorteilhaften Aufbau bzw. eine vorteilhafte Topologie für ein Batterieüberwachungs- und Managementsystem. Diese Topologie umfasst gemäß einigen Ausführungsbeispielen sowohl die Energieversorgung als auch die Datenübertragung, wie sie in einem derartigen System benötigt werden kann.
  • Ferner schaffen einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Energiespeicherzelle mit kontaktloser und eigenständiger Datenübertragung.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Energiespeicherzelle (bzw. ein Energiespeicher der Energiespeicherzelle) eine Akkumulatorzelle/Batteriezelle.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Energiespeicherzelle (bzw. ein Energiespeicher der Energiespeicherzelle) ein Superkondensator.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Energiespeicherzelle (bzw. ein Energiespeicher der Energiespeicherzelle) ein Lithium-Ionen-Kondensator.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine zylindrische Form aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine Pouch-Zellenform oder eine Coffee-Bag-Form aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine prismatische Form aufweisen.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Anordnung von Energiespeicherzellen (beispielsweise in Form eines Energiespeicherzellenmoduls), die in Serie geschaltet sind.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Anordnung von Energiespeicherzellen (beispielsweise in Form eines Energiespeicherzellenmoduls), die parallel geschaltet sind.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Temperatursensor 213 aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle aber auch mehrere Temperatursensoren 213 aufweisen, welche über die Energiespeicherzelle verteilt angeordnet sind.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Drucksensor aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle aber auch mehrere Drucksensoren aufweisen, welche über die Energiespeicherzelle verteilt angeordnet sind.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Spannungssensor aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Stromsensor aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Widerstand 221 aufweisen (beispielsweise für eine passive Zellsymmetrierung und/oder Zellheizung).
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle auch mehrere Widerstände aufweisen, welche über die Energiespeicherzelle (beispielsweise für passive Zellsymmetrierung und/oder Zellheizung) verteilt angeordnet sind.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Halbleiterschalter (z. B. den Transistor 223) für eine passive Zellsymmetrierung und/oder Zellheizung aufweisen.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine (single-ended oder differentielle) kapazitive Kopplung zur Nachbarzelle aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine (single-ended oder differentielle) kapazitive Kopplung zum Gehäuse oder zur Platine (beispielsweise mittels des Koppelelements 403) aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine induktive Kopplung zur Nachbarzelle aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine induktive Kopplung zum Gehäuse oder zur Platine aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine optische Kopplung zur Nachbarzelle aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine optische Kopplung zum Gehäuse oder zur Platine aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine wie oben beschriebene Kopplung aufweisen, wobei diese so ausgebildet ist, dass eine Kühlplatte 243 zwischen mehreren Energiespeicherzellen eingefügt werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kommunikationsanschlüsse auf einer erhöhten Schicht angeordnet sind und zwar in einer Öffnung 245 der Kühlplatte 243.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Mikrocontroller 215 aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Kryptoprozessor aufweisen, der Antifälschungsalgorithmen beinhaltet.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Analog-zu-Digital-Wandler für die Temperatur und/oder Spannungsmessung aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Spannungsregler für die Versorgung der Elektronik (beispielsweise für die Versorgung der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103) aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle einen Gleichrichter 330 für die Versorgung der Elektronik (beispielsweise für die Versorgung der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103) aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherzelle eine dedizierte integrierte Schaltung aufweisen, die zumindest Teile der Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 beinhaltet.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 diskret aufgebaut sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherüberwachungselektronik in einem System-in-Package (SiP) integriert sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung 103 anhand druckbarer Elektronik hergestellt sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Energiespeicherüberwachungseinrichtung aber auch anhand einer Kombination der oben genannten Möglichkeit realisiert sein.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen erfolgt eine Datenübertragung durch die oben genannte Kopplung.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt auch eine Energieübertragung durch die oben genannte Kopplung.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen erfolgt die Datenübertragung durch die Kopplung während die Energieversorgung aus der Energiespeicherzelle (beispielsweise aus dem Energiespeicher 101) erfolgt.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt die Datenübertragung durch die Kopplung und auch die Energieversorgung bzw. Energieübertragung durch die Kopplung.
  • Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Teil oder die gesamte Energiespeicherüberwachungseinrichtung direkt auf der Batterieverpackung/Außenhülle der Energiespeicherzelle aufgebaut sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Teil oder die gesamte Energiespeicherüberwachungseinrichtung direkt in die Energiespeicherzelle integriert sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Teil oder die gesamte Energiespeicherüberwachungseinrichtung auf einem flexiblen Trägersubstrat (wie beispielsweise auf dem Trägersubstrat 231, 331) aufgebaut sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Teil oder die gesamte Energiespeicherüberwachungseinrichtung auf einem flexiblen Substrat, das zusätzlich auf der Energiespeicherzelle aufgebracht wird, aufgebaut sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Teil oder die gesamte Energiespeicherüberwachungseinrichtung auf einem zusätzlichen flexiblen Trägersubstrat, das zusätzlich um die Energiespeicherzelle aufgebracht wird, aufgebaut sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das flexible Trägersubstrat aus mehreren flexiblen Substraten (beispielsweise aus den Teilen 235a, 235b, 235c) zusammengesetzt sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann/können eines oder mehrere der flexiblen Substrate aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen, bzw. eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Kunststoff (z. B. Thermoplast, Polyimid), Keramik(-folie), Glas(-folie), Papier.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Trägersubstrat 231, 331 auch nur ein flexibles Teil sein, das auf die Energiespeicherzelle geklebt wird oder kann sogar die Hülle der Energiespeicherzelle bilden.
  • Im Folgenden sollen Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zusammengefasst werden.
  • Monitoring (Überwachung) und Balancing (Ausgleich) wird auf jeder einzelnen Energiespeicherzelle durchgeführt und nicht mehr auf Modulebene, was mehr Zuverlässigkeit und weniger Aufwand beim Aufbau/Fertigung bringt, so dass die Kontaktierung wesentlich vereinfacht wird (z. B. nur noch zwei Leistungskontakte und zwei kapazitive Kontakte).
  • Keine teuren und komplexen Monitoring-Platinen mehr notwendig (früher hatte jedes einzelne Modul seine Monitoring-Platine und jede Monitoring-Platine kommunizierte mit der übergeordneten Management-Platine).
  • Sehr viel mehr Flexibilität und Modularität: die Energiespeicherzelle beinhaltet schon die Temperatur- und Spannungsmessungen, sowie die Balancing-Schaltung, und ermöglicht dadurch zzgl. die Aufheizung/Temperierung der Energiespeicherzelle.
  • Die Kontaktierung und Verdrahtung der Energiespeicherzelle reduziert sich auf zwei Leistungsanschlüsse (ohmsche Kontakte) und zwei kapazitive Kontakte (oder 1 induktiver Kontakt).
  • Der Batteriemodul- und Batteriepackentwickler (TIER 1) kümmert sich nur noch um die Kontaktierung der Leistungsanschlüsse und der Datenanschlüsse.
  • Batteriemanagementsysteme können jetzt standardisiert werden (Kommunikationsprotokoll über kapazitive Übertragung) → Reduzierung der Entwicklungskosten → Economy of Scales.
  • Die kapazitive (induktive, optische) Übertragung bringt eine kosteneffiziente (kostengünstigste) Lösung: der interne CAN-Bus (iCAN) fällt komplett weg und damit werden auch die teuren CAN-Transceiver mit 1 kV galvanischer Isolation überflüssig.
  • Der Energiespeicherhersteller (d. h. der Akkumulatorhersteller) liefert die Energiespeicherzellen (Batteriezellen) mit perfekt angepasster und integrierter Elektronik.
  • Die mitintegrierte Elektronik ermöglicht den Schutz vor gefälschten Energiespeicherzellen.
  • Die Temperaturmessung findet auf jeder Energiespeicherzelle statt ohne jeglichen zusätzlichen Aufwand bei der Kontaktierung auf der Modulebene.
  • Die Kontaktierung des Datenbusses (kapazitive, induktive oder optische Übertragung) ist gegenüber Korrosion, Vibration und mechanischer Belastung durch Temperaturwechselzyklen unempfindlich.
  • Drastische Verringerung des Time-to-Market bei der Entwicklung eines Energiespeicherpacks (bzw. Batteriepack für Elektrofahrzeuge), da keine Monitoring-Platinen (und auch kein Monitoring IC) mehr entwickelt werden müssen und da beispielsweise eine Standard-Management-Platine einfach vom Fachhersteller eingekauft werden kann (neues Geschäft für Energiespeicherhersteller bzw. Batteriehersteller). Zusätzlich ist durch dieses neue Konzept deutlich mehr Flexibilität gegeben. Die Entwicklung eines neuen Packs besteht dann hauptsächlich „nur noch” aus CAD-Design (Form und Kühlung), da die Elektronik (Hardware oder Software) nicht modifiziert werden muss (von einem Batteriepack zum anderen).
  • Mit einer geeigneten Kontaktierung der beiden Leistungsanschlüsse an der Energiespeicherzelle ist der Austausch einer defekten Zelle in einem Modul problemlos möglich (Einsparung bei Wartungskosten für den Kunden).
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Claims (36)

  1. Energiespeicherzelle (100; 200a, 200b; 300a–300j; 400a, 400b) mit den folgenden Merkmalen: einem Energiespeicher (101); einer Energiespeicherüberwachungseinrichtung (103, 203a–203g), die ausgebildet ist, um eine Eigenschaft (107) des Energiespeichers (101) zu erfassen; und einem ersten Kommunikationsanschluss (105), der ausgebildet ist, um für eine drahtlose Übertragung der erfassten Eigenschaft (107) mit einem weiteren Kommunikationsanschluss (109), der zu der Energiespeicherzelle (100; 200a, 200b; 300a–300j; 400a, 400b) extern ist, gekoppelt zu werden.
  2. Energiespeicherzelle (100; 200a, 200b; 300a–300j; 400a, 400b) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Kommunikationsanschluss (105) an einer Außenseite der Energiespeicherzelle (100; 200a, 200b; 300a–300j; 400a, 400b) angeordnet ist.
  3. Energiespeicherzelle (100; 200a, 200b; 300a–300j; 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der erste Kommunikationsanschluss (105) ausgebildet ist, um die erfasste Eigenschaft (107) basierend auf einer kapazitiven, induktiven oder optischen Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss (105) und dem weiteren Kommunikationsanschluss (109) zu übertragen.
  4. Energiespeicherzelle (100; 200a, 200b; 300a–300j; 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Abstrahlrichtung, in welcher der erste Kommunikationsanschluss (105) mit dem weiteren Kommunikationsanschluss (109) für die drahtlose Übertragung gekoppelt werden kann, fest vorgegeben ist.
  5. Energiespeicherzelle (100; 200a, 200b; 300a–300j; 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Kommunikationsanschluss (105) einen Oberflächenbereich aufweist, welcher ausgebildet ist, um mit dem weiteren Kommunikationsanschluss (109) in Kontakt gebracht zu werden; und wobei der Oberflächenbereich des ersten Kommunikationsanschlusses (105) nicht elektrisch leitfähig ist.
  6. Energiespeicherzelle (200a; 300a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Energiespeicherzelle (200a; 300a) eine Kühlplatte (243) aufweist, welche an einer Außenseite des Energiespeichers (101) angeordnet ist; wobei die Kühlplatte (243) eine Durchgangsöffnung (245) aufweist, die sich von einer dem Energiespeicher (101) zugewandten Seite der Kühlplatte (243) zu einer dem Energiespeicher (101) abgewandten Seite der Kühlplatte (243) erstreckt; und wobei der erste Kommunikationsanschluss (105) in der Durchgangsöffnung (245) der Kühlplatte (243) angeordnet ist.
  7. Energiespeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Energiespeicherzelle eine Kühlplatte aufweist, welche an einer Außenseite des Energiespeichers angeordnet ist; wobei der erste Kommunikationsanschluss auf der Kühlplatte angeordnet ist.
  8. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend: einen zweiten Kommunikationsanschluss (205), welcher ausgebildet ist, um für eine drahtlose Datenübertragung mit einem anderen Kommunikationsanschluss (209), der zu der Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j) extern ist, gekoppelt zu werden.
  9. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j) gemäß Anspruch 8, wobei der erste Kommunikationsanschluss (105) und der zweite Kommunikationsanschluss (205) so ausgebildet sind, dass eine Art der Kopplung zwischen dem ersten Kommunikationsanschluss (105) und dem weiteren Kommunikationsanschluss (109) identisch zu einer Art der Kopplung zwischen dem zweiten Kommunikationsanschluss (205) und dem anderen Kommunikationsanschluss (209) ist, wenn der erste Kommunikationsanschluss (105) mit dem weiteren Kommunikationsanschluss (109) gekoppelt ist und der zweite Kommunikationsanschluss (205) mit dem anderen Kommunikationsanschluss (209) gekoppelt ist.
  10. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der erste Kommunikationsanschluss (105) auf einer ersten Seite (233a) der Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j) angeordnet ist und der zweite Kommunikationsanschluss (205) auf einer zweiten, der ersten Seite (233a) gegenüberliegenden Seite (233b) der Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j) angeordnet ist.
  11. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203a–203f) ausgebildet ist, um Datensignale über den ersten Kommunikationsanschluss (105) oder den zweiten Kommunikationsanschluss (205) zu empfangen und auszuwerten, und um, falls sie über einen Kommunikationsanschluss aus dem ersten Kommunikationsanschluss (105) und dem zweiten Kommunikationsanschluss (205) ein Datensignal empfangen hat und eine Auswertung des Datensignals ergeben hat, dass das Datensignal nicht für die Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j) bestimmt war, das Datensignal an dem Kommunikationsanschluss aus dem ersten Kommunikationsanschluss (105) und dem zweiten Kommunikationsanschluss (205) zur drahtlosen Weiterleitung bereitzustellen, an dem das Datensignal nicht empfangen wurde.
  12. Energiespeicherzelle (400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203g) ausgebildet ist, um Datensignale über den ersten Kommunikationsanschluss (105) zu empfangen und auszuwerten, und um, falls eine Auswertung eines Datensignals ergeben hat, dass das Datensignal nicht für die Energiespeicherzelle (400a, 400b) bestimmt war, das Datensignal zu verwerfen.
  13. Energiespeicherzelle (300e–300h) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner aufweisend: einen ersten Versorgungsanschluss (332), der ausgebildet ist, um für eine drahtlose Energieversorgung der Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203d, 203e) mit einem weiteren Versorgungsanschluss (336), der zu der Energiespeicherquelle (300e–300h) extern ist, gekoppelt zu werden.
  14. Energiespeicherzelle (300e–300h) gemäß Anspruch 13, ferner aufweisend: einen zweiten Versorgungsanschluss (334), der mit dem ersten Versorgungsanschluss (332) leitfähig gekoppelt ist und der ausgebildet ist, um zumindest einen Teil einer von dem weiteren Versorgungsanschluss (336) zu dem ersten Versorgungsanschluss (332) drahtlos übertragenen Energie drahtlos auf einen anderen Versorgungsanschluss (332, 338), der zu der Energiespeicherzelle (300e–300h) extern ist, zu übertragen.
  15. Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 14, wobei der erste Versorgungsanschluss (332) auf einer ersten Seite der Energiespeicherzelle (300e–300h) angeordnet ist und der zweite Versorgungsanschluss (334) auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite, der Energiespeicherzelle (300e–300h) angeordnet ist.
  16. Energiespeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der erste Versorgungsanschluss einen ersten Anschlusskontakt und einen zweiten Anschlusskontakt aufweist; und wobei der erste Anschlusskontakt und der zweite Anschlusskontakt auf derselben Seite der Energiespeicherzelle angeordnet sind.
  17. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j; 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203a–203g) an einer Außenseite des Energiespeichers (101) angeordnet ist.
  18. Energiespeicherzelle (200a; 300a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, ferner aufweisend ein Trägersubstrat (231, 331), welches an einer Außenoberfläche des Energiespeichers (101) angeordnet ist und auf dem die Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203a, 203b) angeordnet ist.
  19. Energiespeicherzelle (200a, 300a) gemäß Anspruch 18, wobei das Trägersubstrat (231, 331) so an dem Energiespeicher (101) angeordnet ist, dass ein erster Teil (235a) des Trägersubstrats (231, 331) an einer ersten Seite des Energiespeichers (101) angeordnet ist und ein zweiter Teil (235b) des Trägersubstrats (231, 331) an einer zweiten Seite des Energiespeichers (101) angeordnet ist.
  20. Energiespeicherzelle (200a, 300a) gemäß Anspruch 19, wobei die erste Seite des Energiespeichers (101) gegenüberliegend zu der zweiten Seite des Energiespeichers (101) ist; und wobei der erste Teil (235a) des Trägersubstrats (231, 331) und der zweite Teil (235b) des Trägersubstrats (231, 331) mittels eines dritten Teils (235c) des Trägersubstrats (231, 331), welcher sich von der ersten Seite des Energiespeichers (101) zu der zweiten Seite des Energiespeichers (101) erstreckt, verbunden sind.
  21. Energiespeicherzelle (200a; 300a) gemäß Anspruch 20, wobei zumindest der dritte Teil (235c) des Trägersubstrats (231, 331) flexibel ist.
  22. Energiespeicherzelle (200a; 300a) gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, wenn zurückbezogen auf Anspruch 8, wobei der erste Kommunikationsanschluss (105) auf dem ersten Teil (235a) des Trägersubstrats (231, 331) angeordnet ist und der zweite Kommunikationsanschluss (205) auf dem zweiten Teil (235b) des Trägersubstrats (231, 331) angeordnet ist.
  23. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300j; 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203a–203g) ausgebildet ist, um eine Temperatur des Energiespeichers (101) als die Eigenschaft (107) zu erfassen.
  24. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300f; 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203a–203d, 203g) einen Ausgleichwiderstand (221) aufweist und ausgebildet ist, um mittels des Ausgleichswiderstands (221) eine Zellsymmetrierung durchzuführen.
  25. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300f; 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203a–203d; 203g) ferner eine Zellheizung aufweist.
  26. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a–300f; 400a, 400b) gemäß Anspruch 25, wenn zurückbezogen auf Anspruch 24, wobei die Zellheizung den Ausgleichswiderstand (221) als Heizelement aufweist.
  27. Energiespeicherzelle (300g, 300h) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23 oder Anspruch 25, wobei die Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203e) elektrisch von dem Energiespeicher (101) isoliert ist.
  28. Energiespeicherzelle (200a, 200b; 300a, 300b, 300i, 300j; 400a, 400b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei die Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203a, 203b, 203f, 203g) ausgebildet ist, um eine Spannung an dem Energiespeicher (101) als die Eigenschaft (107) zu erfassen oder als eine weitere Eigenschaft zu erfassen und an dem ersten Kommunikationsanschluss (105) und/oder einem zweiten Kommunikationsanschluss (205) zur drahtlosen Übertragung bereitzustellen.
  29. Energiespeicherzellenmodul (350, 352; 450) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Energiespeicherzelle (200a; 300a; 400a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28; einer zweiten Energiespeicherzelle (200a; 300a; 400a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28; wobei für eine drahtlose Datenübertragung zumindest ein Kommunikationsanschluss (105, 205) der ersten Energiespeicherzelle (200a, 300a, 400a) mit einem Kommunikationsanschluss (105, 205) der zweiten Energiespeicherzelle (200a, 300a, 400a) gekoppelt ist.
  30. Energiespeicherzellenmodul (350, 352) gemäß Anspruch 29, wobei der Kommunikationsanschluss (105, 205) der ersten Energiespeicherzelle (200a, 300a) und der mit diesem Kommunikationsanschluss (105, 205) gekoppelte Kommunikationsanschluss (105, 205) der zweiten Energiespeicherzelle (200a, 300a) einander direkt gegenüberliegend angeordnet sind.
  31. Energiespeicherzellenmodul (350, 352) gemäß Anspruch 30, wobei die beiden direkt gegenüberliegenden Kommunikationsanschlüsse (105, 205) miteinander in Kontakt stehen, aber elektrisch voneinander isoliert sind.
  32. Energiespeicherzellenmodul (450) gemäß Anspruch 29, wobei der Kommunikationsanschluss (105; 205) der ersten Energiespeicherzelle (400a) und der mit diesem Kommunikationsanschluss (105, 205) gekoppelte Kommunikationsanschluss (105, 205) der zweiten Energiespeicherzelle (400a) mittels eines Koppelelements (403, 403a, 403b), welches in einer Stapelrichtung (401) des Energiespeicherzellenmoduls (450), die von der ersten Energiespeicherzelle (400a) zur zweiten Energiespeicherzelle (400a) verlauft, miteinander gekoppelt sind.
  33. Energiespeicherzellenmodul (450) gemäß Anspruch 32, wobei sich das Koppelelement (403, 403a, 403b) mindestens von einer nicht der zweiten Energiespeicherzelle (400a) zugewandten Außenseite der ersten Energiespeicherzelle (400a) zu einer nicht der ersten Energiespeicherzelle (400a) zugewandten Außenseite der zweiten Energiespeicherzelle (400a) erstreckt.
  34. Trägersubstrat (231, 331) mit folgenden Merkmalen: einem ersten Teil (235a), der ausgebildet ist, um an einer ersten Seite eines Energiespeichers (101) angeordnet zu werden; einem zweiten Teil (235b), der ausgebildet ist, um an einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Energiespeichers (101) angeordnet zu werden; einer auf dem Trägersubstrat (231, 331) angeordneten Energiespeicherüberwachungseinrichtung (203a, 203b), die ausgebildet ist, um eine Eigenschaft des Energiespeichers (101) zu erfassen; einem ersten Kommunikationsanschluss (105), der auf dem ersten Teil (235a) angeordnet ist; einem zweiten Kommunikationsanschluss (205), der auf dem zweiten Teil (235b) angeordnet ist; und wobei zumindest der erste Kommunikationsanschluss (105) ausgebildet ist, um für eine drahtlose Übertragung der erfassten Eigenschaft mit einem weiteren Kommunikationsanschluss (109), der zu dem Trägersubstrat (231, 331) extern ist, gekoppelt zu werden.
  35. Trägersubstrat (231, 331) gemäß Anspruch 34, ferner aufweisend einen dritten Teil (235c), der den ersten Teil (235a) mit dem zweiten Teil (235b) verbindet und der ausgebildet ist, um sich von der ersten Seite (233a) des Energiespeichers (101) zu der zweiten Seite (233b) des Energiespeichers (101) zu erstrecken.
  36. Trägersubstrat (231, 331) gemäß Anspruch 35, wobei zumindest der dritte Teil (235c) flexibel ist.
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