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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungsvorrichtung für eine Batteriezelle, auf eine Batteriezelle und auf ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle, die beispielsweise für ein Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann.
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Der Zustand einer Batteriezelle kann mittels eines Sensors erfasst werden. Der Sensor kann dabei im Inneren der Batteriezelle angeordnet sein.
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Die
DE 10 2008 028 340 A1 beschreibt einen Batteriesensor als integrierte Schaltung, der einen Spannungssensor zum Abtasten einer Spannung einer Batterie und einen Puffer in elektrischer Kommunikation mit dem Spannungssensor umfasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Überwachungsvorrichtung für eine Batteriezelle, eine Batteriezelle und ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Zum Betrieb einer in einer Batteriezelle angeordneten Überwachungsvorrichtung ist es erforderlich, dass die Überwachungsvorrichtung mit Energie versorgt wird. Um eine sichere Energieversorgung der Überwachungsvorrichtung sicherzustellen, können unterschiedliche Energiequellen für die Überwachungsvorrichtung vorgesehen sein. So kann die Überwachungsvorrichtung einerseits dafür ausgelegt sein, durch die Batteriezelle selbst mit Energie versorgt zu werden und anderseits dafür ausgelegt sein, von einer Batteriezellen-externen Energieversorgung mit Energie versorgt zu werden. Auf diese Weise kann die Überwachungsvorrichtung unabhängig von einem Betriebszustand der Batteriezelle betrieben werden. Insbesondere kann die Überwachungsvorrichtung auch dann noch betrieben werden, nachdem ein Schutzmechanismus der Batteriezelle ausgelöst wurde, durch den die Batteriezelle deaktiviert wurde.
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Eine solche Ausführung der Energieversorgung der Überwachungseinrichtung eignet sich auch zur Realisierung einer Vierdrahtmessung, bei der eine Spannung der Batteriezelle sehr genau gemessen werden kann.
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Eine Überwachungsvorrichtung für eine Batteriezelle, die einen ersten Batteriekontakt und einen zweiten Batteriekontakt, eine galvanische Zelle mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, eine erste elektrische Leitung zum Verbinden des ersten Batteriekontakts mit dem ersten Anschluss, eine zweite elektrische Leitung zum Verbinden des zweiten Batteriekontakts mit dem zweiten Anschluss und eine Schutzeinrichtung zum Eindämmen eines Stromflusses durch die erste Leitung aufweist, weist die folgenden Merkmale auf:
einen ersten Kontakt zum elektrisch leitfähigen Verbinden der Überwachungsvorrichtung mit dem ersten Batteriekontakt;
einen zweiten Kontakt zum elektrisch leitfähigen Verbinden der Überwachungsvorrichtung mit dem ersten Anschluss;
einen dritten Kontakt zum elektrisch leitfähigen Verbinden der Überwachungsvorrichtung mit der zweiten Anschlussleitung; und
einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters der Batteriezelle.
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Bei der Batteriezelle kann es sich um eine wiederaufladbare Batteriezelle, beispielsweise eine Akkumulatorzelle handeln. Bei der Batteriezelle kann es sich um eine Batteriezelle handeln, die Antriebsenergie für ein Elektrofahrzeug oder ein Elektrohybrid-Fahrzeug bereitstellen kann. Beispielsweise kann es sich um eine Lithium-Ionen Batteriezelle handeln. Die Batteriezelle kann ein Gehäuse aufweisen, das die galvanische Zelle, die erste Leitung, die zweite Leitung die Schutzeinrichtung zum Eindämmen eines Stromflusses durch die erste Leitung und die Überwachungsvorrichtung umschließt. Der erste und der zweite Batteriekontakt können eine elektrische Kontaktierung der Batteriezelle ermöglichen. Es kann sich beispielsweise um einen Plus-Pol und einen Minus-Pol der Batteriezelle handeln. An den Batteriekontakten kann eine von der galvanischen Zelle bereitgestellte Spannung bereitgestellt werden, sofern ein Stromfluss durch die erste Leitung nicht durch die Schutzeinrichtung unterbrochen ist. Bei der galvanischen Zelle kann es sich um das eigentliche Batterieelement der Batteriezelle, beispielsweise um einen elektro-chemischen Energiespeicher der Batteriezelle handeln. Die galvanische Zelle kann als eine sogenannte Jelly Roll ausgeführt sein. Die Batteriezelle kann mehrere galvanische Zellen aufweisen, die zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss in Serie oder parallel geschaltet sein können. Die Schutzeinrichtung zum Eindämmen eines Stromflusses durch die erste Leitung kann einen Schalter oder ein Schaltelement umfassen. Je nach Ausführungsform der Schutzeinrichtung kann der Stromfluss durch die erste Leitung bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung vollständig unterbunden oder reduziert sein. Beispielsweise kann die Schutzeinrichtung ausgebildet sein, um die erste Leitung, die die galvanische Zelle mit dem ersten Batteriekontakt verbindet, zu unterbrechen, wenn sich die Batteriezelle außerhalb eines zulässigen Betriebszustandes befindet. Beispielsweise kann die Schutzeinrichtung ausgebildet sein, um die erste Leitung abhängig von einer Innentemperatur oder einem Innendruck der Batteriezelle oder der galvanischen Zelle zu unterbrechen oder einen elektrischen Widerstand der ersten Leitung erhöhen. Die Schutzeinrichtung kann so ausgeführt sein, dass eine Unterbrechung oder eine Widerstandsänderung der ersten Leitung reversibel ist oder aber irreversibel ist, ein einmal geöffneter Schalter also beispielsweise nicht wieder geschlossen werden kann. Die Schutzeinrichtung kann als ein passiver Schalter ausgeführt sein. Ein solcher passiver Schalter kann abhängig von einer direkt auf den Schalter einwirkenden physikalischen Größe, beispielsweise Temperatur oder Druck, betätigt werden. Beispielsweise kann als Schutzeinrichtung ein Stromunterbrechungsbaustein, ein sogenanntes current interupt device (CID) oder ein temperaturabhängiger Widerstand, beispielsweise ein PTC-Widerstand, eingesetzt werden. Bei der Überwachungsvorrichtung kann es sich um eine mechanische, elektrische oder elektromechanische Schaltung handeln. Bei der Überwachungsvorrichtung kann es sich um einen Sensor oder ein Sensorsystem handeln. Entsprechend kann es sich bei der Erfassungseinrichtung um eine Sensoreinrichtung oder Messeinrichtung handeln. Bei dem mindestens einen Parameter der Batterie, der von der Erfassungseinrichtung erfasst werden kann, kann es sich beispielsweise um einen Innendruck der Batteriezelle oder der galvanischen Zelle, eine Innentemperatur der Batteriezelle oder der galvanischen Zelle oder eine Spannung der galvanischen Zelle handeln. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen können von der Erfassungseinrichtung ein Parameter oder zumindest zwei unterschiedliche Parameter der Batteriezelle und zusätzlich oder alternativ der galvanischen Zelle erfasst werden. Die Erfassungseinrichtung kann über zumindest einen der Kontakte der Überwachungsvorrichtung mit Energie versorgt werden. Ferner können Daten der Erfassungseinrichtung, die den durch die Erfassungseinrichtung erfassten mindestens einen Parameter repräsentieren, über zumindest einen der Kontakte der Überwachungsvorrichtung ausgegeben werden.
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Die Überwachungsvorrichtung kann eine Versorgungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um der Überwachungseinrichtung eine erste Versorgungsspannung über den ersten Kontakt und zusätzlich oder alternativ über den zweiten Kontakt und eine zweite Versorgungsspannung über den dritten Kontakt zuzuführen. Beispielsweise kann die Versorgungseinrichtung ausgebildet sein, um die erste Versorgungsspannung von dem ersten Kontakt abzugreifen, wenn an dem zweiten Kontakt keine zum Betrieb der Überwachungsvorrichtung ausreichende Versorgungsspannung anliegt, und umgekehrt. Auf diese Weise kann die Energieversorgung der Überwachungsvorrichtung unabhängig von einem Ladezustand der galvanischen Zelle und unabhängig von einem Zustand der Schutzeinrichtung gewährleistet werden.
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Beispielsweise kann die Versorgungseinrichtung ausgebildet sein, um die erste Versorgungsspannung abhängig von einem Zustand der Schutzeinrichtung über den ersten Kontakt oder den zweiten Kontakt zuzuführen. Dazu kann die Versorgungseinrichtung ausgebildet sein, um eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt auszuwerten und basierend auf der Spannungsdifferenz auf den Zustand der Schutzeinrichtung, beispielsweise auf eine Stellung eines Schalters der Schutzeinrichtung zu schließen.
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Die Überwachungsvorrichtung kann einen vierten Kontakt zum elektrisch leitfähigen Verbinden der Überwachungsvorrichtung mit der zweiten Anschlussleitung aufweisen. Beispielsweise kann der vierte Kontakt vorgesehen sein, um eine elektrische Verbindung zu einem der galvanischen Zelle zugewandten Ende der zweiten Leitung herzustellen und der dritte Kontakt kann vorgesehen sein, um eine elektrische Verbindung zu einem dem zweiten Batteriekontakt zugewandten Ende der zweiten Leitung herzustellen. Beispielsweise kann die Überwachungsvorrichtung über den dritten Kontakt mit einer zum Betrieb der Überwachungsvorrichtung erforderlichen Versorgungsspannung versorgt werden. Über den vierten Kontakt kann die Überwachungsvorrichtung beispielsweise eine Spannungsmessung an der galvanischen Zelle vornehmen.
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Die Erfassungseinrichtung kann ausgebildet sein, um eine elektrische Spannung der galvanischen Zelle über den zweiten Kontakt und den vierten Kontakt zu erfassen. Indem getrennte Kontakte für die Spannungsversorgung und Spannungsmessung vorgesehen sind, kann die Spannungsmessung genauer durchgeführt werden, als wenn nur ein Kontakt für Spannungsversorgung und Spannungsmessung vorhanden ist. Es kann eine sogenannte Vierdrahtmessung oder Vierleitermessung durchgeführt werden. Ein Wert einer von der Spannungserfassungseinrichtung erfassten Spannung kann beispielsweise von der Überwachungsvorrichtung weiterverarbeitet oder über einen der Kontakte der Überwachungsvorrichtung ausgegeben werden.
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Die Überwachungsvorrichtung kann eine Entladeeinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um die galvanische Zelle über den zweiten Kontakt und den vierten Kontakt oder über den zweiten Kontakt und den dritten Kontakt zu entladen. Beispielswiese kann die Überwachungsvorrichtung ausgebildet sein, um die galvanische Zelle ansprechend auf ein über einen der Kontakte empfangenes Entladesignal oder ansprechend auf eine Aktivierung der die Schutzeinrichtung, beispielsweise einer Öffnung eines Schalters der Schutzeinrichtung zu entladen. Durch das Entladen der galvanischen Zelle kann die Batteriezelle in einen sicheren Zustand überführt werden.
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Die Überwachungsvorrichtung kann eine Kommunikationseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um den ersten Kontakt als Kommunikationsschnittstelle zur Datenübertragung zu verwenden. Die Kommunikationseinrichtung kann ausgebildet sein, um Daten, beispielsweise zur Steuerung der Überwachungsvorrichtung, über den ersten Kontakt zu empfangen. Zusätzlich oder alternativ kann die Kommunikationseinrichtung ausgebildet sein, um Daten, beispielsweise einen von der Erfassungseinrichtung erfassten Wert eines Parameters der Batteriezelle, über den ersten Kontakt auszugeben. Zur Datenübertragung über den ersten Kontakt kann ein geeignetes Kommunikationsprotokoll eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein zur Datenübertragung über eine Energieversorgungsleitung geeignetes Kommunikationsprotokoll eingesetzt werden. Die Kommunikationseinrichtung kann ausgebildet sein, um den dritten Kontakt oder den vierten Kontakt als zusätzliche oder alternative Kommunikationsschnittstelle zur Datenübertragung zu verwenden. Auf diese Weise kann mit der Überwachungsvorrichtung unabhängig von einem Zustand der Schutzeinrichtung kommuniziert werden.
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Eine Batteriezelle weist folgende Merkmale auf: einen ersten Batteriekontakt und einem zweiten Batteriekontakt; eine galvanische Zelle mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss;
eine erste elektrische Leitung zum Verbinden des ersten Batteriekontakts mit dem zweiten Anschluss und eine zweite elektrische Leitung zum Verbinden des zweiten Batteriekontakts mit dem zweiten Anschluss;
eine Schutzeinrichtung zum Unterbrechen der ersten Leitung; und
eine Überwachungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei der erste Kontakt der Überwachungseinrichtung elektrisch leitfähig mit dem ersten Batteriekontakt, der zweite Kontakt der Überwachungseinrichtung elektrisch leitfähig mit dem ersten Anschluss und der dritte Kontakt der Überwachungseinrichtung elektrisch leitfähig mit der zweiten Leitung verbunden ist.
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Mehrere Batteriezellen können zu einer Batterie zusammengefasst werden. Eine Batterie kann somit zumindest zwei Batteriezellen aufweisen, wobei jede der Batteriezellen jeweils eine Überwachungseinrichtung aufweist. Die Überwachungseinrichtungen der einzelnen Batteriezellen können ausgebildet sein, um mit einer zentralen Überwachungseinheit zu kommunizieren.
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Ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle, die einen ersten Batteriekontakt und einen zweiten Batteriekontakt, eine galvanische Zelle mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, eine erste elektrische Leitung zum Verbinden des ersten Batteriekontakts mit dem zweiten Anschluss, eine zweite elektrische Leitung zum Verbinden des zweiten Batteriekontakts mit dem zweiten Anschluss und eine Schutzeinrichtung zum Unterbrechen der ersten Leitung aufweist, umfasst die folgenden Schritte:
Abgreifen einer Versorgungsspannung wahlweise von dem ersten Batteriekontakt und/oder dem ersten Anschluss;
Erfassen mindestens eines Parameters der Batteriezelle unter Verwendung der Versorgungsspannung; und
Ausgeben eines Werts des mindestens einen Parameters an den ersten Batteriekontakt.
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Schritte des Verfahrens können von geeigneten Einrichtungen einer Überwachungsvorrichtung ausgeführt werden, die in der Batteriezelle selbst angeordnet ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Überwachungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Batteriezelle, auch als Zelle bezeichnet, weist ein Gehäuse 102 auf, durch das sich ein erster Batteriekontakt 104 in Form eines ersten Stromanschlusses 104 und ein zweiter Batteriekontakt 106 in Form eines zweiten Stromanschlusses erstrecken. Über die Batteriekontakte 104, 106 kann die Batteriezelle kontaktiert werden, beispielsweise an ein Energieversorgungsnetz eines Fahrzeugs angeschlossen werden.
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Im Inneren des Gehäuses 102 weist die Batteriezelle eine Schutzeinrichtung 110, eine Überwachungsvorrichtung 112 und eine galvanische Zelle 114 auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Schutzeinrichtung 110 in Form eines Schutzmechanismus, die Überwachungsvorrichtung 112 in Form eines Sensorsystems und eine galvanische Zelle 114 in Form einer sogenannten „Jelly roll“ realisiert. Beispielsweise kann es sich bei der galvanischen Zelle 114 um eine Lithium-Ionen Zelle handeln.
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Die Überwachungsvorrichtung 112 weist einen ersten Kontakt 121, einen zweiten Kontakt 122, einen dritten Kontakt 123 und einen vierten Kontakt 124 auf. Die galvanische Zelle 114 weist einen ersten Anschluss 131 und einen zweiten Anschluss 132 auf. Der erste Batteriekontakt 104 ist über eine erste Leitung 141 mit dem ersten Anschluss 131 der galvanischen Zelle 114 verbunden. Der zweite Batteriekontakt 106 ist über eine zweite Leitung 142 mit dem zweiten Anschluss 132 der galvanischen Zelle 114 verbunden. Der erste Kontakt 121 ist über eine elektrische Leitung mit dem ersten Batteriekontakt 104, der zweite Kontakt 122 ist über eine elektrische Leitung mit dem ersten Anschluss 131, der dritte Kontakt 123 ist über eine elektrische Leitung mit dem zweiten Batteriekontakt 106 und der vierte Kontakt 124 ist über eine elektrische Leitung mit dem zweiten Anschluss 132 elektrisch leitfähig verbunden. Die Schutzeinrichtung 110 ist zwischen dem ersten Batteriekontakt 104 und dem ersten Anschluss 131 und somit zwischen dem ersten Kontakt 121 und dem zweiten Kontakt 122 verschaltet.
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Die Schutzeinrichtung 110 ist mit der ersten Leitung 141 gekoppelt oder Teil der ersten Leitung 141. Die Schutzeinrichtung 110 ist ausgebildet, um einen Stromfluss durch die erste Leitung 141 zu steuern. Beispielsweise kann die Schutzeinrichtung 110 ausgebildet sein, um den Stromfluss durch die erste Leitung 141 in einem ersten Zustand der Schutzeinrichtung 110 nicht zu beeinflussen und in einem zweiten Zustand der Schutzeinrichtung 110 zu verhindern oder einzuschränken. Die Schutzeinrichtung 110 kann aufgrund einer auf die Schutzeinrichtung 110 einwirkenden Druckänderung oder Temperaturänderung in den zweiten Zustand überführt werden. Beispielsweise kann ein Übergang der Schutzeinrichtung 110 von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand dazu führen, dass die erste Leitung 141 unterbrochen wird. Beispielsweise kann ein der Schutzeinrichtung 110 zugeordneter Abschnitt der ersten Leitung 141 beim Übergang in den zweiten Zustand zerreißen oder durchschmelzen. Alternativ kann ein Übergang der Schutzeinrichtung 110 von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand dazu führen, dass ein elektrischer Widerstand eines der Schutzeinrichtung 110 zugeordneten Abschnitt der ersten Leitung 141 erhöht wird, und somit ein Stromfluss durch die erste Leitung 141 eingeschränkt wird.
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Eine Versorgungsspannung zum Betrieb der Überwachungsvorrichtung 112 kann der Überwachungsvorrichtung 112 entweder von einer Batteriezellen-externen Spannungsversorgung oder von der galvanischen Zelle 114 bereitgestellt werden. Dabei kann der Überwachungsvorrichtung 112 eine erste Versorgungsspannung von der Batteriezellen-externen Spannungsversorgung über den ersten Batteriekontakt 104 und den ersten Kontakt 121, über den ersten Batteriekontakt 104, die Schutzeinrichtung 110 und den zweiten Kontakt 122 oder von der galvanischen Zelle 114 über den ersten Anschluss 131 und den zweiten Kontakt 122 oder über den ersten Anschluss 131, die Schutzeinrichtung 110 und den ersten Kontakt 121 zugeführt werden.
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Die Überwachungsvorrichtung 112 kann ausgebildet sein, um über den ersten Kontakt 121 und zusätzlich über den zweiten Kontakt 122 oder wahlweise über den ersten Kontakt 121 oder über den zweiten Kontakt 122 mit der ersten Versorgungsspannung versorgt zu werden. Ist die erste Leitung 141 aufgrund einer Auslösung der Schutzeinrichtung 110 unterbrochen, so kann die Überwachungsvorrichtung 112 entweder von der Batteriezellen-externen Spannungsversorgung über den ersten Kontakt 121 oder von der galvanischen Zelle 114 über den zweiten Kontakt 122 mit der ersten Versorgungsspannung versorgt werden.
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Eine zweite Versorgungsspannung zum Betrieb der Überwachungsvorrichtung 112 kann der Überwachungsvorrichtung 112 entweder über den dritten Kontakt 123 oder über den vierten Kontakt 124 von der Batteriezellen-externen Spannungsversorgung oder von der galvanischen Zelle 114 zugeführt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Überwachungsvorrichtung 112 ausgebildet, um eine Spannung der galvanischen Zelle 114 zu messen. Um die Spannung möglichst genau messen zu können, kann die Überwachungsvorrichtung 112 ausgebildet sein, um eine Vierdrahtmessung durchzuführen. Dazu kann die Überwachungsvorrichtung 112 über den ersten Kontakt 121 und den dritten Kontakt 123 mit einer Versorgungsspannung zum Betrieb der Überwachungsvorrichtung 112 versorgt werden. Über den zweiten Kontakt 122 und den vierten Kontakt 124 kann die Spannung der galvanischen Zelle 114 gemessen werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Überwachungsvorrichtung 112 ausgebildet, um mit einer außerhalb der Batteriezelle angeordneten Kommunikationseinrichtung zu kommunizieren. Beispielsweise kann die Überwachungsvorrichtung 112 ausgebildet sein, um Daten von einer solchen Kommunikationseinrichtung zu empfangen oder Daten an eine solche Kommunikationseinrichtung zu senden. Die Überwachungsvorrichtung 112 kann ausgebildet sein, um mit der Kommunikationseinrichtung über zumindest einen der Kontakte 121, 122, 123, 124 zu kommunizieren. Ist die Überwachungsvorrichtung 112 ausgebildet, um den ersten Kontakt 121 anstelle des zweiten Kontakts 122 zur Kommunikation zu verwenden, so kann die die Kommunikation unabhängig von einem Zustand der Schutzeinrichtung 110 erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann die Kommunikation über den dritten Kontakt 123 oder den vierten Kontakt 124 erfolgen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der vierte Kontakt 124 entfallen. In diesem Fall kann die zweite Versorgungsspannung zum Betrieb der Überwachungsvorrichtung 112 ausschließlich über den dritten Kontakt 124 zugeführt werden. Eine eventuelle Spannungsmessung an der galvanischen Zelle 114 oder eine eventuelle Entladung der galvanischen Zelle 114 kann bei einem fehlenden vierten Kontakt 124 über den dritten Kontakt 123 ausgeführt werden.
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Anhand von 1 werden im folgenden Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zum optimalen Betrieb eines integrierten Batteriesensors 112 unabhängig vom Schaltzustand von Selbstschutzmechanismen 110 und zur unbelasteten Spannungsmessung beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung mechanische und elektrische Komponenten auf, die ein in eine Batteriezelle, z. B. eine Lithium-Ionen Batterie eines Elektrofahrzeuges, eingebautes Sensorsystem 112 erweitern. Diese Erweiterung dient dem Zweck auch nach Auslösen eines eingebauten Selbstschutz-Mechanismuses 110, beispielsweise eines current interrput devices (CID), eines PTCs, oder einer anderen Art von aktiven oder passiven Schutzmechanismen einen Kommunikationskanal zwischen Sensorsystem 112 und Außenwelt sicherzustellen, und bei zusammengebrochener Spannung der Batteriezelle eine Energieversorgung des Sensorsystems 112 von außen zu ermöglichen. Zusätzlich kann im Regelbetrieb eine unbelastete und somit genauere Spannungsmessung ermöglicht werden.
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Wird eine Batteriezelle über das erlaubte Maximum hinaus weiter geladen, so kann die Batteriezelle in einen kritischen Betriebszustand gelangen. Um dies zu verhindern, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der Anschluss 104 der Zelle durch den Schutzmechanismus 110 irreversibel abgetrennt.
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Als Schutzeinrichtung 110 können passive mechanische Bauelemente eingesetzt werden, welche z. B. durch einen Überdruck in der Zelle, beispielsweise irreversibel, verformt und dadurch ausgelöst werden. Übliche Bezeichnungen für eine solche Schutzeinrichtung 110 sind z. B. Überladeschutzschaltung oder overcharge protection circuit sowie Stromunterbrechungsbauteil oder current interrupt device (CID).
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Als Überwachungseinrichtung 112 können Elektronikmodule, beispielsweise in Form eines integrierten Batteriesensors zur Zellüberwachung eingesetzt werden. Die Überwachungseinrichtung 112 kann mit einem Batteriezellen-externen Elektronikmodul zur Zellüberwachung gekoppelt sein, beispielsweise über eine über einen der Kontakte 121, 122, 123, 124 geführte Kommunikationsverbindung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 1 einen Aufbau eines Batteriesensors, der auf einer Grundform eines Sensorsystems basiert, das mit nur jeweils einem Anschluss zu den zwei Polen 104, 106 der Batteriezelle ausgestattet ist. Als Erweiterung zu der Grundform weist das in 1 gezeigte Sensorsystem 112 auf der einen Seite nicht nur einen Kontakt, sondern die beiden Kontakte 121, 122 und auf der anderen Seite ebenfalls nicht nur einen Kontakt, sondern die beiden Kontakte 123, 124 auf. Bei Auslösen des Schutzmechanismus 110 würde bei einer ausschließlichen Verwendung des zweiten Kontakts 122 das Sensorsystem 112 von der Außenwelt getrennt werden und könnte nicht mehr über eine Energieversorgungsleitungskommunikation, einer sogenannten power line communication, mit der Außenwelt der Batteriezelle kommunizieren. Bei einer ausschließlichen Verwendung des ersten Kontakts 121 könnte das System 112 nicht mehr aus der Zelle mit Energie versorgt werden und auch nicht die Zellspannung der galvanischen Zelle 114 messen aber weiterhin mit der Außenwelt kommunizieren, wenn es von extern mit Energie versorgt wird. Durch die Verwendung der beiden Kontakte 121, 122 kann das Sensorsystem 112 nach Auslösen des Schutzmechanismus 110 weiterhin mit der Außenwelt kommunizieren und sowohl von der Außenwelt als auch von der galvanischen Zelle 114 mit Energie versorgt werden sowie die Zellspannung der galvanischen Zelle 114 messen.
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Bei dem in 1 gezeigten Einbau sowohl des ersten Kontakts 121 wie auch des zweiten Kontakts 122 kann das System 112 nach Auslösen des Schutzmechanismus 110 sowohl mit der Außenwelt kommunizieren, als auch von der Zelle selbst mit Energie versorgt werden, als auch von der Außenwelt mit Energie versorgt werden (wahlweise) wie auch weiterhin die Zellspannung messen. Dies erlaubt eine fortgesetzte Überwachung und Meldung der Messwerte aller im Sensorsystem 112 vorhandenen Sensoren, zum Beispiel in einem Recyclingbetrieb oder zur Kontrolle bei Lagerung. Dies erlaubt zusätzlich, falls das Sensorsystem 112 über eine entsprechende Funktion zum Zellausgleich, dem sogenannten cell balancing verfügt, ein kontrolliertes Entladen oder Entschärfen einer beschädigten Batteriezelle vor der Lagerung oder dem Recycling und verringert damit deutlich das Gefährdungspotenzial einer Zelle. Im Regelbetrieb kann durch den zusätzlichen Einsatz des vierten Kontakts 124 parallel zu dem dritten Kontakt 123 oder des dritten Kontakts 123 parallel zu dem vierten Kontakt 124 eine vom Stromfluss zur Versorgung des Sensorsystems 112 unbelasteten Zellspannungsmessung durchgeführt werden, wodurch sich die Zellspannungsmessung mit einer hohen Genauigkeit durchführen lässt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Überwachungsvorrichtung 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Überwachungsvorrichtung 112 kann es sich um die in 1 gezeigte Überwachungsvorrichtung handeln. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Überwachungsvorrichtung 112 eine Versorgungseinrichtung 250, eine Erfassungseinrichtung 252, eine Entladeeinrichtung 254 und eine Kommunikationseinrichtung 256 auf.
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Bei der Versorgungseinrichtung 250 kann es sich um eine Spannungsversorgungseinrichtung oder um eine Stromversorgungseinrichtung handeln. Die Versorgungseinrichtung 250 ist ausgebildet, um Einrichtungen 252, 254, 256 der Überwachungsvorrichtung 112 mit der jeweils erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen. Die Versorgungseinrichtung 250 ist einerseits mit dem ersten Kontakt 121 und dem zweiten Kontakt 122 und andererseits mit dem dritten Kontakt 123 und zusätzlich oder alternativ dem vierten Kontakt 124 gekoppelt, um Energie zur Versorgung der Überwachungsvorrichtung 112 aufzunehmen. Die Versorgungseinrichtung 250 kann ausgebildet sein, um eine erste Versorgungsspannung sowohl über den ersten Kontakt 121 als auch über den zweiten Kontakt 122 aufzunehmen. Die Versorgungseinrichtung 250 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Schalteinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um zwischen dem ersten Kontakt 121 und dem zweiten Kontakt 122 umzuschalten, um die erste Versorgungsspannung entweder ausschließlich über den ersten Kontakt 121 oder ausschließlich über den zweiten Kontakt 122 aufzunehmen. Auf diese Weise kann die erste Versorgungsspannung wahlweise entweder von dem ersten Kontakt 121 oder von dem zweiten Kontakt 122 aufgenommen werden. Beispielsweise kann die Versorgungseinrichtung 250 ausgebildet sein, die erste Versorgungsspannung abhängig von einer an dem ersten Kontakt 121 und einer an dem zweiten Kontakt 122 anliegenden Spannung entweder von dem ersten Kontakt 121 oder dem zweiten Kontakt 122 aufzunehmen. Alternativ kann die Versorgungseinrichtung 250 beispielsweise ausgebildet sein, die erste Versorgungsspannung abhängig von einem an die Überwachungsvorrichtung 112 bereitgestellten Steuersignals entweder von dem ersten Kontakt 121 oder dem zweiten Kontakt 122 aufzunehmen. Das Steuersignal kann beispielsweise von der Kommunikationseinrichtung 256 empfangen werden und an die Versorgungseinrichtung 250 bereitgestellt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Erfassungseinrichtung 252 einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur im Inneren der Batteriezelle auf. Die Erfassungseinrichtung 252 ist ausgebildet, um einen Wert der erfassten Temperatur an die Kommunikationseinrichtung 256 auszugeben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Erfassungseinrichtung 252 zusätzlich oder alternativ einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks im Inneren der Batteriezelle auf. Die Erfassungseinrichtung 252 ist ausgebildet, um einen Wert des erfassten Drucks an die Kommunikationseinrichtung 256 auszugeben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Erfassungseinrichtung 252 zusätzlich oder alternativ einen Spannungsmesser zum Messen einer zwischen den Kontakten 122, 124 anliegenden elektrischen Spannung auf. Die Erfassungseinrichtung 252 ist ausgebildet, um einen Wert der erfassten Spannung an die Kommunikationseinrichtung 256 auszugeben.
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Mittels der Entladeeinrichtung 254 kann die galvanische Zelle entladen werden. Dazu kann die Entladeeinrichtung 254 ansprechend auf ein Entladesignal einen elektrischen Stromfluss zwischen den Kontakten 122, 124 der Überwachungsvorrichtung 112 zu ermöglichen, die mit den Anschlüssen der galvanischen Zelle verbunden sind. Beispielsweise kann die Entladeeinrichtung 254 ansprechend auf das Entladesignal eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Kontakt 122 und dem vierten Kontakt 124 herstellen. Das Entladesignal kann von der Kommunikationseinrichtung 256 empfangen werden und an die Entladeeinrichtung 254 bereitgestellt werden.
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Die Kommunikationseinrichtung 256 ist ausgebildet, um Daten über den ersten Kontakt 121 und zusätzlich oder alternativ über den dritten Kontakt 123 oder den vierten Kontakt 124 zu empfangen und auszusenden. Die Kommunikationseinrichtung 256 ist ausgebildet, um empfangenen Daten beispielsweise an die Versorgungseinrichtung 250, die Erfassungseinrichtung 252 oder die Entladeeinrichtung 254 weiterzuleiten, beispielsweise um die Einrichtungen 250, 252, 254 zu aktivieren oder in den Einrichtungen 250, 252, 254 gespeicherte Daten auszulesen. Ferner ist die Kommunikationseinrichtung 256 ausgebildet, um Daten beispielsweise von der der Erfassungseinrichtung 252 zu empfangen und über einen oder mehrere der Kontakte 121, 123, 124 auszugeben. Die Kommunikationseinrichtung 256 ist mit den zur Kommunikation verwendeten der Kontakte 121, 123, 124 verbunden. Die Kommunikationseinrichtung 256 kann ausgebildet sein, um über die verwendeten der Kontakte 121, 123, 124 mittels einem auf der Powerline Communication (PLC) basierenden Übertragungsprotokoll oder einem anderen geeigneten Übertragungsprotokoll zu kommunizieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Überwachungsvorrichtung 112 nur drei Kontakte auf, beispielsweise die Kontakte 121, 122, 123. In diesem Fall können die Einrichtungen 252, 254 nicht wie in 2 gezeigt mit dem vierten Kontakt 124, sondern wie auch die Einrichtungen 250, 256 mit dem dritten Kontakt 123 verbunden sein. Somit kann der dritte Kontakt 123 sowohl zur Energieversorgung der Überwachungsvorrichtung 112 als auch beispielsweise zur Spannungsmessung eingesetzt werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Batteriezelle kann es sich um die in 1 gezeigte Batteriezelle handeln. Das Verfahren kann von Einrichtungen der in 2 beschriebenen Überwachungsvorrichtung ausgeführt werden.
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In einem Schritt 361 wird eine Versorgungsspannung wahlweise von dem ersten Batteriekontakt und/oder dem ersten Anschluss einer Batteriezelle, wie sie beispielsweise in 1 beschrieben ist, abgegriffen. In einem Schritt 363 wird mindestens ein Parameter der Batteriezelle unter Verwendung der Versorgungsspannung erfasst, beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Sensors oder mehrerer geeigneter Sensoren, der mit der Versorgungsspannung oder einer aus der Versorgungsspannung erzeugen Spannung betrieben wird. In einem Schritt 365 wird ein im Schritt 363 erfasster Wert des mindestens einen Parameters an den Batteriekontakt ausgegeben.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008028340 A1 [0003]
