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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle für ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Abkopplung und/oder Überbrückung von Anschlüssen der Batteriezelle.
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Wird eine Batteriezelle über das erlaubte Maximum hinaus weiter geladen, so kann diese explodieren. Um dies zu verhindern, werden die Anschlüsse der Zelle entweder abgetrennt oder überbrückt. Stand der Technik sind passive mechanische Bauelemente, welche z. B. durch einen Überdruck in der Zelle (irreversibel) verformt und dadurch ausgelöst werden. Übliche Bezeichnungen sind z. B. englischsprachige Begriffe „overcharge protection circuit“ oder „current interrupt device“ (CID). Im Folgenden wird der Begriff CID stellvertretend für alle Ausführungsformen dieser Schutzeinrichtungen nach dem Stand der Technik verwendet.
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Die
EP 2 228 849 A1 offenbart eine wiederaufladbare Batterie mit einer Elektroden-Einheit und einem Gehäuse zur Montage der Elektroden-Einheit darin, wobei das Gehäuse sich je nach Innendruck verändert. Die Elektroden-Einheit umfasst einen Separator, und eine erste und eine zweite Elektrode angeordnet auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Separators.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Batteriezelle mit einer Vorrichtung zur Abkopplung und/oder Überbrückung von Anschlüssen der Batteriezelle für ein Fahrzeug, eine Batterie, die diese Batteriezelle nutzt sowie ein Verfahren zur Abkopplung und/oder Überbrückung von Anschlüssen einer Batteriezelle gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung betrifft gemäß einer Ausführungsform eine Vorrichtung mit mechanischen und elektrischen Komponenten, welche in eine Batteriezelle (z. B. Lithium-Ionen Batterie eines Elektrofahrzeuges) eingebaut werden kann und dazu dient die Anschlüsse der Zelle intern abzutrennen, beziehungsweise zu überbrücken. Ein in der Batteriezelle integrierter Überwachungssensor kann frühzeitig ein Signal zum Zustand der Batteriezelle liefern. Eine entsprechende elektrische und/oder elektronische Einrichtung kann das mechanische Sicherheitselement unter Verwendung des Signals des in der Batteriezelle integrierten Überwachungssensors auslösen. Das Auslösen des mechanischen Sicherheitselements kann dabei die Anschlüsse der Batteriezelle kurzschließen und gleichzeitig oder alternativ kann das mechanische Sicherheitselement die Anschlüsse der Batteriezelle abkoppeln. Durch das Kurzschließen der Anschlüsse kann die Batteriezelle überbrückt werden.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein mechanisches Sicherheitselement wie ein „overcharge protection circuit“ oder ein „current interrupt device“ beispielsweise durch Überdruck in der Zelle oder eine erhöhte Temperatur ausgelöst werden kann und dadurch irreversibel verformt werden kann, dies aber nur eine Ultima Ratio darstellen sollte. Um eine eigensichere Batteriezelle zu erstellen, deren Sicherheitselement die Zelle nicht irreversibel zerstört, kann es von Vorteil sein, einen bevorstehenden „Zellentod“ oder ein Öffnen einer Gasmembran frühzeitig zu erkennen und durch ein Abtrennen der Anschlüsse beispielsweise einen Ladevorgang der Batteriezelle zu unterbrechen und somit rechtzeitig einem „Zellentod“ oder einem Öffnen der Gasmembran vorzubeugen.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Batteriezelle mit einer Vorrichtung zur Abkopplung und/oder Überbrückung von Anschlüssen der Batteriezelle für ein Fahrzeug, wobei die Batteriezelle einen Überwachungssensor aufweist, wobei die Batteriezelle ein mechanisches Sicherheitselement aufweist, wobei das mechanische Sicherheitselement ausgebildet ist, um die Anschlüsse der Batteriezelle abzutrennen und/oder kurzzuschließen, wobei die Vorrichtung folgendes Merkmal aufweist:
eine Einrichtung zum Auslösen des mechanischen Sicherheitselements unter Verwendung eines elektrischen Auslösesignals.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Batteriezelle einen Überwachungssensor aufweisen, wobei der Überwachungssensor ausgebildet sein kann, um zumindest eine Messgröße zu einem Zustand der Batteriezelle zu liefern, und wobei die Einrichtung zum Auslösen ausgebildet ist, um das mechanische Sicherheitselement unter Verwendung eines elektrischen Auslösesignals auf Basis der Messgröße auszulösen.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein sonstiges Nutzfahrzeug handeln. Das Fahrzeug kann mit einem Hybrid-Antrieb ausgestattet sein oder es kann sich um ein Elektrofahrzeug handeln. Das Fahrzeug kann zumindest eine Batterie als Starterbatterie oder Traktionsbatterie aufweisen. Unter einer Batterie kann eine Zusammenschaltung mehrerer Batteriezellen verstanden werden. Unter einer Batteriezelle kann ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie wie beispielsweise ein Akkumulator verstanden werden. Unter einer Batteriezelle können wiederaufladbare Sekundärzellen, Sekundärelemente beziehungsweise Akkumulatoren verstanden werden. Die Batteriezellen können in einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung in der Batterie verbunden sein. Eine Batteriezelle kann einen Energiespeicher mit Anschlüssen, einen Überwachungssensor und/oder ein mechanisches Sicherheitselement aufweisen. Der Überwachungssensor kann als Batteriesensor bezeichnet werden. Der Überwachungssensor kann in die Batteriezelle integriert sein. Der Überwachungssensor kann ein Überwachungssignal ausgeben, welches beispielsweise eine Zelltemperatur, eine Zellklemmenspannung, einen Zellinnendruck und/oder eine Zellklemmenstromstärke repräsentiert. Das Überwachungssignal kann als eine Messgröße des Überwachungssensors zu einem Zustand der Batteriezelle bezeichnet werden. Unter einem mechanischen Sicherheitselement kann ein passives mechanisches Bauelement verstanden werden, welches durch einen physikalischen Zustand wie Druck und/oder Temperatur ausgelöst werden kann. Das mechanische Sicherheitselement kann irreversibel und/oder reversibel verformt werden. Das mechanische Sicherheitselement kann mit englischsprachigen Begriffen wie „overcharge protection circuit“ oder „current interrupt device“ (CID) bezeichnet werden. Das mechanische Sicherheitselement kann, wenn es ausgelöst wird, eine Überbrückung der Anschlüsse einer Batteriezelle und somit der Batteriezelle bewirken. Eine Überbrückung der Anschlüsse kann als Kurzschließen bezeichnet werden. Das mechanische Sicherheitselement kann die Anschlüsse der Batteriezelle von dem Energiespeicher der Batteriezelle abtrennen. Das Abtrennen der Anschlüsse kann durch ein passives System wie eine Schmelzsicherung erfolgen. Unter einer Einrichtung zum Auslösen des mechanischen Sicherheitselements kann eine Einrichtung verstanden werden, die eine elektrische Betätigung des mechanischen Sicherheitselements erlaubt. Dabei kann die elektrische Betätigung parallel zur mechanischen Funktion des mechanischen Sicherheitselements vorgesehen sein.
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Eine elektrische Aktuierung des mechanischen Sicherheitselements erlaubt die Reaktion auf Messwerte, die von der Batteriezelle bekannt sind, bevor eine gefährliche Situation entsteht, welche das mechanische Sicherheitselement, beziehungsweise das passive CID, auslösen würde. Die Einrichtung zum Auslösen kann bei der Überschreitung von oberen oder unteren Grenzwerten von mindestens einem Messwert einer Zelle, beispielsweise der Zelltemperatur, Zellklemmenspannung, Zelldruck oder weiteren, die Aktorik auslösen.
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Der hier vorgestellte Ansatz erweitert ein vorhandenes mechanisches Sicherheitselement oder CID. Die passive Sicherheitsfunktion des mechanischen Sicherheitselements kann dabei bestehen bleiben. Zusätzlich wird eine Möglichkeit geschaffen, das mechanische Sicherheitselement (CID) elektrisch auszulösen. Die elektrische Auslösung kann entweder durch einen externen zusätzlichen Anschluss an der Zelle erfolgen oder durch ein in die Zelle eingebautes elektrisches oder elektronisches System, Mikrosystem, bzw. lC (IC = integrated circuit = integrierter Schaltkreis) erfolgen. Eine elektrische Aktuierung erlaubt die Reaktion auf Messwerte, die von der Zelle bekannt sind, bevor eine gefährliche Situation entsteht, welche das mechanische Sicherheitselement, beziehungsweise das passive CID, auslösen würde.
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Der hier vorgestellte Ansatz erlaubt die räumliche Trennung zwischen der Erfassung eines kritischen Zustandes unter Verwendung eines Überwachungssensors und einer Schutzeinrichtung. Die Schutzeinrichtung kann ausgebildet sein als eine Kombination von mechanischem Sicherheitselement und Einrichtung zum Auslösen. Hierbei kann die Aktorik nur durch elektrische Kriterien (U, I,) und/oder durch in der Nähe des Zellwickels erfasste physikalische Kriterien, wie Zelltemperatur und/oder Zellinnendruck, ausgelöst werden. Von Vorteil ist, dass durch den hier vorgestellten Ansatz ein gefährlicher Zustand der Zelle, wie starker Druckanstieg, drohender thermischer Ausreißer, oder „thermal runaway“, verhindert wird, in dem die Einrichtung zum Auslösen frühzeitig vor Auslösen eines eventuellen passiven Schutzmechanismus eine Überbrückung herbeiführen kann.
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Günstig ist auch eine Ausführungsform der Erfindung mit einer exklusiv der Batteriezelle zugeordneten Einrichtung zum Überwachen der Batteriezelle unter Verwendung des Überwachungssensors, wobei die Einrichtung zum Überwachen ausgebildet ist, das elektrische Auslösesignal auszugeben. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer Schaffung einer eigensicheren Batteriezelle, die neben dem mechanischen Sicherheitselement eine weitere elektrisch agierende Sicherheitseinrichtung unter Verwendung eines Sensorsignals aufweist. Unter einer Einrichtung zum Überwachen kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Einrichtung zum Überwachen kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Einrichtung zum Überwachen beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Überwachungssensor als integrierter Überwachungssensor ausgebildet sein und die Einrichtung zum Überwachen der Batteriezelle integrierter Bestandteil des integrierten Überwachungssensors sein. Eine derartige Ausführungsform schafft eine eigensichere Batteriezelle ohne externe Komponenten. Ein in die Batteriezelle integrierter Überwachungssensor kann verschiedene Messgrößen liefern, die teilweise nur im Inneren der Batteriezelle vorliegen. Auch kann beispielsweise der Ort der Temperaturmessung und/oder der Druckmessung an einem spezifischen Ort im Inneren der Batteriezelle liegen.
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Das Gesamtsystem der Batteriezelle mit integrierter Sensorik, Aktorik, das heißt Einrichtung zum Auslösen, und elektronischer Einheit, das heißt Einrichtung zum Überwachen, kann ein eigensicheres System nach ASIL-Norm darstellen. Die Einrichtung zum Überwachen kann als mikroelektronischer Schaltkreis innerhalb eines integrierten Batteriesensors verwirklicht sein.
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Ferner kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Einrichtung zum Überwachen der Batteriezelle ausgebildet sein, das elektrische Auslösesignal unter Verwendung einer Mehrzahl von Messgrößen des Überwachungssensors zu bestimmen. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Messgrößen können eine optimale Leistung und eine höchstmögliche Sicherheit der Zelle hergestellt werden. Dabei kann das Verknüpfen unterschiedlicher Messgrößen den Zustand der Zelle besser beschreiben, als ein einzelner Messwert.
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Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Einrichtung zum Überwachen der Batteriezelle das elektrische Auslösesignal unter Verwendung eines vordefinierten Kennfelds bestimmt werden. Das vordefinierte Kennfeld kann mehrdimensional ausgebildet sein. Das vordefinierte Kennfeld kann eine Bewertung von einer und/oder eine Mehrzahl miteinander verknüpfter Messgrößen erlauben. Das vordefinierte Kennfeld kann obere und/oder untere Grenzwerte für zumindest eine Messgröße vorgeben und einen Einbindungszustand der Batteriezelle beeinflussen. Über ein – mehrdimensionales – Kennfeld können verschiedene Messwerte und Grenzwerte einzeln oder im Zusammenspiel bewertet und gleichzeitig oder alternativ verknüpft werden, um den Einbindungszustand der Zelle (überbrückt / nicht überbrückt) zu steuern.
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Günstig ist es auch, wenn in einer Ausführungsform die Einrichtung zum Auslösen ausgebildet ist, das mechanische Sicherheitselement unter Verwendung eines von der Batteriezelle extern zugeführten Auslösesignals auszulösen. Dabei kann das extern zugeführte Auslösesignal von einem Batteriemanagementsystem erzeugt werden, wobei das Batteriemanagementsystem ausgebildet sein kann, eine Mehrzahl von Batteriezellen zu überwachen. Dies kann von Vorteil sein, da hierdurch die Gesamtperformance einer Batterie beeinflusst werden kann unter Berücksichtigung des Zustandes der einzelnen Batteriezelle. Ein extern zugeführtes Auslösesignal kann es erlauben, dass gezielt Zellen mit einem schwachen „Gesundheitszustand“ innerhalb des Batteriezellstranges überbrückt und abgetrennt werden, um dadurch die Gesamtperformance der Batterie zu steigern, da nicht mehr die schwächste Batteriezelle die Gesamtperformance bestimmt.
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Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das mechanische Sicherheitselement ausgebildet sein, reversibel ausgelöst zu werden und gleichzeitig oder alternativ kann das mechanische Sicherheitselement ausgebildet sein, irreversibel ausgelöst zu werden. Alternativ oder zusätzlich kann das mechanische Sicherheitselement auch als bistabiles Sicherheitselement ausgebildet sein. Unter einem bistabilen mechanischen Sicherheitselement kann ein Sicherheitselement verstanden werden, welches nach einem Verbringen von zumindest einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand stabil in diesem zweiten Zustand verbleibt und/oder welches nach einem Verbringen von zumindest einem zweiten Zustand in einen ersten Zustand stabil in diesem ersten Zustand verbleibt. Dabei ist es auch denkbar, dass das mechanische Sicherheitselement nicht nur in zwei Zustände, sondern auch mehr Zustände gebracht werden kann, wobei es dann nach einem Verbringen in einen dieser Zustände stabil in diesem Zustand verbleibt, bis es wieder in einen anderen Zustand verbracht wird. Wird eine Batteriezelle über das erlaubte Maximum hinaus weiter geladen, so kann die Batteriezelle schwer geschädigt werden oder sogar explodieren. Um dies zu verhindern, werden die Anschlüsse der Zelle mittels des mechanischen Sicherheitselements entweder abgetrennt oder überbrückt. Eine irreversible Auslösung des mechanischen Sicherheitselements ist kostengünstig zu realisieren und schützt die Batteriezelle sicher vor einer Explosion. Ebenso kann die Überbrückung einer bereits stark gealterten oder geschädigten, das heißt einer messbar leistungsschwachen Batteriezelle, sinnvoll sein, um die Gesamtleistung einer Batterie zu steigern. Eine reversible Auslösung des mechanischen Sicherheitselements kann es erlauben die Zelle wieder zu verwenden, wenn dies beispielsweise positiv für die Gesamtleistung der Batterie ist. Die reversible Auslösung erlaubt es, flexibel Batteriezellen innerhalb einer Batterie abzukoppeln und wieder anzukoppeln.
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Ferner kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Einrichtung zum Auslösen reversibel ausgebildet sein und gleichzeitig oder alternativ kann die Einrichtung zum Auslösen irreversibel ausgebildet sein. Bei der Einrichtung zum Auslösen kann es sich um eine Aktorik handeln, die reversibel oder alternativ irreversibel auslösbar ist. Eine irreversibel ausgebildete Einrichtung zum Auslösen kann kostengünstig erzeugt werden. Wenn in einer Ausführungsform das mechanische Sicherheitselement ausgebildet ist irreversibel verformt zu werden, so kann die Einrichtung zum Auslösen ebenso ausgebildet sein. Beispielsweise kann zur irreversiblen Abtrennung und/oder Überbrückung von Batteriezellen in einem Zellverbund, beziehungsweise einer Batterie, eine bestehende passive mechanische Schutzvorrichtung um eine Airbag-Zündpille erweitert werden und dadurch die Möglichkeit einer irreversiblen elektrischen Aktuierung geschaffen werden. Dabei kann die Zündpille beispielsweise nahe einer normalerweise durch einen Zellüberdruck ausgelösten "Knackfrosch"-Membran angebracht werden. Beim Zünden wird dann die Membran durch die entstehende Druckwelle statt durch einen von zellchemischen Vorgängen ausgelösten Druckanstieg verformt.
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Eine reversibel ausgebildete Einrichtung zum Auslösen erlaubt es, eine Auslösung rückgängig zu machen. Wenn das mechanische Sicherheitselement auf eine überhöhte Temperatur reagiert, kann eine reversible Aktorik beispielsweise aus einer Heizspule bestehen, derart angeordnet ist, dass durch ein elektrisches Auslösesignal die Heizspule erhitzt wird und somit das mechanische Sicherheitselement auslöst. Die Überbrückung einer geschädigten bzw. sensorisch messbar leistungsschwachen Zelle kann sinnvoll sein, um die Gesamtleistung der Batterie zu steigern. Eine reversible Aktuierung kann es erlauben, eine Zelle nach Belieben von den restlichen Zellen einer Batterie abzutrennen und zuzuschalten. Bei Reihenschaltung der Zellen ist das sinnvoll, wenn gleichzeitig eine Überbrückung der Zellen vorgesehen ist. Dadurch kann eine defekte Zelle aus der Reihenschaltung genommen werden, ein Elektrofahrzeug würde dadurch weiterhin fahrbereit bleiben, anstatt liegen zu bleiben.
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In dem hier vorgestellten Ansatz wird beispielhaft wird ein Aktuator beschrieben, mit einer Auslöseschaltung, einer elektrischen bzw. thermischen Zündung kombiniert mit einer mechanischen Vorrichtung zum Schließen der Batteriekraftleitung. Exemplarische Beispiele für einen irreversiblen Aktor sind die Kombinationen: Zündpille und Plattfeder oder „Knackfrosch“-Membran oder alternativ eine elektrische Schmelzsicherung und eine vorgespannte Streckfeder. Hierbei wird die Zündpille durch einen elektrischen Strom zur Zündung gebracht, mit dem wichtigen Aspekt, dass die Zündtemperatur der Zündpille deutlich oberhalb der Maximaltemperatur liegt, der das abgestellte Fahrzeug auch unter extremen klimatischen Bedingungen ausgesetzt sein kann – ähnlich beispielsweise einer Airbag-Zündpille.
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Ferner kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Sicherheitselement die Anschlüsse eines Energiespeichers der Batteriezelle überbrücken. Durch das Überbrücken der Anschlüsse des Energiespeichers der Batteriezelle kann ein in Reihe geschalteter Verbund von Batteriezellen weiter funktionell bleiben. Die Leistung der Batterie kann zurückgehen. Das Überbrücken der Anschlüsse kann auch als ein Kurzschließen der Anschlüsse bezeichnet werden.
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Auch ist es günstig, wenn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Sicherheitselement den Energiespeicher der Batteriezelle von den Anschlüssen abtrennt. Durch das Abtrennen der Anschlüsse des Energiespeichers kann ein Überladen des Energiespeichers und damit der Batteriezelle verhindert werden. Beim Laden und Entladen der Batterie können Zellen individuell nach ihrem Betriebszustand oder „state-of-health“ behandelt werden, dadurch kann die Lebensdauer von Batteriezellen und der gesamten Batterie deutlich erhöht werden.
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Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Batteriezelle mit einer Schnittstelle zur Kommunikation mit zumindest einer weiteren Batteriezelle und/oder einem Batteriemanagement-System ausgebildet sein. Die Schnittstelle kann als eine analoge und/oder digitale Schnittstelle ausgebildet sein, das heißt, über die Schnittstelle können analoge Signale und/oder digitale Signale übertragen werden. Die Schnittstelle kann ausgebildet sein als eine Busschnittstelle, wobei Daten über die Schnittstelle konform einem Busprotokoll übertragen werden können. Dabei kann die Schnittstelle ausgebildet sein, Daten zu senden, Daten zu empfangen und/oder Daten zu senden und empfangen. Die Schnittstelle kann ausgebildet sein für eine unidirektionale Kommunikation und/oder ausgebildet sein für eine bidirektionale Kommunikation. Die Schnittstelle zur Kommunikation kann es ermöglichen, dass der Zustand der einzelnen Zellen dem zentralen Fahrzeugsteuergerät gemeldet wird und/oder über eine Warn-/Hinweiseinrichtung dem Fahrer mitgeteilt wird. Auch kann der Zustand der einzelnen Zellen bei der Fahrzeugdiagnose, beispielsweise im Rahmen einer turnusmäßigen Wartung, dem Diagnosegerät mitgeteilt werden. Dabei kann die Schnittstelle zur Kommunikation derart ausgebildet sein, dass der Zustand einer Batteriezelle einem Batterieladegerät während eines Ladevorganges mitgeteilt werden kann, sodass das Batterieladegerät seine Ladespannung/-strom entsprechend steuern kann.
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Ferner kann der Überwachungssensor ausgebildet sein, um eine Mehrzahl von Messgrößen zu liefern. Der Überwachungssensor kann ein Überwachungssignal ausgeben, welches zumindest zwei Messgrößen wie Zelltemperatur, Zellklemmenspannung, Zellinnendruck und/oder Zellklemmenstromstärke repräsentiert. Dies erlaubt es, eine Auslöseentscheidung von dem Zusammenspiel einer Mehrzahl von Messgrößen abhängig zu machen. Hierbei können die genannten elektrischen und/oder physikalischen Auslösekriterien miteinander verknüpft werden. Über ein Modell (beispielsweise ECM) können verschiedene Messwerte und Grenzwerte verknüpft werden, um den Einbindungszustand der Zelle (überbrückt / nicht überbrückt) zu steuern.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und einem Batteriesteuergerät, wobei die Batteriezellen jeweils einen Überwachungssensor und eine Einrichtung zum Auslösen eines mechanischen Sicherheitselements aufweisen, wobei die Batterie dadurch gekennzeichnet ist, dass das Batteriesteuergerät ausgebildet ist, um ein elektrisches Auslösesignal für die Einrichtung zum Auslösen des mechanischen Sicherheitselements für die Mehrzahl von Batteriezellen auszugeben. Unter einem Batteriesteuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Batteriesteuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Batteriesteuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Die Ausführungsform als Batterie kann einen Ausgleich zwischen den Batteriezellen ermöglichen, ein sogenanntes „Balancing“, wobei das Balancing zum Ausgleich der Zellenspannung bei einer Batterie, wie beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie, dienen kann, da dies bei diesen Zellen sehr wichtig hinsichtlich Lebensdauer, Energiemenge (Fahrzeit eines Elektrofahrzeugs, welches die Batterie als Energiespeicher nutzt) und im Endeffekt Leistung sein kann. Durch die Ausführungsform in einer Batterie kann die Lebensdauer der Batterie, die Qualität der Zellen und die Temperaturverteilung innerhalb der Batterie positiv beeinflusst werden.
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In einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine defekte Zelle aktiv aus der Reihenschaltung genommen werden. Ein Elektrofahrzeug kann dadurch weiterhin fahrbereit bleiben, anstatt liegen zu bleiben. Ebenfalls können schwache oder geschädigte Zellen überbrückt werden, um die Gesamtleistung der Batterie zu erhöhen. Dabei umfasst die Batterie eine elektronische Einheit zur gesteuerten Abkopplung und Überbrückung von einzelnen Batteriezellen. Die Erfindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verknüpfung von Sensorik (Messwerten) und Aktorik (mechanischen und elektrischen Komponenten, welche in eine Batteriezelle, z. B. Lithium-Ionen Batterie eines Elektrofahrzeuges, eingebaut werden und dazu dienen die Anschlüsse der Zelle intern abzutrennen, bzw. zu überbrücken) um eine optimale Leistung und Sicherheit einer Batterie sicherzustellen. Das Batteriesteuergerät ist beispielsweise als mikroelektronische Schaltung im zentralen Steuergerät einer Batterie verwirklicht und kann auf die Sensorik und Aktorik aller Zellen der Batterie zugreifen, um einzelne oder mehrere Zellen reversibel oder irreversibel zu überbrücken.
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Der hier vorgestellte Ansatz macht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung während des Ladevorgangs „cell balancing“ unnötig, da bei drohender Überladung einer Zelle diese reversibel überbrückt werden kann. Dabei kann aus einer Anzahl von Zellen jeweils nur ein Teil oder „Subset“ aktiviert werden, um so einen Ausgleich bei der Abnutzung oder ein „wear levelling“ und ein gleichmäßiges Altern von schwachen und starken Zellen zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Abkopplung und/oder Überbrückung von Anschlüssen einer Batteriezelle für ein Fahrzeug, wobei die Batteriezelle einen Überwachungssensor aufweist, wobei der Überwachungssensor ausgebildet ist, um zumindest eine Messgröße zu einem Zustand der Batteriezelle zu liefern, wobei die Batteriezelle ein mechanisches Sicherheitselement aufweist, wobei das mechanische Sicherheitselement ausgebildet ist, um die Anschlüsse der Batteriezelle abzutrennen und/oder kurzzuschließen, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
Auslösen des mechanischen Sicherheitselements unter Verwendung eines elektrischen Auslösesignals auf Basis der Messgröße des Überwachungssensors.
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Ein Aspekt des hier vorgestellten Verfahrens ist es, die Sicherheit und Leistung einer Batterie durch aktives Herausnehmen von kritischen Zellen zu steigern. Für die Batteriesicherheit hat dabei eine aktiv ausgelöste Überbrückung von Zellen mit kritischen Temperatur- / Spannungsverläufen große Bedeutung; für die Batterieleistung oder Performance hat dabei eine aktiv ausgelöste Überbrückung von stark gealterten oder aus sonstigen Gründen leistungsschwachen Zellen mit schlechtem „State-of-Health“ große Bedeutung. Die Überbrückung kann unter Verwendung des mechanischen Sicherheitselements erreicht werden.
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Das hier vorgestellte Verfahren, beziehungsweise eine elektronische Einheit, die Einrichtungen aufweist, welche dieses Verfahren umsetzen, verwendet insbesondere verschiedene Messwerte und Kennzahlen über die Zellen einer Batterie zur Steuerung einer Aktorik innerhalb einer Zelle, welche reversibel oder irreversibel die Zelle, in welcher sie eingebaut ist, abtrennen und/oder überbrücken kann, um eine optimale Leistung und eine höchstmögliche Sicherheit der Zelle herzustellen.
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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; und
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2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren zur Abkopplung und gleichzeitig oder alternativ zur Überbrückung von Anschlüssen einer Batteriezelle für ein Fahrzeug.
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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 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der Batteriezelle 100 ist ein Energiespeicher 110 ausgebildet, wobei der Energiespeicher 110 zwei Anschlüsse 115 aufweist. Die zwei Anschlüsse 115 weisen eine entgegengesetzte Polarität auf. Der Energiespeicher 110 ist über die zwei Anschlüsse 115 mit einem mechanischen Sicherheitselement 120 verbunden. An dem mechanischen Sicherheitselement 120 sind neben den zwei Anschlüssen 115 zwei weitere Anschlüsse 125 ausgebildet, wobei die zwei weiteren Anschlüsse 125 aus der Batteriezelle herausführen und derart ausgebildet sind, dass die Batteriezelle 100 über die zwei weiteren Anschlüsse 125 kontaktierbar ist. Das mechanische Sicherheitselement 120 ist ausgebildet, die aus dem Energiespeicher 110 herausführenden Anschlüsse 115, welche in die Anschlüsse 125 übergehen, zu unterbrechen und/oder zu überbrücken.
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Die Batteriezelle 100 weist weiterhin einen Überwachungssensor 130, eine Einrichtung zum Überwachen 140 und eine Einrichtung zum Auslösen 150 auf. Der Überwachungssensor 130 ist mit der Einrichtung zum Überwachen 140 verbunden. Der Überwachungssensor ist ausgebildet, zumindest eine Messgröße 160 auszugeben. Die Einrichtung zum Überwachen 140 ist ausgebildet, zumindest eine Messgröße des Überwachungssensors zu empfangen. Die Einrichtung zum Überwachen ist ausgebildet, ein Auslösesignal 170 auszugeben. Die Einrichtung zum Auslösen 150 ist ausgebildet, das Auslösesignal 170 zu empfangen. Die Batteriezelle 100 weist weiterhin eine Schnittstelle 180 auf, welche ausgebildet ist, analoge und/oder digitale Signale zu empfangen und/oder auszugeben. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 180 mit der Einrichtung 140 zum Überwachen verbunden. Die Einrichtung 150 zum Auslösen ist ausgebildet, unter Verwendung des Auslösesignals 170 das mechanische Sicherheitselement 120 auszulösen. Dabei ist in einer Ausführungsform die Einrichtung 150 zum Auslösen ausgebildet, eine elektrische Betätigung des mechanischen Sicherheitselements vorzunehmen.
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1 zeigt mit anderen Worten somit unter anderem eine Vorrichtung zur Abkopplung und Überbrückung von Batteriezellen 100. Das beispielsweise bereits bestehende mechanische Sicherheitselement 120 (z. B. CID) wird erweitert, insbesondere ist eine elektrische Aktuierung des CID 120 parallel zur mechanischen Funktion möglich oder vorgesehen.
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Der hier vorgestellte Ansatz erweitert insbesondere ein vorhandenes CID 120. Die passive Sicherheitsfunktion des CID 120 kann dabei bestehen bleiben. Zusätzlich oder ersetzend wird eine Möglichkeit geschaffen, das CID elektrisch auszulösen. Dies kann beispielsweise durch Einschalten eines elektrischen Stromes durch einen Widerstand erfolgen, welcher einen Bimetallstreifen erhitzt, auslenkt und dadurch, dass CID auslöst, bzw. die Anschlüsse der Zelle abtrennt und oder kurzschließt. Die elektrische Auslösung kann entweder durch einen externen zusätzlichen Anschluss an der Zelle erfolgen oder durch ein in die Zelle eingebautes elektrisches oder elektronisches System, Mikrosystem bzw. IC erfolgen, wobei ein solch beschriebenes System eine Einrichtung zum Überwachen und eine Einrichtung zum Auslösen umfasst. Je nachdem ob eine reversible oder irreversible mechanische Verformung bewirkt wird, ist das Auf. Bzw. Abtrennen oder Kurzschließen der Zellanschlüsse reversibel oder irreversibel. Vorteilhaft ist eine Ausführung bei der das CID bistabil ausgeführt ist, d. h. durch eine elektrische Auslösung zwischen zwei (oder mehr) selbsthaltenden Zuständen umgeschaltet werden kann.
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Der hier vorgestellte Ansatz betrifft eine Vorrichtung mit mechanischen und elektrischen Komponenten, welche in eine Batteriezelle 100 (z. B. Lithium-Ionen Batterie eines Elektrofahrzeuges) eingebaut werden kann und dazu dient, die Anschlüsse 125 der Zelle 100 intern abzutrennen, bzw. zu überbrücken. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine elektrische irreversible Aktuierung des CID 120 parallel zur mechanischen Funktion des mechanischen Schutzelements 120 vorgesehen.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 200 zur Abkopplung und gleichzeitig oder alternativ zur Überbrückung von Anschlüssen einer Variante einer vorstehend beschriebenen Batteriezelle für ein Fahrzeug. Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt 210 des Auslösens des mechanischen Sicherheitselements unter Verwendung eines elektrischen Auslösesignals auf Basis der Messgröße des Überwachungssensors.
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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.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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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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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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