DE102012215495A1

DE102012215495A1 - Vorrichtung für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle, Batterie, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Ersetzen einer Batteriezelle eines Batteriemoduls durch eine andere Batteriezelle

Info

Publication number: DE102012215495A1
Application number: DE201210215495
Authority: DE
Inventors: Markus Kohlberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle (30), eine Batterie, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Ersetzen einer Batteriezelle eines Batteriemoduls durch eine andere Batteriezelle (30).
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle (30) vorgestellt. Die Vorrichtung (10) eignet sich für eine Anpassung von mindestens einer der folgenden Kenngrößen der Batteriezelle (30): Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten. Dabei umfasst die Vorrichtung (10) mindestens ein Widerstandselement (20).
Die Reihenschaltung der Vorrichtung mit der Batteriezelle bewirkt, dass sich die Kenngrößen des Systems aus Batteriezelle mit in Reihe geschalteter Vorrichtung denen einer anderen, auszutauschenden Batteriezelle ähneln können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle, eine Batterie, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Ersetzen einer Batteriezelle eines Batteriemoduls durch eine andere Batteriezelle.
Stand der Technik
Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien oder Nickelmetallhydrid-Batterien, immer breitere Anwendungen. Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien zeichnen sich unter anderem aus durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung.
Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcordern und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen, etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden.
Batterien können zum Beispiel durch das serielle Verschalten von Batteriemodulen gebildet werden, wobei teilweise auch parallele Verschaltungen der Batteriemodule erfolgen und die Batteriemodule ihrerseits aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen bestehen können.
Module können wiederum zu größeren Untereinheiten zusammengefasst werden, sogenannten Subunits, die sich z. B. eine gemeinsame Kühleinrichtung teilen. Aus zwei oder mehreren dieser Subunits kann letztendlich die komplette Batterie aufgebaut sein. Dabei können die Module und Subunits je nach Bauraum auch in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sein.
Zum Betrieb wieder aufladbarer Energiespeichervorrichtungen wird in De 10 2008 009 970 A1 eine Steuervorrichtung beschrieben. DE 10 2008 052 986 A1 offenbart ein Batteriemanagementsystem zum Überwachen und Steuern einer nach galvanischen Prinzipien arbeitenden Einrichtung, insbesondere eines Lithium-Ionen-Akkumulators.
Zusammen mit oder anstelle von Lithium-Ionen-Zellen können Lithium-Polymer-Zellen, Nickelmetallhydrid-Zellen oder Bleisäureakkus von der Batterie umfasst sein, die üblicherweise Anschlussterminals an einer der Seiten der Batterie haben, die üblicherweise als Deckel oder Oberseite bezeichnet wird.
Bei der Verschaltung der Einzelzellen zu Modulen wird hierbei ein sogenannter Zellverbinder angebracht, beispielsweise indem der Zellverbinder von oben aufgelegt wird. Als Verbindungsmethode wird hier beispielsweise eine Schraubverbindung gewählt. Andere Möglichkeiten der Verbindung der Terminals umfassen geschweißte Verbindungen (z. B. mittels Laser, Ultraschall, Reibschweißen etc.), genietete Verbindungen oder formschlüssige Verbindungen. Auch die Verbindung zwischen den einzelnen Modulen erfolgt durch Anbringen eines Modulverbinders, beispielsweise mit einer der genannten Verbindungsmethoden.
Auf die Module kann vor Herstellen der Zellverbindung ein sogenannter Moduldeckel aus Kunststoff aufgelegt und durch Niederhalter oder Schrauben fixiert worden sein. Dieser Deckel trennt dann die nicht miteinander zu verbindenden Kontakte, deckt die Kontakte ab und bietet Halterungen für Sensorleitungen und Messkabel.
Die modulare Konstruktion der Batterie erlaubt prinzipiell den Austausch von Zellen, Modulen oder Subunits, insbesondere wenn Zellgrößen standardisiert sind und die Größe neuer Zellen der Größe der in der Batterie verbauten Zellen entspricht. Dadurch können die Lebensdauer der Batterie verlängert und Kosten verringert werden.
Es ist zu erwarten, dass neue Zellen gleicher Baugröße sich nicht nur wegen der nicht erfolgten Abnutzung/Alterung von den in der Batterie verbauten Zellen in Kenngrößen wie Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten unterscheiden werden, sondern auch infolge der technischen Weiterentwicklung, die höhere Energiedichten und verbesserte elektrische Leistungsdaten bei unveränderter Baugröße erwarten lässt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle vorgestellt. Die Vorrichtung eignet sich für eine Anpassung von mindestens einer der folgenden Kenngrößen der Batteriezelle: Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten. Dabei umfasst die Vorrichtung mindestens ein Widerstandselement.
Die Reihenschaltung der Vorrichtung mit der Batteriezelle bewirkt, dass sich die Kenngrößen des Systems aus Batteriezelle mit in Reihe geschalteter Vorrichtung denen einer anderen, auszutauschenden Batteriezelle ähneln.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine mit dem Widerstandselement in Reihe geschaltete Schaltung mit einem weiteren Widerstandselement und einem zu dem weiteren Widerstandselement parallel geschalteten Kondensatorelement.
Kenngrößen des Systems aus Batteriezelle mit in Reihe geschalteter Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform können denen der anderen, auszutauschenden Batteriezelle noch mehr ähneln oder ihnen sogar gleichen.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Batterie mit mindestens einem Batteriemodul mit einer Batteriezelle vorgestellt. Die Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul eine mit der Batteriezelle in Reihe geschaltete Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.
In einer Ausführungsform der Batterie ist die Vorrichtung in einem Moduldeckel oder in einem Zellverbinder angeordnet.
In dieser oder einer anderen Ausführungsform umfasst das Batteriemodul weiterhin ein Batteriesteuergerät und/oder eine Zellüberwachung. Dabei sind das Batteriesteuergerät und/oder die Zellüberwachung ausgelegt, Messwerte mittels eines Ausgleichsfaktors zu verändern.
Die erfindungsgemäße Batterie eignet sich speziell für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Daher wird erfindungsgemäß auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie vorgestellt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ersetzen einer Batteriezelle eines Batteriemoduls durch eine andere Batteriezelle. Dabei unterscheidet sich die andere Batteriezelle von der Batteriezelle in mindestens einer der folgenden Kenngrößen: Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten. Das Verfahren umfasst die Schritte, Entnehmen der Batteriezelle aus dem Batteriemodul und Einsetzen der anderen Batteriezelle in das Batteriemodul. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt der Anpassung des Batteriemoduls umfasst, wobei die Anpassung den Kenngrößenunterschied der anderen Batteriezelle gegenüber der Batteriezelle kompensiert.
Dies hat den Effekt, dass in einem bereits gebrauchten elektrischen Energiespeicher einzelne galvanische Elemente gleicher Baugröße austauschbar sind, unabhängig davon, ob Unterschiede bezüglich Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung oder Kaltstartverhalten zwischen dem auszutauschenden Element und dem Austauschelement bestehen. Die Unterschiede können dabei beispielsweise Folge technologischer Weiterentwicklung und/oder Alterung des auszutauschenden Elements sein, die Ursache der Unterschiede ist aber für die Erfindung nicht relevant.
Dabei kann das Batteriemodul in einer Ausführungsform eine Zellüberwachung und/oder ein Batteriesteuergerät und die Anpassung des Batteriemoduls kann eine Anpassung von Messwerten in der Zellüberwachung und/oder dem Batteriesteuergerät umfassen.
Dann ist kein zusätzliches elektrisches Bauteil für die Anpassung erforderlich.
In der Ausführungsform kann die Anpassung von Messwerten durch mindestens einen Ausgleichsfaktor erfolgen.
Dies ist eine besonders einfache Form der Anpassung ohne zusätzliche Bauteile.
In einer anderen Ausführungsform kann der Schritt des Anpassens ein Realisieren einer Reihenschaltung der anderen Batteriezelle mit der erfindungsgemäß vorgestellten Vorrichtung für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle umfassen.
Die Realisierung der Reihenschaltung ist besonders einfach, wenn die Vorrichtung in einem Moduldeckel oder in einem Zellverbinder angeordnet ist.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle zur Anpassung von mindestens einer Kenngröße der Batteriezelle, und
2 eine zweite beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle zur Anpassung von mindestens einer Kenngröße der Batteriezelle.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle 30 zur Anpassung von mindestens einer Kenngröße der Batteriezelle 30. In dieser beispielhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 10 ein Widerstandselement 20 mit elektrischen Anschlüssen 21, 22. Nach Einbau der Vorrichtung 10 in eine Batterie oder ein Batteriemodul ist das Widerstandselement 20 über den elektrischen Anschluss 21 mit der Batteriezelle 30 in Reihe geschaltet. Der andere elektrische Anschluss 22 ist mit einer weiteren Batteriezelle 35 elektrisch leitfähig verbunden.
Das System 40 aus Batteriezelle 30 und zur Batteriezelle 30 in Reihe geschaltetem Widerstandselement 20 verhält sich dann nach außen so, wie eine andere Batteriezelle, die sich zumindest in einer der folgenden Kenngrößen von der Batteriezelle 30 unterscheidet: Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten.
Handelt es sich bei der anderen Batteriezelle um eine auszutauschende Batteriezelle eines Batteriemoduls, lässt sich diese unabhängig von den Kenngrößen der Batteriezelle durch das System 40 ersetzen, da mithilfe des Widerstandselements 20 Kenngrößenunterschiede der Batteriezelle gegenüber der auszutauschenden Batteriezelle 30 kompensiert werden können.
2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle 30 zur Anpassung von mindestens einer Kenngröße der Batteriezelle 30. In dieser zweiten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 10 neben dem Widerstandselement 20 mit elektrischen Anschlüssen 21, 22 noch eine Parallelschaltung 50 eines weiteren Widerstandselements 60 mit einem Kondensatorelement 70. Nach Einbau der Vorrichtung 10 in eine Batterie oder ein Batteriemodul ist das Widerstandselement 20 über den elektrischen Anschluss 21 mit der Batteriezelle 30 in Reihe geschaltet. Der andere elektrische Anschluss 22 ist über die Parallelschaltung 50 mit einer weiteren Batteriezelle 35 elektrisch leitfähig verbunden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Modifikation von Daten in einem Batteriesteuergerät und/oder in einer Zellüberwachung verwendet werden, die Leistungsdaten anzugleichen.
Die vorgestellten beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ermöglichen ein Reparaturverfahren für gebrauchte, auch Batterien oder Batteriemodule genannte Energiespeicher mit auch als Batteriezellen bezeichneten galvanischen Elementen.
Dabei werden in einem ersten Schritt ein oder mehrere galvanische Elemente des Energiespeichers durch eine entsprechende Anzahl anderer galvanischer Elemente ersetzt.
In einem zweiten Schritt erfolgt eine Anpassung zur Kompensation von Kenngrößenunterschieden zwischen den ersetzten und den ersetzenden galvanischen Elementen. Dies kann durch eine softwaretechnische Programmierung oder Neuprogrammierung des Steuergerätes bzw. der Zellüberwachung geschehen, zum Beispiel indem Messergebnisse gezielt mit einem Angleichfaktor modifiziert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Messung selbst auch durch Einbringung einer Vorrichtung mit einer elektrischen Schaltung modifiziert werden.
Durch Reihenschaltung des ersetzenden galvanischen Elements mit dieser Vorrichtung bekommt man ein System, dessen Verhalten analog dem des ersetzten galvanischen Elements ist, sofern die in der Vorrichtung enthaltenen Bauelemente entsprechend ausgewählt wurden.
Prinzipiell kann das Bauteil sehr genau an den Kenngrößenunterschied angepasst werden. Eine solch genaue Anpassung ist aber in der Praxis oft nicht erforderlich.
Die Vorrichtung ist in einer beispielhaften Ausführungsform in einem Moduldeckel integriert. Die Verbindung einer getauschten Zelle des Moduls zu verbliebenen Zellen des Moduls erfolgt dann über die Vorrichtung im Moduldeckel.
Bei Tausch eines ganzen Moduls mit mehreren Batteriezellen und zugehörigen Zellüberwachungen ist nur eine Schaltung notwendig, die das elektrische Verhalten des neuen Moduls so modifiziert, dass es dem elektrischen Verhalten des ausgetauschten Moduls entspricht.
Es ist auch eine Anordnung in einem Zellverbinder möglich.
Wenn beispielsweise die Impedanz einer Zelle bei 1 kHz und 150 mA über die Lebensdauer von 600 µOhm im Neuzustand auf 1100 µOhm ansteigt, so beträgt die Impedanzdifferenz einer neuen Zelle gegenüber der gealterten Zelle 500 µOhm.
Stehen nun beispielsweise Vorrichtungen zur Kompensation von Impedanzdifferenzen von 100 µOhm, 200 µOhm, 300 µOhm und 400 µOhm zur Verfügung, so kann beispielsweise durch Reihenschaltung der neuen Zelle mit einer Vorrichtung zur Kompensation von Impedanzdifferenzen von 4 µOhm das Verhalten der gealterten Zelle von der Reihenschaltung angenähert werden.
Die Kompensation kann noch verbessert werden, wenn zusätzlich eine Kompensation der verbleibenden Impedanzdifferenz von 100 µOhm erfolgt.
Beispielsweise kann zusätzlich eine Vorrichtung zur Kompensation von Impedanzdifferenzen von 100 µOhm in Reihe geschaltet werden, so dass die insgesamt kompensierte Impedanzdifferenz 500 µOhm, also der Impedanzdifferenz der neuen Zelle gegenüber der gealterten Zelle beträgt.
Noch feinere Justierung der Kompensation kann durch zusätzliche Parallelschaltung von Vorrichtungen erfolgen.
Die Kompensation von Impedanzdifferenz und/oder verbleibender Impedanzdifferenz nach Kompensation mittels einer Vorrichtung kann auch softwaretechnisch erfolgen, durch die oben beschriebene Anpassung von Messergebnissen im Batteriemanagementsystem, beispielsweise durch Umoder Neuprogrammierung der Steuergerätesoftware.
In einigen Situationen kann es vorteilhaft sein, neben dem Austausch eines zum Tausch vorgesehenen galvanischen Elements, auch einen Austausch eines weiteren galvanischen Elements vorzunehmen. Fällt etwa einer Zelle zum Beispiel in Folge einer Undichtigkeit aus, so kann es sinnvoll sein, zusammen mit der ausgefallenen Zelle eine andere Zelle auszutauschen, deren Innenwiderstand in Folge von Alterung und/oder Abnutzung um beispielsweise 50 µOhm gestiegen ist. Der Impedanzunterschied der auszutauschenden Zellen gegenüber den ausgetauschten Zellen kann dann mit einer einzigen 100 µOhm Schaltung kompensiert werden.
Dadurch lässt sich in der Praxis eine Vielzahl von Schaltungen realisieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008009970 A1 [0006]
DE 102008052986 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (10) für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle (30) zur Anpassung von mindestens einer der folgenden Kenngrößen der Batteriezelle (30): Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten; umfassend mindestens ein Widerstandselement (20).
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (10) eine mit dem Widerstandselement (20) in Reihe geschaltete Schaltung (50) mit einem weiteren Widerstandselement (60) und einer zu dem weiteren Widerstandselement (60) parallel geschalteten Kondensatorelement (70) umfasst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (10) in einem Moduldeckel zum Aufsetzen auf ein die Batteriezelle umfassendes Batteriemodul oder in einem Zellverbinder zur elektrisch leitfähigen Verbindung eines Terminals der Batteriezelle mit einem Terminal einer weiteren Batteriezelle angeordnet ist.
Batterie mit mindestens einem Batteriemodul mit einer Batteriezelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul eine mit der Batteriezelle (30) in Reihe geschaltete Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3 umfasst.
Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 4.
Verfahren zum Ersetzen einer Batteriezelle eines Batteriemoduls durch eine andere Batteriezelle (30), welche sich von der Batteriezelle in mindestens einer der folgenden Kenngrößen unterscheidet: Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten; umfassend die Schritte, Entnehmen der Batteriezelle aus dem Batteriemodul und Einsetzen der anderen Batteriezelle (30) in das Batteriemodul, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt der Anpassung des Batteriemoduls umfasst, wobei die Anpassung den Kenngrößenunterschied der anderen Batteriezelle (30) gegenüber der Batteriezelle kompensiert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Anpassens ein Realisieren einer Reihenschaltung der anderen Batteriezelle (30) mit einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (10) in einem Moduldeckel oder in einem Zellverbinder angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Batteriemodul eine Zellüberwachung und/oder ein Batteriesteuergerät umfasst und wobei die Anpassung des Batteriemoduls eine Anpassung von Messwerten in der Zellüberwachung und/oder dem Batteriesteuergerät umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Anpassung von Messwerten durch mindestens einen Ausgleichsfaktor erfolgt.