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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrisch leitfähigen Verbindung eines Zell-Controllers mit einer Mehrzahl elektrischer Speicherzellen, ein Verfahren zur Erkennung einer Schaltungskonfiguration elektrischer Speicherzellen mittels einer derartigen Vorrichtung sowie ein Batterie-Modul mit einer derartigen Vorrichtung.
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Zur Speicherung elektrischer Energie werden u. a. wieder aufladbare elektrische Energiespeicher auf elektrochemischer Basis wie galvanische Zellen verwendet, die auch als Akkumulatorzellen oder Sekundärzellen bezeichnet werden; mehrere derartige Zellen bilden einen Akkumulator oder eine Sekundärbatterie. Hierbei ist es seit langem bekannt, dass die einzelnen Zellen der Sekundärbatterie miteinander kombiniert werden können, entweder als Reihenschaltung (Serienschaltung) zur Steigerung der nutzbaren elektrischen Spannung oder aber als Parallelschaltung zur Steigerung der nutzbaren Kapazität der Sekundärbatterie und deren Belastbarkeit durch hohe Ströme. Bei mehr als zwei Zellen können auch serielle und parallele Verschaltungen kombiniert werden, um eine gewünschte Spannung und bzw. oder einen gewünschten Strom an den Klemmen der Sekundärbatterie anliegen zu haben.
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Derartige Sekundärbatterien werden als elektrische Hochvolt-Energiespeicher auch bei Fahrzeugen mit elektrischen (Teil-)Antrieben wie z. B. bei Elektrofahrzeugen mit rein elektrischem Antrieb (BEV – Battery Electrical Vehicle) oder bei hybriden Fahrzeugen mit einer Kombination aus Verbrennungsantrieb und elektrischem Antrieb (HEV – Hybrid Electrical Vehicle bzw. PHEV – Plug-In Hybrid Electrical Vehicle) verwendet. Dabei steigt mit der Vielfalt der Antriebs- und sonstiger Fahrzeugkomponenten auch die Vielfalt der Fahrzeugmodelle. So gibt es Fahrzeuge, deren elektrischer Antrieb eine höhere Spannung bzw. einen höheren Strom benötigt als andere; auch sind verschiedene Varianten eines Fahrzeugmodells mit unterschiedlichen elektrischen Motorisierungen möglich. Somit werden für viele verschiedene Fahrzeugausführungen auch entsprechend viele unterschiedliche Batterietypen benötigt, insbesondere mit unterschiedlichen Klemmenspannungen. Gleichzeitig besteht bei den Fahrzeugherstellern jedoch die Anforderung, die Vielfalt ihrer Fahrzeugkomponenten möglichst gering zu halten und z. B. universell verwendbare Batteriemodule einzusetzen, die für möglichst viele verschiedene Fahrzeugvarianten geeignet sind. Derartige Module bestehen derzeit üblicherweise im Wesentlichen aus zwölf Lithium-Ionen-Zellen, die in einem Modulrahmen zusammengefügt sind. Der mechanische Aufbau und die äußeren Abmessungen werden unabhängig von der Verschaltung der einzelnen Zellen nach Möglichkeit einheitlich gehalten, um ein Standard-Batterie-Modul bzw. eine Standard-Sekundärbatterie in möglichst vielen bzw. allen Fahrzeugvarianten und -typen verwenden zu können. Elektrisch besteht die Herausforderung darin, bei einem derartigen einheitlichen Standard-Batterie-Modul unterschiedliche Seriell- und Parallelschaltungen der Zellen vornehmen zu können, um diese in den unterschiedlichen Fahrzeugtypen (BEV, PHEV, HEV) und – varianten einsetzen zu können. Derzeit sind folgende Schaltungen üblich: alle zwölf Zellen sind seriell geschaltet (12s1p), jeweils zwei parallel geschaltete Zellen sind sechsfach seriell geschaltet (6s2p) und jeweils drei parallel geschaltete Zellen sind vierfach seriell geschaltet (4s3p), siehe auch z. B.
4 der
US 2012/0183823 A .
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Je komplexer das die elektrischen Zellen verwendende System ist, desto mehr ist es auf die Zuverlässigkeit derselben angewiesen. Um eine möglichst gleichbleibende Versorgungsqualität und Sicherheit gewährleisten zu können, ist eine kontinuierliche Überwachung der elektrischen Zellen wichtig, insbesondere bei starken Beanspruchungen. So müssen Lithium-Ionen-Zellen hinsichtlich ihrer Zustandsgrößen Zellspannung, Zellstrom und Zelltemperatur überwacht und Zellspannungsdifferenzen per Ausgleichsschaltung ggf. egalisiert werden, um die Betriebssicherheit und die Lebensdauer in ausreichendem Maße sicherzustellen: Diese Aufgabe wird in der Regel von einem sogenannten Zell-Controller übernommen, der häufig auf dem Modul integriert ist. Je nach Konfiguration des Moduls hat dieser Zellcontroller z. B. zwölf seriell verschaltete einzelne Zellen, sechs seriell verschaltete Zellenpaare oder vier seriell verschaltete Kombinationen von drei parallel verschalteten Zellen z. B. zu überwachen, auszuwerten und zu steuern bzw. zu regeln. Dabei sehen herkömmliche Lösungen für jede Konfiguration einen angepassten Zell-Controller sowie eine spezifische Anbindungsgeometrie vor, um die Elektronik des Zell-Controllers, bestehend z. B. aus einem 12er MessIC (Integrated Circuit) oder ASIC (Application Specific Integrated Circuit) und weiterer Bauteile, optimal auszunutzen.
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Die
US 2011/0101920 A1 beschreibt ein Batterie-Modul mit einem Zell-Controller für eine reine Serienschaltung der Batterie-Zellen.
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Die
US 7,772,799 B2 betrifft ein Batterie-Modul als Bestandteil einer Batterie-Anordnung, wobei das Batterie-Modul eine Vielzahl von einzelnen Batterie-Zellen aufweist, die über einen Zell-Controller pro Batterie-Modul überwacht werden. Die einzelnen Zell-Controller innerhalb der Batterie-Anordnung kommunizieren miteinander und einer der Zell-Controller kann die Steuerung der gesamten Batterie-Anordnung übernehmen.
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Nachteilig ist allen zuvor beschriebenen Batterie-Modulen, dass jeder Zell-Controller bzw. dessen Anschlusspunkte für die Messabgriffe der elektrischen Zellen des jeweiligen Batterie-Moduls speziell für die Verschaltungsvariante 12s1p, 6s2p etc. des Batterie-Moduls angepasst und konfiguriert sein muss bzw. müssen. Dies hat eine hohe Variantenvielfalt von Zell-Controllern bzw. Zell-Controller-Platinen zur Folge und bedeutet wirtschaftliche Nachteile, da kleinere Stückzahlen verschiedener Zell-Controller bzw. Zell-Controller-Platinen hergestellt werden müssen. Auch erschwert dies die Lagerhaltung der Zell-Controller bzw. Zell-Controller-Platinen bzw. macht diese komplizierter. Dies gilt ebenso für die Verwendung und Zuführung der individuellen Zell-Controller bzw. Zell-Controller-Platinen in der Produktion.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile auszuräumen. Insbesondere soll eine Vorrichtung geschaffen werden, mit der ein Zell-Controller bei verschiedenen Verschaltungen von Batterie-Zellen verwendet werden kann, um so die Variantenvielfalt an Zell-Controllern bzw. Zell-Controller-Platinen zu vermeiden bzw. zumindest zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 7 und ein Batterie-Modul mit den Merkmalen nach Anspruch 9 gelöst. Die Unteransprüche und Figuren zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur elektrisch leitfähigen Verbindung eines Zell-Controllers mit einer Mehrzahl elektrischer Speicherzellen mit einer ersten und einer zweiten Mehrzahl von Anschlusspunkten zur elektrisch leitfähigen Verbindung der Vorrichtung mit zumindest einem Teil der elektrischen Speicherzellen, wobei die Anschlusspunkte elektrisch leitfähig mit einer Aufnahme des Zell-Controllers verbunden sind. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Mehrzahl von Anschlusspunkten derart angeordnet ist, um elektrisch leitfähig mit Messabgriffen entsprechend einer ersten Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen verbunden zu werden, und eine zweite Mehrzahl von Anschlusspunkten derart angeordnet ist, um elektrisch leitfähig mit Messabgriffen entsprechend einer zweiten Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen verbunden zu werden.
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Eine derartige Vorrichtung kann z. B. eine Platine oder Leiterplatte umfassen, auf der z. B. ein Zell-Controller vorgesehen und über Leiterbahnen oder Verdrahtungen mit den Anschlusspunkten elektrisch leitfähig verbunden sein kann. Diese Anschlusspunkte sind vorgesehen, bei der Montage der Vorrichtung auf einer z. B. standardisierten Zell-Anordnung eines Batterie-Moduls mit entsprechenden Messabgriffen der Polverbinder der Zell-Anordnung in elektrisch leitfähigen Kontakt gebracht zu werden, um dem Zell-Controller einen Messabgriff an bestimmten Stellen des Batterie-Moduls zu ermöglichen. Die Polverbinder verbinden die Pole der einzelnen Batterie-Zellen entsprechend der gewünschten Verschaltung zu parallel und bzw. oder seriell geschalteten Zellen Die Polverbinder der Pole der Batterie-Zellen, die auch als Kontaktplatten bezeichnet werden können, weisen Messabgriffe auf, die üblicherweise auf einer Seite auf die Polverbinder des Batterie-Moduls geschweißt und mit Kunststoff umspritzt werden. Die Anordnung der Messabgriffe auf den Polverbindern und damit auch die Anordnung der korrespondierenden Anschlusspunkte auf der Vorrichtung des Zell-Controllers hängt von der jeweiligen Verschaltung des Batterie-Moduls ab, z. B. 12s1p, 6s2p etc. Üblicherweise wird die Vorrichtung auf das Batterie-Modul aufgesteckt und dann verlötet.
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Bislang sind nur Vorrichtungen bekannt, die für eine einzige bestimmte Verschaltung von Batterie-Zellen verwendet werden können; für alle anderen Verschaltungen würden die Messabgriffe der Polverbinder des Batterie-Moduls und die Anschlusspunkte der Vorrichtung nicht übereinstimmen und damit die Zell-Spannungen dieser Verschaltung nicht durch den Zell-Controller erfasst und überwacht werden können. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf einer Vorrichtung wie z. B. einer Platine Anschlusspunkte für verschiedene Verschaltungen vorgesehen sind. Auf diese Weise kann ein und dieselbe Vorrichtung für Zellen verschiedener Verschaltungen verwendet werden. Die Anschlusspunkte der Vorrichtung, die mit Messabgriffen der Polverbinder des Batterie-Moduls elektrisch leitfähig in Kontakt kommen, können durch den Zell-Controller verwendet und deren Spannungen abgegriffen werden; an den übrigen Anschlusspunkten, die in keinem elektrisch leitfähigen Kontakt mit Messabgriffen der Kontaktplatte des Batterie-Moduls stehen, liegen keine Spannung an.
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Vorzugsweise ist eine dritte Mehrzahl von Anschlusspunkten derart angeordnet, um elektrisch leitfähig mit Messabgriffen entsprechend einer dritten Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen verbunden zu werden. Auf diese Weise können noch mehr verschiedene Konfigurationen von Verschaltungen der Batterie-Zellen mit ein und derselben Vorrichtung elektrisch leitfähig verbunden und durch einen Zell-Controller überwacht werden.
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Vorzugsweise verbindet jede der Schaltungskonfigurationen zwölf elektrische Speicherzellen elektrisch leitfähig miteinander, wobei die erste, zweite und dritte Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen jeweils eine der folgenden Verschaltungen ist:
- • alle zwölf elektrischen Speicherzellen sind seriell geschaltet (12s1p), und bzw. oder
- • jeweils zwei parallel geschaltete elektrische Speicherzellen sind sechsfach seriell geschaltet (6s2p), und bzw. oder
- • jeweils drei parallel geschaltete elektrische Speicherzellen sind vierfach seriell geschaltet (4s3p), und bzw. oder
- • jeweils vier parallel geschaltete elektrische Speicherzellen sind dreifach seriell geschaltet (3s4p), und bzw. oder
- • jeweils sechs parallel geschaltete elektrische Speicherzellen sind zweifach seriell geschaltet (2sop), und bzw. oder
- • alle zwölf elektrischen Speicherzellen sind parallel geschaltet (1s12p).
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Die Verwendung von zwölf Speicherzellen als Batterie-Modul, welches durch einen gemeinsamen Zell-Controller überwacht wird, ist vorteilhaft, weil durch diese Anordnung für viele Anwendungen eine ausreichende Klemmenspannung und bzw. oder ein ausreichender Klemmenstrom des Moduls zur Verfügung gestellt werden kann. Ferner bieten zwölf Zellen durch ihre serielle und bzw. oder parallele Verschaltung zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten, um ohne Veränderungen der Anzahl oder Kapazität der Zellen die Klemmenspannung und bzw. oder den Klemmenstrom zu variieren. Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf wenigstens zwei dieser Schaltungsvarianten ausgelegt werden, um nicht nur bei einer Schaltungsvariante sondern bei mehreren Schaltungsvarianten ohne Veränderung ihres Aufbaus, insbesondere der Anordnung ihrer Anschlusspunkte, angewendet zu werden. Dabei werden bei einer Parallelschaltung die gleichnamigen Pole mehrerer benachbarter Zellen über einen Polverbinder elektrisch leitfähig miteinander verbunden, so dass alle diese Pole das gleiche elektrische Potential (Plus oder Minus) aufweisen; bei einer Serienschaltung sind ungleichnamige Pole über die Zelle bzw. parallel geschalteten Zellen elektrisch leitfähig miteinander verbunden, so dass die Pole der Zelle bzw. Zellen entgegengesetzte Potentiale aufweisen.
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Vorzugsweise ist wenigstens einer der Anschlusspunkte vorgesehen, bei wenigstens zwei der ersten, zweiten und bzw. oder dritten Schaltungskonfigurationen mit einer elektrischen Speicherzelle elektrisch leitfähig verbunden zu werden. Aufgrund der Vielzahl von verschiedenen Verschaltungen der Batterie-Zellen können einzelne Anschlusspunkte auch bei mehreren Schaltungskonfigurationen verwendet werden, um mit möglichst wenig verschiedenen Anschlusspunkten möglichst viele bzw. alle überhaupt möglichen Schaltungskonfigurationen erfassen zu können. Hierbei werden jedoch nicht alle Anschlusspunkte für dieselben Konfigurationen mehrfach verwendet, so dass über die Betrachtung aller Anschlusspunkte stets die anliegende Konfiguration von Messabgriffen eindeutig identifiziert werden kann. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Mehrfachverwendung einzelner Anschlusspunkte für mehrere, wenigstens zwei Schaltungskonfigurationen mehr Konfigurationen überwacht werden können als dies durch eine ausschließliche Einfachbelegung der Anschlusspunkte möglich wäre.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen Zell-Controller zur Überwachung der Mehrzahl elektrischer Speicherzellen auf, der durch die Aufnahme aufgenommen wird. Ein solcher Zell-Controller dient der Überwachung der Speicherzellen wie z. B. Lithium-Ionen-Zellen hinsichtlich ihrer Zustandsgrößen Zellspannung und Zelltemperatur. Ferner können durch den Zell-Controller z. B. mittels entsprechender Schaltungen der Vorrichtung wie z. B. einer Ausgleichsschaltung Zellspannungsdifferenzen ausgeglichen werden, um die Betriebssicherheit und die Lebensdauer der Zellen in ausreichendem Maße sicherzustellen. Als Zell-Controller können Mikrocontroller, MessICs (Integrated Circuit) oder ASICs (Application Specific Integrated Circuit) verwendet werden.
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Vorzugsweise ist die erste, zweite und dritte Mehrzahl von Anschlusspunkten jeweils derart angeordnet, dass die einzelnen Anschlusspunkte vorbestimmte relative Positionen zueinander einnehmen, die der jeweiligen entsprechenden Anordnung der Messabgriffe der ersten, zweiten und dritten Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen entsprechen. Die Messabgriffe sind auf den Polverbindern der elektrischen Speicherzellen vorgesehen und jeweils so angeordnet, dass sie einen Abgriff der Spannungen der Zellen ermöglichen. Dabei ändert sich mit der vorliegenden Schaltungskonfiguration der Zellen auch die Anordnung der Messabgriffe, so dass diese charakteristisch für die jeweils vorliegende Schaltungskonfiguration ist. Ist diese schaltungsspezifische Anordnung der Messabgriffe bekannt, so kann die Geometrie der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich der Anordnung der Anschlusspunkte wie z. B. das Layout der Platine des Zell-Controllers auf alle Anordnungen von Messabgriffen, die mit dieser Platine überwacht werden sollen, ausgelegt werden. Dabei sind die Anschlusspunkte der jeweiligen Schaltungskonfiguration relativ zueinander so beabstandet, wie es auch der Anordnung der korrespondierenden Messabgriffe entspricht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese auch ein Verfahren zur Erkennung einer Schaltungskonfiguration elektrischer Speicherzellen mit den Schritten:
- • elektrisches Verbinden einer Vorrichtung wie zuvor beschrieben mit einer Mehrzahl elektrischer Speicherzellen,
- • Überprüfen der Mehrzahl von Anschlusspunkten hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit, und
- • Erkennen einer Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit der Anschlusspunkte.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein derartiges Verfahren durchzuführen ist vorteilhaft, weil auf diese Weise z. B. bei der Inbetriebnahme eines Batterie-Moduls bzw. dessen Zell-Controllers automatisch durch diesen erkannt werden kann, wie die zu überwachenden Batterie-Zellen verschaltet sind. Hierzu werden die Anschlusspunkte z. B. durch den Zell-Controller auf ihre elektrische Leitfähigkeit überprüft, um festzustellen, welche Anschlusspunkte in einem elektrisch leitfähigen Kontakt mit entsprechenden Messabgriffen der Speicherzellen, z. B. einer Kontaktplatte oder einem Polverbinder eines Batterie-Moduls, stehen. Aus den als elektrisch leitfähig verbunden erkannten Anschlusspunkten kann dann geschlossen werden, auf welche Weise die Zellen miteinander verschaltet sind. So kann z. B. in einem Speicher der Vorrichtung, insbesondere des Zell-Controllers, eine Zuordnung hinterlegt sein, welche Anschlusspunkte bei bestimmten Schaltungskonfigurationen elektrisch leitfähig mit Messabgriffen verbunden sein müssen. Über diese Zuordnung kann durch Vergleich der erkannten Anschlusspunkte die Verschaltung bestimmt werden. Auf diese Weise kann eine automatisierte Erkennung einer Schaltungskonfiguration der Speicherzellen erfolgen.
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Vorzugsweise weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
- • Betreiben eines Zell-Controllers entsprechend der erkannten Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen.
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Nach der Erkennung der Schaltungskonfiguration kann sich der Zell-Controller selbstständig auf diese einstellen und die entsprechende Überwachung der Speicherzellen übernehmen, ohne dass es weiterer Einrichtungsschritte z. B. durch einen Anwender erfordert. Ferner werden auf diese Weise Fehleinstellungen ausgeschlossen, da der Zell-Controller selbstständig die zu überwachende Schaltungskonfiguration erkennt. Vorzugsweise wird die erkannte Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen z. B. durch den Zell-Controller an zu der Vorrichtung externe Elemente wie z. B. eine übergeordnete Steuerung ausgegeben, um diese Information dort weiterzuverwenden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Batterie-Modul mit einer Mehrzahl elektrischer Speicherzellen, vorzugsweise zwölf elektrischer Speicherzellen, und einer Vorrichtung wie zuvor beschrieben, wobei nur ein Teil der Anschlusspunkte der Vorrichtung mit zumindest einem Teil der elektrischen Speicherzellen elektrisch leitfähig verbunden sind. Dieses Batterie-Modul weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf, dessen Anschlusspunkte zum Teil, entsprechend der jeweiligen Schaltungskonfiguration der Zellen des Batterie-Moduls, mit den korrespondierenden Messabgriffen der Speicherzellen bzw. deren Kontaktplatte oder Polverbinder elektrisch leitfähig verbunden sind; die übrigen Anschlusspunkte der Vorrichtung, die für andere Schaltungskonfigurationen vorgesehen sind, stehen mit den Speicherzellen in keinem elektrisch leitfähigem Kontakt. Hierzu sind die Messabgriffe, außer an den Stellen der notwendigen Konfiguration, nicht vorhanden. Auf diese Weise kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf einem beliebig verschalteten Batterie-Modul verwendet werden, so dass genau die Anschlusspunkte und Messabgriffe mit dem Zell-Controller elektrisch leitfähig verbunden werden, die dies auch bei einer auf genau diese Schaltungskonfiguration ausgelegten Zell-Controller-Platine wären.
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Vorzugsweise sind wenigstens einzelne elektrische Speicherzellen mittels Polverbinder seriell und bzw. oder parallel verschaltet, wobei jeder Polverbinder wenigstens einen Messabgriff aufweist, der mit einem entsprechenden Anschlusspunkt der Vorrichtung elektrisch leitfähig verbunden ist. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Messabgriffe der Speicherzellen auf deren Polverbinder bzw. Kontaktplatten aufgeschweißt sind, wobei pro Polverbinder bzw. Kontaktplatte nur ein Messabgriff vorgesehen und dieser so angeordnet ist, dass seine Position die Verschaltung dieser Zellen eindeutig kennzeichnet.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass durch die eine universelle Zell-Controller-Platine verschiedene Verschaltungskonfigurationen von Batterie-Zellen elektrisch kontaktiert und überwacht werden können. Die Erfindung vermeidet die bisher übliche Variantenvielfalt an Zell-Controller-Platinen durch eine geschickte Anordnung und Verdrahtung der Anschlusspunkte auf der Platine für die Messspannungsabgriffe von den Batterie-Zellen. Zudem wurde im Layout der erfindungsgemäßen Zell-Controller-Platine die größtmögliche Anzahl von Anschlusspunkten für die Konfiguration 12s1p von vornherein vorgesehen, so dass mit einer Zell-Controller-Platine alle möglichen und sinnvollen Konfigurationen von Verschaltungen bedient werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Darstellung eines Batterie-Moduls mit einer üblichen Zell-Controller-Platine für eine 12s1p-Verschaltung;
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2 eine schematische Darstellung eines Batterie-Moduls mit einer üblichen Zell-Controller-Platine für eine 6s2p-Verschaltung;
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3 eine schematische Darstellung eines Batterie-Moduls mit einer üblichen Zell-Controller-Platine für eine 4s3p-Verschaltung;
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4 eine schematische Darstellung eines Batterie-Moduls mit einer erfindungsgemäßen Zell-Controller-Platine, welche mit einer 1251p-Verschaltung, 6s2p-Verschaltung und 4s3p-Verschaltung verwendet werden kann; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung einer Schaltungskonfiguration.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batterie-Moduls 8 mit einer üblichen Zell-Controller-Platine 4 für eine 12s1p-Verschaltung; die 2 und 3 zeigen entsprechende Darstellungen für eine 6s2p-Verschaltung bzw. 4s3p-Verschaltung. Das Batterie-Modul 8 weist zwölf elektrische Speicherzellen 1 wie z. B. Lithium-Ionen-Zellen auf, welche nebeneinander durch einen mechanischen Modulrahmen (nicht dargestellt) zu dem Batterie-Modul 8 zusammengefasst sind. Die einzelnen benachbarten Speicherzellen 1 sind je nach Schaltungskonfiguration durch Polverbinder 2 miteinander parallel geschaltet, welche die Anschlusspole der einzelnen benachbarten Speicherzellen 1 elektrisch leitfähig miteinander verbinden. Diese Polverbinder 2 liegen einander wechselseitig gegenüber und sind in Querrichtung der Darstellung der 1, 2 und 3 um die Hälfte der zu verbinden Speicherzellen 1 zueinander versetzt, so dass durch die Anordnung der Polverbinder 2 die jeweilige Schaltungskonfiguration erreicht wird. Die durch die Kombination der zwölf Speicherzellen 1 erreichte Klemmenspannung bzw. der Klemmenstrom liegt nach Außen abgreifbar an der Kathode 6 und Anode 7 des Batterie-Moduls an.
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Um die Spannungen zwischen den einzelnen zusammengeschalteten Speicherzellen 1 überwachen zu können, weisen die Polverbinder 2, die auch als Kontaktplatten 2 bezeichnet werden können, Messabgriffe in Form elektrisch leitfähiger Erhebungen auf (nicht dargestellt). Diese Messabgriffe sind auf jedem Polverbinder 2 einmalig vorgesehen und so angeordnet, dass die Schaltungskonfiguration der Speicherzellen 1 durch die Position der Messabgriffe eindeutig gekennzeichnet ist. Über diese Messabgriffe können Spannungen zwischen seriell geschalteten Speicherzellen 1 gemessen werden. Dies geschieht durch einen Zell-Controller 5, welcher in einer entsprechenden Aufnahme 9 auf einer Vorrichtung vorgesehen ist, welche der elektrisch leitfähigen Verbindung der Messabgriffe der Polverbinder 2 und des Zell-Controllers 5 dient. Die Vorrichtung kann eine Platine 4 oder Leiterplatte 4 sein, die den Zell-Controller 5 bzw. dessen Aufnahme 9 aufweist und die Aufnahme 9 z. B. über Verdrahtungen oder elektrische Leiterbahnen (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) mit einer Mehrzahl von Anschlusspunkten 3a, 3b, 3c elektrisch leitfähig verbindet. Diese Anschlusspunkte 3a, 3b, 3c sind so angeordnet, dass sie der entsprechenden Schaltungskonfiguration entsprechen und die Messabgriffe elektrisch leitfähig mit dem Zell-Controller 5 verbinden. So verbinden die Anschlusspunkte 3a der 1 die Messabgriffe der Polverbinder 2, die eine 12s1p-Verschaltung bewirken, mit dem Zell-Controller 5, damit er genau diese Verschaltung überwachen kann. Mit anderen Worten kann mit einer hardwareseitig fest vorgegebenen Anordnung von Anschlusspunkten 3a und entsprechenden Verdrahtungen oder Leiterbahnen, wie bisher üblich, auch nur die entsprechende 1251p-Verschaltung elektrisch leitfähig verbunden und überwacht werden; würde die Platine 4 der 1 auf anders verschaltete Speicherzellen 1 angewendet werden, würde keine Kontaktierung der Anschlusspunkte 3a mit den entsprechenden Messabgriffen erfolgen und der Zell-Controller 5 könnte diese Verschaltung der Speicherzellen 1 nicht überwachen. Die 2 und 3 zeigen entsprechende Anordnungen der Anschlusspunkte 3b, 3c für eine 6s2p-Verschaltung bzw. 4s3p-Verschaltung.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Batterie-Moduls 8 mit einer erfindungsgemäßen Zell-Controller-Platine 4, welche mit einer 12s1p-Verschaltung, 6s2p-Verschaltung und 4s3p-Verschaltung verwendet werden kann. Hierzu weist die Platine 4 sowohl Anschlusspunkte 3a auf, die bei einer Verwendung der Platine 4 mit einer 12s1p-Verschaltung von Speicherzellen 1 verwendet werden, sowie Anschlusspunkte 3b bzw. 3c, die für eine 6s2p-Verschaltung bzw. 4s3p-Verschaltung erforderlich sind. Alle Anschlusspunkte 3a, 3b, 3c sind über Verdrahtungen bzw. Leiterbahnen über eine Aufnahme 9 des Zell-Controllers 5 mit dem Zell-Controller 5 verbunden, so dass dieser Spannungen über alle Anschlusspunkte 3a, 3b, 3c überwachen kann. Dabei liegen Spannungen jedoch nur an den jeweils elektrisch leitfähig mit den Messabgriffen der jeweiligen Polverbinder 2 verbundenen Anschlusspunkten 3a, 3b, 3c an, je nach Schaltungskonfiguration der Speicherzellen 1. Die übrigen Anschlusspunkte 3a, 3b, 3c weisen keinen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Speicherzellen 1 auf, weil die diesen Schaltungskonfigurationen entsprechenden Messabgriffe nicht vorhanden sind. Wird beispielsweise die erfindungsgemäße Platine 4 in Kombination mit einem Batterie-Modul 8 mit einer 12s1p-Verschaltung von Speicherzellen 1 gemäß 1 verwendet, so werden die dort gezeigten Anschlusspunkte 3a elektrisch leitfähig mit den entsprechenden Messabgriffen der Polverbinder 2 verbunden während die übrigen Anschlusspunkte 3b, 3c nicht elektrisch leitfähig verbunden sind. Somit kann ein und dieselbe Platine 4 für mehrere Schaltungskonfigurationen verwendet werden. Dabei können auch einzelne Anschlusspunkte 3a, 3b, 3c bei mehreren Schaltungskonfigurationen elektrisch leitfähig mit entsprechenden Messabgriffen verbunden sein.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung einer Schaltungskonfiguration. Mittels eines derartigen Verfahrens kann der Zell-Controller 5 auch selbstständig erkennen, mit welcher Anordnung von Messabgriffen er verbunden ist. Hierzu wird in einem ersten Schritt 100 die Platine 4 auf ein Batterie-Modul 8 aufgesteckt und mit diesem mechanisch verbunden, so dass die Messabgriffe des Batterie-Moduls 8 mit den entsprechenden Anschlusspunkten 3a, 3b, 3c der Platine 4 elektrisch leitfähig in Kontakt kommen. In einem zweiten Schritt 200 erfolgt die Überprüfung der Anschlusspunkte 3a, 3b, 3c hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit durch den Zell-Controller 5 der Platine 4 z. B. durch Überprüfen auf eine dort anliegende Spannung. In einem dritten Schritt 300 wird die vorliegende Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen 1 in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit der Anschlusspunkte 3a, 3b, 3c erkannt. Werden z. B. alle Anschlusspunkte 3a als elektrisch leitfähig erkannt, so kann z. B. durch Vergleich mit im Zell-Controller 5 hinterlegten Informationen hierdurch eine 12s1p-Verschaltung erkannt werden. In einem vierten Schritt 400 wird der Zell-Controller 5 entsprechend der erkannten Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen 1 betrieben. In einem fünften Schritt 500 wird die erkannte Schaltungskonfiguration der elektrischen Speicherzellen 1 z. B. vom Zell-Controller 5 ausgegeben, z. B. an eine übergeordnete Steuerung.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsbeispiele anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0183823 A [0003]
- US 2011/0101920 A1 [0005]
- US 7772799 B2 [0006]
