DE102014004951A1 - Battery with internal battery diagnostic facility and procedure to perform a battery diagnosis - Google Patents
Battery with internal battery diagnostic facility and procedure to perform a battery diagnosis Download PDFInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie (1), insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, umfassend wenigstens eine in einem Gehäuse (2) angeordnete Batteriezelle (3) und eine in dem Gehäuse (2) angeordnete und mit der Batteriezelle (3) elektrisch verbundene Batterie-Diagnose-Einrichtung (4), wobei in dem Gehäuse (2) weiter ein mit der Batterie-Diagnose-Einrichtung (4) verbundener, magnetisch betätigbarer Schalter (5) und eine mit der Batterie-Diagnose-Einrichtung (4) verbundene Signalerzeugungseinrichtung (6) angeordnet sind, und mittels Anlegen eines Magnetfelds von außerhalb des Gehäuses (2) der magnetisch betätigbare Schalter (5) betätigbar ist, durch Betätigen des magnetisch betätigbaren Schalters (5) die Batterie-Diagnose-Einrichtung (4) einschaltbar ist und die Batterie-Diagnose-Einrichtung (4) dazu eingerichtet ist, nach ihrem Einschalten eine Batteriediagnose durchzuführen und das Ergebnis der Batteriediagnose mit Hilfe der Signalerzeugungseinrichtung (6) akustisch und/oder optisch auszugeben. Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Durchführen einer Batteriediagnose unter Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie.The present invention relates to a battery (1), in particular a lithium-ion battery, comprising at least one battery cell (3) arranged in a housing (2) and a battery arranged in the housing (2) and electrically connected to the battery cell (3) -Diagnostic device (4), wherein in the housing (2) there is also a magnetically operable switch (5) connected to the battery diagnostic device (4) and a signal generating device (4) connected to the battery diagnostic device (4). 6) are arranged, and by applying a magnetic field from outside the housing (2) the magnetically operated switch (5) can be operated, by operating the magnetically operated switch (5) the battery diagnostic device (4) can be switched on and the battery -Diagnostic device (4) is set up to carry out a battery diagnosis after it has been switched on and the result of the battery diagnosis with the aid of the signal generating device (6) acoustically and / or o ptable to spend. The present invention also comprises a method for carrying out a battery diagnosis using the battery according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer internen Batterie-Diagnose-Einrichtung sowie ein Verfahren zur Durchführung einer Batteriediagnose.The present invention relates to a battery having an internal battery diagnostic device and a method for performing a battery diagnosis.
Elektrofahrzeuge werden vollständig und Hybridfahrzeuge zumindest teilweise mit in wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren; nachfolgend als Batterie oder Batterien bezeichnet) gespeicherter Energie betrieben. Ein typischer Vertreter der derzeit verwendeten Batterien sind solche auf Lithiumbasis, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien, Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien oder Lithium-Titantat-Batterien (nachfolgend gemeinsam als Lithium-Ionen-Batterien bezeichnet).Electric vehicles are operated fully and hybrid vehicles at least partially with energy stored in rechargeable batteries (accumulators, hereinafter referred to as battery or batteries). A typical representative of the currently used batteries are those based on lithium, such as lithium-ion batteries, lithium-polymer batteries, lithium-iron-phosphate batteries or lithium-titanate batteries (collectively referred to as lithium-ion batteries hereinafter). ,
In Batterien zum Antrieb von Elektrofahrzeugen werden Batteriezellen in Reihe geschaltet, um die für die Traktion eines Elektrofahrzeugs erforderliche elektrische Spannung zu erhalten. Mehrere der so erhaltenen Batteriepakete können auch parallel zueinander geschaltet werden, um eine ausreichende Stromstärke zu gewährleisten. Die so erhaltenen Batterien werden oftmals auch als Traktionsbatterien oder Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) bezeichnet.In electric vehicle batteries, battery cells are connected in series to provide the electrical voltage required for the traction of an electric vehicle. Several of the battery packs thus obtained can also be connected in parallel with one another in order to ensure a sufficient current intensity. The batteries thus obtained are often referred to as traction batteries or high-voltage batteries (HV batteries).
Die Batteriezelle bzw. deren Komponenten muss/müssen oftmals gegen Luft- und/oder Feuchtigkeitszutritt geschützt sein, da ein Luft- und/oder Feuchtigkeitszutritt je nach Batterietyp die Batteriezelle funktionsunfähig machen kann, wobei unter Umständen auch die Gefahr von Gasentwicklung, Brand oder gar einer Explosion der Batteriezelle gegeben sein kann. Daher sind aus Sicherheitsgründen die Batteriezellen einer Batterie (bspw. Traktions-Batterie) oftmals selbst noch einmal von einem hermetisch abschließenden Gehäuse umgeben.The battery cell or its components must / must often be protected against air and / or moisture access, as an air and / or moisture access can make the battery cell inoperable depending on the battery type, which may also include the risk of gas evolution, fire or even a Explosion of the battery cell can be given. Therefore, for safety reasons, the battery cells of a battery (eg traction battery) are often themselves surrounded by a hermetically sealed housing.
Bei Lithium-Ionen-Batterien ist bekannt, dass dies zum einen kalendarisch und zum andern durch deren Zyklisierung, d. h. durch Ladungs- und Entladungsvorgänge, altern. Durch die Zellalterung verlieren die Zellen der Batterien und damit die Gesamt-Batterie sukzessive an Kapazität.In the case of lithium-ion batteries, it is known that this can be done on a calendar basis and on the other hand through their cyclization, ie. H. by charge and discharge processes, age. As a result of cell aging, the cells of the batteries and thus the total battery gradually lose their capacity.
Daneben können Batterien, die bspw. in elektromotorisch antreibbaren Fahrzeugen verbaut sind, auch durch mechanische Schocks beschädigt werden, ohne dass dies von Außen erkennbar wäre. Eine solche Beschädigung kann unmittelbar Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit der Batterien haben, ein Ausfall des Fahrzeugs und/oder der Batterien kann aber auch erst nach einer längeren Zeitspanne auftreten.In addition, batteries that are installed, for example, in electric motor driven vehicles can also be damaged by mechanical shocks, without this being visible from the outside. Such damage can have an immediate effect on the functionality of the batteries, but a failure of the vehicle and / or the batteries can occur only after a longer period of time.
Um möglichst frühzeitig erkennen zu können, ob ein Mangel an verfügbarer Kapazität (bspw. aufgrund einer vorzeitigen Alterung von einer oder mehreren Batteriezellen) und/oder eine von Außen nicht erkennbare Schädigung von einer oder mehreren Batteriezellen einer Batterie (bspw. Hochvolt-Batterie) vorliegt, sind Systeme und Verfahren zur Batteriediagnose entwickelt worden.In order to be able to recognize as early as possible whether there is a lack of available capacity (for example due to premature aging of one or more battery cells) and / or damage not recognizable from the outside of one or more battery cells of a battery (eg high-voltage battery) , systems and methods for battery diagnosis have been developed.
Hierbei wird gemäß einer ersten möglichen Vorgehensweise die Batteriediagnose bspw. bei Lithium-Ionen-Batterien mit Hilfe einer extern angeschlossenen Diagnoseeinrichtung durchgeführt. Diese erfordert eine entsprechende Verbindungsleitung, Diagnose-Hardware, einen Personal-Computer oder ähnliches sowie die entsprechende Diagnose-Software. Die Diagnose kann nur von geschultem Personal durchgeführt werden, die notwendigen Werkzeuge sind teuer und teilweise nur spezifisch für den jeweiligen Batterietyp nutzbar.In this case, according to a first possible procedure, the battery diagnosis is carried out, for example, in the case of lithium-ion batteries with the aid of an externally connected diagnostic device. This requires a corresponding connection line, diagnostic hardware, a personal computer or the like and the corresponding diagnostic software. The diagnosis can only be carried out by trained personnel, the necessary tools are expensive and sometimes only usable specifically for the respective type of battery.
Weiter sind Lösungen mit einem an der Außenhülle der Batterie angebrachten Diagnoseknopf bekannt, durch dessen Betätigung das interne Steuergerät zur Selbstdiagnose hochgefahren werden kann. Der Zustand der Batterie wird dann bspw. über LEDs (lichtemittierende Dioden) ausgegeben. Diese Lösungen benötigen Spezialkabel oder Gehäuseschnittstellen, die kostenintensiv abgedichtet werden müssen.Next solutions are known with a attached to the outer shell of the battery diagnostic button, by the operation of the internal control unit can be started up for self-diagnosis. The state of the battery is then output eg via LEDs (light-emitting diodes). These solutions require special cables or housing interfaces that require cost-intensive sealing.
Und aus der
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batterie und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchen auf neuartige und kostengünstige Weise eine Batteriediagnose (Zustandsbestimmung) von Batterien ohne Spezialwerkzeug und tiefer gehendes Wissen eines Nutzers durchführbar ist bzw. durchgeführt werden kann.It is the object of the present invention to provide a battery and a method with which a battery diagnosis (determination of state) of batteries without special tools and in-depth knowledge of a user can be carried out or carried out in a novel and cost-effective manner.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Batterie gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the battery according to
Erfindungsgemäß wird dementsprechend eine Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie vorgeschlagen, umfassend wenigstens eine in einem Gehäuse angeordnete Batteriezelle und eine in dem Gehäuse angeordnete und mit der Batteriezelle elektrisch verbundene Batterie-Diagnose-Einrichtung. According to the invention, accordingly, a battery, in particular a lithium-ion battery, is proposed, comprising at least one battery cell arranged in a housing and a battery diagnostic device arranged in the housing and electrically connected to the battery cell.
Die erfindungsgemäße Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse weiter ein mit der Batterie-Diagnose-Einrichtung verbundener magnetisch betätigbarer Schalter und eine mit der Batterie-Diagnose-Einrichtung verbundene Signalerzeugungseinrichtung angeordnet sind, mittels Anlegen eines Magnetfelds von außerhalb des Gehäuses der magnetisch betätigbare Schalter betätigbar ist, durch Betätigen des magnetisch betätigbaren Schalters die Batterie-Diagnose-Einrichtung einschaltbar ist und die Batterie-Diagnose-Einrichtung dazu eingerichtet ist, nach ihrem Einschalten eine Batteriediagnose (Zustandsbestimmung) durchzuführen und das Ergebnis der Batteriediagnose mit Hilfe der Signalerzeugungseinrichtung akustisch und/oder optisch auszugeben.The battery according to the invention is characterized in that a magnetically actuated switch connected to the battery diagnostic device and a signal generating device connected to the battery diagnostic device are further arranged in the housing, by means of applying a magnetic field from outside the housing of the magnetically actuated switch can be actuated by pressing the magnetically actuated switch, the battery diagnostic device is switched on and the battery diagnostic device is adapted to perform a battery diagnosis (condition determination) after switching on and the result of the battery diagnosis by means of the signal generating means acoustically and / or visually output.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie werden für eine Batteriediagnose weder Gehäuseschnittstellen noch spezielle Kabel oder Adapter benötigt. Es muss lediglich an die Gehäusewand ein Magnet gehalten werden oder an der Gehäusewand ein Magnetfeld erzeugt werden, um den Diagnose-Vorgang zu starten. Da die Batterie-Diagnose-Einrichtung elektrisch mit wenigstens einer Batteriezelle verbunden ist, wird die Batterie-Diagnose-Einrichtung für ihren Betrieb von der wenigstens einen Batteriezelle mit Strom versorgt, so dass auch hierfür keine zusätzliche interne oder externe Stromversorgungseinrichtung erforderlich ist. Da das Ergebnis der Batteriediagnose mithilfe der im Gehäuse der Batterie angeordneten Signalerzeugungseinrichtung akustisch und/oder optisch ausgegeben wird, sind hierfür auch keine Gehäuseschnittstellen, Kabel, Adapter und/oder spezielle Hard-/Software-Komponenten erforderlich. Mithilfe der erfindungsgemäßen Batterie kann somit auf einfache und kostengünstige Weise eine Batteriediagnose durchgeführt werden.In the battery according to the invention neither housing interfaces nor special cables or adapters are required for a battery diagnosis. It is only necessary to hold a magnet on the housing wall or to generate a magnetic field on the housing wall in order to start the diagnostic process. Since the battery diagnostic device is electrically connected to at least one battery cell, the battery diagnostic device for its operation is powered by the at least one battery cell, so that also for this no additional internal or external power supply device is required. Since the result of the battery diagnosis is output acoustically and / or optically by means of the signal generation device arranged in the housing of the battery, no housing interfaces, cables, adapters and / or special hardware / software components are required for this purpose. With the aid of the battery according to the invention, a battery diagnosis can thus be carried out in a simple and cost-effective manner.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Batterie umfasst die Signalerzeugungseinrichtung eine Piezo-Summereinrichtung.According to a first advantageous development of the battery, the signal generating device comprises a piezo-buzzer device.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Batterie umfasst der magnetisch betätigbare Schalter einen Reed-Kontakt oder einen Hall-Sensor.According to a second advantageous development of the battery, the magnetically actuated switch comprises a reed contact or a Hall sensor.
Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Batterie ist/sind der magnetisch betätigbare Schalter und/oder die Signalerzeugungseinrichtung an der Innenseite des Gehäuses angeordnet.According to a third advantageous development of the battery, the magnetically actuable switch and / or the signal generating device is / are arranged on the inside of the housing.
Gemäß einer vierten vorteilhaften Weiterbildung der Batterie umfasst die Batterie-Diagnose-Einrichtung wenigstens eine Stromstärke-, Spannungs-, Leitfähigkeits-, Temperatur- und/oder Druck-Messeinrichtung und/oder ist damit verbunden.According to a fourth advantageous development of the battery, the battery diagnostic device comprises at least one current intensity, voltage, conductivity, temperature and / or pressure measuring device and / or is connected thereto.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Batterie ist die Batterie-Diagnose-Einrichtung dazu eingerichtet, das Ergebnis der Batteriediagnose mittels der Signalerzeugungseinrichtung in Form von einem Signalton oder einer Abfolge von mehreren Signaltönen und/oder in Form von einem Lichtsignal oder einer Abfolge von mehreren Lichtsignalen auszugeben.According to yet another advantageous development of the battery, the battery diagnostic device is adapted to the result of the battery diagnosis by means of the signal generating device in the form of a signal tone or a sequence of multiple beeps and / or in the form of a light signal or a sequence of multiple light signals issue.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Durchführen einer Batteriediagnose unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen.The present invention also includes a method of performing a battery diagnosis using a battery according to the invention or one of its advantageous developments.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Anlegen eines Magnetfelds von außerhalb des Gehäuses und hierdurch Betätigen des magnetisch betätigbaren Schalters;
- – Einschalten der Batterie-Diagnose-Einrichtung durch die erfolgte Betätigung des magnetisch betätigbaren Schalters;
- – Durchführen einer Batteriediagnose bei wenigstens einer Batteriezelle der Batterie durch die Batterie-Diagnose-Einrichtung; und
- – Akustisches und/oder optisches Ausgeben des Ergebnisses der Batteriediagnose durch die Batterie-Diagnose-Einrichtung mit Hilfe der Signalerzeugungseinrichtung.
- - Applying a magnetic field from outside the housing and thereby actuating the magnetically actuated switch;
- - Turning on the battery diagnostic device by the successful operation of the magnetically actuated switch;
- Performing battery diagnosis on at least one battery cell of the battery by the battery diagnostic device; and
- Acoustically and / or optically outputting the result of the battery diagnosis by the battery diagnosis device with the aid of the signal generating device.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das akustische und/oder optische Ausgeben des Ergebnisses der Batteriediagnose in Form von einem Signalton oder einer Abfolge von mehreren Signaltönen und/oder in Form von einem Lichtsignal oder einer Abfolge von mehreren Lichtsignalen.According to a first advantageous development of the method, the acoustic and / or optical output of the result of the battery diagnosis takes place in the form of a signal tone or a sequence of several signal tones and / or in the form of a light signal or a sequence of a plurality of light signals.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.The present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Batterie.The figure shows a schematic representation of a sectional view of an embodiment of the battery according to the invention.
Die Darstellungen in der Figur sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht. Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.The illustrations in the figure are purely schematic and not to scale. The embodiments explained below represent preferred embodiments of the present invention. Of course, the present invention is not limited to these embodiments.
Wie in der Figur schematisch dargestellt ist, umfasst die Batterie
Bezüglich des Typs der wenigstens einen Batteriezelle
Auch bezüglich des Gehäuses
Die Batterie
Auch bezüglich der Batterie-Diagnose-Einrichtung
Verschiedene Aufbauten, Funktionsweisen und Funktionsumfänge von Batterie-Diagnose-Einrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und können für die erfindungsgemäße Batterie
So kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Batterie-Diagnose-Einrichtung
Die Batterie-Diagnose-Einrichtung
In dem Gehäuse
Bei einem Reed-Kontakt handelt es sich bekanntermaßen um einen in ein Glasrohr hermetisch dicht eingeschmolzenen Kontakt bzw. Schalter mit ferromagnetischen Schaltzungen, die sich bei einem von Außen angelegten bzw. einwirkenden Magnetfeld aufeinander zubewegen. Mittels eines Reed-Kontakts
Das Prinzip eines Hall-Sensors bzw. einer Hall-Sonde beruht bekanntermaßen darauf, dass wenn bei einer durchflossene Sonde ein senkrecht zum Stromfluss stehendes Magnetfeld erzeugt wird, als Ausgangsgröße eine Spannung erhalten wird, die proportional zur magnetischen Feldstärke und zur Stromstärke ist. Eine durch ein magnetisches Feld bei einem Hall-Sensor erzeugte elektrische Spannung kann als Signal zum Einschalten der Batterie-Diagnose-Einrichtung
Ebenfalls in dem Gehäuse
In bevorzugter Weise umfasst die Schallerzeugungseinrichtung
Bei einer Piezo-Summereinrichtung werden bekanntermaßen ein oder mehrere Piezo-Schallwandler durch eine Wechselspannung angesteuert, wobei die Piezo-Schallwandler in einem engen Frequenzbereich Töne erzeugen. Hierdurch eignet sich eine Piezo-Summereinrichtung in bevorzugter Weise zur Erzeugung eines Signaltons oder zur Erzeugung einer Abfolge von Signaltönen.In a piezo-buzzer, one or more piezoelectric transducers are known to be driven by an AC voltage, the piezoelectric transducers generating sounds in a narrow frequency range. As a result, a piezo-buzzer device is preferably suitable for generating a signal tone or for generating a sequence of signal tones.
Weiter Beispiele von für die erfindungsgemäße Batterie verwendbaren Signalerzeugungseinrichtung
Bei der erfindungsgemäßen Batterie
Um das Schalten des magnetisch betätigbaren Schalters
Ebenfalls bevorzugt ist es, wenn die Signalerzeugungseinrichtung
Durch Betätigen des magnetisch betätigbaren Schalters
Durch den wenigstens einen Signalton oder die Abfolge von mehreren Signaltönen kann der Zustand der Batterie
Alternativ oder ergänzend zu einer akustischen Ausgabe des Ergebnisses der Batteriediagnose kann durch die Signalerzeugungseinrichtung
Um die Anzahl an erforderlichen Durchbrüchen durch das Gehäuse
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Durchführen einer Batteriediagnose unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Batterie
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
- – Anlegen eines Magnetfelds von außerhalb des Gehäuses
2 und hierdurch Betätigen des magnetisch betätigbaren Schalters5 ; - – Einschalten der Batterie-Diagnose-
Einrichtung 4 durch die erfolgte Betätigung des magnetisch betätigbaren Schalters5 ; - – Durchführen einer Batteriediagnose bei wenigstens einer Batteriezelle
3 der Batterie 1 durch die Batterie-Diagnose-Einrichtung 4 ; und - – Akustisches und/oder optisches Ausgeben des Ergebnisses der Batteriediagnose durch die Batterie-Diagnose-
Einrichtung 4 mitHilfe der Signalerzeugungseinrichtung 6 .
- - Applying a magnetic field from outside the
housing 2 and thereby actuating the magneticallyactuable switch 5 ; - - Turn on the battery
diagnostic device 4 by the completed operation of the magnetically actuatedswitch 5 ; - - Carrying out a battery diagnosis at least one
battery cell 3 thebattery 1 through the batterydiagnostic facility 4 ; and - Acoustically and / or optically outputting the result of the battery diagnosis by the battery
diagnostic device 4 with the help of thesignal generating device 6 ,
In vorteilhafter Weise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein akustisches und/oder optisches Ausgeben des Ergebnisses der Batteriediagnose in Form von einem Signalton oder einer Abfolge von mehreren Signaltönen und/oder in Form von einem Lichtsignal oder einer Abfolge von mehreren Lichtsignalen.In the method according to the invention, an acoustic and / or optical output of the result of the battery diagnosis advantageously takes place in the form of a signal tone or a sequence of several signal tones and / or in the form of a light signal or a sequence of a plurality of light signals.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die von der vorliegenden Erfindung umfasst sind, ergeben sich für den Fachmann aus der Beschreibung der erfindungsgemäßen Batterie
Da für die erfindungsgemäße Batterie
Durch die vorliegende Erfindung kann eine Zustandsbestimmung (Batteriediagnose) einer Batterie
Durch die vorliegende Erfindung werden für eine Zustandsbestimmung einer Batterie
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Batteriebattery
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- Batteriezellebattery cell
- 44
- Batterie-Diagnose-EinrichtungBattery diagnostic device
- 55
- magnetisch betätigbarer Schaltermagnetically actuated switch
- 66
- SignalerzeugungseinrichtungSignal generator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2012/0206102 A1 [0010] US 2012/0206102 A1 [0010]
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