DE102015002827A1

DE102015002827A1 - Batterie für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015002827A1
Application number: DE102015002827.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Hinterberger; Berthold Hellenthal
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2035-03-06
Also published as: DE102015002827B4; CN107408739A; WO2016139132A1; US10340557B2; US20180241094A1; CN107408739B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (10), wobei die jeweilige Batteriezelle (10) ein Batteriezellengehäuse (12) umfasst, in welchem ein galvanisches Element aufgenommen ist. Über jeweilige elektrische Anschlüsse (20, 22) ist die Batteriezelle (10) mit wenigstens einer weiteren Batteriezelle (10) der Batterie (28) elektrisch verbunden. Eine Steuerungseinrichtung (26) der jeweiligen Batteriezelle (10) ist mit wenigstens einer Kommunikationseinrichtung gekoppelt. Hierbei ist die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung der Batteriezelle (10) dazu ausgebildet, mit zumindest einer der jeweiligen Batteriezelle (10) benachbarten Batteriezelle (10) auf eine erste Art (30) zu kommunizieren. Des Weiteren ist die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung der Batteriezelle (10) dazu ausgebildet, mit zumindest einer übergeordneten Steuerungseinrichtung (38) der Batterie auf eine zweite Art (36) zu kommunizieren, welche von der ersten Art (30) verschieden ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Batterie.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl von Batteriezellen. Die jeweilige Batteriezelle weist ein Batteriezellengehäuse auf, in welchem ein galvanisches Element aufgenommen ist. Über zwei elektrische Anschlüsse ist die jeweilige Batteriezelle mit wenigstens einer weiteren Batteriezelle der Batterie elektrisch verbunden. Die jeweilige Batteriezelle umfasst des Weiteren eine Steuerungseinrichtung, welche mit wenigstens einer Kommunikationseinrichtung der Batteriezelle gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer solchen Batterie.
Aus dem Stand der Technik etwa der DE 10 2010 045 037 A1 ist es bekannt, eine Mehrzahl von Batteriezellen zum Bereitstellen einer bestimmten Spannung beziehungsweise eines bestimmten Stroms zu einer Batterie zusammenzuschalten. Solche Batterien werden heutzutage insbesondere als Traktionsbatterien in Kraftfahrzeugen wie etwa Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsenergie eingesetzt.
Die DE 11 2010 003 272 T5 beschreibt eine Batteriezelle mit in die Batteriezelle integrierten Sensorelementen. Die Sensorelemente sind dazu ausgebildet, Parameter der Batteriezelle wie eine Temperatur, einen Druck, elektrische Größen und elektrochemische Eigenschaften der Batteriezelle zu messen. Die Sensorelemente können mit einer Kommunikationsvorrichtung gekoppelt sein, welche Daten und Informationen an eine außerhalb der Batteriezelle angeordnete Datenverarbeitungsvorrichtung überträgt. Es kann aber auch die Batteriezelle selber mit einer Vorrichtung zur Speicherung, zur Übertragung, zum Empfang und zur Verarbeitung der Daten ausgestattet sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie der eingangs genannten Art und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie zu schaffen, wobei die Batterie eine verbesserte Kommunikation ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie ist die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung der Batteriezelle dazu ausgebildet, mit zumindest einer der jeweiligen Batteriezelle benachbarten Batteriezelle auf eine erste Art zu kommunizieren. Des Weiteren ist die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung dazu ausgebildet, mit zumindest einer übergeordneten Steuerungseinrichtung der Batterie auf eine zweite Art zu kommunizieren, welche von der ersten Art verschieden ist. So können an den jeweiligen Empfänger besonders gut angepasste Arten der Kommunikation zum Einsatz kommen, welche eine vor Störungen besonders sichere und besonders zuverlässige Datenübertragung ermöglichen. Dadurch ist die Batterie im Hinblick auf die Kommunikation der Batteriezellen untereinander sowie der Batteriezellen mit der zumindest einen übergeordneten Steuerungseinrichtung der Batterie verbessert.
Das galvanische Element ist bevorzugt als Sekundärelement ausgebildet, welches zum Versorgen einer elektrischen Komponente entladen und nach der Entladung wieder aufgeladen werden kann. Hierbei umfasst das galvanische Element in an sich bekannter Weise Ableiter etwa in Form von Metallfolien, welche mit dem elektrochemisch aktiven Material der Elektroden des galvanischen Elements beschichtet sind. Des Weiteren ist ein Elektrolyt vorgesehen sowie ein die elektrochemisch aktiven Materialien voneinander trennender Separator. In einem solchen galvanischen Element können die Ableiter gestapelt, gefaltet oder gewickelt vorliegen, so dass das galvanische Element auch als Zellstapel oder Zellwickel bezeichnet wird.
Durch das Vorsehen der Steuerungseinrichtung ist der Batteriezelle eine Intelligenz verliehen, die Batteriezelle also als sogenannte „SmartCell” (intelligente Batteriezelle) ausgebildet. Bei der Steuerungseinrichtung kann es sich um eine lokale Recheneinheit etwa in Form eines Mikrokontrollers, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC, application-specific integrated circuit) oder eines FPGA (field programmable gate array, im Feld programmierbare Gatter-Anordnung) handeln.
Bevorzugt ist die übergeordnete Steuerungseinrichtung als externes Steuergerät ausgebildet, welches zum Ausgeben von Befehlen an eine Mehrzahl von Batteriezellen der Batterie in der Lage ist.
Mittels der Steuerungseinrichtung der jeweiligen Batteriezelle lassen sich die Batteriezelle betreffende Informationen wie beispielsweise eine Spannung erfassen, welche das galvanische Element der jeweiligen Batteriezelle bereitstellt. Des Weiteren lässt sich mittels der Steuerungseinrichtung auch der durch die Batteriezelle im Betrieb der Batterie fließende Strom erfassen. Derartige, die elektrische Energie der jeweiligen Batteriezelle betreffende Daten können der übergeordneten Steuerungseinrichtung der Batterie übermittelt werden. Hierbei können die Daten insbesondere in einer von der Steuerungseinrichtung der jeweiligen Batteriezelle durch Auswerten verarbeiteten Form übermittelt werden.
Die Steuerungseinrichtung der jeweiligen Batteriezelle ist des Weiteren bevorzugt mit wenigstens einem Sensor gekoppelt, welcher weitere die Batteriezelle betreffende Größen erfasst. Derartige Sensoren können insbesondere Parameter wie einen Druck im Inneren des Batteriezellengehäuses, eine Temperatur der Batteriezelle, mechanische Spannungen, eine Beschaffenheit eines Elektrolyten des galvanischen Elements und dergleichen erfassen und entsprechende Messwerte der Steuerungseinrichtung der Batteriezelle übermitteln. Die Steuerungseinrichtung der jeweiligen Batteriezelle kann die die Messwerte oder von einer Auswertung der Messwerte herrührende Daten an die Steuerungseinrichtung einer weiteren Batteriezelle und/oder an die übergeordnete Steuerungseinrichtung übermitteln.
Auf diese Weise ermöglicht es beispielsweise die Kommunikation zwischen der Batteriezelle und der übergeordneten Steuerungseinrichtung der Batterie, dass die übergeordnete Steuerungseinrichtung sowohl stets über den aktuellen Zustand der Batteriezellen als auch über in der Vergangenheit aufgetretene Zustände informiert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die jeweilige Batteriezelle für das Kommunizieren auf die erste Art wenigstens eine Einrichtung zum Erzeugen und zum Empfangen von Druckwellen. Bei der Kommunikation mittels Druckwellen oder Longitudinalwellen wird kein elektrischer Kontakt zwischen galvanisch gekoppelten oder entkoppelten Batteriezellen benötigt. Vielmehr braucht lediglich eine für die Übertragung der Druckwellen geeignete Verbindung zu bestehen. Durch eine solche Art der Kommunikation lässt sich eine besonders zuverlässige und sichere Übertragung von Daten hin zu benachbarten Batteriezellen erreichen. Insbesondere können so Informationen von einer ersten Batteriezelle einer Gruppe von Batteriezellen hin zu einer letzten Batteriezelle der Gruppe übertragen werden, ohne dass hierfür Datenleitungen oder dergleichen notwendig sind. Dies macht die Kommunikation besonders aufwandsarm.
Die Einrichtung zum Erzeugen und Empfangen von Druckwellen kann insbesondere innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet sein, etwa an einer Wand des Batteriezellengehäuses. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Einrichtung eine Spule und einen relativ zu der Spule bewegbaren Magneten umfasst. Dann stören nämlich derartige Kommunikationselemente besonders wenig, und sie erhöhen nicht die Sperrigkeit der Batteriezellen.
Zusätzlich oder alternativ kann die Einrichtung zum Erzeugen und Empfangen der Druckwellen als Piezoelement ausgebildet sein, welches mechanische Schwingungen, insbesondere im Ultraschallbereich, in das Batteriezellengehäuse und/oder in zumindest einen der elektrischen Anschlüsse der Batteriezelle einkoppelt. Ein solches Piezoelement ist besonders robust und zuverlässig im Hinblick auf die Übertragung von Daten mittels der Druckwellen. Zudem lässt sich ein Piezoelement vergleichsweise flach ausbilden, sodass auch eine Anordnung an einer Außenseite der Batteriezelle leicht realisiert werden kann.
Des Weiteren kann die jeweilige Batteriezelle für das Kommunizieren auf die erste Art wenigstens eine Einrichtung zum Empfangen von magnetischen Wellen umfassen, beispielsweise in Form wenigstens einer Spule. Insbesondere niederfrequente Magnetfelder haben sich nämlich als gut geeignet erwiesen, über vergleichsweise geringe Distanzen hinweg Daten zu übertragen. Da die häufig aus Aluminium gefertigten Batteriezellengehäuse der Batteriezellen für niederfrequente Magnetfelder eine geringe Dämpfung haben, lässt sich die entsprechende Einrichtung gut innerhalb des Batteriezellengehäuses anordnen. Es kann jedoch auch insbesondere eine flache, beispielsweise nach Art einer Folie ausgebildete Spule außen am Batteriezellengehäuse angebracht sein, etwa durch Aufkleben. Des Weiteren können zum Detektieren von Magnetfeldern ausgebildete Bauelemente wie Spulen sowohl innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet als auch an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses angebracht sein.
Die Anordnung der Einrichtung zum Erzeugen und Empfangen der magnetischen Wellen innerhalb des Batteriezellengehäuses erleichtert jedoch die Kopplung mit der Steuerungseinrichtung der Batteriezelle, welche das Aussenden der magnetischen Wellen mittels der Einrichtung bewirkt beziehungsweise das von der Einrichtung empfangene Signal erfasst und insbesondere auswertet.
Die für die Datenübertragung mittels magnetischer Wellen geeignete Frequenz hängt von der zu überbrückenden Distanz und den Materialien der Batteriezelle ab, insbesondere vom Material des Batteriezellengehäuses. Die Frequenz der magnetischen Wellen kann insbesondere mehrere 100 Hertz oder weniger als 100 Hertz betragen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die jeweilige Batteriezelle für das Kommunizieren auf die erste Art wenigstens eine Einrichtung zum Erzeugen und Empfangen von elektromagnetischen Terahertzwellen umfasst. Derartige Wellen haben nämlich in Luft eine sehr geringe Reichweite, beispielsweise eine Reichweite von wenigen Zentimetern. Somit ist eine Übertragung von der Batteriezelle zur benachbarten Batteriezelle gewährleistet. Jedoch geht von dieser Art der Kommunikation kaum ein über die benachbarte Batteriezelle hinausgehender störender Einfluss aus. Um die Kommunikation der Batteriezellen untereinander zu stören, müsste ein entsprechender Störsender physikalisch bis auf wenige Zentimeter an die jeweilige Batteriezelle herangebracht werden. Da dies nicht zu erwarten ist, ist eine Kommunikation über die elektromagnetischen Terahertzwellen besonders störsicher.
Damit die Terahertzwellen mit besonders geringem Energiebedarf von der Batteriezelle zur benachbarten Batteriezelle übertragen werden können, ist die Einrichtung zum Erzeugen und Empfangen der Terahertzwellen bevorzugt an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses angeordnet.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die jeweilige Batteriezelle für das Kommunizieren auf die erste Art wenigstens eine Einrichtung zum Erzeugen und zum Empfangen von elektromagnetischen Gigahertzwellen und/oder Megahertzwellen umfasst. Mittels derartiger elektromagnetischer Wellen lässt sich insbesondere eine Übertragung von Daten zur jeweils benachbarten Batteriezelle als auch darüber hinaus realisieren. Daher ist die Einrichtung zum Erzeugen und zum Empfangen der elektromagnetischen Gigahertzwellen und/oder Megahertzwellen auch für das Kommunizieren auf die zweite Art geeignet.
Zudem lassen sich mittels einer derartigen Einrichtung besonders gut Verfahren implementieren, welche für eine sichere und zuverlässige Kommunikation der Batteriezellen untereinander beziehungsweise der Batteriezellen mit der übergeordneten Steuerungseinrichtung führen. Beispielsweise kann ein Zeitduplexverfahren (TDD, time division duplex), ein Zeitmultiplexverfahren (TDM, time division multiplex oder TDMA, time division multiple access) und/oder ein Frequenzmultiplexverfahren (FDM, frequency-division multiplexing oder FDMA, frequency-division multiple access) zum Einsatz kommen, um die Nachrichten zu übermitteln. So kann besonders gut sichergestellt werden, dass sich die Gigahertzwellen beziehungsweise Megahertzwellen verschiedener sendender Kommunikationseinrichtungen nicht überlagern oder sonstwie stören.
Auch die Einrichtung zum Erzeugen und Empfangen der Gigahertzwellen beziehungsweise Megahertzwellen kann an der Außenseite des Batteriezellengehäuses angeordnet sein, damit eine Datenübertragung mit vergleichsweise geringer Sendeleistung möglich ist.
Wenn die Batteriezelle die an der Außenseite des Batteriezellengehäuses angeordnete Einrichtung aufweist, können Mittel zur drahtlosen Energieübertragung von dem galvanischen Element der jeweiligen Batteriezelle auf diese Einrichtung vorgesehen sein. Dann braucht nämlich keine Energie übertragende Leitung durch das Batteriezellengehäuse hindurchgeführt zu werden. Zur drahtlosen Energieübertragung bietet sich hierbei insbesondere die induktive Übertragung mittels Magnetfeldern an. Jedoch sind auch eine kapazitive Energieübertragung oder eine elektromagnetische Energieübertragung möglich.
Des Weiteren kann bei Anordnung der Einrichtung an der Außenseite der Batteriezelle die Energieversorgung insbesondere über die beiden Anschlüsse der Batteriezelle sichergestellt werden. So lässt sich nämlich eine leitungsgebundene Energieübertragung besonders einfach realisieren.
Die Batterie kann des Weiteren Mittel zur Datenübertragung von der Steuerungseinrichtung auf die an der Außenseite des Batteriezellengehäuses angeordnete Einrichtung aufweisen, welche beispielsweise ein Datenkabel umfassen können. Auch hier ist jedoch eine drahtlose Datenübertragung vorteilhaft, da so keine Datenleitung durch das Batteriezellengehäuse hindurchgeführt zu werden braucht.
Auch innerhalb der Batteriezelle kann die Energieübertragung auf die Steuerungseinrichtung und/oder auf die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung über entsprechende Leitungen oder drahtlos sichergestellt werden. Es können beispielsweise Lichtwellenleiter zur Datenübertragung vorgesehen sein, oder es kann dieselbe Leitung sowohl zur Datenübertragung als auch zur Energieübertragung genutzt werden.
Besonders einfach lassen sich die Steuerungseinrichtung und/oder die Kommunikationseinrichtung mit elektrischer Energie versorgen, wenn sie mit dem galvanischen Element der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden ist. Auf diese Weise lassen sich zudem mittels der Steuerungseinrichtung elektrische Größen der Batteriezelle besonders einfach bestimmen.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn die Steuerungseinrichtung der jeweiligen Batteriezellen und die zumindest eine übergeordnete Steuerungseinrichtung der Batterie Netzwerkknoten eines vermaschten Netzes bilden. Dann ist nämlich eine besonders hohe Ausfallsicherheit bereitgestellt, da ein bestimmter Datensatz auf unterschiedlichen Signalpfaden dem jeweiligen Empfänger zugeführt werden kann. Bei Ausfall eines Netzwerkknotens kann so ein Umweg über weitere Netzwerkknoten genommen werden, um die Daten dem jeweiligen Empfänger zu übermitteln oder um vom Sender entsprechende Signale zu empfangen.
Die entsprechenden Vorteile ergeben sich im besonderen Maße, wenn das Netz als vollständig vermaschtes Netz ausgebildet ist, bei welchem jeder Netzwerkknoten mit jedem anderen Netzwerkknoten verbunden ist.
Die Ausbildung der Steuerungseinrichtungen als Netzwerkknoten eines vermaschten Netzes ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Kommunikation über elektromagnetische Gigahertzwellen und/oder Megahertzwellen erfolgt.
Eine besonders gut geordnete Kommunikation lässt sich des Weiteren erreichen, wenn die Batterie eine Mehrzahl von Batteriemodulen umfasst, welche jeweils eine Gruppe von Batteriezellen aufweisen, wobei die zumindest eine übergeordnete Steuerungseinrichtung einen Modulkontroller umfasst, welcher zum Kommunizieren mit den Batteriezellen des jeweiligen Batteriemoduls ausgebildet ist. Dann brauchen nicht alle Batteriezellen mit derselben übergeordneten Steuerungseinrichtung zu kommunizieren. Vielmehr übertragen lediglich die Batteriezellen, welche zu dem jeweiligen Batteriemodul gehören, Daten an den Modulkontroller und/oder empfangen von dem Modulkontroller Befehle. Dies vereinfacht die Kommunikation.
Die zumindest eine übergeordnete Steuerungseinrichtung umfasst hierbei des Weiteren einen Batteriekontroller der Batterie, und der Modulkontroller ist zum Kommunizieren mit dem Batteriekontroller ausgebildet. Es können also vom Modulkontroller an den Batteriekontroller Daten übertragen und von diesem Daten und Befehle empfangen werden. Ein solcher übergeordneter Batteriekontroller kann insbesondere dafür sorgen, dass die Kommunikation zwischen den Modulkontrollern und den Batteriezellen des jeweiligen Batteriemoduls geordnet und insbesondere nicht gleichzeitig erfolgt, sodass eine gegenseitige Störung besonders weitgehend vermieden ist.
Insbesondere die Kommunikation zwischen dem Modulkontroller und den Batteriezellen kann über Bluetooth, WLAN oder Wifi erfolgen, bevorzugt über Bluetooth low energy (BTLE). Auf diese Weise können einfach, beispielsweise über einen Rundruf (Broadcast), Befehle an alle Batteriezellen ausgegeben werden. Des Weiteren kann hierbei der Modulkontroller die Batteriezellen nacheinander hinsichtlich die Batteriezellen betreffender Parameter abfragen. So kann besonders zuverlässig und rasch festgestellt werden, ob an einer der Batteriezellen eine Änderung des Zustands in Bezug auf wenigstens einen Parameter stattgefunden hat.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die jeweilige Batteriezelle eine Modulationseinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, Daten über ein elektrisches Verbindungselement mit der wenigstens einen weiteren Batteriezelle und/oder mit der übergeordneten Steuerungseinrichtung auszutauschen. Hierbei verbindet das elektrische Verbindungselement die Batteriezelle mit der wenigstens einen weiteren Batteriezelle der Batterie und/oder mit der übergeordneten Steuerungseinrichtung. Eine solche Kommunikation ist besonders aufwandsarm, da die elektrische leitfähigen Verbindungselemente zwischen den Batteriezellen ohnehin vorhanden sind und daher als potentielle Datenleitungen zur Verfügung stehen.
Insbesondere der Datenaustausch zwischen den einzelnen Batteriezellen kann also über elektrische Verbindungselemente etwa in Form von Stromschienen oder dergleichen erfolgen, welche die elektrischen Anschlüsse oder Terminals der Batteriezellen elektrisch leitend miteinander verbinden. Hierbei werden die zu übertragenden Daten auf das durch das Zusammenschalten der Batteriezellen gebildete Stromnetz mittels der Modulationseinrichtungen moduliert. Auf eine oder mehrere Trägerfrequenzen kann hierbei eine Vielzahl an Signalen gleichzeitig phasenmoduliert und/oder amplitudenmoduliert werden.
Insbesondere können durch unterschiedliche Modulationsverfahren oder durch die Nutzung unterschiedlicher Kanäle in einem zur Verfügung stehenden Frequenzspektrum die erste Art und die zweite Art der Kommunikation realisiert werden. Auch können gleiche Informationen auf unterschiedlichen Kanälen übertragen werden, um die Störanfälligkeit der Kommunikation besonders gering zu halten. Zusätzlich oder alternativ kann die Information auf unterschiedliche Kanäle verteilt übertragen werden, sodass Fehler erkannt werden und durch eine Fehlerkorrektur ein besonders sicherer Betrieb ermöglicht ist.
Für eine besonders gute und effektive Datenübertragung kann insbesondere bei einer großen Anzahl an Teilnehmern in Form der Batteriezellen die übergeordnete Steuerungseinrichtung als zentraler Koordinator dienen. Die übergeordnete Steuerungseinrichtung kann so dafür sorgen, dass die zur Verfügung stehende Bandbreite an Frequenzen besonders weitgehend genutzt wird. Auch kann mittels eines solchen Batteriekontrollers der Datentransfer synchronisiert und hierbei die zur Verfügung stehende Gesamtbandbreite dynamisch auf die Teilnehmer in Form der Batteriezellen im Netzwerk aufgeteilt werden.
Sowohl bei der Kommunikation auf die erste Art als auch bei der Kommunikation auf die zweite Art können des Weiteren Verschlüsselungsverfahren zum Einsatz kommen, beispielsweise eine AES-128-Verschlüsselung.
Darüber hinaus ist es möglich, mit sogenannten Broadcast-Befehlen alle Batteriezellen gleichzeitig zu informieren. Des Weiteren können zu übertragende Nachrichten oder Befehle mit Prioritäten versehen sein, damit sichergestellt ist, dass wichtige Befehle bevorzugt ausgeführt werden.
Ein solcher wichtiger Befehl kann beispielsweise das Verändern eines Schaltelements der jeweiligen Batteriezelle betreffen. Es kann nämlich die jeweilige Batteriezelle ein Schaltelement aufweisen, welches zum Unterbrechen und zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Ableiter des galvanischen Elements und zumindest einem der elektrischen Anschlüsse der Batteriezelle ausgebildet ist. Hierbei ist die Steuerungseinrichtung der Batteriezelle dazu ausgebildet, auf einen Befehl der übergeordneten Steuerungseinrichtung hin einen Schaltzustand des Schaltelements zu verändern.
Dies erlaubt es zumindest einen der elektrischen Anschlüsse – und bei Vorsehen von zwei Schaltelementen die beiden elektrischen Anschlüsse der Batteriezelle – spannungsfrei zu schalten. So kann dafür gesorgt werden, dass an den elektrischen Anschlüssen der Batteriezelle nur dann eine elektrische Spannung anliegt, wenn dies gewünscht ist. Dies ermöglicht einen besonders sicheren Betrieb der und Umgang mit der Batteriezelle. Eine Batteriezelle, deren elektrische Anschlüsse spannungsfrei geschaltet sind, kann nämlich gefahrlos gehandhabt werden. Zudem kann beim Auftreten eines Fehlers der Batteriezelle die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter und zumindest einem der elektrischen Anschlüsse getrennt werden. Dadurch kann von dieser Batteriezelle keine Gefahr mehr ausgehen.
Durch das Öffnen des Schaltelements, welches die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter und dem Anschluss unterbricht, wird quasi die Batteriezelle vom Netz getrennt.
Es kann so insbesondere während des Zusammenbauens der Batterie, welche eine Vielzahl der Batteriezellen umfassen und entsprechend eine hohe Spannung bereitstellen kann, ein Hochvoltschutz sichergestellt werden. Bei der Batterie kann es sich nämlich insbesondere um eine Hochvoltbatterie handeln, also um eine Batterie, welche eine Spannung von mehr als 60 Volt aufweist. Insbesondere kann die Hochvoltbatterie dazu ausgebildet sein, Spannungen bereitzustellen, wie sie für Traktionsbatterien von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, also Spannungen im Bereich von mehreren hundert Volt. Durch das Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung kann auch in einem Transportzustand, wenn also beispielsweise die Batterie zu ihrem Einsatzort hin transportiert wird, dafür gesorgt werden, dass von der Batterie keine mit einer hohen Spannung verbundenen Gefahren ausgehen.
Das Schaltelement, mittels welchem sich die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter und dem zumindest einen Anschluss der Batteriezelle unterbrechen lässt, kann auch als Stromunterbrechungseinrichtung (current interrupt device, CID) bezeichnet werden. Bei der vorliegenden Ausgestaltung handelt es sich bevorzugt um eine elektronische Stromunterbrechungseinrichtung, welche von der Steuerungseinrichtung der Batteriezelle geschaltet wird. Hierfür kann das Schaltelement insbesondere als Halbleiterbauelement ausgebildet sein, welches zum Einstellen des jeweiligen Schaltzustands von der Steuerungseinrichtung der Batteriezelle mit einer Steuerspannung beaufschlagt wird. Dies erlaubt es insbesondere, beim gezielten Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung eine Vielzahl von Parametern zu berücksichtigen, etwa durch Festlegen von Schaltkriterien in der Steuerungseinrichtung der Batteriezelle.
Des Weiteren kann auf den Befehl hin das Schaltelement geschlossen werden, sodass die elektrisch leitende Verbindung hergestellt ist. Dann liegt an den Anschlüssen der Batteriezelle die Spannung des galvanischen Elements an. Jedoch ist bevorzugt nur eine berechtigte übergeordnete Steuerungseinrichtung dazu in der Lage, tatsächlich das Schaltelement mittels der batteriezellinternen Steuerungseinrichtung betätigen zu lassen, also den Schaltzustand wie gewünscht zu verändern. Dies macht das Schalten des Schaltelements besonders sicher.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Batterie. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Personenkraftwagen, insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Des Weiteren kann es sich bei dem Kraftfahrzeug auch um ein elektrisch betriebenes Motorrad oder um ein elektrisch betriebenes Fahrrad handeln.
Es ist des Weiteren möglich, die Batterie in einem stationären Energiespeichersystem vorzusehen. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die Batterie, welche in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt war, als sogenannte Second Life Batterie weiterverwendet wird, bei welcher also die Batterie einer anders gearteten Nutzung zugeführt wird. Insbesondere bei Second Life Anwendungen können nämlich die Anforderungen etwa an die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen geringer sein als bei Verwendung der Batteriezellen für die Batterie des Kraftfahrzeugs.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 schematisch Batteriezellen einer Batterie, wobei eine jeweilige Batteriezelle eine Nachricht an die jeweilige Nachbarzelle weitergibt;
2 zwei Batteriemodule einer Batterie, wobei die Batteriezellen eines jeweiligen Batteriemoduls mit einem Modulkontroller kommunizieren und die Modulkontroller der Batteriemodule zum Datenaustausch miteinander ausgebildet sind;
3 schematisch die Batterie, welche eine Mehrzahl der Batteriemodule gemäß 2 umfasst, wobei die Modulkontroller des jeweiligen Batteriemoduls zur Kommunikation mit einem übergeordneten Batteriekontroller ausgebildet sind;
4 Kommunikationspfade zwischen den Modulkontrollern und den jeweiligen Batteriezellen sowie zwischen den Modulkontrollern und dem Batteriekontroller;
5 in einer Schnittdarstellung schematisch eine der Batteriezellen, welche eine Einrichtung zum Erzeugen von Druckwellen aufweist, wobei zusätzlich ein Teilbereich einer Wand des Batteriezellengehäuses im Detail vergrößert dargestellt ist;
6 schematisch das Übertragen von Daten über die Druckwellen von einer Batteriezelle auf die benachbarten Batteriezellen;
7 ein Ablaufdiagramm, welches das Übertragen von Informationen mittels der Druckwellen veranschaulicht;
8 eine Batteriezelle mit alternativen Einrichtungen zum Erzeugen und zum Empfangen von Druckwellen, welche als Piezoelement ausgebildet und innerhalb der Batteriezelle oder außerhalb der Batteriezelle angeordnet dargestellt sind;
9 schematisch eine Batteriezelle, welche mit einer benachbarten Batteriezelle über magnetische Wellen kommuniziert;
10 die Kommunikation zwischen benachbarten Batteriezellen über Terahertzwellen;
11 eine der in 10 gezeigten Batteriezellen in einer schematischen Schnittansicht;
12 das Kommunizieren der Batteriezellen miteinander sowie mit einer übergeordneten Steuerungseinrichtung über ein vermaschtes Netzwerk;
13 das Kommunizieren eines Modulkontrollers mit den Batteriezellen des Batteriemoduls über Bluetooth, WLAN oder Wifi;
14 das Kommunizieren der Modulkontroller der Batterie mit dem Batteriekontroller über elektromagnetische Wellen;
15 schematisch Komponenten einer Modulationseinrichtung einer der Batteriezellen, welche für eine Datenübertragung über elektrischen Strom führende Verbindungselemente zwischen den Batteriezellen ausgebildet ist;
16 schematisch die Batteriezelle mit der Modulationseinrichtung gemäß 15, welche das Aufmodulieren von Daten über das Stromnetz ermöglicht; und
17 schematisch die Übertragung von Daten über Stromschienen zwischen den einzelnen Batteriezellen der Batterie und zu einer übergeordneten Steuerungseinrichtung.
In 1 sind schematisch Batteriezellen 10 gezeigt, wie sie beispielsweise in einer Batterie 28 (vergleiche 3) eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen kann. Die jeweilige Batteriezelle 10 kann hierfür etwa als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. In der Batterie 28, welche in dem Kraftfahrzeug als Traktionsbatterie dienen kann, ist üblicherweise eine Vielzahl solcher Batteriezellen 10 elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, um entsprechend hohe Spannungen und Ströme bereitzustellen.
Bei einer Reihenschaltung solcher Batteriezellen 10 kann insgesamt eine sehr hohe Spannung und zwar eine Spannung von mehreren hundert Volt der Batterie 28 auftreten, etwa weil mehrere Batteriemodule 24 (vergleiche 2), welche jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen 10 enthalten, elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Eine einzelne der Batteriezellen 10 ist in 16 detaillierter dargestellt. Die Batteriezelle 10 umfasst demgemäß ein Batteriezellengehäuse 12, welches vorliegend beispielhaft prismatisch ausgebildet ist. Innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 ist ein galvanisches Element 14 angeordnet, welches mit einem jeweiligen elektrochemischen Material beschichtete Ableiter 16, 18 umfasst. Vorliegend sind von den das elektrochemisch aktive Material und die Ableiter 16, 18 umfassenden Elektroden des galvanischen Elements 14 zur Vereinfachung lediglich der zu einem ersten elektrischen Anschluss 20 (etwa einem Pluspol) der Batteriezelle 10 führende Ableiter 16 gezeigt und der zu einem zweiten elektrischen Anschluss 22 der Batteriezelle 10 führende Ableiter 18, also der zum Minuspol führende Ableiter 18.
Bei der in 1 gezeigten Batteriezelle 10 kann vorgesehen sein, dass das galvanische Element 14 elektrisch von zumindest einem der Anschlüsse 20, 22 getrennt werden kann. Hierfür ist dann ein (vorliegend nicht gezeigtes) Schaltelement vorgesehen, mittels welchem sich eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter 16 und dem Anschluss 20 unterbrechen lässt, indem das Schaltelement geöffnet wird. Durch Schließen des Schaltelements lässt sich die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter 16 und dem Anschluss 20 wieder herstellen.
Das Schaltelement, welches insbesondere als Halbleiterelement ausgebildet sein kann, wird beispielsweise von einer als Mikrokontroller ausgebildeten Steuerungseinrichtung 26 der Batteriezelle 10 geschaltet. Die Steuerungseinrichtung 26 ist vorliegend innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 angeordnet.
Die Steuerungseinrichtung 26 ist mit wenigstens einer Kommunikationseinrichtung gekoppelt, welche es der jeweiligen Batteriezelle 10 ermöglicht, mit ihrer Umwelt zu kommunizieren. Hierbei ist die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung der Batteriezelle 10 dazu ausgebildet, mit einer benachbarten Batteriezelle 10 auf eine erste Art 30 zu kommunizieren, welche in 1 durch jeweilige Pfeile veranschaulicht ist. Bei dieser ersten Art 30 der Kommunikation erfolgt die Datenübertragung von einer Batteriezelle 10 zur nächsten Batteriezelle 10, also von Nachbarzelle zu Nachbarzelle.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Batteriezellen 10 der Batterie 28 zu Gruppen zusammengefasst sein können, welche das jeweilige Batteriemodul 24 bilden. Innerhalb des Batteriemoduls 24 können die einzelnen Batteriezellen 10 elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet sein. Vorliegend ist beispielsweise ein elektrisch positiver Modulanschluss 32 des ersten Batteriemoduls 24 mit einem negativen Modulanschluss 34 des zweiten Batteriemoduls 24 elektrisch leitend verbunden, sodass die beiden Batteriemodule 24 elektrisch in Reihe geschaltet sind. In alternativen Ausführungsformen können die Batteriemodule 24 auch parallelgeschaltet sein.
In dem jeweiligen Batteriemodul 24 sind die einzelnen Batteriezellen 10 nicht nur elektrisch miteinander verbunden, sondern auch mechanisch. Hierfür können beispielsweise Stromschienen 74 zum Einsatz kommen (vergleiche 17), welche auch als Busbars bezeichnet werden. Zudem kann das jeweilige Batteriemodul 24 ein Modulgehäuse aufweisen, in welchem die einzelnen Batteriezellen 10 angeordnet sind.
Die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung der jeweiligen Batteriezelle 10 ist vorliegend auch dazu ausgebildet, mit einer übergeordneten Steuerungseinrichtung der Batterie 28 auf eine zweite Art 36 zu kommunizieren, welche in 2 ebenfalls durch Pfeile veranschaulicht ist. Die zweite Art 36 des Datenaustauschs beziehungsweise der Kommunikation unterscheidet sich hierbei von der ersten Art 30 des Datenaustauschs beziehungsweise der Kommunikation.
Bei der übergeordneten Steuerungseinrichtung, mit welcher die jeweiligen Batteriezellen 10 des Batteriemoduls 24 kommunizieren, kann es sich beispielsweise um einen Modulkontroller 38 handeln. Auch die Modulkontroller 38 des jeweiligen Batteriemoduls 24 können miteinander kommunizieren, was in 2 durch entsprechende Doppelpfeile 40 veranschaulicht ist.
Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, sind die Modulkontroller 38 der jeweiligen Batteriemodule 24 jedoch nicht nur dazu in der Lage, miteinander und mit den Batteriezellen 10 Daten auszutauschen, sondern auch dazu, mit einer weiteren übergeordneten Steuerungseinrichtung der Batterie 28 zu kommunizieren. Bei dieser weiteren Steuerungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Batteriekontroller 42 eines Batteriemanagementsystems der Batterie 28 handeln. Die Kommunikation der Modulkontroller 38 mit dem Batteriekontroller 42 ist in 3 durch entsprechende weitere Pfeile 44 veranschaulicht.
Wie aus 3 des Weiteren hervorgeht, kann die Batterie 28 ein Batteriegehäuse 46 aufweisen. An Hochvoltanschlüssen 48, 50 kann von der Batterie 28 eine entsprechend hohe Spannung bereitgestellt werden, wie sie beispielsweise bei der Verwendung der Batterie 28 als Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug vorgesehen ist.
4 veranschaulicht die bidirektionale Kommunikation zwischen den Modulkontrollern 38 und den jeweiligen Batteriezellen 10 anhand von entsprechenden Pfeilen, wobei zusätzlich auch die bidirektionale Kommunikation zwischen den Modulkontrollern 38 und dem Batteriekontroller 42 durch solche Doppelpfeile veranschaulicht ist. Des Weiteren ist in 4 eine Systemgrenze 52 der Batterie 28 veranschaulicht, über welche hinweg beispielsweise der Batteriekontroller 42 mit weiteren Steuergeräten 54 des Kraftfahrzeugs und/oder mit einer Leistungselektronik 56 kommunizieren kann.
Anhand von 5 soll eine Variante der Kommunikation der ersten Art 30 veranschaulicht werden. Hierbei werden von der jeweiligen Batteriezelle 10 Druckwellen 58 ausgesendet beziehungsweise empfangen. Hierfür vorgesehene Einrichtungen können sich innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 befinden. Die jeweilige Einrichtung umfasst vorliegend eine Spule 60 und einen Magneten 62, welcher durch Bestromen der Spule 60 bewegt werden kann. Auf diese Weise kann die Batteriezelle 10 die Druckwellen 58 aussenden. In analoger Weise wird beim Empfangen der Druckwellen 58 der Magnet 62 bewegt und entsprechend die elektrische Veränderung des Felds der Spule 60 mittels der Steuerungseinrichtung 26 erfasst. Zum Ansteuern der Spule 60 ist diese mit der Steuerungseinrichtung 26 der Batteriezelle 10 verbunden. Mittels der Einrichtung in Form des Magneten 62 und der Spule 60 lassen sich die Druckwellen 58 also sowohl erzeugen als auch empfangen.
In 5 ist gezeigt, dass mittels des Magneten 62 auch nur ein Bereich 64 einer jeweiligen Wand des Batteriezellengehäuses 12 zum Schwingen gebracht werden kann. Hierfür kann dieser Bereich 64 durch Einschnürungen oder dergleichen Verjüngungen 66 von angrenzenden Bereichen der Wand des Batteriezellengehäuses 12 abgegrenzt sein. So kann der Bereich 64 wie eine Membran eines Lautsprechers zum Schwingen und Aussenden der Druckwellen 58 gebracht werden.
Anhand von 6 soll die Übertragung von Daten auf die erste Art 30 zwischen den benachbarten Batteriezellen 10 veranschaulicht werden. Beispielsweise sendet eine erste in 6 links gezeigte Batteriezelle 10 die Druckwellen 58 aus. Hierfür steuert entsprechend die Steuerungseinrichtung 26 die Spule 60 an, was die Bewegung des Magneten 62 zur Folge hat. Die Druckwellen 58 breiten sich durch eine elektrische Isolierung 68 hindurch aus, welche die beispielsweise aus Aluminium gefertigten Batteriezellengehäuse 12 der benachbarten Batteriezellen 10 galvanisch voneinander trennt.
Diese elektrische Isolierung 68 sorgt auch für eine galvanische Trennung gegenüber einer Platte 70 der Batterie 28 oder des jeweiligen Batteriemoduls 24, welche beispielsweise als Kühlplatte ausgebildet sein kann. Durch die Platte 70 hindurch breiten sich die Druckwellen 58 zu den benachbarten Batteriezellen 10 hin aus. Dort dienen die jeweiligen Kommunikationselemente in Form der Spulen 60 und der Magnete 62 als Empfänger. Die von diesen empfangenen Druckwellen werden bevorzugt mittels eines Verstärkers 72 verstärkt und der Steuerungseinrichtung 26 zur Auswertung zugeführt. Die jeweilige Einrichtung, welche die Spule 60 und den Magneten 62 umfasst, dient damit sowohl als Aktor etwa in Form einer als Resonator ausgebildeten Magnetspule beziehungsweise als Sensor nach Art eines Mikrofons oder dergleichen.
Die Druckwellen 58 können auch über die elektrischen Anschlüsse 20, 22 der jeweiligen Batteriezelle 10 auf die Stromschienen 74 übertragen werden, welche die einzelnen Batteriezellen 10 elektrisch leitend miteinander verbinden (vergleiche 17). Zu diesem Zwecke kann ein stiftförmiger Bolzen 76 des jeweiligen elektrischen Anschlusses 20, 22 durch die jeweilige Stromschiene 74 hindurchtreten und etwa durch Schweißen oder Schrauben mit der Stromschiene 74 verbunden sein. Entsprechend kann die Einrichtung, welche die Druckwellen 58 bereitstellt, auch im Bereich des elektrischen Anschlusses 20, 22 angeordnet sein, wobei insbesondere eine Anordnung auch außerhalb des Batteriezellengehäuses 12 möglich ist.
7 veranschaulicht, wie die Steuerungseinrichtung 26 in einem Schritt 78 die Spule 60 zum Aussenden einer Nachricht 80 ansteuern kann. Hierbei kann die Nachricht 80 vor dem passiven Empfangen 82 in einem Codierschritt 84 codiert werden. Über den Verstärker 72 gelangt die codierte Nachricht 80 dann zur Steuerungseinrichtung 26 der empfangenden Batteriezelle 10, wo nach einem Schritt einer Decodierung 86 die Nachricht 80 erfasst wird.
Die Druckwellen 58 können auch mittels eines Piezoelements 88 (also mittels eines piezoelektrischen Sensors und Aktors) das Batteriezellengehäuse 12, den Bereich 64, den jeweiligen Anschluss 20, 22 und/oder den Bolzen 76 anregen. In 8 sind mögliche Anordnungen eines solchen Piezoelements 88 innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 beziehungsweise außerhalb des Batteriezellengehäuses 12 gezeigt. So können die Piezoelemente 88 an einem Boden, an Seitenwänden und/oder an einem Deckel des Batteriezellengehäuses 12 angeordnet sein. Die Übertragung der Druckwellen 58, welche von dem Piezoelement 88 erzeugt werden, erfolgt bevorzugt im Ultraschallbereich über alle mechanisch gekoppelten weiteren Teile der Batteriezelle 10.
9 veranschaulicht, wie die Kommunikation zwischen den benachbarten Batteriezellen 10 auf die erste Art 30 mittels magnetischer Wellen 90 erfolgen kann. Hierbei umfasst die jeweilige Batteriezelle 10 als Kommunikationseinrichtung eine Spule 92, welche die magnetischen Wellen 90 erzeugt. Wenigstens eine weitere Spule 92 einer benachbarten Batteriezelle 10 kann die von der sendenden Spule 92 bereitgestellten magnetischen Wellen 90 detektieren und so entsprechend Nachrichten empfangen. Die Spule 92 ist in 9 bei der sendenden Batteriezelle 10 innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 angeordnet gezeigt. Bei der empfangenden Batteriezelle 10 ist jedoch beispielhaft eine auf die Außenseite des Batteriezellengehäuses 12 aufgebrachte weitere Spule 92 gezeigt. Die Spule 92 kann beispielsweise auf die Außenseite des Batteriezellengehäuses 12 aufgeklebt sein. Ebenso können die im Inneren des Batteriezellengehäuses 12 angeordneten Spulen 92 an einer Innenseite des Batteriezellengehäuses 12 anliegen. Das Batteriezellengehäuse 12 ist hierbei derart ausgebildet, dass die von den Spulen 92 gesendeten und/oder empfangenen Magnetwellen durch das Batteriezellengehäuse 12 hindurchtreten können.
Anhand von 10 soll eine weitere Möglichkeit der Kommunikation zwischen benachbarten Batteriezellen 10 veranschaulicht werden. Hierbei erfolgt die Kommunikation auf die erste Art 30 über Terahertzwellen 94. Diese Terahertzwellen 94 haben eine geringe Reichweite von nur wenigen Zentimetern, was jedoch eine Übertragung zur benachbarten Batteriezelle 10 sicher und insbesondere störsicher gewährleistet. Eine entsprechende Kommunikationseinrichtung, welche in 10 als Antenne 96 ausgebildet gezeigt ist, ist hierbei beispielsweise an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses 12 angeordnet. Die Antenne 96 kann beispielsweise zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen 20, 22 der jeweiligen Batteriezelle 10 angeordnet sein.
Die Datenübertragung zwischen der Antenne 96 und der Steuerungseinrichtung 26 der jeweiligen Batteriezelle 10 (und auch die Energieübertragung) kann über eine Leitung 98 erfolgen. Es kann jedoch auch eine drahtlose oder kabellose Datenübertragung und/oder Energieübertragung zwischen der Antenne 96 und der Steuerungseinrichtung 26 der jeweiligen Batteriezelle 10 vorgesehen sein.
Die Energieversorgung der Antenne 96 kann des Weiteren über eine elektrische Verbindung zu den elektrischen Anschlüssen 20, 22 der jeweiligen Batteriezelle 10 sichergestellt werden.
Wie aus 11 hervorgeht, kann auch eine Datenverbindung zwischen der Steuerungseinrichtung 26 und einer Schnittstelle 102 innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 über ein Kabel oder einen Lichtwellenleiter 100 erfolgen, während die Datenübertragung von der Schnittstelle 102 zur Antenne 96 kabellos beziehungsweise drahtlos erfolgen kann. Jedoch kann auch die Kommunikation zwischen dem Bereich innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 und außerhalb des Batteriezellengehäuses 12 über Kabel, Lichtwellenleiter oder dergleichen Leitungen erfolgen.
Anhand von 12 lässt sich veranschaulichen, wie die Kommunikation innerhalb der Batterie 28 erfolgen kann, wenn die Steuerungseinrichtungen 26 der einzelnen Batteriezellen 10 und die übergeordneten Steuerungseinrichtungen etwa in Form des Modulkontrollers 38 und/oder des Batteriekontrollers 42 ein vermaschtes Netz 104 bilden. Hierbei sei vereinfacht angenommen, dass die jeweiligen Batteriezellen 10 über ihre Antennen 96 direkt mit dem Batteriekontroller 42 kommunizieren.
Aufgrund der hohen Packungsdichte und des hohen Metallgehalts in der Umgebung der jeweiligen Batteriezelle 10, welche beispielsweise in dem jeweiligen Batteriemodul 24 angeordnet ist, sind hier bevorzugt entsprechende Protokolle für die Datenübertragung vorgesehen, welche dieser besonderen Umgebung Rechnung tragen. Beispielsweise kann nach einem listen-and-talk-Prinzip (Hören-und-Sprechen) vorgesehen sein, dass zunächst ein freies Band beziehungsweise ein freier Kanal ausfindig zu machen ist, um dann die Datenübertragung zu ermöglichen. Hierbei können Zeitduplexverfahren, Zeitmultiplexverfahren und/oder Frequenzmultiplexverfahren zum Einsatz kommen.
Eine in Bezug auf die Datenübertragung besonders günstige Länge eines jeweiligen Datenblocks kann hierbei im Batteriemodul 24 abhängig vom Ort der Anordnung des Batteriemoduls 24 in der Batterie 28 unterschiedlich sein. Zudem kann sich diese Datenblocklänge oder Datenburstlänge im Laufe der Zeit ändern, etwa abhängig von der für das Versenden eines Datenpakets gerade benötigten Zeitspanne. So kann sichergestellt werden, dass alle benötigten Informationen möglichst schnell und möglichst sicher bei jedem für eine Nachricht vorgesehenen Empfänger ankommen.
Um in der Umgebung der Batterie 28 ein besonders robustes und echoarmes Protokoll für die Datenübertragung bereitzustellen, kann bei dem vermaschten Netz 104 eine geringere Datenübertragungsrate vorgesehen sein als bei vermaschten Netzen in anderen Anwendungen. Beispielsweise kann die Datenübertragungsrate um den Faktor 32 kleiner sein als bei anderen Anwendungen, bei welchen vermaschte Netze zum Einsatz kommen.
In dem vermaschten Netz 104 sorgt bevorzugt der Batteriekontroller 42 (oder bei Vorsehen von Modulkontrollern 38 auf der Ebene der jeweiligen Batteriemodule 24 der Modulkontroller 38) für eine entsprechende zeitliche Abstimmung oder Synchronisation der einzelnen Netzwerkknoten. So kann sichergestellt werden, dass zu übertragende Daten sich nicht in einer Vielfalt von gleichzeitig ausgesendeten Nachrichten verlieren und somit nicht mehr zu identifizieren sind. Der Batteriekontroller 42 und/oder der Modulkontroller 38 sorgen so für eine ausreichende Stille, um eine sichere Übertragung in einer solchen Umgebung sicherzustellen.
Wie aus 12 hervorgeht, sind bei dem vermaschten Netz 104 oder MESH-Netzwerk die einzelnen Netzwerkknoten über eine Vielzahl von Signalpfaden 106 miteinander verbunden. Es ist so eine Kommunikation der Batteriezellen 10 untereinander als auch mit der jeweils übergeordneten Steuerungseinrichtung etwa in Form des Modulkontrollers 38 oder des Batteriekontrollers 42 möglich. Das vermaschte Netz 104 oder Netzwerk stellt eine besonders hohe Ausfallsicherheit bereit, da die jeweilige Nachricht unterschiedliche Signalpfade 106 nutzen kann, um zu einer der Batteriezellen 10 oder zur übergeordneten Steuerungseinrichtung, beispielsweise zum Batteriekontroller 42 zu gelangen.
In dem vermaschten Netz 104 können die Signalpfade 106 drahtlose Übertragungspfade sein, etwa indem elektromagnetische Wellen im Megahertz- und/oder Gigahertzbereich genutzt werden. Es können jedoch auch zur Datenübertragung in dem vermaschten Netz 104 Lichtwellenleiter oder sonstige kabelgebundene Signalpfade 106 zum Einsatz kommen. Zudem können die Signalpfade 106 sich einer der Kommunikationen der ersten Art 30 bedienen, welche mit Bezug auf die 1 bis 10 beschrieben wurden. Es können auch zwischen zwei Netzwerkknoten mehrere, redundante Signalpfade 106 vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass immer zumindest ein nutzbarer Signalpfad 106 zur Verfügung steht.
Auch bei der Nutzung der Antennen 96 zur Kommunikation über elektromagnetische Wellen im Megahertz- und Gigahertzbereich befinden sich die Antennen 96 bevorzugt außerhalb des Batteriezellengehäuses 12. Hier kann die Energieversorgung über die Batterieterminals oder Anschlüsse 20, 22 erfolgen. Des Weiteren kann eine kabellose Datenübertragung und/oder kabellose Energieübertragung, insbesondere eine induktive Energieübertragung mittels Magnetfeldern vorgesehen sein.
13 zeigt eine weitere Möglichkeit der Kommunikation auf die zweite Art 36. So kann beispielsweise innerhalb des Batteriemoduls 24 eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung auf Basis elektromagnetischer Wellen wie beispielsweise über Bluetooth 108, insbesondere über Bluetooth low energy (BTLE) vorgesehen sein. Hierbei kann etwa der Modulkontroller 38 die einzelnen Batteriezellen 10 abfragen und nacheinander mit diesen kommunizieren. Wenn mehrere Modulkontroller 38 mit den Batteriezellen 10 des jeweiligen Batteriemoduls 24 kommunizieren, kann der Batteriekontroller 42 der Batterie 28 dafür sorgen, dass keine gegenseitige Störung bei der Kommunikation erfolgt. Aufgrund des hohen Metallgehalts innerhalb des jeweiligen Batteriemoduls 24 und der hierdurch bedingten vergleichsweise geringen Übertragungsdistanz ist eine solche geordnete Kommunikation von Bedeutung.
Auch bei dieser Art 36 der Kommunikation finden sich die als Sender und Empfänger ausgebildeten Antennen 96 bevorzugt außerhalb des Batteriezellengehäuses 12. Auch hier kann die Energieübertragung und/oder Datenübertragung leitungsgebunden, beispielsweise über die Terminals oder elektrischen Anschlüsse 20, 22, oder drahtlos beziehungsweise kabellos erfolgen. Bei der leitungsgebundenen Datenübertragung können auch Lichtwellenleiter zum Einsatz kommen. Des Weiteren können Lichtquellen, insbesondere in Form von Leuchtdioden, Lichtsignale aussenden. Ein Empfänger wie etwa die Antenne 96 und/oder wenigstens ein Sensor zum Erfassen von Parametern der Batteriezelle 10 kann über das ausgesendete Licht mit Energie versorgt werden. Durch ein getaktetes Aussenden von Licht können des Weiteren zusammen mit der Energieübertragung auch Informationen in aufmodulierter Form übertragen werden.
Der Modulkontroller 38 kann insbesondere die einzelnen Batteriezellen 10 der Reihe nach abfragen und, nachdem er die letzte Batteriezelle 10 innerhalb des Batteriemoduls 24 abgefragt hat, wieder mit der Abfrage der ersten Batteriezelle 10 beginnen.
14 veranschaulicht die Kommunikation zwischen den Modulkontrollern 38 und dem Batteriekontroller 42. Auch hier kann beispielsweise über Bluetooth 108, WLAN oder Wifi eine Kommunikation stattfinden, wobei der Batteriekontroller 42 zunächst einen ersten der Modulkontroller 38 abfragt und dann den nächsten Modulkontroller 38. Nach dem Abfragen des letzten Modulkontrollers 38 innerhalb der Batterie 28 kann der Batteriekontroller 42 dann wieder den ersten Modulkontroller 38 abfragen.
15 veranschaulicht Komponenten einer jeweiligen Batteriezelle 10, welche für eine weitere Möglichkeit der Kommunikation zum Einsatz kommen können. Hierbei kann eine Trägerfrequenzkommunikation zum Einsatz kommen, welche bei Stromnetzen auch als „Powerline Communication” (PLC, Stromleitungskommunikation) bezeichnet wird. Hierbei erfolgt der Datenaustausch zwischen den einzelnen Batteriezellen 10 über die jeweiligen elektrischen Anschlüsse 20, 22, und es werden Daten auf das (Hochvolt-)Stromnetz moduliert.
Eine entsprechende Modulationseinrichtung 110 ist in 15 schematisch gezeigt. Die Modulationseinrichtung 110 umfasst einen Transformator 112 mit einer ersten Spule 114 und einer zweiten Spule 116, welche es ermöglichen, magnetische Wechselfelder über einen Transformatorkern 118 zu übertragen. Über einen Kondensator 120 wird das beispielsweise hochfrequente Signal in das galvanische Element 14 der Batteriezelle 10 eingekoppelt, von welchem in 15 lediglich die beiden Ableiter 16, 18 gezeigt sind.
Der Kondensator 120 entkoppelt die Steuerungseinrichtung 26 der Batteriezelle 10 von der Gleichspannung des galvanischen Elements 14. Auch das Einkoppeln von Signalen über die erste Spule 114 in die zweite Spule 116 und somit die Übertragung von Daten hin zur Steuerungseinrichtung 26 erfolgt über den Kondensator 120. Bevorzugt ist zum Schutz der Steuerungseinrichtung 26 ein, insbesondere bidirektionaler, Spannungsbegrenzer 123 vorgesehen. Des Weiteren kann ein Filter 124 dafür sorgen, dass ein Rauschen unterdrückt wird und Störimpulse herausgefiltert werden. Die Modulationseinrichtung 110 ist bevorzugt als low-power-Anwendung beziehungsweise ultra-low-power-Anwendung ausgebildet.
Als Modulationsverfahren zum Übertragen von Daten über die Stromschienen 74 der Batterie 28 können beispielsweise das S-FSK-Verfahren (S-FSK = spread-frequency shift keying) oder das OFDN-Verfahren (OFDN = orthogonal frequency-division multiplexing, orthogonales Frequenzmultiplexverfahren) zum Einsatz kommen. Bei letzterem wird ein Übersprechen zwischen Signalen reduziert, welche benachbarten Trägern aufmoduliert sind. Die Datentransfergeschwindigkeit kann hierbei bei 200 kbps (kilobit per second) bis etwa 500 kbps liegen.
17 veranschaulicht die Übertragung von Daten 122 über die Stromschienen 74 durch Aufmodulieren derselben auf das (Hochvolt-)Stromnetz. Hierbei können die Daten 122 insbesondere verschlüsselt übertragen werden. Des Weiteren ist eine, insbesondere verschlüsselte, Übertragung 125 der Daten 122 zum übergeordneten Steuergerät, beispielsweise dem Batteriekontroller 42 vorgesehen. Der Batteriekontroller 42 kann wiederum über ein Bussystem, beispielsweise einen CAN-Bus, mit den übrigen Steuergeräten des Kraftfahrzeugs kommunizieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010045037 A1 [0002]
DE 112010003272 T5 [0003]

Claims

Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (10), wobei die jeweilige Batteriezelle (10) ein Batteriezellengehäuse (12) umfasst, in welchem ein galvanisches Element (14) aufgenommen ist, und zwei elektrische Anschlüsse (20, 22), über welche die Batteriezelle (10) mit wenigstens einer weiteren Batteriezelle (10) der Batterie (28) elektrisch verbunden ist, und eine Steuerungseinrichtung (26), welche mit wenigstens einer Kommunikationseinrichtung der Batteriezelle (10) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kommunikationseinrichtung der Batteriezelle (10) dazu ausgebildet ist, mit zumindest einer der jeweiligen Batteriezelle (10) benachbarten Batteriezelle (10) auf eine erste Art (30) zu kommunizieren und mit zumindest einer übergeordneten Steuerungseinrichtung (38, 42) der Batterie (28) auf eine zweite Art (36), welche von der ersten Art (30) verschieden ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Batteriezelle (10) für das Kommunizieren auf die erste Art (30) wenigstens eine, insbesondere eine Spule (60) und einen relativ zu der Spule (60) bewegbaren Magneten (62) und/oder eine Piezoelement (88) umfassende, Einrichtung zum Erzeugen und zum Empfangen von Druckwellen (58) umfasst.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Batteriezelle (10) für das Kommunizieren auf die erste Art (30) wenigstens eine, insbesondere eine Spule (92) umfassende, Einrichtung zum Erzeugen und zum Empfangen von magnetischen Wellen (90) umfasst.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Batteriezelle (10) für das Kommunizieren auf die erste Art (30) wenigstens eine, insbesondere an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses (12) angeordnete, Einrichtung zum Erzeugen und zum Empfangen von elektromagnetischen Terahertzwellen (94) umfasst.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Batteriezelle (10) für das Kommunizieren auf die erste Art (30) und/oder auf die zweite Art (36) wenigstens eine, insbesondere an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses (12) angeordnete, Einrichtung zum Erzeugen und zum Empfangen von elektromagnetischen Gigahertzwellen und/oder Megahertzwellen umfasst.
Batterie nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Mittel – zur drahtlosen Energieübertragung von dem galvanischen Element (14) der jeweiligen Batteriezelle (10) auf die an der Außenseite des Batteriezellengehäuses (12) angeordnete Einrichtung und/oder – zur, insbesondere drahtlosen, Datenübertragung von der Steuerungseinrichtung (26) auf die an der Außenseite des Batteriezellengehäuses (12) angeordnete Einrichtung.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtungen (26) der jeweiligen Batteriezellen (10) und die zumindest eine übergeordnete Steuerungseinrichtung (38, 42) der Batterie (28) Netzwerkknoten eines, insbesondere vollständig, vermaschten Netzes (104) bilden.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (28) eine Mehrzahl von eine jeweilige Gruppe von Batteriezellen (10) aufweisenden Batteriemodulen (24) umfasst, wobei die zumindest eine übergeordnete Steuerungseinrichtung (38, 42) einen Modulkontroller umfasst, welcher zum Kommunizieren, insbesondere über Bluetooth (108), mit den Batteriezellen (10) des jeweiligen Batteriemoduls (24) ausgebildet ist, wobei die zumindest eine übergeordnete Steuerungseinrichtung (38, 42) einen Batteriekontroller der Batterie (28) umfasst und der Modulkontroller zum Kommunizieren mit dem Batteriekontroller ausgebildet ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Batteriezelle (10) eine Modulationseinrichtung (110) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, Daten über ein elektrisches Verbindungselement (74) mit der wenigstens einen weiteren Batteriezelle (10) und/oder mit der übergeordneten Steuerungseinrichtung (38, 42) auszutauschen, welches die Batteriezelle (10) mit der wenigstens einen weiteren Batteriezelle (10) der Batterie (28) und/oder mit der übergeordneten Steuerungseinrichtung (38, 42) verbindet.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9.