DE102015224451A1

DE102015224451A1 - Elektrochemischer Energiespeicher mit einer Überwachungseinheit

Info

Publication number: DE102015224451A1
Application number: DE102015224451.2A
Authority: DE
Inventors: Robert Hafenbrak; Daniel Bernd Greiner; Christian Wagner; Peter Kohn; Matthias Riedmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Elektrochemischer Energiespeicher (20) umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)), welche durch elektrisch leitende Verbindungen in Serie und/oder parallel geschaltet sind, eine mit zumindest einer Batteriezelle (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)) elektrisch verbundenen Überwachungseinheit (23) zur Überwachung und/oder Erfassung von Batteriezelleigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine elektrisch leitende Verbindung einen Stromsensor (26) zur Erfassung eines durch die elektrisch leitende Verbindung fließenden Stroms umfasst, wobei der durch den Stromsensor (26) erfasste Strom durch die Überwachungseinheit (23) mittels eines Bussystems übermittelbar ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Energiespeicher umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen, welche durch elektrisch leitende Verbindungen in Serie und/oder parallel geschaltet sind, eine mit zumindest einer der Batteriezellen elektrisch verbundenen Überwachungseinheit zur Überwachung und/oder Erfassung von Batteriezelleigenschaften gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Die DE 10 2012 212 368 A1 offenbart einen Vorrichtung zum Führen eines elektrischen Stromes auf einem Strompfad zwischen einem an eine Fahrzeugbatterie angeschlossenen elektrischen Verbindungskabel und der Fahrzeugbatterie, wobei der Strompfad durch eine elektrische Unterbrechung in zwei Strompfadteile aufgeteilt ist, die über einen Stromsensor elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die offenbarte Vorrichtung ein mechanisches Verbindungselement zum mechanischen Verbinden der Fahrzeugbatterie und dem Verbindungskabel und ein vom mechanischen Verbindungselement verschiedenes elektrisches Verbindungselement zum elektrischen Verbinden des Stromsensors mit einem der Strompfadteile umfasst.
Die US 20120262123 A1 offenbart ein Schaltungsmodul mit einem Widerstand und einem leitenden Material, das auf einer Schaltkreisschicht einer gedruckten Leiterplatte angeordnet ist, welches mehrere Schichten umfasst und einer Stromerfassungseinheit, die elektrisch mit beiden Enden des Widerstands verbunden ist. Die Stromerfassungseinheit erfasst einen Strom, der durch den Widerstand fließt.
Die EP 2 541 641 A1 offenbart ein Batteriemodul mit einem Hauptblock, der mehrere Batteriezellen umfasst, einer Erfassungsschaltung und einer Verstärkerschaltung auf einer Leiterplatte. Eine Sammelschiene ist mit einer Elektrode mindestens einer Batteriezelle an ein Ende des Hauptblocks angebracht und wird in Form eines Shunt-Widerstands zur Stromerfassung verwendet.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass zumindest eine elektrisch leitende Verbindung einen Stromsensor zur Erfassung eines durch die elektrisch leitende Verbindung fließenden Stroms umfasst, wobei der durch den Stromsensor erfasste Strom durch die Überwachungseinheit mittels eines Bussystems übermittelbar ist. Dadurch werden eine störungsarme und genaue Messung des fließenden Stroms sowie eine vereinfachte Montage des elektrochemischen Energiespeichers erreicht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Überwachungseinheit und der mindestens eine Stromsensor sind auf einer Trägerplatte angeordnet. Dadurch wird eine räumliche Anordnung der Überwachungseinheit und des mindestens einen Stromsensors auf derselben Trägerplatte erreicht, wodurch ein Herstellungsprozess der Trägerplatte durch Verwendung bekannter Löt- und Schweißtechniken sowie eine Montage der Trägerplatte vereinfacht werden.
Die Trägerplatte umfasst eine Leiterplatte, mit einer Mehrzahl an elektrisch leitenden Verbindungen, welche zumindest zur elektrisch leitenden Verbindung der Überwachungseinheit und des Stromsensors dient. Durch sind keine Schrauben, keine Stecker und/oder elektrische Verbindungskabel notwendig, wodurch der Herstellungsaufwand vereinfacht und Übergangswiderstände reduziert werden. Die Leiterplatte ist beispielsweise als Printed-Circuit-Board (PCB) hergestellt.
Der Stromsensor ist vorteilhafterweise ein Shunt-Sensor und/oder ein Hall-Sensor. Dadurch wird eine kostengünstige Realisierung der Strommessung mit Standardbauteilen erreicht.
Die in Serie und/oder parallel geschalteten Batteriezellen sind mittels Bonddrähten und/oder Bondbändern miteinander elektrisch leitend verbunden. Dadurch wird eine beispielsweise gegenüber Vibrationen robuste elektrisch leitende Verbindung erreicht. Weiter wird dadurch das Gewicht des elektrochemischen Energiespeichers reduziert. Weiter werden die Übergangswiderstände der elektrisch leitenden Verbindungen reduziert.
Das Bussystem zur Übermittlung des durch den Stromsensor erfassten Stroms an eine Auswerteeinheit ist vorteilhafterweise kabelgebunden und/oder kabellos. Ein kabelgebundenes Bussystem ist ein serielles, beispielsweise ein CAN-Bus, und/oder ein paralleles Bussystem.
Ein kabelloses Bussystem ist beispielsweise eine WLAN-Verbindung und/oder eine Bluetooth-Verbindung. Dadurch wird eine schnelle und robuste Datenübertragung erreicht sowie ein Verkabelungsaufwand reduziert.
Das Bussystem verwendet vorteilhafterweise ein Daisy-Chain-Prinzip. Durch eine serielle Datenübertragung wird ein Verkabelungsaufwand des elektrochemischen Energiespeichers reduziert.
Vorteilhafterweise umfasst der elektrochemische Energiespeicher Lithium-Ionen-, Lithium-Luft- und/oder Lithium-Schwefel-Batteriezellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers umfasst mindestens die Schritte:

– Anordnen einer Mehrzahl an Batteriezellen;
– Mechanisches Verbinden der Batteriezellen zu einem Batteriemodul;
– Elektrisch leitendes Verbinden der Batteriezellen in Serie und/oder parallel durch Verschweißen von Bonddrähten und/oder Bondbändern mit Zellterminals der Batteriezellen;
– Elektrisches Verbinden mindestens eines Stromsensors mit einer Überwachungseinheit auf einer, eine Leiterplatte umfassenden, Trägerplatte durch einen Bond-, Schweiß- und/oder Lötprozess;
– Mechanisches Verbinden der Trägerplatte mit dem Batteriemodul;
– Elektrisches Verbinden des mindestens einen Stromsensors mit mindestens zwei Zellterminals durch einen Bond-, Schweiß- und/oder Lötprozess;
– Elektrisches Verbinden der Leiterplatte mit mindestens einer Batteriezelle durch das mechanische Verbinden der Trägerplatte mit dem Batteriemodul und/oder durch einen Bond-, Schweiß- und/oder einen Lötprozess.

Dadurch wird eine thermische Abhängigkeit des fließenden Stroms und eine mechanische Abhängigkeit des gemessenen Stroms, beispielsweise durch Abriss und/oder einem hohen Übergangswiderstand, reduziert. Weiter wird die Montage vereinfacht, da keine Schrauben und/oder Stecker notwendig sind. Weiter kann eine höhere Redundanz der Strommessung realisiert werden, in dem auf der Trägerplatte mehrere Stromsensoren integriert werden.
Vorteilhafterweise umfasst ein Fahrzeug und/oder eines stationären Energiespeichersystems mindestens einen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise zum Antreiben eines elektrischen Motors.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Ausführungsform zur Strommessung gemäß dem Stand der Technik; und
2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
1 zeigt einen elektrochemischen Energiespeicher 10 gemäß dem Stand der Technik. Der elektrochemische Energiespeicher 10 umfasst eine Mehrzahl an Batteriezellen 11(1), 11(2), 11(3), 11(4), 11(5), 11(6), welche über Bondverbindungen 19, beispielsweise Bonddrähte und/oder Bondbänder, miteinander in Serie und/oder parallel elektrisch leitend verbunden sind. Eine Trägerplatte 12 umfasst eine Überwachungseinheit 13 (CSC – Cell-Supervision-Circuit) sowie eine elektrisch leitende Verbindung 14, mittels der die Überwachungseinheit 13 mit einem Zellterminal 11(4)b, beispielsweise zur Erfassung von Batteriezelleigenschaften, verbunden ist.
Eine Batterietrennvorrichtung 15 (BDU – Battery-Disconnect-Unit) umfasst einen Stromsensor 16, der mittels einer kabelgebundenen Verbindung 17 mit einem Zellterminal 11(6)b elektrisch verbunden ist. Der Stromsensor 16 erfasst den fließenden Strom, wobei eine Batteriesteuereinheit 18 (BCU – Battery-Control-Unit) die erfassten Stromwerte verarbeitet.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines elektrochemischen Energiespeichers 20. Der elektrochemische Energiespeicher 20 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6), welche mittels Bondverbindungen 27 miteinander in Serie und/oder parallel elektrisch verbunden sind. Die Bondverbindungen 27 umfassen beispielsweise Bonddrähte und/oder Bondbänder. Eine Trägerplatte 22 umfasst eine Überwachungseinheit 23 und einen Stromsensor 26. Die Überwachungseinheit 23 ist beispielsweise mittels einer Bondverbindung 24 mit einer Leiterplatte 28 der Trägerplatte 22 elektrisch verbunden. Durch die Bondverbindung 24 und nicht dargestellte elektrische Leitungen innerhalb der Leiterplatte 28 sind der Stromsensors 26 und die Überwachungseinheit 23 elektrisch miteinander verbunden. Der Stromsensor 26 ist mittels elektrisch leitender Verbindungen, beispielsweise in Form von Bonddrähten 25, mit einem ersten Zellterminal 21(3)b und einem zweiten Zellterminal 21(4)a elektrisch verbunden. Durch die elektrisch leitende Verbindung ist ein zwischen den Zellterminals 21(3)b und 21(4)a fließender Strom durch den Stromsensor 26 messbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Trägerplatte 22 weitere Stromsensoren 26. Dadurch wird eine genauere Strommessung ermöglicht. Die Leiterplatte 28 umfasst beispielsweise eine gedruckte Schaltung (PCB – Printed-Circuit-Board).
Durch die Verwendung einer Trägerplatte 22 ist eine einfache Montage bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Batteriezellen möglich. Weiter ist eine flexible Verwendung der Überwachungseinheit 23 möglich, beispielsweise bei unterschiedlichen Kapazitäten und/oder verschiedenen Leistungswerten der Batteriezellen 21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6). Dadurch wird eine flexible Verwendung der Trägerplatte 22 möglich. Elektrische Verbindungen der Leiterplatte 28 sind beispielsweise mittels Bondverbindung mit Zellterminals der Batteriezellen 21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6) verbunden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind an der Unterseite der Trägerplatte 22 elektrisch leitende Verbindungen der Leiterplatte 28 angeordnet, wodurch bei der Montage der Trägerplatte 22 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Zellterminals und den elektrisch leitenden Verbindungen der Leiterplatte 28 hergestellt wird. Dadurch werden keine Schweiß- oder Lötverbindungen benötigt, wodurch Übergangswiderstände reduziert und ein Herstellungsverfahren vereinfacht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012212368 A1 [0002]
US 20120262123 A1 [0003]
EP 2541641 A1 [0004]

Claims

Elektrochemischer Energiespeicher (20) umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)), welche durch elektrisch leitende Verbindungen in Serie und/oder parallel geschaltet sind, eine mit zumindest einer Batteriezelle (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)) elektrisch verbundenen Überwachungseinheit (23) zur Überwachung und/oder Erfassung von Batteriezelleigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine elektrisch leitende Verbindung einen Stromsensor (26) zur Erfassung eines durch die elektrisch leitende Verbindung fließenden Stroms umfasst, wobei der durch den Stromsensor (26) erfasste Strom durch die Überwachungseinheit (23) mittels eines Bussystems übermittelbar ist.
Elektrochemischer Energiespeicher (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23) und der mindestens eine Stromsensor (26) auf einer Trägerplatte (22) angeordnet sind.
Elektrochemischer Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (22) eine Leiterplatte (28) zumindest zur elektrisch leitenden Verbindung der Überwachungseinheit (23) und des Stromsensors (26) umfasst.
Elektrochemischer Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (26) ein Shunt-Sensor und/oder ein Hall-Sensor ist.
Elektrochemischer Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Serie und/oder parallel geschalteten Batteriezellen (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)) mittels Bonddrähten (27) und/oder Bondbändern miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Elektrochemischer Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bussystem kabelgebunden und/oder kabellos ist.
Elektrochemischer Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bussystem ein Daisy Chain-Prinzip verwendet.
Elektrochemischer Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Energiespeicher (20) Lithium-Ionen-, Lithium-Luft- und/oder Lithium-Schwefel-Batteriezellen (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend mindestens die Schritte: – Anordnen einer Mehrzahl an Batteriezellen (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)); – Mechanisches Verbinden der Batteriezellen (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)) zu einem Batteriemodul; – Elektrisch leitendes Verbinden der Batteriezellen (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)) in Serie und/oder parallel durch Verschweißen von Bonddrähten (27) und/oder Bondbändern mit Zellterminals (21(3)b, 21(4)a) der Batteriezellen (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)); – Elektrisches Verbinden mindestens eines Stromsensors (26) mit einer Überwachungseinheit (23) auf einer, eine Leiterplatte (28) umfassenden, Trägerplatte (22) durch einen Bond- und/oder Lötprozess; – Mechanisches Verbinden der Trägerplatte (22) mit dem Batteriemodul; – Elektrisches Verbinden des mindestens einen Stromsensors (26) mit mindestens zwei Zellterminals (21(3)b, 21(4)a) durch einen Bond-, einen Schweiß- und/oder einen Lötprozess; – Elektrisches Verbinden der Leiterplatte (28) mit mindestens einer Batteriezelle (21(1), 21(2), 21(3), 21(4), 21(5), 21(6)) durch das mechanische Verbinden der Trägerplatte (22) mit dem Batteriemodul und/oder durch einen Bond-, einen Schweiß- und/oder einen Lötprozess.
Verwendung mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Fahrzeug und/oder einem stationären Energiespeichersystem.