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Die Erfindung betrifft eine Messschaltung für ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von Batteriezellen zur Messung von Zellspannungen, welche jeweils zwischen einem negativen Terminal und einem positiven Terminal der Batteriezellen anliegen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Messschaltung. Auch betrifft die Erfindung ein Batteriemodul, welches eine Vielzahl von Batteriezellen mit je einem negativen Terminal und einem positiven Terminal und mindestens eine erfindungsgemäße Messschaltung aufweist.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Fahrzeugen wie Elektrofahrzeugen (EV), Hybridfahrzeugen (HEV) oder Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEV) sowie in stationären Anlagen und in Consumer-Elektronik-Produkten vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an welche hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batteriezellen. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
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Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen hohe Anforderungen bezüglich der funktionalen Sicherheit auf. Ein nicht sachgemäßer Betrieb der Batteriezellen kann zu exothermen Reaktionen bis hin zum Brand und/oder zur Entgasung führen. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Reaktionen ist unter anderem eine sichere Überwachung der Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen notwendig.
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Aus der
DE 10 2005 029 890 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Batteriegrößen einer Batterie bekannt. Die Batterie umfasst dabei mehrere seriell verschaltete Einzelzellen, welche mit einer Schalteinrichtung verbunden sind. Die Schalteinrichtung umfasst zwei Schalter, welche wahlweise mit Abgriffen der Einzelzellen verbindbar sind. Je nach Stellung der zwei Schalter ist eine Messung einer Spannung einer Einzelzelle oder einer Gruppe von Zellen möglich.
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In der
DE 10 2015 202 567 A1 ist ein gattungsgemäßes Batteriesystem offenbart, welches eine Batterie mit mehreren seriell verschalteten Batteriezellen und eine Messschaltung zur Messung der Spannungen der Batteriezellen umfasst. Jede Batteriezelle ist mit je zwei Messeingängen der Messschaltung verbunden und die Messeingänge sind mittels eines Multiplexers mit zwei parallel geschalteten Messeinheiten verbunden.
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Aus der
DE 10 2011 016 373 A1 ist ein Batterieblock mit mehreren seriell verschalteten Batteriezellen bekannt. Auf dem Batterieblock ist eine Flexleiterplatte mit Leiterbahnen angeordnet. Die Flexleiterplatte weist eine Blocksteuereinrichtung auf, welche von einem integrierten Schaltkreis gebildet ist, und welche auf einer starren Leiterplatte angeordnet ist, die mit den Leiterbahnen der Flexleiterplatte kontaktiert ist. Die Blocksteuereinrichtung steuert eine Überwachungsschaltung, welche unter anderem zur Messung der Spannungen der Batteriezellen dient.
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Die
US 2015/0104683 A1 offenbart ein Batteriepack mit mehreren Batteriezellen. Das Batteriepack umfasst eine elektronische Anordnung, welche mehrere elektronische Schaltkreise umfasst, die jeweils einer Batteriezelle zugeordnet sind. Jeder der elektronischen Schaltkreise ist dabei auf einer separaten Folie angeordnet und dient zur Überwachung und Steuerung der zugeordneten Batteriezelle.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Messschaltung für ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von Batteriezellen zur Messung von Zellspannungen, welche jeweils zwischen einem negativen Terminal und einem positiven Terminal der Batteriezellen anliegen, vorgeschlagen. Dabei umfasst die Messschaltung eine Trägerfolie, auf welche Leiterbahnen mit Kontaktpads aufgebracht sind.
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Die Trägerfolie ist aus einem elektrisch isolierenden und mechanisch flexiblen Material hergestellt, insbesondere aus einem Kunststoff. Die Kontaktpads dienen zur Verbindung der Messschaltung mit weiteren Komponenten, insbesondere den Batteriezellen.
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Erfindungsgemäß sind auf die Trägerfolie der Messschaltung mehrere Halbleiterbauelemente aufgebracht und mit den Leiterbahnen der Messschaltung elektrisch verbunden. Insbesondere ist für jede Batteriezelle des Batteriemoduls genau ein Halbleiterbauelement vorgesehen. Jedes der Halbleiterbauelemente umfasst eine Spannungsmesseinheit zur Messung der Zellspannung einer Batteriezelle. Weiterhin umfasst jedes der Halbleiterbauelemente eine Erkennungseinheit zur Erkennung eines Kurzschlusses in einem Penetrationssensor. Dabei ist jedes der Halbleiterbauelemente mit einem Penetrationssensor elektrisch verbunden, welcher aus Leiterbahnen der Messschaltung gebildet ist.
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Der Penetrationssensor ist insbesondere von zwei Leiterbahnen gebildet, welche gitterartig in geringem Abstand nebeneinander angeordnet und elektrisch voneinander isoliert sind. Der Abstand zwischen den zwei Leiterbahnen ist derart gewählt, dass ein für einen Nageltest zu verwendender Normnagel beim Durchdringen der Trägerfolie einen Kurzschluss der zwei Leiterbahnen des Penetrationssensors verursacht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst jedes der Halbleiterbauelemente der Messschaltung eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung einer Entladevorrichtung zum Entladen einer Batteriezelle. Die Batteriezelle ist insbesondere dann zu entladen, wenn von dem Penetrationssensor ein eindringendes Metallteil, beispielsweise ein Nagel, festgestellt wird. In diesem Fall erkennt die Erkennungseinheit einen Kurzschluss in dem Penetrationssensor und das Halbleiterbauelement veranlasst mittels der Ansteuereinheit eine Entladung der Batteriezelle.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst jedes Halbleiterbauelement eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation über einen Datenbus. Vorzugsweise ist der Datenbus aus Leiterbahnen der Messschaltung gebildet, mittels welchen benachbart angeordnete Halbleiterbauelemente miteinander verbunden sind. Über den Datenbus ist eine Kommunikation der Halbleiterbauelemente miteinander ebenso wie mit einer zentralen Steuereinheit möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst jedes Halbleiterbauelement eine Temperaturmesseinheit, die mit einem auf die Trägerfolie aufgebrachten Temperatursensor elektrisch verbunden ist. Bei dem Temperatursensor handelt es sich beispielsweise um einen NTC (negative temperature coefficient) Widerstand, welcher ebenfalls über Leiterbahnen der Messschaltung mit dem Halbleiterbauelement elektrisch verbunden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Deckfolie derart auf die Trägerfolie aufgebracht, dass die Leiterbahnen und die Halbleiterbauelemente zwischen der Deckfolie und der Trägerfolie zumindest weitgehend eingeschlossen sind. Vorzugsweise sind die Halbleiterbauelemente dabei vollständig zwischen der Deckfolie und der Trägerfolie eingeschlossen und somit vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit geschützt. Bevorzugt weisen die Deckfolie und/oder die Trägerfolie Ausnehmungen um die Kontaktpads herum auf. Somit ist eine Verbindung der Messschaltung mit weiteren Komponenten, beispielsweise den Batteriezellen oder einer Entladevorrichtung, durch die Ausnehmungen hindurch möglich.
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Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Messschaltung vorgeschlagen. Verfahrensvorbereitend wird eine dünne Metallfolie hergestellt und bereitgestellt. Die Metallfolie ist beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium gefertigt und weist somit eine relativ gute elektrische Leitfähigkeit auf.
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Aus der Metallfolie werden dann die Leiterbahnen mit den Kontaktpads ausgestanzt. Die ausgestanzten Leiterbahnen mit den Kontaktpads werden auf die Trägerfolie aufgebracht. Die Trägerfolie ist vorzugsweise bandförmig ausgestaltet und aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt. Die Trägerfolie kann dabei endlos gefertigt werden.
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Anschließend werden die Halbleiterbauelemente auf die Trägerfolie aufgebracht, und die Halbleiterbauelemente werden mit den Leiterbahnen elektrisch verbunden. Beispielsweise weisen die Halbleiterbauelemente Kontaktfahnen auf, welche auf die Leiterbahnen auf der Trägerfolie aufgelötet werden. Somit sind die Halbleiterbauelemente durch die Lötverbindung gleichzeitig mechanisch und elektrisch mit den Leiterbahnen verbunden. Es ist auch denkbar, dass die Halbleiterbauelemente als „Bare-Die“ vorliegen. In diesem Fall können die Halbleiterbauelemente zunächst auf die Trägerfolie geklebt werden und sind somit mechanisch mit der Trägerfolie verbunden. Anschließend können die als „Bare-Die“ vorliegenden Halbleiterbauelemente mittels Bonddrähten mit den Leiterbahnen elektrisch verbunden werden.
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Wenn die Trägerfolie endlos gefertigt ist, entsteht somit eine quasi endlose Messschaltung. Zum Einsatz in realen Batteriemodulen mit einer endlichen Anzahl von Batteriezellen können Messschaltungen durch entsprechendes Zuschneiden erhalten werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden um die Kontaktpads herum Ausnehmungen in die Trägerfolie eingebracht. Durch die Ausnehmungen hindurch ist eine Verbindung der Messschaltung mit weiteren Komponenten, beispielsweise den Batteriezellen oder einer Entladevorrichtung, möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Deckfolie derart auf die Trägerfolie aufgebracht, dass die Leiterbahnen und die Halbleiterbauelemente zwischen der Deckfolie und der Trägerfolie zumindest weitgehend eingeschlossen sind. Insbesondere wird die Deckfolie derart auf die Trägerfolie aufgebracht, dass die Halbleiterbauelemente vollständig zwischen der Deckfolie und der Trägerfolie eingeschlossen sind. Die Deckfolie wird beispielsweise auf die Trägerfolie geklebt oder laminiert.
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Fernern wird ein Batteriemodul vorgeschlagen, welches eine Vielzahl von Batteriezellen mit je einem negativen Terminal und einem positiven Terminal und mindestens eine erfindungsgemäße Messschaltung umfasst. Dabei sind die Terminals mehrerer Batteriezellen an Kontaktpads der Messschaltung angeschlossen. Die Batteriezellen sind beispielsweise als Pouchzellen ausgeführt und weisen flache Terminals auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Batteriemodul auch mehrere Entladevorrichtungen, welche an Kontaktpads der Messschaltung angeschlossen sind. Insbesondere ist dabei für jede der Batteriezellen des Batteriemoduls genau eine Entladevorrichtung vorgesehen und dieser zugeordnet.
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Vorteile der Erfindung
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Mittels einer erfindungsgemäßen Messschaltung ist eine komfortable und umfangreiche Überwachung eines Batteriemoduls möglich. Dabei ist insbesondere eine Erkennung eines eindringenden Metallteils, beispielsweise eines Nagels, durch einen verhältnismäßig einfach aufgebauten Penetrationssensor möglich. Die Messschaltung kann verhältnismäßig einfach mit mehreren Batteriezellen verbunden werden und beansprucht nur einem verhältnismäßig geringen Bauraum. Die Messschaltung kann dabei auch verhältnismäßig preisgünstig gefertigt werden. Insbesondere können die Elemente der Messschaltung auf eine endlose Trägerfolie aufgebracht werden, wodurch eine quasi endlose Messschaltung entsteht. Durch entsprechendes Zuschneiden werden endliche Messschaltungen erhalten, welche an die Anzahl der anzuschließenden Batteriezellen angepasst sind. Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul ist somit verhältnismäßig einfach und kostengünstig zu fertigen, wobei die Überwachung der Batteriezellen sicher gestellt ist.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Metallfolie,
- 2 aus der Metallfolie von 1 ausgestanzte Leiterbahnen,
- 3 eine Trägerfolie mit den Leiterbahnen von 2,
- 4 eine Messschaltung,
- 5 eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelements,
- 6 eine Explosionsdarstellung eines Batteriemoduls und
- 7 eine teilweise schematische Darstellung eines Batteriemoduls.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine Metallfolie 24, vorliegend eine Kupferfolie. Auch andere elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere Aluminium, sind denkbar. Die Metallfolie 24 ist vorliegend bandförmig ausgestaltet und weist eine Dicke von etwa 100 µm auf. Die Metallfolie 24 ist beispielsweise durch Walzen hergestellt und dient zum Ausstanzen von Leiterbahnen 30 für eine herzustellende Messschaltung 20.
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In 2 sind aus der Metallfolie 24 von 1 ausgestanzte Leiterbahnen 30 dargestellt. Die Leiterbahnen 30 weisen Kontaktpads 32 auf, welche insbesondere zum Anschluss von Terminals 15, 16 von Batteriezellen 2 sowie zum Anschluss von Entladevorrichtungen 74 dienen. Die übrige Metallfolie 24 wird nach Ausstanzen der Leiterbahnen 30 nicht mehr benötigt und entsorgt, beziehungsweise recycelt.
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Zwei der Leiterbahnen 30 bilden einen Penetrationssensor 72. Die besagten zwei Leiterbahnen 30 sind gitterartig in verhältnismäßig geringem Abstand nebeneinander angeordnet und elektrisch voneinander isoliert. Der Abstand zwischen den zwei Leiterbahnen 30 ist dabei derart gewählt, dass ein für einen Nageltest zu verwendender Normnagel beim Durchdringen des Penetrationssensors 72 einen Kurzschluss zwischen den zwei Leiterbahnen 30 verursacht.
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Zwei weitere der Leiterbahnen 30 bilden einen Datenbus 76. Die besagten zwei Leiterbahnen 30 verlaufen parallel zueinander und in verhältnismäßig geringem Abstand zueinander. Über den Datenbus 76 ist eine digitale serielle Kommunikation innerhalb der Messschaltung 20 sowie zu mit einer übergeordneten zentralen Steuereinheit möglich.
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3 zeigt eine Trägerfolie 22 mit den aus der Metallfolie 24 ausgestanzten Leiterbahnen 30 mit Kontaktpads 32 von 2. Die Trägerfolie 22 ist aus einem elektrisch isolierenden und mechanisch flexiblen Material hergestellt, insbesondere aus einem Kunststoff. Die Trägerfolie 22 ist vorliegend bandförmig ausgestaltet und weist eine Dicke von etwa 100 µm auf. Die Leiterbahnen 30 werden beispielsweise auf die Trägerfolie 22 geklebt.
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Um die Kontaktpads 32 der Leiterbahnen 30 herum werden Ausnehmungen in die Trägerfolie 22 eingebracht. Durch die Ausnehmungen hindurch können die Kontaktpads 32 der Leiterbahnen 30 mit weiteren Komponenten eines Batteriemoduls 10, beispielsweise den Batteriezellen 2 oder den Entladevorrichtungen 74, verbunden werden.
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Anschließend werden Halbleiterbauelemente 50 auf die Trägerfolie 22 aufgebracht. Die Halbleiterbauelemente 50 werden mit den Leiterbahnen 30 elektrisch verbunden. Vorliegend weisen die Halbleiterbauelemente 50 Kontaktfahnen auf, welche auf die Leiterbahnen 30 auf der Trägerfolie 22 aufgelötet werden. Durch diese Lötverbindung werden die Halbleiterbauelemente 50 gleichzeitig mechanisch und elektrisch mit den Leiterbahnen 30 auf der Trägerfolie 22 verbunden. Dadurch entsteht die Messschaltung 20, welche in 4 dargestellt ist.
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Alternativ können die Halbleiterbauelemente 50 auch als „Bare-Die“ vorliegen. In diesem Fall werden die Halbleiterbauelemente 50 zunächst auf die Trägerfolie 22 geklebt und sind somit mechanisch mit der Trägerfolie 22 verbunden. Anschließend werden die als „Bare-Die“ vorliegenden Halbleiterbauelemente 50 beispielsweise mittels Bonddrähten mit den Leiterbahnen 30 elektrisch verbunden
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelements 50. Das Halbleiterbauelement 50 umfasst vorliegend eine Spannungsmesseinheit 60, eine Erkennungseinheit 62, eine Ansteuereinheit 64, eine Kommunikationseinheit 66 und eine Temperaturmesseinheit 68. Wenn das Halbleiterbauelement 50 in die Messschaltung 20 eingesetzt ist, ist das Halbleiterbauelement 50 über die Leiterbahnen 30 mit weiteren Komponenten der Messschaltung 20 verbunden. Wenn die Messschaltung 20 in das Batteriemodul 10 eingesetzt ist, ist das Halbleiterbauelement 50 über die Leiterbahnen 30 mit weiteren Komponenten des Batteriemoduls 10 verbunden.
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Insbesondere ist dabei die Spannungsmesseinheit 60 mit den Terminals 15, 16 einer Batteriezelle 2 verbunden. Die Erkennungseinheit 62 ist mit dem Penetrationssensor 72 verbunden. Die Ansteuereinheit 64 ist mit einer Entladevorrichtung 74 verbunden. Die Kommunikationseinheit 66 ist mit dem Datenbus 76 verbunden. Die Temperaturmesseinheit 68 ist mit einem hier nicht dargestellten Temperatursensor verbunden, welcher beispielsweise als NTC-Widerstand ausgeführt und auf die Trägerfolie 22 aufgeklebt ist.
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6 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Batteriemoduls 10. Das Batteriemodul 10 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 2, welche in einer ersten Reihe 81 und einer zweiten Reihe 82 angeordnet sind. Die Batteriezellen 2 sind vorliegend als Pouchzellen ausgeführt und weisen flache Terminals 15, 16 auf. Die Batteriezellen 2 sind derart angeordnet, dass die Terminals 15, 16 der ersten Reihe 81 von Batteriezellen 2 auf die Terminals 15, 16 der zweiten Reihe 82 von Batteriezellen 2 zu ragen.
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Die erste Reihe 81 und die zweite Reihe 82 von Batteriezellen 2 erstecken sich dabei in eine Längsrichtung x. Die Batteriezellen 2 der ersten Reihe 81 sind gegenüber den Batteriezellen 2 der zweiten Reihe 82 in Längsrichtung x versetzt angeordnet. Dabei liegen die negativen Terminals 15 der ersten Reihe 81 von Batteriezellen 2 den positiven Terminals 16 der zweiten Reihe 82 von Batteriezellen 2 gegenüber. Ebenso liegen die positiven Terminals 16 der ersten Reihe 81 von Batteriezellen 2 den negativen Terminals 15 der zweiten Reihe 82 von Batteriezellen 2 gegenüber.
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Später werden die jeweils gegenüberliegenden Terminals 15, 16 der Batteriezellen 2 der beiden Reihen 81, 82 miteinander elektrisch verbunden. Dadurch entsteht eine Serienschaltung der Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 10. Aber auch andere Anordnungen der Batteriezellen 2 innerhalb des Batteriemoduls 10 sind denkbar.
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Das Batteriemodul 10 umfasst ferner zwei Messschaltungen 20, wobei jeder Reihe 81, 82 von Batteriezellen 2 vorliegend genau eine Messschaltung 20 zugeordnet ist. Jeweils eine der Messschaltungen 20 wird mit den mehreren Batteriezellen 2 der ersten Reihe 81 und den mehreren Batteriezellen 2 der zweiten Reihe 82 verbunden.
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Das Batteriemodul
10 umfasst ferner eine Vielzahl von Entladevorrichtungen
74, welche hier nicht dargestellt sind. Jeder Batteriezelle
2 ist dabei eine Entladevorrichtungen 74 zugeordnet. Auch die Entladevorrichtungen
74 werden mit den zwei Messschaltungen
20 verbunden. Die Entladevorrichtungen
74 sind beispielsweise als Antifuse-Elemente ausgeführt und beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2014 107 287 A1 bekannt.
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7 zeigt eine teilweise schematische Darstellung eines Batteriemoduls 10. Dabei ist genau eine Batteriezelle 2 des Batteriemoduls 10 mit einem zugehörigen Ausschnitt der Messschaltung 20 dargestellt. Der dargestellten Batteriezelle 2 ist genau eine Entladevorrichtung 74 zugeordnet, die hier ebenfalls dargestellt ist.
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Vorliegend sind zwei Kontaktpads 32 mit dem negativen Terminal 15 der Batteriezelle 2 verbunden. Ebenso sind zwei Kontaktpads 32 mit dem positiven Terminal 16 der Batteriezelle 2 verbunden. Ferner sind zwei Kontaktpads 32 mit zwei Anschlüssen der Entladevorrichtung 74 verbunden. Weitere Kontaktpads 32, welche zu dem Datenbus 76 gehören, können zur Verbindung mit einer übergeordneten zentralen Steuereinheit kontaktiert werden.
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Die Messschaltung 20 ist derart relativ zu der Batteriezelle 2 orientiert, dass der Penetrationssensors 72 auf einer flachen Seite der Batteriezelle 2 aufliegt und diese zumindest annähernd vollständig bedeckt. Wenn ein Metallteil in den Penetrationssensor 72 eindringt und die Batteriezelle 2 beschädigen könnte, so stellt die Erkennungseinheit 62 des Halbleiterbauelements 50 einen Kurzschluss in dem Penetrationssensor 72 fest. Daraufhin steuert die Ansteuereinheit 64 des Halbleiterbauelements 50 die Entladevorrichtung 74 an. Die Entladevorrichtung 74 erzeugt daraufhin einen Kurzschluss, was zu einer Entladung der Batteriezelle 2 führt. Die Serienschaltung des Batteriemoduls 11 bleibt dabei erhalten.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005029890 A1 [0004]
- DE 102015202567 A1 [0005]
- DE 102011016373 A1 [0006]
- US 2015/0104683 A1 [0007]
- DE 102014107287 A1 [0042]
