DE102017211002A1

DE102017211002A1 - Batterie-Management-System und Batteriezellen zur Verwendung mit dem Batterie-Management-System

Info

Publication number: DE102017211002A1
Application number: DE102017211002.3A
Authority: DE
Inventors: Karsten Thoelmann; Thomas Buck; Chrysanthos Tzivanopoulos; Wenqing Liu; Nicola Mingirulli
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batterie-Management-System (100), welches eine Batteriesteuereinheit (70), mehrere Überwachungsschaltungen (30) für mehrere Batteriemodule (50) mit mehreren Batteriezellen (10) und mehrere Kommunikationselektroniken (20) umfasst, wobei jede Batteriezelle (10) mit einer Kommunikationselektronik (20) geschaltet ist. Die Erfindung betrifft ferner mehrere Ausführungsformen einer Batteriezelle (10) zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Batterie-Management-System (100), wobei die Batteriezelle (10) eine Kommunikationselektronik (20) zur Kommunikation mit der Überwachungsschaltung (30) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batterie-Management-System, welches eine Batteriesteuereinheit, mehrere Überwachungsschaltungen für mehrere Batteriemodule mit mehreren Batteriezellen und mehrere Kommunikationselektroniken umfasst, wobei jede Batteriezelle mit einer Kommunikationselektronik geschaltet ist. Die Erfindung betrifft ferner mehrere Ausführungsformen einer Batteriezelle zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Batterie-Management-System, wobei die Batteriezelle eine Kommunikationselektronik zur Kommunikation mit der Überwachungsschaltung umfasst.
Stand der Technik
Heutzutage finden die Lithium-Ionen-Batteriepacks immer mehr Anwendung in Elektrofahrzeugen (EV), Hybridfahrzeugen (HEV) oder Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEV) sowie in stationären Anlagen und in Consumer-Elektronik-Produkten. Solche Batteriepacks werden immer größer und größer. Zum Management der Batteriepacks werden diese in Untereinheiten der sogenannten Batteriemodule unterteilt, wobei jedes Batteriemodul eine begrenzte Anzahl von Batteriezellen, z.B. bis zu 30 Batteriezellen, umfasst. Die Kapazität des Batteriepacks kann durch die Verwendung von mehr oder weniger Batteriemodulen skaliert werden, indem sie entsprechend verbunden werden.
Um das Gewicht und die Kosten des Batteriepacks zu reduzieren, wird das Verfahren Stromleitungs-Kommunikation verwendet. Es ist bekannt, dass dieses Verfahren aufgrund der großen Anzahl von Netzwerkknoten, die denselben Kommunikationsbus teilen, sehr schwierig ist. Basierend auf dieser Kommunikationsmethode wurden in der Vergangenheit zwei verschiedene Ansätze verfolgt.
Bei dem ersten Ansatz kommuniziert die Batteriesteuereinheit direkt mit jeder einzelnen Batteriezelle eines Batteriemoduls über eine Stromleitung, wobei jede Batteriezelle mit einer Kommunikationselektronik parallel geschaltet ist. Es ist bei diesem Ansatz eine sehr hohe Übertragungsleistung erforderlich, da eine hohe Dämpfung zwischen den einzelnen Batteriezellen und der Batteriesteuereinheit überwunden werden muss. Aufgrund der bisweilen hohen geometrischen Entfernung und Kabellängen zwischen den Batteriezellen und der Batteriesteuereinheit können hohe Frequenzen nicht verwendet werden. Aufgrund der Tatsache, dass alle Kommunikationsknoten das gleiche Medium teilen, muss die Datenrate für die Kommunikation sehr hoch sein, da die Daten sequentiell übertragen werden müssen. Diese macht es notwendig, hochentwickelte Modulationsschemata zu verwenden, die hochkomplexe und teure Elektronik, z.B. ein großer anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis, der auch als ASIC bezeichnet wird, erfordern.
Bei dem zweiten Ansatz werden alle Batteriezellen eines Batteriemoduls durch eine entsprechende Überwachungsschaltung überwacht. Dabei kommuniziert die Batteriesteuereinheit über eine Stromleitung mit der Überwachungsschaltung. Mit diesem Ansatz wird das Problem von großer Dämpfung überwunden. Jedoch steht es immer noch dem Problem der Kommunikationsdatenrate gegenüber, da alle Daten von Batteriezellen über das gleiche Medium übertragen werden müssen.
Aus der WO 2012/16577 A2 ist ein System zum Speichern elektrischer Energie bekannt, welches eine Anzahl von Unter-Batterie-Management-Systemen zum Übertragen von Daten über ein Unterkommunikationsnetzwerk umfasst.
In der US 2015/0285868 A1 ist ein Batteriesystem mit einer Stromleitung und einer Vielzahl von elektrisch verbundenen intelligenten Batteriezellen, die jeweils eine Zellenüberwachungseinheit aufweisen, offenbart. Das Batteriesystem umfasst ferner eine Hauptsteuereinheit und mehrere Untersteuereinheiten, wobei die Hauptsteuereinheit mit den Untersteuereinheiten über eine Stromleitung kommuniziert.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Batterie-Management-System vorgeschlagen, welches eine Batteriesteuereinheit, mehrere Überwachungsschaltungen für mehrere Batteriemodule mit mehreren Batteriezellen umfasst. Dabei weist jede Batteriezelle eine Kommunikationselektronik zur Kommunikation mit der entsprechenden Überwachungsschaltung auf.
Erfindungsgemäß werden die Kommunikation zwischen den Batteriemodulen und den Überwachungsschaltungen und die Kommunikation zwischen den Überwachungsschaltungen und der Batteriesteuereinheit mit dem vorgeschlagenen Batterie-Management-System dadurch getrennt, dass die Kommunikation zwischen den Batteriemodulen und den Überwachungsschaltungen durch eine Stromleitungs-Kommunikation realisiert wird, während die Batteriesteuereinheit mit den Überwachungsschaltungen über eine separate Datenübertragungsvorrichtung kommuniziert.
Der Zustand der einzelnen Batteriezelle wird durch die mit der Batteriezelle geschaltete Kommunikationselektronik überwacht, welche mit der entsprechenden Überwachungsschaltung über eine Stromleitung kommuniziert.
Wie oben erwähnt, wird die Kommunikation zwischen den Überwachungsschaltungen und der Batteriesteuereinheit mit Hilfe von einer Datenübertragungsvorrichtung realisiert. Vorzugsweise ist die Datenübertragungsvorrichtung ein klassischer Daten-Bus, z.B. ein Zweidraht-Daten-Bus. Die Kommunikation zwischen den Überwachungsschaltungen und der Batteriesteuereinheit kann aber auch mit Hilfe von Stromleitungs-Kommunikation realisiert werden, wobei ein anderer Frequenzbereich der Kommunikation zur Vermeidung der Störung mit der Kommunikation zwischen den Überwachungsschaltungen und den Batteriemodulen zu wählen ist. Zur Vermeidung der Störungen der Kommunikation zwischen den Batteriemodulen kann das Batterie-Management-System erfindungsgemäß mehrere Schleifenfilter umfassen, wobei jeder Schleifenfilter parallel zu einem Batteriemodul geschaltet ist. Damit werden Signale mit Hochfrequenzen kurzgeschlossen und Störungen der Kommunikation zwischen den Batteriemodulen werden vermieden. In diesem Fall ist jedoch zu beachten, dass die Überwachungsschaltung nur parallel zu einer Kommunikationselektronik der Batteriezelle geschaltet ist, damit die Kommunikationssignale zwischen der Überwachungsschaltung und dem Batteriemodul nicht ebenfalls durch den Schleifenfilter kurzgeschlossen werden. Ein diskreter Schleifenfilter ist dabei optional. Beispielsweise kann das Batteriemodul in einem metallischen Gehäuse angeordnet sein, welches die Schleife schließt und somit einen Schleifenfilter bildet.
Es werden ferner einige weitere Ausführungsformen einer Batteriezelle vorgeschlagen, die zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Batterie-Management-System geeignet sind, wobei die Batteriezelle eine Kommunikationselektronik, ein positives Terminal, eine Elektrodeneinheit mit einer Anode und einer Kathode, ein negatives Terminal, ein Gehäuse mit einer Decke, einer Wand, einem Boden und einer ersten Isolierungsschicht aufweist, und wobei die Kathode mit dem positiven Terminal verbunden und die Anode mit dem negativen Terminal verbunden ist.
In einer ersten Ausführungsform der Batteriezelle weist die Batteriezelle ferner einen elektrischen Widerstand auf, wobei die Kathode der Elektrodeneinheit der Batteriezelle über den elektrischen Widerstand mit dem Gehäuse der Batteriezelle elektrisch verbunden ist. Die Kommunikationselektronik ist dabei parallel zu dem elektrischen Widerstand geschaltet. Hierbei kann sowohl die Kommunikationselektronik als auch der Widerstand innerhalb oder außerhalb der Batteriezelle installiert werden.
In einer zweiten Ausführungsform der Batteriezelle ist das Gehäuse der Batteriezelle mit der Kathode der Elektrodeneinheit direkt verbunden. Die Batteriezelle weist ferner zwei gegenüberliegende Kopplungselektrodenschichten und eine zweite Isolierungsschicht auf, wobei die Kopplungselektrodenschichten miteinander elektrisch leitend verbunden sind und jeweils zwischen der ersten Isolierungsschicht und der zweiten Isolierungsschicht an zwei gegenüberliegenden Außenseiten der Wand des Gehäuses der Batteriezelle, die den benachbarten Batteriezellen zuweisen, angebracht sind. Hierbei ist die Kommunikationselektronik zwischen der Kathode der Elektrodeneinheit und den Kopplungselektrodenschichten geschaltet.
Die Batteriezelle in einer dritten Ausführungsform ist ähnlich wie die Batteriezelle in der zweiten Ausführungsform ausgestaltet. Die Batteriezelle weist nun zwei separate Kopplungselektrodenschichten auf. Die Kommunikationselektronik ist in dieser Ausführungsform zwischen den zwei Kopplungselektrodenschichten geschaltet.
In einer vierten Ausführungsform der Batteriezelle weist die Batteriezelle eine einzige Kopplungselektrodenschicht, die zwischen der ersten und der zweiten Isolierungsschicht an einer Außenseite der Wand des Gehäuses der Batteriezelle, die den benachbarten Batteriezellen zuweist, angeordnet ist. Hierbei ist die Kathode der Elektrodeneinheit direkt mit dem Gehäuse der Batteriezelle verbunden. Die Kommunikationselektronik ist zwischen der Kathode der Elektrodeneinheit und der Kopplungselektrodenschicht geschaltet.
In einer fünften Ausführungsform der Batteriezelle ist die Kathode der Elektrodeneinheit mit dem Gehäuse der Batteriezelle direkt verbunden. Die Batteriezelle weist eine erste Elektrodengruppe mit einer ersten und einer zweiten Kopplungselektrodenschicht und eine zweite Elektrodengruppe mit einer dritten und einer vierten Kopplungselektrodenschicht auf. Die erste und die zweite Kopplungselektrodenschicht sind miteinander elektrisch leitend verbunden, einander gegenüberliegend angeordnet und jeweils zwischen der ersten Isolierungsschicht und der zweiten Isolierungsschicht an zwei gegenüberliegenden Außenseiten der Wand des Gehäuses, die den benachbarten Batteriezellen zuweisen, angebracht. Die dritte und die vierte Kopplungselektrodenschicht sind miteinander elektrisch leitend verbunden, einander gegenüberliegend angeordnet und jeweils zwischen der ersten Isolierungsschicht und der zweiten Isolierungsschicht an zwei gegenüber liegenden Außenseiten der Wand des Gehäuses, die den benachbarten Batteriezellen zuweisen, angebracht. Die erste und die dritte Kopplungselektrodenschicht auf eine Außenseite der Wand des Gehäuses nebeneinander beabstandet angeordnet, während die zweite und die vierte Kopplungselektrodenschicht auf eine andere Außenseite der Wand des Gehäuses nebeneinander beabstandet angeordnet sind. Die Kommunikationselektronik ist in dieser Ausführungsform zwischen der ersten Elektrodengruppe der Kopplungselektrodenschichte und der zweiten Elektrodengruppe der Kopplungselektrodenschichte geschaltet.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Batterie-Management-System gestattet eine deutliche Reduzierung des Verdrahtungsaufwand innerhalb eines Batteriemoduls.
Üblicherweise muss eine Batteriesteuereinheit eine Kommunikation mit mehr als 100 Batteriezellen, die das gleiche physikalische Medium teilen, unterstützen. Das erfindungsgemäße vorgeschlagene Batterie-Management-System muss aber nur mit einer begrenzten Anzahl von Netzwerkknoten (weniger als 30) kommunizieren. Dadurch wird die erforderliche Datenrate, wenn auch eine Hochfrequenz (HF)-Isolierung zwischen den Batteriemodulen erfolgt, erheblich reduziert.
Ferner gestattet die Erfindung einen kompakten Aufbau eines Batteriemoduls, welcher wegen seiner kleineren geometrischen Abmessungen die Verwendung höherer Betriebsfrequenzen im Vergleich zu Lösungen des Standes der Technik ermöglicht.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Kabel zwischen den Batteriemodulen nicht Teil des Kommunikationskanals sind, so dass diese ohne Berücksichtigung ihrer HF-Eigenschaften ausgelegt werden können.
Außerdem ist die Betriebsspannung einer Kommunikationselektronik niedrig und somit ist eine einfache Elektronik ohne hochentwickelte DC-Entkopplung möglich.
Ferner können weitere Funktionalitäten, z.B. aktive Elemente zur Abwendung gefährlicher Situationen, zu jeder Batteriezelle hinzugefügt werden.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

Figur la eine schematische Darstellung einer Batteriezelle nach dem Stand der Technik,
1b eine schematische Darstellung einer Batteriezelle mit einer Kommunikationselektronik nach dem Stand der Technik,
1c eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterie-Management-Systems,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batterie-Management-Systems,
3a eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer ersten Ausführungsform der Batteriezelle,
3b eine schematische Darstellung einer zweiten Variante einer ersten Ausführungsform der Batteriezelle,
3c eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit der ersten Variante der ersten Ausführungsform der Batteriezelle,
4a eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Batteriezelle,
4b eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit der zweiten Ausführungsform der Batteriezelle,
5a eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Batteriezelle,
5b eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit der dritten Ausführungsform der Batteriezelle,
6a eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Batteriezelle,
6b eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit der vierten Ausführungsform der Batteriezelle,
7a eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Batteriezelle und
7b eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit der fünften Ausführungsform der Batteriezelle.

1a zeigt eine Batteriezelle 10 nach dem Stand der Technik, wobei die Batteriezelle 10 eine Elektrodeneinheit 14 mit einer Kathode 11 und einer Anode 13 und ein Gehäuse 17 mit einer Isolierungsschicht 18, wobei das Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 ferner eine Decke 17a, eine Wand 17b und einen Boden 17c aufweist, umfasst. Die Batteriezelle 10 umfasst weiterhin ein positives Terminal 12, das mit der Kathode 11 der Elektrodeneinheit 14 elektrisch verbunden ist, und ein negatives Terminal 16, welches mit der Anode 13 der Elektrodeneinheit 14 elektrisch verbunden ist.
Die Kathode 11 der Elektrodeneinheit 14 ist mit dem Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 elektrisch verbunden, um zu verhindern, dass elektrochemische Prozesse innerhalb der Batteriezelle 10 das Gehäuse 17 ätzen.
1b stellt eine mit einer Kommunikationselektronik 20, z.B. ein Einzelzelle-Kontroller, ausgestattete Batteriezelle 10 nach dem Stand der Technik schematisch dar, wobei die Kommunikationselektronik 20 parallel zu der Elektrodeneinheit 14 innerhalb der Batteriezelle 10 geschaltet ist und den Zustand der einzelnen Batteriezelle 10 überwacht. Die Kommunikationselektronik 20 kann auch außerhalb der Batteriezelle 10, beispielweise zwischen dem positiven Terminal 12 und dem negativen Terminal 16 an der Decke 17a des Gehäuses 17, angeordnet werden.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Element in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1c zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batterie-Management-Systems 100 für ein Batteriepack 60, welche mehrere Batteriemodule 50 mit mehreren Batteriezellen 10 umfasst, in einer vereinfachten Form. Das Batterie-Management-System 100 umfasst eine Batteriesteuereinheit 70, mehrere Datenübertragungsvorrichtungen 72 und mehrere Überwachungsschaltungen 30 für die Batteriemodule 50. Vorliegend sind für jedes Batteriemodul 50 genau eine Überwachungsschaltung 30 und genau eine Datenübertragungsvorrichtung 72 vorgesehen.
Zur Veranschaulichung des Aufbaus bzw. der Anordnung des Batterie-Management-Systems 100 und des Batteriemoduls 50 wird jedes Batteriepack 60 in vier Batteriemodule 50 unterteilt, die jeweils drei seriell verschaltete Batteriezellen 10 aufweisen. Dabei weist das Batterie-Management-System 100 vier Überwachungsschaltungen 30 für die Batteriemodule 50 und drei Datenübertragungsvorrichtungen 72 zur Kommunikation zwischen den Batteriemodulen 50 und der Batteriesteuereinheit 70 auf. Dies gilt auch für die nachfolgende Abbildungen und Beschreibungen.
Das Batteriepack 60 weist ein positives Terminal 62 und ein negatives Terminal 64 auf, welche mit der Batteriesteuereinheit 70 elektrisch verbunden sind. Es werden zwei parallel zueinander geschaltete Zweige in dem Batteriepack 60 gebildet, wobei der erste Zweige die zwei linken Batteriemodule 50, die in Reihe geschaltet sind, umfasst, während der zweite Zweig die zwei rechten Batteriemodule 50, die ebenso in Reihe geschaltet sind, umfasst.
Wie in 1c dargestellt ist jedes Batteriemodul 50 parallel zu einer Überwachungsschaltung 30 geschaltet, wobei die Kommunikation zwischen der Überwachungsschaltung 30 und den einzelnen Batteriezellen 10 über eine Stromleitung 74 realisiert wird.
Die vier Überwachungsschaltungen 30 werden in 1c durch drei Datenübertragungsvorrichtungen 72 in Reihe geschaltet und mit der Batteriesteuereinheit 70 verbunden und somit wird ein Kommunikationskanal, der von dem Kommunikationskanal zwischen den Überwachungsschaltungen 30 und den einzelnen Batteriezellen 10 getrennt ist, gebildet.
Die Batteriesteuereinheit 70 könnte auch über eine Stromleitung 74 mit den Überwachungsschaltungen 30 kommunizieren, dazu müsste aber ein anderer Frequenzbereich der Kommunikation zur Vermeidung der Störungen mit der Kommunikation zwischen den Überwachungsschaltungen 30 und den Batteriemodulen 50 gewählt werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batterie-Management-Systems 100 für ein Batteriepack 60 dar. Das Batterie-Management-System 100 in 2 ist ähnlich wie das in 1a aufgebaut. Als ein Beispiel wird hierbei die Batteriezelle 10 gemäß 1c verwendet.
In 2 werden die Batteriezellen 10 eines Batteriemoduls 50 in Reihe geschaltet und somit wird ein Seriell-Daten-Bus zwischen den Kommunikationselektroniken 20 gebildet. Aufgrund der geringen Impedanz jeder Batteriezelle 10 ist die Datenübertragung sehr ineffizient, was zu einer relativ hohen Gesamtdämpfung führt, die auch stark mit der Frequenz variiert.
Um die oben erwähnte Situation zu verbessern, wird vorgeschlagen, einen Schleifenfilter 80 parallel zu dem Batteriemodul 50 für diesen Seriell-Daten-Bus zu schalten. In diesem Fall ist es jedoch zu beachten, dass die Überwachungsschaltungen 30 nur parallel zu einer Kommunikationselektronik 20 der Batteriezelle 10 der Batteriemodule 50 geschaltet werden, statt parallel zu einem Batteriemodul 50 zu schalten; somit wird ein Kurzschluss des Kommunikationssignals vermieden.
Der Schleifenfilter 80 kann auch in einer Überwachungsschaltung 30 integriert werden, wenn die Überwachungsschaltung 30 Zugriffe auf die erste und letzte Batteriezelle 10 des Batteriemoduls 50 hat. Der Schleifenfilter 80 kann ferner auch in den Stromanschluss des Batteriemoduls 50 integriert werden.
3a zeigt eine erste Variante einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10. Die Batteriezelle 10 umfasst einen elektrischen Widerstand 15, der ein erstes Terminal 15a und ein zweites Terminal 15b aufweist, und eine Kommunikationselektronik 20, die ein erstes Terminal 22 und ein zweites Terminal 24 aufweist. Anstatt direkt mit dem Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 ist die Kathode 11 der Elektrodeneinheit 14 über den elektrischen Widerstand 15 mit dem Gehäuse 17 elektrisch verbunden. Dies ermöglicht die Verwendung des Gehäuses 17 der Batteriezelle 10 als eine zusätzliche Leitung für die Kommunikationszwecke.
Der elektrische Widerstand 15 bildet einen DC-Pfad, um sicherzustellen, dass das Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 auf dem Zellpotential bleibt, was wesentlich ist, um elektrochemische Abbauprozesse innerhalb der Batteriezelle 10 zu vermeiden.
3b zeigt eine zweite Variante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10. Dabei wird die Kommunikationselektronik 20 außerhalb der Batteriezelle 10, beispielweise an der Decke 17a des Gehäuses 17 der Batteriezelle 10, angeordnet.
Außerdem kann der elektrische Widerstand 15 auch außerhalb der Batteriezelle 10 angeordnet werden. Dies ist nicht in den Abbildungen gezeigt.
3c stellt ein Batteriemodul 50 mit drei Batteriezellen 10 nach 3a schematisch dar, wobei die drei Batteriezellen 10 miteinander in Reihe geschaltet sind. Dabei dient das positive Terminal 12 der linken Batteriezelle 10 auch als ein positives Terminal 52 des Batteriemoduls 50, während das negative Terminal 16 der rechten Batteriezelle 10 auch als ein negatives Terminal 54 des Batteriemoduls 50 dient.
Das Batteriemodul 50 umfasst ferner ein Gehäuse 56, das mit einer Masse 51 verbunden ist.
In dem Batteriemodul 50 mit den in 3a gezeigten Batteriezellen 10 ist ein Parallel-Daten-Bus zwischen den Kommunikationselektroniken 20 ausgebildet und somit ist ein Schleifenfilter 80 nach 2 nicht erforderlich.
Die Batteriezellen 10 nach 3b oder nach einer nicht in den Abbildungen gezeigten Variante, in welcher der elektrische Widerstand 15 auch außerhalb der Batteriezelle 10 angeordnet ist, können selbstverständlich auch zum Aufbau eines Batteriemoduls 50 verwendet werden.
Im Vergleich mit dem mit der in 1c dargestellten Batteriezelle 10 aufgebauten Batteriemodul 50, besteht im Kommunikationskanal zwischen den Überwachungsschaltungen 30 und den einzelnen Batteriezellen 10, in dem die ersten Ausführungsform der Batteriezelle 10 verwendet wird, eine viel geringere Dämpfung. Dies ermöglicht eine einfachere Gestaltung der benötigten ASICs, welche deutlich weniger Strom verbrauchen.
Ferner wird der hohe Stromfluss des Batteriemoduls 50 bzw. des Batteriepacks 60 nicht durch die Kommunikation zwischen den Überwachungsschaltungen 30 und den Batteriezellen 10 gestört, da ein signifikanter Entkopplungseffekt zwischen der Kommunikation und dem hohen Stromfluss besteht.
4a zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10, wobei die Batteriezelle 10 eine erste Kopplungselektrodenschicht 19a und eine zweite Kopplungselektrodenschicht 19b und ferner eine zweite Isolierungsschicht 18a aufweist. Die Kopplungselektrodenschichten 19a und 19b sind einander gegenüberliegend angeordnet. Dabei ist die Kathode 11 der Elektrodeneinheit 14 direkt mit dem Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 verbunden. Die zwei gegenüberliegenden Kopplungselektrodenschichten 19a und 19b sind elektrisch leitend verbunden und jeweils zwischen der ersten Isolierungsschicht 18 und der zweiten Isolierungsschicht 18a an zwei gegenüberliegenden Außenseiten 17d und 17e der Wand 17b des Gehäuses 17 der Batteriezelle 10, die den benachbarten Batteriezellen zuweisen, angebracht. Die Kommunikationselektronik 20 ist dabei zwischen der Kathode 11 der Elektrodeneinheit 14 und den Kopplungselektrodenschichten 19a und 19b geschaltet.
4b zeigt ein Batteriemodul 50 mit drei Batteriezellen 10 nach 4a, wobei die drei Batteriezellen 10 miteinander in Reihe geschaltet sind.
Mit Verwendung der zweiten Isolierungsschicht 18a ist die kapazitive Kopplung zwischen den Batteriezellen 10 sichergestellt. Ein Parallel-Daten-Bus zwischen den Kommunikationselektroniken 20 ist in dem Batteriemodul 50 mit den in 4a dargestellten Batteriezellen 10 ausgebildet und ein Schleifenfilter 80 in 2 ist für diesen Fall nicht erforderlich.
5a stellt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 dar. In dieser Ausführungsform ist die Batteriezelle 10 ähnlich wie die in 4a gezeigte Batteriezelle 10 ausgestattet. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen liegt darin, dass in der dritten Ausführungsform die zwei gegenüberliegenden Kopplungselektrodenschichten 19a und 19b über die Kommunikationselektronik 20 miteinander verbunden sind.
5b stellt ein Batteriemodul 50 mit drei Batteriezellen 10 nach 5a dar, wobei die drei Batteriezellen 10 miteinander in Reihe geschaltet sind.
In einem Batteriemodul 50 mit den in 5a dargestellten Batteriezellen 10 ist ein Seriell-Daten-Bus zwischen den Kommunikationselektroniken 20 ausgebildet und ein Schleifenfilter 80 in 2 kann in diesem Fall verwendet werden. Ein expliziter Schleifenfilter 80 ist dabei nicht zwingend erforderlich, wenn das Batteriemodul 50 in einem metallischen Gehäuse angeordnet ist, welches den Schleifenfilter 80 bildet.
Ein Vorteil der Verwendung dieser Ausführungsform der Batteriezelle 10 liegt darin, dass eine konstante Dämpfung des Kommunikationssignals zwischen den Batteriezellen 10 besteht, was zu einer einfacheren Auslegung der ASICs führt. Ferner ist die Kommunikation zwischen den Überwachungsschaltungen 30 und den Batteriezellen 10 völlig unabhängig von den Eigenschaften der Batteriezelle 10. Darüber hinaus wird ein DC-Anschluss zwischen der Batteriezelle 10 und der Kommunikationselektronik 20 nicht mehr benötigt.
6a zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10. In diese Ausführungsform umfasst die Batteriezelle 10 eine zweite Isolierungsschicht 18a und nur eine Kopplungselektrodenschicht 19, wobei die Kopplungselektrodenschicht 19 zwischen der ersten Isolierungsschicht 18 und der zweiten Isolierungsschicht 18a an einer Außenseite 17d der Wand 17b des Gehäuses 17, die den benachbarten Batteriezellen 10 zuweist, angebracht ist. Dabei ist die Kathode 11 der Elektrodeneinheit 14 direkt mit dem Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 verbunden und zugleich mit der Kopplungselektrodenschicht 19 über die Kommunikationselektronik 20 verbunden.
6b zeigt dabei ein Batteriemodul 50 mit drei Batteriezellen 10 nach 6a, wobei die drei Batteriezellen 10 miteinander in Reihen geschaltet sind.
Mit Verwendung dieser Ausführungsform der Batteriezelle 10 ist eine einfache Auslegung der ASICs aufgrund der konstanten Dämpfung des Kommunikationssignals zwischen den Batteriezellen 10 möglich. Ferne ist eine einfache Auslegung der Batteriezelle 10 auch möglich, da in dieser Ausführungsform nur eine Kopplungselektrodenschicht 19 verwendet wird.
7a stellt eine fünfte Ausführungsform der Batteriezelle 10 dar. Dabei weist die Batteriezelle 10 eine erste Elektrodengruppe mit einer ersten und einer zweiten Kopplungselektrodenschicht 19a, und 19b, eine zweite Elektrodengruppe mit einer dritten und einer vierten Kopplungselektrodenschicht 19c und 19d und eine zweite Isolierungsschicht 18a auf.
Die erste und die zweite Kopplungselektrodenschicht 19a und 19b sind miteinander elektrisch leitend verbunden, gegenüberliegend angeordnet und jeweils zwischen der ersten und zweiten Isolierungsschicht 18 und 18a an zwei gegenüberliegenden Außenseiten 17d und 17e der Wand 17b des Gehäuses 17, die den benachbarten Batteriezellen 10 zuweisen, angebracht sind. Die dritte und die vierte Kopplungselektrodenschicht 19a und 19b sind miteinander elektrisch leitend verbunden, gegenüberliegend angeordnet und jeweils zwischen der ersten und zweiten Isolierungsschicht 18 und 18a an zwei gegenüberliegenden Außenseiten 17d und 17e der Wand 17b des Gehäuses 17, die den benachbarten Batteriezellen 10 zuweisen, angebracht.
Die erste Kopplungselektrodenschicht 19a und die dritte Kopplungselektrodenschicht 19c sind auf einer ersten Außenseite 17d der Wand 17b des Gehäuses 17 nebeneinander beabstandet angeordnet, während die zweite Kopplungselektrodenschicht 19b und die vierte Kopplungselektrodenschicht 19d auf einer zweiten Außenseite 17e der Wand 17b des Gehäuses 17 nebeneinander beabstandet angeordnet sind.
Die Kathode 11 der Elektrodeneinheit 14 ist dabei direkt mit dem Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 verbunden. Die Kommunikationselektronik 20 ist zwischen der ersten Elektrodengruppe und der zweiten Elektrodengruppe geschaltet.
7b zeigt ein Batteriemodul 50 mit drei Batteriezellen 10 nach 7a, wobei die drei Batteriezellen 10 in Reihe geschaltet sind.
Diese Ausführungsform der Batteriezelle 10 ermöglicht eine völlige Entkopplung der Kommunikationskanal zwischen die Überwachungsschaltungen 30 und Batteriezellen 10 in Kapazitäten.
Ein Parallel-Daten-Bus zwischen den Kommunikationselektroniken 20 ist in einem Batteriemodul 50 mit den in 6a oder 7a dargestellten Batteriezellen 10 ausgebildet und ein Schleifenfilter 80 in 2 ist für diese Fälle nicht erforderlich.
In den zweite bis fünfte Ausführungsformen kann die Kommunikationselektronik 20 auch außerhalb der Batteriezelle 10 angeordnet werden.
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
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

WO 2012/16577 A2 [0006]
US 2015/0285868 A1 [0007]

Claims

Batterie-Management-System (100) umfassend eine Batteriesteuereinheit (70), mehrere Überwachungsschaltungen (30) für mehrere Batteriemodule (50) mit mehreren Batteriezellen (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System (100) mehrere Kommunikationselektroniken (20) umfasst, wobei jede Kommunikationselektronik (20) mit einer Batteriezelle (10) der Batteriemodule (50) geschaltet ist.
Batterie-Management-System (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung (30) mit der Batteriesteuereinheit (70) über eine Datenübertragungsvorrichtung (72) kommuniziert.
Batterie-Management-System (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung (30) mit den Kommunikationselektroniken (20) über eine Stromleitung (74) kommuniziert.
Batterie-Management-System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System (100) mehrere Schleifenfilter (80) umfasst, wobei jeder Schleifenfilter (80) parallel zu einem Batteriemodul (50) geschaltet ist.
Batterie-Management-System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung (30) parallel zu einer mit der einzelnen Batteriezelle (10) des Batteriemoduls (50) geschalteten Kommunikationselektronik (20) geschaltet ist.
Batteriezelle (10) zur Verwendung mit einem Batterie-Management-System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Batteriezelle (10) eine Kommunikationselektronik (20), ein positives Terminal (12), eine Elektrodeneinheit (14) mit einer Kathode (11) und einer Anode (13), ein negatives Terminal (16), ein Gehäuse (17) mit einer Decke (17a), einer Wand (17b), einem Boden (17c) und einer ersten Isolierungsschicht (18) aufweist, und wobei die Kathode (11) mit dem positiven Terminal (12) elektrisch verbunden ist und die Anode (13) mit dem negativen Terminal (16) elektrisch verbunden ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (11) mit dem Gehäuse (17) der Batteriezelle (10) über einen elektrischen Widerstand (15) verbunden ist und die Kommunikationselektronik (20) parallel zu dem elektrischen Widerstand (15) geschaltet ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (17) der Batteriezelle (10) mit der Kathode (11) der Elektrodeneinheit (14) direkt verbunden ist, dass die Batteriezelle (10) zwei gegenüberliegende Kopplungselektrodenschichten (19a, 19b) und eine zweite Isolierungsschicht (18a) aufweist, wobei die Kopplungselektrodenschichten (19a, 19b) miteinander elektrisch leitend verbunden sind und jeweils zwischen der ersten Isolierungsschicht (18) und der zweiten Isolierungsschicht (18a) an zwei gegenüberliegenden Außenseiten (17d, 17e) der Wand (17b) des Gehäuses (17) der Batteriezelle (10), die den benachbarten Batteriezellen (10) zuweisen, angebracht sind, und dass die Kommunikationselektronik (20) zwischen der Kathode (11) der Elektrodeneinheit (14) und den Kopplungselektrodenschichten (19a, 19b) geschaltet ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (17) der Batteriezelle (10) mit der Kathode (11) der Elektrodeneinheit (14) direkt verbunden ist, dass die Batteriezelle (10) zwei gegenüberliegende Kopplungselektrodenschichten (19a, 19b) und eine zweite Isolierungsschicht (18a) aufweist, wobei die Kopplungselektrodenschichten (19a, 19b) jeweils zwischen der ersten Isolierungsschicht (18) und der zweiten Isolierungsschicht (18a) an zwei gegenüberliegenden Außenseiten (17d, 17e) der Wand (17b) des Gehäuses (17) der Batteriezelle (10), die den benachbarten Batteriezellen (10) zuweisen, angebracht sind, und dass die Kommunikationselektronik (20) zwischen den beiden Kopplungselektrodenschichten (19a, 19b) geschaltet ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (17) der Batteriezelle (10) mit der Kathode (11) der Elektrodeneinheit (14) direkt verbunden ist, dass die Batteriezelle (10) eine Kopplungselektrodenschicht (19) und eine zweite Isolierungsschicht (18a) aufweist, wobei die Kopplungselektrodenschicht (19) zwischen der ersten Isolierungsschicht (18) und der zweiten Isolierungsschicht (18a) an einer Außenseite (17d) der Wand (17b) des Gehäuses (17) der Batteriezelle (10), die den benachbarten Batteriezellen (10) zuweist, angebracht ist, und dass die Kommunikationselektronik (20) zwischen der Kathode (11) der Elektrodeneinheit (14) und der Kopplungselektrodenschicht (19) geschaltet ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (17) der Batteriezelle (10) mit der Kathode (11) der Elektrodeneinheit (14) direkt verbunden ist, dass die Batteriezelle (10) eine erste Elektrodengruppe mit einer ersten und einer zweiten Kopplungselektrodenschicht (19a, 19b), eine zweite Elektrodengruppe mit einer dritten und einer vierten Kopplungselektrodenschicht (19c, 19d) und eine zweite Isolierungsschicht (18a) aufweist, wobei die erste und die zweite Kopplungselektrodenschicht (19a, 19b) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, gegenüberliegend angeordnet sind und jeweils zwischen der ersten Isolierungsschicht (18) und der zweiten Isolierungsschicht (18a) an zwei gegenüberliegenden Außenseiten (17d, 17e) der Wand (17b) des Gehäuses (17), die den benachbarten Batteriezellen (10) zuweisen, angebracht sind, wobei die dritte und die vierte Kopplungselektrodenschicht (19c, 19d) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, gegenüberliegend angeordnet sind und jeweils zwischen der ersten Isolierungsschicht (18) und der zweiten Isolierungsschicht (18a) an zwei gegenüberliegenden Außenseiten (17d, 17e) der Wand (17b) des Gehäuses (17), die den benachbarten Batteriezellen (10) zuweisen, angebracht sind, wobei die erste und die dritte Kopplungselektrodenschicht (19a, 19c) auf einer Außenseite (17d) der Wand (17b) des Gehäuses (17) nebeneinander beabstandet angeordnet sind und die zweite und die vierte Kopplungselektrodenschicht (19b, 19d) auf einer anderen Außenseite (17e) der Wand (17b) des Gehäuses (17) nebeneinander beabstandet angeordnet sind, und dass die Kommunikationselektronik (20) zwischen der ersten Elektrodengruppe der Kopplungselektrodenschichten (19a, 19b) und der zweiten Elektrodengruppe der Kopplungselektrodenschichte (19c, 19d) geschaltet ist.
Verwendung einer Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 11 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einem stationären Speicher oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.