DE102018212567B3 - High-voltage battery with test device and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie (1) für ein Kraftfahrzeug mit- mehreren prismatischen Batteriezellen (2) und mehreren Zellkopplungseinrichtungen (7) aufweisend jeweils einen zwei benachbarte Batteriezellen (2) verschaltenden Zellverbinder (6) sowie jeweils einen zwischen Zellgehäusen (4) der zwei Batteriezellen (2) angeordneten Abstandshalter (3), wobei zumindest eine Batteriezelle (2) und die zugehörige Zellkopplungseinrichtung (7) jeweils eine Übertragungseinheit (13) ausbilden, und- einer Prüfeinrichtung (12) zum Erfassen von batteriezellspezifischen Werten zumindest einer Zustandsgröße der Hochvoltbatterie (1) durch Übertragen eines Prüfsignals über die Zellverbinder (6) der Übertragungseinheiten (13) und Empfangen eines Reaktionssignals mit Reaktionen der Übertragungseinheiten (13) auf das Prüfsignal, wobei zum Ausbilden von zustandsabhängigen und übertragungsspezifischen, ortsaufgelösten Reaktionen in dem Reaktionssignal die Zellkopplungseinrichtungen (7) von zumindest zwei Übertragungseinheiten (13) mit zustandsgrößenabhängigen und bei einem Referenzwert der Zustandsgröße unterschiedlichen Impedanzen ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a high-voltage battery (1) for a motor vehicle with a plurality of prismatic battery cells (2) and a plurality of cell coupling devices (7) each having a cell connector (6) interconnecting two adjacent battery cells (2) and one each between cell casings (4) of the two battery cells (2) arranged spacers (3), wherein at least one battery cell (2) and the associated cell coupling device (7) each form a transmission unit (13), and a test device (12) for detecting battery cell specific values of at least one state variable of the high-voltage battery (1 by transmitting a test signal via the cell connectors (6) of the transmission units (13) and receiving a response signal with responses of the transmission units (13) to the test signal, wherein the cell coupling means for forming state-dependent and transmission-specific spatially resolved responses in the response signal (7) of at least two transmission units (13) are formed with state variables dependent and at a reference value of the state variable different impedances. The invention also relates to a motor vehicle.
Description
Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug mit mehreren prismatischen Batteriezellen und mehreren Zellkopplungseinrichtungen aufweisend jeweils einen zwei benachbarte Batteriezellen verschaltenden Zellverbinder sowie jeweils einen zwischen Zellgehäusen der zwei Batteriezellen angeordneten Abstandshalter und einer Prüfeinrichtung zum Erfassen von batteriezellspezifischen Werte zumindest einer Zustandsgröße der Hochvoltbatterie. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a high-voltage battery for a motor vehicle having a plurality of prismatic battery cells and a plurality of cell coupling devices each having a two adjacent battery cell interconnecting cell connector and a respective cell cell between the two battery cells arranged spacers and a test device for detecting battery cell specific values of at least one state variable of the high-voltage battery. The invention also relates to a motor vehicle.
Vorliegend richtet sich das Interesse insbesondere auf Hochvoltbatterien bzw. Hochvoltakkumulatoren für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Hochvoltbatterien weisen eine Vielzahl von Batteriezellen auf, welche in der Regel in Zellverbunden angeordnet sind und über Zellverbinder zu Batteriemodulen verschaltet sind. Die Batteriezellen können beispielsweise prismatische Lithium-Ionen-Zellen sein und in einem Batteriegehäuse der Hochvoltbatterie angeordnet sein. Zur elektrischen Isolierung der üblicherweise metallischen Zellgehäuse zweier benachbarter Batteriezellen können Abstandshalter bzw. Spacer zwischen den Batteriezellen angeordnet sein.In the present case, the interest is directed in particular to high-voltage batteries or high-voltage accumulators for electrically driven motor vehicles, for example electric or hybrid vehicles. Such high-voltage batteries have a plurality of battery cells, which are usually arranged in cell connections and are interconnected via cell connectors to battery modules. The battery cells may, for example, be prismatic lithium-ion cells and be arranged in a battery housing of the high-voltage battery. Spacers or spacers may be arranged between the battery cells for electrical insulation of the usually metallic cell housing of two adjacent battery cells.
Während des Betriebs der Hochvoltbatterie werden die Batteriezellen in der Regel überwacht. Dazu können die Batteriezellen mit Sensoren, beispielsweise mit Temperatursensoren und Drucksensoren, ausgestattet sein und über Messleitungen mit einer zentralen Auswerteeinrichtung der Hochvoltbatterie gekoppelt sein. Da diese Variante sowohl eine aufwändige Verkabelung als auch eine aufwändige Isolation aufgrund der hohen Spannungsunterschiede zwischen den Batteriezellen erfordert, schlägt die
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zellspezifische Zustände von Batteriezellen einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs auf besonders einfache und zuverlässige Weise bestimmen zu können.It is the object of the present invention to be able to determine cell-specific states of battery cells of a high-voltage battery of a motor vehicle in a particularly simple and reliable manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.This object is achieved by a high-voltage battery and a motor vehicle with the features according to the respective independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.
Eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug umfasst mehrere prismatische Batteriezellen und mehrere Zellkopplungseinrichtungen. Die Zellkopplungseinrichtungen weisen jeweils einen, zwei benachbarte Batteriezellen verschaltenden, Zellverbinder sowie jeweils einen zwischen Zellgehäusen der zwei Batteriezellen angeordneten Abstandshalter auf. Dabei bilden zumindest eine Batteriezelle und die zugehörige Zellkopplungseinrichtung jeweils eine Übertragungseinheit aus. Die Hochvoltbatterie umfasst außerdem eine Prüfeinrichtung zum Erfassen von batteriezellspezifischen Werten zumindest einer Zustandsgröße der Hochvoltbatterie durch Übertragen eines Prüfsignals durch die Zellverbinder der Übertragungseinheiten und Empfangen eines Reaktionssignals mit Reaktionen der Übertragungseinheiten auf das Prüfsignal. Dabei sind zum Ausbilden von zustandsabhängigen und übertragungsspezifischen, ortsaufgelösten Reaktionen in dem Reaktionssignal die Zellkopplungseinrichtungen von zumindest zwei Übertragungseinheiten mit zustandsgrößenabhängigen und bei einem Referenzwert der Zustandsgröße unterschiedlichen Impedanzen ausgebildet. Die Prüfeinrichtung ist dazu ausgelegt, die Reaktionen in dem empfangenen Reaktionssignal den Übertragungseinheiten zuzuordnen und anhand der zugeordneten Reaktionen batteriezellspezifische Werte der Zustandsgröße zu bestimmen.A high-voltage battery according to the invention for a motor vehicle comprises a plurality of prismatic battery cells and a plurality of cell coupling devices. The cell coupling devices each have a cell connector interconnecting two adjacent battery cells and in each case a spacer arranged between cell housings of the two battery cells. At least one battery cell and the associated cell coupling device each form a transmission unit. The high-voltage battery further comprises a test device for detecting battery cell-specific values of at least one state variable of the high-voltage battery by transmitting a test signal through the cell connectors of the transmission units and receiving a reaction signal with responses of the transmission units to the test signal. In this case, to form state-dependent and transmission-specific, spatially resolved reactions in the reaction signal, the cell coupling devices of at least two transmission units with state variables-dependent and different impedances at a reference value of the state variable are formed. The test device is designed to assign the reactions in the received reaction signal to the transmission units and to determine battery cell-specific values of the state variable on the basis of the associated reactions.
Die Hochvoltbatterie ist insbesondere eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug und weist eine Vielzahl von Batteriezellen auf. Die Batteriezellen sind prismatische Batteriezellen mit flachquaderförmigen Zellgehäusen, welche entlang einer Stapelrichtung zu Zellstapeln gestapelt werden können und über die Zellverbinder zu Batteriemodulen verschaltet werden können. Die Batteriemodule können dann über Modulverbinder zu der Hochvoltbatterie verschaltet werden. Zum elektrischen Isolieren der insbesondere metallischen Zellgehäuse und/oder zum Ermöglichen einer Zellatmung bzw. Zellausdehnung der Batteriezellen im Betrieb der Hochvoltbatterie ist zwischen den Batteriezellen jeweils ein Abstandshalter bzw. Spacer vorgesehen. Der Spacer wird beispielsweise zwischen einander zugwandten Zellwänden zweier benachbarter Zellgehäuse positioniert. Entlang der Stapelrichtung sind also pro Batteriemodul abwechselnd eine Batteriezelle und ein Abstandshalter angeordnet.The high-voltage battery is in particular a traction battery for an electrically driven motor vehicle and has a plurality of battery cells. The battery cells are prismatic battery cells with flat cuboid cell housings, which can be stacked along a stacking direction to cell stacks and can be interconnected via the cell connectors to battery modules. The battery modules can then be connected via module connectors to the high-voltage battery. For electrically insulating the particular metallic cell housing and / or for enabling cellular respiration or cell expansion of the battery cells during operation of the high-voltage battery, a spacer or spacer is provided between the battery cells. For example, the spacer is positioned between cell walls of two adjacent cell housings that are facing each other. Along the stacking direction, a battery cell and a spacer are thus alternately arranged per battery module.
Ein Zellverbinder und ein Abstandshalter eines Batteriezellpaares bilden eine Zellkopplungseinrichtung aus. Der Zellverbinder bildet dabei einen ersten Kopplungspfad der Zellkopplungseinrichtung aus und der Abstandshalter bildet einen zweiten Kopplungspfad der Zellkopplungseinrichtung aus. Die Zellkopplungseinrichtung weist dabei eine Impedanz auf, welche abhängig ist von einer Impedanz des Zellverbinders und einer Impedanz des Abstandshalters. Durch die Zellkopplungseinrichtungen und die Batteriezellen können Übertragungseinheiten ausgebildet werden. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass jeweils eine Batteriezelle und eine Zellkopplungseinrichtung eine Übertragungseinheit ausbilden oder dass sämtliche Batteriezellen und Zellkopplungseinrichtungen eines Batteriemoduls eine Übertragungseinheit ausbilden. A cell connector and a spacer of a battery cell pair form a cell coupling device. The cell connector forms a first coupling path of the cell coupling device and the spacer forms a second coupling path of the cell coupling device. The cell coupling device has an impedance that is dependent on an impedance of the cell connector and an impedance of the spacer. Through the cell coupling devices and the battery cells transmission units can be formed. In this case, it can be provided, for example, that in each case a battery cell and a cell coupling device form a transmission unit or that all battery cells and cell coupling devices of a battery module form a transmission unit.
Die Prüfeinrichtung übermittelt nun ein Eingangssignal in Form von dem Prüfsignal durch sämtliche Übertragungseinheiten hindurch und empfängt es als Ausgangssignal in Form von dem Reaktionssignal wieder. Beispielsweise kann die Prüfeinrichtung einen ersten verbundenen Netzwerkknoten aufweisen, welcher eingangsseitig mit einem aus den Übertragungseinheiten gebildeten Übertragungssystem verbunden ist, und einen zweiten Netzwerkknoten aufweisen, welcher ausgangsseitig mit dem Übertragungssystem, verbundenen ist, wobei das Prüfsignal von dem ersten Netzwerkknoten zu dem zweiten Netzwerkknoten übertragen wird. Auch kann vorgesehen sein, dass die Prüfeinrichtung einen zentralen Netzwerkknoten aufweist, welcher parallel zu dem aus den Übertragungseinheiten gebildeten Übertragungssystem geschaltet ist und damit eingangsseitig und ausgangsseitig an das Übertragungssystem angeschlossen ist.The testing device now transmits an input signal in the form of the test signal through all transmission units and receives it as an output signal in the form of the reaction signal again. For example, the checking device may have a first connected network node, which is connected on the input side to a transmission system formed by the transmission units, and a second network node, which is connected to the transmission system on the output side, wherein the test signal is transmitted from the first network node to the second network node , It can also be provided that the test device has a central network node which is connected in parallel to the transmission system formed by the transmission units and is thus connected on the input side and output side to the transmission system.
Dabei wird das Prüfsignal über die Energieversorgungsleitungen, also die Zellverbinder, der Batteriezellen übertragen, wobei außerdem die Abstandshalter und die Batteriezellen in einem Übertragungspfad des Prüfsignals liegen. Eine derartige Signalübertragung über die Energieversorgungsleitungen wird auch als „Power Line Communication“ bezeichnet. Das Prüfsignal kann beispielsweise ein Frequenzspektrum von Frequenzen aus einem Bereich zwischen 1 MHz und 30 MHz aufweisen. Die Reaktionen der Übertragungseinheiten auf das Prüfsignal treten als Reaktionen bzw. Signalantworten in dem Reaktionssignal auf und sind abhängig von einem Zustand der Batteriezelle(n) der jeweiligen Übertragungseinheit. Das Prüfsignal ist insbesondere ein Signal einer Übertragungsfunktionsanalyse und/oder einer Frequenzganganalyse. So kann beispielsweise als die Reaktion einer Übertragungseinheit eine zustandsgrößenbedingte Verschiebung einer Resonanzfrequenz, eine zustandsgrößenbedingte Änderung eines Dämpfungsverhaltens oder dergleichen erfasst werden. Dies kann auch als „Channel Sounding“ bezeichnet werden. Um nun anhand der Reaktionen Werte der zumindest einen Zustandsgröße bestimmen zu können und die Werte den spezifischen Batteriezellen zuordnen zu können, wird zumindest eine Zellkopplungseinrichtung pro Übertragungseinheit funktionalisiert.In this case, the test signal via the power supply lines, so the cell connectors, the battery cells are transmitted, and also the spacers and the battery cells are in a transmission path of the test signal. Such signal transmission via the power supply lines is also referred to as "power line communication". The test signal may for example have a frequency spectrum of frequencies in a range between 1 MHz and 30 MHz. The responses of the transmission units to the test signal occur as responses in the response signal and are dependent on a state of the battery cell (s) of the respective transmission unit. The test signal is in particular a signal of a transfer function analysis and / or a frequency response analysis. For example, as the response of a transmission unit, a state variable displacement of a resonance frequency, a state variable change of a damping behavior, or the like can be detected. This can also be called "Channel Sounding". In order to be able to determine values of the at least one state variable based on the reactions and to be able to assign the values to the specific battery cells, at least one cell coupling device is functionalized per transmission unit.
Dazu werden zunächst die Impedanzen der Zellkopplungseinrichtungen abhängig von der zumindest einen zu erfassenden Zustandsgröße der Batteriezellen ausgebildet, sodass die impedanzabhängige Reaktion abhängig von der Zustandsgröße der Batteriezelle ist. Wenn sich also die Zustandsgröße der Batteriezelle verändert, so ändert sich die Impedanz der benachbarten Zellkopplungseinrichtung und damit die Impedanz der Übertragungseinheit, was anhand der von der Impedanz der Übertragungseinheit abhängigen Reaktion in dem Reaktionssignal detektierbar ist. So kann anhand der Reaktion der Wert der Zustandsgröße bestimmt werden. Um die Reaktionen in dem Reaktionssignal den jeweiligen Übertragungseinheiten zuordnen zu können, weisen die Zellkopplungseinrichtungen von zumindest zwei Übertragungseinheiten unterschiedliche, übertragungseinheitenspezifische Impedanzen bei dem Referenzwert der Zustandsgröße, also unterschiedliche Grundimpedanzen, auf. Durch die unterschiedlichen Grundimpedanzen treten die Reaktionen an unterschiedlichen, den Zellkopplungseinrichtungen und damit den Übertragungseinheiten zuordenbaren Stellen im Reaktionssignal auf und sind damit ortsaufgelöst.For this purpose, the impedances of the cell coupling devices are first formed as a function of the at least one state variable of the battery cells to be detected, so that the impedance-dependent response is dependent on the state variable of the battery cell. Thus, when the state quantity of the battery cell changes, the impedance of the adjacent cell coupling device and thus the impedance of the transmission unit changes, which is detectable in the reaction signal on the basis of the reaction dependent on the impedance of the transmission unit. Thus, the value of the state variable can be determined on the basis of the reaction. In order to be able to assign the reactions in the reaction signal to the respective transmission units, the cell coupling devices of at least two transmission units have different, transmission unit-specific impedances at the reference value of the state variable, ie different basic impedances. As a result of the different basic impedances, the reactions occur at different points which can be assigned to the cell coupling devices and thus to the transmission units in the reaction signal and are thus spatially resolved.
Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass sämtliche Zellkopplungseinrichtungen innerhalb eines Batteriemoduls unterschiedliche Grundimpedanzen aufweisen, sodass der spezifische, individuelle Zustand aller Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls bestimmt werden kann. Dazu kann die Prüfeinrichtung beispielsweise mit den Modulanschlüssen, welche mit den Zellverbindern elektrisch verbunden sind, verbunden sein und das Prüfsignal durch sämtliche Batteriezellen des Batteriemoduls übertragen. It can be provided, for example, that all cell coupling devices within a battery module have different basic impedances, so that the specific, individual state of all battery cells within a battery module can be determined. For this purpose, the test device can be connected to the module terminals, for example, which are electrically connected to the cell connectors, and transmit the test signal through all the battery cells of the battery module.
Das Übertragungssystem umfasst hier also die Batteriezellen eines Batteriemoduls. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Zellkopplungseinrichtungen eines ersten Batteriemoduls eine erste Grundimpedanz aufweisen und die Zellkopplungseinrichtungen eines zweiten Batteriemoduls eine zweite Grundimpedanz aufweisen. Hierdurch charakterisiert der batteriezellspezifische Wert der Zustandsgröße einen Zustand des jeweiligen Batteriemoduls. Dazu kann die Prüfeinrichtung beispielsweise mit den Hochvoltbatterieanschlüssen, welche mit den Modulanschlüssen elektrisch verbunden sind, verbunden sein. Das Übertragungssystem umfasst hier also mehrere Batteriemodule.The transmission system thus includes the battery cells of a battery module. However, it can also be provided that the cell coupling devices of a first battery module have a first basic impedance and the cell coupling devices of a second battery module have a second basic impedance. As a result, the battery cell-specific value of the state variable characterizes a state of the respective battery module. For this purpose, the test device can be connected, for example, to the high-voltage battery terminals, which are electrically connected to the module terminals. The transmission system thus includes several battery modules.
Die Hochvoltbatterie ermöglicht also in vorteilhafter Weise eine zellindividuelle Messung von Zustandsgrößen ohne zusätzlichen Verkabelungsaufwand. Durch die Funktionalisierung der Zellkopplungseinrichtungen kann bei den ermittelten Zustandsgrößen bzw. Messgrößen des Zustands zwischen den einzelnen Batteriezellen unterschieden werden, sodass auch die Notwendigkeit eines Netzwerkknotens pro Batteriezelle entfällt. Dadurch können Kosten reduziert werden. Auch kann durch eine verbesserte Überwachung der Batteriezellen eine Leistung der Hochvoltbatterie gesteigert werden. The high-voltage battery thus advantageously enables a cell-individual measurement of state variables without additional cabling effort. By functionalizing the cell coupling devices, it is possible to differentiate between the individual battery cells in the case of the determined state variables or measured variables of the state, so that the necessity of one network node per battery cell is also eliminated. This can reduce costs. Also can be increased by improved monitoring of the battery cells, a power of the high-voltage battery.
Vorzugsweise sind die Impedanzen der Zellkopplungseinrichtungen abhängig von einer Temperatur und/oder einem Druck, sodass die Prüfeinrichtung dazu ausgelegt ist, als die Werte der zumindest einen Zustandsgröße zellkopplungseinrichtungsspezifische Temperaturwerte und/oder zellkopplungseinrichtungsspezifische Druckwerte zu erfassen und den mit den jeweiligen Zellkopplungseinrichtungen korrespondierenden Batteriezellen zuzuordnen. Durch Überwachung der Temperatur kann beispielsweise eine Überhitzung der Batteriezellen verhindert werden. Durch Überwachung des Drucks bzw. Zelldrucks der Batteriezellen kann eine alters- oder betriebsbedingte Ausdehnung der Zellgehäuse überwacht werden. Da sich eine Batteriezelle beim Laden üblicherweise ausdehnt, kann durch die Erfassung des Drucks von die Prüfeinrichtung auch ein Ladezustand der Batteriezelle abgeschätzt werden.Preferably, the impedances of the cell coupling devices are dependent on a temperature and / or pressure, such that the testing device is configured to detect, as the values of the at least one state variable, cell coupling device specific temperature values and / or cell coupling device specific pressure values and to associate the corresponding battery cells with the respective cell coupling devices. By monitoring the temperature, for example, overheating of the battery cells can be prevented. By monitoring the pressure or cell pressure of the battery cells, an age or operational expansion of the cell housing can be monitored. Since a battery cell usually expands during charging, a state of charge of the battery cell can also be estimated by detecting the pressure from the test device.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Impedanz der Zellkopplungseinrichtung einer ersten Übertragungseinheit abhängig von einer ersten Zustandsgröße ist und die Impedanz der Zellkopplungseinrichtung einer zweiten Übertragungseinheit abhängig von einer zweiten Zustandsgröße ist. Über die Reaktion der ersten Übertragungseinheit kann also ein Wert der ersten Zustandsgröße, beispielsweise der Temperatur, erfasst werden und über die Reaktion der zweiten Übertragungseinheit kann also ein Wert der zweiten Zustandsgröße, beispielsweise des Drucks, erfasst werden. Beispielsweise können pro Batteriemodul die Zellkopplungseinrichtungen, deren Impedanzen von den unterschiedlichen Zustandsgrößen abhängig sind, alternierend eingesetzt werden, sodass pro Batteriemodul mehrere Werte für die erste Zustandsgröße und mehrere Werte für die zweite Zustandsgröße erfasst werden können.It can also be provided that the impedance of the cell coupling device of a first transmission unit is dependent on a first state variable and the impedance of the cell coupling device of a second transmission unit is dependent on a second state variable. A value of the first state variable, for example the temperature, can therefore be detected via the reaction of the first transmission unit, and therefore a value of the second state variable, for example the pressure, can be detected via the reaction of the second transmission unit. For example, the cell coupling devices whose impedances depend on the different state variables can be used alternately per battery module, so that several values for the first state variable and several values for the second state variable can be detected per battery module.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn unterschiedlichen Werten der zumindest einen Zustandsgröße vorbestimmte Vergleichsreaktionen zugeordnet sind, wobei die Prüfeinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand der Reaktionen des erfassten Reaktionssignals und der Vergleichsreaktionen die Werte der zumindest einen Zustandsgröße zu bestimmen. Beispielsweise können mehrere Vergleichsreaktionen vorbestimmt sein, welche unterschiedliche Zelltemperaturen und/oder Zellinnendrücke charakterisieren. Durch Vergleich einer erfassten und einer Batteriezelle zugeordneten Reaktion mit einer Vergleichsreaktion kann die aktuelle Zelltemperatur und/oder der aktuelle Zellinnendruck bestimmt werden. Die Vergleichsreaktionen können beispielsweise in einem Datenspeicher der Hochvoltbatterie hinterlegt sein. So kann auf besonders einfache und schnelle Weise der Zustand der Batteriezellen bestimmt werden.It proves to be advantageous if different values of the at least one state variable are assigned predetermined comparison reactions, wherein the test device is designed to determine the values of the at least one state variable on the basis of the reactions of the detected reaction signal and the comparison reactions. For example, several comparison reactions may be predetermined, which characterize different cell temperatures and / or intracellular pressures. By comparing a detected and a battery cell associated reaction with a comparison reaction, the current cell temperature and / or the current cell internal pressure can be determined. The comparison reactions can be stored, for example, in a data memory of the high-voltage battery. Thus, the state of the battery cells can be determined in a particularly simple and fast manner.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die bei dem Referenzwert der Zustandsgröße unterschiedlichen Impedanzen der Zellkopplungseinrichtungen derart ausgebildet, dass die Zellkopplungseinrichtungen unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Um die Reaktionen in dem Reaktionssignal den jeweiligen Übertragungseinheiten zuordnen zu können, weisen die Zellkopplungseinrichtungen von zumindest zwei Übertragungseinheiten die unterschiedlichen, übertragungseinheitenspezifischen Resonanzfrequenzen bei dem Referenzwert der Zustandsgröße, beispielsweise bei einer bestimmten Referenztemperatur und/oder einem bestimmten Referenzzellinnendruck, auf. Durch die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen treten die Reaktionen bei unterschiedlichen, den Übertragungseinheiten zuordenbaren Frequenzen in dem Reaktionssignal auf. Als die zustandsgrößenabhängige Reaktion kann dann beispielsweise eine bezüglich der Resonanzfrequenz bei dem Referenzwert verschobene Resonanzfrequenz erfasst werden. Aus dieser Verschiebung kann bestimmt werden, wie sich der Wert der Zustandsgröße bezüglich des Referenzwertes verändert hat, sodass der aktuelle Wert der Zustandsgröße bestimmt werden kann. Alternativ dazu sind die bei dem Referenzwert der Zustandsgröße unterschiedlichen Impedanzen der Zellkopplungseinrichtungen derart ausgebildet, dass die Zellkopplungseinrichtungen unterschiedliche Dämpfungseigenschaften aufweisen.According to one embodiment of the invention, the impedances of the cell coupling devices, which are different at the reference value of the state variable, are designed such that the cell coupling devices have different resonance frequencies. In order to be able to assign the reactions in the reaction signal to the respective transmission units, the cell coupling devices of at least two transmission units have the different, transmission unit-specific resonance frequencies at the reference value of the state variable, for example at a specific reference temperature and / or a specific reference cell internal pressure. Due to the different resonance frequencies, the reactions occur at different frequencies that can be assigned to the transmission units in the reaction signal. For example, a resonant frequency shifted with respect to the resonance frequency at the reference value can then be detected as the state-size-dependent reaction. From this shift, it can be determined how the value of the state variable has changed with respect to the reference value, so that the current value of the state variable can be determined. Alternatively, the different impedances of the cell coupling devices that are different at the reference value of the state variable are designed in such a way that the cell coupling devices have different damping properties.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zum Ausbilden der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Zellkopplungseinrichtungen die Zellkopplungseinrichtungen mit unterschiedlichen Induktivitäten ausgestaltet sind, wobei die jeweilige Induktivität einer Zellkopplungseinrichtung durch Einstellen einer Induktivität des Zellverbinders und/oder des Abstandshalters vorgebeben ist. Insbesondere weisen die Abstandshalter zum Einstellen der Induktivität der Abstandshalter und damit der Induktivität der Zellkopplungseinrichtungen jeweils unterschiedliche Mengen an ferromagnetischen Nanopartikeln auf. Die Resonanzfrequenz einer Übertragungseinheit wird also über die Induktivität der Zellkopplungseinrichtung eingestellt. Beispielsweise weist die Zellkopplungseinrichtung der ersten Übertragungseinheit eine erste Induktivität und die Zellkopplungseinrichtung der zumindest einen zweiten Übertragungseinheit eine zweite Induktivität auf. Dabei kann die Induktivität der Zellkopplungseinrichtung durch Modifikation der Zellverbinder und/oder durch Modifizieren der Abstandshalter eingestellt werden. Beispielsweise kann durch die Menge an ferromagnetischen Nanopartikeln in einem Abstandshalter eine Permeabilität des Abstandshalters und damit dessen Induktivität eingestellt werden.It can be provided that for forming the different resonance frequencies of the cell coupling devices, the cell coupling devices are designed with different inductances, wherein the respective inductance of a cell coupling device is predetermined by adjusting an inductance of the cell connector and / or the spacer. In particular, the spacers for adjusting the inductance of the spacers and thus the inductance of the cell coupling devices each have different amounts of ferromagnetic nanoparticles. The resonant frequency of a transmission unit is thus adjusted via the inductance of the cell coupling device. For example, the cell coupling device of the first transmission unit has a first inductance and the cell coupling device of the at least one second Transmission unit on a second inductance. In this case, the inductance of the cell coupling device can be adjusted by modifying the cell connectors and / or by modifying the spacers. For example, by the amount of ferromagnetic nanoparticles in a spacer a permeability of the spacer and thus its inductance can be adjusted.
Auch kann vorgesehen sein, dass zum Ausbilden der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Zellkopplungseinrichtungen die Zellkopplungseinrichtungen mit unterschiedlichen Kapazitäten ausgestaltet sind, wobei die Kapazitäten der Zellkopplungseinrichtungen durch jeweils unterschiedlichen Flächengrößen der Abstandshalter vorgebeben sind. Einander zugewandte Zellwände der Batteriezellen bilden Platten eines Plattenkondensators, wobei der Abstandshalter ein Dielektrikum des Plattenkondensators ausbildet. Die Kapazität eines Plattenkondensators ist abhängig ist von der Permittivität des Dielektrikums, von einem Abstand der durch die Zellwände ausgebildeten Platten sowie einer Fläche des Plattenkondensators. Diese Fläche des Plattenkondensators kann zum Einstellen der Resonanzfrequenz verwendet werden, beispielsweise indem die Abstandshalter spezifische Ausstanzungen aufweisen. Somit setzt sich eine Fläche A des Plattenkondensators aus einer Fläche
mit
With
Durch die Anzahl und/oder Größe der Ausstanzungen können das Verhältnis der Flächen
In einer Weiterbildung der Erfindung sind zum Ausbilden der Zellkopplungseinrichtungen mit den zustandsgrößenabhängigen Impedanzen die Abstandshalter mit zumindest einer zustandsgrößenabhängigen Eigenschaft ausgebildet. Es wird also die Impedanz des ohnehin vorhandenen Abstandshalters abhängig von der zumindest einen zu messenden Zustandsgröße gemacht. Aus der Funktionalisierung von ohnehin existierenden Bauteilen, nämlich der Abstandshalter, ergibt sich der Vorteil, dass ein Bauraum der Hochvoltbatterie nicht beeinträchtigt bzw. vergrößert wird.In a development of the invention, the spacers with at least one state variable-dependent property are designed to form the cell coupling devices with the state variable-dependent impedances. Thus, the impedance of the already existing spacer is made dependent on the at least one state variable to be measured. From the functionalization of already existing components, namely the spacers, there is the advantage that a space of the high-voltage battery is not affected or increased.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind zwei Batteriezellen über den dazwischen angeordneten Abstandshalter kapazitiv gekoppelt und als die zumindest eine zustandsgrößenabhängige Eigenschaft des Abstandshalters ist eine Permittivität und/oder eine Dicke des Abstandshalters abhängig von der zumindest einen zu erfassenden Zustandsgröße ausgebildet. Wie bereits beschrieben bilden einander zugewandte Zellwände sowie der dazwischen liegende Abstandshalter einen Plattenkondensator. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Permittivität temperaturabhängig ist, sodass sich die dielektrischen Eigenschaften des Abstandshalters und damit die Kapazität des Plattenkondensators in Abhängigkeit von der Temperatur, insbesondere der Zelltemperatur der benachbarten Batteriezelle(n), ändern können. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstandshalter aus einem elastischen Material ausgebildet sein, dessen Dicke sich ändert, wenn sich die Batteriezelle beispielsweise aufgrund eines steigenden Zellinnendrucks ausdehnt. Bei Ausdehnung der Batteriezelle wird der Abstandshalter zusammengepresst, wodurch sich der Abstand der Zellwände zueinander und damit die Kapazität des Plattenkondensators ändern.In one embodiment of the invention, two battery cells are capacitively coupled via the spacers disposed therebetween, and as the at least one state variable-dependent property of the spacer, a permittivity and / or a thickness of the spacer is formed depending on the at least one state quantity to be detected. As previously described, facing cell walls and the spacer therebetween form a plate capacitor. For example, it can be provided that the permittivity is temperature-dependent, so that the dielectric properties of the spacer and thus the capacitance of the plate capacitor in dependence on the temperature, in particular the cell temperature of the adjacent battery cell (s), can change. Alternatively or additionally, the spacer may be formed from an elastic material whose thickness changes when the battery cell expands, for example due to an increasing internal cell pressure. Upon expansion of the battery cell, the spacer is compressed, whereby the distance of the cell walls to each other and thus change the capacity of the plate capacitor.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind an einander zugewandten Zellwänden zweier Batteriezellen Koppelflächen angeordnet, welche über den dazwischen angeordneten Abstandshalter resistiv gekoppelt sind, und als die zumindest eine zustandsgrößenabhängige Eigenschaft des Abstandshalters ist eine elektrische Leitfähigkeit des Abstandshalters abhängig von der zumindest einen zu erfassenden Zustandsgröße ausgebildet. Die Koppelflächen liegen dabei auf einem von einem Potential der Zellgehäuse unterschiedlichen Potential, um die Zellgehäuse der benachbarten Batteriezellen galvanisch voneinander zu trennen. Beispielsweise kann der Abstandshalter aus einem Polymerkomposit mit Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes) gebildet sein, dessen elektrische Leitfähigkeit sich insbesondere bei Kompression ändert. So kann beispielsweise eine aus einer Zellausdehnung resultierende veränderte Leitfähigkeit einer Übertragungseinheit anhand der Reaktion in dem Reaktionssignal erfasst werden und einem bestimmten Druckwert der ausgedehnten Batteriezelle zugeordnet werden.In a further embodiment of the invention, coupling surfaces are arranged on facing cell walls of two battery cells, which are resistively coupled via the spacers arranged therebetween, and as the at least one state variable-dependent property of the spacer, an electrical conductivity of the spacer is formed depending on the at least one state variable to be detected , The coupling surfaces lie on one of a potential of the cell housing different potential to galvanically separate the cell housing of the adjacent battery cells from each other. For example, the spacer can be formed from a polymer composite with carbon nanotubes, the electrical conductivity of which changes in particular during compression. Thus, for example, an altered conductivity resulting from a cell expansion of a transmission unit can be detected on the basis of the reaction in the reaction signal and assigned to a specific pressure value of the extended battery cell.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwei Batteriezellen über den dazwischen angeordneten Abstandshalter induktiv gekoppelt und als die zumindest eine zustandsgrößenabhängige Eigenschaft des Abstandshalters ist eine Permeabilität des Abstandshalters abhängig von der zu erfassenden Zustandsgröße. Dazu kann ein Material des Spacers mit den ferromagnetischen Nanopartikeln ausgebildet sein, deren ferromagnetische Eigenschaften temperaturabhängig sind. So ändert sich bei Temperaturänderung die Permeabilität des Abstandshalters, was anhand des Reaktionssignals messbar ist.In a further embodiment of the invention, two battery cells are inductively coupled via the spacers arranged therebetween, and as the at least one state variable-dependent Property of the spacer is a permeability of the spacer depending on the state quantity to be detected. For this purpose, a material of the spacer can be formed with the ferromagnetic nanoparticles whose ferromagnetic properties are temperature-dependent. Thus, the permeability of the spacer changes with temperature change, which is measurable on the basis of the reaction signal.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn zumindest einer der Abstandshalter dazu ausgelegt ist, eine die Impedanz der Zellkopplungseinrichtung verändernde Flüssigkeit aufzunehmen, wobei die Prüfeinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand der Reaktion der Zellkopplungseinrichtung die Anwesenheit der Flüssigkeit in der Hochvoltbatterie zu erkennen. Insbesondere weist der Abstandshalter zum Aufnehmen der Flüssigkeit zumindest eine Pore und/oder ein saugfähiges Material auf. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine klare Trennung zwischen Feuchtigkeit und Temperatureinfluss möglich ist, indem beispielsweise manche Abstandshalter nur zu Temperaturerfassung und manche Abstandshalter zur Feuchtigkeitserfassung verwendet werden. So könnte beispielsweise ein Spacer offenporig ausgelegt werden, während ein anderer Spacer dicht abgeschlossen ist. Auch können unterschiedliche Materialien für die Spacer gewählt werden.It proves to be advantageous if at least one of the spacers is designed to receive a fluid which changes the impedance of the cell coupling device, the test device being designed to detect the presence of the liquid in the high-voltage battery on the basis of the reaction of the cell coupling device. In particular, the spacer for receiving the liquid has at least one pore and / or an absorbent material. For example, it may be provided that a clear separation between moisture and temperature influence is possible, for example by using some spacers only for temperature detection and some spacers for moisture detection. For example, one spacer could be designed to be open-pored while another spacer is tightly sealed. Also different materials for the spacers can be selected.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet. A motor vehicle according to the invention comprises a high-voltage battery according to the invention. The motor vehicle is designed in particular as an electric or hybrid vehicle.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.The embodiments presented with respect to the high-voltage battery according to the invention and their advantages apply correspondingly to the motor vehicle according to the invention.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment and with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Perspektivdarstellung von Komponenten einer Hochvoltbatterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
2 eine schematische Draufsicht auf die Hochvoltbatterie; -
3 ein Ersatzschaltbild von zwei Batteriezellen und einem Zellkopplungselement; -
4 bis6 schematische Darstellungen von Kopplungsvarianten bei Batteriezellen und Abstandshaltern.
-
1 a schematic perspective view of components of a high-voltage battery according to an embodiment of the invention; -
2 a schematic plan view of the high-voltage battery; -
3 an equivalent circuit diagram of two battery cells and a cell coupling element; -
4 to6 schematic representations of coupling variants in battery cells and spacers.
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
In
Die Batteriezellen
Die Reaktion der Übertragungseinheit
Um die Reaktionen den unterschiedlichen Übertragungseinheiten
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- HochvoltbatterieHigh-voltage battery
- 2, 2a, 2b2, 2a, 2b
- Batteriezellenbattery cells
- 33
- Abstandshalterspacer
- 44
- Zellgehäusecell case
- 5a, 5b5a, 5b
- Zellpolecell poles
- 66
- Zellverbindercell connectors
- 77
- ZellkopplungseinrichtungCell coupling device
- 88th
- Zellmodellcell model
- 99
- Koppelmodellcoupling model
- 10, 1110, 11
- Kopplungspfadecoupling paths
- 1212
- Prüfeinrichtungtest equipment
- 1313
- Übertragungseinheittransmission unit
- 14, 1514, 15
- Zellwändecell walls
- 16, 1816, 18
- Schichtenlayers
- 17, 1917, 19
- Koppelflächencoupling surfaces
- SS
- Stapelrichtungstacking direction
- Zpos, Zneg, Zcont, Zcont, ZspacerZpos, Zneg, Zcont, Zcont, Zspacer
- Impedanzenimpedances
- Cm, C1, C2, C3, C4, C5, C6Cm, C1, C2, C3, C4, C5, C6
- Kapazitätencapacities
- RR
- Widerstandresistance
- LL
- Induktivitätinductance
Claims (16)
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---|---|---|---|
DE102018212567.8A DE102018212567B3 (en) | 2018-07-27 | 2018-07-27 | High-voltage battery with test device and motor vehicle |
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DE102018212567.8A DE102018212567B3 (en) | 2018-07-27 | 2018-07-27 | High-voltage battery with test device and motor vehicle |
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DE102018212567B3 true DE102018212567B3 (en) | 2019-06-13 |
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ID=66629348
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DE102018212567.8A Active DE102018212567B3 (en) | 2018-07-27 | 2018-07-27 | High-voltage battery with test device and motor vehicle |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102018212567B3 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021175642A1 (en) * | 2020-03-05 | 2021-09-10 | Leoni Bordnetz-Systeme Gmbh | Device and method for monitoring cells arranged side by side |
DE102022133857A1 (en) | 2022-12-19 | 2024-06-20 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | METHOD FOR MONITORING SEVERAL BATTERY CELLS CONNECTED IN SERIES, BATTERY SYSTEM AND MOTOR VEHICLE |
Citations (1)
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DE102015208464A1 (en) | 2015-05-07 | 2016-11-10 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Accumulator arrangement with improved condition monitoring |
-
2018
- 2018-07-27 DE DE102018212567.8A patent/DE102018212567B3/en active Active
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R020 | Patent grant now final |