DE102018222458A1 - Kontaktierungsvorrichtung für eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kontaktierungsvorrichtung (10) für eine Batteriezelle (12) für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, aufweisend ein aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes Gehäuse (11) und eine von dem Gehäuse (11) zumindest teilweise umfasste Verschaltungseinrichtung (13), wobei die Verschaltungseinrichtung (13) mindestens ein Kontaktelement (16) zur jeweiligen elektrischen Kontaktierung eines jeweiligen elektrischen Pols (14) der Batteriezelle (12) und einen jeweiligen elektrisch mit dem mindestens einen Kontaktelement (16) über ein jeweiliges Schaltelement (18) verschalteten elektrischen, von außen zugänglichen Anschlusskontakt (20) aufweist. Die Kontaktierungsvorrichtung (10) ist als Aufsatzbauteil oder Zusatz-Deckel zum Aufsetzen auf die Batteriezelle (12) ausgestaltet. Das mindestens eine Schaltelement (18) ist dazu eingerichtet, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Kontaktelement (16) und dem mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt (20) in Abhängigkeit von einem Schaltsignal abwechselnd zu unterbrechen und herzustellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kontaktierungsvorrichtung für eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, wobei die Kontaktierungsvorrichtung ein aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes Gehäuse und eine von dem Gehäuse zumindest teilweise umfasste Verschaltungseinrichtung aufweist. Die Verschaltungseinrichtung weist dabei mindestens ein Kontaktelement zur jeweiligen elektrischen Kontaktierung jeweils eines elektrischen Pols der Batteriezelle auf. Des Weiteren weist die Kontaktierungsvorrichtung einen jeweiligen elektrisch mit dem mindestens einen Kontaktelement verschalteten elektrischen, von außen zugänglichen Anschlusskontakt auf. Die Kontaktierungsvorrichtung ist als ein Aufsatzbauteil zum Aufsetzen auf den zumindest einen Pol der Batteriezelle ausgestaltet.
  • Eine Batterie für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug oder ein Hybridfahrzeug kann bekanntermaßen mehrere einzelne Batteriezellen oder Einzelzellen umfassen. Eine so aufgebaute Batterie kann als Energiespeicher zum Liefern elektrischer Energie an eine Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Um die erforderlichen Strom- beziehungsweise Spannungsstärken bereitzustellen, werden die Einzelzellen hierbei seriell oder parallel miteinander verschaltet. Zum Zwecke der Verschaltung der einzelnen Batteriezellen werden aus dem Stand der Technik bekannte Zellverbinder unterschiedlicher Art verwendet. Ein Zellverbinder kann beispielsweise eine Schraubverbindung oder eine elektrisch leitfähige Kontaktbrücke oder eine mit den Einzelzellen verschweißte Stromschiene sein.
  • Eine Herausforderung beim Betrieb einer solchen aus mehreren Batteriezellen zusammengebauten Batterie besteht darin, einzelne Batteriezellen im Hinblick auf ihre Funktion und/oder ihren Zustand, beispielsweise ihren Ladezustand (SoC - State of Charge) und ihren Verschleißzustand (SoH - State of Health), zu überwachen und zu steuern. Eine einzige schadhafte Batteriezelle, welche als Teil einer Batterie verbaut ist, kann ansonsten dazu führen, dass die gesamte Batterie in Mitleidenschaft gezogen wird, oder ihre Funktion ganz verliert. Um eine schadhafte Batteriezelle gezielt ein- und ausschalten beziehungsweise überbrücken zu können, sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen bekannt, die im Inneren der Batteriezelle angeordnet sein können. Die bekannten Lösungen gehen in der Regel mit einem aufwendigen Eingriff in das Zelldesign der jeweiligen Batteriezelle einher.
  • Aus der DE 10 2007 017 018 A1 ist eine Vorrichtung zum Überbrücken defekter Zellen bei Batterien bekannt. Die darin offenbarte Vorrichtung betrifft eine Batterie mit mehreren Batteriezellen. Zum Überbrücken einer Batteriezelle im Falle eines sich in der Zelle aufbauenden Überdrucks wird eine Zellüberbrückungseinrichtung vorgeschlagen, die bewegliche schaltbare elektrische Kontaktelemente umfasst, die von einem ersten in einen zweiten Schaltzustand geschaltet werden können.
  • Ein Nachteil der bekannten Lösung ist es, dass zum einen lediglich Fehlfunktionen der Zelle erkannt werden, die mit einem Überdruck in der Zelle einhergehen, sowie dass eine schadhafte Zelle lediglich überbrückt werden kann, jedoch nicht ausgeschaltet. Somit ist diese Lösung nur bei in Reihe geschalteten Batteriezellen wirksam. Des Weiteren ist es als nachteilig anzusehen, dass die hier vorgestellte Lösung keine zentrale Steuereinheit bereitstellt, die dazu eingerichtet ist, die Schaltzustände der einzelnen Batteriezellen zu koordinieren.
  • Aus der DE 10 2016 222 074 A1 ist eine Kontaktierungsvorrichtung eines Batteriemoduls oder eines Deckelelements eines Batteriemoduls bekannt. Die Kontaktierungsvorrichtung weist dabei zwei vorzugsweise relativ zueinander bewegbare Kontaktelemente auf, welche jeweils mit Spannungsabgriffen, also Polen, einer Batteriezelle elektrisch kontaktierbar sind. Weiter weist die Kontaktierungsvorrichtung zwei elektrische Anschlüsse auf, welche mit den Kontaktelementen verbindbar sind. Zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen ist ein Schaltelement angeordnet, mit dem die beiden elektrischen Anschlüsse elektrisch miteinander verbunden werden können. Gegenstand der Offenbarung sind weiter zwei unterschiedliche Arten von Deckelelementen, welche sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass bei ihnen Kontaktelemente vorgesehen sind, welche relativ zueinander bewegbar sind.
  • Diese Lösung erfordert die Implementierung mechanisch beweglicher Bauteile und birgt somit eine erhöhte Verschleißgefahr und die Gefahr eines Versagens aufgrund von Verklemmen, wie es durch Vibrationen während einer Fahrt verursacht werden kann. Des Weiteren sieht die bekannte Lösung keine gezielte Ansteuerung von Batteriezellen vor.
  • Aus der DE 10 2012 205 136 A1 ist eine Sensorvorrichtung für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers vorgeschlagen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bestehende Batteriezelle einer Batterie auf kostengünstige Art individuell schaltbar zu machen, um sie flexibel und bedarfsgerecht in den Zellenverbund der Batterie einbinden oder aus dem Zellenverbund der Batterie ausschließen zu können.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben.
  • Durch die Erfindung ist eine Kontaktierungsvorrichtung für eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Kontaktierungsvorrichtung weist ein aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes Gehäuse und eine von dem Gehäuse zumindest teilweise umfasste Verschaltungseinrichtung auf. Die Verschaltungseinrichtung weist dabei mindestens ein Kontaktelement zur jeweiligen elektrischen Kontaktierung eines jeweiligen elektrischen Pols der Batteriezelle und einen jeweiligen elektrisch mit dem mindestens einen Kontaktelement über ein jeweiliges Schaltelement verschalteten, elektrischen, von außen zugänglichen Anschlusskontakt auf.
  • Die Kontaktierungsvorrichtung ist dabei als ein Aufsatzbauteil zum Aufsetzen auf den zumindest einen Pol der Batteriezelle ausgestaltet. Hierzu ist das Gehäuse als eine Kappe zum Aufsetzen auf eine den zumindest einen Pol aufweisende Seite der Batteriezelle ausgestaltet. Die Kontaktierungsvorrichtung ist somit bei einer einzelnen Batteriezelle individuell nachrüstbar, falls die Batteriezelle keine integrierte Schaltmöglichkeit aufweist. Eine solche Lösung wird allgemein auch als Retro-fit-Lösung bezeichnet. Das mindestens eine Kontaktelement der Kontaktierungsvorrichtung, über das jeweils ein Pol der Batteriezelle kontaktiert werden kann, ist an derjenigen Seite des Gehäuses angeordnet, welche beim Aufsetzen der als Aufsatzbauteil ausgestalteten Kontaktierungsvorrichtung auf die Batteriezelle der Batteriezelle zuzuwenden ist. Bei Aufsetzten des Aufsatzbauteils kommt es also zugleich zu einer elektrischen Verbindung mit dem jeweiligen Pol.
  • Das Kontaktelement ist dazu eingerichtet, den jeweiligen Pol der Batteriezelle im aufgesetzten Zustand der Kappe zu berühren. Die Kontaktierung des jeweiligen Pols der Batteriezelle mit dem Kontaktelement kann dabei über eine kraftschlüssige Verbindung (z.B. mittels Kontaktklemmen) oder stoffschlüssige Verbindung (z.B. Schweißverbindung) hergestellt sein.
  • Mit anderen Worten ist die Kontaktierungsvorrichtung dazu eingerichtet, in der Art eines Hutes oder einer Kappe auf die Batteriezelle aufgesetzt zu werden. Die Kontaktierungsvorrichtung ist so ausgestaltet, dass bei einem bestimmungsgemäßen Aufsetzen der Kontaktierungsvorrichtung als eine Art Hut oder Kappe auf die bestehende Batteriezelle eine Kontaktierung zwischen je einem Kontaktelement der Kontaktierungsvorrichtung und einem Pol der Batteriezelle realisiert ist.
  • Das Gehäuse der Kontaktierungsvorrichtung kann beispielsweise ein Kunststoffgehäuse sein, welches die Verschaltungseinrichtung teilweise oder ganz umfasst. Die Verschaltungseinrichtung kann eine Leiterplatte oder ein PCB sein (PCB - Printed Circuit Board). Das Kontaktelement, das Schaltelement, sowie der Anschlusskontakt der Kontaktierungsvorrichtung können also beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Der Anschlusskontakt ist dabei derart durch das Gehäuse nach außen geführt, dass er beispielsweise dazu genutzt werden kann, die mit der Kontaktierungsvorrichtung ausgestattete Batteriezelle mit einer Nachbarzelle zu verschalten.
  • Ein Merkmal der Erfindung ist es, dass das mindestens eine Schaltelement dazu eingerichtet ist, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Kontaktelement und dem mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt in Abhängigkeit von einem Schaltsignal abwechselnd zu unterbrechen und herzustellen. Die Polspannung des jeweiligen elektrischen Pols der Batteriezelle, der mit dem mindestens einen Kontaktelement elektrisch verbunden ist, steht nur dann an dem mindestens einen nach außen geführten elektrischen Anschlusskontakt bereit, wenn das mindestens eine Schaltelement elektrisch leitend geschaltet ist. Somit kann die Batteriezelle über die Kontaktierungsvorrichtung gezielt in einen Zellenverbund zugeschaltet oder weggeschaltet werden. Mit anderen Worten ist das mindestens eine Schaltelement dazu eingerichtet, das mindestens eine Kontaktelement mit dem mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt elektrisch zu verbinden und die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Kontaktelement und dem mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt zu unterbrechen. Die Verbindungsherstellung beziehungsweise Verbindungsunterbrechung mittels des Schaltelements erfolgt dabei in Folge eines Schaltsignals. Das Schaltelement kann beispielsweise ein Halbleiterbauelement sein.
  • Die Kontaktierungsvorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass sie auf unterschiedliche Batteriezellentypen aufgesetzt werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Kontaktierungsvorrichtung, insbesondere die Verschaltungseinrichtung der Kontaktierungsvorrichtung, einen Toleranzausgleich ermöglicht, falls eine Gruppe möglicher Batteriezellentypen bekannt oder vorgegeben ist, sodass sich die Abmessungen an die bekannten Abmessungen der Batteriezellentypen derart anpassen lassen, dass jeder Batteriezellentyp passt. Außerdem kann dies dadurch realisiert sein, dass die Kontaktierungsvorrichtung in ihrer Ausgestaltung als Aufsatzbauteil und/oder Kappe zum Aufsetzen auf eine Batteriezelle ein Spiel aufweist. Das Spiel liegt typischerweise zwischen fünf und zehn Prozent der maximalen Längserstreckung der Kontaktierungsvorrichtung. Auch hierbei können die Abmessungen einer bekannten Gruppe von Batteriezellentypen zugrunde gelegt werden.
  • Die Kontaktierungsvorrichtung kann also insgesamt in der besagten Weise als Nachrüstung beziehungsweise Retro-Fit für eine bestehende Batteriezelle ausgestaltet sein.
  • Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Kontaktierungsvorrichtung eine schnelle und kostengünstige Umrüstung einer Standardbatteriezelle (d.h. ohne integriertes Schaltelement) in eine schaltbare, d.h. eine sogenannte intelligente, Batteriezelle erfolgen kann. Die umgerüstete Batteriezelle kann durch Schalten des zumindest einen Schaltelements von dem Rest der Batterie elektrisch getrennt werden .
  • Diese Trennung erfolgt durch eine Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem mindestens einen Kontaktelement und dem mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt, wobei die Kontaktierung zwischen dem mindestens einen Kontaktelement und dem jeweiligen elektrischen Pol der Batteriezelle bestehen bleibt. In vorteilhafter Weise unterbleibt dabei eine mechanische Bewegung von Bauteilen, da das Schaltelement auf Basis zumindest eines Transistors realisiert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die hier erfindungsgemäße Kontaktierungsvorrichtung besonders verschleißteilarm und somit kostengünstig hergestellt und betrieben werden kann.
  • Alle Elemente der hier beschriebenen Kontaktierungsvorrichtung befinden sich zudem außerhalb der Batteriezelle, aber sind fest mit der Batteriezelle verbunden. Dies bietet den Vorteil, dass diese Elemente nicht aufwändig gegenüber den im Inneren der Batteriezelle herrschenden chemischen und physikalischen Verhältnissen geschützt werden müssen. Zudem kann ein Eingriff in das Zelldesign vermieden werden.
  • Zur Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Verschaltungseinrichtung einen Mikrocontroller auf, wobei der Mikrocontroller dazu eingerichtet ist, das Schaltsignal in Abhängigkeit von einem aktuellen Wert eines Betriebsparameters der Batteriezelle und/oder in Abhängigkeit von externen Befehlsdaten zu erzeugen. Mit anderen Worten ist der Mikrocontroller dazu eingerichtet, das Schaltsignal sowohl lokal in Abhängigkeit eines Betriebsparameters der Batteriezelle, als auch in Abhängigkeit von externen Befehlsdaten zu erzeugen. Die externen Befehlsdaten können beispielsweise Befehlsdaten einer Steuereinheit eines Batteriemanagementsystems der Batterie sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Verschaltungseinrichtung mindestens einen Sensor auf, der mit dem Mikrocontroller gekoppelt ist. Mittels des mindestens einen Sensors ist mindestens ein Betriebsparameter der Batteriezelle erfassbar. Der Mikrocontroller ist dabei dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebsparameter einen Schaltzustand des mindestens einen Schaltelements zu verändern. Mit anderen Worten findet mittels eines Sensors, welcher sich außerhalb der Batteriezelle befindet, eine Erfassung mindestens eines Betriebsparameters der Batteriezelle statt. Ein solcher Betriebsparameter kann beispielsweise ein Druck innerhalb der Batteriezelle und/oder eine Temperatur und/oder ein Ladezustand der Batteriezelle sein.
  • Der Sensor kann über eine Funkverbindung oder über eine elektrisch leitende Verbindung mit dem Mikrocontroller gekoppelt sein. Der Mikrocontroller ist dazu eingerichtet, einen Wert eines durch den Sensor erfassten Betriebsparameters von dem Sensor zu empfangen und in Abhängigkeit dieses Wertes das mindestens eine Schaltelement zu öffnen und zu schließen. Das bedeutet, dass beispielsweise bei einer Temperaturerhöhung innerhalb der Batteriezelle, die dazu führt, dass ein vorbestimmter Temperaturschwellenwert in der Batteriezelle überschritten wird, der Mikrocontroller dazu eingerichtet ist, die betroffene Batteriezelle durch Öffnen des mindestens einen Schaltelements auszuschalten.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verschaltungseinrichtung einen Kommunikationsanschluss auf, welcher dazu eingerichtet ist, mit einer Steuerungseinrichtung eines Batteriemanagementsystems der Batterie kabelgebunden und/oder kabellos zu kommunizieren. Mit anderen Worten ist der Kommunikationsanschluss dazu eingerichtet, sowohl Daten von der Steuerungseinrichtung des Batteriemanagementsystems zu empfangen, als auch Daten an die Steuerungseinrichtung des Batteriemanagementsystems auszusenden. Die Kommunikation kann kabelgebunden, beispielsweise mittels eines Datenbus', erfolgen. Die Kommunikation kann aber auch kabellos erfolgen, beispielsweise über eine Funkverbindung.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kommunikationsanschluss dazu eingerichtet, von der Steuereinrichtung des Batteriemanagementsystems der Batterie adressbasiert angesteuert zu werden und Befehlsdaten zu empfangen. Mit anderen Worten ist der Kommunikationsanschluss mit einer eindeutigen und ihm zugeordneten Adresse, genauer einer Kommunikationsanschlussadresse, ausgestattet. Die von der Steuereinrichtung des Batteriemanagementsystems erzeugten Befehlsdaten sind ihrerseits mit einer Zieladresse ausgestattet. Stimmen die jeweilige Kommunikationsanschlussadresse und die Zieladresse der Befehlsdaten überein, empfängt der Kommunikationsanschluss die Befehlsdaten. Von dem Kommunikationsanschluss an die Steuereinrichtung des Batteriemanagementsystems gesendete Daten sind ebenfalls mit der Kommunikationsanschlussadresse ausgestattet oder signiert, so dass sie einer jeweiligen Batteriezelle zuordenbar sind. Befehlsdaten können beispielsweise den Befehl enthalten, eine Batteriezelle auszuschalten.
  • Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass gezielt einzelne, beispielsweise schadhafte, Batteriezellen einer Batterie deaktiviert werden können. Dies erfolgt in besonders vorteilhafter Weise koordiniert über eine Steuerungseinrichtung des Batteriemanagementsystems der Batterie, die Deaktivierung kann allerdings auch lokal in der betroffenen Batteriezelle ausgelöst werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Kommunikationsanschluss dazu eingerichtet, von der Steuerungseinrichtung des Batteriemanagementsystems ausgesendete Befehlsdaten durchzuschleifen. Mit anderen Worten ist der Kommunikationsanschluss dazu eingerichtet, Befehlsdaten, deren Zieladresse nicht mit seiner Kommunikationsanschlussadresse übereinstimmt, nicht zu empfangen, sondern weiterzuleiten.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verschaltungseinrichtung mindestens einen zusätzlichen elektrischen Anschlusskontakt auf, der dazu eingerichtet ist, eine elektrische Verbindung zwischen der Batteriezelle und mindestens einer benachbarten Batteriezelle der Batterie herzustellen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Verschaltung der Batteriezellen untereinander flexibel gestaltet sein kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verschaltungseinrichtung ein zweites Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten elektrischen Pols der Batteriezelle und einen zweiten elektrisch mit dem zweiten Kontaktelement über ein zweites Schaltelement verschalteten elektrischen, von außen zugänglichen Anschlusskontakt auf. Die Verschaltungseinrichtung weist dabei ein Überbrückungsschaltelement auf, das dazu eingerichtet ist, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt und dem zweiten elektrischen Anschlusskontakt in Abhängigkeit von einem Überbrückungsschaltsignal abwechselnd zu unterbrechen und herzustellen. Mit anderen Worten weist die Verschaltungseinrichtung zwei Kontaktelemente zur Kontaktierung je eines der elektrischen Pole der Batteriezelle auf. Jedes dieser beiden Kontaktelemente ist über ein jeweiliges Schaltelement mit einem von außen zugänglichen Anschlusskontakt der Verschaltungseinrichtung verschaltet. Die beiden von außen zugänglichen Anschlusskontakte sind dabei über ein Überbrückungsschaltelement miteinander verschaltet. Das Überbrückungsschaltelement ist dazu ausgerichtet, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden nach außen geführten beziehungsweise von außen zugänglichen elektrischen Anschlusskontakten in Abhängigkeit von einem Überbrückungsschaltsignal abwechselnd zu unterbrechen und herzustellen. Das Überbrückungsschaltelement kann ein Halbleiterbauelement sein.
  • Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Überbrückung einer in Reihe geschalteten Batteriezelle.
  • Die Erfindung betrifft zusätzlich eine Batteriezelle mit einer Kontaktierungsvorrichtung gemäß einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen. Die Kontaktierungsvorrichtung und die Batteriezelle sind dabei derart in einem Verbund zusammengefügt, dass die Außenflächen des Gehäuses der Kontaktierungsvorrichtung bündig mit den Außenflächen eines Zellengehäuses der Batteriezelle abschließen. Der zumindest eine elektrische Spannungsabgriff der Batteriezelle ist dabei elektrisch mit dem mindestens einen Kontaktelement der Verschaltungseinrichtung verbunden. Mit anderen Worten ist die Kontaktierungsvorrichtung auf eine bestehende Batteriezelle als Kappe oder Aufsatzbauteil aufgesetzt. Das zumindest eine Kontaktelement der Kontaktierungsvorrichtung ist dabei derart an der Seite des Kontaktierungsvorrichtungsgehäuses, welche beim Aufsetzen der Kappe auf die Batteriezelle der Batteriezelle zuzuwenden ist, angeordnet, dass sich eine Kontaktierung zwischen dem mindestens einen Kontaktelement und dem jeweiligen elektrischen Pol der Batteriezelle ergibt. Die Kontaktierung kann dabei über eine stoff- oder kraftschlüssige Verbindung erfolgen. Die Kappe kann beispielsweise durch eine Schraubverbindung oder durch eine Klemmverbindung an der Batteriezelle befestigt sein. Ein in die Kappe eingearbeiteter Toleranzbereich ermöglicht es, beliebige Batteriezellen mit dem hier realisierten Retro-Fit auszustatten.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriezellen gemäß der obigen Ausführungsform.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriezellen gemäß der obigen Ausführungsform.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
  • Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
  • Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle mit einer erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung in einer perspektivischen Seitenansicht; und
    • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kontaktierungsvorrichtung in Draufsicht.
  • Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als den gezeigten Kombinationen als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kontaktierungsvorrichtung 10, mit einem Gehäuse 11 und einer Verschaltungseinrichtung 13 (in 1 nicht zeichnerisch dargestellt), welche an einer Batteriezelle 12 angeordnet ist. Die Batteriezelle 12 kann in der hier gezeigten Ausführungsform beispielsweise eine prismatische Zelle sein. Die Batteriezelle 12 weist in der hier gezeigten Ausführungsform zwei elektrische Pole 14 auf. Die Verschaltungseinrichtung 13 (nicht in 1 gezeigt) ist in der hier dargestellten Ausführungsform komplett von dem Gehäuse 11 ummantelt und weist zwei Kontaktelemente 16, zwei Schaltelemente 18, zwei elektrische Anschlusskontakte 20, einen Sensor 22, einen Mikrocontroller 24 und einen Kommunikationsanschluss 26 auf. In der hier gezeigten Ausführungsform ist die von dem Kommunikationsanschluss 26 ausgehende Kommunikationsverbindung eine Funkverbindung.
  • Die Kontaktierungsvorrichtung 10 ist in der in 1 gezeigten Ausführungsform als ein Aufsatzbauteil zum Aufsetzen auf die Batteriezelle 12 ausgestaltet. In dem Verbund aus Batteriezelle 12 und aufgesetzter Kontaktierungsvorrichtung 10 berührt ein jedes der Kontaktelemente 16 einen jeweiligen elektrischen Pol 14 der Batteriezelle 12. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Kontaktierung zwischen einem jeweiligen Kontaktelement 16 und einem jeweiligen elektrischen Pol 14 der Batteriezelle 12 durch eine kraft- oder stoffschlüssige Verbindung realisiert sein. Ein jedes der Kontaktelemente 16 ist in der hier gezeigten Ausführungsform über ein jeweiliges Schaltelement 18 elektrisch mit einem jeweiligen elektrischen Anschlusskontakt 20 verbunden. Die beiden Anschlusskontakte 20 sind in der hier gezeigten Ausführungsform derart nach außen geführt, dass an ihnen eine weitere Kontaktierung, beispielsweise zum Anschließen der Batteriezelle 12 an eine benachbarte Batteriezelle, erfolgen kann.
  • Die in 1 gezeigte beispielhafte Ausführungsform einer Batteriezelle 12 mit erfindungsgemäßer Kontaktierungsvorrichtung 10 kann beispielsweise mehrfach ausgeführt sein, wobei die Mehrzahl der derart umgerüsteten Batteriezellen 12 in Reihe und/oder parallel geschaltet in ihrer Gesamtheit eine Batterie bilden können, welche beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verbaut sein kann. Kommt es in einer der so ausgerüsteten Batteriezellen 12 zu einem fehlerhaften Betrieb, so kann mittels des Sensors 22 ein Betriebsparameter 27 (in 1 nicht gezeigt) erfasst werden. In Abhängigkeit des Betriebsparameters 27 kann der Mikrocontroller 24 einen Schaltzustand eines Schaltelements 18 und/oder beider Schaltelemente 18 verändern. Der Mikrocontroller 24 kann beispielsweise bei Überschreitung eines vorbestimmten Temperaturgrenzwerts in der Batteriezelle 12 eines und/oder beide der in 1 gezeigten Schaltelemente 18 öffnen, sodass die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem jeweiligen Kontaktelement 16 und dem jeweiligen elektrischen Anschlusskontakt 20 unterbrochen ist. In Folge der Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung ist die fehlerhafte Batteriezelle 12 von dem Rest der Batterie getrennt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Mikrocontroller 24 das Schaltsignal zur Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung in Abhängigkeit von externen Befehlsdaten 28 (in 1 nicht gezeigt) erzeugen. Der Kommunikationsanschluss 26 ist in der hier gezeigten Ausführungsform dazu eingerichtet, die externen Befehlsdaten 28 kabellos adressbasiert zu empfangen.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der hier beschriebenen Kontaktierungsvorrichtung 10 in Draufsicht. In der hier gezeigten Ausführungsform ist die Verschaltungseinrichtung 13 (nicht in 2 gezeigt) ebenfalls komplett durch das Gehäuse 11 ummantelt und weist zwei elektrische Anschlusskontakte 20, einen zu beiden Seiten der Kontaktierungsvorrichtung 10 ausgebildeten Kommunikationsanschluss 26, zwei zusätzliche elektrische Anschlusskontakte 34 sowie ein Überbrückungsschaltelement 36, welches über eine elektrisch leitende Verbindung mit den beiden elektrischen Anschlusskontakten 20 verschaltet ist, auf. Das Überbrückungsschaltelement 36 ist in der hier gezeigten Ausführungsform dazu eingerichtet, die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden elektrischen Anschlusskontakten 20 in Abhängigkeit von einem Überbrückungsschaltsignal abwechselnd zu unterbrechen und herzustellen. Eine Überbrückung einer derart mit einer Kontaktierungsvorrichtung 10 ausgerüsteten Batteriezelle 12 führt dazu, dass bei in Reihe geschalteten Batteriezellen eine beispielsweise schadhafte Batteriezelle 12 überbrückt ist, und damit der Betrieb der restlichen Batteriezellen der Batterie gefahrlos fortgesetzt werden kann.
  • Die Elektromobilität gewinnt zunehmend an Bedeutung. Für den Schritt in den Massenmarkt ist zum einen eine Erhöhung der Energiedichte der verbauten Batterien notwendig, um das Zusatzgewicht im Kraftfahrzeug gering zu halten. Zum anderen ermöglichen großformatige Batteriezellen eine Kostenreduktion in der Fertigung. Sowohl die Erhöhung der Energiedichte einer einzelnen Batteriezelle, als auch die Ausgestaltung als großformatige Zelle bedeutet eine erhöhte Belastung der gesamten Batteriezelle im Betrieb und somit ein erhöhtes Ausfallrisiko der einzelnen Batteriezelle.
  • In der Regel sind die Batteriezellen (also die Anschlusskontakte der Batteriezellen) über verschweißte Stromschienen miteinander verbunden, sodass bei einer Parallelschaltung mehrerer Batteriezellen im Falle eines internen Zell-Kurzschlusses die parallel verbundene kurzgeschlossene Batteriezelle zusätzlichen Kurzschlussstrom bereitstellt.
  • Um die Batterie bei fehlerhaften Betrieb einer Batteriezelle zu schützen, ist es vorteilhaft, einzelne Batteriezellen über Schaltelemente in oder auf den einzelnen Batteriezellen inaktiv schalten zu können. Die Auslösung der Schaltung kann dabei entweder über ein Bussystem mit zentralem Steuergerät, oder über künstliche Intelligenz erfolgen.
  • Nachteilig bei der Integration solcher Schaltelemente in die Batteriezelle oder auf die Batteriezelle ist es, dass ein großer Eingriff in das Zelldesign erfolgt, was die Abhängigkeit von bestimmten Zellherstellern erhöht. Zudem sind bekannte Ausführungen von Batteriezellen mit aufgesetzten Printed Circuit Boards (also Verschaltungseinrichtungen) empfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen und Produktionsbedingungen.
  • Ein Zusatz-Deckel mit integriertem PCB (also ein Aufsatzbauteil mit Verschaltungsvorrichtung) zur Umwandlung von Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, in schaltbare, intelligente Batteriezellen kann Abhilfe schaffen. Dies kann realisiert werden durch ein Gehäuse mit integriertem PCB (also integrierter Verschaltungseinrichtung), welches sich mit geringem Aufwand auf eine einzelne Batteriezelle als Hut oder Kappe aufbringen lässt.
  • Besonders vorteilhaft bei der vorgeschlagenen Lösung ist es, dass eine schnelle und kostengünstige Umrüstung von Standard-Zellen in schaltbare, intelligente Zellen ermöglicht ist. Durch diesen Ansatz können beliebige Zelten von beliebigen Herstellen umgerüstet werden und das Know-How bleibt beim Entwickler des Hutes (also des Aufsatzbauteils). Durch das Gehäuse ist die Schaltung robust gegenüber Umgebungseinflüssen und Produktionsbedingungen.
  • Das Gehäuse ummantelt in einem konkreten Ausführungsbeispiel die komplette intelligente Schaltung (PCB oder Verschaltungseinrichtung), sowie die Schaltelemente. Die Kontaktierung der Zellpole (also der elektrischen Pole der Batteriezelle) an das PCB (also an die Verschaltungseinrichtung) erfolgt über eine stoff- oder kraftschlüssige Verbindung. Nach dem Aufsetzen und Verbinden des Hutes (also der als Aufsatzbauteil ausgestalteten Kontaktierungsvorrichtung) mit der Zelle ist diese zu einer schaltbaren, intelligenten Zelle aufgerüstet. Nach außen geführt werden die schaltbaren Pole für die positive und negative Elektrode (also die Anschlusskontakte), sowie ein Kommunikationsanschluss, welcher entweder als Bus zum Durchschleifen (2 Anschlüsse), oder als einzelner Anschluss ausgeführt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann ein Wegfall der Kommunikationsanschlüsse durch die Einrichtung einer drahtlosen Kommunikation erreicht werden.
  • Jedes Ein- oder Ausschalten und/oder jede Überbrückung einer schadhaften Zelle kann in einem Fehlerspeicher des Kraftfahrzeugs gespeichert werden.
  • Eine Ausgabe einer Fehlermeldung, beispielsweise an einen Fahrzeugführer, kann zusätzlich erfolgen.
  • Die Grundfunktionalität der Zellüberwachung ist immer gegeben, also beispielsweise auch dann, wenn die Zündung des Kraftfahrzeugs ausgeschaltet ist. Bei einem Zündungssignal bei Einschalten der Zündung des Kraftfahrzeugs werden alle Funktionalitäten der Schaltung aktiviert.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Messeinrichtung (also der Sensor) sich in einem Ruhezustand befinden und sich nach einem bestimmten Zeitintervall, beispielsweise nach einer Stunde, an der Steuereinheit des Batteriemanagementsystems des Kraftfahrzeugs mit einer Statusmeldung für kurze Zeit wieder anmelden, bevor er wieder in den Ruhezustand übergeht.
  • Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung mittels eines Zusatz-Deckels mit integriertem PCB (also mittels einer als Aufsatzbauteil ausgestalteten Kontaktierungsvorrichtung mit integrierter Verschaltungsvorrichtung) eine bestehend Batteriezellen, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle, in eine schaltbare, intelligente Batteriezelle umgewandelt werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007017018 A1 [0004]
    • DE 102016222074 A1 [0006]
    • DE 102012205136 A1 [0008]

Claims (10)

  1. Kontaktierungsvorrichtung (10) für eine Batteriezelle (12) für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, aufweisend ein aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes Gehäuse (11) und eine von dem Gehäuse (11) zumindest teilweise umfasste Verschaltungseinrichtung (13), wobei die Verschaltungseinrichtung (13) mindestens ein Kontaktelement (16) zur jeweiligen elektrischen Kontaktierung eines jeweiligen elektrischen Pols (14) der Batteriezelle (12) und einen jeweiligen elektrisch mit dem mindestens einen Kontaktelement (16) über ein jeweiliges Schaltelement (18) verschalteten elektrischen, von außen zugänglichen Anschlusskontakt (20) aufweist, wobei die Kontaktierungsvorrichtung (10) als ein Aufsatzbauteil zum Aufsetzen auf den zumindest einen Pol (14) der Batteriezelle (12) ausgestaltet ist und hierzu das Gehäuse (11) als eine Kappe zum Aufsetzen auf eine den jeweiligen Pol (14) aufweisende Seite der Batteriezelle (12) ausgestaltet ist und das mindestens eine Kontaktelement (16) an einer der Seite der Batteriezelle (12) beim Aufsetzen zuzuwendenden Gehäuseseite des Gehäuses (11) angeordnet und dazu eingerichtet ist, den jeweiligen Pol (14) der Batteriezelle (12) im aufgesetzten Zustand der Kappe zu berühren, wobei das mindestens eine Schaltelement (18) dazu eingerichtet ist, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Kontaktelement (16) und dem mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt (20) in Abhängigkeit von einem Schaltsignal abwechselnd zu unterbrechen und herzustellen.
  2. Kontaktierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Verschaltungseinrichtung (13) einen Mikrocontroller (24) aufweist und der Mikrocontroller (24) dazu eingerichtet ist, das Schaltsignal in Abhängigkeit von einem aktuellen Wert eines Betriebsparameters (27) der Batteriezelle (12) und/oder in Abhängigkeit von externen Befehlsdaten (28) zu erzeugen.
  3. Kontaktierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die Verschaltungseinrichtung (13) mindestens einen Sensor (22) aufweist, der mit dem Mikrocontroller (24) gekoppelt ist, und wobei mittels des mindestens einen Sensors (22) mindestens ein Betriebsparameter (27) der Batteriezelle (12) erfassbar ist, und wobei der Mikrocontroller (24) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebsparameter (27) einen Schaltzustand des mindestens einen Schaltelements (18) zu verändern.
  4. Kontaktierungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verschaltungseinrichtung (13) einen Kommunikationsanschluss (26) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, mit einer Steuerungseinrichtung eines Batteriemanagementsystems der Batterie kabelgebunden und/oder kabellos zu kommunizieren.
  5. Kontaktierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei der Kommunikationsanschluss (26) dazu eingerichtet ist, von der Steuereinrichtung des Batteriemanagementsystems der Batterie adressbasiert angesteuert zu werden und Befehlsdaten (28) zu empfangen.
  6. Kontaktierungsvorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Kommunikationsanschluss (26) dazu eingerichtet ist, von der Steuerungseinrichtung des Batteriemanagementsystems ausgesendete Befehlsdaten (28) zu einem Kommunikationsanschluss einer weiteren Kontaktierungsvorrichtung durchzuschleifen.
  7. Kontaktierungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verschaltungseinrichtung (13) mindestens einen zusätzlichen elektrischen Anschlusskontakt (34) aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine elektrische Verbindung zwischen der Batteriezelle (12) und mindestens einer benachbarten Batteriezelle der Batterie herzustellen.
  8. Kontaktierungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verschaltungseinrichtung (13) ein zweites Kontaktelement (16) zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten elektrischen Pols (14) der Batteriezelle (12) und einen zweiten elektrisch mit dem zweiten Kontaktelement (16) über ein zweites Schaltelement (18) verschalteten elektrischen, von außen zugänglichen Anschlusskontakt (20) aufweist, und wobei die Verschaltungseinrichtung (13) ein Überbrückungsschaltelement (36) aufweist, das dazu eingerichtet ist, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem mindestens einen elektrischen Anschlusskontakt (20) und dem zweiten elektrischen Anschlusskontakt (20) in Abhängigkeit von einem Überbrückungsschaltsignal abwechselnd zu unterbrechen und herzustellen.
  9. Batteriezelle (12) mit einer Kontaktierungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktierungsvorrichtung (10) und die Batteriezelle (12) derart in einem Verbund zusammengefügt sind, dass die Außenflächen des Gehäuses (11) der Kontaktierungsvorrichtung (10) bündig mit den Außenflächen eines Zellengehäuses der Batteriezelle (12) abschließen, und dass der zumindest eine elektrische Pol (14) der Batteriezelle (12) elektrisch mit dem mindestens einen Kontaktelement (16) der Kontaktierungsvorrichtung (10) verbunden ist.
  10. Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriezellen (12) nach Anspruch 9.
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