DE102019215805A1

DE102019215805A1 - Anordnung zur Zustandsbestimmung bei einer Batteriezelle, Batteriemanagementvorrichtung und Batteriesystem mit einer Anordnung

Info

Publication number: DE102019215805A1
Application number: DE102019215805.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Dietrich; Gerhard Eser
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Offenbart wird eine Anordnung (AO1, AO2) zur Zustandsbestimmung bei einer in einem Zellgehäuse (ZG) angeordneten Batteriezelle (BZ), wobei die Anordnung (AO1, AO2) mindestens ein mikro-elektromechanisches oder mikro-thermoelektrisches Sensorelement (SE) aufweist, das an oder in der Batteriezelle (BZ) oder an oder in dem Zellgehäuse (ZG) angeordnet ist und eingerichtet ist, mindestens einen ersten physikalischen Parameter und/oder dessen Veränderung an, bei oder in der Batteriezelle (BZ) oder an, bei oder in dem Zellgehäuse (ZG) zu messen, wobei die Anordnung (AO1, AO2) ferner eingerichtet ist, basierend auf Messwerten des ersten Parameters und/oder dessen Veränderung Zustand der Batteriezelle (BZ) und/oder deren Zellgehäuses (ZG) zu ermitteln.
Ferner werden eine Batterievorrichtung (BV) und ein Batteriesystem (BS) mit einer genannten Anordnung (AO1, AO2) offenbart.

Description

Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Zustandsbestimmung bei einer in einem Zellgehäuses angeordneten Batteriezelle einer Batterievorrichtung, insb. einer Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Batteriemanagementvorrichtung zum Betreiben einer Batterievorrichtung mit einer Anzahl von Batteriezellen, insb. einer Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einer genannten Anordnung.
Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
Lithium-Ionen-Batteriezellen oder sonstige Batteriezellen mit vergleichbaren Eigenschaften werden unter anderem in Traktionsbatteriesystemen von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu deren Antrieb verwendet. Dabei sind derartige Batteriezellen aufgrund ihrer Beschaffenheit, insb. Zellechemie, anfällig für äußere Einflüsse, wie z. B. eine starke Hitzeentwicklung. Darüber hinaus unterliegen die Batteriezellen wie andere technischen Komponenten einem unvermeidbaren Alterungsprozess. Dabei unterliegt der Alterungsgradient verschiedenen externen und internen Einflüssen, wie z. B. Zell- und Umgebungstemperatur, Zellbelastung etc. Entsprechend ist eine genaue Vorhersage über den Alterungszustand der Batteriezellen nahezu unmöglich. Darüber hinaus kann es bei den Batteriezellen in kritischen Situationen, wie z. B. bei einer Überhitzung, zu einem so genannten thermischen Durchgehen (auf Englisch „thermal runaway“) kommen. Bei einem thermischen Durchgehen reagieren einzelne Komponenten der Batteriezelle unkontrolliert miteinander unter einer starken Hitzeentwicklung und Gasbildung, was zu Brand oder Explosion der Batteriesysteme führt. Um dies zu vermeiden, muss ein thermisches Durchgehen bei den Batteriezellen frühzeitig erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Möglichkeit zur Zustandsbestimmung einer bzw. einzelner Batteriezelle bereitzustellen, mit der insb. Alterung einzelner Batteriezelle genauer ermittelt werden kann und/oder ein thermisches Durchgehen bei der bzw. einzelner Batteriezelle frühzeitig und zuverlässig erkannt werden kann.
Beschreibung der Erfindung:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zur Zustandsbestimmung bei einer (einzelnen) in einem (eigenen, zugehörigen) Zellgehäuse angeordneten Batteriezelle bereitgestellt.
Die Anordnung weist mindestens ein mikro-elektromechanisches oder mikro-thermoelektrisches (bzw. mikro-elektrothermisches) Sensorelement auf, das an oder in der Batteriezelle oder an oder in dem Zellgehäuse (insb. an einer Gehäusewand des Zellgehäuses und/oder innerhalb des Zellgehäuses) angeordnet ist. Das Sensorelement ist eingerichtet, einen ersten physikalischen Parameter und/oder dessen Veränderung an, bei oder in der Batteriezelle oder an, bei oder in dem Zellgehäuse zu erfassen bzw. zu messen. Die Anordnung ist ferner eingerichtet, basierend auf Messwerten des ersten Parameters und/oder dessen Veränderung, Zustand der Batteriezelle und/oder deren Zellgehäuses zu ermitteln.
Die Erfindung basiert auf Erkenntnissen, dass sich einige Parameter der Batteriezelle und/oder deren Zellgehäuses, wie z. B. die Zelltemperatur oder das Zellvolumen, abhängig von dem Zustand der Batteriezelle und/oder deren Zellgehäuses wie der Alterung der Batteriezelle verändern, wobei diese Veränderungen auch mittels eines mikro-elektromechanischen oder mikro-thermoelektrischen Sensorelements gemessen werden können.
Dabei habt das mikro-elektromechanische oder mikro-thermoelektrische Sensorelement als ein Mikrosystem (MEMS) den Vorteil, dass es direkt an, bei oder in der Batteriezelle oder an, bei oder in dem Zellgehäuse, also innerhalb der Batteriezelle oder innerhalb des Zellgehäuses bzw. zumindest an dem Zellgehäuse angebracht werden kann, ohne dabei das Volumen, die Form und sonstige Eigenschaften der Batteriezelle bzw. des Zellgehäuses geändert werden müssen. Dabei weist ein mikro-elektromechanisches oder mikro-thermoelektrisches Sensorelement im Vergleich zu konventionellen „Makro“-Sensoren eine höhere Empfindlichkeit gegenüber dem zu messenden Parameter auf und kann somit den Parameter bzw. dessen Veränderung mit einer vergleichsweise höheren Genauigkeit erfassen. Entsprechend kann der Zustand, wie die Alterung, der Batteriezelle bzw. des Zellgehäuses mittels eines mikro-elektromechanischen oder mikro-thermoelektrischen Sensorelements in einer entsprechend hohen Genauigkeit zuverlässig ermittelt werden.
Dadurch, dass das Sensorelement als ein Mikrosystem an sich ein sehr kleines Volumen aufweiset und durch eine direkte Anordnung an, bei oder in der Batteriezelle oder an, bei oder in dem Zellgehäuse, bzw. innerhalb der Batteriezelle oder des Zellgehäuses oder zumindest an dem Zellgehäuse in die Batteriezelle bzw. deren Zellgehäuse integriert/eingebettet ist, kann es eine Parameterveränderung ohne bzw. mit nur einer vernachlässigbar geringen zeitliche Verzögerung umgehend erfassen. Entsprechend kann ein kritischer Zustand, wie z. B. ein thermisches Durchgehen, bei der der Batteriezelle bzw. dem Zellgehäuse frühzeitig und zuverlässig erkannt werden.
Durch die Integration des Sensorelements innerhalb der Batteriezelle oder des Zellgehäuses oder zumindest an dem Zellgehäuse entfallen entsprechende konventionelle „Makro“-Sensoren und somit kann ein Batteriesystem bzw. eine Batterievorrichtung mit einer entsprechenden Funktion der Zustandsbestimmung bauraumsparend aufgebaut werden.
Damit ist eine Möglichkeit zur Zustandsbestimmung einer bzw. einzelner Batteriezelle bereitgestellt, mit der insb. Alterung einzelner Batteriezelle genauer ermittelt werden kann und/oder ein thermisches Durchgehen bei der bzw. einzelner Batteriezelle frühzeitig und zuverlässig erkannt werden kann.
Bspw. ist die Anordnung ferner eingerichtet, basierend auf den Messwerten des ersten Parameters und/oder dessen Veränderung, einen kritischen bzw. fehlerhaften Zustand der Batteriezelle und/oder deren Zellgehäuses, insb. ein thermisches Durchgehen bei der Batteriezelle, zu erkennen. Insb. werden die Messwerte mit einer oder mehreren Schwellwerten (bspw. einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert) des ersten Parameters und/oder dessen Veränderung verglichen und bei Unter- oder Überschreiten der Schwellwerte (je nachdem, ob die Schwellwerte die untere oder die obere Grenze darstellen) durch mindestens einen der Messwerte wird ein kritischer bzw. fehlerhafter Zustand, bzw. ein thermisches Durchgehen, erkannt.
Als den ersten physikalischen Parameter und/oder dessen Veränderung wird bspw. eine mechanische Verformung der Batteriezelle oder des Zellgehäuses oder eine Temperatur bzw. eine Temperaturveränderung an oder in der Batteriezelle oder an oder in dem Zellgehäuse erfasst. Mit anderen Worten: Eine durch bspw. (Luft-)Druckveränderung verursachte mechanische Verformung der Batteriezelle und/oder des Zellgehäuses oder eine Temperatur an oder in der Batteriezelle oder an oder in dem Zellgehäuse werden gemessen und zur Ermittlung des Zustandes herangezogen. Da der Druck und die Temperatur gegenseitig beeinflussen, werden bei der Messung der druckbedingten Verformung eine Temperaturkompensation und umgekehrt bei der Messung der Temperaturveränderung eine Druckkompensation durchgeführt und die jeweiligen Messwerte entsprechend um diese Einflussfaktoren kompensiert bzw. von diesen Einflussfaktoren bereinigt, bevor diese zur Ermittlung des Zustandes herangezogen werden.
Bspw. weist das Sensorelement einen Dehnungsmessstreifen zur Messung der mechanischen Verformung der Batteriezelle oder deren Zellgehäuses auf. Dabei ist der Dehnungsmessstreifen bspw. direkt an der Batteriezelle bzw. an deren Zellenwand oder an dem Zellgehäuse bzw. dessen Gehäusewand angebracht. Die Verformung der Batteriezelle bzw. deren Zellenwand oder des Zellgehäuses bzw. dessen Gehäusewand kann somit direkt an der Verformung bzw. einer Ausdehnung oder einer Kontraktion des Dehnungsmessstreifens erkannt und gemessen werden. Dabei kann der Dehnungsmessstreifen bspw. als ein elektrischer Widerstand ausgebildet sein, der bei einer mechanischen Verformung seinen Widerstandswert verändert.
Bspw. weist das Sensorelement einen temperaturabhängigen Widerstand, wie z. B. einen Heißleiter oder einen Kaltleiter, zur Messung der Temperaturveränderung an oder in der Batteriezelle bzw. an oder in dem Zellgehäuse auf. Dabei ist der Widerstand an oder in der Batteriezelle bzw. an oder in dem Zellgehäuse angeordnet.
Bspw. weist die Anordnung ferner mindestens eine Sensorsignalauswerteeinheit und mindestens eine Signalverbindung auf. Dabei verbindet die Signalverbindung das Sensorelement mit der Sensorsignalauswerteeinheit signaltechnisch und ermöglicht somit die Übertragung der Messwerte des Sensorelements von dem Sensorelement an die Sensorsignalauswerteeinheit. Die Sensorsignalauswerteeinheit ist außerhalb des Zellegehäuses angeordnet und eingerichtet, die von dem Sensorelement übertragenen Messwerte auszuwerten und basierend auf dem Auswerteergebnis den Zustand der Batteriezelle bzw. des Zellgehäuses zu ermitteln, und insb. einen kritischen bzw. fehlerhaften Zustand bei der Batteriezelle bzw. dem Zellgehäuse zu erkennen. Bspw. ist die Sensorsignalauswerteeinheit von der Batteriezelle bzw. deren Zellgehäuse eigenständig und insb. von dem Zellgehäuse räumlich beabstandet angeordnet. Insb. ist die Sensorsignalauswerteeinheit als Teile einer zentralen Batteriemanagementvorrichtung einer Batterievorrichtung ausgebildet, wobei die oben genannte Batteriezelle wiederum bspw. ein Teil der Batterievorrichtung ist.
Bspw. ist die Sensorsignalauswerteeinheit ferner eingerichtet, durch Auswerten der Messwerte des Sensorelements Ladezustand (auf Englisch „State Of Charge, SOC“), Alterungszustand (auf Englisch „State Of Health, SOH“) und/oder Funktionsgrad (auf Englisch „State Of Function, SOF“) der Batteriezelle bzw. deren Zellgehäuse zu ermitteln.
Bspw. weist die Anordnung ferner mindestens ein Sensorcluster auf, das das oben genannte Sensorelement und mindestens ein weiteres mikro-elektromechanisches oder mikro-thermoelektrisches Sensorelement aufweist. Dabei ist das weitere Sensorelement ebenfalls an oder in der Batteriezelle oder an oder in dem Zellgehäuse angeordnet. Ferner ist das weitere Sensorelement eingerichtet, den gleichen ersten Parameter und/oder dessen Veränderung (wie das oben genannte Sensorelement), oder mindestens einen weiteren physikalischen Parameter und/oder dessen Veränderung an, bei oder in der Batteriezelle oder an, bei oder in dem Zellgehäuse zu erfassen bzw. zu messen. Dabei können die Sensorelemente bspw. von einem und demselben Typ und in einer und derselben Ausführung (wie z. B. einer gleichen Messgenauigkeit) oder in unterschiedlichen Ausführungen (wie z. B. unterschiedlichen Messgenauigkeiten) ausgeführt sein. Alternativ können die Sensorelemente von unterschiedlichen Typen (wie z. B. jeweils ein mikro-elektromechanisches Sensorelement und ein mikro-thermoelektrisches Sensorelement) ausgeführt sein.
Die Anordnung weist bspw. ferner mindestens eine weitere Signalverbindung auf, die zur Übertragung von Messwerten des weiteren Sensorelements an die Sensorsignalauswerteeinheit das weitere Sensorelement mit der Sensorsignalauswerteeinheit signaltechnisch verbindet. Dabei ist die Sensorsignalauswerteeinheit ferner eingerichtet, durch Auswerten der Messwerte aller Sensorelemente den Zustand der Batteriezelle bzw. des Zellgehäuses zu ermitteln, und insb. einen kritischen bzw. fehlerhaften Zustand bei der Batteriezelle bzw. dem Zellgehäuse zu erkennen.
Bspw. weist die Anordnung ferner mindestens eine integrierte Schaltungseinheit auf, die an oder in der Batteriezelle oder an oder in dem Zellgehäuse angeordnet ist und ebenfalls in die Batteriezelle bzw. deren Zellgehäuse integriert ist. Dabei ist die Schaltungseinheit signaleingangsseitig mit den beiden Sensorelementen des Sensorclusters signaltechnisch verbunden und signalausgangsseitig mit der Sensorsignalauswerteeinheit signaltechnisch verbunden. Die Schaltungseinheit ist eingerichtet, Messwerte der Sensorelemente aus diesen Sensorelementen auszulesen und an die Sensorsignalauswerteeinheit weiterzuleiten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Batteriemanagementvorrichtung zum Betreiben einer Batterievorrichtung, insb. einer Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bereitgestellt, wobei die Batterievorrichtung ein Batteriegehäuse und eine Anzahl von im Inneren eines Batteriegehäuses angeordneten Batteriezellen aufweist.
Die Batteriemanagementvorrichtung weist mindestens eine Anordnung auf, die an oder in einem Zellgehäuse einer der Batteriezellen angeordnet ist und eingerichtet ist, den Zustand der einen (bzw. der einzigen) Batteriezelle zu bestimmen. Die Batteriemanagementvorrichtung weist ferner eine Batteriesteueranordnung auf, die zum Betreiben, also zum Steuern oder Regeln, der einzelnen Batteriezellen eingerichtet ist. Dabei ist die Batteriesteueranordnung signaleingangsseitig mit der Anordnung bzw. deren Signalausgang signaltechnisch verbunden und ferner eingerichtet, abhängig von dem von der Anordnung ermittelten, insb. kritischen bzw. fehlerhaften, Zustand die jeweilige (einzelne betroffene) Batteriezelle zu betreiben, insb. von der Batterievorrichtung elektrisch zu trennen.
Hierbei unterscheidet sich ein Batteriegehäuse von einem Zellgehäuse. In einem Zellegehäuse wird generell nur eine Batteriezelle bzw. eine beschränkte Anzahl von Batteriezellen angeordnet, wobei diese Batteriezelle/n samt dem Zellgehäuse eine nicht zerstörungsfrei trennbare modulare Batteriezelleinheit einer Batterievorrichtung bzw. die kleinste Einheit der Batterievorrichtung ausbilden. Aus einer Vielzahl von diesen Einheiten wird eine Batterievorrichtung samt einem Batteriegehäuse ausgebildet, wobei in diesem einen Batteriegehäuse die Vielzahl von den genannten Batteriezelleinheiten samt den jeweiligen Zellgehäusen eingebaut ist. Im Gegensatz zu den nicht zerstörungsfrei trennbaren modularen Batteriezelleinheiten ist eine Batterievorrichtung durch Anpassen der Anzahl der Einheiten je nach der Anforderung an Ladekapazität fast beliebig erweiterbar durch eine entsprechende Anpassung der Anzahl der Batteriezelleinheiten bzw. des Volums des Batteriegehäuses. Sind eine oder andere Batteriezelleinheiten einer Batterievorrichtung defekt, so können diese defekten Batteriezelleinheiten ausgetauscht werden, ohne dabei die Funktionalität der intakten Batteriezelleinheiten gestört wird. Nach dem Austausch der defekten Batteriezelleinheit kann die Batterievorrichtung weiterverwendet werden. Ist eine Batteriezelleinheit defekt, so wird diese ausgemustert, und vorzugsweise recycelt.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Batteriesystem, insb. ein Traktionsbatteriesystem eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bereitgestellt.
Das Batteriesystem weist eine Batterievorrichtung auf, die ein Batteriegehäuse und eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, wobei die Batteriezellen im Inneren des Batteriegehäuses angeordnet sind. Das Batteriesystem weist ferner eine zuvor beschriebene Batteriemanagementvorrichtung auf, die dieselbe Vielzahl von den zuvor beschriebenen Anordnungen wie die der Batteriezellen aufweist. Dabei sind die Anordnungen jeweils zu jeweils einer der Batteriezellen zugeordnet und eingerichtet, Zustand der jeweiligen zugeordneten Batteriezellen zu ermitteln. Die Batteriemanagementvorrichtung ist ferner eingerichtet, entsprechend den von den jeweiligen Anordnungen ermittelten Zuständen der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellen die jeweiligen einzelnen Batteriezellen zu betreiben. Ermittelt eine der Anordnungen einen kritischen Zustand bei einer zugeordneten Batteriezelle, so trennt die Batteriemanagementvorrichtung die entsprechende Batteriezelle von der Batterievorrichtung elektrisch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Anordnung sind, soweit im Übrigen, auf die oben genannte Batteriemanagementvorrichtung bzw. auf das oben genannte Batteriesystem übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Batteriemanagementvorrichtung bzw. des Batteriesystems anzusehen.
Figurenliste
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 in einer schematischen Darstellung ein Batteriesystem mit einer Batterievorrichtung und einer Batteriemanagementvorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
2 in einer weiteren schematischen Darstellung ein Teil einer Anordnung der Batteriemanagementvorrichtung aus 1 ;
3 in einer weiteren schematischen Darstellung ein Batteriesystem mit einer Batterievorrichtung und einer Batteriemanagementvorrichtung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
4 in einer weiteren schematischen Darstellung ein Teil einer Anordnung der Batteriemanagementvorrichtung aus 3.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung:
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Batteriesystem BS (bzw. ein Teil davon) mit einer Batterievorrichtung BV und einer Batteriemanagementvorrichtung BM BS (bzw. jeweils ein Teil davon) gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die Batterievorrichtung BV ist in dieser Ausführungsform als eine Traktionsbatterievorrichtung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgebildet. Die Batterievorrichtung BV weist ein Batteriegehäuse BG und eine Vielzahl von Batteriezellen BZ auf (In der Figur sind beispielhaft drei Batteriezellen BZ dargestellt), die in dem Batteriegehäuse BG angeordnet sind und von diesem auch vor mechanischen und sonstigen äußeren Einflüssen geschützt sind. Als die Batteriezellen BZ werden Lithium-Ionen-Batteriezellen bspw. in Form von Pouch-Zellen verbaut.
Das Batteriegehäuse BG weist an der Gehäusewand Öffnungen OF auf, durch die Luft bzw. Gas zwischen dem Inneren des Batteriegehäuses BG und der Umgebung des Batteriegehäuses BG strömen kann. Durch die Öffnungen OF wird der Luftdruck im Inneren des Batteriegehäuses BG dem Luftdruck in der Umgebung des Batteriegehäuses BG angeglichen.
Die Batteriemanagementvorrichtung BM ist ebenfalls in dem Batteriegehäuse BG angeordnet und dient dazu, die Batterievorrichtung BV bzw. das Batteriesystem BS zu betreiben. Dabei betreibt die Batteriemanagementvorrichtung BM die Batterievorrichtung BV bzw. die Batteriezellen BZ in einer Art und Weise, dass die Batteriezellen BZ möglichst geschont werden, insb. vor einer Überladung oder einer Tiefentladung.
Trotz des schützenden Batteriegehäuses BG sind die Batteriezellen BZ vielen äußeren Einflüssen, wie z. B. hohen Umgebungstemperaturen bzw. starken Temperaturschwankungen oder starken mechanischen Vibrationen insb. aufgrund des Einsatzgebietes in Fahrzeugen, ausgesetzt, welche die Funktionstüchtigkeit der Batteriezellen BZ beeinträchtigen und gar zu vorzeitigen Ausfällen der Batteriezellen BZ führen können.
Darüber hinaus unterliegen die Batteriezellen BZ wie nahezu alle technischen Komponenten einem unvermeidbaren Alterungsprozess, welcher zusätzlich zu den oben genannten Einflüssen die Funktionstüchtigkeit der Batteriezellen BZ beeinträchtigt und zu vorzeitigen Ausfällen der Batteriezellen BZ führen kann.
Außerdem weisen Batteriezellen BZ an sich aufgrund deren Beschaffenheit und Materialzusammensetzung diverse Gefährdungspotenziale auf. Eins der Gefährdungspotenziale, die von den Batteriezellen BZ wie den Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgehen, ist das so genannte thermische Durchgehen (auf Englisch „Thermal Runaway“). Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung können sich die Batteriezellen BZ bei bestimmten Situationen, wie z. B. bei einer mechanischen Beschädigung oder einem elektrischen Kurzschluss, unkontrollierbar überhitzen, was wiederum zu Brand oder Explosion der Batterievorrichtung BV bzw. des gesamten Batteriesystems BS führen kann.
Um die Funktionstüchtigkeit der Batteriezellen BZ zu überwachen und bevorstehende Ausfälle der Batteriezellen BZ und Gefahren wie ein (drohendes) thermisches Durchgehen durch die Batteriezellen BZ möglichst frühzeitig erkennen und geeignete Maßnahmen einleiten zu können, weist die Batteriemanagementvorrichtung BM eine Vielzahl von Anordnungen AO1 auf, welche jeweils zu je einer Batteriezelle BZ zugeordnet sind. Dabei entspricht die Anzahl der Anordnungen AO1 der Anzahl der Batteriezellen BZ (In der Figur sind beispielhaft drei Anordnungen AO1 entsprechend den drei dargestellten Batteriezellen BZ dargestellt).
Die Anordnungen AO1 weisen jeweils ein mikro-elektromechanisches oder mikro-thermoelektrisches Sensorelement SE und jeweils eine Sensorsignalauswerteeinheit SA auf, die über jeweils eine Signalverbindung SV mit dem jeweiligen korrespondierenden Sensorelement SE signaltechnisch verbunden sind.
Die Sensorelemente SE der jeweiligen Anordnungen AO1 sind jeweils an den Zellgehäusen ZG der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellen BZ angeordnet.
Dabei sind die Sensorelemente SE als mikro-elektromechanische Drucksensoren (MEMS- Drucksensoren) ausgebildet und weisen jeweils einen Dehnungsmessstreifen (oder ähnliche mikro-elektromechanische Sensorelemente, die auf Zug bzw. Schub sich in ihrem elektrischen Widerstand ändern) zur Messung der mechanischen (dehnenden und stauchenden) Verformung der jeweiligen Zellgehäuse ZG auf. Dabei sind die Dehnungsmessstreifen jeweils an den Zellgehäusen ZG der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellen BZ bzw. deren jeweiligen Gehäusewand angeordnet und verformen sich proportional zur Verformung der jeweiligen Zellgehäuse ZG und ändern sich dabei ihre elektrische Widerstände. Da sich das Zellgehäuse ZG bzw. dessen Gehäusewand in der Regel abhängig von dem Luftdruck im Inneren des Zellgehäuses ZG verändern, bestehen zwischen dem Luftdruck im Inneren des Zellgehäuses ZG und der Verformung des an dem Zellgehäuse ZG angebrachten Dehnungsmessstreifen einen direkten, insb. quasi-linearen, Zusammenhang. Dieser Zusammenhang wird zunutze gemacht. Als Messwerte werden elektrische Widerstände der Dehnungsmessstreifen der jeweiligen Sensorelemente SE erfasst und über die jeweiligen Signalverbindungen SV an die jeweiligen korrespondierenden Sensorsignalauswerteeinheiten SA weitergeleitet. Die Sensorsignalauswerteeinheiten SA sind eingerichtet, basierend auf den übermittelten Widerstandsmesswerten der jeweiligen Sensorelemente SE Druckwerte (bzw. deren Veränderungen) im Inneren der Zellgehäuse ZG der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellen BZ zu ermitteln.
Alternativ sind die Sensorelemente SE als mikro-thermoelektrische Temperatursensoren (MEMS-Temperatursensoren) ausgebildet und weisen jeweils einen temperaturabhängigen Widerstand, wie z. B. Kaltleiter (PTC-Widerstand) oder Heißleiter (NTC-Widerstand), zur Messung der Temperatur an Oberflächen der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellen BZ auf, die jeweils in den Zellgehäusen ZG der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellen BZ angeordnet sind. Als Messwerte werden temperaturbedingte elektrische Widerstände der jeweiligen Sensorelemente SE erfasst und über die jeweiligen Signalverbindungen SV an die jeweiligen korrespondierenden Sensorsignalauswerteeinheiten SA weitergeleitet. Die Sensorsignalauswerteeinheiten SA sind eingerichtet, basierend auf den übermittelten Widerstandsmesswerten der jeweiligen Sensorelemente SE Temperaturen (bzw. deren Veränderungen) an den jeweiligen korrespondierenden Batteriezellen BZ zu ermitteln.
Insb. können die Sensorelemente SE als Messbrücken (Wheatstonesche Messbrücke) ausgeführt sein, womit kleine ohmschen Widerstandsänderungen gemessen werden können. Als ohmsche Messwiderstände der Messbrücke können die oben genannten Dehnungsmessstreifen oder die ebenfalls oben genannten temperaturabhängigen Widerstand verwendet werden, die bei druckbedingten Verformungen bzw. bei Temperaturveränderungen ihre Widerstandswerte verändern, welche wiederum über die Messbrücken gemessen werden können.
Die Sensorsignalauswerteeinheiten SA sind jeweils außerhalb der Zellgehäuse ZG der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellen BZ angeordnet. Signalausgangsseitig sind die Sensorsignalauswerteeinheiten SA mit einer zentralen Batteriesteueranordnung ST der Batteriemanagementvorrichtung BM signaltechnisch verbunden. Insb. sind die Sensorsignalauswerteeinheiten SA als Teil der zentralen Steueranordnung ST ausgeführt.
Die Sensorsignalauswerteeinheiten SA sind eingerichtet, die von den jeweiligen korrespondierenden Sensorelementen SE übermittelten Messwerte zu analysieren und basierend auf den Analyseergebnissen unter anderem Ladezustand (SOC), Funktionsgrad (SOF) und/oder Alterungszustand (SOH) der jeweiligen zugeordneten Batteriezellen BZ zu ermitteln und insb. auch kritische Zustände, wie z. B. ein drohendes thermisches Durchgehen, bei den jeweiligen zugeordneten Batteriezellen BZ zu erkennen. Erkennen die Sensorsignalauswerteeinheiten SA kritische Zustände wie das drohende thermische Durchgeben bei einer oder anderen zugeordneten Batteriezellen BZ, so geben diese entsprechende Warnsignale an die Steueranordnung ST ab.
Die Steueranordnung ST ist unter anderem eingerichtet, die jeweiligen Batteriezellen BZ basierend auf deren jeweiligen (ermittelten) Ladezustand (SOC), Funktionsgrad (SOF) und/oder Alterungszustand (SOH) zu betreiben, sprich zu steuern und zu regeln, sodass die entsprechenden Batteriezellen BZ nicht überlastet werden bzw. geschont betrieben werden. Darüber hinaus ist die Steueranordnung ST auch eingerichtet, beim Erhalt der Warnsignale von den Sensorsignalauswerteeinheiten SA die entsprechenden einzelnen Batteriezellen BZ in einer dem Fachmann bekannten Weise von der Batterievorrichtung BV elektrisch zu trennen und somit die Batterievorrichtung BV vor weiteren Schäden bspw. durch das thermische Durchgehen bei diesen einzelnen Batteriezellen BZ zu schützen.
2 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung eine der Anordnungen A01 aus 1 mit einer Batteriezelle BZ.
Die Batteriezelle BZ ist in dieser Ausführungsform als eine Pouch-Zelle ausgebildet und weist ein Zellgehäuse ZG auf, an dem auch Pluspol PP und Minuspol MP der Batteriezelle BZ angeordnet sind.
Das Sensorelement SE der Anordnung A01 ist im Inneren des Zellgehäuses ZG integriert. Dabei ist das Sensorelement SE vorzugsweise an einer ausgewählten Position im oder am Zellgehäuse ZG angeordnet, wo die Veränderung des zu messenden Parameters, sprich die druckbedingte Verformung oder die Temperaturveränderung im oder am Zellgehäuse ZG, am stärksten auftreten. Diese Position ist dann die für die Zustandsbestimmung, spricht für die Bestimmung des Ladezustandes (SOC), des Funktionsgrades (SOF) und/oder des Alterungszustandes (SOH), charakterisierende Position.
Die Signalverbindung SV ist dann vom Inneren des Zellgehäuses ZG ins Äußere des Zellgehäuses ZG geführt, sodass diese das im Inneren des Zellgehäuses ZG angeordnete Sensorelement SE mit der außerhalb des Zellgehäuses ZG angeordneten Sensorsignalauswerteeinheit SA (in der Figur nicht dargestellt) signaltechnisch verbindet.
3 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung ein Batteriesystem BS (bzw. ein Teil davon) mit einer Batterievorrichtung BV und einer Batteriemanagementvorrichtung BM BS (bzw. jeweils ein Teil davon) gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die Batteriemanagementvorrichtung BM in dieser Ausführungsform weist Anordnungen AO2 auf, die sich von den in 1 und 2 dargestellten Anordnungen AO1 unterscheiden.
Die Anordnungen AO2 weisen jeweils ein Sensorcluster SC mit mehreren mikro-elektromechanischen bzw. mikro-elektrothermischen Sensorelementen SE, SE1, SE2 (In der Figur beispielhaft drei davon dargestellt) auf, die im Inneren der Zellgehäuse ZG der jeweiligen korrespondierenden Batteriezellen BZ angeordnet sind. Dabei können die Sensorelemente SE, SE1, SE2 von einem und demselben Sensortyp, nämlich als MEMS-Temperatursensoren, und in einer und derselben Ausführung (wie z. B. einer gleichen Messgenauigkeit) oder in unterschiedlichen Ausführungen (wie z. B. unterschiedlichen Messgenauigkeiten) ausgeführt sein. Alternativ können die Sensorelemente SE, SE1, SE2 von unterschiedlichen Sensortypen (wie z. B. als MEMS-Temperatursensoren und MEMS-Drucksensoren) ausgeführt sein. Die Sensorelemente SE, SE1, SE2 sind eingerichtet, voneinander unabhängig den oder die physikalischen Parameter bzw. dessen/deren Veränderung/en zu messen und entsprechende Messwerte der Sensorsignalauswerteeinheit SA bereitzustellen. Hierzu ist das Sensorcluster SC über eine Signalverbindung SV mit der Sensorsignalauswerteeinheit SA signaltechnisch verbunden.
Die Sensorsignalauswerteeinheit SA ist eingerichtet, durch Auswerten der Messwerte aller Sensorelemente SE, SE1, SE2 den Zustand der jeweiligen Batteriezelle BZ bzw. deren Zellgehäuses ZG zu ermitteln und einen kritischen bzw. fehlerhaften Zustand bei der Batteriezelle BZ bzw. dem Zellgehäuse ZG zu erkennen.
Die Sensorelemente SE, SE1, SE2 von demselben Sensortyp und in derselben Ausführung sind redundant zueinander. Bei Ausfall eines oder anderer Sensorelemente SE, SE1, SE2, können die restlichen Sensorelemente SE, SE1, SE2 desselben Sensortyps und in derselben Ausführung weiterhin den Parameter erfassen.
Die Sensorelemente SE, SE1, SE2 von unterschiedlichen Sensortypen ergänzen sich zueinander. Dadurch können verschiedene Parameter, wie die druckbedingte Verformung des Zellgehäuses ZG und die Temperatur an der Batteriezelle BZ etc., zeitgleich erfasst und ausgewertet werden, wodurch wiederum die Genauigkeit der Zustandsbestimmung erhöht wird.
4 zeigt in einer weiteren schematischen dreidimensionalen Darstellung eine der Anordnungen AO2 aus 3 mit einer Batteriezelle BZ.
Wie bei der in 2 dargestellten Anordnung A01 sind die Sensorelemente SE, SE1, SE2 (In der Figur beispielhaft fünf davon dargestellt) des Sensorclusters SC der Anordnung AO2 im Inneren des Zellgehäuses ZG integriert. Dabei sind die Sensorelemente SE voneinander räumlich beabstandet an ausgewählten, für die Bestimmung des Ladezustandes (SOC), des Funktionsgrades (SOF) und/oder des Alterungszustandes (SOH), charakterisierenden Positionen im oder am Zellgehäuse ZG angeordnet.
Die Anordnung AO2 weist ferner eine integrierte Schaltungseinheit IS auf, die ebenfalls im Inneren des Zellgehäuses ZG integriert ist. Vorzugsweise ist die integrierte Schaltungseinheit IS im Inneren des Zellgehäuses ZG an einer Gehäusewand des Zellgehäuses ZG angeordnet. Die Schaltungseinheit IS ist signaleingangsseitig über weitere Signalverbindungen SV1 mit den Sensorelementen SE, SE1, SE2 des Sensorclusters SC signaltechnisch verbunden und signalausgangsseitig über die Signalverbindung SV des Sensorclusters SC mit der Sensorsignalauswerteeinheit SA (in der Figur nicht dargestellt) signaltechnisch verbunden. Dabei sind die weiteren Signalverbindungen SV1 im Inneren des Zellgehäuses ZG bzw. an dessen Gehäusewand ausgeführt/eingebettet. Dagegen ist die Signalverbindung SV vom Inneren des Zellgehäuses ZG ins Äußere des Zellgehäuses ZG geführt, sodass diese die im Inneren des Zellgehäuses ZG angeordnete integrierte Schaltungseinheit IS mit der außerhalb des Zellgehäuses ZG angeordneten Sensorsignalauswerteeinheit SA (in der Figur nicht dargestellt) signaltechnisch verbindet.
Die Schaltungseinheit ist IS eingerichtet, Messwerte der Sensorelemente SE, SE1, SE2 aus diesen Sensorelementen SE, SE1, SE2 auszulesen und an die Sensorsignalauswerteeinheit SA weiterzuleiten.

Claims

Anordnung (AO1, AO2) zur Zustandsbestimmung bei einer in einem Zellgehäuse (ZG) angeordneten Batteriezelle (BZ), wobei die Anordnung (AO1, AO2) mindestens ein mikro-elektromechanisches oder mikro-thermoelektrisches Sensorelement (SE) aufweist, das an oder in der Batteriezelle (BZ) oder an oder in dem Zellgehäuse (ZG) angeordnet ist und eingerichtet ist, mindestens einen ersten physikalischen Parameter und/oder dessen Veränderung an, bei oder in der Batteriezelle (BZ) oder an, bei oder in dem Zellgehäuse (ZG) zu messen, wobei die Anordnung (AO1, AO2) ferner eingerichtet ist, basierend auf Messwerten des ersten Parameters und/oder dessen Veränderung Zustand der Batteriezelle (BZ) und/oder deren Zellgehäuses (ZG) zu ermitteln.
Anordnung (AO1, AO2) nach Anspruch 1, wobei die Anordnung (AO1, AO2) ferner eingerichtet ist, basierend auf den Messwerten des ersten Parameters und/oder dessen Veränderung einen kritischen Zustand der Batteriezelle (BZ) und/oder deren Zellgehäuses (ZG) zu erkennen.
Anordnung (AO1, AO2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei als den ersten physikalischen Parameter und/oder dessen Veränderung eine mechanische Verformung der Batteriezelle (BZ) oder deren Zellgehäuses (ZG), oder eine Temperaturveränderung an oder in der Batteriezelle (BZ), oder an oder in dem Zellgehäuse (ZG) erfasst wird.
Anordnung (AO1, AO2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (SE) einen Dehnungsmessstreifen zur Messung der mechanischen Verformung der Batteriezelle (BZ) oder deren Zellgehäuses (ZG) aufweist.
Anordnung (AO1, AO2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (SE) einen temperaturabhängigen Widerstand zur Messung der Temperaturveränderung an oder in der Batteriezelle (BZ), oder an oder in dem Zellgehäuse (ZG) aufweist.
Anordnung (AO1, AO2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner mindestens eine Sensorsignalauswerteeinheit (SA) und mindestens eine Signalverbindung (SV) aufweist; wobei die Signalverbindung (SV) das Sensorelement (SE) zur Übertragung der Messwerte des Sensorelements (SE) an die Sensorsignalauswerteeinheit (SA) mit der Sensorsignalauswerteeinheit (SA) signaltechnisch verbindet; wobei die Sensorsignalauswerteeinheit (SA) außerhalb des Zellgehäuses (ZG) angeordnet ist und eingerichtet ist, durch Auswerten der Messwerte des Sensorelements (SE) den Zustand der Batteriezelle (BZ) und/oder deren Zellgehäuses (ZG) zu ermitteln.
Anordnung (AO1, AO2) nach Anspruch 6, wobei die Sensorsignalauswerteeinheit (SA) ferner eingerichtet ist, durch Auswerten der Messwerte des Sensorelements (SE) Ladezustand, Alterungszustand und/oder Funktionsgrad der Batteriezelle (BZ) zu ermitteln.
Anordnung (AO2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner mindestens ein Sensorcluster (SC) aufweist, das das Sensorelement (SE) und mindestens ein weiteres mikro-elektromechanisches oder mikro-elektrothermisches Sensorelement (SE1, SE2) aufweist, das ebenfalls an oder in der Batteriezelle (BZ) oder an oder in dem Zellgehäuse (ZG) angeordnet ist und eingerichtet ist, den ersten Parameter und/oder dessen Veränderung, oder mindestens einen weiteren physikalischen Parameter und/oder dessen Veränderung an, bei oder in der Batteriezelle (BZ) oder an, bei oder in dem Zellgehäuse (ZG) zu messen.
Anordnung (AO2) nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 6 bis 7, die ferner mindestens eine integrierte Schaltungseinheit (IS) aufweist, die in der Batteriezelle (BZ) oder in dem Zellgehäuse (ZG) integriert ist, signaleingangsseitig mit den Sensorelementen (SE, SE1, SE2) des Sensorclusters (SC) signaltechnisch verbunden ist, signalausgangsseitig über die Signalverbindung (SV) mit der Sensorsignalauswerteeinheit (SA) signaltechnisch verbunden ist und eingerichtet ist, Messwerte der Sensorelemente (SE, SE1, SE2) auszulesen und an die Sensorsignalauswerteeinheit (SA) weiterzuleiten.
Batteriemanagementvorrichtung (BM) zum Betreiben einer Batterievorrichtung (BV) mit einem Batteriegehäuse (BG) und einer Anzahl von in dem Batteriegehäuse (BG) angeordneten Batteriezellen (BZ), aufweisend: - mindestens eine Anordnung (AO1, AO2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eingerichtet ist, Zustand einer der Batteriezellen (BZ) und/oder deren Zellgehäuses (ZG) zu ermitteln; - eine Batteriesteueranordnung (ST) zum Betreiben der Batteriezellen (BZ) auf, die signaleingangsseitig mit der Anordnung (AO1, AO2) signaltechnisch verbunden ist und eingerichtet ist, abhängig von dem von der Anordnung (AO1, AO2) ermittelten Zustand der einen Batteriezelle (BZ) die eine Batteriezelle (BZ) zu betreiben.
Batteriesystem (BS), aufweisend - eine Batterievorrichtung (BV) mit einem Batteriegehäuse (BG) und einer Vielzahl von in dem Batteriegehäuse (BG) angeordneten Batteriezellen (BZ); - eine Batteriemanagementvorrichtung (BM) nach Anspruch 10, die eine gleiche Vielzahl von Anordnungen (AO1, AO2) wie die der Batteriezellen (BZ) aufweist, wobei die Anordnungen (AO1, AO2) jeweils zu jeweils einer der Batteriezellen (BZ) zugeordnet sind und eingerichtet sind, Zustand der jeweiligen zugeordneten Batteriezellen (BZ) zu ermitteln. - wobei die Batteriemanagementvorrichtung (BM) eingerichtet ist, entsprechend den ermittelten Zuständen der einzelnen Batteriezellen (BZ) diese zu betreiben.