DE102020004104A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reparatur eines elektrischen Energiespeichers - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines elektrischen Energiespeichers. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dann, wenn- mittels der Zellüberwachungseinheit eine Einzelzelle (E1) ermittelt wird, welche eine verminderte elektrische Leistung aufweist,- eine elektrische Verbindung zwischen einem Stromableiter (2) dieser Einzelzelle (E1) und einem Stromableiter (2) einer benachbarten Einzelzellen (E2) getrennt wird,- ein flächiges schablonenartiges Verbindungselement (3) mit vier gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Kontaktelementen (4), die über Kreuz elektrisch miteinander verbunden sind, auf die Einzelzelle (E1) und die benachbarte Einzelzelle (E2) aufgesetzt und unter elektrisch miteinander verbundene Stromableiter (2) der Einzelzelle (E1) und einer weiteren benachbarten Einzelzelle (E3) sowie unter elektrisch miteinander verbundene Stromableiter (2) der benachbarten Einzelzelle (E2) und einer zu dieser weiteren benachbarten Einzelzelle (E4) geschoben wird,- die Stromableiter (2) der getrennten Verbindung durch mittels eines Berührungsschutzes (6) voneinander separierte Öffnungen (5) des Verbindungselementes (3) zu einer Oberflächenseite des Verbindungselementes (3) hindurchgeführt werden und diese Stromableiter (2) mit auf der Oberflächenseite angeordneten Kontaktelementen (4) elektrisch verbunden werden, so dass die Einzelzelle (E1) mit verminderter elektrischer Leistung und die benachbarte Einzelzelle (E2) elektrisch parallel miteinander verschaltet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl elektrisch seriell miteinander verschalteter Einzelzellen und einer Zellüberwachungseinheit zur Überwachung der Einzelzellen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verbindungselement zur Reparatur eines elektrischen Energiespeichers mit zumindest vier Einzelzellen, die elektrisch seriell miteinander verschaltet sind.
  • Aus der EP 2 789 043 B1 sind eine Batterie und ein Verfahren zur Wartung, Reparatur und/oder Optimierung der Batterie mit einer Anzahl von seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen bekannt. Elektrische Pole der Einzelzellen sind zur elektrischen Verschaltung direkt oder mittels Zellverbindern form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Batterie umfasst zudem eine Batterieüberwachungseinheit, welche mit den elektrischen Polen und/oder mit den Zellverbindern form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist. Das Verfahren sieht vor, dass zum Austausch einer Komponente die form- und/oder stoffschlüssige Verbindung des Kontaktierbereiches der nicht auszutauschenden Komponente, über welche die auszutauschende und die nicht auszutauschende Komponente elektrisch miteinander kontaktiert sind, durch Zerstörung getrennt wird. Eine Ersatzkomponente mit einem zu dem zerstörten Kontaktierbereich redundanten Kontaktierbereich wird form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass eine fehlerhafte form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zweier Kontaktierbereiche durch eine form- und stoffschlüssige Verbindung zweier dazu redundanter Kontaktierbereiche ersetzt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reparatur eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl elektrisch seriell miteinander verschalteter Einzelzellen anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1, und durch eine Vorrichtung, welche die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Verfahren zur Reparatur eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl elektrisch seriell miteinander verschalteter Einzelzellen und einer Zellüberwachungseinheit zur Überwachung der Einzelzellen sieht erfindungsgemäß vor, dass dann, wenn mittels der Zellüberwachungseinheit eine Einzelzelle ermittelt wird, welche eine verminderte elektrische Leistung aufweist, eine elektrische Verbindung zwischen einem Stromableiter dieser Einzelzelle und einem Stromableiter einer benachbarten Einzelzellen getrennt wird. Ein flächiges, schablonenartiges Verbindungselement mit vier gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Kontaktelementen, die über Kreuz elektrisch miteinander verbunden sind, wird auf die Einzelzelle und die benachbarte Einzelzelle aufgesetzt und unter elektrisch miteinander verbundene Stromableiter der Einzelzelle und einer weiteren benachbarten Einzelzelle sowie unter elektrisch miteinander verbundene Stromableiter der benachbarten Einzelzelle und einer zu dieser weiteren benachbarten Einzelzelle geschoben. Die Stromableiter der getrennten elektrischen Verbindung werden durch mittels eines Berührungsschutzes voneinander separierte Öffnungen des Verbindungselementes zu einer Oberflächenseite des Verbindungselementes hindurchgeführt und diese Stromableiter werden mit auf der Oberflächenseite angeordneten Kontaktelementen elektrisch verbunden, so dass die Einzelzelle mit verminderter elektrischer Leistung und die benachbarte Einzelzelle elektrisch parallel miteinander verschaltet sind.
  • Durch Anwendung des Verfahrens ist es möglich, zwei benachbarte Einzelzellen, von denen eine, z. B. alterungsbedingt, eine verminderte elektrische Leistung aufweist, vergleichsweise schnell miteinander elektrisch parallel zu verschalten, so dass der elektrische Energiespeicher repariert ist und seinen Betrieb erneut aufnehmen kann. Zur Reparatur ist es also nicht erforderlich, den elektrischen Energiespeicher zu demontieren, um die Einzelzelle mit verminderter Leistung zu entnehmen, gegebenenfalls durch eine neue Einzelzelle zu ersetzen und den elektrischen Energiespeicher wieder zu montieren.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 schematisch einen Zellverbund eines elektrischen Energiespeichers mit fünf elektrisch seriell miteinander verschalteten Einzelzellen mit einer Einzelzelle mit verminderter elektrischer Leistung,
    • 2 schematisch den Zellverbund mit einer zu trennenden Verbindung von Stromableitern der Einzelzelle mit verminderter elektrischer Leistung,
    • 3 schematisch eine Draufsicht eines Verbindungselementes zur elektrischen parallelen Verschaltung von zwei Einzelzellen,
    • 4 schematisch eine Seitenansicht des Verbindungselementes,
    • 5 schematisch eine teiltransparente Draufsicht des Verbindungselementes,
    • 6 schematisch eine teiltransparente Seitenansicht des Verbindungselementes,
    • 7 schematisch den Zellverbund mit aufgesetztem Verbindungselement,
    • 8 schematisch einen Zellverbund mit Steckverbindern und
    • 9 schematisch den Zellverbund mit den Steckverbindern und eine weitere Ausführungsform des Verbindungselementes.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen Zellverbund 1 mit fünf elektrisch seriell miteinander verschalteten Einzelzellen E1 bis E5, wobei eine Einzelzelle E1, beispielsweise aufgrund ihrer Alterung, eine verminderte elektrische Leistung aufweist und hervorgehoben dargestellt ist. Insbesondere sind die Einzelzellen E1 bis E5 mittels ihrer Stromableiter 2 elektrisch verschaltet. Dazu sind die Stromableiter 2 benachbarter Einzelzellen E1 bis E5 übereinander gelegt und stoffschlüssig miteinander befestigt, insbesondere verschweißt.
  • Die Anzahl der Einzelzellen E1 bis E5 ist beispielhaft gewählt, wobei ein Zellverbund 1 eine weitaus höhere Anzahl von Einzelzellen E1 bis E5 aufweisen kann.
  • Der Zellverbund 1 ist Bestandteil eines elektrischen Energiespeichers in Form einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug.
  • Der elektrische Energiespeicher weist üblicherweise eine Zellüberwachungseinheit zur Überwachung der Einzelzellen E1 bis E5 auf, wobei anhand erfasster Signale der Zellüberwachungseinheit ermittelt wird, dass die elektrische Leistung der Einzelzelle E1 vermindert ist.
  • Um eine für einen Antrieb des entsprechenden Fahrzeuges erforderliche elektrische Spannung zu erreichen, sind die Einzelzellen E1 bis E5 elektrisch seriell verschaltet. Sind die Einzelzellen E1 bis E5 hingegen elektrisch parallel miteinander verschaltet, wird eine Last zwischen den Einzelzellen E1 bis E5 aufgeteilt, wobei eine Stromverteilung zwischen den parallel verschalteten Einzelzellen E1 bis E5 dann vom elektrischen Widerstand und einem Ladestand der Einzelzellen E1 bis E5 abhängig ist.
  • Bei einer reinen elektrisch seriellen Verschaltung der Einzelzellen E1 bis E5 wird die elektrische Leistungsfähigkeit der Verschaltung von der Einzelzelle E1 bestimmt, deren elektrische Leistung am geringsten ist. Dies ist die Zelle mit einem erhöhten elektrischen Widerstand und/oder einer reduzierten Kapazität. Beispielsweise ist die elektrische Leistung aufgrund einer Alterung der Einzelzelle E1 vermindert.
  • Eine Lebensdauer und eine Alterung der einzelnen Einzelzellen E1 bis E5 ist von vergleichsweise vielen Einflussfaktoren abhängig, wobei es aufgrund von Produktionsstreuungen und/oder Produktionsfehlern auftreten kann, dass eine Einzelzelle E1 schneller altert als die restlichen Einzelzellen E2 bis E5 des Zellverbundes 1.
  • Eine vergleichsweise starke Alterung einer Einzelzelle E1 in einem elektrisch seriell verschalteten Zellverbund 1 führt dazu, dass der elektrische Energiespeicher erheblich an nutzbarer elektrischer Energie verliert, da der gleiche Strom durch alle Einzelzellen E1 bis E5 des Zellverbundes 1 fließt.
  • Üblicherweise wird bei Ermittlung, dass ein Zellverbund 1 eine solche Einzelzelle E1 mit verminderter elektrischer Leistung aufweist und dadurch eine elektrische Leistungsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers erheblich vermindert ist, dieser demontiert, die Einzelzelle E1 ausgetauscht und der elektrische Energiespeicher erneut zusammengebaut. Da ein elektrischer Energiespeicher verhältnismäßig viele Komponenten aufweist, die miteinander, insbesondere elektrisch, verbunden sind, ist dies ein relativ komplexer Vorgang.
  • Um einen solchen Vorgang weitestgehend zu vermeiden, ist ein im Folgenden beschriebenes Verfahren vorgesehen, welches ein in den 3 bis 6 gezeigtes Verbindungselement 3 nutzt, um die Einzelzelle E1 mit verminderter elektrischer Leistung mit einer benachbarten Einzelzellen E2 elektrisch parallel zu verschalten.
  • Die Einzelzelle E1 mit elektrisch verminderter Leistung und die benachbarte Einzelzelle E2 sind in 2 hervorgehoben dargestellt.
  • Da die Einzelzelle E1 mit der benachbarten Einzelzelle E2 elektrisch parallel verschaltet wird, teilt sich der elektrische Strom zwischen diesen beiden auf und die Einzelzelle E1 mit verminderter elektrischer Leistung begrenzt somit nicht mehr die elektrische Leistungsfähigkeit des Zellverbundes 1 und somit des elektrischen Energiespeichers.
  • Zur elektrisch parallelen Verschaltung der Einzelzelle E1 mit der benachbarten Einzelzelle E2 wird eine Verbindung der Stromleiter 2 der Einzelzelle E1 und der benachbarten Einzelzelle E2 getrennt.
  • Das in den 3 bis 6 gezeigte Verbindungselement 3, welches flächig und schablonenartig ausgebildet ist und auch als Verbindungsschablone bezeichnet werden kann, wird auf die Einzelzelle E1 und die benachbarte Einzelzelle E2 aufgesetzt und unter miteinander verbundene Stromableiter 2 der Einzelzelle E1 und einer weiteren benachbarten Einzelzelle E3 sowie unter elektrisch miteinander verbundene Stromableiter 2 der benachbarten Einzelzelle E2 und einer zu dieser weiteren benachbarten Einzelzelle E4 geschoben. Das auf die Einzelzelle E1 und die benachbarte Einzelzelle E2 aufgesetzte Verbindungselement 3 ist in 7 gezeigt.
  • Das Verbindungselement 3 ist insbesondere aus einem Kunststoff gebildet und umfasst vier elektrische Kontaktelemente 4, zwei Öffnungen 5 und einen stegförmigen Berührungsschutz 6.
  • Zwei der Kontaktelemente 4, d. h. auf einer Seite des Verbindungselementes 3, kontaktieren die verbundenen Stromableiter 2 der Einzelzelle E1, der benachbarten Einzelzelle E2 und der beiden weiteren benachbarten Einzelzellen E3, E4, wenn das Verbindungselement 3 unter diese miteinander verbundenen Stromableiter 2 geschoben ist.
  • Auf einer gegenüberliegenden Seite des Verbindungselementes 3 sind zwei Kontaktelemente 4 neben den Öffnungen 5 angeordnet, wobei jeder Öffnung 5 ein Kontaktelement 4 zugeordnet ist. Die Kontaktelemente 4 der einen Seite sind über Kreuz mit den Kontaktelementen 4 der gegenüberliegenden Seite des Verbindungselementes 3 verbunden.
  • Der Berührschutz 6 ist stegförmig ausgebildet und elektrisch nicht leitend, wobei sich auf beiden Seiten des Berührschutzes 6 jeweils ein Kontaktelement 4 und eine Öffnung 5 befinden. Beispielsweise kann der Berührungsschutz 6 derart ausgebildet sein, dass dieser eine Schnittkante umfasst, um die Verbindung der Stromableiter 2 der Einzelzelle E1 mit der verminderten Leistung und der benachbarten Einzelzelle E2 zu trennen.
  • Die Stromableiter 2 der getrennten Verbindung werden durch jeweils eine Öffnung 5 zur Oberflächenseite des Verbindungselementes 3 hindurchgeführt und mit dem entsprechenden Kontaktelement 4 verbunden, beispielsweise verschweißt. Mittels des Berührungsschutzes 6 der von der Oberflächenseite des Verbindungselementes 3 abragt, kann ein Kontakt der beiden getrennten Stromableiter 2 weitestgehend ausgeschlossen werden.
  • Auch die miteinander verbundenen Stromableiter 2 der Einzelzelle E1, der benachbarten Einzelzelle E2 und der beiden weiteren benachbarten Einzelzellen E3, E4 werden mit den Kontaktelementen 4 auf der gegenüberliegenden Seite des Verbindungselementes 3 verbunden, insbesondere verschweißt.
  • Die 3 bis 6 zeigen jeweils eine Ansicht des Verbindungselementes 3, wobei in 3 eine Draufsicht, in 4 eine Seitenansicht, in 5 eine teiltransparente Draufsicht und in 6 eine teiltransparente Seitenansicht dargestellt ist.
  • Wie oben beschrieben, sind die Kontaktelemente 4 der gegenüberliegenden Seiten über Kreuz miteinander verbunden, wie in den 5 und 6 gezeigt ist.
  • Sind die jeweiligen Stromableiter 2 mit den entsprechenden Kontaktelementen 4 verbunden, insbesondere verschweißt, dann sind die Einzelzellen E1 bis E5 miteinander verbunden und können erneut in Betrieb genommen werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Verschweißung der Stromableiter 2 mit den Kontaktelementen 4 können die verbundenen Stromableiter 2 der Einzelzelle E1, der benachbarten Einzelzelle E2 und der beiden weiteren benachbarten Einzelzellen E3, E4 an dem Verbindungselement 3 verklemmt werden.
  • 8 zeigt einen Zellverbund 1 mit fünf elektrisch seriell miteinander verschalteten Einzelzellen E1 bis E5, wobei eine Einzelzelle E1 eine verminderte elektrische Leistung aufweist und mittels eines in 9 gezeigten Verbindungselementes 3 in einer weiteren Ausführungsform mit einer benachbarten Einzelzelle E2 elektrisch parallel verschaltet wird.
  • Die Einzelzellen E1 bis E5 sind mittels sogenannter Steckverbinder 7 elektrisch miteinander verbunden, wobei die Steckverbinder 7 insbesondere auf die Stromableiter 2 der Einzelzellen E1 bis E5 aufgesteckt sind. Insbesondere sind mittels eines Steckverbinders 7 zwei Stromableiter 2 von zwei Einzelzellen E1 bis E5 miteinander verbunden.
  • Das Verbindungselement 3 ist in der weiteren Ausführungsform derart ausgebildet, dass die Einzelzelle E1 und eine weitere benachbarte Einzelzelle E3 sowie die benachbarte Einzelzelle E2 mit der weiteren benachbarten Einzelzelle E4 mittels sogenannter 3er Steckverbindern 7 elektrisch kontaktiert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zellverbund
    2
    Stromableiter
    3
    Verbindungselement
    4
    Kontaktelement
    5
    Öffnung
    6
    Berührungsschutz
    7
    Steckverbinder
    E1
    Einzelzelle mit verminderter elektrischer Leistung
    E2
    benachbarte Einzelzelle
    E3, E4
    weitere benachbarte Einzelzelle
    E5
    Einzelzelle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2789043 B1 [0002]

Claims (3)

  1. Verfahren zur Reparatur eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl elektrisch seriell miteinander verschalteter Einzelzellen (E1 bis E5) und einer Zellüberwachungseinheit zur Überwachung der Einzelzellen (E1 bis E5), dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn mittels der Zellüberwachungseinheit eine Einzelzelle (E1) ermittelt wird, welche eine verminderte elektrische Leistung aufweist, - eine elektrische Verbindung zwischen einem Stromableiter (2) dieser Einzelzelle (E1) und einem Stromableiter (2) einer benachbarten Einzelzellen (E2) getrennt wird, - ein flächiges schablonenartiges Verbindungselement (3) mit vier gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Kontaktelementen (4), die über Kreuz elektrisch miteinander verbunden sind, auf die Einzelzelle (E1) und die benachbarte Einzelzelle (E2) aufgesetzt und unter elektrisch miteinander verbundene Stromableiter (2) der Einzelzelle (E1) und einer weiteren benachbarten Einzelzelle (E3) sowie unter elektrisch miteinander verbundene Stromableiter (2) der benachbarten Einzelzelle (E2) und einer zu dieser weiteren benachbarten Einzelzelle (E4) geschoben wird, - die Stromableiter (2) der getrennten Verbindung durch mittels eines Berührungsschutzes (6) voneinander separierte Öffnungen (5) des Verbindungselementes (3) zu einer Oberflächenseite des Verbindungselementes (3) hindurchgeführt werden und diese Stromableiter (2) mit auf der Oberflächenseite angeordneten Kontaktelementen (4) elektrisch verbunden werden, so dass die Einzelzelle (E1) mit verminderter elektrischer Leistung und die benachbarte Einzelzelle (E2) elektrisch parallel miteinander verschaltet sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiter (2) mit den Kontaktelementen (4) des Verbindungselementes (3) verschweißt werden.
  3. Verbindungselement (3) zur Reparatur eines elektrischen Energiespeichers mit zumindest vier Einzelzellen (E1 bis E4), die elektrisch seriell miteinander verschaltet sind, gekennzeichnet durch - eine flächige schablonenartige Form, - vier elektrische Kontaktelemente (4), wobei jeweils zwei Kontaktelemente (4) an sich gegenüberliegenden Seiten des Verbindungselementes (3) angeordnet und über Kreuz elektrisch miteinander verbunden sind, - zwei Kontaktelemente (4) einer Seite zur elektrischen Verbindung mit verbundenen Stromableitern (2) einer Einzelzelle (E1) mit verminderter elektrischer Leistung und einer weiteren benachbarten Einzelzelle (E3) sowie einer zu der Einzelzelle (E1) benachbarten Einzelzelle (E2) und einer zu dieser weiteren benachbarten Einzelzelle (E4) ausgebildet sind und - zwei weitere Kontaktelemente (4) einer gegenüberliegenden Seite zur elektrischen Verbindung voneinander separierter, durch Öffnungen (5) des Verbindungselementes (3) zu einer Oberflächenseite desselben hindurchgeführter Stromableiter (2), so dass die Einzelzelle (E1) mit verminderter elektrischer Leistung und die benachbarte Einzelzelle (E2) elektrisch parallel miteinander verschaltbar sind.
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