DE102020007414A1

DE102020007414A1 - Batterie mit wenigstens einem Zellmodul

Info

Publication number: DE102020007414A1
Application number: DE102020007414.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Maier; Clemens Balke; Friedrich Emanuel Hust
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft Batterie (1) mit wenigstens einem Zellmodul (11-16), umfassend wenigstens eine Einzelzelle, wobei das Zellmodul mit einem modulfesten Steuergerät (3) verbunden ist. Die erfindungsgemäße Batterie (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass das modulfeste Steuergerät (3) elektrisch unlösbar mit einem Identifikationsgeber verbunden ist, welcher seinerseits mit integrierten Bestandteilen (2) des Zellmoduls (11-16) in der Art verbunden ist, dass die Verbindung nicht zerstörungsfrei lösbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einem Zellmodul umfassend wenigstens eine Einzelzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Zukünftige Batterien werden die Möglichkeit eines Austauschs der Zellmodule bieten. Dies erleichtert einerseits die Reparatur und Wartung der Batterien, schafft jedoch andererseits auch die Gefahr, dass durch den Einsatz von Fremdfabrikaten, vorgeschädigten Zellen oder Zellmodulen, in welchen z.B. aufgrund einer einmalig zu hohen Betriebstemperatur eine Sicherheitsverriegelung vorliegt, die neue Möglichkeit missbraucht werden kann. Der Einsatz derartiger ungeeigneter oder bereits gesperrter Zellmodule können die Funktionsfähigkeit der gesamten Batterie, als eines der Kernelemente moderner Elektrofahrzeuge, in Frage stellen und können immer auch zu einem gravierenden Imageschaden beim Fahrzeughersteller führen. Deshalb ist es wünschenswert eine Batterie zu haben, bei welcher die Zellen und Zellmodule entsprechend identifiziert sind, sodass ein missbräuchlicher Austausch erkannt werden kann. Die DE 10 2011 120 238 A1 nimmt sich dieser Problematik an und erfasst charakteristische Größen von Einzelzellen einer Batterie, um diese dann entsprechend zu speichern und die aufgrund der Fertigungstoleranzen auftretenden unterschiedlichen Charakteristika in der Art eines Fingerabdrucks zu nutzen, um auf einen unautorisierten Einbau von anderen, ggf. fehlerhaften Zellen oder Fremdfabrikaten in eine bestehende Batterie zu schließen.
Die DE 10 2012 215 208 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erkennen von nicht autorisiertem Batteriemodulaustausch in einer Batterie. Dafür werden zu Beginn der Lebensdauer der Batterie verschiedene Identifikationsmerkmale der einzelnen modulintegrierten Steuergeräte ausgelesen und immer wieder verglichen, sodass ein potenzieller Austausch erkannt werden kann. Die DE 10 2016 223 142 A1 beschreibt eine Batterie mit verschiedenen Komponenten, wobei zumindest eine Komponente ein Identifikationsmerkmal aufweist, welches entsprechend erfasst werden kann, um einen potenziellen Austausch zu erkennen. Die DE 10 2015 002 077 B3 beschreibt außerdem die Absicherung eines zellmodulintegrierten Steuergeräts gegenüber einer unberechtigten Entfernung desselben, sodass im Falle eines mechanischen Manipulierens des Steuergeräts, beispielsweise eine Entfernung desselben von dem Batteriemodul, entsprechende Sicherungselemente zerstört werden, um so das Steuergerät unbrauchbar zu machen. Dadurch lässt sich die Verlagerung eines Steuergeräts von einem auf ein anderes Zellmodul, um beispielsweise einem Nutzer vorzugaukeln, dass dies ein reguläres Zellmodul ist, verhindern.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist nun, eine Batterie mit wenigstens einem Zellmodul und einem modulfesten Steuergerät anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Vergleichbar wie im Stand der Technik ist es so, dass die Batterie wenigstens ein Zellmodul umfasst, welches seinerseits wenigstens eine Einzelzelle aufweist. Jedes Zellmodul hat dabei ein modulfestes Steuergerät, welches fest mit dem Zellmodul, beispielsweise einer Endplatte des Zellmoduls, verklebt oder vergossen ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es so, dass das modulfeste Steuergerät unlösbar mit einem Identifikationsgeber verbunden ist, welcher seinerseits mit integrierten Bestandteilen des Zellmoduls, insbesondere der Endplatte des Zellmoduls, in der Art verklebt ist, dass eine Verbindung nicht zerstörungsfrei lösbar ist. Dieser Aufbau stellt also einerseits die unlösbare Verbindung zwischen dem modulintegrierten Steuergerät einerseits und dem Zellmodul bzw. integrierten Bestandteilen des Zellmoduls andererseits sicher. Unlösbar im Sinne der Erfindung bedeutet dabei, dass der Aufbau nicht zerstörungsfrei oder ohne erkennbare Manipulation gelöst werden kann. Ein solches Lösen unter Zerstörung des Identifikationsgebers oder seiner Anschlüsse ließe sich dann später nicht wieder herstellen, sodass mit sehr einfachen und sehr effizienten Mitteln durch die entsprechende Anbindung des Identifikationsgebers an das Steuergerät einerseits und an integrierte Bestandteile des Zellmoduls andererseits ein außerordentlich sicherer Aufbau geschaffen wird, bei dem der Identifikationsgeber quasi nicht manipuliert werden kann. Somit kann sichergestellt werden, dass keine Zellmodule eingebaut werden, welche nicht der vorgegebenen Identifikation entsprechen bzw. dass ein Austausch von Zellmodulen einfach erkannt werden kann.
Der Identifikationsgeber selbst kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung als Widerstandselement ausgebildet sein oder ein solches umfassen. Insbesondere kann dies ein Folienwiderstand sein, welcher mit dem Zellmodul, vorzugsweise dessen Endplatte, verklebt ausgebildet ist. Ein solcher Folienwiderstand ist ein außerordentlich einfaches und robustes Bauteil. Es kann auf die Endplatte aufgeklebt und beispielsweise durch Verlöten mit dem jeweiligen modulfesten Steuergerät verbunden werden. Im Falle einer Manipulation wird das Widerstandselement typischerweise zerstört, insbesondere wenn es als Folienwiderstand ausgebildet ist, welcher entsprechend dünne mit dem Zellmodul verklebte Leitungen aufweist, welche vorzugsweise noch durch eine Perforierung oder bewusste Verjüngung so gestaltet werden können, dass sie leicht zerstört werden. Dann kann das Zellmodul den Identifikationsgeber nicht mehr oder nicht mehr innerhalb der vorgegebenen Werte des von ihm zu erwartenden Widerstands erkennen und kann beispielsweise eine entsprechende Information ausgeben, Funktionen sperren oder dergleichen. Dies kann dann wiederum von einem übergeordneten Batteriemanagementsystem erkannt werden, sodass ein Betrieb Modulen, bei welchen ein Manipulationsversuch stattgefunden hat, nicht ohne weiteres möglich sind.
Der Identifikationsgeber kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Idee auch ein Speicherbaustein umfassen oder gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung analoge Bauteile wie insbesondere RC-Glieder. Dabei kann der Identifikationsgeber zumindest eine flexible Folienplatine umfassen, welche den Identifikationsgeber direkt ausbildet oder mit dessen Bauteilen so verbunden ist, dass diese über die Folienplatine elektrisch an das modulfeste Steuergerät angebunden sind. Auch so wird eine Manipulation weitgehend ausgeschlossen, da die Folienplatine im Falle einer mechanischen Entfernung von dem Zellmodul, beispielsweise dessen Endplatte, typischerweise beschädigt werden wird und somit eine Manipulation unmöglich macht. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung kann es auch hier entsprechend vorgesehen sein, dass die Folienplatine im Bereich von elektrischen Leitungen verjüngt und/oder perforiert ausgeführt ist, sodass diese im Falle eines Versuchs der Manipulation relativ schnell und sicher zerstört wird. Die Folienplatine selbst kann dann mit dem Zellmodul, insbesondere dessen Endplatte, verklebt ausgeführt sein, um ihre Demontage von dem Zellmodul mit hoher Zuverlässigkeit auszuschließen.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung, insbesondere in Kombination mit dem Einsatz von analogen Bauteilen, wie insbesondere Spulen, Kondensatoren, RC-Gliedern, sieht es außerdem vor, dass das modulfeste Steuergerät einen Signalgenerator zur Ansteuerung der analogen Bauteile des Identifikationsgebers umfasst. Anders als bei einer Kombination von verschiedenen Widerständen lässt sich dann nämlich über solche einfachen und effizienten RC-Glieder, welche insbesondere in der Folie ausgebildet sein können und im Falle einer Demontage der Folie ebenfalls sehr leicht zerstört werden, entsprechende Informationen ablegen. Nachdem der Signalgenerator diese angesteuert hat, liefern sie einen entsprechenden Code des Identifikationsgebers zurück. Mittels einer überschaubaren Anzahl von RC-Gliedern sowie gegebenenfalls ergänzenden Widerständen lässt sich so außerordentlich einfach und effizient eine Vielzahl von verschiedenen eindeutigen Identifikationen schaffen, um Zellmodule mit einer entsprechend hohen Sicherheit gegen Verwechslung und Manipulation auszustatten.
Besonders sicher wird dieser Aufbau dann, wenn gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie einzelne Bauteile des Identifikationsgebers ergänzend auch in dem modulfesten Steuergerät vorgesehen sind. So können beispielsweise Widerstände, Kondensatoren und Spulen eingesetzt werden. Ein Teil dieser Identifikationsgeber sitzt im Steuergerät selbst. Der andere Teil im eigentlichen Identifikationsgeber. Damit wird die Sicherheit nochmals erhöht.
Wird also der Identifikationsgeber von dem modulfesten Steuergerät entfernt oder von den integrierten Bestandteilen des Moduls wie beispielsweise der Endplatte entfernt, wird er also typischerweise beschädigt. Dadurch ändert sich die durch das modulfeste Steuergerät ermittelte Charakteristik des Identifikationsgebers. Der Auswertung dieses Verhaltens kann dabei auf der bereits angesprochenen übergeordneten Batteriemanagementsoftware beispielsweise an einem Batteriesteuergerät (BMC) durchgeführt werden. Bei der einer Verletzung eines vorgegeben Schwellenwerts der Identifikationsmerkmale wird dann eine Integritätsverletzung erkannt. Wurde also beispielsweise das Steuergerät oder der Identifikationsgeber oder beide entfernt, führt dies zu einem Defekt, sodass der Aufbau nicht weiterverwendet werden kann. Ein Tausch des Steuergeräts und/oder des Identifikationsgebers kann somit nur durch eine autorisierte Stelle, beispielsweise eine Vertragswerkstatt, erfolgen wenn der Zugang zu den neuen Steuergeräten mit jeweils intakten Identifikationsgebers entsprechend kontrolliert, dokumentiert und im Batteriesteuergerät zertifiziert eingelernt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer möglichen Batterie mit sechs Zellmodulen;
2 eine Ansicht einer möglichen Ausführungsform eines Zellmoduls in der erfindungsgemäßen Batterie;
3 eine weitere mögliche Ansicht eines Zellmoduls in der erfindungsgemäßen Batterie;
4 eine weitere alternative Ausgestaltung eines möglichen Zellmoduls gemäß der Erfindung; und
5 eine noch weitere alternative Ausgestaltung eines möglichen Zellmoduls in der erfindungsgemäßen Batterie.

In der Darstellung der 1 ist in einer sehr stark schematisierten Ansicht eine Draufsicht auf eine Batterie 1 zu erkennen, wie sie beispielsweise als Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug zum Einsatz kommen kann. Die Batterie 1 hat hier beispielhaft sechs einzelne Zellmodule 11 bis 16, welche jeweils aus einer Mehrzahl von Einzelzellen bestehen, die zwischen in allen Zellmodulen 11 bis 16 jeweils mit 2 bezeichneten Endplatten eingelegt sind. Die Zellmodule 11 bis 16 sind über ein Verspannen dieser Endplatten beispielsweise über Bänder oder Zuganker miteinander verbunden. Auch andere Bauweisen der einzelnen Zellmodule 11 bis 16 sind jedoch prinzipiell denkbar.
Um nun eine eindeutige Identifikation der Zellmodule 11 bis 16 zu erlauben, ist beispielsweise auf einer der Endplatten 2 eines der Zellmodule 11 bis 16 ein modulfestes Steuergerät 3 angeordnet. Es kann beispielsweise mit der Endplatte 2 verklebt oder vergossen ausgebildet sein. In einer unlösbaren elektrischen Verbindung, beispielsweise verlötet mit Anschlüssen im Inneren dieses Steuergeräts 3, welches auch als CSE bezeichnet wird, ist nun eine flexible Folienplatine 4 ausgebildet. In dem Ausführungsbeispiel der 2 umfasst diese lediglich eine mit 5 bezeichnete Leiterschleife. Sie ist in dem mit 6 bezeichneten Bereich mit dem Zellmodul 11 bis 16 bzw. im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit dessen Endplatte 2 verklebt. Die Leiterschleife 5 hat einen spezifischen zum jeweils ausgestalteten Zellmodul passenden elektrischen Widerstand. Beim Versuch, den Aufbau zu manipulieren, müsste nun die Folienplatine 4 von der Endplatte 2 des Zellmoduls 11 bis 16 entfernt werden. Dabei würde es mit hoher Sicherheit zu einer Zerstörung der Folienplatine 4 oder zumindest der darauf befindlichen Leiterschleife 5 kommen, sodass diese den durch das Steuergerät 3 erfassten Widerstandswert ändert. Damit ließe sich eine Manipulation eindeutig feststellen. Verbessert kann dieser Aufbau noch dadurch werden, indem im Bereich der Leiterschleife 5 bewusste Verjüngungen und/oder Perforationen vorgesehen sind, sodass für den Fall einer Manipulation die Leiterschleife 5 auf der flexiblen Folienplatine 4 noch leichter zerstört werden würde.
In der Darstellung der 3 ist eine Ergänzung dieses Aufbaus zu erkennen. Dabei ist in die Folienplatine 4 integriert oder zumindest elektrisch mit dieser verbunden ein mit 7 bezeichneter Speicherbaustein vorgesehen, welcher vergleichbar wie die Leiterschleife 5, welche hier zur elektrischen Anbindung des Speicherbausteins 7 nach wie vor vorhanden ist. Im Falle einer versuchten Manipulation des Aufbaus wurde dann der Speicherbaustein 7 selbst oder zumindest seine elektrische Anbindung über die Leiterschleife 5 anlog zum oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit hoher Sicherheit zerstört, sodass die Manipulation einfach erkannt werden kann.
Ansonsten entspricht der Aufbau in der Darstellung der 3 dem wie er im Rahmen der 2 bereits erläutert worden ist.
In der Darstellung der 4 ist nun ein weiterer Aufbau zu erkennen, welcher den Vorteil einer größeren Variationsmöglichkeit der Identifikationsdaten bietet. Im Bereich der Leiterschleife 5 auf der flexiblen Platine 4, welcher auch hier wieder mit dem Zellmodul 11 bis 16 entsprechend verklebt ist, befinden sich als Identifikationsmerkmale mehrere analoge Bauteile 9, wie insbesondere RC-Glieder. Diese RC-Glieder lassen sich über einen Signalgenerator 8 im Bereich des Steuergeräts 3 entsprechend ansteuern. Eine charakteristische Kombination dieser analogen Bauteile 9 als Identifikationsmerkmale erlaubt es dann, eine entsprechende Identifikation des Zellmoduls 11 bis 16 aus der Rückantwort der Bauteile 9 auf die Anregung durch den Signalgenerator 8 abzuleiten. Wird nun ein Zellmodul 11 bis 16 mit einer nicht passenden Modulidentifikation angeschlossen, dann kann dies als Manipulationsversuch erkannt werden. Ein Angreifer müsste also zunächst diese Charakteristik vermessen und identisch nachbauen. Auf der Grund der typischerweise vorliegenden Bauteiltoleranzen dürfte ein identischer Nachbau, welcher dann von dem Steuergerät 3 als der tatsächliche Identifikationsgeber erkannt wird, nur mit erheblichem Aufwand möglich sein, welcher sicher typsicherweise nicht lohnen wird.
Um die Kopplung zwischen dem Steuergerät 3 und dem eigentlichen Identifikationsgeber auf der flexiblen Folienplatine 4 noch weiter zu erhöhen, kann es auch, und so ist es in der Darstellung der 5 zu erkennen, vorgesehen werden, dass die Bauteile 9 als Identifikationsmerkmale des Identifikationsgebers durch wenigstens ein weiteres Bauteil 9' im Bereich des Steuergeräts 3 ergänzt werden. Hierdurch wird eine noch sicherere Verzahnung der einzelnen Identifikationsmerkmale ineinander erreicht und eine Integritätsverletzung kann noch zuverlässiger erkannt werden. Der beschriebene Aufbau, bei dem die einzelnen Identifikationsmerkmale ohmsche Widerstände, Kondensatoren und Spulen umfassen können, erlaubt dabei eine hohe Anzahl an eindeutigen unterschiedlichen Identifikationen, sodass eine zuverlässige Identifikation des hergestellten Zellmoduls 11 bis 16 durch einen derartigen Identifikationsgeber möglich wird, ohne dass es zu zufälligen Übereinstimmungen von Identifikationen in einem für die Praxis relevanten Maß kommen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011120238 A1 [0002]
DE 102012215208 A1 [0003]
DE 102016223142 A1 [0003]
DE 102015002077 B3 [0003]

Claims

Batterie (1) mit wenigstens einem Zellmodul (11-16), umfassend wenigstens eine Einzelzelle, wobei das Zellmodul mit einem modulfesten Steuergerät (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das modulfeste Steuergerät (3) elektrisch unlösbar mit einem Identifikationsgeber verbunden ist, welcher seinerseits mit integrierten Bestandteilen (2) des Zellmoduls (11-16) in der Art verbunden ist, dass die Verbindung nicht zerstörungsfrei lösbar ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Identifikationsgeber wenigstens ein Widerstandselement umfasst.
Batterie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Identifikationsgeber wenigstens einen Speicherbaustein (7) umfasst.
Batterie (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Identifikationsgeber wenigstens ein analoges Bauteil (9), insbesondere ein RC-Glied, umfasst.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Identifikationsgeber verschiedene Bauteile (9) in einer Kombination zueinander umfasst, wobei die verschiedenen Bauteile (9) zumindest einen ohmschen Widerstand, eine Spule und einen Kondensator umfassen.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Identifikationsgeber zumindest eine flexible Folienplatine (4) umfasst, welche den Identifikationsgeber ausbildet oder dessen Bestandteile elektrisch mit dem modulfesten Steuergerät (3) verbindet.
Batterie (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Folienplatine (4) im Bereich von elektrischen Leitungen (5) verjüngt und/oder perforiert ausgeführt ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Folienplatine (5) mit dem Zellmodul (11-16), insbesondere einer Endplatte (2) des Zellmoduls (11-16), verklebt ausgeführt ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das modulfeste Steuergerät (3) mit einem Signalgenerator (8) zur Ansteuerung von Bauteilen (9) des Identifikationsgebers ausgebildet ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauteile (9) des Identifikationsgebers, wenn dieser mit wenigstens zwei Bauteilen (9, 9')ausgebildet ist, in das modulfeste Steuergerät (3) integriert ausgeführt ist.