DE102021114090A1 - Batterie und Batteriesteuerungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterie, die als Hochvoltbatterie (HV-Batterie) ausgebildet ist, umfassend mindestens die folgenden Batterieelemente: ein Zellenkompartiment mit mehreren Zellmodulen und zugehörigen Zellmessplatinen, eine Hauptsteuerungseinheit mit einer Hauptplatine, einem Hauptmikroprozessor und einer Mehrzahl von mikro-/elektronischen Elementen, eine Schaltbox, umfassend zwei Schütze für eine pos. HV-Leitung und eine neg. HV-Leitung, wobei ein Drucksensor zur Druckmessung im Batterieinnenraum vorgesehen ist, und dieser Drucksensor außerhalb der Hauptplatine an einem der folgenden Orte angeordnet ist, nämlich in der Schaltbox, auf einer zentralen Sekundärplatine und/oder auf mindestens einer Zellmessplatine.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Batteriesteuerungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Batterien, insbesondere Batterien, die eine Vielzahl von Zellmodulen aufweisen, werden hinsichtlich elektrischer und physikalischer Zustände überwacht. Hierzu gehört auch die Überwachung von thermischen Zuständen, insbesondere die Detektion von sogenannten thermischen Durchbrüchen. Die Detektion eines thermischen Events (Thermal Runaway) in einer oder mehreren Zellen einer Batterie oder eines Batteriesystems, wird der Druck oder der Druckverlauf ausgewertet, der Druckanstieg als Folge des Öffnens eines Überdruckventils, in Folge dessen im Innenraum einer Batterie in kurzer Zeit stark ansteigt. Diese Druckmessung wird beispielsweise mittels eines Drucksensors vorgenommen, der beispielsweise als Teil des Batterie Management Systems (BMS) auf der Hauptplatine angeordnet sein kann. Ein solches „Thermisches Event“ (Thermal Runaway) ist ein Zustand, bei welchem durch chemische Prozesse die Erwärmung ohne weiteren Einfluss von außen, wie bspw. die Strombelastung, sich selbstständig erhöht, und wobei der chemische Prozess parallel beschleunigt wird.
  • Eine solche Anordnung zeigt beispielsweise die DE 10 2018 210 975 B4 , bei der eine thermisches Event mittels eines Drucksensors erfasst wird, der auf einer Hauptplatine der Batteriesteuereinheit angeordnet ist.
  • Die Unterbringung des Drucksensors auf der Hauptplatine ist nachteilig, weil diese hierfür weiter baulich vergrößert werden muss und damit eine Unterbringung in der Batterie schwierig ist und die Verifikation der Daten des Drucksensors auf der Hauptplatine gemäß dem ASIL-Standard weiter verkompliziert wird.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Druckerfassung vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruches 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
  • Danach wird die Aufgabe gelöst durch eine Batterie, die als eine Hochvoltbatterie (HV-Batterie) ausgebildet und folgende Batterieelemente umfasst:
    • - ein ein- oder mehrstöckiges Zellenkompartiment mit mehreren Zellmodulen und zugehörigen Zellmessplatinen,
    • - eine Hauptsteuerungseinheit mit einer Hauptplatine, einem Hauptprozessor und einer Mehrzahl von mikro-/elektronischen Elementen oder Bauteilen,
    • - eine Schaltbox, in d,er mindestens zwei Schütze angeordnet sind, jeweils mindestens einer für eine HV+-Leitung und eine HV- -Leitung zum Anschluss an einen Hauptstromkreis. Kern der Erfindung ist hierbei, dass zur Erkennung eines thermischen Events, also das Übersteigen einer Soll-Temperatur, ein Drucksensor zur Druckmessung im Batterieinnenraum vorgesehen ist, und wobei der Drucksensor außerhalb der Hauptplatine an einem der folgenden Orte angeordnet ist:
    • - innerhalb oder im Bereich der Schaltbox,
    • - auf einer zentralen Sekundärplatine, die ebenfalls ein Element oder Bauteil der Batterie darstellt und/oder
    • - auf mindestens einer Zellmessplatine, die üblicherweise direkt bei den Zellmodulen angeordnet sind.
  • Hierbei meint eine Zellmessplatine eine Platine, die unmittelbar auf oder in einem Zellmodul angeordnet ist und mikroelektronische Bauteile und Komponenten umfasst, die im Wesentlichen der Steuerung und Auswertung des jeweiligen Zellmoduls dienen und mit der Hauptsteuereinheit in Verbindung stehen und von dieser angesteuert werden. Die Sekundärplatine ist eine zur Hauptsteuereinheit und/oder der Hauptplatine unterschiedliche weitere zentrale Platine, die ebenfalls mit der Hauptsteuereinheit in Verbindung steht.
  • Statt des hier verwendeten Begriffs der „Schaltbox“, wird häufig auch „S-Box“, „Switch-Box“ oder „BJB“ (battery junction box) verwendet. Etwas seltener findet man auch die Bezeichnung „E-Box“ für dasselbe Bauteil.
  • Hierbei ist „in Verbindung stehen“ nicht einschränkend zu verstehen und meint sowohl eine oder mehrere Verbindungen zur Spannungs- und Stromversorgung als auch zur datenleitenden Kommunikation. Die Kommunikation kann insbesondere als eine der üblichen Bustechnologien oder seriellen Schnittstellen, wie isoSPI, ausgebildet sein, durch separate Einzelkabel oder moduliert auf ein oder mehrere stromführende Einzelkabel.
  • Es ist hierbei vorteilhaft, wenn jeweils ein Drucksensor auf mehreren Zellmessplatinen angeordnet ist, insbesondere wenn auf jeder Zellmessplatine ein Drucksensor vorgesehen wird.
  • Der große Vorteil besteht bei dieser Lösung darin, dass ein thermisches Event bei einem konkreten Zellmodul oder einer Gruppe von Zellmodulen in deren Ortsnähe unmittelbar erkannt wird. Insbesondere kann bei der Anordnung von mehreren Drucksensoren, die Quelle des Events aus der Reihenfolge der detektierenden Drucksensoren eingegrenzt werden.
  • Bei einer verbesserten Ausführungsform wird weiterhin auf mindestens einer der Zellmessplatinen ein Temperatursensor vorgesehen, der benachbart zu dem mindestens einen Drucksensor auf derselben Zellmessplatine und/oder auf einer Zellmessplatine eines benachbarten Zellmoduls angeordnet ist.
  • Hierdurch ist es auch möglich, mit wenigen Druck- und Temperatursensoren, thermische Events schnell und sicher zu erfassen, und diese Events weiterhin bezüglich der Ausgangsquelle, also des defekten Zellmoduls oder einer Gruppe aus Zellmodulen einzugrenzen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Drucksensor auf einer zentralen Sekundärplatine angeordnet, wobei die Sekundärplatine in der Schaltbox befestigt ist, wobei eine Verbesserung hierzu darin besteht, dass in der Schaltbox mindestens ein, insbesondere alle mikroelektronischen Hochvoltelemente (HV-Elemente) angeordnet sind, indem diese entweder auf der Sekundärpatine oder auf einer eigenen Hochvoltplatine angeordnet sind. Der große Vorteil bei der Übernahme der mikroelektronischen HV-Elemente auf eine zentrale Sekundärplatine besteht darin, dass die Zustandserfassung und Auswertung in der Nähe der Hochvoltleitungen (HV+, HV-) sowie der Zellmodule erfolgt und weiterhin die Abschirmung und Absicherung der Daten aus diesen HV-Elementen gegenüber den sonstigen mikroelektronischen Elementen und Bauteilen auf der Hauptplatine verbessert und die Einhaltung der ASIL-Standards sehr erleichtert wird.
  • Da vorliegend für die zentrale Sekundärplatine eine Kommunikation mit ASIL-Standard gefordert ist und diese für das Drucksignal genutzt wird, ist vorteilhafterweise keine zusätzliche Kommunikationsschnittstelle erforderlich.
  • HV-Elemente meint hierbei insbesondere analog-digital Konverter (ADC) als galvanisch getrennte kapazitive Koppler, induktive Koppler oder Opto-Koppler für die Datenübertragung aus dem Hochvoltbereich in einen Niedervoltbereich, sowie Spannungsmesselemente/-chips.
  • Vorteilhafterweise ist auf der Sekundärplatine und/oder der Hochvoltplatine ein µ-Sekundärprozessor angeordnet, der primär zur Verarbeitung der Daten und Prozessierung der auf der jeweiligen Platine angeordneten µ-Bauteile dient und mit der Hauptsteuereinheit und insb. dessen Hauptmikroprozessor in Verbindung steht.
  • Idealerweise weist die Batterie ein äußeres Batteriegehäuse auf, das im Regelfall staub- und/oder dampfdicht verschlossen ist und die Batterieelemente sind insgesamt innerhalb dieses Batteriegehäuses angeordnet. Hierbei soll als eine Ausführungsform unter einem Batteriegehäuse auch ein mehrteiliges Gehäuse zu verstehen sein, wenn die einzelnen Gehäuseteile untereinander über einen Verbindungskanal oder Verbindungsraum zusammengeschlossen sind, aber nach außen weiterhin einen gemeinsamen Batterieraum bilden. Dies könnte vorliegend der Fall sein, wenn die Schaltbox auf oder an einem Batteriegehäuse angeflanscht oder angeschraubt ist und zwischen Schaltbox und Innenraum des Batteriegehäuses eine Öffnung oder ein Kanal ausgebildet ist, der gegen die Atmosphäre verschlossen ist. In der Regel sind in diesem Kanal oder dieser Öffnung Verbindungsleitungen verlegt.
  • Zur Abschirmung des Innenraumes der Batterie, Abschirmung gegen elektromagnetische Störeinflüsse und zum Schutz gegen Verschmutzung, ist es vorteilhaft, wenn die Schaltbox ein eigenes, mindestens teilweise geschlossenes, insbesondere vollständig geschlossenes Boxgehäuse aufweist. Es ist vorteilhaft für den Fall, dass Elektronik in der Box verbaut wird, wenn diese Box ein Metallgehäuse aufweist oder hieraus gebildet ist. Von großem Vorteil ist hierbei das leichte Handling und die Möglichkeit der Vorfertigung. So kann eine Schaltbox, die aus vielen Komponenten besteht, als Baueinheit außerhalb gefertigt werden und mit der HV-Batterie in wenigen Schritten zu einer Einheit verbunden werden.
  • Von der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie umfasst, insbesondere eine HV-Batterie, die ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit einer Hauptsteuerung und einer Hauptplatine umfasst und eine Mehrzahl von Zellmodulen aufweist.
  • Der Kern des erfinderischen Verfahrens besteht darin, dass zur Erfassung der Überschreitung eines thermischen Grenzwertes, allgemein als thermisches Event bezeichnet, im Innenraum der Batterie und/oder im Bereich eines Zellkompartiments oder der Zellmodule, mindestens ein Drucksensor vorgesehen ist, welcher außerhalb der Hauptplatine angeordnet ist.
  • Vorteilhafterweise ist die Batterie, die insbesondere als HV-Batterie ausgebildet ist, nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten ausgebildet. Insgesamt meint Hochvolt (HV) vorliegend vorrangig einen Spannungsbereich von 60V bis 2.000V DC, insbesondere 60V bis 1.500V DC, der insbesondere die Leistungsbedarfe der e-Fahrzeuge, wie bspw. elektrisch angetriebene Pkw, Lkw und Bussen betrifft.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Draufsicht auf eine HV-Batterie mit einem zweistöckigen Zellkompartiment,
    • 2 eine schematische, alternative Ausführungsform einer HV-Batterie mit einem einstöckigen Zellkompartiment und einer Sekundärplatine in der Schaltbox und
    • 3 eine weitere Ausführungsform einer HV-Batterie, ähnlich zur 2, wobei die Sekundärplatine die HV-Elemente umfasst.
  • 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer HV-Batterie 1, die als wesentliche Komponenten ein Batteriegehäuse 15 aufweist, innerhalb welchem eine Hauptsteuereinheit 10, eine Schaltbox 20 und ein Zellenkompartiment 30, das zwei Ebenen 35, 36 aufweist. Das Zellenkompartiment 30 ist in eine Mehrzahl von Zellmodulen 31.1... 31.n unterteilt, was durch eine gestrichelte, querlaufende Linie angedeutet wurde. Jedes Zellmodul 31.1 ... 31.n weist eine zugehörige Zellmessplatine 32.1 ... 32.n auf. Die Hauptsteuereinheit 10 und deren Hauptplatine 11 ist über die LV-Leitung 43 mit einer zentralen Steuer- und Versorgungseinheit 2 daten- und stromleitend verbunden. Über die HV-Leitungen 40, 41 ist die Batterie 1 mit einem oder mehreren Verbrauchern 3 verbunden, wie sehr schematisch angedeutet ist.
  • Die HV+-Leitung 40 ist in die Schaltbox 20 und zu dem dortigen Schütz 8 geführt, über den die Leitung 40 geschaltet wird. Analog ist die HV- - Leitung 41 ebenfalls in die Schaltbox 20 und zu der Schütz 9 geführt. Weiterhin ist in der Schaltbox 20 an der HV+ -Leitung ein Nebenstrompfad 42 vorgesehen, zum Betrieb des Schütz 12, der als Vorladeschütz fungiert. Weiterhin ist in der Schaltbox 20 ein Stromsensor 24 vorgesehen, sonstige Sicherungen, Widerstände oder weitere Komponenten sind nicht dargestellt. Die Hauptplatine 11 ist verbunden über die Leitungsverbindung 44 mit der Schaltbox 20 bzw. einzelnen Komponenten und Bauteilen in der Schaltbox 20, was vorliegend nicht im Detail unterschieden wurde. Die Hauptplatine 11 umfasst eine Mehrzahl von mikro-/elektronischen Elementen 5.1, 5.2, 5.3 und einen Hauptmikroprozessor 4. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsgemäße Drucksensor 6 in der Schaltbox 20 angeordnet und über eine separate Leitungsverbindung 45 mit der Hauptsteuereinheit 10 beziehungsweise deren Hauptplatine 11 verbunden.
  • Auf der Zellmessplatine 32.2 und damit in der direkten Nachbarschaft zu dem Drucksensor 6, ist ein Temperatursensor 7 angebracht. Hierbei ist der Temperatursensor 7 als Surface Mounted Device (SMD-Bauteil) direkt auf der Zellmessplatine 32.2 aufgebracht. Bei der Erfassung eines schnellen Druckanstiegs durch den Drucksensor 6 kann ermittelt werden, ob das thermische Event aus der Ebene 35 stammt oder, weil der Temperatursensor 7 nicht oder sehr spät erhöhte Werte mitteilt, das thermische Event aus der Ebene 36 des Zellenkompartiments 30 stammen muss.
  • Bei der Ausführungsform nach 2 weist die Batterie 1 nur eine Ebene eines Zellenkompartiments 30 auf. Zentral ist, dass in der Schaltbox 20 eine Sekundärplatine 21 angeordnet ist, auf welcher der Drucksensor 6 als SMD-Bauteil platziert ist. Diese Sekundärplatine 21 umfasst weiterhin einen µ-Sekundär-prozessor 23 und die zur Erfassung und Verarbeitung der HV-Zustände erforderlichen, mikroelektronischen HV-Elemente 5.1. Diese HV-Elemente sind insbesondere galvanisch getrennte analog-digital Konverter (ADC) und Spannungsmesselemente.
  • Der Stromsensor 24 der HV- -Leitung ist über eine eigene Leitung 47 mit der Sekundärplatine 21 und/oder dem µ-Sekundärprozessor 23 verbunden. Diese Sekundärplatine 21 selbst, als untergeordnetes Element in dem BMS, ist einerseits über die Leitung 44 mit der Hauptplatine 11 und den Komponenten des Zellenkompartiments 30 über die Leitung 46 verbunden. Hiermit sind alle Komponenten, die die HV-Funktionen überwachen und prozessieren, in einem separaten Raum, nämlich der Schaltbox 20 vereint und können geeignet abgeschirmt und geschützt werden.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3, das sehr ähnlich zu dem der 2 ist, ist ebenfalls in der Schaltbox 20 eine Sekundärplatine 21 vorgesehen mit denselben Komponenten. Weiterhin ist nun auch der Stromsensor 24 als SMD-Bauteil auf dieser Sekundärplatine 21 angeordnet. Der Unterschied zum Beispiel nach 2 besteht in der Anordnung der Druck- und Temperatursensoren 6, 7. Gezeigt sind zwei unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten, um zu vermeiden, dass zu viele Sensoren vorgesehen werden müssen. Die eine Ausführungsform besteht darin, dass auf den Zellmessplatinen 32.1, 32.2 benachbart zueinander ein Drucksensor 6 und ein Temperatursensor 7 angeordnet sind. Alternativ hierzu sind in dem Zellmodul 31.n auf der zugehörigen Zellmessplatine 32.n der Drucksensor 6 und der Temperatursensor 7 als SMD-Bauteil angeordnet.
  • In der 3 ist weiterhin ein üblicherweise vorzusehender Vorladewiderstand 13 innerhalb der Schaltbox 20 gezeigt. Dieser kann vor oder nach dem als Vorladeschütz fungierenden Schütz 12 angeordnet werden.
  • Beide Alternativen erlauben eine logische Auswertung, ob ein thermisches Event von dem Zellmodul selbst, einem unmittelbar benachbarten Zellmodul oder einem entfernt angeordneten Zellmodul stammt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batterie
    2
    Steuer- und Versorgungseinheit
    3
    Verbraucher
    4
    Hauptmikroprozessor
    5
    Element, (mikro-)elektronisch
    5.1
    Hochvoltelement, mikroel.
    5.2
    Element, elektr.
    5.3
    Element, elektr.
    6
    Drucksensor
    7
    Temperatursensor
    8
    Schütz
    9
    Schütz
    10
    Hauptsteuerungseinheit
    11
    Hauptplatine
    12
    Schütz
    13
    Vorladewiderstand
    15
    Batteriegehäuse
    20
    Schaltbox
    21
    Sekundärplatine
    23
    µ-Sekundärprozessor
    24
    Stromsensor
    30
    Zellenkompartiment
    31
    Zellmodul (31.1 ... 31.n)
    32
    Zellmessplatine (32.1 ... 32.n)
    35
    Ebene, untere
    36
    Ebene, obere
    40
    HV+-Leitung
    41
    HV--Leitung
    42
    Nebenstrompfad
    43
    LV-Leitung
    44
    Leitungsverbindung
    45
    Leitungsverbindung
    46
    Leitung
    47
    Leitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018210975 B4 [0003]

Claims (10)

  1. Batterie (1), ausgebildet als eine Hochvoltbatterie (HV-Batterie), umfassend mindestens die folgenden Batterieelemente: - ein Zellenkompartiment (30) mit mehreren Zellmodulen (31.1 ... 31.n) und zugehörigen Zellmessplatinen (32.1 ... 32.n), - eine Hauptsteuerungseinheit (10) mit einer Hauptplatine (11), einem Hauptprozessor (4) und einer Mehrzahl von elektronischen Elementen (5.1, 5.2, 5.3), - eine Schaltbox (20), umfassend zwei Schütze (8, 9) für eine HV+-Leitung (40) und eine HV+-Leitung (41), dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (6) zur Druckmessung im Batterieinnenraum vorgesehen ist, und wobei der Drucksensor (6) außerhalb der Hauptplatine (11) an einem der folgenden Orte angeordnet ist: - in der Schaltbox (20), - auf einer zentralen Sekundärplatine (21) und/oder - auf mindestens einer Zellmessplatine (32.1 ... 32.n).
  2. Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (6) auf mehreren Zellmessplatinen (32.1 ... 32.n) angeordnet ist.
  3. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer der Zellmessplatinen (32.1 ... 32.n) ein Temperatursensor (7) vorgesehen ist, wobei der einen Temperatursensor (7) auf derselben Zellmessplatine (32.1 ... 32.n) und/oder - auf einer Zellmessplatine (32.1 ... 32.n) eines benachbarten Zellmoduls (31.1 ... 31.n) angeordnet ist.
  4. Batterie (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drucksensor (6) auf einer zentralen Sekundärplatine (21) angeordnet ist, wobei die Sekundärplatine (21) in der Schaltbox (20) befestigt ist.
  5. Batterie (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schaltbox (20) mindestens ein, insbesondere alle Hochvoltelemente (5.1) angeordnet sind, indem diese entweder auf der Sekundärplatine (21) oder auf einer eigenen Hochvoltplatine angeordnet sind, und wobei die Hochvoltelemente (5.1) insbesondere galvanisch getrennte analog-digital Konverter (ADC) und/oder Spannungsmesselemente sind.
  6. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärplatine (21) und/oder die Hochvoltplatine einen µ-Sekundärprozessor (23) aufweist.
  7. Batterie (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) ein äußeres Batteriegehäuse (15) aufweist und die Batterieelemente innerhalb des Batteriegehäuses (15) angeordnet sind.
  8. Batterie (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltbox (20) ein eigenes, mindestens teilweise geschlossenes, insbesondere vollständig geschlossenes Boxgehäuse aufweist.
  9. Verfahren zum Betrieb einer Batterie (1), die ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit einer eine Hauptplatine (11) umfassenden Hauptsteuerungseinheit (10) aufweist, sowie eine Mehrzahl von Zellmodulen (31.1 ... 31.n) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Überschreitung eines thermischen Grenzwertes im Innenraum der Batterie (1) und/oder im Bereich der Zellmodule (31.1 ... 31.n) mindestens ein Drucksensor (6) vorgesehen ist, welcher außerhalb der Hauptplatine (11) angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Betrieb einer Batterie (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
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