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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Überprüfung einer elektrischen Isolation zwischen Zelleinheiten eines Zellmoduls, wobei das Zellmodul als Zelleinheiten mehrere erste und zweite Zelleinheiten aufweist, die abwechselnd in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die Messanordnung eine Messschaltung aufweist, die einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist, einen ersten Messanschluss, der am ersten Eingang elektrisch angeschlossen ist, und einen zweiten Messanschluss, der am zweiten Eingang elektrisch angeschlossen ist. Dabei ist die Messschaltung dazu ausgelegt, einen Isolationswiderstand zwischen dem ersten Messanschluss und dem zweiten Messanschluss zu messen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Überprüfung einer elektrischen Isolation.
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Beim Bau vom Zellmodulen werden einzelne Zellen, insbesondere Batteriezellen, zu einem Stapel, einem so genannten Stack, zusammengefügt. Die Zellgehäuse sind elektrisch zueinander isoliert, da diese später z.B. in einer elektrischen Reihenschaltung verbunden werden. Insbesondere können im Allgemeinen nicht nur einzelne Zellen in Reihe geschaltet werden, sondern beispielsweise Zelleinheiten, wobei unter einer Zelleinheit eine einzelne Batteriezelle verstanden werden kann, oder aber auch eine Parallelschaltung mehrerer Batteriezellen. Sollte es zu einem Isolationswiderstandsfehler oder gar einem niederohmigen Körperschluss zwischen zwei Zellgehäusen kommen, zum Beispiel durch eine Verunreinigung, einen Span, Schmutz, Schweißspritzer und so weiter, kann dies zu Sicherheitsrisiken während der Montage oder auch zu späteren Ausfällen oder gar sicherheitstechnischen Vorfällen kommen. Diese Fehler, vor allem leichte Fehler, können auch im späteren Verlauf nicht mehr identifiziert und damit verschleppt werden. Diese Messungen zur Detektion eines solchen Isolationswiderstandsfehlers sind aktuell entweder gar nicht vorgehalten oder wenn, dann mit einem sehr großen Aufwand berücksichtigt, indem immer je eine Messung zwischen zwei Zellen gemacht wird. Dann wird um eine Zelle weiter im Stapel gerückt und dann die nächste Messung durchgeführt. Bei Zellstapeln von aktuell bis zu 48 Einzelzellen sind dies immense Aufwendungen und werden daher möglichst vermieden mit den möglichen Sicherheitsrisiken oder es werden preissteigernde Maßnahmen in Kauf genommen, was die Wettbewerbsfähigkeit stark schmälert. Folglich hat dies je nach Variante entweder extrem viel Prüfungszeit und Fertigungszeit oder sehr hohe Investitionen in zig teure Messgeräte mit entsprechend hohen Einmalkosten wie auch hohe laufende Kosten für Prüfung, Kalibrierung, Instandhaltung, Reparatur, Austausch, und so weiter zur Folge. Zusätzlich dazu kommen dann noch eventuell weitere Isolationswiderstandsmessungen von Zellpotentialen zu Gehäusen, die noch on Top kommen.
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Die
KR 2015 0092854 A beschreibt eine Batteriezelle mit einer Stufenstruktur und ein Verfahren zum Überprüfen eines Isolationswiderstands. Dabei werden abwechselnd die gestapelten und durch eine Separatorfolie isolierten Kathoden- und Anodenfolien geprüft. Die Prüfung ist fortlaufend und sequentiell, wobei nach jeder neu gestapelten Folie eine Messung der letzten zwei Arbeitsschritte gemacht wird.
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Die
KR 2019 0100736 A beschreibt eine Isolationswiderstandsmesseinrichtung für Batteriezellen, die eine Beschädigung in Form eines Isolationswiderstandsfehlers einer Umhüllung einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle detektieren kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die eine möglichst einfache und effiziente Überprüfung einer elektrischen Isolation zwischen Zelleinheiten eines Zellmoduls erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Messanordnung zur Überprüfung einer elektrischen Isolation zwischen Zelleinheiten eines Zellmoduls, das als Zelleinheiten mehrere erste und zweite Zelleinheiten aufweist, die abwechselnd in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind, weist eine Messschaltung auf, die einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist, und einen ersten Messanschluss, der am ersten Eingang elektrisch angeschlossen ist und einen zweiten Messanschluss, der am zweite Eingang elektrisch angeschlossen ist. Weiterhin ist die Messschaltung dazu ausgelegt, einen Isolationswiderstand zwischen dem ersten Messanschluss und dem zweiten Messanschluss zu messen. Darüber hinaus weist die Messanordnung mehrere erste Messkontakte zur Kontaktierung der ersten Zelleinheiten und mehrere zweite Messkontakte zur Kontaktierung der zweiten Zelleinheiten auf, so dass alle der ersten Zelleinheiten gleichzeitig jeweils mittels mindestens eines ersten Messkontakts der ersten Messkontakte elektrisch kontaktierbar sind und alle der zweiten Zelleinheiten gleichzeitig jeweils mittels mindestens eines zweiten Messkontakts der zweiten Messkontakte kontaktierbar sind, wobei zur Durchführung zumindest einer ersten Messung alle der ersten Messkontakte gleichzeitig mit dem ersten Messanschluss elektrisch verbunden sind und alle der zweiten Messkontakte gleichzeitig mit dem zweiten Messanschluss elektrisch verbunden sind.
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Dies ermöglicht es vorteilhafterweise zu überprüfen, insbesondere durch eine einzige Messung, ob die einzelnen Zelleinheiten ordnungsgemäß voneinander elektrisch isoliert sind oder ob ein Isolationsfehler vorliegt. Die in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Zelleinheiten können also abwechselnd von mindestens einem ersten Messkontakt und einem zweiten Messkontakt kontaktiert sein. Die ersten Messkontakte sind an den ersten Eingang der Messanschluss angeschlossen und liegen dann somit auf gleichem Potential, sowie auch alle zweiten Messkontakte. Bei intakter Isolation zwischen den Zelleinheiten gibt es keine elektrische Verbindung zwischen einem der ersten Messkontakte und einem der zweiten Messkontakte. Als Ergebnis der Messung sollte sich in diesem Fall idealerweise also ein sehr hoher elektrischer Widerstand ergeben. Ist dem nicht so, so kann darauf geschlossen werden, dass ein Isolationsfehler vorliegt, da dann zumindest einer der ersten Messkontakte mit zumindest einem der zweiten Messkontakte niederohmig elektrisch verbunden ist, oder andererseits zwar nicht niederohmig aber zumindest über einen zu geringen Isolationswiderstand verbunden ist, was zu einem über den zu geringen Isolationswiderstand geschlossenen Stromkreis zwischen dem ersten und zweiten Eingang der Messschaltung führ, was somit auf einfache Weise durch die Messschaltung detektiert werden kann. Somit kann vorteilhafterweise mit nur einer einzigen Messung überprüft werden, ob ein Isolationsfehler zwischen Zelleinheiten eines Zellmoduls vorliegt oder nicht, unabhängig von der Anzahl der vom Zellmodul umfassten Zelleinheiten. Selbst wenn also das Zellmodul zum Beispiel 48 Zelleinheiten aufweist, kann mit nur einer einzigen Messung überprüft werden, ob die Isolation zwischen den Zelleinheiten intakt ist oder nicht. Ist dies nicht der Fall, so kann durch weitere Messungen oder eine Nacharbeit überprüft werden, an welcher Stelle sich der Isolationsfehler genau befindet. Da die Isolation zwischen den Zellen im Fertigungsprozess von Zellmodulen in der Regel intakt ist und nur im Ausnahmefall ein Isolationsfehler vorliegt, kann durch die oben beschriebene Messanordnung ein enormer Zeit- und Kostenvorteil erzielt werden. Anstelle nämlich bei 48 Zellen 47 Einzelmessungen durchzuführen, kann die Überprüfung der Isolation nunmehr mittels nur einer einzigen Messung erfolgen. Dadurch gestaltet sich die Isolationsüberprüfung besonders einfach und effizient.
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Wie eingangs beschrieben, kann es sich bei einer Zelleinheit zum Beispiel um eine einzelne Zelle, insbesondere Batteriezelle handeln, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Zelle, oder eine Parallelschaltung aus mehreren Zellen, insbesondere Batteriezellen. Da im Falle einer Parallelschaltung die positiven und negativen Potentiale der Zellen auf gleichem Potential liegen, müssen die Zellgehäuse von Zellen einer Parallelschaltung nicht notwendigerweise voneinander elektrisch isoliert sein. Eine Parallelschaltung aus mehreren Batteriezellen kann daher gehandhabt werden, als würde es sich dabei um eine Einzelzelle handeln. Ist also im Folgenden zur besseren Veranschaulichung zum Teil nur auf einzelne Zelle bzw. Batteriezellen Bezug genommen, so gelten diese Ausführungsbeispiele ohne Beschränkung der Allgemeinheit ebenso für Zelleinheiten, die eine Parallelschaltung aus mehreren Batteriezellen darstellen.
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Unter einer Zelle soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt eine Batteriezelle verstanden werden. Die Batteriezellen beziehungsweise Zelleinheiten können zum Beispiel als prismatische Batteriezellen, Pouchzellen oder Rundzellen ausgebildet sein. Die ersten Zelleinheiten können zudem genauso ausgebildet sein wie die zweiten Zelleinheiten. Beispielsweise können also in Stapelrichtung mehrere einzelne Batteriezellen nebeneinander angeordnet sein, wobei zum Beispiel die erste, dritte, fünfte, siebte Batteriezelle, und so weiter, in der Reihenfolge in Stapelrichtung mit mindestens einem ersten Messkontakt elektrisch verbunden oder verbindbar ist, und die zweite, vierte, sechste, achte Batteriezelle, und so weiter, mit mindestens einem zweiten Messkontakt elektrisch verbunden oder verbindbar ist. Dies hat den Hintergrund, dass, falls ein Isolationsfehler auftritt, dieser in der Regel zwischen den Zellgehäusen von in Stapelrichtung benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen besteht. Das Zellgehäuse einer Zelle ist dabei typischerweise mit einem der zwei Zellpotentiale der Zelle gekoppelt, oftmals dem positiven Zellpotential. Dabei kann das Zellpotential direkt mit dem Zellgehäuse in leitender Verbindung stehen, oder indirekt über einen zellinternen Widerstand, z.B. einer zellinternen Stromunterbrechungseinrichtung (engl. Current Interrupt Device).
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Bei dem beschriebenen Messaufbau kann zwar nicht überprüft werden, ob ein direkter Isolationsfehler beispielsweise zwischen zwei Zellgehäusen von zwei ersten Zelleinheiten oder von zwei zweiten Zelleinheiten vorliegt, d.h. eine direkte elektrische Verbindung zwischen zwei ersten bzw. zwei zweiten Zelleinheiten, dies ist jedoch auch in der Praxis aufgrund der räumlichen Trennung in der Regel nicht möglich. Allerhöchstens könnte ein solcher Kurzschluss indirekt über ein weiteres Bauteil erfolgen, zum Beispiel eine Seitenwand eines Batteriegehäuses oder ähnliches, welches zwei Zellgehäuse zweier erste Zellen oder zweier zweiter Zellen miteinander verbindet. Dies würde jedoch zum einen einen doppelten Isolationsfehler erfordern, und zum anderen könnte dieser Isolationsfehler auch mit den nachfolgend noch näher erläuterten weiteren optionalen Maßnahmen detektiert werden.
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Die Messschaltung kann zum Beispiel als herkömmliche Isolationswiderstandsmessschaltung ausgeführt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, den Isolationswiderstand anders zu bestimmen, zum Beispiel mittels einer Spannungsfestigkeitsmessung oder ähnliches. Messvorrichtungen zum Messen eines Widerstands, insbesondere Isolationswiderstands, zwischen zwei Anschlüssen sind einem Fachmann in ausreichender Weise bekannt, so dass auf das konkrete Messverfahren hier nicht im Detail eingegangen wird.
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Zur Durchführung der ersten Messung kann die Messschaltung dazu ausgelegt sein, eine Messspannung zwischen dem ersten und zweiten Messanschluss anzulegen. Die Messspannung hat bevorzugt eine Größe in der Größenordnung der letztendlichen Betriebsspannung der Batterie, insbesondere Hochvolt-Batterie, in welcher das überprüfte Zellmodul, gegebenenfalls verschaltet mit noch weiteren Zellmodulen, Anwendung finden soll. Typische Systemspannungen liegen bei Hochvolt-Batterien im Bereich zwischen zum Beispiel 400 Volt und 800 Volt. Vorteilhaft ist entsprechend eine Messspannung von zum Beispiel 800 Volt bis 1000 Volt. Somit kann unter realistischen Verhältnissen getestet werden.
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Im Falle einer intakten Isolierung liefert die erste Messung als Ergebnis einen hochohmigen Widerstandswert, der zum Beispiel im Bereich mehrerer Megaohm bis Gigaohm, je nach Auslegung des Zellmoduls, liegen kann. Beispielsweise sind die Batteriezellen eines Zellmoduls typischerweise von Zelltrennelementen, die zwischen den einzelnen Batteriezellen angeordnet sind, das heißt also zwischen je zwei in Stapelrichtung benachbart angeordneten Batteriezellen angeordnet sind, nochmal elektrisch voneinander isoliert. Solche Zelltrennelemente können also mehr oder weniger dick oder elektrisch isolierend ausgeführt sein. Dem entsprechend ergibt sich also je nach Auslegung des Zellmoduls bei intakter Isolierung ein mehr oder weniger großer Widerstandswert.
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Um also zu überprüfen, ob die Isolierung intakt ist oder nicht, kann ein Grenzwert vorgegeben sein und der gemessene Widerstandswert mit diesem Grenzwert verglichen werden. Liegt der gemessene Isolationswiderstand, das heißt der bei der ersten Messung gemessene Isolationswiderstand, oberhalb dieses Grenzwerts, so gilt die Isolation als in Ordnung, und ist der gemessene Isolationswiderstandswert kleiner oder gleich diesem Grenzwert, so gilt die Isolation als möglicherweise nicht in Ordnung, und es sind unter Umständen weitere Messungen möglich. Wird z.B. ein Isolationswiderstand im Bereich von mehr als 100 Megaohm bis 5 Gigaohm gemessen, so kann der Isolationswiderstand als in Ordnung klassifiziert werden und falls ein Isolationswiderstand im nicht niederohmigen sondern mittelohmigen Bereich von 1 Kiloohm bis 100 Megaohm gemessen wird, kann der Isolationswiderstand als nicht in Ordnung klassifiziert werden, ebenso wenn ein Isolationswiderstand im niederohmigen Bereich von 0 Ohm bis 1 Kiloohm gemessen wird. Der Grenzwert selbst, wie in diesem Beispiel 100 Kiloohm, kann auf die Auslegung des zu überprüfenden Zellmoduls angepasst sein, da je nach Auslegung des Zellmoduls wie beschrieben die Zellen mehr oder weniger gut zueinander isoliert sein können. Wenn die erste Messung in Ordnung ist, dann kann weiter montiert werden und/oder die nachfolgend noch näher erläuterte zweite Messung durchgeführt werden. Sollte ein Fehler erkannt werden, kann das Zellmodul ausgeschleust werden und effizient nachgearbeitet werden, um Kosten zu sparen und einen sehr kurzen Qualitätsregelkreis zu haben.
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Die Messanordnung und insbesondere die Messkontakte können auf die Geometrie des zu überprüfenden Zellmoduls, insbesondere auf die Abstände der Zellen in Stapelrichtung, angepasst sein und einen entsprechenden Abstand zueinander aufweisen. Die Abstände zwischen den Messkontakten können auch änderbar ausgebildet sein, so dass diese zur Kontaktierung der entsprechenden Zellen einfach an die Position dieser Zellen angepasst werden können. Die Messkontakte können aber auch fix bezüglich einer zur Stapelrichtung korrespondierenden Richtung sein und an eine gegebene Zellmodulgeometrie angepasst sein. Vorteilhaft ist jedoch eine Toleranzausgleichsmöglichkeit in Kontaktierungsrichtung, die während des Kontaktierens der Messkontakte mit den Zelleinheiten senkrecht zur Stapelrichtung ist, und die durch die Messanordnung bereitgestellt werden kann. Dazu können die messkontakte z.B. federgelagert ausgebildet sein. Beim Kontaktieren können die jeweiligen Messkontakte dann auf ein jeweiliges Polterminal einer Batteriezelle mittels der Feder gedrückt werden und dabei gleichzeitig Toleranzen, z.B. Höhentoleranzen, ausgeglichen werden.
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Die Messanordnung kann weiterhin so ausgeführt sein, dass pro Batteriezelle beziehungsweise Zelleinheit ein einzelner Messkontakt vorgesehen ist, das heißt also für jede erste Batteriezelle ein erster Messkontakt und für jede zweite Batteriezelle ein zweiter Messkontakt. Es kann aber auch sein, wie nachfolgend näher erläutert, dass pro Batteriezelle zwei Messkontakte vorgesehen sind, die ein Messkontaktpaar bilden, das heißt also für eine erste Batteriezelle zwei erste Messkontakte, die ein erstes Messkontaktpaar bilden, und für jede zweite Batteriezelle ebenso zwei zweite Messkontakte, die ein zweites Messkontaktpaar bilden. Wird jede Zelle oder Zelleinheit nur von einem einzelnen Messkontakt kontaktiert, so ist es dabei grundsätzlich egal, welcher Zellpol dabei vom Messkontakt kontaktiert wird. Beispielsweise können mittels der ersten Messkontakte die Pluspole der ersten Zellen beziehungsweise Zelleinheiten kontaktiert werden, und mittels der zweiten Messkontakte die jeweiligen Minuspole der zweiten Zellen beziehungsweise Zelleinheiten. Möglich ist es aber auch, dass durch die ersten Messkontakte gemischt Plus- und Minuspole der ersten Zellen und durch die zweiten Messkontakte ebenso gemischt Plus- und Minuspole der zweiten Zellen kontaktiert werden. Dies führt zwar zu einer gewissen Messunschärfe, die jedoch bei den typischen Zellspannungen im Bereich von 4 Volt die Isolationsmessung nicht maßgeblich beeinflusst. Somit kann zum Beispiel die Kontaktierung der Pole je nach zur Verfügung stehendem Bauraum oder Platz für die Anordnung der Messkontakte geeignet gewählt werden. Die Messkontakte können dabei so ausgestaltet sein, dass eine automatisierte Kontaktierung der Zellen beziehungsweise der Zellpole möglich ist. Dabei können beispielsweise die Messkontakte alle gleichzeitig mit den betreffenden Zellen an ihrem jeweiligen Zellpol automatisch kontaktiert werden. Idealerweise gibt es also nach dem Aufbau des Zellstapels mit den abwechselnd angeordneten ersten und zweiten Zellen beziehungsweise Zelleinheiten im Idealfall genau eine einzige, insbesondere automatisierte, Kontaktierung, die alle Zellen je auf einem Zellpol, sowie optional zusätzlich alle relevanten Zellmodulgehäuseteile kontaktiert. Die Kontaktierung von Zellmodulgehäuseteilen wird später näher erläutert und erfolgt dann mittels mindestens eines dritten Messkontakts. Die Messkontakte können darüber hinaus, wie bereits erwähnt, federgelagert und toleranzausgleichend ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine simultane Kontaktierung auf besonders einfache Weise. Vor der ersten Messung können also die entsprechenden Messkontakte an die betreffenden Zellen beziehungsweise Zellpole oder sonstigen Bauteile gefahren werden und dann kann die erste Messung durchgeführt werden. Die Spannungsabgriffe für jede einzelne Zelle, das heißt jede elektrische Verbindung zwischen einem Messkontakt und einem entsprechenden Messanschluss, kann zum Beispiel mit einem Widerstand, zum Beispiel einem 100 Ohm-Widerstand, ausgeführt sein, der dafür sorgt, dass auch im Worst-Case-Fall mit der Anwesenheit mehrerer Fehler gleichzeitig kein Schaden an der Messschaltung auftreten kann, da der Kurzschlussstrom dann zum Beispiel auf ungefährliche maximal 20 Milliampere begrenzt wird.
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Weist eine Zelleinheit zum Beispiel mehrere parallel geschaltete Batteriezellen auf, so kann pro Zelleinheit ebenfalls nur ein Messkontakt vorgesehen sein, der dann irgendeine der Batteriezellen im Bereich eines ihrer Zellpole kontaktiert, oder ein Messkontaktpaar, welches ebenfalls irgendeine der Zellen der Parallelschaltung im Bereich eines ihrer Pole kontaktiert. Dabei befinden die Zellen der Parallelschaltung im bereits miteinander verschalteten Zustand.
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Bei einer einfachen Ausführungsform können beispielsweise alle ersten Messkontakte an eine gemeinsame erste Messleitung angeschlossen sein, die mit dem ersten Messanschluss elektrisch verbunden ist, und alle zweiten Messkontakte sind an einer gemeinsamen zweiten Messleitung angeschlossen, die elektrisch mit dem zweiten Messanschluss verbunden ist, zumindest während der ersten Messung. Von dieser Messleitung können also einzelne Zweige weggehen, die zu den jeweiligen ersten Messkontakten beziehungsweise zweiten Messkontakten führen. Aber auch andere Verschaltungsmöglichkeiten sind denkbar. Beispielsweise kann eine solche Messleitung auch von einer ersten Zelleinheit zur nächsten ersten Zelleinheit und von dieser zur wiederum nächsten ersten Zelleinheit geführt sein. Dann ist jede erste Zelleinheit zweimal kontaktiert, zumindest bis auf die in dieser Reihenfolge erste und letzte der ersten Zelleinheiten, wobei auch diese je zweimal kontaktiert sein kann, um die später erläuterte Kontaktüberwachung bereitzustellen. Auch auf diese Weise lassen sich die einzelnen ersten Zelleinheiten auf ein gemeinsames Potential legen und mit dem ersten Eingang verbinden. Außerdem ermöglicht diese Art der Verschaltung eine einfache Erweiterung zu einer Kontaktüberwachung, bei welcher dann auch die in der Reihenfolge erste und letzte der ersten Zelleinheiten mit einem weiteren Messkontakt versehen sein kann, um einen geschlossenen Stromkreis zu bilden. Gleiches gilt entsprechend auch für die zweiten Zelleinheiten und die zweiten Messkontakte.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messanordnung zur Durchführung zumindest einer zweiten Messung zur Überprüfung einer elektrischen Isolation zwischen den Zelleinheiten und einem von einem Zellstapel verschiedenen, elektrisch leitenden Bauteil, insbesondere Gehäusebauteil ausgelegt, insbesondere wobei die Messanordnung derart eingerichtet ist, dass die zweite Messung nur dann ausgeführt wird, wenn durch die erste Messung kein Isolationsfehler detektiert wurde. Bei der Durchführung der zweiten Messung kann der Zellstapel beziehungsweise das Zellmodul sich in einer finalen Einbauposition innerhalb einer Hochvolt-Batterie befinden, und z.B. innerhalb eines Gesamt-Batteriegehäuses, gegebenenfalls zusammen mit weiteren Zellmodulen, angeordnet sein. Bevorzugt erfolgt die Messung, insbesondere die erste und/oder zweite Messung, aber in einem noch nicht in der finalen Einbauposition befindlichen Zustand und insbesondere in einem noch nicht mit Gesamt-Batteriegehäuse angeordneten Zustand des Zellmoduls bzw. Zellstapels, sondern z.B. während des Aufbaus des Zellmoduls und damit lange bevor das Zellmodul überhaupt fertig hergestellt ist.
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Grundsätzlich kann eine Hochvolt-Batterie so aufgebaut sein, dass diese ein Batteriegehäuse aufweist, in welches mehrere Batteriemodule aufgenommen sind, die wiederum jeweils mehrere Batteriezellen, insbesondere erste und zweite Batteriezellen beziehungsweise Zelleinheiten, umfassen. Die einzelnen Aufnahmebereiche für die jeweiligen Zellmodule können dabei innerhalb des Batteriegehäuses zum Beispiel durch Trennwände oder Trennstege voneinander räumlich separiert sein. Das Batteriegehäuse ist typischerweise aus Metall, ebenso wie die Trennstege. Die Batteriemodule beziehungsweise Zellmodule sind auf einem gemeinsamen Gehäuseboden angeordnet, der gleichzeitig auch als Kühlboden zur Kühlung der Zellen ausgebildet sein kann. Außerdem können die Zellmodule noch über ein eigenes Modulgehäuse verfügen. Dieses kann zum Beispiel in Form eines die Batteriezellen umgebenden Spannrahmens ausgebildet sein. Auch dieser Spannrahmen kann unter Umständen aus Metall gebildet sein oder zumindest zum Teil elektrisch leitend ausgeführt sein. All diese elektrisch leitenden Bauteile sollten im Idealfall von den Batteriezellen elektrisch isoliert sein. Auch diese Isolierung kann nun vorteilhafterweise im Rahmen der zweiten Messung überprüft werden. Der Zellstapel stellt dabei die Gesamtheit der Anordnung der mehreren ersten und zweiten Zelleinheiten dar. Unter dem Gehäusebauteil soll entsprechend kein Bauteil einer der Zelleinheiten verstanden werden. Bei dem vom Zellstapel verschiedenen elektrisch leitenden Bauteil kann es sich also um ein Gehäusebauteil, insbesondere des Gesamt-Batteriegehäuses, zum Beispiel eine Seitenwand, der Kühlboden, eine Zwischenwand oder ähnliches handeln, oder auch ein Gehäusebauteil des Modulgehäuses, zum Beispiel ein Teil des Spannrahmens, oder ähnliches. Der große Vorteil der Messanordnung besteht nun darin, dass zur Durchführung dieser zweiten Messung die Kontaktierung der einzelnen Zellen mittels der Messkontakte nicht geändert werden muss. Die Messanordnung kann beispielsweise über eine geeignete Schalteinrichtung verfügen, die durch eine Umschaltung von Schaltelementen eine geeignete Verschaltung der Zellen und der Gehäusebauteile bereitstellt, um vorteilhafterweise nun zusätzlich auch die Isolation zwischen den Zellen einerseits und den Gehäusebauteilen andererseits zu überprüfen.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Messschaltung mindestens einen dritten Messkontakt zum elektrisch leitenden Kontaktieren des Bauteils aufweist, wobei zur Durchführung der zweiten Messung die ersten Messkontakte vom ersten Eigenschaft entkoppelt sind und gleichzeitig mit den zweiten Messkontakten mit dem zweiten Eingang elektrisch verbunden sind, und der mindestens eine dritte Messkontakt mit dem ersten Eingang gekoppelt ist. In diesem Fall werden also alle ersten und zweiten Messkontakte auf ein gemeinsames Potential gelegt und mit dem zweiten Eingang der Messschaltung verbunden, während der mindestens eine dritte Messkontakt zum Kontaktieren des Gehäusebauteils am ersten Eingang der Messschaltung angeschlossen wird. Somit kann also vorteilhafterweise der Isolationswiderstand zwischen dem Bauteil und den Batteriezellen beziehungsweise Zellgehäusen überprüft werden. Bei intakter Isolierung ergibt sich auch hier wiederum ein sehr hochohmiger Widerstand als Messergebnis, insbesondere zum Beispiel wiederum im Megaohm- oder Gigaohm-Bereich, während bei fehlerhafter Isolierung wiederum ein vorgebbarer Grenzwert unterschritten wird, wodurch diese fehlerhafte Isolierung detektiert wird. Die Entkopplung der ersten Messkontakte vom ersten Eingang und zur Kopplung der ersten Messkontakte mit den zweiten Messkontakten beziehungsweise mit dem zweiten Eingang kann also beispielsweise ein entsprechendes Schaltelement vorgesehen sein, welches eine derartige Umschaltung ausführt. Die Messkontakte müssen hinsichtlich ihrer Position entsprechend nicht bewegt werden. Auch der dritte Messkontakt zum Kontaktieren mit dem Bauteil, insbesondere dem Gehäusebauteil, kann an diesem wiederum, insbesondere automatisiert, angeordnet werden, zumindest vor der Durchführung der zweiten Messung und optional sogar auch vor der Durchführung der ersten Messung. Vor der ersten Messung können also beispielsweise alle Kontaktierungsvorgänge zunächst vorgenommen werden, insbesondere manuell oder bevorzugt automatisiert, und anschließend können die Messungen durchgeführt werden, ohne dass zwischen der ersten und zweiten Messung dann noch eine Umpositionierung der Messkontakte vorgenommen werden muss.
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Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Messanordnung so ausgebildet ist, dass eine räumliche Position der ersten und zweiten Messkontakte, und insbesondere des mindestens einen dritten Messkontakts, für die Durchführung der ersten Messung die gleiche ist wie für die Durchführung der zweiten Messung, insbesondere zumindest im Falle einer korrekten Kontaktierung beziehungsweise wenn kein Kontaktierungsfehler detektiert wird und im Falle, dass bei der ersten Messung kein Isolationsfehler detektiert wird. Wird also beispielsweise während der ersten Messung ein Isolationsfehler detektiert, so kann die zweite Messung ohnehin komplett entfallen. Wie nachfolgend näher erläutert kann zusätzlich noch überprüft werden, ob ein Kontaktierungsfehler vorliegt beziehungsweise ob die Kontakte zwischen den jeweiligen Messkontakten und den Zellen beziehungsweise Gehäusebauteilen ordnungsgemäß hergestellt sind oder nicht. Ist dies nicht der Fall, so kann auch hier durch eine neue Positionierung der Messkontakte nachgearbeitet werden, bis die Positionierung der Messkontakte korrekt ist. Ist diese korrekt, so ist keine räumliche Korrektur deren Position mehr erforderlich, insbesondere nicht zwischen der ersten und zweiten Messung. Dies ermöglicht ein besonders schnelles und effizientes Durchführen mehrerer Isolationsmessungen hintereinander.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, wenngleich auch weniger bevorzugt, dass die zweite Messung zeitlich vor der ersten Messung durchgeführt wird. Die erste und zweite Messung werden dann wie beschrieben, eben nur in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Messanordnung ein erstes Schaltelement, zum Beispiel einen elektronisch steuerbaren Schalter oder einen anderen Schalter, mittels welchem die ersten Messkontakte mit dem ersten Eingang koppelbar und von diesem entkoppelbar sind, wobei die ersten Messkontakte in einem ersten Schaltzustand mit dem ersten Eingang gekoppelt sind und in einem zweiten Schaltzustand des ersten Schaltelements vom ersten Eingang getrennt sind, wobei das erste Schaltelement in einem zweiten Schaltzustand den mindestens einen dritten Messkontakt mit dem ersten Eingang elektrisch koppelt und im ersten Schaltzustand vom ersten Eingang elektrisch entkoppelt.
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Bei dem Schaltelement kann es sich um einen einzelnen Schalter oder auch um eine Anordnung mehrerer Schalter handeln, zum Beispiel elektronisch steuerbarer Schalter. So kann also der erste Eingang der Messschaltung auf einfache Weise zwischen den ersten Messkontakten zur Durchführung der ersten Messung und zwischen den dritten Messkontakten zur Durchführung der zweiten Messung hin und her geschaltet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Messanordnung ein zweites Schaltelement, welches in einem zweiten Schaltzustand die ersten und zweiten Messkontakte elektrisch miteinander verbindet und in einem ersten Schaltzustand die ersten und zweiten Messkontakte voneinander elektrisch trennt, wobei sich das zweite Schaltelement zur Durchführung der ersten Messung im ersten Schaltzustand befindet und zur Durchführung der zweiten Messung im zweiten Schaltzustand.
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Grundsätzlich sind zum Umschalten zwischen der ersten und zweiten Messung zwei Schaltelemente ausreichend. Dadurch lässt sich eine besonders einfache Messanordnung bereitstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Messanordnung eine Kontaktüberwachungseinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, die elektrische Kontaktierung der ersten und/oder zweiten Messkontakte mit den ersten und/oder zweiten Zelleinheiten zu überprüfen, und insbesondere die elektrische Kontaktierung des mindestens einen dritten Messkontakts mit dem Bauteil zu überprüfen. Unter Umständen kann es beim Kontaktierungsvorgang zur Kontaktierung der jeweiligen Messkontakte mit den entsprechenden Elementen, nämlich den Zellen beziehungsweise Zelleinheiten und insbesondere auch dem Bauteil beziehungsweise den Gehäusebauteilen, vorkommen, dass ein elektrischer Kontakt nicht richtig hergestellt ist. Werden also zum Beispiel mehrere erste Messkontakte auf ein gleiches Potential gelegt und ist einer dieser ersten Messkontakte nicht richtig an der betreffenden Zelle angeschlossen, so fällt dies während der Isolationswiderstandsmessung unter Umständen nicht auf. Mittels der Kontaktüberwachungseinrichtung kann nun vorteilhafterweise überprüft werden, ob auch diese Kontaktierungen ordnungsgemäß ausgeführt sind. Damit kann verhindert werden, dass ein vorhandener Isolationsfehler möglicherweise nicht detektiert wird, da der betreffende Kontakt an der Zelle nicht richtig geschlossen war beziehungsweise angelegen hat.
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Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Kontaktüberwachungseinrichtung beispielsweise dazu ausgelegt ist, die Überprüfung vor der Durchführung der ersten Messung durchzuführen und im Falle, dass die Überprüfung ergibt, dass eine fehlerfreie Kontaktierung vorlegt, die Durchführung der ersten Messung auszulösen. Mit anderen Worten kann, sobald die Kontaktüberwachungseinrichtung eine fehlerfreie Kontaktierung feststellt, die Durchführung der ersten Messung verzögerungsfrei ausgelöst werden. Zwischenzeitlich werden die Messkontakte hinsichtlich ihrer Position nicht mehr verändert. Die erfolgreiche Überprüfung der Kontaktierung kann somit als Trigger für das Auslösen der ersten Isolationsmessung fungieren. Dies ist zeitsparend und erlaubt eine besonders effiziente Ausführung der Isolationsmessung. Gleiches gilt ebenso für die zweite Messung.
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Daher ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Kontaktüberwachungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Überprüfung vor der Durchführung der zweiten Messung durchzuführen, und insbesondere nach der ersten Messung, und im Falle, dass die Überprüfung ergibt, dass eine fehlerfreie Kontaktierung vorliegt, die Durchführung der zweiten Messung auszulösen. Auch hier kann also das Ergebnis der Überprüfung, dass eine fehlerfreie Kontaktierung vorliegt, als Trigger für die Durchführung der zweiten Messung fungieren. Grundsätzlich ist es ausreichend, je nachdem ob die erste oder zweite Messung zuerst durchgeführt wird, die Kontaktüberwachung nur einmal auszuführen, nämlich vor der zuerst durchgeführten Messung. Nichts desto weniger ist es denkbar, dass die Kontaktüberwachung dennoch sowohl vor der ersten Messung als auch nochmal erneut vor der zweiten Messung durchgeführt wird, um sicherzustellen, dass sich zwischenzeitlich nicht etwa ein Kontakt gelöst hat. Außerdem ist an der zweiten Messung zusätzlich noch der mindestens eine dritte Messkontakt zur Kontaktierung des Bauteils beteiligt. Da dieser dritte Messkontakt bei der ersten Messung gar nicht benötigt wird, ist es vorteilhaft, die korrekte Kontaktierung dieses dritten Messkontakts vor der zweiten Messung nochmal explizit mittels der Kontaktüberwachungseinrichtung zu überprüfen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kontaktüberwachungseinrichtung dazu ausgelegt, die Überprüfung fortwährend während der Durchführung der ersten und/oder zweiten Messung auszuführen. Ein mögliches Verrutschen eines Messkontakts während der Ausführung der ersten und/oder zweiten Messung kann somit vorteilhafterweise ebenfalls sofort detektiert werden. Die Wahrscheinlichkeit für Fehlmessungen und eines Übersehens eines Isolationsfehlers kann somit weiter reduziert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind durch die ersten Messkontakte mehrere erste Messkontaktpaare bereitgestellt, so dass alle der ersten Zelleinheiten gleichzeitig jeweils mittels eines ersten Messkontaktpaars, insbesondere in einem gleichen Kontaktierungsbereich der jeweiligen ersten Zelleinheit, elektrisch kontaktierbar sind, und durch die zweiten Messkontakte sind mehrere zweite Messkontaktpaare bereitgestellt, so dass alle der zweiten Zelleinheiten gleichzeitig jeweils mittels eines zweiten Messkontaktpaars, insbesondere in einem gleichen Kontaktierungsbereich der jeweiligen zweiten Zelleinheiten, elektrisch kontaktierbar sind. Unter einem Kontaktierungsbereich kann zum Beispiel ein gleicher Zellpol verstanden werden. Weiterhin weist die Kontaktüberwachungseinrichtung bevorzugt eine erste Überwachungseinheit und eine zweite Überwachungseinheit auf, wobei die Messanordnung derart eingerichtet ist, dass zur Überprüfung der Kontaktierung für die erste Messung die ersten Messkontaktpaare in Bezug auf die erste Überwachungseinheit in Reihe geschaltet sind und im Falle einer korrekten Kontaktierung mit der ersten Überwachungseinheit einen geschlossenen ersten Stromkreis bilden, und die zweiten Messkontaktpaare in Bezug auf die zweite Überwachungseinheit in Reihe geschaltet sind und im Falle einer korrekten Kontaktierung mit der zweiten Überwachungseinheit einen geschlossenen zweiten Stromkreis bilden. Die Überwachungseinheit kann zum Beispiel als einfache Strommesseinheit und Stromquelle ausgebildet sein, die eine Spannung an den betreffenden Stromkreis anlegt und überprüft, ob ein Strom fließt. Ist dies der Fall, so ist der Stromkreis geschlossen und alle Kontakte sind ordnungsgemäß angelegt. Es liegt also in diesem Fall kein Kontaktierungsfehler vor. Liegt ein Messkontakt nicht richtig an, so ist der betreffende Stromkreis nicht geschlossen und die Überwachungseinheit kann dies aufgrund des fehlenden Stromflusses detektieren.
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In gleicher Weise kann auch für die zweite Messung vorgegangen werden. Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn als der mindestens eine dritte Messkontakt mindestens ein drittes Messkontaktpaar bereitgestellt ist, mittels welchem das Bauteil kontaktierbar ist. Hierbei ist noch anzumerken, dass auch mehrere Bauteile, insbesondere Gehäusebauteile gleichzeitig hinsichtlich ihrer Isolierung gegenüber dem Zellmodul, oder genauer gesagt gegenüber Teilen der Zellen, insbesondere den aktiven Teilen der Zellen, die später im Betrieb den HV-Strom führen, überprüft werden können. Dann kann für jedes solches zu überprüfende Gehäusebauteil ein drittes Messkontaktpaar vorgesehen sein, welches dieses betreffende Gehäusebauteil kontaktieren kann und zur Durchführung der zweiten Messung auch kontaktiert. Weiterhin ist die Messanordnung derart eingerichtet, dass zur Überprüfung der Kontaktierung für die zweite Messung die ersten Messkontaktpaare und die zweiten Messkontaktpaare in Bezug auf zweite Überwachungseinheit alle zueinander in Reihe geschaltet sind und im Falle einer korrekten Kontaktierung mit der zweiten Überwachungseinheit einen geschlossenen dritten Stromkreis bilden, und das mindestens eine dritte Messkontaktpaar in Bezug auf die erste Überwachungseinheit in Reihe geschaltet ist und im Falle einer korrekten Kontaktierung mit der ersten Überwachungseinheit einen geschlossenen vierten Stromkreis bildet. Somit kann also ganz analog überprüft werden, ob auch zur Durchführung der zweiten Messung alle Messkontakte richtig an den zu kontaktierenden Elementen, nämlich den Zelleinheiten beziehungsweise Bauteilen angeordnet sind oder nicht. Ist die Kontaktierung korrekt, so kann dies wiederum durch einen Stromfluss durch die entsprechenden Stromkreise detektiert werden. Die erste und zweite Überwachungseinheit stellen hierfür wiederum eine Spannung bereit, um einen solchen Stromfluss hervorzurufen. Im Falle eines Kontaktierungsfehlers fließt entsprechend im betreffenden Stromkreis kein Strom. So kann dieser Kontaktierungsfehler detektiert werden.
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Wird ein Kontaktierungsfehler detektiert, so können die Messkontakte neu positioniert oder manuell überprüft werden, insbesondere so lange, bis kein Kontaktierungsfehler mehr detektiert wird. Anschließend kann die betreffende Messung durchgeführt werden.
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Die durch die Kontaktüberwachungseinheiten bereitstellbare Spannung kann dabei relativ klein sein, sowie der entsprechende von dieser Überwachungseinheit umfasste Messwiderstand. Entsprechend kann diese Kontaktüberwachung auch während der ersten und zweiten Messung durchgeführt werden, ohne dabei die Isolationsmessung zu beeinträchtigen.
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Darüber hinaus kann die Messanordnung das Zellmodul umfassen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Überprüfung einer elektrischen Isolation zwischen Zelleinheiten eines Zellmoduls, wobei das Zellmodul als Zelleinheiten mehrere erste und zweite Zelleinheiten aufweist, die abwechselnd in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind. Dabei ist ein erster Messanschluss an einem ersten Eingang einer Messschaltung elektrisch angeschlossen und ein zweiter Messanschluss an einem zweiten Eingang der Messschaltung angeschlossen und die Messschaltung misst den Isolationswiderstand zwischen dem ersten Messanschluss und dem zweiten Messanschluss. Dabei werden mehrere erste Messkontakte mit den ersten Zelleinheiten kontaktiert und mehrere zweite Messkontakte mit den zweiten Zelleinheiten kontaktiert, so dass alle der ersten Zelleinheiten gleichzeitig jeweils mittels mindestens eines erstens Messkontakts der ersten Messkontakte elektrisch kontaktiert sind und alle der zweiten Zelleinheiten gleichzeitig jeweils mittels mindestens eines zweiten Messkontakts der zweiten Messkontakte kontaktiert sind, wobei zumindest eine erste Messung durchgeführt wird, bei welcher alle der ersten Messkontakte mit dem ersten Messanschluss und gleichzeitig alle der zweiten Messkontakte mit dem zweiten Messanschluss elektrisch verbunden sind.
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Die für die erfindungsgemäße Messanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung und eines Zellmoduls während der Durchführung einer ersten Messung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung der Messanordnung aus 1 während der Durchführung einer zweiten Messung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Messanordnung und eines Zellmoduls während der Durchführung einer ersten Messung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 4 eine schematische Darstellung der Messanordnung aus 3 während der Durchführung einer zweiten Messung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 10 und eines Zellmoduls 12 während der Durchführung einer ersten Messung M1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Zellmodul 12 weist in diesem Beispiel mehrere in einer Stapelrichtung x nebeneinander angeordnete Batteriezellen 14, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen 14, auf. Diese Zellen 14 lassen sich wiederum in erste und zweite Batteriezellen 14a, 14b gliedern. Abgesehen von den Randzellen, das heißt der in x-Richtung ersten und letzten Zelle des Zellstapels 16, ist also jede erste Zelle 14a zwischen zwei zweiten Zellen 14b angeordnet und umgekehrt. Mit anderen Worten sind die ersten Zellen 14a und die zweiten Zellen 14b in Stapelrichtung x abwechselnd zueinander angeordnet, zum Beispiel erst eine zweite Zelle 14b, dann eine erste Zelle 14a, dann wieder eine zweite Zelle 14b, dann wieder eine erste Zelle 14a, und so weiter. Im vorliegenden Beispiel umfasst der Zellstapel 16 genauso viele erste wie zweite Zellen 14a, 14b, was aber nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Der Zellstapel kann auch eine ungerade Anzahl an Batteriezellen 14 umfassen. Jede Zelle 14 kann zudem zwei Zellpole aufweisen, von denen in 1 exemplarisch für eine jeweilige Zelle 14 nur ein solcher Zellpol dargestellt ist, und zwar exemplarisch für die ersten Zellen 14a ein Minuspol 18a und für die zweiten Zellen 14b ein Pluspol 18b. Einer der beiden Zellpole einer Zelle 14 kann dabei auch durch das Zellgehäuse 20 der Zelle 14 selbst bereitgestellt sein.
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Die Batteriezellen 14 weisen zudem nach außen teilweise vollständig elektrisch isolierte Zellgehäuse 20 auf. Insbesondere im Spezialfall, dass einer der Zellpole durch das Zellgehäuse 20 bereitgestellt ist, sind die Zellgehäuse 20 bis auf eine Stelle, an der der zweite Zellpol bereitgestellt ist, elektrisch isoliert, wobei diese Stelle dann bevorzugt an einer Seite der Zelle 14 oder in einem Bereich der Zelle 14 vorgesehen ist, der nicht einer benachbarten Zelle 14 zugewandt ist, also z.B. in einem Zellgehäusebereich mit einer Flächennormalen, die nicht parallel zur Stapelrichtung x ausgerichtet ist sondern z.B. dazu senkrecht steht. Die nachfolgend noch näher beschriebenen Kontaktierungen der Zellpole mit entsprechenden Messkontakten können für Zellpole, die durch eine solche Stelle des Zellgehäuses 20 bereitgestellt sind, die auf einem entsprechenden Potential liegt, ganz analog umgesetzt sein. Unter einem Pol einer Zelle 14 kann also allgemein eine Stelle der Zelle 14 verstanden werden, die auf einem bestimmten Zellpotential liegt, also einem positiven Potential bzw. Plus-Potential oder einem negativen Potential bzw. Minus-Potential, wobei diese Stelle ein konkretes vom Zellgehäuse 20 verschiedenes Terminal sein kann oder auch eine nicht isolierte Stelle des Zellgehäuses 20. Eine Zelle 14 umfasst also typischerweise eine Stelle mit einem positiven Potential, die auch als positiver Pol bezeichnet werden kann, und eine Stelle mit einem negativen Potential, die auch als negativer Pol bezeichnet werden kann.
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Zudem ist der Zellstapel 16 typischerweise in einem Gehäuse, zum Beispiel einem Gesamt-Batteriegehäuse oder einem Modulgehäuse angeordnet, welche ebenfalls elektrisch leitende Bauteile umfassen können. Exemplarisch ist vorliegend ein solches Gehäusebauteil 22 dargestellt.
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Die Messanordnung 10 ist nun dazu ausgelegt, die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Zellen 14 zueinander zu überprüfen, sowie optional auch die Isolation zwischen den Zellen 14 und einem solchen Gehäusebauteil 22. Zu diesem Zweck umfasst die Messanordnung 10 zum einen eine Messeinrichtung 24, die auch als Messschaltung 24 bezeichnet werden kann. Diese kann zum Beispiel als Isolationswiderstandsmessschaltung 24 ausbildet sein. Die Messschaltung 24 weist dabei einen ersten Eingang 24a sowie einen zweiten Eingang 24b auf. An den ersten Eingang 24a ist ein erster Messanschluss 26a angeschlossen und an den zweiten Eingang 24b ein zweiter Messanschluss 26b. Weiterhin weist die Messanordnung 10 mehrere erste und zweite Messkontakte 28a, 28b auf. Im vorliegenden Beispiel ist jede erste Batteriezelle 14a mit genau einem ersten Messkontakt 28a kontaktierbar und jede zweite Batteriezelle 14b mit genau einem zweiten Messkontakt 28b. Die ersten Messkontakte 28a sind in diesem Beispiel an eine gemeinsame erste Messleitung 30a angeschlossen und die zweiten Messkontakte 28b an eine gemeinsame zweite Messleitung 30b. Die ersten Messkontakte 28a liegen somit auf gleichem Potential, ebenso wie alle zweiten Messkontakte 28b. Die Messkontakte 28a, 28b können dabei zum Beispiel automatisiert mit den jeweiligen Zellpolen 18a, 18b der betreffenden ersten und zweiten Zellen 14a, 14b kontaktiert werden. Die Messkontakte 28a, 28b können zum Beispiel federgelagert und toleranzausgleichend ausgestaltet sein.
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Weiterhin sind die Spannungsabgriffe, das heißt die Messkontakte 28a, 28b für jede einzelne Zelle 14 mit je einem 100 Ohm-Widerstand R ausgeführt, der dafür sorgt, dass auch bei Anwesenheit mehrerer Fehler gleichzeitig kein Schaden an der Messvorrichtung, das heißt an der Messanschluss 24 auftreten kann, da der Kurzschlussstrom hierdurch begrenzt wird, zum Beispiel auf 20 Milliampere.
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Zur Durchführung der ersten Messung M1, bei welcher die Isolation der einzelnen Zellen 14 zueinander überprüft werden soll, sind nunmehr alle ersten Messkontakte 28a elektrisch mit dem ersten Eingang 24a der Messschaltung 24 verbunden und alle zweiten Messkontakte 28b mit dem zweiten Eingang 24b der Messschaltung 24. Bei korrekter Isolierung ergibt sich entsprechend ein Isolationswiderstand RI1 im Megaohm- oder sogar Gigaohmbereich. Insbesondere kann der Messschaltung 24 dabei ein Grenzwert vorgegeben sein und diese kann dann den gemessenen Isolationswiderstand RI1 mit dem Grenzwert vergleichen. Liegt der gemessene Isolationswiderstand RI1 oberhalb dieses Grenzwerts, so gilt die Isolation als in Ordnung, und andernfalls nicht. Die Messschaltung 24 kann die Detektion einer solchen fehlerhaften Isolation, d.h. die Detektion des Unterschreitens des Grenzwerts, signalisieren. Dann kann der Zellstapel 16 ausgeschleust und nachgearbeitet werden.
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Ist die Isolationsmessung in Ordnung, so kann optional noch eine zweite Messung M2 (vgl. 2) durchgeführt werden. Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn die Kontaktierung dabei nicht verändert werden muss. Dies lässt sich vorteilhafterweise dadurch bewerkstelligen, indem eine Schalteinrichtung 31 vorgesehen ist. Diese umfasst im vorliegenden Beispiel ein erstes Schaltelement S1 und zweites Schaltelement S2. In 1 weisen diese beiden Schaltelemente S1, S2 jeweils einen ersten Zustand Z1 auf. Das erste Schaltelement S1 koppelt in seinem ersten Schaltzustand Z1 die ersten Messkontakte 28a mit dem ersten Eingang 24a der Messschaltung 24. Das zweite Schaltelement S2 befindet sich im geöffneten Zustand, wenn es sich im ersten Schaltzustand Z1 befindet. In diesem ersten Schaltzustand Z1 ist also ein durch das zweite Schaltelement S2 herstellbarer Kontakt zwischen den ersten und zweiten Messkontakten 28a, 28b unterbrochen. Somit sind die Potentiale der ersten Messkontakte 28a von den Potentialen der zweiten Messkontakte 28b separiert, zumindest sofern kein Isolationsfehler vorliegt.
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Für die Durchführung der zweiten Messung M2, die nun anhand von 2 näher erläutert wird, wechselt das erste Schaltelement S1 in den zweiten Schaltzustand Z2, und ebenso wechselt das zweite Schaltelement S2 in den zweiten Schaltzustand Z2. Im Rahmen der zweiten Messung M2 kann vorteilhafterweise ein Isolationsfehler zwischen den Zellen 14 und dem Gehäusebauteil 22 überprüft beziehungsweise falls vorhanden detektiert werden. Zu diesem Zweck umfasst die Messanordnung 10 noch mindestens einen dritten Messkontakt 28c. Dabei kann es vorgesehen sein, dass auch dieser Messkontakt 28c automatisch mit dem betreffenden zu überprüfenden Gehäusebauteil 22 kontaktierbar ist, insbesondere bereits vor der Durchführung der ersten Messung M1, wie dies ebenfalls in 1 dargestellt ist. Zur Durchführung der zweiten Messung M2, wie in 2 dargestellt, wird nun dieser dritte Messkontakt 28c über das erste Schaltelement S1 mit dem ersten Eingang 24a der Messschaltung 24 gekoppelt und gleichzeitig damit einhergehend die ersten Messkontakte 28a von diesem ersten Eingang 24a entkoppelt. Stattdessen werden die ersten Messkontakte 28a über das zweite Schaltelement S2 mit den zweiten Messkontakten 28b elektrisch verbunden und zusammen mit diesen auf den zweiten Eingang 24b der Messschaltung 24 gelegt. Im Falle einer intakten Isolierung zwischen dem Bauteil 22 und den Zellen 14 liefert auch diese zweite Messung M2, die durch die Messschaltung 24 ausgeführt wird, einen sehr großen Isolationswiderstand RI2 im Megaohm- oder Gigaohmbereich. Auch hierfür kann wiederum ein geeigneter zweiter Grenzwert festgelegt werden. Wird dieser unterschritten, so kann auf einen Isolationsfehler geschlossen werden.
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Im Übrigen können die Schaltelemente S1, S2 durch eine geeignete Steuerung 32 angesteuert werden, um vom ersten Schaltzustand Z1 in den zweiten Schaltzustand Z2 zu schalten oder umgekehrt.
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Sollte nachfolgend, das heißt nach der Durchführung der ersten Messung M1, also auch eine Isolationswiderstandsmessung der Zellen 14 zum davon isolierten Zellmodulgehäuse 22 oder einem anderen Gehäusebauteil notwendig oder sinnvoll sein, so kann die bereits bestehende Kontaktierung nach wie vor genutzt werden. Die Messgeräteumschaltlogik, die durch die Schalteinrichtung 31 realisiert ist, kann dann alle Zellpole 18a, 18b, Plus- wie Minuspole, wobei ein Pol pro Zelle ausreichend ist, zusammenschalten und auf den ersten beziehungsweise im vorliegenden Beispiel auf den zweiten Messeingang 24b des Messgeräts, das heißt der Messschaltung 24, legen, während der andere Messgeräteeingang 24a dann mit dem oder den Zellmodulgehäuseteilen 22 verbunden wird. Dann wird also eine zweite Messung M2 ausgelöst, deren Ergebnis ebenfalls binnen weniger Sekunden vorliegt. Nun ist der gesamte Zellstapel 16 beziehungsweise das gesamte Zellmodul 12 mit nur einer Kontaktierung, das heißt mit nur einem Kontaktierungsvorgang, einem einzigen Messgerät 24 und nur zwei aufeinanderfolgenden Messschritten M1, M2 äußerst effizient geprüft worden und gegebenenfalls Fehler dabei identifiziert worden. Dies spart Zeit, Invest und macht das Produkt und den Prozess letztendlich sicherer und günstiger.
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Weiterhin können die beschriebenen Messungen M1, M2 noch mit einer Kontaktierungsüberwachung ergänzt werden, was nun anhand von 3 und 4 näher erläutert wird. 3 zeigt wiederum eine schematische Darstellung der Messanordnung 10 während der Durchführung der ersten Messung M1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ebenfalls dargestellt ist wiederum ein Batteriemodul 12 mit mehreren ersten und zweiten Batteriezellen 14a, 14b, sowie ein Gehäusebauteil, insbesondere zwei Gehäusebauteile 22, 22`. Grundsätzlich kann dabei die Messschaltung 10 wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. Pro Zelle 14 ist nunmehr nicht nur ein einzelner Messkontakt 28a, 28b vorgesehen, sondern ein Messkontaktpaar 29a, 29b. Jedes Messkontaktpaar 29a, 29b ist dabei mit genau einem Pol 18a, 18b oder im Allgemeinen einem gleichen Potential, also einem positiven Potential bzw. Plus-Potential oder einem negativen Potential bzw. Minus-Potential, einer Zelle 14 elektrisch kontaktierbar und in der vorliegenden Darstellung bereits kontaktiert. Die Kontaktierung kann ebenfalls automatisiert erfolgen. Die Messkontakte 28a, 28b können wie zuvor beschrieben federgelagert und toleranzausgleichend ausgebildet sein. Jede erste Zelle 14a ist also mit einem ersten Messkontaktpaar 29a während der Durchführung der ersten Messung M1, und insbesondere auch wiederum während der Durchführung der zweiten Messung M2 kontaktiert, und jede zweite Zelle 14b mit einem entsprechenden zweiten Messkontaktpaar 29b. Auch die jeweiligen Zellgehäuseteile 22, 22' können jeweils mit einem dritten Messkontaktpaar 29c, welches zwei dritte Messkontakte 28c umfasst, kontaktiert sein. Während der ersten Messung M1 sind wiederum alle ersten Messkontakte 28a auf den ersten Eingang 24a der Messschaltung 24 geschaltet und alle zweiten Messkontakte 28b auf den zweiten Eingang 24b. Dabei sind nunmehr die ersten Messkontakte 28a so verschaltet, dass diese in Bezug auf eine erste Überwachungseinheit 34 der Kontaktüberwachungseinrichtung 36 in Reihe geschaltet sind. Ebenso sind alle zweite Messkontakte 28b in Bezug auf eine zweite Überwachungseinheit 38 der Kontaktüberwachungseinrichtung 36 in Reihe geschaltet. Dies bedeutet, dass, sofern die ersten Messkontakte 28a ordnungsgemäß mit den betreffenden Zellen 14a kontaktiert sind, ein geschlossener erster Stromkreis K1 mit der ersten Überwachungseinheit 34 hergestellt ist, und sofern die zweiten Messkontakte 28b ordnungsgemäß an den zweiten Zellen 14b angeschlossen sind, ein geschlossener Stromkreis K2 mit der zweiten Überwachungseinheit 38 hergestellt ist. Die jeweiligen Überwachungseinheiten 34, 38 können also zwischen ihren beiden jeweiligen Aus- oder Eingängen eine entsprechende, insbesondere kleine, Spannung anlegen und den Stromfluss über einen von den Überwachungseinheiten 34, 38 jeweils umfassten Messwiderstand messen. Ist ein Stromfluss vorhanden, so sind die Kontaktierungen in Ordnung. Falls nicht, so ist mindestens eine der Messkontakte 28a beziehungsweise 28b nicht korrekt hergestellt.
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Wird beispielsweise festgestellt, dass einer der Messkontakte 28a, 28b nicht ordnungsgemäß an der betreffenden Zelle 14 anliegt, so kann zum Beispiel eine Fehlermeldung ausgegeben werden, oder die Kontaktierung erneut durchgeführt werden oder eine Kontaktierungskorrektur durchgeführt werden, indem die Messkontakte 28a, 28b hinsichtlich ihrer Position nochmal leicht versetzt werden, oder ähnliches. Auch ein manuelles Nacharbeiten oder Überprüfen der Kontaktierungen ist denkbar. Wird infolge einer solchen Kontaktierungskorrektur letztendlich von der Kontaktüberwachungseinrichtung 36 festgestellt, dass die Kontaktierungen in Ordnung sind, so kann mit der ersten Messung M1 fortgefahren werden. Wird sofort nach der initialen Kontaktierungsüberprüfung festgestellt, dass die Kontakte in Ordnung sind, so kann ebenso mit der ersten Messung M2 fortgefahren werden. Insbesondere kann ein in Ordnung-Signal der Kontaktüberwachungseinrichtung 36 gleichzeitig als Trigger zum Auslösen der ersten Messung M1 durch die Messschaltung 24 fungieren. Außerdem ist es denkbar, dass die Kontaktüberwachungseinrichtung 36 auch während der ersten Messung M1 aktiv ist und dabei kontinuierlich die korrekte Kontaktierung überwacht. Sollte also während der ersten Messung M1 ein Kontaktierungsfehler erkannt werden, so kann die Messung abgebrochen werden oder als fehlerhaft erklärt werden und der Kontaktierungsfehler behoben werden und die erste Messung M1 dann erneut durchgeführt werden.
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Auch mit dieser Schaltungsanordnung, das heißt auch mit dieser nunmehr integrierten Kontaktüberwachungseinrichtung 36 kann nun vorteilhafterweise umgeschaltet werden, um im Anschluss die zu 2 bereits beschriebene Messung M2 durchzuführen, ohne dabei die Positionen der Messkontaktpaare 29a, 29b, 29c ändern zu müssen. Mit anderen Worten kann die Kontaktierung der Zellen 14, sowie auch der Gehäuseteile 22, 22' beibehalten werden, um im Anschluss an die erste Messung M1 die zweite Messung M2 zur Überprüfung der Isolierung zwischen den Bauteilen 22, 22' und den Zellen 14 durchzuführen. Zu diesem Zweck ist zum einen wiederum ein erster Schalter S1 vorgesehen, der sich in 3 in einem ersten Schaltzustand Z1 befindet, und entsprechend die ersten Messkontakte 28a mit dem ersten Eingang 24a der Messeinrichtung 24 elektrisch leitend verbindet. Auch hier ist wiederum ein zweites Schaltelement S2 vorgesehen, welches sich in 3 ebenfalls im ersten Schaltzustand Z1 befindet und mittels welchem die ersten Messkontakte 28a im ersten Schaltzustand Z1 des zweiten Schaltelements S2 von den zweiten Messkontakten 28b entkoppelt sind. Über dieses zweite Schaltelement S2, insbesondere in Kombination mit dem hier zusätzlich dargestellten dritten Schaltelement S3, welches sich in 3, das heißt also während oder für die erste Messung M1 ebenfalls im ersten Schaltzustand Z1 befindet, können die ersten Messkontakte 28a für die zweite Messung M2 mit den zweiten Messkontakten 28b gekoppelt werden, wie in 4 dargestellt, so dass dann die in 3 dargestellten ersten und zweiten Stromkreise K1, K2, die voneinander elektrisch separiert sind, sofern kein Isolationsfehler vorliegt, dann einen gemeinsamen Stromkreis, der vorliegend als dritter Stromkreis K3 bezeichnet wird und in Fig. dargestellt ist, bilden.
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4 zeigt dabei schematisch die Messanordnung aus 3 im Schaltzustand für die zweite Messung M2. Die Messanordnung 10 in 4 unterscheidet sich von der aus 3 lediglich durch die Schalterstellungen der betreffenden Schaltelemente. Daher werden im weiteren Verlauf 3 und 4 gemeinsam beschrieben. In 4 befinden sich insbesondere nun das erste Schaltelement S1, das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 in dem jeweiligen zweiten Schaltzustand Z2. Dadurch sind die ersten Messkontaktpaare 29a vom ersten Eingang 24a entkoppelt und mit den zweiten Messkontaktpaaren 29b in Reihe geschaltet und auf den zweiten Eingang 24b der Messschaltung 24 gelegt. Insbesondere sind die ersten und zweiten Messkontaktpaare 29a, 29b dabei in Reihe zur zweiten Überwachungseinheit 38 geschaltet und bilden den bereits erwähnten dritten Stromkreis K3. Die erste Überwachungseinheit 34 ist dagegen nicht mehr in den Stromkreis mit dem ersten Messkontaktpaar 29a geschaltet, sondern stattdessen in einem vierten Stromkreis K4 mit den dritten Messkontaktpaaren 29c, die die Gehäusebauteile 22, 22` kontaktieren. Insbesondere sind dabei diese an den Gehäusebauteilen 22, 22' anliegenden dritten Messkontaktpaare 29c zur ersten Überwachungseinheit 34 in Reihe geschaltet. Um diese erste Überwachungseinheit 34 aus den zu 3 beschriebenen ersten Stromkreis K1 mit den ersten Messkontakten 28a wegschalten zu können, um in den vierten Stromkreis K4 schalten zu können, weist die Messanordnung 10 eine entsprechende Schaltungseinheit 40 auf. Diese umfasst im vorliegenden Beispiel vier Schaltelemente S4, S5, S6, S7. Die beiden Schaltelemente S4, S5 koppeln in ihrem ersten in 3 dargestellten Schaltzustand Z1 die Überwachungseinheit 34 elektrisch mit dem ersten Stromkreis K1 beziehungsweise den ersten Messkontakten 28a und entkoppeln diese erste Überwachungseinheit 34 in ihrem zweiten Schaltzustand Z2, der in 4 dargestellt ist, von den ersten Messkontakten 28a, indem die Überwachungseinheit 34 durch eine Brücke 42 überbrückt wird. Dadurch ist der mittels der zweiten und dritten Schaltelemente S2, S3 neu gebildete große dritte Stromkreis K3 geschlossen. Der sechste und siebte Schalter S6, S7 koppeln in ihrem in 4 dargestellten zweiten Schaltzustand Z2 die Überwachungseinheit 34 nunmehr mit dem vierten Stromkreis K4 beziehungsweise mit den dritten Messkontaktpaaren 29c. In ihrem ersten Schaltzustand Z1, der in 3 dargestellt ist, entkoppeln diese Schaltelemente S6, S7 die dritten Messkontaktpaare 29c von der Überwachungseinheit 34. Eine Überbrückung mittels einer Brücke ist nicht erforderlich, da der Stromkreis mit den dritten Messkontaktpaaren 29c für die erste Messung M1 nicht geschlossen sein muss beziehungsweise nicht an der Messung beteiligt ist.
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Soll nun mittels der in 4 dargestellten Schalterstellungen der Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 die zweite Messung M2 durchgeführt werden, so kann auch hierbei zunächst mittels der Kontaktüberwachungseinrichtung 36 zunächst die ordnungsgemäße Kontaktierung der Zellen 14 einerseits und andererseits nun zusätzlich auch der Gehäusebauteile 22, 22' überprüft werden. Die Arbeitsweise der Überwachungseinheiten 34, 38 ist dabei wie zu 3 beschrieben. Diese stellen also eine Spannung bereit und messen, ob ein entsprechender Strom im betreffenden dritten Stromkreis K3 beziehungsweise vierten Stromkreis K4 fließt. Ist dies der Fall, so ist von einer ordnungsgemäßen Kontaktierung auszugehen und andernfalls besteht ein Kontaktierungsfehler, und zwar in dem Stromkreis K3, K4, in dem kein ordnungsgemäßer Stromfluss detektiert wurde. Auch hierbei kann das Feststellen einer ordnungsgemäßen Kontaktierung gleichzeitig wiederum der Auslöser für die Durchführung der zweiten Messung M2 sein. Dies ist besonders zeiteffizient. Auch kann hierbei wiederum optional auch während der zweiten Messung M2 weiterhin fortwährend überprüft werden, ob die Kontaktierungen in Ordnung sind.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung Zellmessungen während des Zellmodulbaus bereitgestellt werden können, um auf besonders einfache und zeiteffiziente Weise die korrekte Isolierung der Zellen zueinander und optional auch der Zellen gegenüber Gehäusebauteilen zu überprüfen. Das Ergebnis liegt innerhalb weniger Sekunden vor. Sollte ein Fehler erkannt werden, kann der Zellstapel ausgeschleust und effizient nachgearbeitet werden und so Kosten gespart werden. Insgesamt wird hierdurch ein sehr kurzer Qualitätsregelkreis bereitgestellt. Dies spart Zeit, Invest und macht das Produkt und den Prozess letztendlich sicherer und günstiger.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 20150092854 A [0003]
- KR 20190100736 A [0004]
