DE102023107676A1

DE102023107676A1 - Layout für eine batteriebaugruppe mit zellen gemischter chemischer zusammensetzung

Info

Publication number: DE102023107676A1
Application number: DE102023107676.0A
Authority: DE
Inventors: Jian Yao; Chengwu Duan; Zhenwen HU
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2023-02-28
Filing date: 2023-03-27
Publication date: 2024-08-29
Also published as: US20240291085A1; CN118572274A

Abstract

Aspekte der Offenbarung enthalten ein Layout für eine Batteriebaugruppe, die Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung aufweist. Eine beispielhafte Batteriebaugruppe kann mehrere erste Batteriezellen einer ersten chemischen Zellenzusammensetzung aufweisen. Sämtliche der mehreren ersten Batteriezellen können dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe erste Länge aufweisen. Die Batteriebaugruppe kann ferner mehrere zweite Batteriezellen einer zweiten chemischen Zellenzusammensetzung, die von der ersten chemischen Zellenzusammensetzung verschieden ist, aufweisen. Die zweite chemische Zellenzusammensetzung kann eine geringere Kapazität als die erste chemische Zellenzusammensetzung bereitstellen. Sämtliche der mehreren zweiten Batteriezellen können dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe zweite Länge aufweisen. Die zweite Länge kann größer als die erste Länge sein.

Description

EINFÜHRUNG
Die betreffende Offenbarung bezieht sich auf Batteriezellentechnologien und insbesondere auf Batteriebaugruppenlayouts für Batteriebaugruppen, die Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung aufweisen.
Elektrische Hochspannungssysteme werden zunehmend verwendet, um die fahrzeugseitigen Funktionen sowohl mobiler als auch ortsfester Systeme mit Energie zu versorgen. Zum Beispiel hat in Motorfahrzeugen die zunehmende Nachfrage, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und Emissionen zu verringern, zur Entwicklung fortschrittlicher Elektrofahrzeuge (EVs) geführt. EVs greifen auf wiederaufladbare Energiespeichersysteme (RESS) zurück, die typischerweise eine oder mehrere Hochspannungsbatteriebaugruppen und einen elektrischen Antriebsstrang enthalten, um Energie von der Batterie zu den Rädern zu übertragen. Batteriebaugruppen können abhängig vom Leistungsbedarf einer gegebenen Anwendung eine beliebige Anzahl verbundener Batteriemodule enthalten. Jedes Batteriemodul enthält eine Sammlung leitend gekoppelter elektrochemischer Zellen. Die Batteriebaugruppe ist konfiguriert, eine Gleichstromausgangsspannung (DC-Ausgangsspannung) bei einem Pegel zu liefern, der geeignet ist, eine gekoppelte elektrische und/oder mechanische Last (z. B. einen Elektromotor) mit Energie zu versorgen.
Die Kapazität einer Batteriebaugruppe kann verbessert werden, indem die Anzahl von Modulen und/oder Zellen in der Batteriebaugruppe erhöht wird und indem die Anzahl paralleler Kernrollen, die Anzahl von Elektrodenschichten und der Elektrodenoberflächenbereich in jeder Zelle der Batteriebaugruppe erhöht werden. Die chemische Batteriezellenzusammensetzung beeinträchtigt auch die Gesamtkapazität. Die zwei vorrangigen chemischen Batteriezusammensetzungen sind die Nickel-Kobalt-Mangan-Batterie (NKM-Batterie) und die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (LEP-Batterie).
ZUSAMMENFASSUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Batteriebaugruppe mehrere erste Batteriezellen einer ersten chemischen Zellenzusammensetzung aufweisen. Sämtliche der mehreren ersten Batteriezellen können dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe erste Länge aufweisen. Die Batteriebaugruppe kann ferner mehrere zweite Batteriezellen einer zweiten chemischen Zellenzusammensetzung, die von der ersten chemischen Zellenzusammensetzung verschieden ist, aufweisen. Die zweite chemische Zellenzusammensetzung kann eine geringere Kapazität als die erste chemische Zellenzusammensetzung bereitstellen. Sämtliche der mehreren zweiten Batteriezellen können dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe zweite Länge aufweisen. Die zweite Länge kann größer als die erste Länge sein.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, ist in einigen Ausführungsformen jede der mehreren ersten Batteriezellen eine Nickel-Kobalt-Mangan-Zelle (NKM-Zelle). In einigen Ausführungsformen ist jede der mehreren zweiten Batteriezellen eine Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle (LEP-Zelle).
In einigen Ausführungsformen werden eine erste Anzahl erster Batteriezellen und eine zweite Anzahl zweiter Batteriezellen gewählt, um eine Volumennutzung der Batteriebaugruppe zu maximieren.
In einigen Ausführungsformen sind die mehreren ersten Batteriezellen und die mehreren zweiten Batteriezellen in der Batteriebaugruppe in einer ziegelartigen Anordnung gestaffelt.
In einigen Ausführungsformen befindet sich mindestens eine Zelle der mehreren zweiten Batteriezellen zwischen den Elementen jedes Paars der mehreren ersten Batteriezellen.
In einigen Ausführungsformen enthält jede Zeile der Batteriebaugruppe mindestens eine Zelle der mehreren ersten Batteriezellen.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält ein Fahrzeug einen Elektromotor und eine Batteriebaugruppe, die an den Elektromotor elektrisch gekoppelt ist. Die Batteriebaugruppe kann mehrere erste Batteriezellen einer ersten chemischen Zellenzusammensetzung aufweisen. Sämtliche der mehreren ersten Batteriezellen können dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe erste Länge aufweisen. Die Batteriebaugruppe kann ferner mehrere zweite Batteriezellen einer zweiten chemischen Zellenzusammensetzung, die von der ersten chemischen Zellenzusammensetzung verschieden ist, aufweisen. Die zweite chemische Zellenzusammensetzung kann eine geringere Kapazität als die erste chemische Zellenzusammensetzung bereitstellen. Sämtliche der mehreren zweiten Batteriezellen können dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe zweite Länge aufweisen. Die zweite Länge kann größer als die erste Länge sein.
In einer nochmals weiteren beispielhaften Ausführungsform kann ein Verfahren zum Schaffen einer Batteriebaugruppe, die Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung für maximale Volumennutzung wirksam einsetzt, ein Bereitstellen von mehreren ersten Batteriezellen einer ersten chemischen Zellenzusammensetzung aufweisen. Sämtliche der mehreren ersten Batteriezellen können dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe erste Länge aufweisen. Das Verfahren kann ferner ein Bereitstellen von mehreren zweiten Batteriezellen einer zweiten chemischen Zellenzusammensetzung, die von der ersten chemischen Zellenzusammensetzung verschieden ist, aufweisen. Die zweite chemische Zellenzusammensetzung kann eine geringere Kapazität als die erste chemische Zellenzusammensetzung bereitstellen. Sämtliche der mehreren zweiten Batteriezellen können dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe zweite Länge aufweisen. Die zweite Länge kann größer als die erste Länge sein.
Die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden aus der folgenden genauen Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich beispielhaft in der folgenden genauen Beschreibung, wobei die genaue Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

1 ein Fahrzeug, das gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen konfiguriert ist;
2A eine Ansicht einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen konfiguriert sind;
2B eine Ansicht von mehreren ersten Batteriezellen und mehreren zweiten Batteriezellen, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen konfiguriert sind;
3 eine Draufsicht eines Batteriebaugruppenlayouts gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4 eine Draufsicht eines weiteren Batteriebaugruppenlayouts gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
5 eine Draufsicht noch eines weiteren Batteriebaugruppenlayouts gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
6 ein Computersystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
7 einen Ablaufplan gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und ist nicht vorgesehen, um die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen. Es ist zu verstehen, dass im Verlauf der Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen ähnliche oder entsprechende Abschnitte und Merkmale angeben. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine Verarbeitungsschaltungsanordnung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam verwendet, fest zugeordnet oder eine Gruppe) mit einem Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder weitere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen, enthalten kann.
Ein Fahrzeug, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist bei 100 in 1 im Allgemeinen angegeben. Fahrzeug 100 ist in Form eines Automobils gezeigt, das eine Karosserie 102 aufweist. Die Karosserie 102 enthält einen Fahrgastraum 104, in dem ein Lenkrad, Vordersitze und Rücksitze (die nicht getrennt angegeben sind) angeordnet sind. In der Karosserie 102 sind mehrere Komponenten angeordnet, die z. B. einen Elektromotor 106 (der als Projektion unter der Fronthaube gezeigt ist) enthalten. Der Elektromotor 106 ist lediglich zur Vereinfachung der Darstellung und der Diskussion gezeigt. Es ist zu verstehen, dass die Konfiguration, der Ort, die Größe, die Anordnung usw. des Elektromotors 106 nicht besonders beschränkt sein sollen, und alle derartigen Konfigurationen (einschließlich Mehrmotorkonfigurationen) liegen im vorgesehenen Umfang dieser Offenbarung.
Wie hier genau beschrieben wird, wird der Elektromotor 106 mittels einer Batteriebaugruppe 108 (die in der Nähe des Hecks des Fahrzeugs 100 als Projektion gezeigt ist) mit Energie versorgt. Die Batteriebaugruppe 108 ist lediglich zur Vereinfachung der Darstellung und der Diskussion gezeigt. Es ist zu verstehen, dass die Konfiguration, der Ort, die Größe, die Anordnung usw. der Batteriebaugruppe 108 nicht besonders beschränkt sein sollen, und alle derartigen Konfigurationen (einschließlich Teilungskonfigurationen) liegen im vorgesehenen Umfang dieser Offenbarung. Außerdem können, während die vorliegende Offenbarung im Wesentlichen im Kontext einer Batteriebaugruppe 108 diskutiert wird, die für den Elektromotor 106 des Fahrzeugs 100 konfiguriert ist, Aspekte, die hier beschrieben sind, in ein beliebiges System (ein Fahrzeug, ein Gebäude oder sonstiges), das ein oder mehrere Energiespeichersysteme (z. B. eine oder mehrere Batteriebaugruppen) mit Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung aufweist, entsprechend aufgenommen werden und alle derartigen Konfigurationen und Anwendungen liegen im vorgesehenen Umfang dieser Offenbarung.
Wie zuvor diskutiert wurde, sind die üblichsten chemischen Zusammensetzungen von Batterien die Nickel-Kobalt-Mangan-Batterie (NKM-Batterie) und die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (LEP-Batterie). Jede bietet ihre eigenen Vorteile und Nachteile. Zum Beispiel bieten NKM-Zellen für dieselbe Batteriezellengröße (z. B. dieselbe Höhe, dieselbe Breite und dieselbe Länge) eine ungefähr im Bereich von 5 bis 20 Prozent höhere Kapazität als LEP-Zellen und liefern Ladezustandsschätzungen (SOC-Schätzungen) mit relativ höherer Genauigkeit. Umgekehrt weisen LEP-Zellen teilweise aufgrund der Tatsache, dass die Wärmeleitfähigkeit einer LEP-Zelle in der Dickenrichtung (d. h. die Wärmeleitfähigkeit durch die Ebene) viel kleiner ist als in den weiteren Richtungen (d. h. die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene), ein geringeres Risiko eines thermischen Durchgehens als NKM-Zellen auf.
Um das Risiko eines thermischen Durchgehens für jeden Batterietyp zu verringern, haben Batteriehersteller auch neue Zellenlayouts wie z. B. die Ziegelanordnung, wobei aufeinanderfolgende Zeilen von Zellen in Bezug auf benachbarte Zeilen verschoben sind, entwickelte. Die Idee der Ziegelanordnung ist, zu ermöglichen, dass eine Zelle, die ein Wärmeereignis erfährt, um die überschüssige Wärme zu mehreren Zellen abgeben kann, statt zu einer einzelnen (nächsten) Zelle, wie im Fall mit herkömmlichen Reihenanordnungen. Mit anderen Worten kann eine Ziegelanordnung verhindern, dass eine einzelne Zelle, die ein thermisches Ereignis erfährt, die gesamte überschüssige Wärme zu einer nächsten Zelle abgibt und dadurch verursacht, dass die nächste Zelle einem Wärmeereignis unterzogen wird (dieser Typ einer Wärmeereigniskette definiert ein thermisches Durchgehen). Unglücklicherweise resultiert die Ziegelanordnung in nicht verwendetem Raum (der manchmal als Hohlräume bezeichnet wird) entlang des Umfangs der Batteriebaugruppe, was eine Gesamtbatteriekapazität nativ verringert und eine geringere volumetrische Energiedichte als Reihenbatteriebaugruppen bereitstellt.
Diese Offenbarung führt einen neuen Typ eines Batterielayouts ein, das Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung wirksam einsetzt, um ein thermisches Durchgehen zu verringern, während auch eine Volumennutzung in einer Batteriebaugruppe maximiert wird (z. B. eine Anzahl oder eine Größe von Hohlräumen verringert wird). In einigen Ausführungsformen enthalten die Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung eine erste chemische Zellenzusammensetzung (z. B. NKM-Zellen) und eine zweite chemische Zellenzusammensetzung (z. B. LEP-Zellen). In einigen Ausführungsformen sind Zellen mit verschiedener chemischer Zusammensetzung mit zwei festen Abmessungen und einer freigegebenen Abmessung ausgelegt. Zum Beispiel können Zellen mit verschiedener chemischer Zusammensetzung ausgelegt sein, dieselbe Höhe und dieselbe Breite, jedoch verschiedene Länge aufzuweisen. In einigen Ausführungsformen sind mehrere Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung in einer Ziegelanordnung (die auch als ein eingeklemmter Stil bezeichnet wird) gemäß den verschiedenen Abmessungen der Zellen, die eine verschiedene chemische Zusammensetzung aufweisen, angeordnet. Auf diese Weise kann sowohl die Volumennutzung als auch die Wärmedispersion unter den Zellen der Batteriebaugruppe verbessert werden.
Batteriebaugruppen, die mit Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen konstruiert sind, bieten mehrere technische Vorteile über vorhergehende Batteriebaugruppenlayouts. Insbesondere können Layouts, die hier beschrieben sind, die eindeutigen Vorteile der verschiedenen chemischen Zusammensetzungen wirksam einsetzen, ohne eine Volumennutzung oder eine Wärmedispersion zu opfern. Zum Beispiel werden in einigen Ausführungsformen die Zellen in einer Batteriebaugruppe in mehrere Zellengruppen (Module usw.) geteilt, wobei jede Zellengruppe eine beliebige Anzahl LEP-Zellen (abhängig von den Anforderungen einer bestimmten Anwendung) und eine einzelne NKM-Zelle enthält. Die NKM-Zelle kann für genaue Ladezustandsschätzungen für die jeweilige Zellengruppe wirksam eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen ist die NKM-Zelle durch LEP-Zellen umgeben, um das Risiko eines thermischen Durchgehens zu verringern. Zusätzlich können hier beschriebenen Ausführungsformen die Anzahl und den Ort von Batteriezellen verschiedener chemischer Zusammensetzungen optimieren, um die Volumennutzung zu maximieren.
2A veranschaulicht eine Ansicht einer ersten Batteriezelle 202 und einer zweiten Batteriezelle 204, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen konfiguriert sind. Die erste Batteriezelle 202 und die zweite Batteriezelle 204 können z. B. in einer Batteriebaugruppe eines Elektrofahrzeugs (z. B. der Batteriebaugruppe 108 eines Fahrzeugs 100) enthalten sein, obwohl weitere Energiespeicheranwendungen (für Fahrzeuge, Strukturen oder sonstiges) im vorgesehenen Umfang dieser Offenbarung liegen. In einigen Ausführungsformen ist die erste Batteriezelle 202 mit einer ersten chemischen Zellenzusammensetzung hergestellt. Zum Beispiel kann die erste Batteriezelle 202 eine NKM-Zelle sein. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Batteriezelle 204 mit einer zweiten chemischen Zellenzusammensetzung, die von der ersten chemischen Zellenzusammensetzung verschieden ist, hergestellt. Zum Beispiel kann die zweite Batteriezelle 204 eine LEP-Zelle sein. In einigen Ausführungsformen enthalten die erste Batteriezelle 202 und die zweite Batteriezelle 204 jeweils einen ersten Anschluss 206 (z. B. einen positiven Anschluss) und einen zweiten Anschluss 208 (z. B. einen negativen Anschluss).
In einigen Ausführungsformen sind die erste Batteriezelle 202 und die zweite Batteriezelle 204 ausgelegt, um zwei gemeinsam verwendete feste Abmessungen und eine freigegebene Abmessung aufzuweisen. Zum Beispiel sind in einigen Ausführungsformen die Höhe ("H') und die Breite ("W') der ersten Batteriezelle 202 und der zweiten Batteriezelle 204 gleich, während die Länge („L₁“ bzw. „L₂“) der ersten Batteriezelle 202 und der zweiten Batteriezelle 204 sich unterscheiden. Durch Freigeben einer Abmessung (z. B. der Länge), können Zellen, die aus chemischen Zellenzusammensetzungen hergestellt sind, die verschiedene Energiedichten aufweisen, derart bemessen sein, dass alle Zellen dieselbe Kapazität bieten. Zur Veranschaulichung sei ein Szenario berücksichtigt, in dem die erste Batteriezelle 202 (z. B. eine NKM-Zelle) eine höhere Energiedichte als die zweite Batteriezelle 204 (z. B. eine LEP-Zelle) aufweist. Um auszugleichen, kann die zweite Batteriezelle 204 mit einer Länge „L₂“ hergestellt sein, die größer als eine Länge „L₁“ der ersten Batteriezelle 202 ist. Mit anderen Worten können L₁ und L₂ derart gewählt werden, dass die Kapazitäten der ersten Batteriezelle 202 und der zweiten Batteriezelle 204 gleich sind. Es ist zu beachten, dass für NKM und LEP-Zellen die LEP-Zellen notwendigerweise länger sind, um mit der höheren Kapazitätsdichte der NKM-Zellen übereinzustimmen. Es ist ferner zu beachten, dass L₂ immer bezüglich L₁ gemäß dem einfachen Verhältnis L₁ = αL₂, wobei α ein Skalierungsfaktor ist, ausgedrückt werden kann. Zum Beispiel L₁ = 0,8 · L₂ usw.
2B veranschaulicht eine Ansicht von mehreren ersten Batteriezellen 202 und mehreren zweiten Batteriezellen 204, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen konfiguriert sind. In einigen Ausführungsformen können eine Anzahl („x“) der mehreren ersten Batteriezellen 202, eine Anzahl („y“) von mehreren zweiten Batteriezellen 204 und ihre jeweiligen Abmessungen (Länge, Höhe, Breite) in der Batteriebaugruppe 108 aus einer oder mehreren Anfangsbedingungen (die auch als vorgegebene oder anwenderbestimmte Entwurfsanforderungen bezeichnet werden) bestimmt werden, um Hohlräume zu minimieren. Zum Beispiel sind in einigen Ausführungsformen die Abmessungen (Gesamtlänge L_T, Gesamthöhe H_T, Gesamtbreite W_T) und/oder Kapazitätsanforderungen der Batteriebaugruppe 108 bekannt.
In einigen Ausführungsformen ist die Höhe H der ersten Batteriezellen 202 und der zweiten Batteriezellen 204 gleich der Gesamthöhe H_T der Batteriebaugruppe 108. In einigen Ausführungsformen kann dann die Breite W der ersten Batteriezellen 202 und der zweiten Batteriezellen 204 gemäß der folgenden Gleichung bestimmt werden: $W_{T} = z W,$
wobei (1) z die Gesamtanzahl von Batteriezellen in der W-Richtung in der Batteriebaugruppe 108 bezeichnet. In einigen Ausführungsformen werden z und W derart gewählt, dass z eine ganze Zahl ist (keine Teilzellen) und z · W so nah wie möglich bei W_T liegt. Idealerweise ist z · W genau gleich W_T, jedoch muss dieses Szenario nicht immer möglich sein (z. B. können Batteriezellen auf eine oder mehrere vorgegebene Breiten beschränkt sein). Auf diese Weise können Hohlräume in der W-Richtung beseitigt oder geringgehalten werden.
Die Anzahl („x“) der mehreren ersten Batteriezellen 202, die Anzahl („y“) der mehreren zweiten Batteriezellen 204 und ihre jeweiligen Längen (L₁ und L₂) können dann bestimmt werden, um Hohlräume entlang der L-Richtung zu beseitigen oder geringzuhalten. Die Längen L₁ und L₂ können auf ähnliche Weise wie die Breite W gelöst werden, mit der Ausnahme, dass hinsichtlich der Länge Zeilen der Batteriezelle 108, die Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung aufweist, und Zeilen der Batteriezelle 108, die lediglich Zellen mit einer einzelnen chemischen Zusammensetzung aufweist, getrennt gelöst werden (Längen über alle chemischen Zellenzusammensetzungen nicht gleich sind). Zum Beispiel gilt Gleichung (2) für Zeilen, die Zellen mit zwei verschiedenen chemischen Zusammensetzungen aufweisen, und gilt Gleichung (3) für Zeilen einer einzelnen chemischen Zusammensetzung von Zellen. $L_{T} = x L_{1} + y L_{2}$
$L_{T} = z L_{2}$
In einigen Ausführungsformen werden x, y, z, L₁ und L₂ derart gewählt, dass x, y und z ganze Zahlen sind (keine Teilzellen) und x · L₁ + y · L₂ und z · L₂ so nahe wie möglich bei L_T sind. Idealerweise sind x · L₁ + y · L₂ und z · L₂ genau gleich L_T, jedoch muss dieses Szenario nicht immer möglich sein (z. B. können Batteriezellen auf eine oder mehrere vorgegebene Längen beschränkt sein). Auf diese Weise können Hohlräume entlang der L-Richtung beseitigt oder geringgehalten werden.
3 veranschaulicht eine Draufsicht eines Batteriebaugruppenlayouts 300 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Batteriebaugruppenlayout 300 kann in einer Batteriebaugruppe (z. B. der Batteriebaugruppe 108 von 1) enthalten sein, obwohl weitere Anwendungen im vorgesehenen Umfang dieser Offenbarung liegen. Außerdem ist, während das Batteriebaugruppenlayout 300 zur Vereinfachung der Diskussion eine bestimmte Anzahl und eine bestimmte Anordnung erster Batteriezellen 202 und zweiter Batteriezellen 204 aufweisend gezeigt ist, nicht vorgesehen, dass die Anzahl und/oder die Anordnung (die Konfiguration, die Ordnung usw.) von Zellen im Batteriebaugruppenlayout 300 besonders beschränkt sind.
Wie in 3 gezeigt ist, kann das Batteriebaugruppenlayout 300 eine Anzahl erster Batteriezellen 202 (hier 6 erste Batteriezellen 202) und eine Anzahl zweiter Batteriezellen 204 (hier 38 zweite Batteriezellen 204) enthalten. Mit anderen Worten kann das Batteriebaugruppenlayout 300 Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung enthalten. In einigen Ausführungsformen sind die ersten Batteriezellen 202 und die zweiten Batteriezellen 204 in zwei oder mehr Zellengruppen 302, 304 angeordnet (hier die 4 Zellengruppen 302 und die 2 Zellengruppen 304, die durch gestrichelte Linien angegeben sind), um Hohlräume zu minimieren (d. h., die Volumennutzung zu maximieren). Die Anzahl von Zellengruppen 302, 304 ist lediglich beispielhaft gezeigt und soll nicht besonders beschränkt sein. Entsprechend können die Zellengruppe 302 und die Zellengruppe 304 dieselbe oder eine verschiedene Anzahl und/oder Anordnung der ersten Batteriezellen 202 und der zweiten Batteriezellen 204 aufweisen.
In den Ausführungsformen, die in 3 veranschaulicht sind, enthält jede der Zellengruppen 302, 304 eine einzelne Batteriezelle 202 und eine oder mehrere Batteriezellen 204. Zum Beispiel enthält in einigen Ausführungsformen die Zellengruppe 302 eine Batteriezelle 202 und 8 Batteriezellen 204, während die Zellengruppe 304 eine Batteriezelle 202 und 4 Batteriezellen 204 enthält. Auf diese Weise enthält jede Zellengruppe 302, 304 eine Batteriezelle 202 (z. B. eine NKM-Zelle), um als ein Bezug zum Bestimmen eines Ladezustands zu dienen.
In einigen Ausführungsformen ist jede der Batteriezellen 202 in einer Zellengruppe 302, 304 durch eine Anzahl von Batteriezellen 204 (z. B. LEP-Zellen) umgeben, um das Risiko eines thermischen Durchgehens zu verringern. In einigen Ausführungsformen sind die Batteriezellen 202 und die Batteriezellen 204 in benachbarten Zeilen des Batteriebaugruppenlayouts 300 gestaffelt (z. B. eine ziegelartige Anordnung), um das Risiko eines thermischen Durchgehens weiter zu verringern.
Wie ferner in 3 gezeigt ist, können sämtliche der ersten Batteriezellen 202 und sämtliche der zweiten Batteriezellen 204 mit benachbarten Zellen mittels einer Verdrahtung 306 verbunden sein. Es ist festzuhalten, dass lediglich ein Abschnitt der Verdrahtung 306 zur Verdeutlichung gezeigt ist (wie gezeigt ist, eine Verdrahtung für 2 der Zellengruppen 302 und eine der Zellengruppen 304), allerdings sollte verstanden werden, dass die Verdrahtung 306 entsprechend für alle Zellengruppen 302, 304 entsprechend vorgesehen sein kann.
In einigen Ausführungsformen sind alle Batteriezellen 202, 204 in derselben Zellengruppe 302, 304 in Reihe geschaltet. In einigen Ausführungsformen können benachbarte Gruppen der Zellengruppen 302 und der Zellengruppen 304 in Reihe und/oder parallelgeschaltet sein (gezeigt ist in Reihe geschaltet).
4 veranschaulicht eine Draufsicht eines Batteriebaugruppenlayouts 400 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Batteriebaugruppenlayout 400 kann in einer Batteriebaugruppe (z. B. der Batteriebaugruppe 108 von 1) enthalten sein, obwohl weitere Anwendungen im vorgesehenen Umfang dieser Offenbarung liegen. Außerdem soll, während das Batteriebaugruppenlayout 400 zur Vereinfachung der Diskussion eine bestimmte Anzahl und eine bestimmte Anordnung erster Batteriezellen 202 und zweiter Batteriezellen 204 aufweisend gezeigt ist, die Anzahl und/oder die Anordnung (die Konfiguration, die Ordnung usw.) von Zellen im Batteriebaugruppenlayout 400 nicht besonders beschränkt sein. Das Batteriebaugruppenlayout 400 veranschaulicht einen ersten Typ eines Layouts (im Vergleich zu 5), wodurch NKM-Zellen bei den Enden des Batteriebaugruppenlayouts 400 (d. h. als die erste und/oder die letzte Zelle in jeder Zeile 402 des Batteriebaugruppenlayouts 400) positioniert sind.
Wie in 4 gezeigt ist, können jede Zeile 402 (die auch als eine Zeile oder eine Zellengruppe bezeichnet wird) des Batteriebaugruppenlayouts 400 dieselbe Anzahl erster Batteriezellen 202 (hier 1 erste Batteriezelle 202) und dieselbe Anzahl zweiter Batteriezellen 204 (hier 6 zweite Batteriezellen 204) enthalten, obwohl die Anordnung (die Ordnung) der ersten Batteriezellen 202 und der zweiten Batteriezellen 204 variieren können.
In einigen Ausführungsformen enthält jede Zeile 402 mindestens eine und dieselbe Anzahl erster Batteriezellen 202. Während sie zur Vereinfachung der Diskussion eine einzelne erste Batteriezelle 202 aufweisend gezeigt sind, sind hier beschriebene Ausführungsformen nicht derart beschränkt und können eine beliebige Anzahl erster Batteriezellen 202 enthalten, solange jede Zeile 402 dieselbe Anzahl erster Batteriezellen 202 enthält.
Wie ferner in 4 gezeigt ist, können sämtliche der ersten Batteriezellen 202 und sämtliche der zweiten Batteriezellen 204 in derselben Zeile 402 mittels einer Verdrahtung 306 in Reihe geschaltet sein. Es ist festzuhalten, dass zur Verdeutlichung lediglich ein Abschnitt der Verdrahtung 306 gezeigt ist (gezeigt ist die Verdrahtung für 2 der Zeilen 402), es sollte allerdings verstanden werden, dass diese Verdrahtung 306 für alle Zeilen 402 entsprechend vorgesehen sein kann. Während es nicht getrennt gezeigt ist, kann die Verbindung zwischen den Zeilen 402 in Reihe und/oder parallel gestaltet werden.
5 veranschaulicht eine Draufsicht eines Batteriebaugruppenlayouts 500 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Batteriebaugruppenlayout 500 kann in einer Batteriebaugruppe (z. B. der Batteriebaugruppe 108 von 1) enthalten sein, obwohl weitere Anwendungen im vorgesehenen Umfang dieser Offenbarung liegen. Außerdem sollen, während das Batteriebaugruppenlayout 500 zur Vereinfachung der Diskussion als eine bestimmte Anzahl und Anordnung erster Batteriezellen 202 und zweiter Batteriezellen 204 aufweisend gezeigt ist, die Anzahl und/oder die Anordnung (die Konfiguration, die Ordnung usw.) von Zellen im Batteriebaugruppenlayout 500 nicht besonders beschränkt sein. Das Batteriebaugruppenlayout 500 veranschaulicht einen zweiten Typ eines Layouts (im Vergleich zu 4), wodurch NKM-Zellen zwischen zwei LEP-Zellen in jeder Zeile 402 des Batteriebaugruppenlayouts 500 positioniert sind.
Wie in 5 gezeigt ist, kann jede Zeile 402 des Batteriebaugruppenlayouts 500 dieselbe Anzahl erster Batteriezellen 202 (hier 1 erste Batteriezelle 202) und dieselbe Anzahl zweiter Batteriezellen 204 (hier 6 zweite Batteriezellen 204) enthalten, obwohl die Anordnung (die Ordnung) der ersten Batteriezellen 202 und der zweiten Batteriezellen 204 variieren kann.
In einigen Ausführungsformen enthält jede Zeile 402 mindestens ein und dieselbe Anzahl erster Batteriezellen 202. Während gezeigtes Aufweisen einer einzelnen ersten Batteriezelle 202 zur Vereinfachung der Diskussion, hier beschriebenen Ausführungsformen sind nicht so beschränkt und kann eine beliebige Anzahl erster Batteriezellen 202 so lang als jede Zeile 402 enthalten, enthält dieselbe Anzahl erster Batteriezellen 202.
Wie in 5 ferner gezeigt ist, können sämtliche der ersten Batteriezellen 202 und sämtliche der zweiten Batteriezellen 204 in derselben Zeile 402 mittels einer Verdrahtung 306 in Reihe geschaltet sein. Es ist festzuhalten, dass zur Verdeutlichung lediglich ein Abschnitt der Verdrahtung 306 gezeigt ist (gezeigt ist die Verdrahtung für 2 der Zeilen 402), es sollte allerdings verstanden werden, dass die Verdrahtung 306 für alle Zeilen 402 entsprechend vorgesehen sein kann. Während es nicht getrennt gezeigt ist, kann die Verbindung zwischen den Zeilen 402 in Reihe und/oder parallel gestaltet sein.
6 veranschaulicht Aspekte einer Ausführungsform eines Computersystems 600, das verschiedene Aspekte einer hier beschriebenen Ausführungsformen durchführen kann. In einigen Ausführungsformen kann das Computersystem 600 in eine Batteriebaugruppe (z. B. die Batteriebaugruppe 108 von 1) aufgenommen oder mit ihr kombiniert sein. In einigen Ausführungsformen kann das Computersystem 600 konfiguriert sein, ein Signal (z. B. ein Ladezustandssignal, ein Temperatursignal usw.) einer oder mehrerer der ersten Batteriezellen 202 und/oder der zweiten Batteriezellen 204 der Batteriebaugruppe 108 zu empfangen.
Das Computersystem 600 enthält mindestens eine Verarbeitungsvorrichtung 602, die im Allgemeinen einen oder mehrere Prozessoren zum Durchführen einer Vielzahl von Funktionen wie z. B. des Steuerns der Leistungsabgabe eines Elektromotors (z. B. des Elektromotors 106 von 1) zu einem oder mehreren Rädern eines Fahrzeugs (z. B. des Fahrzeug 100), das Steuern der Lade-/Entlade-Raten einer oder mehrerer Batterien (z. B. der Batteriebaugruppe 108 von 1) und/oder das Überwachen eines Status der einen oder der mehreren Batterien enthält. Zusätzlich kann das Computersystem 600 die Logik enthalten, die nötig ist, um für beliebige der ersten Batteriezellen 202 und/oder der zweiten Batteriezellen 204 einen Ladezustand zu schätzen und/oder eine Temperatur zu bestimmen und auf der Grundlage der Daten eine geeignete Aktion vorzunehmen (z. B. eine Warnung einer niedrigen Batterieladung ausgeben, eine Batteriezellenfehlerwarnung ausgeben, eine Warnung einer hohen Zellentemperatur ausgeben, eine oder mehrere Zellen, die eine hohe Temperatur aufweisen, trennen usw.).
Komponenten des Computersystems 600 enthalten die Verarbeitungsvorrichtung 602 (wie z. B. einen oder mehrere Prozessoren oder Verarbeitungseinheiten), einen Systemspeicher 604 und einen Bus 606, der verschiedene Systemkomponenten, die den Systemspeicher 604 enthalten, an die Verarbeitungsvorrichtung 602 koppelt. Der Systemspeicher 604 kann eine Vielzahl computersystemlesbarer Medien enthalten. Derartige Medien können beliebige verfügbare Medien sein, die durch die Verarbeitungsvorrichtung 602 zugänglich sind, und enthalten sowohl flüchtige als auch nichtflüchtige Medien und austauschbare und nicht austauschbare Medien.
Zum Beispiel enthält der Systemspeicher 604 einen nichtflüchtigen Speicher 608 wie z. B. eine Festplatte und kann außerdem einen flüchtigen Speicher 610 wie z. B. einen Schreib-/Lese-Speicher (RAM) und/oder einen Zwischenspeicher enthalten. Das Computersystem 600 kann ferner weitere austauschbare/nicht austauschbare flüchtige/nichtflüchtige Computersystemspeichermedien enthalten.
Der Systemspeicher 604 kann mindestens ein Programmprodukt enthalten, das einen Satz (z. B. mindestens eines) von Programmmodulen besitzt, die konfiguriert sind, Funktionen der hier beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Zum Beispiel speichert der Systemspeicher 604 verschiedene Programmmodule, die im Allgemeinen die Funktionen und/oder die Methodiken hier beschriebener Ausführungsformen ausführen. Ein Modul oder Module 612, 614 können derart enthalten sein, dass sie Funktionen, die mit dem Überwachen und/oder der Steuerung der Batteriebaugruppe 108 in Beziehung stehen, wie z. B. das Bestimmen einer oder mehrerer aktueller Zellentemperaturen, eines aktuellen Ladezustands für die Batteriebaugruppe 108 und/oder eine beliebige Zelle der Batteriebaugruppe 108, einer Ladedauer, eines Ladestroms und/oder einer Ladespannung usw. durchführen. Das Computersystem 600 ist nicht derart beschränkt, da abhängig von der gewünschten Funktionalität des Fahrzeugs 100 weitere Module enthalten sein können. Wie hier verwendet bezieht sich der Ausdruck „Modul“ auf eine Verarbeitungsschaltungsanordnung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam verwendet, fest zugeordnet oder eine Gruppe) mit einem Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder weitere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen, enthalten kann. Zum Beispiel können das eine oder die mehreren Module mittels Software, Hardware und/oder Firmware konfiguriert sein, das Laden zu stoppen und/oder eine oder mehrere Zellen einer Batteriebaugruppe des Fahrzeugs 100 auf andere Weise zu isolieren.
Die Verarbeitungsvorrichtung 602 kann außerdem konfiguriert sein, mit einer oder mehreren externen Vorrichtungen 616 wie z. B. einer Tastatur, einer Zeigevorrichtung und/oder beliebigen Vorrichtungen (z. B. einer Netzkarte, einem Modem, Fahrzeug-ECUs usw.) zu kommunizieren, die der Verarbeitungsvorrichtung 602 ermöglichen, mit einer oder mehreren weiteren Rechenvorrichtungen zu kommunizieren. Die Kommunikation mit verschiedenen Vorrichtungen kann mittels Eingabe-/Ausgabe-Schnittstellen (I/O-Schnittstellen) 618 und 620 erfolgen.
Die Verarbeitungsvorrichtung 602 kann auch mit einem oder mehreren Netzen 622 wie z. B. einem lokalen Netz (LAN), einem allgemeinen Großraumnetz (WAN), einem Busnetz und/oder einem öffentlichen Netz (z. B. dem Internet) mittels eines Netzadapters 624 kommunizieren. In einigen Ausführungsformen enthält oder ist der Netzadapter 624 ein optischer Netzadapter zur Kommunikation über ein optisches Netz. Es ist zu verstehen, dass weitere Hardware- und/oder Software-Komponenten in Verbindung mit dem Computersystem 600 verwendet werden können, obwohl sie nicht gezeigt sind. Beispiele enthalten Mikrocode, Vorrichtungstreiber, redundante Verarbeitungseinheiten, externe Plattenlaufwerksanordnungen, RAID-Systeme und Datenarchivierungsspeichersysteme usw., sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Nun ist unter Bezugnahme auf 7 ein Ablaufplan 700 zum Schaffen einer Batteriebaugruppe, die Zellen mit gemischter chemischer Zusammensetzung für maximale Volumennutzung wirksam einsetzt, gemäß einer Ausführungsform im Allgemeinen gezeigt. Der Ablaufplan 700 wird unter Bezugnahme auf 1 bis 6 beschrieben und kann zusätzliche Schritte, die in 7 nicht dargestellt sind, enthalten. Obwohl sie in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, können die Blöcke, die in 7 dargestellt sind, neuangeordnet, unterteilt und/oder kombiniert werden.
In Block 702 werden mehrere erste Batteriezellen einer ersten chemischen Zellenzusammensetzung bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen ist jede der mehreren ersten Batteriezellen mit derselben ersten Höhe, derselben ersten Breite und derselben ersten Länge hergestellt. In einigen Ausführungsformen ist jede der mehreren ersten Batteriezellen eine NKM-Zelle.
In Block 704 werden mehrere zweite Batteriezellen einer zweiten chemischen Zellenzusammensetzung, die von der ersten chemischen Zellenzusammensetzung verschieden ist, vorgesehen. In einigen Ausführungsformen schafft die zweite chemische Zellenzusammensetzung eine geringere Kapazität als die erste chemische Zellenzusammensetzung. In einigen Ausführungsformen ist jede der mehreren zweiten Batteriezellen mit derselben ersten Höhe, derselben ersten Breite und derselben zweite Länge hergestellt. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Länge größer als die erste Länge. In einigen Ausführungsformen ist jede der mehreren zweiten Batteriezellen eine LEP-Zelle.
In einigen Ausführungsformen werden eine erste Anzahl erster Batteriezellen und eine zweite Anzahl zweiter Batteriezellen gewählt, um eine Volumennutzung der Batteriebaugruppe zu maximieren. In einigen Ausführungsformen sind die mehreren ersten Batteriezellen und die mehreren zweiten Batteriezellen in der Batteriebaugruppe in einer ziegelartigen Anordnung gestaffelt. In einigen Ausführungsformen befindet sich mindestens eine Zelle der mehreren zweiten Batteriezellen zwischen den Elementen jedes Paars der mehreren ersten Batteriezellen. In einigen Ausführungsformen enthält jede Zeile der Batteriebaugruppe mindestens eine Zelle der mehreren ersten Batteriezellen.
Die Begriffe „ein“ und „eine“ bezeichnen keine Begrenzung einer Anzahl, sondern bezeichnen vielmehr das Vorliegen mindestens eines des referenzierten Elements. Der Begriff „oder“ bedeutet „und/oder“, sofern es durch einen Kontext nicht klar anders angegeben ist. Ein Bezug im Verlauf des Anmeldungstexts auf „einen Aspekt“ bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur, ein Schritt oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit dem Aspekt beschrieben wird, in mindestens einem Aspekt, der hier beschrieben ist, aufweisen ist und in weiteren Aspekten vorhanden sein kann oder nicht. Zusätzlich ist zu verstehen, dass die beschriebenen Elemente in den verschiedenen Aspekten in einer beliebigen geeigneten Weise kombiniert werden können.
Wenn ein Element wie z. B. eine Schicht, eine dünne Schicht, ein Bereich oder ein Substrat als „an“ einem weiteren Element bezeichnet wird, kann es direkt an dem weiteren Element angeordnet sein oder können außerdem dazwischenliegende Elemente vorhanden sein. Dagegen sind dann, wenn ein Element als „direkt an“ einem weiteren Element befindlich bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.
Sofern hier nicht das Gegenteil festgelegt ist, sind alle Prüfnormen die jüngste gültige Norm zu dem Anmeldetag dieser Anmeldung oder, wenn Priorität beansprucht wird, dem Anmeldetag der frühesten Prioritätsanmeldung, in der die Prüfnorm erscheint.
Sofern es nicht anders definiert ist, besitzen technische und wissenschaftliche Begriffe, die hier verwendet werden, dieselbe Bedeutung, die üblicherweise durch einen Fachmann auf dem Gebiet, dem diese Offenbarung angehört, verstanden wird.
Während die oben beschriebene Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente durch ihre Entsprechungen ersetzt werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Zusätzlich können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein Material an die Unterweisungen der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Deshalb ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen enthält, die in ihren Umfang fallen.

Claims

Batteriebaugruppe, umfassend: mehrere erste Batteriezellen, die eine erste chemische Zellenzusammensetzung aufweisen, wobei sämtliche der mehreren ersten Batteriezellen dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe erste Länge aufweisen; und mehrere zweite Batteriezellen, die eine zweite chemische Zellenzusammensetzung, die von der ersten chemischen Zellenzusammensetzung verschieden ist, aufweisen, wobei die zweite chemische Zellenzusammensetzung eine geringere Kapazität als die erste chemische Zellenzusammensetzung bereitstellt, sämtliche der mehreren zweiten Batteriezellen dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe zweite Länge aufweisen und die zweite Länge größer als die erste Länge ist.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren ersten Batteriezellen eine Nickel-Kobalt-Mangan-Zelle (NKM-Zelle) umfasst.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren zweiten Batteriezellen eine Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle (LEP-Zelle) umfasst.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, wobei eine erste Anzahl erster Batteriezellen und eine zweite Anzahl zweiter Batteriezellen gewählt werden, um eine Volumennutzung der Batteriebaugruppe zu maximieren.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, wobei die mehreren ersten Batteriezellen und die mehreren zweiten Batteriezellen in der Batteriebaugruppe in einer ziegelartigen Anordnung gestaffelt sind.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, wobei sich mindestens eine Zelle der mehreren zweiten Batteriezellen zwischen den Elementen jedes Paars der mehreren ersten Batteriezellen befindet.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, wobei jede Zeile der Batteriebaugruppe mindestens eine Zelle der mehreren ersten Batteriezellen umfasst.
Fahrzeug, umfassend: einen Elektromotor und eine Batteriebaugruppe, die an den Elektromotor elektrisch gekoppelt ist, wobei die Batteriebaugruppe Folgendes umfasst: mehrere erste Batteriezellen, die eine erste chemische Zellenzusammensetzung aufweisen, wobei sämtliche der mehreren ersten Batteriezellen dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe erste Länge aufweisen; und mehrere zweite Batteriezellen, die eine zweite chemische Zellenzusammensetzung, die von der ersten chemischen Zellenzusammensetzung verschieden ist, aufweisen, wobei die zweite chemische Zellenzusammensetzung eine geringere Kapazität als die erste chemische Zellenzusammensetzung bereitstellt, sämtliche der mehreren zweiten Batteriezellen dieselbe erste Höhe, dieselbe erste Breite und dieselbe zweite Länge aufweisen und die zweite Länge größer als die erste Länge ist.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei jede der mehreren ersten Batteriezellen eine Nickel-Kobalt-Mangan-Zelle (NKM-Zelle) umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei jede der mehreren zweiten Batteriezellen eine Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle (LEP-Zelle) umfasst.