EP4406049A1 - Konfektionierbare überwachungseinrichtung für einen elektrischen energiespeicher, elektrischer energiespeicher sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Konfektionierbare überwachungseinrichtung für einen elektrischen energiespeicher, elektrischer energiespeicher sowie kraftfahrzeug

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EP4406049A1
EP4406049A1 EP22758555.1A EP22758555A EP4406049A1 EP 4406049 A1 EP4406049 A1 EP 4406049A1 EP 22758555 A EP22758555 A EP 22758555A EP 4406049 A1 EP4406049 A1 EP 4406049A1
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EP
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energy storage
monitoring
storage device
monitoring device
cell
Prior art date
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Application number
EP22758555.1A
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English (en)
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Inventor
Torsten Franke
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a monitoring device for monitoring energy storage components of an electrical energy storage device.
  • the invention also relates to an electrical energy store and a motor vehicle.
  • electrical energy stores which can be used, for example, as traction batteries for electrified motor vehicles, ie electric or hybrid vehicles.
  • Such electrical energy stores usually have a large number of energy storage components, for example energy storage cells, and at least one control device.
  • energy storage components for example energy storage cells
  • control devices In order to monitor the energy storage cells of the energy storage device, it is known from the prior art to exchange monitoring signals, for example control signals and information signals with cell-specific parameters, between the energy storage cells and the control device.
  • monitoring units with sensors and actuators are usually arranged on the energy storage cells.
  • the signal transmission between the monitoring units and the control device can be carried out using cables, for example.
  • the disadvantage of this is the high cost of signal transmission between the monitoring units, which have different potentials, and the higher-level control device, as well as the high variance of the signal paths used due to their structural dependence on the number of energy storage cells connected in series and detected by a signal path.
  • the application of monitoring units close to the cell results in high expenditure for the assembly of the monitoring units within the energy storage production.
  • a monitoring device for monitoring energy storage components of an electrical energy storage device has a regular arrangement of identical circuit segments. At least one partial arrangement with a number of circuit segments required for the electrical energy store can be separated from the arrangement, the monitoring device for this purpose having a flexible circuit carrier with a plurality of structurally identical sections connected via separation points. Each circuit segment has a section, a monitoring unit for monitoring at least one energy storage component, a contact unit that is electrically connected to the monitoring unit and can be connected to contact terminals of the energy storage components, and a communication unit for transmitting an energy storage component-specific monitoring signal between the monitoring unit and a control device of the electrical energy storage device.
  • the invention also relates to an electrical energy storage device having a plurality of energy storage components, a control device and at least one subassembly of a monitoring device according to the invention, the contacting units being electrically and mechanically connected to the contacting terminals of the energy storage component.
  • the energy storage components are preferably designed as energy storage cells or as series circuits made up of at least two energy storage cells.
  • the electrical energy store can be used, for example, as a traction battery for an electrified motor vehicle.
  • the energy storage cells of the energy store are designed in particular as round cells.
  • the energy storage cells can be interconnected to form a plurality of cell modules, it being possible for each cell module to have a plurality of energy storage cells connected in series in parallel.
  • the electrical energy storage device has a cell contacting system with cell connections for interconnecting the energy storage cells.
  • the energy storage cells each have two cell poles which are electrically connected to the cell connectors of the cell contacting system.
  • the at least one partial arrangement of the monitoring device is arranged in particular on the cell contacting system and the contacting units are connected to the associated cell connectors for monitoring the energy storage cells or the series circuits.
  • monitoring units are arranged on the energy storage components and are electrically connected to the contact connections or sense contacts.
  • a monitoring unit is arranged on one of the energy storage cells of the series connection.
  • Each monitoring unit can have at least one sensor and/or one actuator for the energy storage components.
  • the sensors can be, for example, voltage sensors, temperature sensors, current sensors or the like.
  • the sensors detect monitoring signals in the form of information signals, which can be transmitted to the control device of the energy store.
  • the actuators can, for example, be state of charge compensation elements which can bring about a state of charge compensation of the energy storage cells by dissipating energy.
  • the control device can generate monitoring signals in the form of control signals, for example, which can be transmitted to the actuators of the monitoring units.
  • the monitoring units are not applied individually to the energy storage cells or energy storage cell series circuits, but are bundled in such a way that a number of monitoring units can be arranged on a number of energy storage components in one application step.
  • the ready-to-assemble monitoring device is provided, which has several identically constructed monitoring units, several identically constructed contacting units and several identically constructed communication units. These are arranged on sections of the flexible circuit carrier that can be separated from one another, with a monitoring unit, a contacting unit and a communication unit being arranged and electrically connected to one another for each section. Each section populated in this way forms a circuit segment.
  • a partial arrangement that is to say individual circuit segments or a coherent group of circuit segments, can be separated from the regular, repeating arrangement of circuit segments.
  • the monitoring device can be designed as a rollable band, of which a strip with at least one as the at least one partial arrangement Circuit segment is detachable.
  • the strip can therefore be routed via the interconnection of energy storage components and be assembled in such a way that it has the number of circuit segments that matches the number of energy storage components to be monitored.
  • the circuit carrier is flexible, it can be adapted to a contour of the arrangement area, that is, for example, it can be guided over interfering contours of the arrangement area.
  • the sections for monitoring the temperatures of the energy storage cells are connected to the energy storage cells with good thermal conductivity.
  • the contacting units that are electrically connected to the monitoring units are electrically connected to the cell poles of the energy storage cells or to the cell connectors of the cell contacting system.
  • the communication unit can then transmit the monitoring signals detected by the sensors to the control device or receive a monitoring signal from the control device for activating the actuators.
  • the signal transmission between the communication units and the control device is based on a communication protocol, so that the monitoring signals can be assigned to the specific circuit segments and thus to the specific energy storage components.
  • the communication unit has at least one communication element for transmitting and/or receiving acoustic and/or optical monitoring signals, which can be coupled into a waveguide of the electrical energy store coupled to the control device and/or can be coupled out of the waveguide.
  • the signals are therefore transmitted wirelessly between the circuit segments and the control device.
  • Each communication unit can have at least one transmission element, for example an LED for emitting optical signals and/or a loudspeaker for emitting acoustic signals, and at least one receiving element, for example a photodiode for receiving optical signals and/or a microphone for receiving acoustic signals , exhibit.
  • the electrical energy store has the waveguide, which is designed, for example, as a one-piece molded part.
  • the one-piece molded part is designed to couple at least two energy storage components to the control device in a potential-free manner and has at least one collecting channel for this purpose and connection channels connected thereto and coupled to the communication units of the circuit segments.
  • the molded part is a finished part that can be arranged on the energy storage components and the control device in just one assembly step.
  • the connection channels are arranged in the form of coupling areas or decoupling areas on the communication units of the energy storage components and the at least one collecting channel is arranged on the control device.
  • the at least one collecting channel and the connection channels form a transmission network in the form of a bus network.
  • the at least one communication element is also designed as a state of charge equalization element and is designed to reduce excess energy of the energy storage cell by converting it into an optical and/or acoustic signal in order to equalize the state of charge of the associated energy storage cell.
  • the excess energy of an energy storage cell can thus be used to operate the communication element of the associated circuit segment, which converts this excess energy into light and/or sound.
  • the at least one electrical signal path can be embodied, for example, as a conductor track which, starting from the monitoring unit, is routed to opposite edges of the section where the separation points of the section are located. There, the conductor tracks can each form a contact area of the signal path.
  • the signal paths of adjacent circuit segments can be electrically connected to one another to form a daisy chain, with the at least one signal path of an edge circuit segment of the subassembly being able to be electrically connected to the control device.
  • the contact areas of the signal paths are therefore arranged adjacent to one another at the separation points, so that the signal paths are routed through the (partial) arrangement beyond the separation points.
  • the contact pads that are on opposite edges of the subassembly are arranged, form the connections for the at least one electrical signal path, which can be electrically connected, for example, to the control device and a line termination.
  • the signal of a circuit segment which is electrically connected to the control device, at least with the circuit segment at the edge being connected in between is therefore sent through the interconnection of circuit segments to the control device.
  • the invention also includes a motor vehicle with at least one electrical energy store according to the invention.
  • the energy store forms in particular a traction battery of the motor vehicle designed as an electric or hybrid vehicle.
  • FIG. 1a, 1b schematic representation of a first embodiment of a monitoring device for an electrical energy store
  • FIG 3 shows an electronic circuit of circuit segments of the second embodiment of the monitoring device. Elements that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols in the figures.
  • FIG. 1a and 1b show a first embodiment of a partial arrangement of a monitoring device 1 for an electrical energy store in a side view (FIG. 1a) and in a plan view (FIG. 1b).
  • 2a and 2b show a second embodiment of the partial arrangement of the monitoring device 1 in a side view (FIG. 2a) and in a plan view (FIG. 2b).
  • the monitoring device 1 serves in particular to monitor energy storage cells of the electrical energy store.
  • the monitoring device 1 has a flexible circuit carrier 2 or a flexible carrier board with a plurality of sections 2a.
  • the flexible circuit carrier 2 can be rolled up into a roll.
  • a monitoring unit 3 is arranged on each of the sections 2a, forming an arrangement of repeating circuit segments 4 of identical construction.
  • the monitoring units 3 can, for example, have sensors 3a, 3b for monitoring the energy storage cells.
  • the sensors 3a, 3b can be voltage sensors and/or temperature sensors, for example.
  • the monitoring units 3 can also have actuators, for example for charging state equalization or cell balancing. Separation points 5 for the assembly of the monitoring device 1 are arranged between two sections 2a.
  • each circuit segment 4 has a contacting unit 6 for electrically contacting the associated monitoring unit 3 with associated sense contact points of the electrical energy store, which can preferably be located on the energy storage cells or a cell contacting system of the electrical energy store.
  • the contacting unit 6 comprises three electrical connections 6a, 6b, 6c.
  • a first electrical connection 6a can be connected to a first cell pole of an energy storage cell
  • a second electrical connection 6b to a second cell pole of an energy storage cell
  • a third electrical connection 6c to an intercell contact or an intercell fuse, capturing an adjacent energy storage cell.
  • the electrical connections 6a, 6b, 6c between the sensors 3a, 3b and the associated sense contact points of the electrical energy storage device are preferably welded during the application and the flexible circuit carrier 2 below the sensor 3a, 3b has good thermal conductivity with the energy storage cells or the cell contacting system glued.
  • the ends of several roles of circuit carriers 2 are mechanically and electrically connected to one another in such a way that a endless circuit carrier 2 is created and the application can be carried out without interruption or waste.
  • a geometric size of the circuit segments 4 follows the repetitive spacing of the energy storage cells to be sensed, taking into account an interference contour profile 13.
  • the application of the monitoring device 1 is preferably carried out directly from the roll onto the cell contacting system or the fixed energy storage cells with final packaging at the separation points 5.
  • a strip can be separated from the roll, which has a number of circuit segments 4 that corresponds to the number of energy storage cells to be monitored.
  • the sensor 3a of the monitoring unit 3 is a sensor 3a that communicates with a waveguide of the electrical energy store.
  • each circuit segment 4 has a communication unit, not shown here, which can be coupled to the waveguide.
  • the communication unit can have a transmitting element, for example an LED for emitting optical signals, and/or a receiving element, for example a photodiode for receiving optical signals.
  • the transmitting element can couple the optical signal into the waveguide and the receiving element can couple the optical signal out of the waveguide, in which case the waveguide can be coupled to a control device of the electrical energy store.
  • Optical signals can thus be transmitted between the circuit segments 4 and the control device via the waveguide.
  • the waveguide can also be designed to transmit acoustic signals, with the communication units of the circuit segments being designed to transmit and/or receive acoustic signals.
  • the waveguide is in particular a one-piece molded part which forms a transmission network and has a collector channel for connection to the control device and connection channels connected to the collector channel for connection to the communication units of the circuit segments 4 .
  • a communication unit in the form of an electronic bus 7 is shown in a second embodiment, so that the sensor 3b of the sensor unit 3 is a sensor 3b communicating via the electronic bus 7 .
  • This electronic bus 7 has electrical signal paths 8 in the form of conductor tracks which form contact areas 8a in the area of the separation points 5 . So at the ends of a ready-made Circuit carrier 2 made the connection to the control unit and to a signaling line termination.
  • the at least one sensor 3b contains circuits for signal acquisition and processing, etc. analogous to sensor 3a and for electronic communication via bus 7.
  • the sensor 3 shows an electronic circuit of identical circuit segments 4 for cell monitoring by means of an electronic bus 7.
  • the sensor 3b has a sensor chip 9 whose communication output 10 is high-impedance, i.e. as a current output, and whose communication input 11 is also high-impedance, i.e. as a voltage input. is executed.
  • the sensor 3b also contains a level converter or level shifter 12 in each signal path for decoupling a DC voltage component between the circuit segments 4 and the signal ground points M1, M2 associated with the individual circuit segments 4.
  • the level shifter 12 is designed as an electrical capacitance.
  • the level shifter 12 can contain further elements for balancing the DC voltage along the bus 7 or for suppressing interference signals.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung (1) zum Überwachen von Energiespeicherkomponenten eines elektrischen Energiespeichers, wobei die Überwachungseinrichtung (1) eine regelmäßige Anordnung von baugleichen Schaltungssegmenten (4) aufweist, von welcher zumindest eine Teilanordnung mit einer für den elektrischen Energiespeicher benötigten Anzahl an Schaltungssegmenten (4) abtrennbar ist, wobei die Überwachungseinrichtung (1) dazu einen flexiblen Schaltungsträger (2) mit mehreren baugleichen, über Trennstellen (5) verbundenen Abschnitten (2a) aufweist und wobei jedes Schaltungssegment (4) einen Abschnitt (2a), eine Überwachungseinheit (3) zum Überwachen von zumindest einer Energiespeicherkomponente, eine mit der Überwachungseinheit (3) elektrisch verbundene und mit der zumindest einen Energiespeicherkomponente verbindbare Kontaktiereinheit (6) und eine Kommunikationseinheit zum Übertragen eines energiespeicherkomponentenspezifischen Überwachungssignals zwischen der Überwachungseinheit (3) und einer Steuereinrichtung des elektrischen Energiespeichers aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Konfektionierbare Überwachungseinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher, elektrischer Energiespeicher sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen von Energiespeicherkomponenten eines elektrischen Energiespeichers. Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher, welche beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Solche elektrischen Energiespeicher weisen üblicherweise eine Vielzahl von Energiespeicherkomponenten, beispielsweise Energiespeicherzellen, sowie zumindest eine Steuereinrichtung, auf. Zur Überwachung der Energiespeicherzellen des Energiespeichers ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Überwachungssignale, beispielsweise Steuersignale und Informationssignale mit zellspezifischen Kenngrößen, zwischen den Energiespeicherzellen und der Steuereinrichtung auszutauschen. Dazu werden üblicherweise Überwachungseinheiten mit Sensoren und Aktoren an den Energiespeicherzellen angeordnet. Die Signalübertragung zwischen den Überwachungseinheiten und der Steuereinrichtung kann dabei beispielsweise kabelgebunden durchgeführt werden. Nachteilig daran ist jedoch der hohe Aufwand für die Signalübertragung zwischen den mit unterschiedlichem Potential behafteten Überwachungseinheiten und der übergeordneten Steuereinrichtung sowie die hohe Varianz der dabei zum Einsatz kommenden Signalpfade infolge deren struktureller Abhängigkeit von der Anzahl der von einem Signalpfad erfassten in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen. Aus der Applikation zellnaher Überwachungseinheiten ergibt sich wiederum ein hoher Aufwand für die Montage der Überwachungseinheiten innerhalb der Energiespeicherfertigung.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders einfach zu montierende Überwachungseinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Überwachungseinrichtung, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung zum Überwachen von Energiespeicherkomponenten eines elektrischen Energiespeichers weist eine regelmäßige Anordnung von baugleichen Schaltungssegmenten auf. Von der Anordnung ist zumindest eine Teilanordnung mit einer für den elektrischen Energiespeicher benötigten Anzahl an Schaltungssegmenten abtrennbar, wobei die Überwachungseinrichtung dazu einen flexiblen Schaltungsträger mit mehreren baugleichen, über Trennstellen verbundenen Abschnitten aufweist. Jedes Schaltungssegment weist einen Abschnitt, eine Überwachungseinheit zum Überwachen von zumindest einer Energiespeicherkomponente, eine mit der Überwachungseinheit elektrisch verbundene und mit Kontaktieranschlüssen der Energiespeicherkomponenten verbindbare Kontaktiereinheit und eine Kommunikationseinheit zum Übertragen eines energiespeicherkomponentenspezifischen Überwachungssignals zwischen der Überwachungseinheit und einer Steuereinrichtung des elektrischen Energiespeichers auf.
Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Energiespeicher aufweisend mehrere Energiespeicherkomponenten, eine Steuereinrichtung und zumindest eine Teilanordnung einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung, wobei die Kontaktiereinheiten mit den Kontaktieranschlüssen der Energiespeicherkomponente elektrisch und mechanisch verbunden sind. Die Energiespeicherkomponenten sind vorzugsweise als Energiespeicherzellen oder als Reihenschaltungen aus zumindest zwei Energiespeicherzellen ausgebildet. Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise als Traktionsbatterie für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug dienen. Die Energiespeicherzellen des Energiespeichers sind insbesondere als Rundzellen ausgebildet. Die Energiespeicherzellen können zu mehreren Zellmodulen verschaltet sein, wobei jedes Zellmodul mehrere, parallel geschaltete Reihenschaltungen aus Energiespeicherzellen aufweisen kann.
Außerdem weist der elektrische Energiespeicher ein Zellkontaktiersystem mit Zellverbinden zum Verschalten der Energiespeicherzellen auf. Die Energiespeicherzellen weisen jeweils zwei Zellpole auf, welche mit den Zellverbindern des Zellkontaktiersystem elektrisch verbunden sind. Die zumindest eine Teilanordnung der Überwachungseinrichtung ist insbesondere auf dem Zellkontaktiersystem angeordnet und die Kontaktiereinheiten sind zum Überwachen der Energiespeicherzellen oder der Reihenschaltungen mit den zugehörigen Zellverbindern verbunden.
Zum Überwachen der Energiespeicherkomponenten sind dabei Überwachungseinheiten an den Energiespeicherkomponenten angeordnet und mit den Kontaktieranschlüssen bzw. Sense-Kontakten elektrisch verbunden. Dabei ist insbesondere pro Reihenschaltung an Energiespeicherzellen eine Überwachungseinheit an einer der Energiespeicherzellen der Reihenschaltung angeordnet. Jede Überwachungseinheit kann dabei zumindest einen Sensor und/oder einen Aktor für die Energiespeicherkomponenten aufweisen. Die Sensoren können beispielsweise Spannungssensoren, Temperatursensoren, Stromsensoren oder dergleichen sein. Die Sensoren erfassen Überwachungssignale in Form von Informationssignalen, welche an die Steuereinrichtung des Energiespeichers übermittelt werden können. Die Aktoren können beispielsweise Ladezustandsausgleichselemente sein, welche einen Ladezustandsausgleich der Energiespeicherzellen durch Energieabbau bewirken können. Dazu kann die Steuereinrichtung beispielsweise Überwachungssignale in Form von Steuersignalen generieren, welche an die Aktoren der Überwachungseinheiten übermittelt werden können.
Dabei werden die Überwachungseinheiten insbesondere nicht einzeln an den Energiespeicherzellen bzw. Energiespeicherzellreihenschaltungen appliziert, sondern derart gebündelt, dass in einem Applikationsschritt mehrere Überwachungseinheiten an mehreren Energiespeicherkomponenten angeordnet werden können. Dazu wird die konfektionierbare Überwachungseinrichtung bereitgestellt, welche mehrere, baugleiche Überwachungseinheiten, mehrere, baugleiche Kontaktiereinheiten und mehrere, baugleiche Kommunikationseinheiten aufweist. Diese sind auf voneinander separierbaren Abschnitten des flexiblen Schaltungsträgers angeordnet, wobei pro Abschnitt eine Überwachungseinheit, eine Kontaktiereinheit und eine Kommunikationseinheit angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Jeder derart bestückte Abschnitt bildet dabei ein Schaltungssegment aus. Zum Anpassen der Überwachungseinrichtung an den spezifischen Energiespeicher kann von der regelmäßigen, sich wiederholenden Anordnung an Schaltungssegmenten eine Teilanordnung, also einzelne Schaltungssegmente oder eine zusammenhängende Gruppe von Schaltungssegmenten, abgetrennt werden.
Beispielsweise kann die Überwachungseinrichtung als ein aufrollbares Band ausgebildet sein, von welchem als die zumindest eine Teilanordnung ein Streifen mit zumindest einem Schaltungssegment abtrennbar ist. Der Streifen kann also über Verschaltung von Energiespeicherkomponenten geführt werden und so konfektioniert sein, dass er die zu der Anzahl an zu überwachenden Energiespeicherkomponenten passende Anzahl an Schaltungssegmenten aufweist. Dadurch, dass der Schaltungsträger flexibel ist, kann er an eine Kontur der Anordnungsfläche angepasst werden, also beispielsweise über Störkonturen der Anordnungsfläche geführt werden. Beispielsweise werden die Abschnitte zum Überwachen der Temperaturen der Energiespeicherzellen gut wärmeleitend mit den Energiespeicherzellen verbunden. Zum Überwachen der Zellspannungen, gegebenenfalls auch zur Energieversorgung der Überwachungseinheiten, werden die mit den Überwachungseinheiten elektrisch verbundenen Kontaktiereinheiten mit den Zellpolen der Energiespeicherzellen bzw. mit den Zellverbindern des Zellkontaktiersystems elektrisch verbunden. Die Kommunikationseinheit kann dann die von den Sensoren erfassten Überwachungssignale an die Steuereinrichtung übertragen oder ein Überwachungssignal zum Ansteuern der Aktoren von der Steuereinrichtung erhalten. Die Signalübertragung zwischen den Kommunikationseinheiten und der Steuereinrichtung geschieht dabei basierend auf einem Kommunikationsprotokoll, sodass die Überwachungssignale den spezifischen Schaltungssegmenten und damit den spezifischen Energiespeicherkomponenten zugeordnet werden können.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Kommunikationseinheit zumindest ein Kommunikationselement zum Aussenden und/oder Empfangen von akustischen und/oder optischen Überwachungssignalen aufweist, welches in einen mit der Steuereinrichtung gekoppelten Wellenleiter des elektrischen Energiespeichers einkoppelbar und/oder aus dem Wellenleiter auskoppelbar ist. Die Signalübertragung zwischen den Schaltungssegmenten und der Steuereinrichtung erfolgt somit drahtlos. Jede Kommunikationseinheit kann dabei zumindest ein Sendeelement, beispielsweise eine LED zum Aussenden von optischen Signalen und/oder einen Lautsprecher zum Aussenden von akustischen Signalen, und zumindest ein Empfangselement, beispielsweise eine Photodiode zum Empfangen von optischen Signalen und/oder ein Mikrofon zum Empfangen von akustischen Signalen, aufweisen.
Gemäß dieser Ausführungsform weist der elektrische Energiespeicher den Wellenleiter auf, welcher beispielsweise als ein einteiliges Formteil ausgebildet. Das einteilige Formteil ist dazu ausgelegt, zumindest zwei Energiespeicherkomponenten mit der Steuereinrichtung potentialfrei zu koppeln und weist dazu zumindest einen Sammelkanal und daran angeschlossene, mit den Kommunikationseinheiten der Schaltungssegmente gekoppelte Anschlusskanäle auf. Das Formteil ist dabei ein Fertigteil, welches mit nur einem Montageschritt an den Energiespeicherkomponenten und der Steuereinrichtung angeordnet werden kann. Beim Anordnen des Formteils werden die Anschlusskanäle in Form von Einkoppelbereichen bzw. Auskoppelbereichen an den Kommunikationseinheiten der Energiespeicherkomponenten angeordnet und der zumindest eine Sammelkanal wird an der Steuereinrichtung angeordnet. Beispielsweise bilden der zumindest eine Sammelkanal und die Anschlusskanäle ein Übertragungsnetzwerk in Form von einem Busnetzwerk aus.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das zumindest eine Kommunikationselement zusätzlich als ein Ladezustandsausgleichselement ausgebildet ist und dazu ausgelegt ist, zum Ladezustandsausgleich der zugehörigen Energiespeicherzelle überschüssige Energie der Energiespeicherzelle durch Umwandeln in ein optisches und/oder akustisches Signal abzubauen. Die überschüssige Energie einer Energiespeicherzelle kann somit zum Betreiben des Kommunikationselementes des zugehörigen Schaltungssegmentes verwendet werden, welche diese überschüssige Energie in Licht und/oder Schall umwandelt.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Kommunikationseinheit jedes Schaltungssegmentes zumindest einen elektrischen Signalpfad zum Übertragen von elektrischen Überwachungssignalen zwischen den Schaltungssegmenten und der Steuereinrichtung aufweist. Der zumindest eine elektrische Signalpfad kann beispielsweise als eine Leiterbahn ausgebildet sein, welche ausgehend von der Überwachungseinheit zu gegenüberliegenden Rändern des Abschnittes geführt wird, wo sich die Trennstellen des Abschnittes befinden. Dort können die Leiterbahnen jeweils eine Kontaktfläche des Signalpfades ausbilden.
Beispielsweise können die Signalpfade benachbarter Schaltungssegmente unter Ausbildung einer Daisy Chain elektrisch miteinander verbunden sein, wobei der zumindest eine Signalpfad eines randseitigen Schaltungssegmentes der Teilanordnung mit der Steuereinrichtung elektrisch verbindbar ist. Die Kontaktflächen der Signalpfade sind also an den Trennstellen angrenzend aneinander angeordnet, sodass die Signalpfade über die Trennstellen hinweg durch die (Teil-)Anordnung hindurchgeführt werden. Die Kontaktflächen, die an den gegenüberliegenden Rändern der Teilanordnung angeordnet sind, bilden die Anschlüsse für den zumindest einen elektrischen Signalpfad aus, welche beispielsweis mit der Steuereinrichtung und einem Leitungsabschluss elektrisch verbunden werden können. Das Signal eines Schaltungssegmentes, welches zumindest unter Zwischenschaltung des randseitigen Schaltungssegmentes mit der Steuereinrichtung elektrisch verbunden ist, wird also durch die Zwischenschaltung aus Schaltungssegmenten hindurch zu der Steuereinrichtung gesendet.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mir zumindest einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Der Energiespeicher bildet insbesondere eine Traktionsbatterie des als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs aus.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a, 1b schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Überwachungseinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher;
Fig. 2a, 2b schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Überwachungseinrichtung; und
Fig. 3 eine elektronische Schaltung von Schaltungssegmenten der zweiten Ausführungsform der Überwachungseinrichtung. In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1a und Fig. 1 b zeigen eine erste Ausführungsform eines T eilanordnung einer Überwachungseinrichtung 1 für einen elektrischen Energiespeicher in einer Seitenansicht (Fig. 1a) und in einer Draufsicht (Fig. 1 b). Fig. 2a und Fig. 2b zeigen eine zweite Ausführungsform der Teilanordnung der Überwachungseinrichtung 1 in einer Seitenansicht (Fig. 2a) und in einer Draufsicht (Fig. 2b). Die Überwachungseinrichtung 1 dient insbesondere zum Überwachen von Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichers. Die Überwachungseinrichtung 1 weist einen flexiblen Schaltungsträger 2 bzw. ein flexibles Trägerboard mit mehreren Abschnitten 2a auf. Der flexible Schaltungsträger 2 ist zu einer Rolle aufrollbar. Auf den Abschnitten 2a ist jeweils eine Überwachungseinheit 3 unter Ausbildung einer Anordnung aus sich wiederholenden, baugleichen Schaltungssegmenten 4 angeordnet. Die Überwachungseinheiten 3 können beispielsweise Sensoren 3a, 3b für die Überwachung der Energiespeicherzellen aufweisen. Die Sensoren 3a, 3b können beispielsweise Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren sein. Die Überwachungseinheiten 3 können außerdem Aktoren, beispielsweise zum Ladezustandsausgleich bzw. Zellbalancing, aufweisen. Zwischen zwei Abschnitten 2a sind Trennstellen 5 für die Konfektionierung der Überwachungseinrichtung 1 angeordnet.
Außerdem weist jedes Schaltungssegment 4 eine Kontaktiereinheit 6 zum elektrischen Kontaktieren der zugehörigen Überwachungseinheit 3 mit zugehörigen Sense- Kontaktstellen des elektrischen Energiespeichers auf, die sich vorzugsweise auf den Energiespeicherzellen bzw. einem Zellkontaktiersystem des elektrischen Energiespeichers befinden können. Hier umfasst die Kontaktiereinheit 6 jeweils drei elektrische Verbindungen 6a, 6b, 6c. Dabei kann beispielsweise eine erste elektrische Verbindung 6a mit einem ersten Zellpol einer Energiespeicherzelle, eine zweite elektrische Verbindung 6b mit einem zweiten Zellpol einer Energiespeicherzelle und eine dritte elektrische Verbindung 6c unter Erfassung einer benachbarten Energiespeicherzelle mit einem Zwischenzellkontakt bzw. einer Zwischenzellsicherung verbunden werden. Vorzugsweise werden die elektrischen Verbindungen 6a, 6b, 6c zwischen den Sensoren 3a, 3b und den zugehörigen Sense-Kontaktstellen des elektrischen Energiespeichers bei der Applikation verschweißt und der flexible Schaltungsträger 2 unterhalb des Sensors 3a, 3b wird gut wärmeleitend mit den Energiespeicherzellen bzw. dem Zellkontaktiersystem verklebt. In einer besonders bevorzugten Applikation sind die Enden mehrerer Rollen von Schaltungsträgern 2 miteinander mechanisch und elektrisch derart verbindbar, dass ein endloser Schaltungsträger 2 entsteht und die Applikation unterbrechungs- und verschnittfrei durchführbar ist.
Eine geometrische Größe der Schaltungssegmente 4 folgt dabei dem sich wiederholenden Abstand der zu sensierenden Energiespeicherzellen unter Berücksichtigung eines Störkonturprofils 13. Die Applikation der Überwachungseinrichtung 1 erfolgt vorzugsweise direkt von der Rolle auf das Zellkontaktiersystem bzw. die fixierten Energiespeicherzellen mit abschließender Konfektionierung an den Trennstellen 5. Beispielsweise kann von der Rolle ein Streifen abgetrennt werden, welcher eine mit der Anzahl an zu überwachenden Energiespeicherzellen korrespondierende Anzahl an Schaltungssegmenten 4 aufweist.
In einer ersten Ausführung ist der Sensor 3a der Überwachungseinheit 3 ein mit einem Wellenleiter des elektrischen Energiespeichers kommunizierender Sensor 3a. Zur Signalübertragung mittels des Wellenleiters weist jedes Schaltungssegment 4 eine hier nicht gezeigte Kommunikationseinheit auf, welche mit dem Wellenleiter koppelbar ist. Die Kommunikationseinheit kann ein Sendeelement, beispielsweise eine LED zum Emittieren von optischen Signalen, und/oder ein Empfangselement, beispielsweise eine Photodiode zum Empfangen von optischen Signalen aufweisen. Das Sendeelement kann dabei das optische Signal in den Wellenleiter einkoppeln und das Empfangselement kann das optische Signal aus dem Wellenleiter auskoppeln, wobei der Wellenleiter mit einer Steuereinrichtung des elektrischen Energiespeichers gekoppelt sein kann. Über den Wellenleiter können also optische Signale zwischen den Schaltungssegmenten 4 und der Steuereinrichtung übertragen werden. Alternativ dazu kann der Wellenleiter auch zur Übertragung von akustischen Signalen ausgebildet sein, wobei die Kommunikationseinheiten der Schaltungssegmente zum Senden und/oder Empfangen von akustischen Signalen ausgebildet sind. Der Wellenleiter ist insbesondere ein einstückiges Formteil, welches ein Übertragungsnetzwerk ausbildet und einen Sammelkanal zum Anschließen an die Steuereinrichtung und mit dem Sammelkanal verbundene Anschlusskanäle zum Anschließen an die Kommunikationseinheiten der Schaltungssegmente 4 aufweist.
In einer zweiten Ausführung ist eine Kommunikationseinheit in Form von einem elektronischen Bus 7 gezeigt, sodass der Sensor 3b der Sensoreinheit 3 ein über den elektronischen Bus 7 kommunizierender Sensor 3b ist. Dieser elektronische Bus 7 weist elektrische Signalpfade 8 in Form von Leiterbahnen auf, welche im Bereich der Trennstellen 5 Kontaktflächen 8a ausbilden. So kann an Enden eines konfektionierten Schaltungsträgers 2 der Anschluss an das Steuergerät sowie an einen signaltechnischen Leitungsabschluss erfolgen. Der zumindest eine Sensor 3b beinhaltet dabei Schaltungen zur Signalerfassung und -aufbereitung etc. analog Sensor 3a sowie zur elektronischen Kommunikation über den Bus 7.
Fig. 3 zeigt eine elektronische Schaltung der baugleichen Schaltungssegmente 4 für die Zellüberwachung mittels eines elektronischen Busses 7. Der Sensor 3b weist dabei einen Sensorchip 9 auf, dessen Kommunikationsausgang 10 hochohmig, d.h. als Stromausgang, und dessen Kommunikationseingang 11 ebenfalls hochohmig, d.h. als Spannungseingang, ausgeführt ist. Ebenfalls beinhaltet der Sensor 3b in jedem Signalpfad einen Pegelumsetzer bzw. Levelshifter 12 zur Entkopplung eines Gleichspannungsanteiles zwischen den Schaltungssegmenten 4 sowie zu den einzelnen Schaltungssegmenten 4 zugehörigen Signalmassepunkten M1, M2. In einem einfachen Fall ist der Levelshifter 12 als elektrische Kapazität ausgebildet. Dabei kann der Levelshifter 12 weitere Elemente zur Symmetrierung der Gleichspannung entlang des Busses 7 bzw. zur Unterdrückung von Störsignalen enthalten.

Claims

Patentansprüche Überwachungseinrichtung (1) zum Überwachen von Energiespeicherkomponenten eines elektrischen Energiespeichers, wobei die Überwachungseinrichtung (1) eine regelmäßige Anordnung von baugleichen Schaltungssegmenten (4) aufweist, von welcher zumindest eine Teilanordnung mit einer für den elektrischen Energiespeicher benötigten Anzahl an Schaltungssegmenten (4) abtrennbar ist, wobei die Überwachungseinrichtung (1) dazu einen flexiblen Schaltungsträger (2) mit mehreren baugleichen, über Trennstellen (5) verbundenen Abschnitten (2a) aufweist und wobei jedes Schaltungssegment (4) einen Abschnitt (2a), eine Überwachungseinheit (3) zum Überwachen von zumindest einer Energiespeicherkomponente, eine mit der Überwachungseinheit (3) elektrisch verbundene und mit der zumindest einen Energiespeicherkomponente verbindbare Kontaktiereinheit (6) und eine Kommunikationseinheit zum Übertragen eines energiespeicherkomponentenspezifischen Überwachungssignals zwischen der Überwachungseinheit (3) und einer Steuereinrichtung des elektrischen Energiespeichers aufweist. Überwachungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung als ein aufrollbares Band ausgebildet ist, von welchem als die zumindest eine Teilanordnung ein Streifen mit zumindest einem Schaltungssegment (4) abtrennbar ist. Überwachungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Überwachungseinheit (3) zumindest einen Sensor (3a, 3b) und/oder einen Aktor aufweist. Überwachungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit jedes Schaltungssegmentes (4) zumindest ein Kommunikationselement zum Aussenden und/oder Empfangen von akustischen und/oder optischen Überwachungssignalen aufweist, welches in einen mit der Steuereinrichtung gekoppelten Wellenleiter des elektrischen Energiespeichers einkoppelbar und/oder aus dem Wellenleiter auskoppelbar ist. Überwachungseinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kommunikationselement zusätzlich als ein
Ladezustandsausgleichselement ausgebildet ist und dazu ausgelegt ist, zum Ladezustandsausgleich der zugehörigen Energiespeicherkomponente in Form von einer Energiespeicherzelle überschüssige Energie der Energiespeicherzelle durch Umwandeln in ein optisches und/oder akustisches Signal abzubauen. Überwachungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit jedes Schaltungssegmentes (4) zumindest einen elektrischen Signalpfad zum Übertragen von elektrischen Überwachungssignalen zwischen den Schaltungssegmenten (4) und der Steuereinrichtung aufweist. Überwachungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalpfade benachbarter Schaltungssegmente (4) unter Ausbildung einer Daisy Chain elektrisch miteinander verbunden sind und der zumindest eine Signalpfad eines randseitigen Schaltungssegmentes (4) der Teilanordnung mit der Steuereinrichtung elektrisch verbindbar ist. Elektrischer Energiespeicher aufweisend:
- mehrere Energiespeicherkomponenten,
- eine Steuereinrichtung; und
- zumindest eine Teilanordnung einer Überwachungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktiereinheiten (6) mit Kontaktieranschlüssen der Energiespeicherkomponente elektrisch und mechanisch verbunden sind. Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherkomponenten als Energiespeicherzellen oder als Reihenschaltungen aus zumindest zwei Energiespeicherzellen ausgebildet sind und der elektrische Energiespeicher ein Zellkontaktiersystem mit Zellverbinden zum Verschalten der Energiespeicherzellen aufweist, wobei die zumindest eine Teilanordnung an dem Zellkontaktiersystem angeordnet ist und die Kontaktiereinheiten (6) zum Überwachen der Energiespeicherzellen oder der Reihenschaltungen mit den zugehörigen Zellverbindern verbunden sind. Kraftfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher nach Anspruch 8 oder 9.
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