WO2010121829A1 - Batterie-managementsystem - Google Patents

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WO2010121829A1
WO2010121829A1 PCT/EP2010/002522 EP2010002522W WO2010121829A1 WO 2010121829 A1 WO2010121829 A1 WO 2010121829A1 EP 2010002522 W EP2010002522 W EP 2010002522W WO 2010121829 A1 WO2010121829 A1 WO 2010121829A1
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battery
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battery management
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Felix Von Borck
Björn EBERLEH
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Akasol Engineering Gmbh
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Abstract

Batterie-Managementsystem, für ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen welche jeweils positive und negative Anschlüsse aufweisen, wobei das Batterie-Managementsystem auf einer Platine angeordnet ist und die Platine eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten aufweist welche in direkten Kontakt mit leitenden Elementen der Batteriezellen bringbar sind, wobei die leitenden Elemente durch die Anschlüsse der Batteriezellen des Batteriemoduls und/ oder durch leitende Abstandselemente die zwischen benachbarten Anschlüssen der Zellen vorgesehen sind gebildet sind.

Description

BATTERIE-MANAGEMENTSYSTEM
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterie-Managementsystem für ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die jeweils einen positiven und einen negativen Anschluss aufweisen. Die Erfindung befasst sich insbesondere mit einem Batterie-Managementsystem, welches mit Akkumulatoren, insbesondere Lithiumionenzellen, zur Bildung einer Traktionsbatterie bzw. eines Traktionsbatteriemoduls für Fahrzeuge mit elektrischem Antriebsstrang verwendet wird. Solche Batteriemodule können z.B. in elektrischen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren oder Hybridfahrzeugen mit Brennstoffzellen eingesetzt werden, können aber auch für andere Zwecke verwendet werden, z.B. bei stationären Anwendungen oder Kleintraktionsanwendungen, wie beispielsweise in einem Rollstuhl.
Das erfindungsgemäße Batterie-Managementsystem wird bevorzugt mit Batteriemodulen verwendet, welche auf der Grundlage von Lithiumionenzellen aufgebaut sind, es kann aber im Prinzip auch jede andere verfügbare wieder aufladbare Batteriezelle zur Anwendung kommen.
Ein Batteriemodulsystem, das aus mehreren gleichartigen Batteriemodulen zusammengebaut ist, kann beispielsweise ausgelegt werden, um einen Leistungsbereich mit einem Energieinhalt zwischen 1 kWh und 400 kWh oder mehr abzudecken und kann ohne weiteres in einem Spannungsbereich zwischen 12 und 800 V arbeiten. Insbesondere kann ein Batteriemodul beispielsweise ausgelegt werden, um mit zwölf einzelnen Zellen, die jeweils eine Zellenspannung von 3,6 V und eine Kapazität von 40 Ah auf- weisen, ein Batteriemodul mit einem gesamten Energieinhalt von 1,728 kWh aufzubauen, das je nach Verschaltung der einzelnen Zellen Ausgangsspannungen im Bereich von 10,8 V bis 43,2 V bei Kapazitätsentnahme im Bereich zwischen 160 Ah und 40 Ah aufweist. Beispielsweise bei einer 3s4p-Schaltung, d.h. mit jeweils vier parallel verschalteten Zellen, die drei Mal in Reihe hintereinander geschaltet sind, kann eine Ausgangsspannung von 10,8 V (3 x 3,6 V) erzeugt werden, und ein solches Batteriemodul ermöglicht dann eine Kapazitätsentnahme von bis zu 160 Ah. Mit einer Konfiguration von 12slp, d.h. mit zwölf Zellen in Reihe, kann eine Ausgangsspannung von 43,2 V erreicht werden (12 x 3,6 V), und es ist eine Stromabnahme von 40 A für eine Stunde möglich. Im Allgemeinen ist die Notation: XsYp so zu verstehen, dass X die Anzahl der Serienzellen angibt und Y die Anzahl der parallelen Zellen bedeutet. Durch die Verschaltungsvarianten ergeben sich also bei gleicher Modulgröße und gleichem Grundaufbau verschiedene Modulspannungen.
Um höhere Spannungen zu erreichen, können dann eine entsprechende Anzahl von Batteriemodulen elektrisch in Reihe geschaltet werden, wobei die Verschaltung der einzelnen Batteriemodule miteinander auch nach dem Muster XsYp erfolgen kann.
Ein Referenzsystem zum Einsatz in batterieelektrischen Kompaktfahrzeugen kann sich beispielsweise an folgenden Eckdaten orientieren: Gesamtenergieinhalt der Module 13,824 kWh (d.h. acht Batteriemodule mit je 1,732 kWh), Spannungslage 400 V und Dauerleistung ±20 kW. Hierzu ist anzumerken, dass es für die Erzeugung einer Spannungslage von 400 V notwendig sein kann, die Gesamtausgangsspannung der Batterie mit Hilfe eines Umrichters bzw. eines Transformators heraufzusetzen. Beispielsweise würde bei Verwendung von acht Batteriemodulen der oben genannten Art in einer 6s2p Konfiguration mit 21,6 V Ausgangsspannung je Batte- riemodul eine Gesamtausgangsspannung bei einer Reihenschaltung aller acht Batteriemodule von 8 x 21,6 V = 172,38 V erreicht.
Selbst wenn ein Batteriemodulsystem dieser Art für eine Dauerleistung von ±20 kW ausgelegt ist, können dennoch zu Beschleunigungszwecken Spitzenleistungen von beispielsweise 100 kW kurzfristig von der Batterie abverlangt werden, wodurch ausgezeichnete Beschleunigungswerte sich erzielen lassen. Des Weiteren kann im Ladebetrieb mit einer Ladeleistung von beispielsweise 40 kW gearbeitet werden.
Die oben angegebenen Werte sind rein beispielhaft genannt, stellen aber andererseits Werte dar, die durchaus mit kommerziell verfügbaren Lithiumionenbatterien erreicht werden können. Grundsätzlich kann auf der Zellebene die geeignetste erscheinende Technologie der Batterieauslegung nach den Kriterien technisches Potential, wie z.B. Energie- und Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer, Kostenpotential und Ressourcenverfügbarkeit ausgewählt werden. Auf der Systemebene bzw. Modulebene müssen zusätzlich die Sicherheit, die Langlebigkeit und Komfort im Betrieb berücksichtigt werden. Ferner sollen die zusätzlichen Maßnahmen, die erforderlich sind, um ein funktionsfähiges Batteriesystem zu erreichen, ein Minimum an Zusatzkosten, Gewicht und Volumen beanspruchen. Solche zusätzlichen Maßnahmen betreffen z.B. das elektrische Management des Batteriemoduls, das thermische Management des Batteriemoduls, die Integration auf Zell- und Modulebene sowie die Integration in einem Fahrzeug.
Um eine lange Lebensdauer der Batteriezellen zu gewährleisten und um sicherzustellen, dass die einzelnen Lade- bzw. Entladeraten der Batteriezellen vorgegebene Werte nicht über- bzw. unterschreiten, ist es bekannt, Batterie-Managementsysteme für den Betrieb mit den Batteriemodulen vorzusehen. Um im Betrieb eine Überprüfung der einzelnen Batteriezellen durchzuführen, werden die Zellspannungen regelmäßig gemessen und gegebenenfalls auf mögliche Fehler hin untersucht. Sollte ein Fehler detektiert werden, wird vom Batterie-Managementsystem eine entsprechende Meldung an den Benutzer und/ oder eine Auswerteeinrichtung geschickt, und im schlimmsten Falle wird das Batteriemodul in einen sicheren Zustand gebracht.
Da ein Fahrzeug in der Regel nicht dauerhaft betrieben wird, wird bei einem abgeschalteten Fahrzeug das Batterie-Managementsystem in einen Ruhezustand versetzt, wobei das System regelmäßig nach einer vorgegebenen Zeit kurz gestartet wird, um sicherzustellen, dass eine vorgegebene Mindestspannung der einzelnen Batteriezellen bei längeren Standzeiten nicht unterschritten wird, und um dann alle Zellen in den gleichen Ladezustand zu versetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Batterie- Managementsystem bereitzustellen, welches kompakt aufgebaut, sehr zuverlässig arbeitet und relativ einfach ist und welches es ermöglicht, die thermischen sowie elektrischen Parameter der einzelnen Batteriezellen auszuwerten.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird ein Batterie-Managementsystem für ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche jeweils positive und negative Anschlüsse aufweisen, vorgesehen. Das Batterie- Managementsystem ist auf einer Platine angeordnet, die eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten aufweist, welche in direkten Kontakt mit leitenden Elementen der Batteriezellen bringbar sind. Die leitenden Elemente werden durch die Anschlüsse der Batteriezellen des Batteriemoduls und/oder durch leitende Abstandselemente, die zwischen benachbarten Anschlüssen der Zellen vorgesehen sind, gebildet. Die Erfindung berücksichtigt, dass die Anschlüsse einzelner Batteriezellen des Batteriemoduls elektrisch und thermisch leitend sind und dass Abstandselemente vorzugsweise erfindungsgemäß zwischen benachbarten Anschlüssen der Zellen angeordnet werden. Dadurch, dass die Platine des Batterie-Managementsystems nun in direkten Kontakt zu den leitenden Elementen der Batteriezellen bringbar ist, entfällt die ansonsten benötigte und eine Fehlerquelle darstellende Verkabelung zwischen den einzelnen Batteriezellen und dem Batterie-Managementsystem. Dies hat zur Folge, dass nicht nur Fehlerquellen beim Einbau und beim Betrieb des Batterie- Managementsystems im Fahrzeug vermieden werden, sondern es vereinfacht die Montage des Batteriemoduls. Darüber hinaus wird eine Korrosion an Kabelanschlussstellen weitestgehend vermieden, da diese nun nicht mehr vorhanden sind.
Dadurch, dass das Batterie-Managementsystem nun ohne Verkabelung in direktem Kontakt zu den einzelnen Batteriezellen eines Batteriemoduls steht, kann die Funktion der einzelnen Batteriezellen in einem Batteriemodul besser überwacht und gesteuert werden. Genauer gesagt können die gemessenen Temperaturen und/ oder Spannungen der einzelnen Batteriezellen genauer bestimmt und vorzugsweise auch gesteuert werden.
Die genauer gemessenen Messwerte bewirken nun, dass Fehler in den einzelnen Batteriezellen schneller detektiert werden können und /oder genauere Aussagen über den Ladezustand der Batteriezellen getroffen werden können, so dass das Batterie-Managementsystem im Bedarfsfall eine entsprechende Meldung an den Fahrer und/ oder eine Auswerteeinrichtung schicken kann, so dass der Fahrer frühzeitig in Kenntnis gesetzt wird, wann er eine Ladestation bzw. eine Steckdose anfahren oder zu einer Reparaturwerkstatt fahren muss. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlüsse und /oder die leitenden Abstandselemente auf einer Seite des Batteriemoduls angeordnet und bilden eine Kontaktebene, in der die Platine elektrischen und/ oder thermischen Kontakt zu den Anschlüssen bzw. zu den Abstandselementen aufweist.
Diese Konstruktion ermöglicht es, die Platine direkt an die leitenden Elemente anzuschließen und gegebenenfalls aufzuschrauben oder mit einer geeigneten Vorzugsspannung an die leitenden Elemente anzubringen.
Es ist besonders günstig, wenn das Gehäuse des Batteriemoduls eine Anschlussstelle für ein Batterie-Managementsystem aufweist, die vorzugsweise an der gleichen Seite des Gehäuses vorgesehen ist wie die Anschlüsse der Batteriezellen. Beim Einbau des Batteriemoduls in ein Fahrzeug kann der Anschluss des Batterie-Managementsystems nun von einer Seite der Batterie aus erfolgen, was beim Wechseln des Batteriemoduls und/ oder des Batterie-Managementsystems zu einem vereinfachten Einbzw. Ausbau führt, was nicht nur eine Zeitersparnis zur Folge hat, sondern den Ein- bzw. Ausbau so vereinfacht, dass ein Mechaniker ein Batterie-Managementsystem bzw. ein Batteriemodul einfach modular austauschen kann.
Des weiteren kann man an den Stellen, wo es zu einem elektrischen bzw. thermischen Kontakt in der Kontaktebene kommt, die Spannungen und Temperaturen der einzelnen Batteriezellen direkt messen, was der Messgenauigkeit zu gute kommt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Batterie- Managementsystem mindestens eine Schnittstelle, einen Prozessor, einen Flashspeicher, einen ADC und eine Stromversorgung, wobei mindestens eine der Schnittstellen vorzugsweise eine automotive Schnittstelle ist. Es ist besonders günstig, wenn das Batterie-Managementsystem einen Prozessor aufweist, welcher in der Lage ist, die ein- und ausgehenden Daten des Batterie-Managementsystems zu verarbeiten. Der Prozessor kann diese Daten in dem Flashspeicher abspeichern bzw. mit Daten, die im Flashspeicher gespeichert sind, vergleichen. Die gemessenen Daten sind in der Regel analoge Datenpunkte, welche zum schnelleren Berechnen der einzelnen Werte mittels eines Analog/ Digital- Wandlers (ADC) digitalisiert werden. Die Messpunkte könnten aber natürlich auch in digitaler Form direkt erfasst werden. Die ermittelten Werte können durch die Schnittstelle an weitere Einrichtungen im Fahrzeug übermittelt werden. Dadurch, dass das Batterie-Managementsystem eine separate Stromversorgung hat, kann das Batterie-Managementsystem auch bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die für längere Zeitspannen nicht benützt werden, da die separate Stromversorgung sicherstellt, dass das Batterie-Managementsystem auch bei abgeschaltetem Batteriemodul verwendbar ist und die gespeicherten Daten des Batterie-Managementsystems nicht verloren gehen bzw. dass das Batterie-Managementsystem die unter Umständen leeren Batteriezellen noch zusätzlich entleert, was die Batteriezellen unbrauchbar machen würde.
Es können einfache herkömmliche Schnittstellenstecker oder Busstecker für das Batterie-Managementsystem verwendet werden, wobei die Schnittstelle eine CAN, LIN, RS485, uBus oder jede Art von Schnittstelle sein kann, welche zur Übermittelung von Daten verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Batterie- Managementsystem dazu ausgebildet, um Spannungsunterschiede und/ oder einen dazu proportionalen Wert an verschiedenen Punkten der Batteriezellen zu messen und gegebenenfalls die gemessenen Spannungen wenigstens vorübergehend zu speichern. Bevorzugt wird ein Spannungsunterschied zwischen den positiven und negativen Anschlüssen einer Batteriezelle gemessen, um eine Aussage ü- ber den momentanen Ladezustand einer Batteriezelle zu erhalten. Dadurch, dass die Spannungsunterschiede bzw. Spannungen wenigstens vorübergehend gespeichert werden, können Entlade- bzw. Laderaten der einzelnen Batteriezellen bestimmt werden. Dies ist vor allem dann nützlich, wenn vom Batterie-Managementsystem vorgegebene Entlade- bzw. Laderaten der einzelnen Batteriezellen unter- bzw. überschritten werden, da das Batterie-Managementsystem nun eine Warn- bzw. Fehlermeldung an den Fahrer bzw. an eine Auswerteeinrichtung übermitteln kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Batterie-Managementsystem dazu ausgebildet, die gemessenen Spannungen der Batteriezellen zu überwachen.
Die ermittelten Entlade- bzw. Laderaten der einzelnen Batteriezellen können in einem Speicher abgespeichert und periodisch miteinander verglichen werden. Dies ist vor allem dann nützlich, wenn sich die Entladebzw. Ladezyklen der einzelnen Batteriezellen mit zunehmender Lebensdauer verändern, da das Batterie-Managementsystem nun die verbleibende Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen anhand von abgespeicherten Kennlinien abschätzen kann und gegebenenfalls ein Warn- bzw. Fehlersignal an den Fahrer bzw. an eine Auswerteeinrichtung übermitteln kann, dass ein Batteriemodulwechsel ansteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Batterie-Managementsystem dazu ausgebildet, einen Ladevorgang des Batteriemoduls anhand der gemessen Spannungen der Batteriezellen zu überwachen und gegebenenfalls durch Veränderung von den Batteriezellen zugeordneten Widerständen für jede Zelle einzeln zu regeln. Sollten die vorgegebenen Entlade- bzw. Laderaten von den Batteriezellen unter- bzw. überschritten werden, kann das Batterie-Managementsystem den Entlade- bzw. Ladevorgang anhand der den Batteriezellen zugeordneten Widerstände regeln. Es können den einzelnen Batterien auch einzelne Schaltungen zugeordnet sein, die z.B. in der Lage sind, einen Stromfluss zu den einzelnen Batteriezellen durch Transistoren und/oder Dioden zu verändern und somit zu regeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Batterie- Managementsystem dazu ausgebildet, um an mindestens einem Punkt eines Batteriemoduls gemessene Temperaturen gegebenenfalls wenigstens vorübergehend zu speichern.
Bevorzugt werden die einzelnen Batteriezellen eines Batteriemoduls bei Temperaturen im Bereich von 5° C bis zu 300C betrieben und gelagert. Die Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen kann sich signifikant verkürzen, wenn die Temperaturen der Batteriezellen diese Werte über- bzw. unterschreiten. Indem die gemessenen Temperaturen zumindest vorübergehend gespeichert werden, kann eine Heiz- bzw. Kühlrate des Batteriemoduls bestimmt werden. Dies ist vor allem dann nützlich, wenn vom Batterie- Managementsystem vorgegebene Heiz- bzw. Kühlraten der einzelnen Batteriezellen unter- bzw. überschritten werden, um durch geeignete Gegenmaßnahmen diese zu verändern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Batterie-Managementsystem dazu ausgebildet, die gemessenen Temperaturen zu überwachen. Dadurch, dass das Batterie-Managementsystem die gemessenen Temperaturen überwacht, kann auch sichergestellt werden, dass z.B. nach einer Aufwärmphase der Batteriezellen diese nicht überhitzt werden und/ oder dass die Batteriezellen aufgrund von niedrigen Außentemperaturen nicht unterkühlen und dementsprechend beschädigt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Platine den Batteriezellen zugeordnete Heizwiderstände auf, die der Aufwärmung der Batteriezellen dienen und welche vorzugsweise an den leitenden Elementen, d.h. an den Anschlüssen der Batteriezellen oder an den leitenden Abstandselementen anliegen.
Bevorzugt werden die Batteriezellen bei mindestens 50C gelagert und/ oder betrieben. Sollte die Außentemperatur geringer als 50C sein und die Batteriezellen nicht im Betrieb sein, dann können diese über geeignete Heizwiderstände mit einer Widerstandsheizung, die an den Anschlüssen der Batteriezellen angeordnet ist, mit z.B. 1 Watt/h auch bei arktischen Temperaturen geheizt werden und so auch sicher betrieben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Batterie-Managementsystem dazu ausgebildet, einen Heizvorgang zu initiieren, wenn eine an einem Punkt der Batteriezellen gemessene Temperatur weniger als 5°C beträgt, und/ oder das Batterie-Managementsystem ist dazu ausgebildet, einen Kühlvorgang zu initiieren, wenn eine gemessene Temperatur mehr als 300C beträgt.
Sollten die Temperaturen gewisse Werte über- bzw. unterschreiten, kann das Batterie-Managementsystem über den Kühlkreislauf einen Heizvorgang bzw. einen Kühlvorgang initiieren. Typischerweise werden die Batteriemodule von einem Kühlkreislauf umgeben, welcher die Temperaturen der Batteriezellen auf weniger als 300C herunterkühlen kann und bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 5°C und 300C kühlt, um sicherzustellen, dass die Batteriezellen keine Langzeitschäden davon tragen, weil sie bei zu hohen bzw. zu niedrigen Temperaturen betrieben oder gelagert wurden. Der Kühlkreislauf wird in der Regel mit einem Wärmetauscher gekoppelt sein und kann auch als Heizkreislauf verwendet werden. Es kann aber auch eine Heizung in dem Kühlmittel führenden Kreislauf vorgesehen werden, welche das Kühlmittel erhitzt und hierdurch die gewünschte Mindesttemperatur gewährleistet. Der Heizvorgang kann aber auch durch die Widerstandsheizung, welche auf der Platine angeordnet ist, erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Schaltkreise für die Überwachung der Temperaturen und/oder Spannungen auf der Platine angeordnet. Dies ermöglicht es, so nahe wie möglich an den einzelnen Temperatur- bzw. Spannungsmesspunkten zu messen, was zur Folge hat, dass die gemessenen Messwerte noch genauer erfassbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die einzelnen Schaltkreise zwischen den genannten Kontakten der einzelnen Batteriezellen der Platine, insbesondere im Bereich der Platine zwischen den Anschlüssen und /oder den leitenden Abstandselementen der Batteriezellen angeordnet. Dies ermöglicht es, relativ kurze Leiterbahnen zwischen den einzelnen Bauteilen beizubehalten und verringert dadurch den Einfluss von externen Fehlerquellen bzw. Streufeldern auf die gemessenen Temperaturen und Spannungen, die die Messgenauigkeit verringern würden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Schaltkreise im Bereich der Kontaktebene auf der Platine angeordnet. Dies führt zu noch kompakteren Aufbauten, welche den Austausch von Batteriemodul und/ oder Batterie-Managementsystem im Bedarfsfall vereinfacht, da der Bearbeiter mehr Platz zum Ein- bzw. Ausbauen zur Verfügung hat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Signalverarbeitungseinrichtung auf der Platine angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, die gemessenen bzw. die überwachten Temperaturen und/ oder Spannungen in digitale Signale umzuwandeln, welche in einer Auswerteeinheit ausgewer- tet werden. Durch die Analog/ Digital-Umwandlung wird vermieden, dass die analogen Signale verzerrt werden und dass dadurch ungenaue Messwerte geliefert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet, die digitalen Signale auf eine Ausgangsspannung der Batteriezellen und/oder auf eine Ausgangsspannung des Batteriemoduls, welche von Anschlussleitungen des Batteriemoduls bereit gestellt wird, aufzumodulieren, wodurch diese digitalen Signale von einer Auswerteeinheit über die Anschlusskabel eines Batteriemoduls erfasst werden und gegebenenfalls, wenigstens vorübergehend, gespeichert werden können, wobei die Auswerteeinheit vorzugsweise von der Platine entkoppelt ist. Dies könnte eine Schnittstelle des Batterie-Managementsystems ersetzen, da nun nur noch die Stromkabel der einzelnen Batteriemodule verwendet werden, um die gemessenen Signale an die Auswerteeinheit zu übertragen, was den Ein- bzw. Ausbau des Batteriemoduls und/ oder des Batterie-Managementsystems vereinfacht und auch den Verkabelungsaufwand minimiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Kontakt zwischen dem Batterie-Managementsystem und dem Batteriemodul durch Schrauben und/oder Federkontakte hergestellt. Dies bedeutet, dass keine Lötstellen benötigt werden, um die Platine mit den Anschlüssen der Batteriezellen bzw. den Abstandselementen zwischen den Anschlüssen der Batteriezellen herzustellen, was den Vorteil bietet, dass es zu keinen kalten Lötstellen kommen kann, welche Zuverlässigkeitsprobleme in dem Batterie- Managementsystem hervorrufen könnten.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batteriemoduleinheit vorgesehen, welche aus einer Kombination des erfindungsgemäßen Batterie-Managementsystems und einem Batteriemodul der eingangs genann- ten Art besteht, das sich dadurch auszeichnet, dass die flächigen und mit Aussparungen versehenen Anschlüsse in mindestens zwei Reihen derart angeordnet sind, dass die Breitseiten benachbarter flächiger Anschlüsse einer jeweiligen Reihe einander zugewandt sind, dass die Anschlüsse jeder Reihe durch gezielt angeordnete, leitende Abstandselemente und ggf. isolierende Abstandselemente in Abstand zueinander gehalten sind, dass innerhalb des Moduls die Zellen durch gezielte Anordnung ihrer positiven und negativen Anschlüsse in der einen oder der anderen Reihe elektrisch in Reihe und /oder parallel zueinander geschaltet sind und dass die Anschlüsse jeder Reihe sowie die dazwischen angeordneten Abstandselemente durch eine Spanneinrichtung aneinander pressbar sind.
Ein solcher mechanischer Aufbau des Batteriemoduls ermöglicht es zunächst, je nach der gezielten Anordnung der positiven und negativen Anschlüsse der Zellen innerhalb des Moduls verschiedene Betriebsspannungen und Betriebsströme mit einer grundsätzlich ähnlichen Auslegung des Batteriemoduls zu erreichen, so dass die meisten Komponenten in den verschiedenen Varianten verwendet werden können und wenige Sonderbauteile wenn überhaupt benötigt werden, die sonst die Herstellungskosten erhöhen würden. Auch ist es grundsätzlich möglich, die Anzahl der Zellen je Batteriemodul flexibel zu wählen und dennoch viele gemeinsame Komponenten bei der Herstellung der jeweiligen Batteriemodule zu verwenden. Die Batteriegröße ist durch den modularen Ansatz und die elektrischen und hydraulischen Verbindungsmöglichkeiten in weiten Bereichen skalierbar. Die Konstruktionsprinzipien lassen sich schnell und einfach mit geänderten Zellgeometrien oder Leistungsdaten an andere Flachzellen anpassen.
Die erfϊndungsgemäße Batteriemoduleinheit kann somit flexibel gestaltet werden und weist quasi selbst einen modularen Aufbau auf. Durch die Verwendung von flächigen Anschlüssen gelingt es einerseits, die einzelnen Zellen, die vorzugsweise quaderförmig in Draufsicht sind, relativ flach auszubilden, wodurch aus den einzelnen Zellen über die flächigen Anschlüsse Wärme abgeführt werden kann. Durch die sich hierdurch ergebende flache Quaderform der Zellen kann auch Wärme von den Flachseiten der Zelle gut abgeführt werden, wodurch eine Voraussetzung für das Erzielen eines engen Betriebstemperaturbereichs in der Zelle geschaffen werden kann. Dadurch, dass die Anschlüsse jeder Reihe durch eine jeweilige Spanneinrichtung aneinander bzw. an den dazwischen angeordneten Abstandselementen gepresst sind, kann sichergestellt werden, dass Widerstandsverluste an den verschiedenen Anschlüssen nicht entstehen bzw. nur in geringem Maße entstehen und dass das Batteriemodul stets die gewünschte dem jeweiligen Ladezustand entsprechende Ausgangsspannung über die gesamte Lebensdauer des Batteriemoduls aufweist, da konstante Umstände herrschen und sich ändernde ohmsche Verluste nicht zu erwarten sind.
Besonders günstig ist es, wenn die flächigen Anschlüsse durch Verlängerungen der Elektroden der Zellen gebildet sind und zur aktiven Kühlung der Zellen für eine gezielte Wärmeabfuhr von den Zellen ausgelegt und an eine wärmeabführende Kühleinrichtung angeschlossen werden können. Hierdurch wird die Abfuhr von Wärme aus dem Inneren der Zelle begünstigt.
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Kühlmoduls,
Fig. 2A eine perspektivische Darstellung der Vorderseite des
Kühlmoduls der Fig. 1 mit eingesetzten Lithiumionenzellen sowie einer vorderen Platte, d.h. der Vorderseite eines Batteriemoduls ohne Gehäuse,
Fig. 2B eine Draufsicht auf eine Zelle, die in der Ausführung gemäß Fig. 2A zum Einsatz kommt,
Fig. 2C eine Seitenansicht der Zelle der Fig. 2B entsprechend dem Pfeil HC der Fig. 2B,
Fig. 3A eine vordere Ansicht des Batteriemoduls der Fig. 2 mit der genannten vorderen Platten entfernt, nur mit den Anschlüssen der Zellen sichtbar,
Fig. 3B eine Sicht von oben auf die Darstellung gemäß Fig. 3A,
Fig. 3C eine perspektivische Darstellung einer Grundplatte des
Batteriemoduls der Fig. 2 und 3 mit Darstellung der Spannbolzen,
Fig. 4 eine Darstellung von einigen möglichen elektrischen
Konfigurationen eines Traktionsbatteriemoduls einschließlich der 6s2p Konfiguration, die bei dem Batteriemodul gemäß Fig. 2 und 3 verwendet wird, Fig. 5 eine zweite schematische Darstellung der Verschaltung des Batteriemoduls gemäß Fig. 3A entsprechend der 6s2p Konfiguration der Fig. 4,
Fig. 6 eine weitere schematische Darstellung, die es erleichtert, den Schaltplan gemäß Fig. 5 in Einklang mit der Darstellung des Batteriemoduls gemäß Fig. 3A zu bringen,
Fig. 7A-7E Zeichnungen, die die Konstruktion der Kühlplatte gemäß Fig. 1 genauer angeben, wobei die
Fig. 7A eine perspektivische Darstellung der linken Kühlplatte des Kühlmoduls gemäß Fig. 1 bei der Einlass- und Auslassrohre noch nicht angebracht sind,
Fig. 7B eine Schnittzeichnung des gepressten inneren Seitenteils der Kühlplatte der Fig. 7A an der Schnittebene VIIB-VIIB der Fig. 7D,
Fig. 7C eine vergrößerte Darstellung des kreisförmigen Bereichs der Fig. 7B,
Fig. 7D eine Draufsicht auf die gepresste innere Platte der Fig.
7A und die
Fig. 7E eine perspektivische Darstellung der zu einem kleinen
Maßstab des verpressten inneren Seitenteils der Kühlplatte 18 der Fig. 7A, Fig. 8A eine perspektivische Darstellung von vorne und von oben auf die untere Hälfte eines Gehäuses für das Batteriemodul gemäß Fig. 2,
Fig. 8B eine perspektivische Darstellung auf der Unterseite der
Gehäusehälfte der Fig. 8A,
Fig. 8C eine perspektivische Darstellung von vorne, von rechts und von oben auf die obere Hälfte des Gehäuses des Batteriemoduls,
Fig. 8D eine perspektivische Darstellung auf die Innenseite der oberen Gehäusehälfte der Fig. 8C, jedoch zu einem kleineren Maßstab,
Fig. 8E eine perspektivische Darstellung von vorne, von rechts und von oben auf das Gehäuse des fertig gestellten Batteriemoduls,
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer alternativen
Ausführung der Kühlplatten aus Figur 7Aa durch die Verwendung eines oder mehrerer mäanderförmig gebogener Rohre anstelle einer Blechkonstruktion,
Fig. 1OA - IOC drei Zeichnungen zur Erläuterung der möglichen Auslegung der Kühlung bei einem Batteriemodulsystem mit acht einzelnen Batteriemodulen,
Fig. I IA ein Kühlsystem mit jeweils zwei Batteriemodulen in
Reihe, Fig. I IB ein Kühlsystem ähnlich dem der Fig. 1 IA, aber mit zwei getrennten Kühlpfaden je Batteriemodul,
Fig. 1 IC eine weitere Auslegung eines Kühlsystems mit jeweils vier Batteriemodulen in Reihe,
Fig. 1 ID eine Zeichnung entsprechend der Fig. 1 IB, jedoch um vier weitere Module ergänzt,
Fig. 12 A, 12B zwei Tabellen zur weiteren Erläuterung eines
Kühlsystems,
Fig. 13 eine Darstellung eines Kühlsystems mit einer Pumpe und einem Kühler mit Lüfter, und
Fig. 14 eine Darstellung ähnlich der Fig. 13, jedoch mit einem weiteren Wärmetauscher.
Fig. 15 eine Draufsicht ähnlich der Fig. 2B, jedoch in einer alternativen Ausführungsform,
Fig. 16A und 16B eine perspektivische Darstellung sowie eine Schnittzeichnung eines leitenden Abstandselements,
Fig. 16C und 16D eine perspektivische Darstellung sowie eine Schnittzeichnung eines isolierenden Abstandselements,
Fig. 17 eine perspektivische Darstellung eines Trennkamms für die einzelne Zellenanschlüsse der Zellen des Batteriemoduls vor einem abgewandelten erfindungsgemäßen Kühlmodul, Fig. 18 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriemoduleinheit ohne Gehäuse ähnlich der Fig. 2A, jedoch mit weiteren Details der Platine,
Fig. 19 ein Schaltungskonzept für eine Platine des erfindungsgemäßen Batterie-Managementsystems,
Fig. 20 einen Schaltkreis für die Regelung des Ladevorgangs der einzelnen Batteriezellen,
Fig. 21 einen Schaltkreis für die Spannungsmessung der einzelnen Batteriezellen,
Fig. 22 einen Schaltkreis für die Temperaturmessung der einzelnen Batteriezellen,
Fig. 23 einen Schaltkreis für die Heizung der Batteriezellen, und
Fig. 24 ein Beispiel für den Temperaturverlauf innerhalb einer
Batteriezelle.
Bezug nehmend zunächst auf die Fig. 1 und 2 wird ein Kühlmodul 10 in perspektivischer Darstellung gezeigt, das in nachfolgend näher zu erläuternden Weise zur Wärmeabfuhr von den einzelnen Zellen 12 eines Batteriemoduls 14 verwendet wird. Das Kühlmodul 10 weist an ersten und zweiten einander gegenüberliegenden Seiten des Moduls Kühlplatten auf und ist ferner mit sich zwischen diesen Seiten erstreckenden wärmeleitenden Verbindungsplatten 20 in Blechform versehen, die zwischen sich die Zellen 12 aufnehmenden Fächer 22 bilden. Die Verbindungsplatten 20 verfügen über rechtwinklig abgebogene Seitenteile 24, die vollflächig mit den Kühlplatten 16, 18 verklebt sind oder an diesen angeschweißt oder angelötet sind, um einen hochwertigen Wärmeübergang zwischen den Verbindungsplatten 20 und den Kühlplatten 16, 18 sicherzustellen.
Es ist festgestellt worden, dass eine Verbindungsplatte aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung mit einer Dicke von etwa 1 mm vollkommen ausreicht, um eine ausreichende Wärmeabfuhr und eine ausreichend gleichmäßige Temperatur der einzelnen Zellen zu erreichen.
Jede Kühlplatte 16 bzw. 18 verfügt über einen jeweiligen rohrförmigen Eingang 26 und einen rohrförmigen Ausgang 28 für eine Kühlflüssigkeit, die beispielsweise, wie in Fig. 9 gezeigt, durch eine schlangenförmige Kühlpassage in jeder Kühlplatte 16, 18 von dessen Eingang 26 zu dessen Ausgang 28 strömen kann. Dabei können die rohrförmigen Eingänge und Ausgänge 26, 28 beispielsweise an geeigneten Stellen an die Kühlplatten 16, 18 angeschweißt, angelötet bzw. angeklebt sein und mit der jeweiligen Schlangenpassage kommunizieren. Die rohrförmigen Eingänge und Ausgänge 26, 28 sind mit einer Schlauchtülle 30 bzw. 32 versehen, damit flexible Schläuche flüssigkeitsdicht an die Schlauchtüllen angeschlossen werden können.
Eine in Fig. 1 nicht gezeigte, in Fig. 9 aber doch dargestellte Verbindungsleitung 34 kann den Ausgang der linken Kühlplatte 18 (Ausgang in Fig. 1 nicht ersichtlich) mit dem Eingang 26 der rechten Kühlplatte 16 verbinden. Wie insbesondere aus Fig. 2A hervorgeht, werden die einzelnen Zellen 12 vorzugsweise paarweise in den Fächern des Kühlmoduls eingesetzt, wobei zusätzlich eine Zelle 12' auf der Oberseite der oberen Verbindungsplatte 20' in Fig. 1 und eine weitere Zelle (nicht sichtbar) unterhalb der untersten Verbindungsplatte 20" in Fig. 1 angeordnet wird. Da in diesem Beispiel fünf Fächer 22 mittels sechs einzelnen Verbindungsplatten 20 gebildet sind, die jeweils zwei Zellen aufnehmen und zwei weitere Zellen auf der äußeren Seite der äußeren Verbindungsplatten 20', 20" angeordnet werden, umfasst das Batteriemodul 14 gemäß Fig. 2A zwölf einzelne Zellen 12. Selbstverständlich könnte diese Anzahl der einzelnen Zellen durch die Verwendung von weiteren Verbindungsplatten 20 und die entsprechende Ausbildung von weiteren Zellen 12 aufnehmenden Fächern 22 erhöht werden, beispielsweise auf vierzehn oder mehr. Dennoch scheint die Verwendung von zwölf Zellen 12 bei jedem Batteriemodul 14 eine besonders günstige Auslegung zu sein. Vor den Batteriezellen in Fig. 2A befindet sich eine Platine 302 des Batterie-Managementsystems, das das Laden und Entladen der Batteriezellen in an sich bekannter Weise steuert. Die Platine 302 wird an das Modul mit Schrauben 304 befestigt, die in die Abstandselemente 44 bzw. 46 eingreifen.
Auch kann die Auslegung des Kühlmoduls so gewählt werden, dass nur eine Zelle 12 in jedes Fach aufgenommen wird. Zur Steigerung der Wärmeübertragung von den Zellen an die Verbindungsplatten (und gegebenenfalls umgekehrt) kann zwischen den Zellen und den Verbindungsplatten eine wärmeleitende Paste (Leitpaste), ein definierter Anpressdruck o- der Kleber vorgesehen werden.
Jede Zelle 12 weist in diesem Beispiel einen positiven und einen negativen Anschluss 36 bzw. 38 auf, wobei die positiven und negativen Anschlüsse 36 bzw. 38 insbesondere in Form von schwarzen waagrechten Linien aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich sind. Sie sind in zwei Reihen, eine linke Reihe 40 und eine rechte Reihe 42 angeordnet, wobei in diesem Beispiel beide Reihen an der gleichen (vorderen) Seite des Batteriemoduls 14 angeordnet sind. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich, die eine Reihe könnte beispielsweise an der Vorderseite des Batteriemoduls und die andere Reihe an der Rückseite des Batteriemoduls angeordnet werden. Wie insbesondere aus der Fig. 3A hervorgeht, sind die Breitseiten benachbarter flä- chiger Anschlüsse 36, 38 einer jeweiligen Reihe 40, 42 einander zugewandt angeordnet. Aus Fig. 3A geht hervor, dass die Anschlüsse 36, 38 jeder Reihe 40, 42 durch gezielt angeordnete leitende Abstandselemente 44 und isolierende Abstandselemente 46 in Abstand zueinander gehalten sind. Wie insbesondere auch aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich und etwas später näher erläutert wird, sind innerhalb des Batteriemoduls 14 die Zellen 12 durch gezielte Anordnung ihrer positiven und negativen Anschlüsse 36, 38 in der einen oder anderen Reihe 40, 42 paarweise elektrisch parallel zueinander geschaltet und die sechs so gebildeten Zellenpaare sind e- lektrisch in Reihe geschaltet. Dabei ist die Anschlussanordnung der Fig. 3A relativ leicht in Fig. 5 zu erkennen, und man kann dann die genaue Verschaltung der Zellen aus Fig. 6 besser sehen, die relativ leicht in Einklang mit Fig. 5 gebracht werden kann.
Die in Fig. 3A, 5 und 6 gezeigte Anordnung der Zellen entspricht der 6s2p Variante der Fig. 4. Die anderen Varianten der Fig. 4, d.h. die 12slp, 4s3p und 3s4p Varianten, können durch entsprechende Anordnung der Anschlüsse 36 und 38 in den zwei Reihen 40 und 42 mit entsprechender Positionierung von leitenden und isolierenden Abstandselementen 44, 46 realisiert werden, und zwar unter Anwendung der gleichen Teile wie in der Ausführung gemäß Fig. 3A. Durch den flexiblen modularen Aufbau entstehen viele Freiheitsgrade.
Die Anschlüsse 36, 28 jeder Reihe sowie die dazwischen angeordneten Abstandselemente werden durch eine Spanneinrichtung 48 aneinander ge- presst.
Die Spanneinrichtung 48 für jede Reihe ist durch mindestens einen Spannbolzen 50 gebildet, vorzugsweise durch zwei oder drei solche Spannbolzen 50 (wie in Fig. 3A gezeigt) . Die wärmeleitende Platte 52 (oder Grundplatte) ist hier an ihren beiden Enden 54, 56 an die jeweilige rechte und linke Kühlplatte 16, 18 wärmeleitend angeschraubt.
Jeder Spannbolzen 50 ist in diesem Beispiel durch eine Nietverbindung 57 in Form einer Bördelung mit der wärmeleitenden Grundplatte 52 verbunden. Stattdessen könnte aber auch eine Klebeverbindung, eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung verwendet werden. Die Verwendung von mehreren Spannbolzen bzw. Verschraubungen pro Pol ermöglicht es, den Anpressdruck zu erhöhen und sorgt zudem für eine besserte Verteilung der Kraft und der Redundanz. Die Polabgänge 66, 70 sind unabhängig von den Durchgangsbohrungen für die Spannbolzen 50 ausgeführt. Sie können somit flexibel nach Bedarf herausgeführt werden.
Besonders günstig ist es, wenn die Spannbolzen 50 zur Erzeugung einer wärmeleitenden Verbindung aus Aluminium ausgeführt sind. Der Aufbau kann so gewählt werden, dass die Spannbolzen jeweils durch ein Aluminiumrohr mit einer sehr dünnen elektrisch isolierenden, mechanisch sehr stabilen und thermisch möglichst gut leitfähigen Beschichtung ausgeführt werden (anstatt eine getrennte isolierende Hülse vorzusehen, die der Wärmezufuhr abträglich ist) . Die Verwendung von durchgehenden Spannbolzen 50 minimiert den Montageaufwand. Ferner besteht die Möglichkeit zur thermischen Anbindung der als Rohre ausgeführten Spannbolzen 50 diese mit durchströmender Kühlflüssigkeit zur Ableiterkühlung vorzusehen.
Die Isolation der Pole gegen die Verschraubung und Grundplatte kann beispielsweise über Pertinax, Keramik oder Nomex-Papier erfolgen.
Die isolierenden Abstandselemente können ferner aus Pertinax oder Keramik bestehen. Die bevorzugte Ausbildung der Abstandselemente, seien es leitende Elemente oder isolierende Elemente, wird später anhand der Fig. 16A bis 16D näher erläutert.
Die elektrische Isolierung der durch Rohre gebildeten Spannbolzen kann auch durch Faserwerkstoffe oder Oberflächenbehandlung erfolgen.
Um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden, sind die Spannbolzen 50 jeweils von einer isolierenden Hülse 58 umgeben. An ihren in Fig. 3 oberen Enden 60 sind die Spannbolzen jeweils mit einem Gewinde versehen, auf das eine jeweilige Mutter 62 aufgeschraubt wird, wobei jede Mutter 62 ü- ber eine Scheibe 63 angeordnet ist und angezogen werden kann, um die einzelnen Batterieanschlüsse 36, 38 an den dazwischen liegenden Abstandselementen 44, 46 zu verspannen und hierdurch dafür zu sorgen, dass Übergangswiderstände zwischen den einzelnen Zellenanschlüssen 36, 38 und den dazwischen liegenden leitenden Anschlusselementen 44 ausgeschlossen bzw. minimiert werden. Die Scheiben 63 können durch einzelne Scheiben gebildet sein oder die Form einer länglichen Platte mit zwei Löchern zur Aufnahme der Spannbolzen 50 aufweisen. Wie insbesondere aus der Fig. 2B ersichtlich, haben die Zellen 12 zumindest im Wesentlichen die Form eines flachen Quaders, wobei die positiven und negativen flächigen Anschlüsse 36, 38 jeder Zelle 12 in einer Ebene oder in jeweiligen Ebenen angeordnet sind, die zu den Breitseiten der quaderförmigen Zelle parallel angeordnet ist bzw. sind.
Um die Einführung der Zellen in das Batteriemodul entsprechend der Fig. 2A zu ermöglichen, haben die Anschlüsse 36, 38 je zwei U-förmige Ausnehmungen 37, 39 - wie aus der Fig. 2B ersichtlich - die es ermöglichen, die Zellen 12 von hinten in das Kühlmodul 10 einzusetzen und nach vorne zu schieben, damit sie in den Klemmbereich der Spannbolzen gelangen. Ebenfalls wäre es möglich, die Zellen 12 vorher in das Kühlmodul 10 ein- zusetzen, von vorne oder von hinten, und die Spannbolzen 50 und Abstandselemente 44, 46 von vorne zwischen den Anschlüssen 36, 38 einzuführen, damit die Spannbolzen 50 in die U-förmigen Ausnehmungen gelangen.
Das Bezugszeichen 66 deutet auf den positiven Pol des Batteriemoduls 14 und ist an einem ersten Ende 68 der linken Reihe 40 der Anschlüsse angeschlossen, während der andere, der negative Pol 70 an das dem genannten ersten Ende 68 entgegengesetzten zweiten Ende 72 der linken Reihe angeschlossen ist. Der zweite Pol 70 ist über eine leitende Platte 74 und eine Verlängerung nach oben 76 zu dem genannten ersten Ende 68 der linken Reihe benachbarten ersten Ende 78 der rechten Reihe geführt, damit elektrische Verbindungen zu den beiden Polen 60 und 70 an einer gemeinsamen Seite des Batteriemoduls 14 vornehmbar sind. In diesem Beispiel sind sowohl der positive Pol 66 wie auch der negative Pol 70 bzw. die entsprechende Verlängerung 76 mit einem jeweiligen Innengewinde 80 bzw. 82 versehen. Dies ermöglicht es, elektrische Anschlussleitungen (nicht gezeigt) an das jeweilige Batteriemodul 14 anzuschließen bzw. das jeweilige Batteriemodul 14 mit weiteren gleichartigen Modulen zur Bildung eines Batteriemodulsystems anzuschließen. Ferner sind die Innengewinde 80 und 82 innerhalb nach oben vorstehender zylindrischer Bünde vorgesehen (nicht gezeigt), die beim Einbau des Batteriemoduls in ein (isolierendes) Gehäuse einerseits den erforderlichen elektrischen Kontakt sicherstellen und andererseits aber eine Abdichtung gegen Wassereintritt ermöglichen, beispielsweise mittels eines an den zylindrischen Bund platzierten O-Rings, der gegen das Gehäuse den zylindrischen Bund und die Unterseite eines elektrischen Anschlusses abdichtet.
Ein Abstandselement 46 der rechten Reihe ist zur Halterung der Verlängerung 76 seitlich der rechten Reihe 42 verlängert, d.h. mit einer entsprechenden Verlängerung 84 versehen. An dieser Stelle soll kurz erwähnt werden, dass die Enden der Verbindungsplatte 74 ebenfalls von den Spannbolzen 50 der linken und rechten Reihe 40, 42 durchsetzt sind. Es wird aber zwischen der leitenden Verbindungsplatte 74 und dem unteren positiven Zellenanschluss 36 der rechten Reihe eine isolierende Platte gesetzt, da sonst ein Kurzschluss zwischen den rechten und linken Anschlüssen der untersten Zelle 12' erfolgen wird, was natürlich nicht sein darf. Die oberen Enden 68 und 78 der linken und rechten Reihe 40, 42 sind ebenfalls mit einer isolierenden Platte 79 miteinander verbunden, durch die sich die Spannbolzen 50 erstrecken.
Wie oben kurz angedeutet, werden die seitlich eingeordneten Kühlplatten 16, 18 des Kühlmoduls 10 im Betrieb von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, die vorzugsweise schlangenartig durch entsprechende Passagen der Platten 16, 18 und gegebenenfalls durch eine Verbindungsleitung 36 zwischen den Kühlplatten 16, 18 hindurchgepumpt werden kann.
Die konkrete Ausbildung der Kühlplatten geht im Detail aus den Fig. 7A bis 7E hervor. Wie die Fig. 7A zeigt, wird der rohrförmige Eingang der Kühlpassage, der in diesem Beispiel linken Platte von oben nach unten geführt und ist dort an einen seitlichen Lappen 86 der Kühlplatte 16 angebracht, was beispielsweise durch eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung oder eine geklebte Verbindung erfolgen kann. Die schlangenför- mige Kühlpassage führt dann im Beispiel der Fig. 7A mit einem ersten senkrechten Abschnitt 88 nach oben, dann mit einem zweiten waagerechten Abschnitt 90 nach rechts, dann über einen weiteren kurzen senkrechten Abschnitt 92 nach unten, über den vierten waagerechten Abschnitt 94 nach links, über einen fünften senkrechten Abschnitt 96 auf der linken Seite der Kühlplatte nach unten, über einen sechsten waagerechten Abschnitt 98 nach rechts, über einen siebten senkrechten Abschnitt 100 auf der rechten Seite der Kühlplatte nach unten, und über einen achten waagerechten Abschnitt 102 der Kühlpassage nach links zu einem weiteren senkrechten Abschnitt 104, der anschließend über einen weiteren waagrechten Abschnitt 106 nach rechts zu einem weiteren Lappen 108 führt, an dem der rohrförmige Ausgang 28 angeschlossen ist (hier ebenfalls mittels einer Lötverbindung, einer Schweißverbindung oder einer Klebeverbindung) .
Die Passagen 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104 und 106 selbst werden, wie aus der Fig. 7B ersichtlich ist, durch eine entsprechende Ver- pressung eines Blechteils bzw. einer Grundplatte 85 erzeugt, die zu Rippen 99 zwischen den Kühlpassagen 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108 sowie oben und unten am Blechteil führt, an denen ein e- benes Abschlussblech 110 angeschlossen werden kann, auch hier mittels einer Lötverbindung, einer Schweißverbindung oder einer Klebeverbindung. Das Ergebnis vor Anbringung der Anschlussrohre 26, 28 ist in perspektivischer Darstellung (zu einem kleineren Maßstab) der Fig. 7E zu entnehmen. Die linken und rechten Kühlplatten 6, 18 sind identisch aufgebaut, so dass nur drei verschiedene Teile erforderlich sind, um beide Kühlplatten zu bilden. Es handelt sich um das verrippte Blechteil der Fig. 7B, das Abschlussblech 110 sowie das gedrehte Rohrteil, die die Eingangs- und Ausgangsrohre 26, 28 bilden. Alle Teile bestehen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Durch die Verwendung eines rohrförmigen Eingangs 26 und eines rohr- förmigen Ausgangs 28 kann auf diese Weise der eigentliche Eingang und der eigentliche Ausgang auf der gleichen Seite des Batteriemoduls vorgesehen werden, und zwar vorzugsweise auf der gleichen Seite wie die Polanschlüsse 80 und 82, d.h. die obere Seite des Batteriemoduls 14, wie man dem konkreten Beispiel gemäß Fig. 2A und 3A entnehmen kann. Es wäre allerdings schon möglich, die Eingangs- und Ausgangsverbindungen zu den schlangenartigen Kühlplatten andersartig zu realisieren, beispielsweise dadurch, dass man die Anschlussrohre 26, 28 beide an der oberen Seite der Kühlplatte gemäß Fig. 7 A herausführt (anstelle an der unteren Seite wie in Fig.7A gezeigt) oder das Eingangsrohr 26 oder das Ausgangsrohr 28 oben und das jeweils andere Ausgang 28 bzw. Eingang 26 unten anordnet. Es soll wohl auch zum Ausdruck gebracht werden, dass es nicht absolut zwingend erforderlich ist, die linken und rechten Platten 16, 18 des Kühlmoduls 10 als direkt gekühlte Platten auszubilden, in dem Sinne, dass dort Flüssigkeitspassagen für eine Kühlflüssigkeit vorliegen, sondern es wäre denkbar, auch eine rückseitige Platte des Kühlmoduls vorzusehen und diese mit Kühlpassagen entsprechend auszubilden, während die linke und rechte Platte 18, 16 des Kühlmoduls 10 durch einfache Blechplatten ausgebildet werden. Die bevorzugte Anordnung ist jedoch die Ausführung gemäß Fig. 1 bzw. 7A bis 7E und 9.
Die Geometrie der Kühlpassagen gemäß Fig. 7A kann so geändert werden, dass die Kanäle parallel durchflössen werden. So entsteht weniger Druckverlust und es können mehrere Kühlplatten bzw. Kühlmodule in Reihe verschaltet werden. Dies bedeutet, dass die rohrförmigen Anschluss- und Abflussrohre 26, 28 jeweils an mehreren parallel zueinander verlaufenden Kühlpassagen der Kühlplatten angeschlossen werden müssen, anstelle der schlangenförmigen Anordnung gemäß Fig. 7A bis 7E.
Das Kühlmodul 10 gemäß Fig. 1 mit den eingesetzten Zellen 12 gemäß Fig. 2 und 3 wird in einem zweiteiligen isolierenden Gehäuse 111 aufgenommen, von denen Details den Fig. 8A bis 8E zu entnehmen sind. Die Fig. 8A zeigt, dass die untere Hälfte 112 des Gehäuses 111 zumindest im Wesentlichen quaderförmig ist, dessen Unterseite 114 gemäß Fig. 8B zur Versteifung mit Rippen 116 versehen ist. Auf der Innenseite der unteren Hälfte 2 des Gehäuses befindet sich eine Schaumstoffeinlage 108, die die unterste Zelle 12 gegen die unterste Verbindungsplatte 204 des Kühlmo- duls 10 vorspannt bzw. andrückt, um den Abtransport von Wärme aus dieser Zelle zu begünstigen. Man sieht ferner in der Fig. 8A, dass jeweils zwei Gewindeeinsätze 120 auf der ersten und zweiten Längsseite 122, 124 der unteren Hälfte 122 des Gehäuses vorgesehen sind und dass weitere Gewindeeinsätze 126 in entsprechendem Abstand von der inneren Seite des Bodenteils der unteren Gehäusehälfte vorgesehen sind. Diese dienen der Anschraubung und Befestigung des Kühlmoduls 10 bzw. des Batteriemoduls innerhalb des Gehäuses.
Die obere Hälfte 128 des Gehäuses ist ähnlich ausgebildet, nur wird hier die Verrippung 130, die zur Versteifung der oberen Seite der oberen Hälfte 128 des Gehäuses 111 vorgesehen ist, auf der Innenseite der oberen Hälfte des Gehäuses vorgesehen. Diese Verrippung 120 liegt im zusammengebauten Zustand des Gehäuses 111 mit eingebautem Batteriemodul 14 an der oberen Breitseite der oberen Zelle 12' gegebenenfalls über eine Schaumstoffzwischenlage und drückt die obere Zelle 12' gegen die obere Verbindungsplatte 20', um auch dort eine gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten.
Fig. 8C entnimmt man auf der vorderen Längsseite 132 der oberen Hälfte des Gehäuses zwei Bohrungen 134, die es ermöglichen, Schrauben einzusetzen, die in den entsprechenden Gewindeeinsätzen 120 der ersten Längsseite 122 der unteren Hälfte 112 des Gehäuses 111 eingreifen. Zwei weitere Bohrungen sind an der hinteren Längsseite 136 der oberen Hälfte 128 des Gehäuses 111 gemäß Fig. 8C vorgesehen, sind jedoch dort nicht ersichtlich, dagegen in der Darstellung der Fig. 8D schon.
Wie dem fertig gestellten Gehäuse mit eingebautem Batteriemodul gemäß Fig. 8E zu entnehmen ist, sind die zwei Pole 66 und 70 bzw. den dort vorhandenen Innengewinden 80, 82 durch die Bohrungen 138 zugänglich, so dass dort der elektrische Anschluss vorgenommen werden kann. Der e- lektrische Anschluss erfolgt daher von der oberen Seite des Batteriegehäuses, jedoch unterhalb der oberen Seite. Die elektrischen Verbindungskabel können auch unterhalb der oberen Seite des Gehäuses geführt werden, beispielsweise innerhalb der Stufen, die sich um die obere Seite herum erstrecken, so dass die elektrischen Leitungen weder die Bauhöhe des Moduls noch die Einbauhöhe im Fahrzeug vergrößern. Der rohrförmige Eingang 26 und der rohrförmige Ausgang 28 für das Kühlsystem bzw. die entsprechenden Schlauchtüllen 30, 32 ragen durch die Bohrungen 140 der oberen Gehäusehälfte hindurch. Auch hier erfolgt der Kühlmittelan - schluss unterhalb der oberen Seite des Batteriemoduls und auch hier ist es möglich, die externen Anschlussschläuche so zu führen, dass sie weder die Bauhöhe des Batteriemoduls noch dessen Einbauhöhe vergrößern. Gegebenenfalls können die genannten Stufen größer bzw. tiefer ausgeführt werden, um dies zu ermöglichen.
Ferner ist das Batterie-Managementsystem mit einem Stecker versehen, der durch die Öffnung 142 an der oberen Seite 146 der oberen Hälfte 128 des Gehäuses 111 zugänglich ist, wobei das Gehäuse 111 hier mit zwei Gewindeeinsätzen 148 ausgestattet ist, die zur Aufnahme von Befestigungsschrauben des Steckers dienen.
Das Gehäuse ist ein zweiteiliges Spritzgussteil und kann folgende Auslegung haben: Die kritische Dimension ist die kurze Seite (Bauhöhe 155 mm). Daher sind alle Anschlüsse (Pole, Kühlung und Daten) versenkt ausgeführt. Der Datenstecker wird in der Praxis mit einem angepassten Stecker noch weiter versenkt, um eine Abdichtung ohne zusätzlichen Bauraum zu ermöglichen. Die Abmessungen können beispielsweise wie folgt gewählt werden:
Grundmaße: ca. 300x245x155 mm Volumen: ca. 11 1 Energiedichte: ca. 152 Wh/1
Masse: ca. 14, 15 kg
Spezifische Energie: ca. 122 Wh/ Kg.
Die zwei Gehäusehälften 112, 128 können mit einem umlaufenden Nut- und Federsystem zur Abdichtung aneinander geschlossen werden. Gegebenenfalls kann der Batteriemanagementstecker mit einer abdichtenden Kappe und Dichtungen zwischen Gehäuse und Kühlmittelanschlussrohren 26, 28 versehen werden.
Die Module können allerdings mit oder ohne Gehäuse zu einer Batterie integriert werden. Die Systemgrenze und die damit zu realisierenden Funktionen, wie z.B. Dichtung gegen Verunreinigung von außen, EMV und mechanische Sicherheit, können somit flexibel um ein Modul bis hin zur gesamten Batterie gelegt werden. Das Modul ohne Außengehäuse (Zellstack) kann z.B. in eine Folie eingeschweißt werden. Diese Stacks werden dann in der Anzahl größer 1 in ein Systemgehäuse verbaut.
Ausgehend von einem Batteriemodulsystem mit acht einzelnen Batteriemodulen 14 der oben beschriebenen Art werden nunmehr einige Überlegungen zum Kühlsystem beschrieben.
Bevor die Ausbildung des Kühlsystems näher beschrieben wird, ist es angebracht, einige Worte zur Kühlung eines Traktionsbatteriesystems und zum Klimatisierungsbedarf eines Fahrzeugs, das das Batteriesystem aufweist, zu sagen.
Ein Hauptziel des Kühlsystems ist, die Betriebssicherheit des Traktionsbatteriesystems sicherzustellen, mit der Motivation, das Überschreiten von spezifizierten Temperaturgrenzen zu vermeiden, das sonst zu einer dauerhaften Schädigung des Batteriesystems und im Extremfall zu Feuer oder Explosion führen könnte. Um dies zu erreichen, wird das Batteriesystem gekühlt, und zwar mit dem Ziel, gefährliche und schädliche Temperaturgrenzen nicht zu überschreiten. Für viele Batterietechnologien soll die Temperatur nicht über 30°C steigen, um eine maximale Lebensdauer zu erhalten. Erfahrungsgemäß führt jede Temperaturerhöhung von 100C ü- ber 30°C hinaus zu einer Lebensdauerreduktion um ca. die Hälfte, was aber technologieabhängig ist.
Bei einem Traktionsbatteriesystem besteht auch ein Klimatisierungsbedarf. Zum Beispiel um das Kaltstartverhalten zu verbessern. Dies ist deshalb notwendig, weil bei tiefen Temperaturen die Leistungsfähigkeit der verwendeten Zellen stark abnimmt. Um dem zu begegnen, muss das Batteriesystem beispielsweise im Winterbetrieb beheizt werden.
Im Allgemeinen wird entsprechend dem Konzept das Traktionsbatteriesystem, das üblicherweise aus mehreren Batteriemodulen besteht und/ oder die einzelnen Batteriemodule thermisch gut isoliert. Dies verhindert, dass die Batteriemodulen bzw. die darin enthaltenen Zellen schnell abkühlen mit der Folge, dass sie anschließend aufwendig beheizt werden müssen, um das erneute Anlassen des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Eine Möglichkeit die Batteriezellen zu beheizen, liegt darin eine Widerstandsheizung zu verwenden, die direkt an den elektrisch leitenden Abstandselementen anliegt. Es kann bspw. ein Heizwiderstand für jedes leitendes Abstandselement vorgesehen werden. Da die elektrisch leitende Abstandselemente naturgemäß gut wärmeleitend sind und eine hochwertige elektrisch- und wärmeleitende Verbindung bzw. Übergang zu den metallischen Fahnen der Elektroden der Zellen haben, kann die elektrisch erzeugte Wärme direkt in das Innere der jeweiligen Zellen eingebracht werden, was für die Erwärmung der Zellen besonders energieeffizient ist. Bei einer gut isolierten Anordnung reicht bereits einen Energieeintrag von 1 Watt pro Zelle aus. Dieser Energie kann von den Batteriemodulen selbst geliefert werden oder bei der Aufladung der Batteriemodulen vom Netz o- der von einem zugeordneten Verbrennungsmotor, Verbrennungsheizung oder Brennstoffzellensystem. Die Widerstände können auch an einer Platine angebracht werden, die zum Batterie-Managementsystem gehört und gegen die Abstandselemente gedruckt wird.
Die Erwärmung der Batteriemodulen kann aber auch bzw. alternativ zu der beschriebenen elektrische Heizung auch über das vorhanden Kühlsystem erreicht werden, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Ferner ist es angebracht, die einzelnen Batteriemodule für sich und/ oder im Verbund thermisch gegen die Umgebung zu isolieren, um einerseits die Eigenwärme der Batterien zu speichern und andererseits Wärmeverluste bei Beheizung der Batterien herabzusetzen. Wenn z.B. das Batteriesystem im Betrieb eine Temperatur nahe 300C aufweist, kann durch geeignete Isolierung innerhalb der Modulgehäuse und/oder außerhalb der Modulgehäuse der Wärmeverlust des Batteriesystems herabgesetzt werden, so dass das Batteriesystem nicht sehr schnell auskühlt und ausreichend warm bleibt, um nach einer Fahrpause wieder den Betrieb wirtschaftlich aufnehmen zu können.
Auch soll ein Temperaturausgleich zwischen den Zellen der einzelnen Batteriemodule 14 erfolgen, mit der Motivation, die Kapazität der Zellen maximal auszunutzen und die verfügbare Leistung maximal über den gesamten Lebenszyklus bereitzustellen. Auch dies erfordert das Kühlen oder gar das Heizen der einzelnen Zellen 12 der Batteriemodule 14. Man strebt ein gleichmäßiges Temperaturniveau an, was zu äquivalentem Zellverhalten und gleichmäßiger Entladung und Alterung der Zellen führt. Mit anderen Worten kann man durch das richtige Temperaturniveau und einen entsprechenden Temperaturausgleich dafür sorgen, dass alle Zellen 12 die maximale Leistung über den längstmöglichen Zeitraum zur Verfügung stellen und dass bei Erreichen der maximalen Lebensdauer alle Zellen 12 am Ende ihrer jeweiligen Lebensdauer sind, so dass ein wirtschaftlicher Austausch von Batteriemodulen 14 erfolgen kann, da man einzelne Batteriemodule nicht vorzeitig austauschen muss und beim Versagen eines Batteriemoduls 14 alle Zellen 12 ebenfalls am Ende ihres Arbeitslebens sind.
Es sind grundsätzlich zwei Möglichkeiten der Wärmeübertragung von bzw. an die Zellen 12 eines einzelnen Batteriemoduls 14 denkbar. Es kann ein Energieaustausch der Zelle 12 mit der Umgebung entweder über Luftkühlung erfolgen oder durch Flüssigkeitskühlung. Mit einer Luftkühlung ist ein direkter Kontakt zwischen Zellengehäuse und Umgebungsluft erforderlich, jedoch bedingen die schlechte Wärmeleitfähigkeit und die geringe Dichte der Luft große Volumenströme und große Austauschflächen sowie eine ausgeprägte Geräuschentwicklung.
Bei der Flüssigkeitskühlung dagegen kann eine bessere Übertragung der Energie über Wärmeleitung und Konvektion von Gehäuse 111 in eine Kühlflüssigkeit und im Anschluss über Konvektion in die Umgebungsluft erfolgen. Bei einer Flüssigkeitskühlung kann eine bessere Wärmeleitfähigkeit erreicht werden, da die wärmeleitenden Elemente 16, 18, 20, 52, 46, 36, 38 in direkter Berührung mit den Zellen 12 stehen und diese zusammen mit einem die Kühlflüssigkeit kühlenden Wärmetauscher erlauben, kleinere Volumenströme und Austauschflächen sowie eine geringe Geräuschentwicklung. Die Verwendung einer Flüssigkeitskühlung macht allerdings zusätzliche Komponenten in Form von Schlauchverbindungen und Dichtungen sowie einen Wärmetauscher zur Umgebung notwendig.
Wenn man sich für eine Flüssigkeitskühlung entscheidet, muss man gleichzeitig Überlegungen anstellen im Zusammenhang mit der hydrauli- sehen Auslegung des gesamten Kühlsystems. In den Rohren/ Schläuchen /Kühlpassagen und Komponenten des Kühlsystems entstehen Druckverluste. Bei Strömungselementen in Form von Rohren mit rundem Querschnitt und entsprechenden Umlenkungen kann man diese Druckverluste mit empirischen Formeln abschätzen. Zusätzlich zu den Widerständen in jedem Kühlmodul bringen die externen Schlaufen sowie der Kühler Widerstände in den Kreis ein, die zusätzlich berücksichtigt werden müssen, sobald ein konstruktiver Ansatz vorhanden ist. Die Pumpe, die zur Zirkulierung des Kühlmittels erforderlich ist, prägt gegen diese Widerstände einen hiervon abhängigen Volumenstrom ein und erzeugt einen stabilen Arbeitspunkt, dort wo der von der Pumpe lieferbare Druck die Kennlinie des Kühlsystems in Form des Volumenstroms als Funktion des angebrachten Drucks schneidet. Besonders günstig ist es, wenn eine kleinere Pumpe für die Kühlflüssigkeit zur Anwendung kommt, beispielsweise eine kleine Automotive-Umwälzpumpe mit einer typischen Leistung von 10 bis 30 W, die bei einem Druckverlust im System von 75 bis 450 mbar einen Volumenstrom pro Modul von > 50 l/h erreichen kann.
Die Fig. 10A zeigt eine Möglichkeit, die Kühlmodule 10 aller acht Batteriemodule 14 in Reihe zu schalten. Dies ist aber keine günstige Anordnung, da die Temperatur des Kühlsystems bestehend aus den acht in Reihe aneinander geschlossenen Kühlmodule 10 kontinuierlich steigt, so dass das letzte Modul 10' bzw. 14' am wärmsten ist.
Werden dagegen gemäß Fig. 1OB alle Kühlmodule 10 parallel geschaltet, so kann man auf diese Weise sicherstellen, dass alle Module die gleiche Kühlmitteltemperatur aufweisen.
Werden allerdings alle acht Module gemäß diesem Beispiel parallel durchströmt werden, muss man einen zusätzlichen Aufwand treiben, um sicherzustellen, dass der Volumenstrom für jedes Modul 10 gleich ist. Günstiger ist es, wie in Fig. IOC gezeigt, Mischformen zu verwenden, in denen mehrere Kühlpfade parallel zueinander angeordnet sind und in jedem Kühlpfad mehrere Module 10 in Reihe geschaltet werden. Es gilt zu ermitteln, wie viele Module in Reihe geschaltet werden können, ohne dass die entstehende Temperaturdifferenz zu groß wird.
Nach umfangreichen Überlegungen und Untersuchungen ist die Anmelderin der Überzeugung, dass die Temperaturdifferenz, die tolerierbar ist, 50C nicht überschreiten soll.
Ferner ist gefunden worden, dass ein Kühlsystem, das wirtschaftlich arbeitet und wirtschaftlich zu realisieren ist, sich dann am günstigen realisieren lässt, wenn, bei einem Batteriemodulsystem bestehend aus mehreren gleichartigen Batteriemodulen 14 mit jeweiligen Kühlmodulen 10, diese derart zusammengeschlossen bzw. zusammenschließbar sind, dass mehrere parallele Kühlkreise 150 entstehen, die über ein Verteilerrohr 152 gespeist sowie an einem Sammelrohr 154 angeschlossen sind. Jeder Kühlkreis 150 kann jeweils zwei bis vier Kühlmodule 10 bzw. Batteriemodule 14 in Reihe umfassen, wobei die Kühlpassagen innerhalb der Batteriemodule 14 jeweils einen freien Strömungsquerschnitt entsprechend dem eines Rohres mit einem lichten Durchmesser von 8 bis 9 mm aufweist.
Einige Beispiele eines solchen Kühlsystems sind den Fig. HA bis HD zu entnehmen.
Bei der Ausführung gemäß Fig. 1 IA sind jeweils zwei Batteriemodule bzw. Kühlmodule 10 entsprechend den Fig. 1 bis 3 in Reihe geschaltet, d.h. jedes Batteriemodul 14 bzw. Kühlmodul 10 hat einen Eingang 26 und einen Ausgang 28, welcher durch die hydraulische Auslegung jedes Kühlmoduls entsprechend der Fig. 9 realisiert werden kann, wobei der Ausgang 28 des ersten Kühlmoduls 10 der zwei in Reihe geschalteten Module 10, 10' an den Eingang 26 des nächsten Moduls 10' in Strömungsrichtung angeschlossen ist und der Eingang 26 des ersten der zwei in Reihe geschalteten Module 10, 10' an ein Verteilerrohr 152 angeschlossen ist und der Ausgang 28 des zweiten Moduls 10' der zwei in Reihe geschalteten Module 10' an ein Sammelrohr 156 angeschlossen ist. Alternativ hierzu könnte gemäß der Fig. HB gearbeitet werden. Hier werden die Kühlpassagen durch die einzelnen Kühlplatten 16, 18 des jeweiligen Moduls 10 nicht durch eine Verbindungsleitung 34 verbunden, sondern jedes Modul hat zwei getrennte Eingänge 26 und zwei getrennte Ausgänge 28, nämlich einen Eingang und einen Ausgang für jede Kühlplatte 16, 18. Bei einer derartigen Anordnung können ohne weiteres bis zu vier Module 10 in Reihe geschaltet werden, wie in Fig. 1 IB gezeigt, so dass parallele Strömungspfade 158 (vier parallele Strömungspfade 158 in Fig. 1 IB) erzeugt werden, die jedoch sich ergebende zwei Reihen 160 von Modulen bisher an ein Verteilerrohr 152 und ein Sammelrohr 156 angeschlossen sind.
Bei Bedarf können mehrere Kühlmodule 10, d.h. Batteriemodule 14 aneinander angeschlossen werden, wobei das System gemäß Fig. 1 IA bzw. Fig. 1 IB entsprechend ergänzt wird. Zum Beispiel, wenn beispielsweise anstatt acht Batteriemodule 14 mit acht Kühlmodulen 10 zwölf Batteriemodule 14 mit zwölf Kühlmodulen 10 vorgesehen sind, dann werden entsprechend der Fig. HD jeweils drei Batteriemodule bzw. Kühlmodule 10, 10', 10" in Reihe geschaltet, anstelle von zwei Batteriemodulen bzw. Kühlmodulen, wie in Fig. 1 IA gezeigt. Dagegen werden bei einer entsprechenden Ausdehnung des Beispiels gemäß Fig. 1 IB in Fig. 1 IC jeweils sechs Module in Reihe geschaltet, anstelle von vier Modulen 10 in Fig. I IB. Die Tabellen gemäß Fig. 12A und 12B zeigen an, für zwei verschiedene Entnahmeleistungsraten (1,5 C und 2 C), wie sich die Temperaturdifferenz bei den Kühlmodulen bzw. Batteriemodulen in der Praxis gestaltet, je nachdem, wie viele Module parallel zueinander geschaltet werden und je nachdem wie viele serielle Module in Betracht kommen. Die in den Fig. 12A und 12B angegebenen Werte gelten für einen Rohrdurchmesser von 8 mm, was einen äquivalenten Strömungsquerschnitt durch die Strömungspassagen der Zellen bestimmt.
Die mit einem Punkt versehenen Bereiche der Tabelle gemäß Fig. 12A und 12B zeigen Systeme an, die für verschiedene Leistungsentnahmen mit einer Temperaturdifferenz zwischen Einlauf und Auslauf kleiner als 5°C arbeiten. Man sieht, dass die Temperaturdifferenz von der Leistungsentnahmerate (in diesen Beispielen 1,5 C bzw. 2 C) abhängt und dass beispielsweise eine Variante mit zwölf Batteriemodule und bis zu drei serielle Module gut geeignet ist, da Reserven auf bis zu 2 C vorhanden sind. Natürlich muss man bei dieser Betrachtung nicht nur die Entnahmerate, sondern zugleich auch die Höhe der notwendigen Energiemenge berücksichtigen, die bei einem kleineren Fahrzeug durchaus im Bereich zwischen 16 und 40 KWh liegen kann. Gegenüber einem lichten Rohrdurchmesser von 6 mm zeigt sich bei einem lichten Rohrdurchmesser von 8 mm ein deutlich besserer Wirkungsgrad, da der Temperaturunterschied ΔT ca. 50 % kleiner ist. Dagegen führt eine Steigerung des lichten Rohrdurchmessers auf 9 mm zu keiner weiteren ausgeprägten Besserung.
In der Fig. 13 sieht man, dass das Verteilerrohr 152 und das Sammelrohr 156 mit einer Hauptleitung 160 kommunizieren, die eine Pumpe 162 und einen Kühler 164 in diesem Beispiel mit Lüfter 166 aufweist. Wenn die Temperatur des Kühlmittels droht, eine bestimmte Grenze zu überschreiten, wird der Lüfter 166 eingeschaltet, um die durch eine Hauptleitung und den Kühler fließende Kühlflüssigkeit zusätzlich zu kühlen, d.h. zu- sätzlich zu der normalen Luftströmung durch den entsprechend im Fahrzeug platzierten Kühler 164, der von der an dem Fahrzeug vorbei strömenden Luft durchströmt wird.
Wie in Fig. 14 zusätzlich gezeigt, kann die Hauptleitung 160 ferner einen Wärmetauscher 168 mit mindestens einem weiteren Kreislauf aufweisen, der eine Heizung bzw. Klimaanlage 172 speist. Auf diese Weise kann die überschüssige Wärme, die über das Kühlsystem von den Batteriemodulen 14 entfernt wird, zur Heizung des Innenraums eines Fahrzeugs verwendet werden, das mit dem Traktionsbatteriesystem ausgestattet ist. Bei Bedarf kann auch ein Kältemittelkreislauf, der durch einen Klimakompressor abgekühlt wird, für zusätzliche aktive Kühlung des Systems sorgen. Bei Bedarf kann auch die Heizung von außen mit Energie versehen werden, um über das Kühlsystem die Zellen 12 der einzelnen Batteriemodule 14 aufzuwärmen, sofern dies notwendig ist, um die Zellen auf ein vernünftiges Batteriebetriebstemperaturniveau zu bringen. Das Kühlsystem arbeitet dann in diesem Modus als Heizsystem für die Batteriemodule. Sobald eine vernünftige Betriebstemperatur erreicht wird, wird die Zusatzheizung abgeschaltet und das Fahrzeug kann unter Anwendung der Energie des Traktionsbatteriesystems in Betrieb genommen werden. Sollte eine externe Energiequelle zur Aufwärmung der Batterie nicht zur Verfügung stehen, beispielsweise dann, wenn das Fahrzeug in der Nacht auf der Straße geparkt ist, so kann ein Teil der noch vorhandenen Energie der Batterien zur Aufwärmung der Batterien verwendet werden, beispielsweise durch An- schluss der Batterieleistung an eine elektrische Heizeinrichtung der Heizung 172, die die Kühlflüssigkeit vorübergehend erwärmt, und wobei auch ein Teil der elektrischen Energie verwendet werden kann, um die Pumpe 162 zu betreiben und hierdurch die erwärmte Kühlflüssigkeit durch die einzelnen Zellen 12 zu zirkulieren. Bezugnehmend auf Fig. 15 wird eine alternative Ausführung der Anschlussklemmen bzw. -fahnen 36, 38 der Zelle 12 gezeigt. Anstelle von einseitig U-förmigen Ausschnitten 37 und 39 wie sie für die Anschlussklemmen gemäß Fig. 2B gezeigt sind, werden hier kreisrunde Öffnungen 37' und 39' in den beiden Anschlussklemmen 36, 38 vorgesehen, die eine Fortsetzung der positiven (*) und negativen (-) Elektroden der Zelle 12 darstellen. Obwohl hier, wie auch in Fig. 2B, jeweils zwei Ausschnitte vorgesehen sind, kann auch eine andere Anzahl von Ausschnitten vorgesehen werden, wie beispielsweise die drei U-förmigen Ausschnitte gemäß Fig. 17A.
Die Anschlussklemmen 36 und 38 selbst bestehen aus einem Aluminiumblech oder Kupferblech geringer Dicke, wie beispielsweise (ohne Einschränkung) 0,3 mm.
Es ist in der Praxis relativ schwierig, eine Verbindung zu einer solchen Anschlussklemme aus Aluminium zu erreichen, die über einen Zeitraum von mehreren Jahren einen kontinuierlichen niedrigen Übergangswiderstand aufweist. Einerseits bildet sich auf einem Aluminiumblech in kürzester Zeit eine isolierende Oxidschicht, andererseits müssen metallische Korrosion bei der Kontaktierung der Anschlussklemmen und sich über einen längeren Zeitraum möglicherweise ändernde Klemmkräfte, die wiederum häufig Temperatur abhängig sind, vorgebeugt werden.
Um hier Abhilfe zu schaffen, werden vorzugsweise leitende Abstandselemente gemäß Fig. 16A und 16B und isolierende Abstandselemente gemäß Fig. 16C und 16D verwendet. Gleichartige Abstandselemente 44, 46 werden sowohl für die Ausführung der Anschlussklemmen gemäß Fig. 2B als auch für die gemäß Fig. 15 verwendet (d.h. abgesehen von der Form der Ausschnitte 37, 39 bzw. 37', 39'). Konkret besteht das leitende Abstandselement 44 gemäß Fig. 16A aus einer die Form eines Quaders aufweisenden Blocks 200 aus Aluminium mit zwei Durchgangslöchern 202, die im Durchmesser dem Durchmesser der kreisförmigen Öffnungen 37' bzw. 39' der Ausführung gemäß Fig. 15 bzw. dem Durchmesser des gerundeten Bodens der U-förmigen Ausschnitte 37 bzw. 39 der Ausführung gemäß Fig. 2B entsprechen. Wie aus der Schnittzeichnung gemäß Fig. 16B (an der Schnittebene XVlB-XVlB der Fig. 16A) genommen, ist der Block 200 aus Aluminium allseitig mit einer galvanischen Nickelbeschichtung 204 versehen. Die oberen und unteren Seiten 206, 208 des beschichteten Aluminiumblockes werden aufgerauht, beispielsweise durch Sandstrahlen, Schleifen, Bürsten oder anderweitig, wodurch kleinere Erhebungen und Vertiefungen an den genannten Seiten 206 und 208 entstehen bzw. vorhanden sind. Diese graben sich bei Zusammenbau eines Batteriemoduls leicht in die Oberfläche der Anschlussklemmen 36, 38, durchbrechen dort die Oxidschicht und stellen einen ausgezeichneten Kontakt zu den Anschlussklemmen her. Die Ni- Beschichtung 204 kann auch innerhalb der Löcher 202 vorgesehen werden, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Die isolierenden Abstandselemente 46 gemäß Fig. 16C und 16D weisen eine Form auf, die der des leitenden Abstandselements 44 gemäß Fig. 16A und 16B zumindest im Wesentlichen identisch ist. Sie bestehen auch hier aus einem die Form eines Quaders aufweisenden Aluminiumblocks 210. Um sicherzustellen, dass die so konzipierten Abstandselemente isolierend sind, werden die entsprechenden Aluminiumblöcke vollflächig eloxiert, wodurch eine dünne hochwertige Isolationsschicht 212 auf allen Oberflächen der Blöcke entsteht. Falls die Bohrungen 214 bereits vorher angefertigt sind, liegt diese anodisierte Schicht auch in den Bohrungen 214 vor (nicht gezeigt). Um sicherzugehen, dass eine etwaige Beschädigung der ohnehin harten anodisierten Schicht nicht zu einem unerwünschten leitenden Übergang zwischen dem isolierenden Abstandselement 46 und ei- nem leitenden Abstandselement 44 oder einer Anschlussklemme 36, 38 einer Batteriezelle führt, wird auf die anodisierte Schicht eine weitere isolierende Schicht 216 abgelagert. Diese Schicht 216 kann, selbst wenn in Fig. 16D nicht so gezeigt), auch innerhalb der Bohrungen 212 abgelagert werden, gegebenenfalls auf einer dort vorgesehenen eloxierten Schicht. Es handelt sich bei der isolierenden Schicht 216 um eine sehr dünne Schicht einer organischen oder anorganischen Verbindung oder eine Lackschicht aus einem isolierenden Lack oder um eine Harzschicht eines entsprechend isolierenden Harzes.
Die Ni-Schicht 204 des leitenden Abstandselements gemäß Fig. 16A, 16B und die anodisierte Schicht 212 sowie die darauf aufgebrachte isolierende Schicht 216 werden verhältnismäßig dünn gehalten, beispielsweise etwa 200 μm für die Ni-Schicht 204 und die eloxierte Schicht 212 und etwa 300 μm für die isolierende Schicht 216. Da sowohl die leitenden Abstandselemente 44 als auch die isolierenden Abstandselemente 46 zumindest im Wesentlichen aus Aluminium bestehen, wird die thermische Dehnung der Abstandselemente insgesamt in etwa der thermischen Dehnung von Aluminium entsprechen. Ferner, da die Spannbolzen bevorzugt aus Aluminium bestehen, wird sichergestellt (da die Wärmedehnungskoeffizienten der Teile bis auf die dünne Beschichtungen zumindest im Wesentlichen gleich sind), dass nach Anziehen der Mutter der Schraubbolzen eine zumindest im Wesentlichen konstante Klemmkraft zwischen den leitenden Abstandselementen 44, den isolierenden Elementen 46 und den Anschlussklemmen der Batteriezellen des Batteriemoduls entsteht, egal welche Temperaturschwankungen in der Praxis vorkommen. Durch diese Klemmkraft wird nicht nur sichergestellt, dass die Unebenheiten der Ni-Beschichtung 204 der leitenden Abstandselemente einen guten elektrischen Kontakt zu den Anschlussklemmen der Batteriezellen herstellen, sondern der Klemmdruck führt auch zu einer Art Dichtung zwischen den aneinander liegenden Oberflächen, so dass Feuchtigkeit oder korrosionsfördernde Substan- zen nicht ohne weiteres zu einer Verschlechterung der leitenden Übergänge zwischen den leitenden Abstandselementen 44 und den Anschlussklemmen 36, 38 führt.
Die Verwendung von Aluminium als Grundstoff der leitenden Abstandselemente 44 und der isolierenden Elemente 46 bietet sich deshalb an, weil es sich um das gleiche Material handelt wie die Anschlussklemmen 36, 38 einerseits und Aluminium andererseits eine relativ geringe Dichte aufweist, so dass das Gewicht des Batteriemoduls klein gehalten werden kann. Denkbar wäre es allerdings, sowohl die leitenden Abstandselemente als auch die isolierenden Abstandselemente aus einem anderen Material herzustellen, wobei es dann angebracht wäre, die Spannbolzen aus dem gleichen Material oder aus einem Material mit einem vergleichbaren Wär- medehnungskoeffizienten auszubilden, um die erwünschte zumindest im Wesentlichen konstante Klemmkraft zu erreichen.
Die Fig. 17 zeigt eine alternative Ausbildung der Kühlplatten 16, 18 der Fig. 1. Diese Kühlplatten werden in Fig. 17 zu. einem einheitlichen Gebilde umfunktioniert, so dass sich eine dreiseitige Kühlplattenanordnung 220 ergibt. Konkret geht die Kühlplatte 222 auf der rechten Seite 223 des Kühlmoduls 220 der Fig. 17 über eine Kühlplatte 224 an der Rückseite 225 des küphlmoduls 220 in die Kühlplatte 226 der linken Seite 227 über. Ferner werden hier die Kühlpassagen 228 der Kühlplatten parallel ausgeführt in dem Sinne, dass alle einzelnen Kühlpassagen 228 der Kühlplatten parallel zueinander und mit gleichmäßigem Abstand um die drei Seiten 223, 225, 227 des Kühlmoduls herum geführt sind und erstrecken sich zwischen einer Verteilerpassage auf der linken Seite 227 des Kühlmoduls 220 über die Rückseite 225 zu einer Sammelpassage 230 auf der rechten Seite 223 des Kühlmoduls 230. Die Verteilerpassage auf der linken Seite 226 ist identisch aufgebaut zu der Sammelpassage 230 auf der rechten Seite 223. Die Sammelpassage 230 kommuniziert über eine langes schmale Verbindungspassage 232 mit dem rohrförmigen Ausgang 28 mit der Schlauchtülle 32. Genauso kommuniziert der rohrförmige Eingang 26 mit der Schlauchtülle 30 über eine längliche Verbindungspassage (in Fig.17 nicht sichtbar) mit der Verteilerpassage (ebenfalls nicht sichtbar) . Kühlflüssigkeit strömt somit durch die Schlauchtülle 30 in den rohrförmigen Eingang 26 hinein, von dort über die genannte längliche Verbindungspassage und die Verteilerpassage in die einzelnen parallel zueinander verlaufenden Passagen 228 des Kühlmoduls 220 über die linke Seite 227 des Kühlmoduls 220 und anschließend über die hintere Seite 225 des Kühlmoduls und über die rechte Seite 223 des Kühlmoduls 220 in das Sammelelement 230 und dann über die längliche Verbindungspassage 232 zu dem rohrförmigen Ausgang 28 und über die Schlauchtülle 32 weiter in den Kühlkreislauf.
Bei dieser Ausführung sind die Kühlbleche bzw. die Verbindungsplatten 20 mit rechtwinklig gebogenen Seitenteilen an der linken Seite 227 und der rechten Seite 223 des Kühlmoduls 220 sowie an der hinteren Seite 225 vorgesehen und diese sind dann an ebene Blechteile an den inneren linken, hinteren und rechten Seiten 227, 225 und 223 des Kühlmoduls 220 angeklebt, angeschweißt bzw. angelötet, um einen guten Wärmeübergang zwischen den Verbindungsplatten 20 und den Kühlplatten an den drei Seiten 227, 225, 223 zu erzeugen.
Die Außenseite der Kühlplattenbereiche 222, 224, 226 des Kühlmoduls 220 ist ebenfalls durch ein Blechteil gebildet, das ähnlich wie bei dem Blechteil der Fig. 7A bis 7D an Stellen eingedrückt ist, um Rippen 99 zu bilden, die die Kühlpassagen 228 einschließlich die Verbindungspassage von dem rohrförmigen Eingang 26 in die Verteilerpassage und den Übergang auf der anderen Seite des Kühlmoduls 220 in das Sammelelement 230 und die Verbindungspassage 232 in den rohrförmigen Ausgang 26 zu bilden. Die inneren ebenen Blechteile sind mit dem äußeren Blechteil mittels Kleben, Schweißen, Löten oder anderweitig wasserdicht verbunden.
Die Fig. 17 zeigt ferner ein kammartiges Teil 240 mit Schlitzen 242, die in den Abständen der einzelnen Anschlussklemmen 36, 38 der einzelnen Zellen angeordnet sind und Abmessungen aufweisen, die die Anschlussklemmen aufnehmen. Auf diese Weise kann die kammartige isolierende Platte 240 wie die Pfeile 244 zeigen, auf die Anschlussklemmen 36, 38 der Zellen gesteckt werden, um diese in einer geordneten Anordnung zu halten und um sicherzustellen, dass die Einfügung der leitenden Abstandselemente 44 und die isolierenden Abstandselemente 46 in geordneter Weise zwischen benachbarten Anschlussklemmen 36, 38 eingeführt werden können.
Eine gleichartige Platte kann auch bei dem Batteriemodul gemäß Fig. 2A vorgesehen werden, wobei es hier möglich ist, da die hintere Seite des Kühlmoduls offen ist, die Zellen nach vorne durch die Schlitze 242 der kammartigen Platte hindurch zu schieben wie auch die Platte auf die bereits installierten Zellen aufzuschieben.
In Fig. 17 wird die kammartige Platte mit einer mittleren Versteifungsrippe 246 gezeigt. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich.
Die Fig. 18 zeigt eine Batteriemoduleinheit 300 ohne Gehäuse. In diesem Beispiel ist eine Platine 302 (siehe auch Fig. 19) mittels Schrauben 304 und Federkontakten, die nicht gezeigt sind, da sie hinter der Platine angeordnet sind, mit den leitenden Abstandselementen 44 verbunden, welche zwischen den einzelnen Anschlüssen 36, 38 der Batteriezellen 12 angeordnet sind. Die Federkontakte können die Form von Federscheiben oder Schraubenfedern oder anderen Federelementen aufweisen. Sie können auch fortgelassen werden, wenn ein direkter Kontakt, der durch die Schraube oder rückseitig vorhandene Lötstellen hergestellt wird, ausreicht.
Die Platine 302 weist einen Prozessor 308 auf, insbesondere einen Digital Signal Processor (DSP) 308, welcher dazu ausgebildet ist, mit einer Abtastrate von mindestens 10 Hz, bevorzugt mindestens 20 Hz, die Spannungen der einzelnen Batteriezellen 12 zu erfassen und diese in einem Analog/ Digital-Wandler (ADC) 310 mit einer 12 Bitrate zu digitalisieren. Die Platine 302 bildet mitsamt ihrer Komponenten, gegebenenfalls zusammen mit einer angeschlossenen Auswerteeinheit 18 (siehe Fig. 19) und/oder Steuerung, ein Batterie-Managementsystem 312.
Desweiteren ist der DSP 308 dazu ausgebildet, an mindestens einem Punkt des Batteriemoduls 14, bevorzugt an sieben Punkten des Batteriemoduls 14, genauer gesagt an sieben Punkten zwischen den einzelnen Batteriezellen 12, die Temperatur des Batteriemoduls 14 durch Abtasten zu erfassen, die gemessenen Temperaturen und Spannungen in einem Flashspeicher 314 abzuspeichern und gegebenenfalls über eine Schnittstelle 316, die bevorzugt eine CAN-Busschnittstelle 316 oder eine RS485- Schnittstelle 316 ist, einer externen Auswerteeinheit 318 zur Verfügung zu stellen, die gegebenenfalls auch auf der Platine integriert werden kann. Desweiteren kann der DSP 308 in verschiedene Ruhezustände versetzt werden, um bei längerer Nichtbenutzung des Batteriemoduls 14 Strom zu sparen. Der DSP 308 kann in vorgegebenen zeitlichen Abständen aktiviert werden, um den aktuellen Zustand der einzelnen Batteriezellen 12 des Batteriemoduls 14 zu überprüfen.
Wie in Fig. 19 angedeutet, kann der jeweils gemessene Spannungsunterschied einer Batteriezelle 12, der an den Anschlüssen 36, 38 abgegriffen wird (siehe Fig. 21) dem DSP 308 zur Verfügung gestellt werden. Der Ent- lade- bzw. Ladeprozess der einzelnen Batteriezellen 12 wird vom DSP 308 über einen Balancing-Kreislauf 306 gesteuert (siehe Fig. 20). Desweiteren werden die gemessenen Temperaturen des Batteriemoduls 14 bzw. der Batteriezellen 12 dem DSP 308 zu Verfügung gestellt, um den Heiz- bzw. Kühlvorgang eines Batteriemoduls 14 zu überwachen bzw. zu regeln.
Die gemessenen Datenwerte (Temperatur und/ oder Spannung) können über eine CAN- Schnittstelle 316 der Auswerteeinheit 318 zur Verfügung gestellt werden, indem die Datenwerte in einem vom DSP 308 initiierten Vorgang in einem ADC 310 digitalisiert werden. Die Fig. 19 zeigt auch, dass die Platine 302 des Batterie-Managementsystems mit einer externen Stromversorgung 320 gekoppelt werden kann, die durch eine kleine Zusatzbatterie oder einen elektrischen Speicher (z.B. einen Kondensator), der von den anderen Batteriemodulen 14 aufgeladen wird, realisiert werden kann. Dies stellt sicher, dass auch bei einem Defekt des Batteriemoduls 14 dieser detektiert werden kann und somit auch an die Auswerteeinheit 318 bzw. an einen Benutzer des Fahrzeugs (nicht gezeigt) übermittelt wird.
Die Fig. 20 zeigt eine Anordnung eines verwendeten Balancing- Kreislaufs 306, der die Entlade- bzw. die Aufladerate der verschiedenen Zellen 12 eines Batteriemoduls 14 kontrolliert bzw. regelt. Fig. 20 zeigt den Balancing-Kreislauf 306 nur für sieben Zellen 12, in der Tat entspricht die Anzahl der einzelnen Balancingschaltungen 332, d.h. der gemessenen Spannungsunterschiede, der jeweils im Batteriemodul 14 vorhandenen Zellenanzahl. Wie in Fig. 20 gezeigt, kann der Ladezustand der einzelnen Batteriezellen 12 optional mittels einer LED 322 visualisiert werden bzw. dem Fahrer des Fahrzeugs mittels einer geeigneten Anzeige im Fahrzeug angezeigt werden. Sollte keine LED 322 verwendet werden, wird eine Diode an deren Stelle auf der Platine 302 angeordnet, um den Spannungsabfall der einzelnen Zellen zu regeln. In dem vorliegenden Beispiel sind die an den Anschlüssen 36, 38 einer Batteriezelle 12 anstehenden Spannungsunterschiede mit Eingängen des DSPs 308 verbunden und auch mittels einer Transistor- Schaltung 334 mit der jeweils benachbarten Batteriezelle 12 verbunden. Der DSP 308 reguliert dabei den Spannungsabfall zwischen den einzelnen Batteriezellen 12 mittels des Transistors, um sicherzustellen, dass die einzelnen Batteriezellen 12 gleichmäßig geladen und entladen werden, und um sicherzustellen, dass die einzelnen Batteriezellen 12 eines Batteriemoduls 14 den gleichen Ladezustand aufweisen. Typische Entlade- bzw. Laderaten betragen (ohne Einschränkung) von IC bis 5C, diese sind abhängig von dem Material aus dem die einzelnen Batteriezellen 12 hergestellt werden. Solche Balancing-Kreisläufe 306 sind für sich bestens bekannt.
Die Fig. 21 zeigt ein Beispiel für einen Schaltkreis, mit dem die Spannungen der einzelnen Batteriezellen 12 gemessen werden können. Auch hier wird nur ein Teil der Anschlüsse 36, 38 der Batteriezellen 12 eines Batteriemoduls 14 gezeigt. Die genaue Anzahl der jeweiligen Anschlüsse 36, 38 entspricht der Anzahl der in einer Batteriemoduleinheit vorhandenen Batteriezellen 12. Genauer gesagt zeigt die Fig. 21 einen Multiplexerschalt- kreis 338. In diesem werden die Spannungen der einzelnen Anschlüsse 36, 38 der Batteriezellen 12 jeweils an den DSP 308 mittels eines Operationsverstärkers 328 angeschlossen, um Fehler in der Spannungsmessung zu minimieren. Die an den Anschlüssen 36, 38 anliegenden Spannungen werden jeweils mit einem Referenzwert, z.B. einer gemeinsamen Masse gemessen und anschließend von dem jeweiligen Multiplexer 326 an den zugeordneten Verstärker 328 übermittelt.
Im Multiplexverfahren werden mehrere Eingangssignale durch einen Multiplexer 326 eingelesen, dieser überträgt dann die einzelnen Eingangssignale mittels einer Ausgangsleitung zu einem Verstärker 328, welcher im unteren Bereich der Fig. 21 zu sehen ist. Die einzelnen Eingangssignale können anhand eines Steuersignals abgefragt werden und ermöglicht dadurch, dass die einzelnen Spannungen der einzelnen Anschlüsse 36, 38 jeweils separat in dem gleichen Verstärker 328 verstärkt werden, so dass die einzelnen Spannungen immer mit dem gleichen systematischen Fehlern gemessen werden.
Dadurch, dass die einzelnen Spannungen der jeweiligen Anschlüsse 36, 38 unabhängig voneinander gemessen werden und im Nachhinein voneinander subtrahiert werden, wird dieser systematische Fehler in den Berechnungen der einzelnen Spannungen der Batteriezellen 12 auch mit subtrahiert, so dass genauere Messdaten vorliegen. Wie der Fig. 21 zu entnehmen ist, werden die einzelnen Multiplexer 326 in zwei verschiedene Ausleseleitungen gespeist, um die Ausleserate der einzelnen Spannungen der Batteriezellen 12 zu beschleunigen. Es ist auch denkbar, dass anstelle einer Vielzahl von Multiplexern 326 eine geringere Anzahl von Multiple- xern 326 oder auch nur ein Multiplexer 326 verwendet wird, da ein Multiplexer 326 auch mit mehr als zwei verschiedenen Eingangssignalen arbeiten kann.
Die gemessenen Spannungen werden anschließend mittels eines geeigneten Verstärkers 328 verstärkt, um mögliche Defekte in den einzelnen Batteriezellen 12 schneller zu detektieren. Die einzelnen Spannungssignale können auch mit einem Hochpassfilter zur Impedanzmessung verbunden sein. Generell ist das Ziel, eine Spannungsmessung durchzuführen, welche eine Auflösung von kleiner 4 mV aufweist. Die Messgenauigkeit sollte 1 mV betragen, was eine unabhängige Gesamtspannungsmessung erlaubt, die dazu verwendet werden kann, einzelne Kanalfehler der jeweiligen Batteriezellen 12 im Batteriemodul 14 zu detektieren. Die Fig. 22 zeigt eine mögliche Schaltung für die Temperaturmessung, in welcher sieben Temperatursensoren 324 mittels eines geeigneten Schaltkreises jeweils mit dem DSP 308 verbunden sind, wobei die einzelnen Temperatursensoren 324 mit einer 5V- Versorgungsspannung verbunden sind, die dazu dient, die Ausgangsspannung der einzelnen Temperatursensoren 324 zu liefern, welche proportional zur Temperatur sind und daher zur Temperaturbestimmung benötigt werden. Darüber hinaus sind die einzelnen Temperatursensoren 324 mit einem Widerstand 340 und einem Kondensator 342 verbunden, um sicherzustellen, dass alle Temperatursensoren die gleiche Ausgangsimpedanz haben, was den Fehler in den einzelnen Temperaturmessungen minimiert.
Im konkreten Beispiel handelt es sich bei den Temperatursensoren 324 um LM335 Sensoren (von der Firma National Semiconductor erhältlich), die IC Temperatursensoren 324 darstellen. Der LM335 ist Mitglied einer IC-Familie, die pro Kelvin Temperaturänderung ihre Ausgangsspannung um 10 mV verändert. Der LM335 weist einen Temperaturbereich von -400C bis +1000C auf. Die Vorteile eines LM 335 Temperatursensors 324 sind, dass diese auch ohne Kalibrierung eine Genauigkeit von einem Grad (bei 25°C) aufweisen und relativ billig sind. Es könnten aber auch andere Temperatursensoren wie NTC Widerstände, PTlOO Platinwiderstände oder auch digitale Temperatursensoren zum Einsatz gelangen.
Die Fig. 23 zeigt in schematischer Übersicht eine mögliche Komponenten Anordnung für eine Widerstandsheizung, welche auf der Platine 302 angeordnet sein kann. Die Widerstandsheizung wird dazu benützt, um die leitenden Abstandselemente 44 und dadurch die Anschlüsse 36, 38 der Batteriezellen 12 zu heizen. Der DSP 308 ist dazu ausgebildet, um mittels der gemessenen Temperaturen des Batteriemoduls 314 einen Heiz- bzw. Kühlvorgang zu starten, indem der DSP 308 einen Strom durch einen Widerstand 330 fließen lässt, welcher den Widerstand 330 aufheizt. Die da- durch erzeugte Hitze wird aufgrund der thermisch leitenden Verbindung von den Anschlusselementen 44 auf die Anschlüsse 36, 38 übertragen, und somit werden die Batteriezellen 12 eines Batteriemoduls 14 sozusagen von der Mitte der Zellen 12 erwärmt. Typischerweise wird die Widerstandsheizung mit lW/Zelle geheizt, diese Leistung kann aber je nach Bedarf verändert werden.
Die Fig. 24 zeigt den Temperaturverlauf einer mittels einer Widerstandsheizung geheizten Batteriezelle 12. Insbesondere sieht man in der Fig. 24 wie sich der Temperaturverlauf von den Anschlüssen 36, 38 bis zum anderen Ende der Batteriezelle 12 verändert. Sollte die gemessene Temperatur nun größer als 5°C sein, wird die Widerstandsheizung ausgeschaltet, sollte die gemessene Temperatur > 300C sein, wird die Kühlung des Kühlmoduls 220 aktiviert, um sicherzustellen, dass die Batteriezellen 12 nicht überhitzt werden.
Bezugszeichenliste
Kühlmodul Zellen Batteriemodul Kühlplatte Kühlplatte Verbindungsplatte Fach Seitenteile der Verbindungsplatten rohrförmiger Eingang rohrförmiger Ausgang Schlauchtülle Schlauchtülle Verbindungsleitung positiver Anschluss U-förmige Ausnehmung ' kreisförmige Öffnung negativer Anschluss U-förmige Ausnehmung ' kreisförmige Öffnung linke Reihe rechte Reihe leitendes Abstandselement isolierendes Abstandselement Spanneinrichtung Spannbolzen wärmeleitende Platte rechtes Ende der Platte 52 linkes Ende der Platte 52 Nietverbindung 58 isolierende Hülse
60 Ende eines Spannbolzens mit Gewinde
62 Mutter
63 Scheibe
66 positiver Pol
68 erstes oberes Ende der linken Reihe
70 negativer Pol
72 zweites unteres Ende der linken Reihe
74 leitende Platte
76 Verlängerung
78 erstes oberes Ende der rechten Reihe
79 isolierende Platte
80 Innengewinde des einen Polanschlusses 82 Innengewinde des anderen Polanschlusses
84 Abstandselement
85 Grundplatte
86 Lappen
88 erster senkrechter Abschnitt der Kühlpassage
90 zweiter waagerechter Abschnitt der Kühlpassage
92 dritter senkrechter Abschnitt der Kühlpassage
94 vier waagerechter Abschnitt der Kühlpassage
96 fünfter senkrechter Abschnitt der Kühlpassage
98 sechster waagerechter Abschnitt der Kühlpassage
99 Rippen
100 siebter senkrechter Abschnitt der Kühlpassage 102 achter waagrechter Abschnitt der Kühlpassage 104 neunter senkrechter Abschnitt der Kühlpassage 106 zehnter waagrechter Abschnitt der Kühlpassage
108 Lappen
109 Rippen
110 Abschlussblech 111 Gehäuse
112 untere Hälfte des Gehäuses 114 untere Seite des Gehäuses
116 Verrippung der Unterseite des Gehäuses
118 Schaumstoff
120 Gewindeeinsatz
122 erste Längsseite der unteren Hälfte des Gehäuses
124 zweite Längsseite der unteren Hälfte des Gehäuses
126 Gewindeeinsatz
128 obere Hälfte des Gehäuses
130 Vorsprung
132 erste Längsseite der oberen Hälfte des Gehäuses
134 Bohrungen
136 hintere Längsseite der oberen Gehäusehälfte dl 28
138 Bohrungen
140 Bohrungen
142 Öffnung
144 Schraubbohrungen
146 obere Seite des Gehäuses 111
148 Gewindeeinsätze
150 Kühlkreis
152 Verteilerrohr
154 Sammelrohr
156 Sammelrohr
158 paralleler Kühlpfad
160 Hauptleitung
162 Pumpe
164 Kühler
166 Lüfter
168 Wärmetauscher
170 weiterer Kreislauf 172 Heizung/ Klimaanlage
200 Aluminium Block
202 Durchgangslöcher
204 Nickelbeschichtung
206 obere Seite von 200
208 untere Seite von 200
210 Aluminium Block
212 Eloxierschicht
214 Bohrungen
216 Isolationsschicht
220 Kühlplattenanordnung/ Kühlmodul
222 rechte Kühlplatte
223 rechte Seite von 220
224 hintere Kühlplatte
225 hintere Seite von 220
226 linke Kühlplatte
227 linke Seite von 220
228 Kühlpassagen 230 Sammelpassage 232 Verbindungspassage 240 kammartiges Teil 242 Schlitze
244 Pfeilrichtung
246 Versteifungsrippe
300 Batteriemoduleinheit
302 Platine für Batterie-Managementsystem
304 Schrauben für Platine 302
306 Balancing-Kreislauf
308 Prozessor
310 ADC
312 Batterie-Managementsystem 314 Speicher
316 Schnittstelle
318 Auswerteeinheit
320 S trom Versorgung
322 LED
324 Temperatursensor
326 Multiplexer
328 Operationsverstärker
330 Heizwiderstand
332 Balancing Schaltungen
334 Transistorschaltung
336 Balancing Resistor
338 Multiplexer Schaltkreis
340 Widerstand
342 Kondensator

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Batterie-Managementsystem (312), für ein Batteriemodul (14) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (12) welche jeweils positive und negative Anschlüsse (36, 38) aufweisen, wobei das Batterie- Managementsystem (312) auf einer Platine (302) angeordnet ist und die Platine (302) eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten aufweist welche in direkten Kontakt mit leitenden Elementen (36, 38; 44) der Batteriezellen (12) bringbar sind, wobei die leitenden Elemente (36, 38; 44) durch die Anschlüsse (36, 38) der Batteriezellen (12) des Batteriemoduls (14) und/ oder durch leitende Abstandselemente (44) die zwischen benachbarten Anschlüssen (36, 38) der Batteriezellen (12) vorgesehen sind gebildet sind.
2. Batterie-Managementsystem (312) nach Anspruch 1, wobei die Anschlüsse (36, 38) und/ oder die leitenden Abstandselemente (44) auf einer Seite des Batteriemoduls (14) angeordnet sind und eine Kontaktebene bilden in der die Platine (302) elektrischen und/ oder thermischen Kontakt zu den Anschlüssen (36, 38) bzw. zu den Abstandselementen (44) aufweist.
3. Batterie-Managementsystem (312) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Batterie-Managementsystem (312) mindestens eine Schnittstelle (316), einen Prozessor (308), einen Flashspeicher (314), einen ADC (310) und eine Stromversorgung (320) umfasst, wobei mindestens einer der Schnittstellen (316) vorzugsweise eine Automotive Schnittstelle ist.
4. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Batterie-Managementsystem (312) dazu ausgebildet ist, um Spannungsunterschiede und/ oder einen dazu proportionalen Wert an verschiedenen Punkten der Batteriezellen (12) zu messen und gegebenenfalls die gemessenen Spannungen wenigstens vorübergehend zu speichern.
5. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Batterie-Managementsystem (312) dazu ausgebildet ist, die gemessenen Spannungen der Batteriezellen (12) zu überwachen.
6. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Batterie-Managementsystem (312) dazu ausgebildet ist, den Ladezustand des Batteriemoduls (14) anhand der gemessen Spannungen der Batteriezellen (12) zu überwachen und gegebenenfalls durch Veränderung von den Batteriezellen (12) zugeordneten Widerständen zu regeln.
7. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Batterie-Managementsystem (312) dazu ausgebildet ist, um von an mindestens einem Punkt eines Batteriemoduls (14) gemessene Temperaturen gegebenenfalls wenigstens vorübergehend zu speichern.
8. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Batterie-Managementsystem (312) dazu ausgebildet ist, die gemessene Temperatur zu überwachen.
9. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Platine (302) den Batteriezellen (12) zugeordnete Heizwiderstände (R) aufweist, die der Aufwärmung der Batteriezellen (12) dienen und welche vorzugsweise an den leitenden Elementen (36, 38; 44), d.h. an den Anschlüssen (36, 38) der Batteriezellen oder an den leitenden Abstandselementen (44) anliegen.
10. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Batterie-Managementsystem (312) dazu ausgebildet ist, einen Heizvorgang zu initiieren wenn eine gemessene Temperatur weniger als beispielsweise 5°C beträgt, und/ oder dazu ausgebildet ist einen Kühlvorgang zu initiieren wenn eine gemessene Temperatur mehr als beispielsweise 300C beträgt.
11. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schaltkreise für die Überwachung der Temperaturen und/oder Spannungen auf der Platine (302) angeordnet sind.
12. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Schaltkreise zwischen den genannten Kontakten der einzelnen Batteriezellen (12) der Platine (302) insbesondere im Bereich der Platine (302) zwischen den Anschlüssen (36, 38) und/oder den leitenden Abstandselementen (44) der Batteriezellen (12) angeordnet sind.
13. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltkreise im Bereich der Kontaktebene auf der Platine (302) angeordnet sind.
14. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Signalverarbeitungseinrichtung auf der Platine (302) angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist die gemessenen und/oder die überwachten Temperaturen und/oder Spannungen in digitale Signale umzuwandeln welche in einer Auswerteeinheit (318) ausgewertet werden.
15. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet ist die digitalen Signale auf eine Ausgangsspannung der Batteriezellen (12) und/ oder auf eine Ausgangsspannung des Batteriemoduls (14) welche von Anschlussleitungen des Batteriemoduls (14) bereit gestellt wird aufzumodulieren, wodurch diese digitalen Signale von einer Auswerteeinheit (318) über die Anschlusskabel eines Batteriemoduls (14) gemessen werden und gegebenenfalls wenigstens vorübergehend zu speichern, wobei die Auswerteeinheit (318) vorzugsweise von der Platine (302) entkoppelt ist.
16. Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kontakt zwischen dem Batterie- Managementsystem (312) und dem Batteriemodul (14) durch Schrauben (304) und/oder Federkontakte hergestellt wird.
17. Batteriemoduleinheit (300) bestehend aus mehreren aneinander angeschlossenen Zellen (12), die jeweils einen positiven und einen negativen Anschluss (36, 38) aufweisen, in Kombination mit einem Batterie-Managementsystem (312) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen und mit Aussparungen (37,39) versehenen Anschlüsse (36, 38) in mindestens zwei Reihen (40, 42) derart angeordnet sind, dass die Breitseiten benachbarter flächiger Anschlüsse (36, 38) einer jeweiligen Reihe einander zugewandt sind, dass die Anschlüsse (36, 38) jeder Reihe (40, 42) durch gezielt angeordnete, leitende Abstandselemente (44) und ggf. isolierende Abstandselemente (46) in Abstand zueinander gehalten sind, dass innerhalb des Moduls die Zellen (12) durch gezielte Anordnung ihrer positiven und negativen Anschlüsse (36, 38) in der einen oder der anderen Reihe (40, 42) elektrisch in Reihe und/ oder parallel zueinander geschaltet sind und dass die Anschlüsse (36, 38) jeder Reihe sowie die dazwischen angeordneten Abstandselemente durch eine Spanneinrichtung (48) aneinander gepresst sind.
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