DE102012215495A1 - Device for serially arranging cell of battery e.g. lithium ion cell battery, that is utilized in motor car, has module cover mounted in battery cell, where capacity, internal resistance and cold start behavior of battery cell are adjusted - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle, eine Batterie, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Ersetzen einer Batteriezelle eines Batteriemoduls durch eine andere Batteriezelle.The present invention relates to a device for a series connection with a battery cell, a battery, a motor vehicle and a method for replacing a battery cell of a battery module by another battery cell.
Stand der TechnikState of the art
Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien oder Nickelmetallhydrid-Batterien, immer breitere Anwendungen. Lithium-Ionen-Zellen basierte Batterien zeichnen sich unter anderem aus durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung. With improved storage capacity, more frequent rechargeability, and higher energy densities, batteries such as lithium ion cell based batteries or nickel metal hydride batteries are finding wider and wider applications. Among other things, lithium-ion cell-based batteries are characterized by high energy densities and extremely low self-discharge.
Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcordern und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen, etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden. Batteries with lower energy storage capacity are used, for example, for small portable electronic devices such as mobile phones, laptops, camcorders and the like, while high capacity batteries are used as an energy source for driving motors of hybrid or electric vehicles, etc. or as stationary batteries ,
Batterien können zum Beispiel durch das serielle Verschalten von Batteriemodulen gebildet werden, wobei teilweise auch parallele Verschaltungen der Batteriemodule erfolgen und die Batteriemodule ihrerseits aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen bestehen können. Batteries can be formed, for example, by the serial interconnection of battery modules, with partial parallel interconnections of the battery modules also taking place and the battery modules themselves being able to consist of serial and / or parallel-connected battery cells.
Module können wiederum zu größeren Untereinheiten zusammengefasst werden, sogenannten Subunits, die sich z. B. eine gemeinsame Kühleinrichtung teilen. Aus zwei oder mehreren dieser Subunits kann letztendlich die komplette Batterie aufgebaut sein. Dabei können die Module und Subunits je nach Bauraum auch in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sein.Modules can in turn be grouped into larger subunits, so-called subunits, which are z. B. share a common cooling device. Two or more of these subunits can eventually be used to build the complete battery. Depending on the installation space, the modules and subunits can also be arranged one above the other in several levels.
Zum Betrieb wieder aufladbarer Energiespeichervorrichtungen wird in
Zusammen mit oder anstelle von Lithium-Ionen-Zellen können Lithium-Polymer-Zellen, Nickelmetallhydrid-Zellen oder Bleisäureakkus von der Batterie umfasst sein, die üblicherweise Anschlussterminals an einer der Seiten der Batterie haben, die üblicherweise als Deckel oder Oberseite bezeichnet wird.Lithium polymer cells, nickel metal hydride cells, or lead acid batteries may be included with or in conjunction with or instead of lithium ion cells, which typically have connection terminals on one side of the battery, commonly referred to as a lid or top.
Bei der Verschaltung der Einzelzellen zu Modulen wird hierbei ein sogenannter Zellverbinder angebracht, beispielsweise indem der Zellverbinder von oben aufgelegt wird. Als Verbindungsmethode wird hier beispielsweise eine Schraubverbindung gewählt. Andere Möglichkeiten der Verbindung der Terminals umfassen geschweißte Verbindungen (z. B. mittels Laser, Ultraschall, Reibschweißen etc.), genietete Verbindungen oder formschlüssige Verbindungen. Auch die Verbindung zwischen den einzelnen Modulen erfolgt durch Anbringen eines Modulverbinders, beispielsweise mit einer der genannten Verbindungsmethoden.In the interconnection of the individual cells to modules in this case a so-called cell connector is attached, for example, by the cell connector is placed from above. As a connection method, for example, a screw is chosen here. Other ways of connecting the terminals include welded connections (eg by means of laser, ultrasound, friction welding, etc.), riveted connections or positive connections. The connection between the individual modules is carried out by attaching a module connector, for example with one of the mentioned connection methods.
Auf die Module kann vor Herstellen der Zellverbindung ein sogenannter Moduldeckel aus Kunststoff aufgelegt und durch Niederhalter oder Schrauben fixiert worden sein. Dieser Deckel trennt dann die nicht miteinander zu verbindenden Kontakte, deckt die Kontakte ab und bietet Halterungen für Sensorleitungen und Messkabel.On the modules, a so-called module cover made of plastic can be placed before the cell connection and fixed by hold-down or screws. This cover then separates the contacts that are not to be connected, covers the contacts and provides holders for sensor cables and measuring cables.
Die modulare Konstruktion der Batterie erlaubt prinzipiell den Austausch von Zellen, Modulen oder Subunits, insbesondere wenn Zellgrößen standardisiert sind und die Größe neuer Zellen der Größe der in der Batterie verbauten Zellen entspricht. Dadurch können die Lebensdauer der Batterie verlängert und Kosten verringert werden.The modular design of the battery allows in principle the replacement of cells, modules or subunits, especially when cell sizes are standardized and the size of new cells corresponds to the size of the cells installed in the battery. This can extend battery life and reduce costs.
Es ist zu erwarten, dass neue Zellen gleicher Baugröße sich nicht nur wegen der nicht erfolgten Abnutzung/Alterung von den in der Batterie verbauten Zellen in Kenngrößen wie Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten unterscheiden werden, sondern auch infolge der technischen Weiterentwicklung, die höhere Energiedichten und verbesserte elektrische Leistungsdaten bei unveränderter Baugröße erwarten lässt.It is to be expected that new cells of the same size will differ not only because of the failure of wear / aging of the cells installed in the battery in parameters such as capacity, power, internal resistance, self-discharge and cold start behavior, but also as a result of further technical development higher energy densities and improved electrical performance data can be expected with unchanged size.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle vorgestellt. Die Vorrichtung eignet sich für eine Anpassung von mindestens einer der folgenden Kenngrößen der Batteriezelle: Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten. Dabei umfasst die Vorrichtung mindestens ein Widerstandselement.According to the invention, a device according to claim 1 for a series connection with a battery cell is presented. The device is suitable for matching at least one of the following characteristics of the battery cell: capacity, power, internal resistance, self-discharge and cold start behavior. In this case, the device comprises at least one resistance element.
Die Reihenschaltung der Vorrichtung mit der Batteriezelle bewirkt, dass sich die Kenngrößen des Systems aus Batteriezelle mit in Reihe geschalteter Vorrichtung denen einer anderen, auszutauschenden Batteriezelle ähneln.The series connection of the device with the battery cell causes the characteristics of the battery cell system with series-connected device similar to those of another, to be replaced battery cell.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine mit dem Widerstandselement in Reihe geschaltete Schaltung mit einem weiteren Widerstandselement und einem zu dem weiteren Widerstandselement parallel geschalteten Kondensatorelement.In one possible embodiment, the device further comprises a circuit connected in series with the resistive element with a another resistance element and a capacitor element connected in parallel with the further resistance element.
Kenngrößen des Systems aus Batteriezelle mit in Reihe geschalteter Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform können denen der anderen, auszutauschenden Batteriezelle noch mehr ähneln oder ihnen sogar gleichen.Characteristics of the battery cell system with the device connected in series according to this embodiment may be more similar to or even similar to those of the other battery cell to be replaced.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Batterie mit mindestens einem Batteriemodul mit einer Batteriezelle vorgestellt. Die Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul eine mit der Batteriezelle in Reihe geschaltete Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 umfasst. According to the invention, furthermore, a battery with at least one battery module with a battery cell is presented. The battery is characterized in that the battery module comprises a device connected in series with the battery cell according to claim 1 or 2.
In einer Ausführungsform der Batterie ist die Vorrichtung in einem Moduldeckel oder in einem Zellverbinder angeordnet.In one embodiment of the battery, the device is arranged in a module cover or in a cell connector.
In dieser oder einer anderen Ausführungsform umfasst das Batteriemodul weiterhin ein Batteriesteuergerät und/oder eine Zellüberwachung. Dabei sind das Batteriesteuergerät und/oder die Zellüberwachung ausgelegt, Messwerte mittels eines Ausgleichsfaktors zu verändern.In this or another embodiment, the battery module further comprises a battery control device and / or a cell monitor. In this case, the battery control device and / or the cell monitoring are designed to change measured values by means of a compensation factor.
Die erfindungsgemäße Batterie eignet sich speziell für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Daher wird erfindungsgemäß auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie vorgestellt.The battery according to the invention is particularly suitable for use in a motor vehicle. Therefore, a motor vehicle with a battery according to the invention is presented according to the invention.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ersetzen einer Batteriezelle eines Batteriemoduls durch eine andere Batteriezelle. Dabei unterscheidet sich die andere Batteriezelle von der Batteriezelle in mindestens einer der folgenden Kenngrößen: Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung und Kaltstartverhalten. Das Verfahren umfasst die Schritte, Entnehmen der Batteriezelle aus dem Batteriemodul und Einsetzen der anderen Batteriezelle in das Batteriemodul. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt der Anpassung des Batteriemoduls umfasst, wobei die Anpassung den Kenngrößenunterschied der anderen Batteriezelle gegenüber der Batteriezelle kompensiert.The invention also relates to a method for replacing a battery cell of a battery module with another battery cell. In this case, the other battery cell differs from the battery cell in at least one of the following parameters: capacity, power, internal resistance, self-discharge and cold start behavior. The method includes the steps of removing the battery cell from the battery module and inserting the other battery cell into the battery module. The method is characterized in that the method comprises a step of adapting the battery module, wherein the adaptation compensates for the characteristic difference of the other battery cell relative to the battery cell.
Dies hat den Effekt, dass in einem bereits gebrauchten elektrischen Energiespeicher einzelne galvanische Elemente gleicher Baugröße austauschbar sind, unabhängig davon, ob Unterschiede bezüglich Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Selbstentladung oder Kaltstartverhalten zwischen dem auszutauschenden Element und dem Austauschelement bestehen. Die Unterschiede können dabei beispielsweise Folge technologischer Weiterentwicklung und/oder Alterung des auszutauschenden Elements sein, die Ursache der Unterschiede ist aber für die Erfindung nicht relevant.This has the effect that in an already used electrical energy storage individual galvanic elements of the same size are interchangeable, regardless of whether differences in capacity, performance, internal resistance, self-discharge or cold start behavior exist between the exchanged element and the replacement element. The differences may be, for example, a consequence of technological advancement and / or aging of the element to be exchanged, but the cause of the differences is not relevant to the invention.
Dabei kann das Batteriemodul in einer Ausführungsform eine Zellüberwachung und/oder ein Batteriesteuergerät und die Anpassung des Batteriemoduls kann eine Anpassung von Messwerten in der Zellüberwachung und/oder dem Batteriesteuergerät umfassen.In one embodiment, the battery module may include a cell monitor and / or a battery control device, and the adaptation of the battery module may include an adaptation of measured values in the cell monitor and / or the battery control device.
Dann ist kein zusätzliches elektrisches Bauteil für die Anpassung erforderlich.Then no additional electrical component is required for the adaptation.
In der Ausführungsform kann die Anpassung von Messwerten durch mindestens einen Ausgleichsfaktor erfolgen.In the embodiment, the adaptation of measured values can take place by means of at least one compensation factor.
Dies ist eine besonders einfache Form der Anpassung ohne zusätzliche Bauteile. This is a particularly simple form of adaptation without additional components.
In einer anderen Ausführungsform kann der Schritt des Anpassens ein Realisieren einer Reihenschaltung der anderen Batteriezelle mit der erfindungsgemäß vorgestellten Vorrichtung für eine Reihenschaltung mit einer Batteriezelle umfassen.In another embodiment, the step of adapting may include implementing a series connection of the other battery cell with the device for a series connection with a battery cell presented according to the invention.
Die Realisierung der Reihenschaltung ist besonders einfach, wenn die Vorrichtung in einem Moduldeckel oder in einem Zellverbinder angeordnet ist.The realization of the series connection is particularly simple if the device is arranged in a module cover or in a cell connector.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das System
Handelt es sich bei der anderen Batteriezelle um eine auszutauschende Batteriezelle eines Batteriemoduls, lässt sich diese unabhängig von den Kenngrößen der Batteriezelle durch das System
Alternativ oder zusätzlich kann eine Modifikation von Daten in einem Batteriesteuergerät und/oder in einer Zellüberwachung verwendet werden, die Leistungsdaten anzugleichen.Alternatively or additionally, modification of data in a battery control device and / or in cell monitoring may be used to adjust the performance data.
Die vorgestellten beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Dabei werden in einem ersten Schritt ein oder mehrere galvanische Elemente des Energiespeichers durch eine entsprechende Anzahl anderer galvanischer Elemente ersetzt.In this case, one or more galvanic elements of the energy storage are replaced by a corresponding number of other galvanic elements in a first step.
In einem zweiten Schritt erfolgt eine Anpassung zur Kompensation von Kenngrößenunterschieden zwischen den ersetzten und den ersetzenden galvanischen Elementen. Dies kann durch eine softwaretechnische Programmierung oder Neuprogrammierung des Steuergerätes bzw. der Zellüberwachung geschehen, zum Beispiel indem Messergebnisse gezielt mit einem Angleichfaktor modifiziert werden.In a second step, an adaptation to the compensation of characteristic differences between the replaced and the replacing galvanic elements. This can be done by a software programming or reprogramming of the control unit or the cell monitoring, for example, by measuring results are modified specifically with an adjustment factor.
Alternativ oder zusätzlich kann die Messung selbst auch durch Einbringung einer Vorrichtung mit einer elektrischen Schaltung modifiziert werden.Alternatively or additionally, the measurement itself can also be modified by introducing a device with an electrical circuit.
Durch Reihenschaltung des ersetzenden galvanischen Elements mit dieser Vorrichtung bekommt man ein System, dessen Verhalten analog dem des ersetzten galvanischen Elements ist, sofern die in der Vorrichtung enthaltenen Bauelemente entsprechend ausgewählt wurden.By series connection of the replacing galvanic element with this device, a system is obtained whose behavior is analogous to that of the replaced galvanic element, provided that the components contained in the device have been selected accordingly.
Prinzipiell kann das Bauteil sehr genau an den Kenngrößenunterschied angepasst werden. Eine solch genaue Anpassung ist aber in der Praxis oft nicht erforderlich. In principle, the component can be adapted very precisely to the characteristic difference. Such an exact adaptation is often not necessary in practice.
Die Vorrichtung ist in einer beispielhaften Ausführungsform in einem Moduldeckel integriert. Die Verbindung einer getauschten Zelle des Moduls zu verbliebenen Zellen des Moduls erfolgt dann über die Vorrichtung im Moduldeckel.The device is integrated in an exemplary embodiment in a module cover. The connection of a swapped cell of the module to remaining cells of the module then takes place via the device in the module cover.
Bei Tausch eines ganzen Moduls mit mehreren Batteriezellen und zugehörigen Zellüberwachungen ist nur eine Schaltung notwendig, die das elektrische Verhalten des neuen Moduls so modifiziert, dass es dem elektrischen Verhalten des ausgetauschten Moduls entspricht.When replacing a whole module with multiple battery cells and associated cell monitoring only a circuit is necessary, which modifies the electrical behavior of the new module so that it corresponds to the electrical behavior of the replaced module.
Es ist auch eine Anordnung in einem Zellverbinder möglich.An arrangement in a cell connector is also possible.
Wenn beispielsweise die Impedanz einer Zelle bei 1 kHz und 150 mA über die Lebensdauer von 600 µOhm im Neuzustand auf 1100 µOhm ansteigt, so beträgt die Impedanzdifferenz einer neuen Zelle gegenüber der gealterten Zelle 500 µOhm.For example, if the impedance of a cell at 1 kHz and 150 mA increases to 1100 μOhm over the lifetime of 600 μOhm when new, the impedance difference of a new cell to the aged cell is 500 μOhm.
Stehen nun beispielsweise Vorrichtungen zur Kompensation von Impedanzdifferenzen von 100 µOhm, 200 µOhm, 300 µOhm und 400 µOhm zur Verfügung, so kann beispielsweise durch Reihenschaltung der neuen Zelle mit einer Vorrichtung zur Kompensation von Impedanzdifferenzen von 4 µOhm das Verhalten der gealterten Zelle von der Reihenschaltung angenähert werden. If, for example, devices for compensating impedance differences of 100 μOhm, 200 μOhm, 300 μOhm and 400 μOhm are available, the behavior of the aged cell can be approximated by the series connection by connecting the new cell in series with a device for compensating impedance differences of 4 μOhm become.
Die Kompensation kann noch verbessert werden, wenn zusätzlich eine Kompensation der verbleibenden Impedanzdifferenz von 100 µOhm erfolgt. The compensation can be further improved if in addition a compensation of the remaining impedance difference of 100 μOhm takes place.
Beispielsweise kann zusätzlich eine Vorrichtung zur Kompensation von Impedanzdifferenzen von 100 µOhm in Reihe geschaltet werden, so dass die insgesamt kompensierte Impedanzdifferenz 500 µOhm, also der Impedanzdifferenz der neuen Zelle gegenüber der gealterten Zelle beträgt.For example, in addition, a device for compensation of impedance differences of 100 μOhm can be connected in series, so that the total compensated impedance difference 500 μOhm, ie the impedance difference of the new cell compared to the aged cell.
Noch feinere Justierung der Kompensation kann durch zusätzliche Parallelschaltung von Vorrichtungen erfolgen.Even finer adjustment of the compensation can be done by additional parallel connection of devices.
Die Kompensation von Impedanzdifferenz und/oder verbleibender Impedanzdifferenz nach Kompensation mittels einer Vorrichtung kann auch softwaretechnisch erfolgen, durch die oben beschriebene Anpassung von Messergebnissen im Batteriemanagementsystem, beispielsweise durch Umoder Neuprogrammierung der Steuergerätesoftware.The compensation of impedance difference and / or remaining impedance difference after compensation by means of a device can also be done by software technology, by the above-described adaptation of measurement results in the battery management system, for example by reprogramming or reprogramming the controller software.
In einigen Situationen kann es vorteilhaft sein, neben dem Austausch eines zum Tausch vorgesehenen galvanischen Elements, auch einen Austausch eines weiteren galvanischen Elements vorzunehmen. Fällt etwa einer Zelle zum Beispiel in Folge einer Undichtigkeit aus, so kann es sinnvoll sein, zusammen mit der ausgefallenen Zelle eine andere Zelle auszutauschen, deren Innenwiderstand in Folge von Alterung und/oder Abnutzung um beispielsweise 50 µOhm gestiegen ist. Der Impedanzunterschied der auszutauschenden Zellen gegenüber den ausgetauschten Zellen kann dann mit einer einzigen 100 µOhm Schaltung kompensiert werden.In some situations, it may be advantageous, in addition to the exchange of a galvanic element provided for exchange, to also exchange an additional galvanic element. If, for example, a cell fails as a result of a leak, it may be useful to replace another cell together with the failed cell whose internal resistance has risen by 50 μOhm as a result of aging and / or wear. The impedance difference of the cells to be exchanged compared to the exchanged cells can then be compensated with a single 100 μOhm circuit.
Dadurch lässt sich in der Praxis eine Vielzahl von Schaltungen realisieren.As a result, a large number of circuits can be realized in practice.
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