DE202023100648U1 - Self-sufficient battery module for a battery system and battery system - Google Patents

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Abstract

Autark betreibbares Batteriemodul (10) für ein Batteriesystem (100) eines Satelliten oder Raumfahrzeugs, mit einer Trägerplatine (20), auf der eine Mehrzahl von Batteriezellen (12) sowie Betriebskomponenten (88) zur Temperierung der Batteriezellen (12), zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen (12) und zur Überwachung der Batteriezellen (12) angeordnet sind,wobei weiterhin Kommunikationsmittel (37) auf der Trägerplatine (20) zur Kommunikation mit dem Batteriesystem (100) und weiteren Batteriemodulen (10) im Batteriesystem (100) vorliegen,sowie Verbindungsmittel (33) zur elektrischen seriellen und/oder parallelen Kopplung mit einem oder mehreren weiteren gleichartigen Batteriemodulen (10) an der Trägerplatine (20) angeordnet sind.Self-sufficiently operable battery module (10) for a battery system (100) of a satellite or spacecraft, with a carrier board (20) on which a plurality of battery cells (12) and operating components (88) for temperature control of the battery cells (12), for charge equalization between the battery cells (12) and for monitoring the battery cells (12) are arranged, wherein communication means (37) are also present on the carrier board (20) for communication with the battery system (100) and further battery modules (10) in the battery system (100), and connecting means (33) for electrical serial and/or parallel coupling with one or more further similar battery modules (10) are arranged on the carrier board (20).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein autark betreibbares Batteriemodul für ein Batteriesystem, insbesondere eines Satelliten oder Raumfahrzeugs, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen sowie ein Batteriesystem eines Satelliten oder Raumfahrzeugs, mit wenigstens einem Batteriemodul.The invention relates to an autonomously operable battery module for a battery system, in particular of a satellite or spacecraft, with a plurality of battery cells and to a battery system of a satellite or spacecraft, with at least one battery module.

In Raumfahrt-Anwendungen wird üblicherweise erprobte Technik eingesetzt. Das bedeutet, dass Jahre oder Jahrzehnte alte Komponenten verwendet werden. Diese sind erprobt und haben in vielen Satelliten schon viele Jahre Flugreife bewiesen. Allerdings sind diese Komponenten auch einfach und veraltet. Bei Li-Ionen Batteriezellen bedeutet es, dass es heute schon neue Generationen mit besserer Leistungsdichte gibt. Bei elektronischen Komponenten im Batteriemanagement gibt es Mikrocontroller und Schaltungen, die mehr Funktionalität ermöglichen. In größeren Raumfahrt-Systemen werden üblicherweise bei Batteriesystemen analoge Verschaltungen eingesetzt. Außerdem werden meist nur die Gesamtspannung und Temperaturen an wenigen Punkten des Batteriesystems überwacht.Tried and tested technology is usually used in space applications. This means that components that are years or decades old are used. These are tried and tested and have proven to be flight-ready in many satellites for many years. However, these components are also simple and outdated. In the case of Li-ion battery cells, this means that there are already new generations with better power density. Electronic components in battery management have microcontrollers and circuits that enable more functionality. In larger space systems, analogue circuits are usually used for battery systems. In addition, only the total voltage and temperatures at a few points in the battery system are usually monitored.

In der Raumfahrt ist außerdem ein erhöhter Qualifikationsaufwand notwendig, um die Funktion der Komponenten, beispielsweise eines Batteriesystems nachzuweisen.In space travel, an increased level of qualification is also necessary to demonstrate the functionality of components, for example a battery system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges autark betreibbares Batteriemodul für ein Batteriesystem eines Satelliten oder Raumfahrzeugs mit einer Mehrzahl von Batteriezellen zu schaffen.The object of the invention is to create a cost-effective, self-sufficient battery module for a battery system of a satellite or spacecraft with a plurality of battery cells.

Eine weitere Aufgabe ist es, ein kostengünstiges Batteriesystem eines Satelliten oder Raumfahrzeugs mit wenigstens zwei autark betreibbaren Batteriemodulen zu schaffen.A further task is to create a cost-effective battery system for a satellite or spacecraft with at least two autonomously operable battery modules.

Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines kostengünstigen Batteriesystems eines Satelliten oder Raumfahrzeugs mit wenigstens zwei autark betreibbaren Batteriemodulen anzugeben.A further object is to provide a method for operating a cost-effective battery system of a satellite or spacecraft with at least two autonomously operable battery modules.

Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.The objects are achieved by the features of the independent claims. Favorable embodiments and advantages of the invention emerge from the further claims, the description and the drawing.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein autark betreibbares Batteriemodul für ein Batteriesystem eines Satelliten oder Raumfahrzeugs vorgeschlagen, mit einer Trägerplatine, auf der eine Mehrzahl von Batteriezellen sowie Betriebskomponenten zur Temperierung der Batteriezellen, zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen und zur Überwachung der Batteriezellen angeordnet sind. Weiterhin liegen Kommunikationsmittel auf der Trägerplatine zur Kommunikation mit dem Batteriesystem und weiteren Batteriemodulen im Batteriesystem vor. Verbindungsmittel zur elektrischen seriellen und/oder parallelen Kopplung mit einem oder mehreren weiteren gleichartigen Batteriemodulen sind an der Trägerplatine angeordnet.According to one aspect of the invention, a battery module for a battery system of a satellite or spacecraft that can be operated independently is proposed, with a carrier board on which a plurality of battery cells and operating components for controlling the temperature of the battery cells, for balancing the charge between the battery cells and for monitoring the battery cells are arranged. Furthermore, communication means are present on the carrier board for communication with the battery system and other battery modules in the battery system. Connection means for electrical serial and/or parallel coupling with one or more other similar battery modules are arranged on the carrier board.

Vorteilhaft ermöglicht das vorgeschlagene autark betreibbare Batteriemodul eine Realisierung von Batteriesystemen, insbesondere für Raumfahrt-Anwendungen wie Satelliten, mit kommerziellen Komponenten, auch als so genannte Commercial Off-The-Shelf (COTS) Komponenten bezeichnet. Das Batteriemodul bildet insbesondere ein Basismodul, von dem ausgehend durch Anfügen weiterer, vorzugsweise baugleicher Batteriemodule verschiedenartige Batteriesysteme mit größerer elektrischer Leistung und/oder größerer elektrischer Spannung und/oder elektrischer Kapazität gebildet werden können. Dabei kann das Batteriemodul für den Einsatz in einem Satelliten oder Raumfahrzeug qualifiziert sein. Dadurch kann eine weitere, üblicherweise sehr aufwändige Qualifizierung, von aus derartigen baugleichen Batteriemodulen aufgebauten Batteriesystemen entfallen.The proposed autonomously operable battery module advantageously enables the implementation of battery systems, in particular for space applications such as satellites, with commercial components, also known as so-called commercial off-the-shelf (COTS) components. The battery module forms in particular a base module from which, by adding further, preferably identical battery modules, different battery systems with greater electrical power and/or greater electrical voltage and/or electrical capacity can be formed. The battery module can be qualified for use in a satellite or spacecraft. This means that further, usually very complex, qualification of battery systems constructed from such identical battery modules can be omitted.

Durch die Skalierbarkeit des vorgeschlagenen Batteriemoduls können modulare Batteriesysteme realisiert werden, bei denen die Batteriemodule jeweils parallel und/oder seriell verschaltet werden können und so Spannung, und/oder Strom, und/oder Kapazität für jede Raumfahrt-Mission einfach angepasst werden können. Derartige Batteriemodule können in geeigneter Weise zusammengeschaltet werden und Batteriesysteme mit unterschiedlichen Spannungslagen, und/oder unterschiedlicher Leistung, und/oder unterschiedlichem Energieinhalt bilden. Dazu weisen die Batteriemodule die nötigen Verbindungsmittel zu einer parallelen und seriellen Verschaltung sowie Kommunikationsmittel zur Kommunikation mit anderen Batteriemodulen bzw. dem Batteriesystem auf. Verbindungsmittel können beispielsweise die Steckverbinder des positiven Stromanschlusses und Masseanschlusses sowie Steckverbinder für Datenleitungen zum Steuern eines Ladungsausgleichs der Batteriezellen sein.The scalability of the proposed battery module makes it possible to create modular battery systems in which the battery modules can be connected in parallel and/or in series, so that voltage, and/or current, and/or capacity can be easily adapted for each space mission. Such battery modules can be connected together in a suitable manner and form battery systems with different voltage levels, and/or different power, and/or different energy content. For this purpose, the battery modules have the necessary connecting means for parallel and serial connection as well as communication means for communication with other battery modules or the battery system. Connecting means can be, for example, the connectors of the positive power connection and ground connection as well as connectors for data lines for controlling charge equalization of the battery cells.

Eine Regel- und Steuerungseinrichtung sowie eine Einheit zur Überwachung und/oder zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen kann vorteilhaft das Sammeln von Daten jeder einzelnen Batteriezelle und die Verarbeitung der Daten mit Algorithmen in dem Batteriemodul selbst ermöglichen. Aber auch die Kommunikation der Daten an die Erde ist möglich. Zusätzlich können einige Betriebsparameter, wie Heizen, Ladungsausgleich, im Betrieb angepasst werden. Vor allem ein adaptiver Ladungsausgleich, bei dem die Ladeschlussspannung verändert werden kann, ist für den Betrieb von Satelliten oder Raumfahrzeugen von Bedeutung. Hier kann anfangs eine niedrigere Ladeschlussspannung die Lebensdauer der Batteriezellen erhöhen. Später im Lebenszyklus des Satelliten oder Raumfahrzeugs kann eine höhere Ladeschlussspannung die Einsatzzeit des Satelliten oder Raumfahrzeugs erhöhen, indem mehr Energie bereitgestellt wird.A control and regulation device as well as a unit for monitoring and/or balancing the charge between the battery cells can advantageously enable the collection of data from each individual battery cell and the processing of the data with algorithms in the battery module itself. lichen. But the communication of data to the earth is also possible. In addition, some operating parameters, such as heating and charge balancing, can be adjusted during operation. Adaptive charge balancing, in which the end-of-charge voltage can be changed, is particularly important for the operation of satellites or spacecraft. Here, a lower end-of-charge voltage can initially increase the service life of the battery cells. Later in the life cycle of the satellite or spacecraft, a higher end-of-charge voltage can increase the operating time of the satellite or spacecraft by providing more energy.

Die Überwachung der Batteriezellen mittels der Einheit zur Überwachung und/oder Ladungsausgleich und Verarbeitung der Daten in der Regel- und/oder Steuerungseinrichtung ermöglichen es, zur Bestimmung des Ladezustands (State Of Charge = SOC) und des Alterungszustands der Batteriezellen (State Of Health = SOH) komplexe Algorithmen einzusetzen. SOC und SOH geben dem Betreiber, beispielsweise des Satelliten, Einblicke in den Zustand der Batteriezellen sowie des gesamten Batteriesystems. Der Betreiber erhält so günstigerweise detaillierte Informationen, welche Ladung für den aktuellen Betrieb noch verfügbar ist bzw. über welchen Zeitraum der Satellit noch sicher betrieben werden kann. Vorteilhaft können so auch komplexere Verschaltungen für die Raumfahrt mit vertretbarem Aufwand qualifiziert werden.Monitoring the battery cells using the monitoring and/or charge balancing unit and processing the data in the control and/or regulating device makes it possible to use complex algorithms to determine the state of charge (SOC) and the state of health (SOH) of the battery cells. SOC and SOH give the operator, for example of the satellite, insight into the state of the battery cells and the entire battery system. The operator thus receives detailed information about which charge is still available for current operation and for what period the satellite can still be operated safely. This also makes it possible to qualify more complex circuits for space travel with reasonable effort.

Die Trägerplatine, beispielsweise eine übliche Leiterplatte, dient als Basis des Batteriemoduls. Auf der Trägerplatine werden die elektronischen Komponenten angeordnet. Die Platine hat Anschlusspunkte für Batteriezellen, Spannungsversorgung, Masse, Kommunikation, Sensoren und Verschaltung mit anderen Batteriemodulen bzw. mit einem Batteriesystem.The carrier board, for example a standard circuit board, serves as the basis of the battery module. The electronic components are arranged on the carrier board. The board has connection points for battery cells, power supply, ground, communication, sensors and interconnection with other battery modules or with a battery system.

Die elektronischen Komponenten übernehmen gemeinsam Aufgaben wie beispielsweise eine Überwachung des Batteriemoduls und der Batteriezellen, beispielsweise mit Spannung, Strom, Temperatur. Weiter kann eine Analyse des Batteriemoduls erfolgen, beispielsweise eine Berechnung von SOC und SOH der Batteriezellen, und/oder ein Abgleich der Werte mit gesetzten Grenzen. Es kann ein Management des Batteriemoduls erfolgen mit einer Steuerung des Ladungsausgleichs sowie einem Heizen der Batteriezellen. Die elektronischen Komponenten übernehmen weiter eine Kommunikation der Daten nach außen sowie ein Verarbeiten von Kommandos von außen. Die Komponenten gewährleisten einen Schutz der Elektronik und der Batteriezellen vor Fehlern und/oder Kurzschlüssen in Halbleitern durch Strahlung aus dem All, sogenannten Single Event Effects bzw. können unter Umständen solche Fehler auch korrigieren.The electronic components jointly perform tasks such as monitoring the battery module and the battery cells, for example with voltage, current, temperature. The battery module can also be analyzed, for example calculating the SOC and SOH of the battery cells, and/or comparing the values with set limits. The battery module can be managed by controlling the charge balance and heating the battery cells. The electronic components also handle external data communication and processing commands from outside. The components ensure that the electronics and the battery cells are protected from errors and/or short circuits in semiconductors caused by radiation from space, so-called single event effects, and can also correct such errors under certain circumstances.

Die Trägerplatine kann weiter Haltevorrichtungen zur Aufnahme der Batteriezellen aufweisen, dient also auch als Strukturbauteil für die Batteriezellen. Außerdem kann die Trägerplatine auch Betriebskomponenten zur Überwachung und Steuerung des Thermalhaushalts der Batteriezellen aufweisen. Auf diese Weise stellt die Trägerplatine eine mechanische und thermische Stabilität des Batteriemoduls sicher.The carrier board can also have holding devices for holding the battery cells, thus also serving as a structural component for the battery cells. In addition, the carrier board can also have operating components for monitoring and controlling the thermal balance of the battery cells. In this way, the carrier board ensures mechanical and thermal stability of the battery module.

Vorteilhaft können die Batteriemodule beispielsweise stapelbar sein und somit den Aufbau eines kompakten Batteriesystems mit erweiterbarer Stromstärke und Kapazität ermöglichen.Advantageously, the battery modules can be stackable, for example, thus enabling the construction of a compact battery system with expandable current and capacity.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls kann die Trägerplatine erste und zweite Haltevorrichtungen aufweisen. Die Batteriezellen können zwischen je eine erste und eine zweite Haltevorrichtung eingespannt sein. Vorteilhaft können die ersten und zweiten Haltevorrichtungen die Batteriezellen an einander gegenüber liegenden Enden auf ihrem Umfang wenigstens bereichsweise umgreifen. Auf diese Weise lassen sich insbesondere Rundzellen sicher und mechanisch stabil aufnehmen. Auch Vibrationsanforderungen, wie in der Raumfahrt obligatorisch, können vorteilhaft damit erfüllt werden.According to a favorable design of the battery module, the carrier board can have first and second holding devices. The battery cells can be clamped between a first and a second holding device. The first and second holding devices can advantageously encompass the battery cells at opposite ends on their circumference, at least in some areas. In this way, round cells in particular can be accommodated safely and in a mechanically stable manner. Vibration requirements, such as those mandatory in space travel, can also be advantageously met in this way.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls kann jeweils eine der ersten Haltevorrichtungen an sich gegenüberliegenden Seitenrändern der Trägerplatine angeordnet sein. So können zwischen den ersten Haltevorrichtungen Batteriezellen vorteilhaft eingespannt sein.According to a favorable design of the battery module, one of the first holding devices can be arranged on opposite side edges of the carrier board. Battery cells can thus be advantageously clamped between the first holding devices.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls können die zweiten Haltevorrichtungen, insbesondere mittig, zwischen den ersten Haltevorrichtungen angeordnet sein. Vorteilhaft kann die zweite Haltevorrichtung zur Fixierung von an beiden Seiten der zweiten Haltevorrichtung angeordneten Batteriezellen ausgebildet sein. Dadurch lässt sich günstigerweise Bauraum und Gewicht einsparen.According to a favorable design of the battery module, the second holding devices can be arranged, in particular centrally, between the first holding devices. The second holding device can advantageously be designed to fix battery cells arranged on both sides of the second holding device. This advantageously saves installation space and weight.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls können die Batteriezellen liegend auf der Trägerplatine angeordnet sein. Insbesondere können die Batteriezellen als Rundzellen ausgebildet sein, Rundzellen können als kommerzielle Batteriezellen aus der Massenfertigung günstig eingesetzt werden.According to a favorable design of the battery module, the battery cells can be arranged horizontally on the carrier board. In particular, the battery cells can be designed as round cells; round cells can be used inexpensively as commercial battery cells from mass production.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls können die Batteriezellen bezüglich ihrer Längsachse nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sein, wobei die Batteriezellen auf der Trägerplatine elektrisch parallel und/oder seriell verschaltet oder verschaltbar sind. Dadurch ist ein modularer Aufbau des Batteriemoduls mit einer Vielzahl von Verschaltungsmöglichkeiten möglich. Auf diese Weise können leicht gewünschte Spannungslagen erreicht oder Kapazitätsanforderungen erfüllt werden.According to a favorable design of the battery module, the battery cells can be arranged next to each other and/or one behind the other with respect to their longitudinal axis, wherein the battery cells are electrically connected in parallel and/or in series on the carrier board. switched or interconnectable. This allows a modular design of the battery module with a variety of interconnection options. In this way, desired voltage levels can easily be achieved or capacity requirements can be met.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls können jeweils zwischen benachbarten Batteriezellen wenigstens bereichsweise Strukturelemente angeordnet sein, welche zur passiven Temperierung der Batteriezellen ausgebildet sind. Dabei können die Strukturelemente wenigstens bereichsweise einer äußeren Form der Batteriezellen angepasst sein. Insbesondere können die Strukturelemente bereichsweise eine Negativkontur der Batteriezellen aufweisen, und sich an die Batteriezellen anschmiegen. Metallische Strukturelemente können vorteilhaft Wärme abführen. Außerdem können Heizelemente, wie beispielsweise Heizwiderstände, günstigerweise an den Strukturelementen angeordnet oder sogar integriert sein. Damit kann der Thermalhaushalt der Batteriezellen vorteilhaft gesteuert werden.According to a favorable design of the battery module, structural elements can be arranged at least in some areas between adjacent battery cells, which are designed for passive temperature control of the battery cells. The structural elements can be adapted to an external shape of the battery cells at least in some areas. In particular, the structural elements can have a negative contour of the battery cells in some areas and nestle against the battery cells. Metallic structural elements can advantageously dissipate heat. In addition, heating elements, such as heating resistors, can advantageously be arranged on the structural elements or even integrated. This allows the thermal balance of the battery cells to be advantageously controlled.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls können die Strukturelemente in die Haltevorrichtungen integriert sein. Dadurch lässt sich vorteilhaft Bauraum sparen. Außerdem kann die Montage der Batteriemodule erleichtert werden.If the battery module is designed in a favorable way, the structural elements can be integrated into the holding devices. This saves installation space and can also make the assembly of the battery modules easier.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls kann die Trägerplatine ein oder mehrere Heizelemente aufweisen. Insbesondere können ein oder mehrere Heizelemente in die Strukturelemente integriert sein. Durch die Heizelemente können die Batteriezellen vorteilhaft auf die nötigen Betriebstemperaturen gebracht werden. Dieses Merkmal ist insbesondere für Raumfahrtanwendungen von großer Bedeutung, wenn der Satellit in von der Sonne abgewandten Positionen eine Abkühlung durch Strahlungsverluste erfährt.According to a favorable design of the battery module, the carrier board can have one or more heating elements. In particular, one or more heating elements can be integrated into the structural elements. The heating elements can advantageously bring the battery cells to the necessary operating temperatures. This feature is particularly important for space applications when the satellite experiences cooling due to radiation losses in positions facing away from the sun.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls kann jeweils ein Heizelement zum gleichzeitigen Heizen von wenigstens zwei auf der Trägerplatine benachbarten Batteriezellen vorgesehen sein. Dadurch lässt sich vorteilhaft die Anzahl der Bauteile und somit die Kosten reduzieren.According to a favorable design of the battery module, a heating element can be provided for simultaneously heating at least two adjacent battery cells on the carrier board. This advantageously reduces the number of components and thus the costs.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls kann die Trägerplatine ein oder mehrere Temperatursensoren aufweisen, welche zum thermischen Kontaktieren der Batteriezellen vorgesehen sind. Auf diese Weise kann vorteilhaft die Temperatur jeder Batteriezelle bestimmt und daraus ein detaillierter Überblick über den Zustand des Batteriemoduls gewonnen werden.According to a favorable design of the battery module, the carrier board can have one or more temperature sensors, which are provided for thermal contact with the battery cells. In this way, the temperature of each battery cell can advantageously be determined and a detailed overview of the condition of the battery module can be obtained from this.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls können Anschlusspole der Batteriezellen mittels Zellverbindern mit Strompfaden der Trägerplatine elektrisch verbunden sein. Die Batteriezellen lassen sich so flexibel und auf einfache Weise in gewünschter Verschaltung elektrisch kontaktieren.If the battery module is designed in a favorable way, the connection poles of the battery cells can be electrically connected to the current paths of the carrier board using cell connectors. The battery cells can thus be electrically contacted in the desired circuit in a flexible and simple manner.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls kann die Trägerplatine in wenigstens einem Freiraum zwischen den Batteriezellen wenigstens eine Einheit zur Überwachung und zum Ladungsausgleich der Batteriezellen aufweisen. So kann das Batteriemodul detailliert auf seinen Zustand überwacht werden. Ein Ladungsausgleich kann je nach eingesetzten elektronischen Komponenten passiv oder aktiv erfolgen. Bei einem passiven Ladungsausgleich werden alle Batteriezellen des Batteriemoduls auf die niedrigste Spannung einer Batteriezelle des Batteriemoduls eingestellt, indem überschüssige elektrische Ladung, beispielsweise in einem Widerstand, verbraucht wird. Bei einem aktiven Ladungsausgleich kann elektrische Ladung von einer Batteriezelle mit höherer Spannung zu einer Batteriezelle mit niedrigerer Spannung verschoben werden. Dadurch kann eine mittlere Spannung der Batteriezellen des Batteriemoduls eingestellt werden.According to an advantageous design of the battery module, the carrier board can have at least one unit for monitoring and charge balancing of the battery cells in at least one free space between the battery cells. In this way, the battery module can be monitored in detail for its condition. Charge balancing can be passive or active, depending on the electronic components used. With passive charge balancing, all battery cells of the battery module are set to the lowest voltage of a battery cell of the battery module by consuming excess electrical charge, for example in a resistor. With active charge balancing, electrical charge can be shifted from a battery cell with a higher voltage to a battery cell with a lower voltage. This makes it possible to set an average voltage of the battery cells of the battery module.

Vorteilhaft kann die Einheit zur Überwachung und zum Ladungsausgleich der Batteriezellen zum wählbaren Einstellen einer Ladeschlussspannung der Batteriezellen ausgebildet sein. Auf diese Weise kann ein adaptiver Ladungsausgleich der Batteriezellen erfolgen, bei dem die Ladeschlussspannung verändert werden kann. Hier kann beispielsweise zu Beginn der Mission eine niedrigere Ladeschlussspannung die Lebensdauer der Batteriezellen erhöhen. Später im Lebenszyklus des Satelliten kann eine höhere Ladeschlussspannung die Einsatzzeit des Satelliten erhöhen, indem mehr Energie bereitgestellt wird.Advantageously, the unit for monitoring and balancing the charge of the battery cells can be designed to selectably set a final charge voltage for the battery cells. In this way, an adaptive charge balancing of the battery cells can be carried out, in which the final charge voltage can be changed. Here, for example, at the start of the mission, a lower final charge voltage can increase the service life of the battery cells. Later in the life cycle of the satellite, a higher final charge voltage can increase the operational time of the satellite by providing more energy.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls kann die Trägerplatine in wenigstens einem Freiraum zwischen den Batteriezellen wenigstens eine Regel- und Steuerungseinrichtung, insbesondere einen Mikrocontroller, zur Steuerung eines Lade- und Entladebetriebs der Batteriezellen aufweisen.According to a favorable embodiment of the battery module, the carrier board can have at least one regulating and control device, in particular a microcontroller, for controlling a charging and discharging operation of the battery cells in at least one free space between the battery cells.

Insbesondere kann die Regel- und Steuerungseinrichtung zur Bestimmung eines Ladezustands und/oder eines Alterungszustands der Batteriezellen ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich das Batteriemodul detailliert überwachen und ein Gesamtzustand des Batteriemoduls mit einer Prognose für die weitere Lebensdauer der Batteriezellen bestimmen.In particular, the control and regulating device can be designed to determine a charge state and/or an aging state of the battery cells. In this way, the battery module can be monitored in detail and an overall state of the battery module can be determined with a forecast for the further service life of the battery cells.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls kann die Trägerplatine in wenigstens einem Freiraum zwischen den Batteriezellen wenigstens einen CAN-Transceiver zur Kommunikation mit anderen Batteriemodulen und/oder dem Batteriesystem aufweisen. CAN-Netzwerke sind insbesondere im Automobilbereich weit verbreitete Kommunikationsanwendungen, welche kostengünstig und sehr flexibel auch bei dem Batteriemodul eingesetzt werden können.According to a favorable design of the battery module, the carrier board can have at least one CAN transceiver in at least one free space between the battery cells for communication with other battery modules and/or the battery system. CAN networks are widely used communication applications, particularly in the automotive sector, which can also be used cost-effectively and very flexibly in the battery module.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriemoduls können die ersten und zweiten Haltevorrichtungen der Trägerplatine zur mechanischen Verbindung mit einer Trägerplatine eines darüber gestapelten weiteren Batteriemoduls und/oder einer Abschlussplatine ausgebildet sein. Die Haltevorrichtungen als Strukturbauteile des Batteriemoduls können günstig weitere gestapelte Batteriemodule aufnehmen und zu einem mechanisch stabilen Verbund führen.According to a favorable design of the battery module, the first and second holding devices of the carrier board can be designed for mechanical connection to a carrier board of another battery module stacked above it and/or a terminal board. The holding devices as structural components of the battery module can conveniently accommodate other stacked battery modules and lead to a mechanically stable assembly.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Batteriesystem eines Satelliten oder Raumfahrzeug vorgeschlagen, mit wenigstens zwei autark betreibbaren Batteriemodulen. Dabei sind die wenigstens zwei Batteriemodule baugleich ausgebildet und weisen jeweils eine Trägerplatine auf, auf der eine Mehrzahl von Batteriezellen sowie Betriebskomponenten zur Temperierung der Batteriezellen, zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen und zur Überwachung der Batteriezellen angeordnet sind.According to a further aspect of the invention, a battery system of a satellite or spacecraft is proposed, with at least two battery modules that can be operated independently. The at least two battery modules are of identical construction and each have a carrier board on which a plurality of battery cells and operating components for controlling the temperature of the battery cells, for balancing the charge between the battery cells and for monitoring the battery cells are arranged.

Weiterhin liegen Kommunikationsmittel auf der Trägerplatine zur Kommunikation mit dem Batteriesystem und dem wenigstens einen weiteren Batteriemodul im Batteriesystem vor. Die wenigstens zwei Batteriemodule sind mittels Verbindungsmittel, welche an der Trägerplatine angeordnet sind, seriell und/oder parallel elektrisch gekoppelt.Furthermore, there are communication means on the carrier board for communication with the battery system and the at least one further battery module in the battery system. The at least two battery modules are electrically coupled in series and/or in parallel by means of connecting means which are arranged on the carrier board.

Dabei bildet ein Batteriemodul insbesondere ein Basismodul, von dem ausgehend durch Anfügen weiterer, vorzugsweise baugleicher Batteriemodule verschiedenartige Batteriesysteme mit größerer elektrischer Leistung und/oder größerer elektrischer Spannung und/oder elektrischer Kapazität gebildet werden können. Dabei kann das Batteriemodul für den Einsatz in einem Satelliten oder Raumfahrzeug qualifiziert sein. Dadurch kann eine weitere, üblicherweise sehr aufwändige Qualifizierung, von aus derartigen baugleichen Batteriemodulen aufgebauten Batteriesystemen entfallen.In this case, a battery module forms in particular a base module from which different types of battery systems with greater electrical power and/or greater electrical voltage and/or electrical capacity can be formed by adding further, preferably identical battery modules. The battery module can be qualified for use in a satellite or spacecraft. This means that further, usually very complex, qualification of battery systems constructed from such identical battery modules can be omitted.

Vorteilhaft lässt sich das vorgeschlagene Batteriesystem für Raumfahrt-Anwendungen wie Satelliten, mit kommerziellen Komponenten realisieren, auch als Commercial Off-The-Shelf (COTS) Komponenten bezeichnet.The proposed battery system for space applications such as satellites can advantageously be implemented with commercial components, also known as Commercial Off-The-Shelf (COTS) components.

Das vorgeschlagene Batteriesystem ist modular aufgebaut und skalierbar, da es autark betreibbare Batteriemodule aufweist, die jeweils parallel und/oder seriell verschaltet werden können. Damit kann Spannung, und/oder Strom, und/oder Kapazität des Batteriesystems für jede Raumfahrt-Mission einfach angepasst werden. Die Batteriemodule können in geeigneter Weise zusammengeschaltet werden und Batteriesysteme mit unterschiedlichen Spannungslagen, und/oder unterschiedlicher Leistung, und/oder unterschiedlichem Energieinhalt bilden.The proposed battery system is modular and scalable, as it has battery modules that can be operated independently and can be connected in parallel and/or series. This means that the voltage and/or current and/or capacity of the battery system can be easily adapted for each space mission. The battery modules can be connected together in a suitable manner and form battery systems with different voltage levels and/or different power and/or different energy content.

Dazu weisen die Batteriemodule die jeweiligen Schnittstellen zu einer parallelen und seriellen Verschaltung sowie zur Kommunikation mit anderen Batteriemodulen bzw. dem Batteriesystem auf. Dazu weisen die Batteriemodule die nötigen Verbindungsmittel zu einer parallelen und seriellen Verschaltung sowie Kommunikationsmittel zur Kommunikation mit anderen Batteriemodulen bzw. dem Batteriesystem auf. Verbindungsmittel können beispielsweise die Steckverbinder des positiven Stromanschlusses und Masseanschlusses sowie Steckverbinder für Datenleitungen zum Steuern eines Ladungsausgleichs der Batteriezellen sein.For this purpose, the battery modules have the respective interfaces for parallel and serial connections and for communication with other battery modules or the battery system. For this purpose, the battery modules have the necessary connection means for parallel and serial connections and communication means for communication with other battery modules or the battery system. Connection means can be, for example, the connectors for the positive power connection and ground connection as well as connectors for data lines for controlling charge equalization of the battery cells.

Vorteilhaft kann eine Regel- und Steuerungseinrichtung sowie eine Einheit zur Überwachung und/oder zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen vorteilhaft das Sammeln von Daten jeder einzelnen Batteriezelle und die Verarbeitung der Daten mit Algorithmen in dem wenigstens einen Batteriemodul selbst ermöglichen. Aber auch die Kommunikation der Daten an die Erde ist möglich. Zusätzlich können einige Betriebsparameter, wie Heizen, Ladungsausgleich, im Betrieb angepasst werden. Vor allem ein adaptiver Ladungsausgleich, bei dem die Ladeschlussspannung verändert werden kann, ist für den Betrieb von Satelliten oder Raumfahrzeugen von Bedeutung. Hier kann anfangs eine niedrigere Ladeschlussspannung die Lebensdauer der Batteriezellen erhöhen. Später im Lebenszyklus des Satelliten oder Raumfahrzeugs kann eine höhere Ladeschlussspannung die Einsatzzeit des Satelliten oder Raumfahrzeugs erhöhen, indem mehr Energie bereitgestellt wird. Advantageously, a control and regulation device and a unit for monitoring and/or charge balancing between the battery cells can advantageously enable the collection of data from each individual battery cell and the processing of the data with algorithms in the at least one battery module itself. However, communication of the data to Earth is also possible. In addition, some operating parameters, such as heating, charge balancing, can be adjusted during operation. Adaptive charge balancing, in which the end-of-charge voltage can be changed, is particularly important for the operation of satellites or spacecraft. Here, a lower end-of-charge voltage can initially increase the service life of the battery cells. Later in the life cycle of the satellite or spacecraft, a higher end-of-charge voltage can increase the operating time of the satellite or spacecraft by providing more energy.

Die Überwachung der Batteriezellen mittels der Einheit zur Überwachung und/oder Ladungsausgleich und Verarbeitung der Daten in der Regel- und/oder Steuerungseinrichtung ermöglichen es, zur Bestimmung des Ladezustands (State of charge = SOC) und des Alterungszustands der Batteriezellen (State of health = SOH) komplexe Algorithmen einzusetzen. SOC und SOH geben dem Betreiber, beispielsweise des Satelliten, Einblicke in den Zustand der Batteriezellen sowie des gesamten Batteriesystems. Der Betreiber erhält so günstigerweise detaillierte Informationen, welche Ladung für den aktuellen Betrieb noch verfügbar ist bzw. über welchen Zeitraum der Satellit noch sicher betrieben werden kann. Vorteilhaft können so auch komplexere Verschaltungen für die Raumfahrt mit vertretbarem Aufwand qualifiziert werden.Monitoring the battery cells using the monitoring and/or charge balancing unit and processing the data in the control and/or regulating device makes it possible to use complex algorithms to determine the state of charge (SOC) and the state of health (SOH) of the battery cells. SOC and SOH give the operator, for example of the satellite, insight into the state of the battery cells and the entire battery system. The operator thus conveniently receives detailed information on which charge is required for the current operation is still available or over what period the satellite can still be operated safely. This also makes it possible to qualify more complex circuits for space travel with reasonable effort.

Die Trägerplatine, beispielsweise eine übliche Leiterplatte, dient als Basis des Batteriemoduls. Auf der Trägerplatine werden die elektronischen Komponenten angeordnet. Die Platine hat Anschlusspunkte für Batteriezellen, Spannungsversorgung, Masse, Kommunikation, Sensoren und Verschaltung mit anderen Batteriemodulen bzw. mit dem Batteriesystem.The carrier board, for example a standard circuit board, serves as the basis of the battery module. The electronic components are arranged on the carrier board. The board has connection points for battery cells, power supply, ground, communication, sensors and interconnection with other battery modules or with the battery system.

Die elektronischen Komponenten übernehmen gemeinsam Aufgaben wie beispielsweise eine Überwachung des Batteriesystems mit seinen Batteriemodulen und deren Batteriezellen, beispielsweise mit Spannung, Strom, Temperatur. Weiter kann eine Analyse des Batteriemoduls erfolgen, beispielsweise eine Berechnung von SOC und SOH der Batteriezellen, und/oder ein Abgleich der Werte mit gesetzten Grenzen. Es kann ein Management des Batteriemoduls erfolgen mit einer Steuerung des Ladungsausgleichs sowie einem Heizen der Batteriezellen.The electronic components jointly perform tasks such as monitoring the battery system with its battery modules and their battery cells, for example with voltage, current, temperature. The battery module can also be analyzed, for example calculating the SOC and SOH of the battery cells, and/or comparing the values with set limits. The battery module can be managed by controlling the charge balance and heating the battery cells.

Die elektronischen Komponenten übernehmen weiter eine Kommunikation der Daten nach außen sowie ein Verarbeiten von Kommandos von außen. Die Komponenten gewährleisten einen Schutz der Elektronik und der Batteriezellen vor Fehlern und/oder Kurzschlüssen in Halbleitern durch Strahlung aus dem All, sogenannten Single Event Effects bzw. können unter Umständen solche Fehler auch korrigieren.The electronic components also handle external data communication and processing commands from the outside. The components ensure that the electronics and battery cells are protected from errors and/or short circuits in semiconductors caused by radiation from space, so-called single event effects, and can also correct such errors under certain circumstances.

Die Trägerplatine kann weiter Haltevorrichtungen zur Aufnahme der Batteriezellen aufweisen, dient also auch als Strukturbauteil für die Batteriezellen. Außerdem kann die Trägerplatine auch Betriebskomponenten zur Überwachung und Steuerung des Thermalhaushalts der Batteriezellen aufweisen. Auf diese Weise stellt die Trägerplatine eine mechanische und thermische Stabilität des Batteriemoduls sicher.The carrier board can also have holding devices for holding the battery cells, thus also serving as a structural component for the battery cells. In addition, the carrier board can also have operating components for monitoring and controlling the thermal balance of the battery cells. In this way, the carrier board ensures mechanical and thermal stability of the battery module.

Vorteilhaft können die Batteriemodule in dem Batteriesystem stapelbar sein und somit den Aufbau eines kompakten Batteriesystems mit erweiterbarer Stromstärke und Kapazität ermöglichen.Advantageously, the battery modules in the battery system can be stackable, thus enabling the construction of a compact battery system with expandable current and capacity.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriesystems können die wenigstens zwei Batteriemodule in einem Batteriegehäuse angeordnet sein. Insbesondere kann wenigstens eines der Batteriemodule mit einer Abschlussplatine abgeschlossen sein, welche an einer Haltevorrichtung des wenigstens einen Batteriemoduls angeordnet ist. Insbesondere kann dabei das in einer Stapelrichtung oberste Batteriemodul mit der Abschlussplatine abgeschlossen sein. Ein solches Batteriegehäuse aus beispielsweise zwei Gehäuseteilen kann günstig montiert werden. Die Abschlussplatine stellt dabei einen Deckel für das oberste Batteriemodul dar. Dadurch lassen sich die Batteriemodule auf einfache Weise beispielsweise bei einem Fehler oder zur Veränderung von erforderlichen Verschaltungen leicht ausbauen oder austauschen.According to a favorable embodiment of the battery system, the at least two battery modules can be arranged in a battery housing. In particular, at least one of the battery modules can be closed with a termination board, which is arranged on a holding device of the at least one battery module. In particular, the uppermost battery module in a stacking direction can be closed with the termination board. Such a battery housing made of, for example, two housing parts can be assembled favorably. The termination board represents a cover for the uppermost battery module. This makes it easy to remove or replace the battery modules, for example in the event of a fault or to change the required connections.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriesystems kann das Batteriegehäuse jeweils Halterungen zur Fixierung mit einer Montageplatte, insbesondere mit einer Montageplatte des Satelliten oder Raumfahrzeugs, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Batteriegehäuse wenigstens einen elektrischen Steckverbinder zur Stromversorgung und/oder zur Übertragung von Daten aufweisen. Die Gehäuseteile können so einfach beispielsweise auf einer Plattform eines Satelliten montiert und elektrisch angeschlossen werden.According to a favorable embodiment of the battery system, the battery housing can have holders for fixing to a mounting plate, in particular to a mounting plate of the satellite or spacecraft. Alternatively or additionally, the battery housing can have at least one electrical connector for power supply and/or for transmitting data. The housing parts can thus be easily mounted on a platform of a satellite and electrically connected, for example.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Batteriesystems kann die Abschlussplatine wenigstens einen elektrischen Anschluss für eine Onboard-Datenverbindung und/oder einen elektrischen Anschluss zum Programmieren einer Regel- und Steuerungseinrichtung, insbesondere eines Mikrocontrollers, aufweisen. Über die Abschlussplatine kann mit dem Batteriesystem auf einfache Weise elektrisch kommuniziert werden. Außerdem lassen sich vorteilhaft Konfigurationen und Programmierungen vornehmen.According to a favorable embodiment of the battery system, the terminating board can have at least one electrical connection for an onboard data connection and/or an electrical connection for programming a control and regulation device, in particular a microcontroller. Electrical communication with the battery system can be carried out in a simple manner via the terminating board. In addition, configurations and programming can be carried out advantageously.

Vorteilhaft kann zum Betreiben eines autark betreibbaren Batteriemoduls eine Ladeschlussspannung der Batteriezellen nach Betriebsparametern gewählt werden und/oder mittels einer Einheit zur Überwachung und zum Ladungsausgleich von Batteriezellen eingestellt werden. Vor allem ein adaptiver Ladungsausgleich, bei dem die Ladeschlussspannung verändert werden kann, ist für den Betrieb von Satelliten von Bedeutung. Hier kann anfangs eine niedrigere Ladeschlussspannung die Lebensdauer der Batteriezellen erhöhen. Später im Lebenszyklus des Satelliten kann eine höhere Ladeschlussspannung die Einsatzzeit des Satelliten erhöhen, indem mehr Energie bereitgestellt wird.To operate a battery module that can be operated independently, the end-of-charge voltage of the battery cells can advantageously be selected according to operating parameters and/or set using a unit for monitoring and balancing the charge of battery cells. Adaptive charge balancing, in which the end-of-charge voltage can be changed, is particularly important for the operation of satellites. Here, a lower end-of-charge voltage can initially increase the service life of the battery cells. Later in the life cycle of the satellite, a higher end-of-charge voltage can increase the operating time of the satellite by providing more energy.

Vorteilhaft kann ein Lade- und Entladebetrieb der Batteriezellen mittels wenigstens einer Regel- und Steuerungseinrichtung, insbesondere mittels eines Mikrocontrollers, gesteuert und/oder geregelt werden. Insbesondere kann dabei ein Ladezustand und/oder ein Alterungszustand der Batteriezellen mittels der Regel- und Steuerungseinrichtung bestimmt werden. Insbesondere kann die Regel- und Steuerungseinrichtung zur Bestimmung eines Ladezustands und/oder eines Alterungszustands der Batteriezellen ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich das wenigstens eine Batteriemodul detailliert überwachen und ein Gesamtzustand des Batteriesystems mit einer Prognose für die weitere Lebensdauer der Batteriezellen bestimmen.Advantageously, a charging and discharging operation of the battery cells can be controlled and/or regulated by means of at least one regulating and control device, in particular by means of a microcontroller. In particular, a charge state and/or an aging state of the battery cells can be determined by means of the regulating and control device. In particular, the regulating and control device can be designed to determine a charge state and/or an aging state of the battery cells. In this way At least one battery module can be monitored in detail and an overall condition of the battery system can be determined with a forecast for the further service life of the battery cells.

Vorteilhaft kann ein Batteriemodul mit anderen Batteriemodulen und/oder einem Batteriesystem mittels wenigstens eines CAN-Netzwerks kommunizieren. CAN-Netzwerke sind insbesondere im Automobilbereich weit verbreitete Kommunikationsanwendungen, welche kostengünstig und sehr flexibel auch bei dem Batteriesystem eingesetzt werden können.Advantageously, a battery module can communicate with other battery modules and/or a battery system using at least one CAN network. CAN networks are widely used communication applications, particularly in the automotive sector, and can also be used cost-effectively and very flexibly in the battery system.

Vorteilhaft können Betriebsparameter des Batteriemoduls, insbesondere ein Ladezustand und/oder ein Alterungszustand, mit anderen Batteriemodulen ausgetauscht werden. Auf diese Weise kann das Batteriesystem durch Anpassen der Betriebsparameter einzelner Batteriemodule möglichst günstig betrieben werden.Advantageously, operating parameters of the battery module, in particular a charge state and/or an aging state, can be exchanged with other battery modules. In this way, the battery system can be operated as economically as possible by adjusting the operating parameters of individual battery modules.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems mit wenigstens zwei autark betreibbaren Batteriemodulen vorgeschlagen, wobei Ladeschlussspannungen der Batteriezellen von Batteriemodulen nach Betriebsparametern gewählt werden und/oder mittels einer Einheit zur Überwachung und zum Ladungsausgleich von Batteriezellen wenigstens eines Batteriemoduls eingestellt werden.According to a further aspect of the invention, a method for operating a battery system with at least two independently operable battery modules is proposed, wherein final charge voltages of the battery cells of battery modules are selected according to operating parameters and/or are set by means of a unit for monitoring and charge balancing of battery cells of at least one battery module.

Vor allem ein adaptiver Ladungsausgleich, bei dem die Ladeschlussspannung verändert werden kann, ist für den Betrieb von Satelliten von Bedeutung. Hier kann anfangs eine niedrigere Ladeschlussspannung die Lebensdauer der Batteriezellen erhöhen. Später im Lebenszyklus des Satelliten kann eine höhere Ladeschlussspannung die Einsatzzeit des Satelliten erhöhen, indem mehr Energie bereitgestellt wird.Adaptive charge balancing, where the end-of-charge voltage can be changed, is particularly important for satellite operation. Here, a lower end-of-charge voltage can initially increase the service life of the battery cells. Later in the satellite's life cycle, a higher end-of-charge voltage can increase the satellite's operating time by providing more energy.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine externe Kommunikation des Batteriesystems und/oder eine interne Kommunikation zwischen den Batteriemodulen über wenigstens ein CAN-Netzwerk durchgeführt werden. CAN-Netzwerke sind insbesondere im Automobilbereich weit verbreitete Kommunikationsanwendungen, welche kostengünstig und sehr flexibel auch bei dem Batteriesystem eingesetzt werden können.According to a favorable embodiment of the method, external communication of the battery system and/or internal communication between the battery modules can be carried out via at least one CAN network. CAN networks are widely used communication applications, particularly in the automotive sector, which can also be used in the battery system in a cost-effective and very flexible manner.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Lade- und Entladebetrieb der Batteriezellen mittels einer verteilten Kommunikation mit Regel- und Steuerungseinrichtungen der einzelnen Batteriemodule gesteuert und/oder geregelt werden. Insbesondere kann dabei ein Ladezustand und/oder ein Alterungszustand der Batteriezellen mittels der Regel- und Steuerungseinrichtungen der einzelnen Batteriemodule bestimmt werden. Auf diese Weise lässt sich das Batteriesystem detailliert überwachen und der weitere Betrieb des Satelliten über die Lebensdauer des Batteriesystems möglichst günstig sicherstellen.According to a favorable embodiment of the method, charging and discharging of the battery cells can be controlled and/or regulated by means of distributed communication with control and regulation devices of the individual battery modules. In particular, a charge state and/or an aging state of the battery cells can be determined by means of the control and regulation devices of the individual battery modules. In this way, the battery system can be monitored in detail and the continued operation of the satellite over the service life of the battery system can be ensured as inexpensively as possible.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine gegenseitige Überprüfung der einzelnen Batteriemodule, insbesondere über einen Ladezustand und/oder einen Alterungszustand, über die Regel und Steuerungseinrichtungen der Batteriemodule durchgeführt werden. Auf diese Weise kann eine günstige Redundanz bei der Überwachung und Steuerung des Batteriesystems erreicht werden. Dieses ist gerade bei Raumfahrtanwendungen von besonderer Bedeutung, da mitunter über die Lebensdauer des Satelliten durch die Einwirkungen der Umgebung im All Ausfälle einzelner elektronischer Komponenten nicht auszuschließen sind.According to a favorable design of the method, a mutual check of the individual battery modules, in particular regarding a charge level and/or an aging level, can be carried out via the control and regulation devices of the battery modules. In this way, a favorable redundancy in the monitoring and control of the battery system can be achieved. This is particularly important in space applications, since failures of individual electronic components cannot be ruled out over the service life of the satellite due to the effects of the environment in space.

Zeichnungdrawing

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawings. The figures show embodiments of the invention. The figures, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently consider the features individually and combine them into further useful combinations.

Es zeigen beispielhaft:

  • 1 eine schematische Seitenansicht eines stapelbaren Batteriemoduls für ein Batteriesystem, insbesondere eines Satelliten, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 eine isometrische Ansicht eines stapelbaren Batteriemoduls mit einer Abschlussplatine nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 3 eine Seitenansicht des Batteriemoduls nach 2;
  • 4 eine andere Seitenansicht des Batteriemoduls nach 2;
  • 5 einen Querschnitt des Batteriemoduls entlang der Schnittlinie A-A nach 4;
  • 6 eine isometrische Darstellung einer Trägerplatine eines Batteriemoduls nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 7 eine Draufsicht auf eine Oberseite der Trägerplatine nach 6;
  • 8 eine Draufsicht auf eine Unterseite der Trägerplatine nach 6;
  • 9 eine Seitenansicht der Trägerplatine nach 6;
  • 10 eine isometrische Darstellung eines Batteriesystems für einen Satelliten mit zwei Batteriemodulen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 11 eine Seitenansicht des Batteriesystems nach 10;
  • 12 eine andere Seitenansicht des Batteriesystems nach 10;
  • 13 einen Querschnitt des Batteriesystems entlang der Schnittlinie A-A nach 12;
  • 14 eine elektrische Verschaltung von zwei Batteriemodulen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 15 Schnittstellen von zwei Batteriemodulen in einem Batteriesystem nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 16 ein Funktionsdiagramm einer Regel- und Steuerungseinrichtung eines Batteriemoduls; und
  • 17 ein Systemdiagramm eines Batteriemoduls nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Examples include:
  • 1 a schematic side view of a stackable battery module for a battery system, in particular a satellite, according to an embodiment of the invention;
  • 2 an isometric view of a stackable battery module with a termination board according to an embodiment of the invention;
  • 3 a side view of the battery module after 2 ;
  • 4 another side view of the battery module 2 ;
  • 5 a cross-section of the battery module along the section line AA to 4 ;
  • 6 an isometric representation of a carrier board of a battery module according to an embodiment of the invention;
  • 7 a top view of a top side of the carrier board after 6 ;
  • 8th a top view of a bottom side of the carrier board after 6 ;
  • 9 a side view of the carrier board after 6 ;
  • 10 an isometric representation of a battery system for a satellite with two battery modules according to an embodiment of the invention;
  • 11 a side view of the battery system after 10 ;
  • 12 another side view of the battery system 10 ;
  • 13 a cross-section of the battery system along the section line AA to 12 ;
  • 14 an electrical connection of two battery modules according to an embodiment of the invention;
  • 15 Interfaces of two battery modules in a battery system according to an embodiment of the invention;
  • 16 a functional diagram of a control and regulation device of a battery module; and
  • 17 a system diagram of a battery module according to an embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.In the figures, components of the same type or with the same effect are numbered with the same reference symbols. The figures show only examples and are not to be understood as limiting.

Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.Directional terminology used below with terms such as "left", "right", "top", "bottom", "before", "behind", "after" and the like is intended only to facilitate understanding of the figures and is in no way intended to limit the scope. The components and elements shown, their design and use may vary in accordance with the considerations of a person skilled in the art and may be adapted to the respective applications.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines stapelbaren Batteriemoduls 10 für ein Batteriesystem 100, insbesondere eines Satelliten, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 shows a schematic side view of a stackable battery module 10 for a battery system 100, in particular a satellite, according to an embodiment of the invention.

Der Übersichtlichkeit halber sind in den Figuren Bezugszeichen jeweils nur exemplarisch an einzelnen Bauteilen und nicht an allen gleichen Bauteilen angebracht.For the sake of clarity, reference symbols in the figures are only used as examples for individual components and not for all identical components.

Das Batteriemodul 10 weist eine Mehrzahl von Batteriezellen 12 auf, welche auf einer Trägerplatine 20 angeordnet sind. In der Seitenansicht sind davon vier Batteriezellen 12 erkennbar. Die Batteriezellen 12 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Rundzellen ausgebildet und liegend auf der Trägerplatine 20 fixiert. Die Batteriezellen 12 weisen an den Stirnseiten Anschlusspole 19 auf, welche über Zellverbinder 32 mit Strompfaden der Trägerplatine 20 elektrisch verbunden sind. An der Oberseite in Stapelrichtung 50 ist das Batteriemodul 10 mit einer Abschlussplatine 40 abgeschlossen.The battery module 10 has a plurality of battery cells 12, which are arranged on a carrier board 20. Four of these battery cells 12 can be seen in the side view. The battery cells 12 in the embodiment shown are designed as round cells and are fixed horizontally on the carrier board 20. The battery cells 12 have connection poles 19 on the front sides, which are electrically connected to current paths of the carrier board 20 via cell connectors 32. The battery module 10 is closed off with a closure board 40 on the top side in the stacking direction 50.

Die Trägerplatine 20 weist Betriebskomponenten 88 zur Temperierung der Batteriezellen 12, zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen 12, zur Überwachung der Batteriezellen 12 sowie Kommunikationsmittel 37 (6) zur Kommunikation mit anderen Batteriemodulen 10 und/oder dem Batteriesystem 100 auf.The carrier board 20 has operating components 88 for controlling the temperature of the battery cells 12, for balancing the charge between the battery cells 12, for monitoring the battery cells 12 and communication means 37 ( 6 ) for communication with other battery modules 10 and/or the battery system 100.

Auf der Trägerplatine 20 sind verschiedene Elektronikbauteile 46 angeordnet. Jeweils an den Batteriezellen 12 sind Temperatursensoren 30 angebracht, die direkt mit einem Gehäuse der Batteriezellen 12 thermisch gekoppelt sind.Various electronic components 46 are arranged on the carrier board 20. Temperature sensors 30 are attached to each of the battery cells 12 and are thermally coupled directly to a housing of the battery cells 12.

Weiter sind an der Trägerplatine 20 Verbindungsmittel 33 zur elektrischen seriellen und/oder parallelen Kopplung mit einem oder mehreren weiteren gleichartigen, insbesondere baugleichen, Batteriemodulen 10 angeordnet. Verbindungsmittel 33 können beispielsweise die Steckverbinder 70, 74 des positiven Stromanschlusses und Masseanschlusses sowie Steckverbinder 92 für Datenleitungen zum Steuern eines Ladungsausgleichs der Batteriezellen sein.Furthermore, connecting means 33 for electrical serial and/or parallel coupling with one or more other similar, in particular identical, battery modules 10 are arranged on the carrier board 20. Connecting means 33 can be, for example, the plug connectors 70, 74 of the positive power connection and ground connection as well as plug connectors 92 for data lines for controlling charge equalization of the battery cells.

Es können einerseits Batteriemodule 10 parallel geschaltet werden, indem die Steckverbinder 70 des positiven Stromanschlusses jedes Batteriemoduls verbunden werden und die Steckverbinder 74 des Masseanschlusses jedes Batteriemoduls 10 verbunden werden.On the one hand, battery modules 10 can be connected in parallel by connecting the connectors 70 of the positive power connection of each battery module and connecting the connectors 74 of the ground connection of each battery module 10.

Zusätzlich können Batteriemodule 10 seriell verschaltet werden, indem der Steckverbinder 74 des Masseanschlusses des ersten Batteriemoduls als Masse des Batteriesystems 100 arbeitet. Der Steckverbinder 70 des positiven Stromanschlusses des ersten Batteriemoduls 10 wird dann mit dem Steckverbinder 74 des Masseanschlusses des nächsten Batteriemoduls 10 verschaltet und so weiter. Der Steckverbinder 70 des positiven Stromanschlusses des letzten Batteriemoduls 10 dient dann als positiver Stromanschluss des Batteriesystems. Außerdem kommunizieren/synchronisieren die Module 10 im Falle einer seriellen Verschaltung über die Steckverbinder 92 für Datenleitungen den Ladungsausgleich der Einheit 34 zur Überwachung und/oder zum Ladungsausgleich.Additionally, battery modules 10 may be connected in series by having the ground connector 74 of the first battery module act as the ground of the battery system 100. The positive power connector 70 of the first battery module 10 is then connected to the ground connector 74 of the next battery module 10, and so on. The positive power connector 70 of the last battery module 10 then serves as the positive power connector of the battery system. Additionally, when connected in series, the modules 10 communicate/synchronize the charge balance of the unit 34 for monitoring and/or charge balancing via the data line connectors 92.

Zwischen den Batteriezellen 12, jedoch mit diesen in thermischem Kontakt, sind Strukturelemente 26 angeordnet, welche zum Abführen von Wärme aus den Batteriezellen 12 sowie zum Heizen der Batteriezellen 12 dienen. Dazu können beispielsweise in den Strukturelementen 26 Heizelemente 28 integriert sein. Die Strukturelemente 26 sind dazu der äußeren Form der Batteriezellen 12 angepasst und schmiegen sich an die Batteriezellen 12 an.Between the battery cells 12, but in thermal contact with them, structural elements 26 are arranged, which are used to dissipate heat from the battery cells 12 and to heat of the battery cells 12. For this purpose, heating elements 28 can be integrated into the structural elements 26, for example. The structural elements 26 are adapted to the external shape of the battery cells 12 and nestle against the battery cells 12.

In 2 ist eine isometrische Ansicht eines Batteriemoduls 10 mit einer Abschlussplatine 40 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. 3 zeigt eine Seitenansicht des Batteriemoduls 10 nach 2, während in 4 eine andere Seitenansicht des Batteriemoduls 10 nach 2 und in 5 ein Querschnitt des Batteriemoduls 10 entlang der Schnittlinie A-A nach 4 dargestellt ist.In 2 is an isometric view of a battery module 10 with a termination board 40 according to an embodiment of the invention. 3 shows a side view of the battery module 10 after 2 , while in 4 another side view of the battery module 10 after 2 and in 5 a cross section of the battery module 10 along the section line AA according to 4 is shown.

Das Batteriemodul 10 umfasst acht Batteriezellen 12, von denen jeweils vier Batteriezellen 12 nebeneinander angeordnet sind. Die Batteriezellen 12 sind als Rundzellen 12 ausgebildet, welche auf der Trägerplatine 20 liegend angeordnet sind. Wie insbesondere in 4 erkennbar ist, sind die Batteriezellen 12 bezüglich einer Längsachse 14 nebeneinander und hintereinander angeordnet. Dabei können die Batteriezellen 12 jeweils elektrisch parallel oder seriell verschaltet sein.The battery module 10 comprises eight battery cells 12, of which four battery cells 12 are arranged next to each other. The battery cells 12 are designed as round cells 12, which are arranged lying on the carrier board 20. As shown in particular in 4 As can be seen, the battery cells 12 are arranged next to one another and one behind the other with respect to a longitudinal axis 14. The battery cells 12 can be electrically connected in parallel or in series.

Die Trägerplatine 20 weist erste und zweite Haltevorrichtungen 22, 24 auf, mittels welcher die Batteriezellen 12 auf der Trägerplatine 20 fixiert sind. Die ersten Haltevorrichtungen sind an beiden Seitenrändern 16, 18 der Trägerplatine 20 angeordnet. Eine zweite Haltevorrichtung 24 in der Mitte des Batteriemoduls 10, wie in 4 erkennbar ist, ist zur Fixierung von an beiden Seiten der Haltevorrichtung 24 angeordneten Batteriezellen 12 ausgebildet.The carrier board 20 has first and second holding devices 22, 24, by means of which the battery cells 12 are fixed on the carrier board 20. The first holding devices are arranged on both side edges 16, 18 of the carrier board 20. A second holding device 24 in the middle of the battery module 10, as in 4 can be seen, is designed to fix battery cells 12 arranged on both sides of the holding device 24.

Die Haltevorrichtungen 22, 24 umgreifen die Batteriezellen 12 an einander gegenüber liegenden Seitenrändern 16, 18 der Trägerplatine 20 auf ihrem Umfang wenigstens bereichsweise, sodass die Batteriezellen 12 auf der Trägerplatine 12 sicher fixiert sind.The holding devices 22, 24 encompass the battery cells 12 on opposite side edges 16, 18 of the carrier board 20 on their circumference at least in regions, so that the battery cells 12 are securely fixed on the carrier board 12.

An der Oberseite des Batteriemoduls 10 in der Abschlussplatine 40 sind Montagebohrungen 66 angeordnet, mittels welcher weitere Batteriemodule 10 übereinander gestapelt angeordnet werden können. Ebenfalls in der Abschlussplatine 40 sind Schlitze als Aufnahme für Zellverbinder 32 zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezellen 12 zu erkennen.Mounting holes 66 are arranged on the top side of the battery module 10 in the end plate 40, by means of which further battery modules 10 can be arranged stacked on top of one another. Slots can also be seen in the end plate 40 as a receptacle for cell connectors 32 for electrically contacting the battery cells 12.

Die an den beiden Enden des Batteriemoduls 10 angeordneten Haltevorrichtungen 22 weisen Montagebohrungen 62 zur mechanischen Verbindung des Batteriemoduls 10 mit einem Gehäuseteil 110, 112 eines Batteriesystems 100 (siehe 10) auf. Zur Gewichtsersparnis sind die Haltevorrichtungen 22 mit Aussparungen 60 durchbrochen.The holding devices 22 arranged at the two ends of the battery module 10 have mounting holes 62 for mechanically connecting the battery module 10 to a housing part 110, 112 of a battery system 100 (see 10 ). To save weight, the holding devices 22 are perforated with recesses 60.

Derartige Batteriemodule 10 können in geeigneter Weise zusammengeschaltet werden und Batteriesysteme 100 mit unterschiedlichen Spannungslagen, unterschiedlicher Leistung, und/oder unterschiedlichem Energieinhalt bilden.Such battery modules 10 can be interconnected in a suitable manner and form battery systems 100 with different voltage levels, different power, and/or different energy content.

Wie in der Schnittdarstellung in 5 erkennbar, sind jeweils zwischen benachbarten Batteriezellen 12 wenigstens bereichsweise Strukturelemente 26 auf der Trägerplatine 20 angeordnet, welche zur Temperierung der Batteriezellen 12, insbesondere zum Ableiten und Zuführen von Wärme, ausgebildet sind. Die Strukturelemente 26 sind wenigstens bereichsweise einer äußeren Form der Batteriezellen 12 angepasst.As shown in the sectional view in 5 As can be seen, structural elements 26 are arranged on the carrier board 20 between adjacent battery cells 12 at least in some areas, which are designed to control the temperature of the battery cells 12, in particular to dissipate and supply heat. The structural elements 26 are adapted to an external shape of the battery cells 12 at least in some areas.

Insbesondere weisen die Strukturelemente 26 bereichsweise eine Negativkontur der Batteriezellen 12 auf und schmiegen sich an die Batteriezellen 12 an. In den Strukturelementen 26 sind Bohrungen 68 zur Aufnahme von Heizelementen 28 erkennbar.In particular, the structural elements 26 have a negative contour of the battery cells 12 in some areas and nestle against the battery cells 12. Holes 68 for receiving heating elements 28 can be seen in the structural elements 26.

6 zeigt eine isometrische Darstellung einer Trägerplatine 20 eines Batteriemoduls 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 7 ist eine Draufsicht auf eine Oberseite der Trägerplatine 20 dargestellt, während 8 eine Draufsicht auf eine Unterseite der Trägerplatine 20 und 9 eine Seitenansicht der Trägerplatine 20 zeigt. Die Batteriezellen 12 des Batteriemoduls 10 sind dabei nicht dargestellt. 6 shows an isometric view of a carrier board 20 of a battery module 10 according to an embodiment of the invention. In 7 a plan view of a top side of the carrier board 20 is shown, while 8th a plan view of a bottom side of the carrier board 20 and 9 shows a side view of the carrier board 20. The battery cells 12 of the battery module 10 are not shown.

In 6 ist insbesondere die Ausgestaltung der ersten und zweiten Haltevorrichtungen 22, 24 deutlich zu erkennen. Die Haltevorrichtungen 22, 24 sind zur Aufnahme der Batteriezellen 12 der äußeren Form der Batteriezellen 12, in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils Rundzellen, nachgestaltet, sodass die Batteriezellen 12 durch die Haltevorrichtungen 22, 24 fest fixiert sind. Die mittlere zweite Haltevorrichtung 24 nimmt jeweils von beiden Seiten Batteriezellen 12 auf. Die zwischen den Batteriezellen 12 angeordneten Strukturelemente 26 zum Abführen von Wärme aus den Batteriezellen 12 sowie zum Heizen der Batteriezellen 12 sind in die Haltevorrichtungen 22, 24 integriert und können zugleich die Funktion zur Fixierung der Batteriezellen 12 übernehmen.In 6 In particular, the design of the first and second holding devices 22, 24 can be clearly seen. The holding devices 22, 24 are designed to accommodate the battery cells 12 according to the external shape of the battery cells 12, in the illustrated embodiments round cells, so that the battery cells 12 are firmly fixed by the holding devices 22, 24. The middle second holding device 24 accommodates battery cells 12 from both sides. The structural elements 26 arranged between the battery cells 12 for dissipating heat from the battery cells 12 and for heating the battery cells 12 are integrated into the holding devices 22, 24 and can simultaneously take on the function of fixing the battery cells 12.

Die ersten und zweiten Haltevorrichtungen 22, 24 der Trägerplatine 20 sind zur mechanischen Verbindung mit einer Trägerplatine 20 eines darüber gestapelten weiteren Batteriemoduls 10 und/oder einer Abschlussplatine 40 ausgebildet. Dazu weisen die Haltevorrichtungen 22, 24 an ihrer Oberseite jeweils Montagebohrungen 66 zur Aufnahme von Verschraubungen auf.The first and second holding devices 22, 24 of the carrier board 20 are designed for mechanical connection to a carrier board 20 of a further battery module 10 stacked above it and/or a terminal board 40. For this purpose, the holding devices 22, 24 each have mounting holes 66 on their upper side for receiving screw connections.

An den Enden der Längsseite des Batteriemoduls 10 weisen die Haltevorrichtungen 22, 24 ebenfalls Montagebohrungen 62 zur Verbindung mit den Gehäuseteilen 110, 112 eines Batteriesystems 100 auf.At the ends of the long side of the battery module 10, the holding devices 22, 24 also has mounting holes 62 for connection to the housing parts 110, 112 of a battery system 100.

Zum Heizen der Batteriezellen 12 weist die Trägerplatine 20 mehrere (schematisch angedeutete) Heizelemente 28 auf, welche an die Batteriezellen 12 für einen guten Wärmeübergang angepresst werden können. Alternativ können die Heizelemente 28 auch, beispielsweise über Bohrungen 68, in die Strukturelemente 26 integriert werden.To heat the battery cells 12, the carrier board 20 has several (schematically indicated) heating elements 28, which can be pressed onto the battery cells 12 for good heat transfer. Alternatively, the heating elements 28 can also be integrated into the structural elements 26, for example via holes 68.

Vorteilhaft kann jeweils ein Heizelement 28 zum gleichzeitigen Heizen von wenigstens zwei auf der Trägerplatine 20 benachbarten Batteriezellen 12 vorgesehen sein. So können beispielsweise vier Heizelemente 28 in der Mitte der Trägerplatine 20 zwischen den nebeneinander liegenden Batteriezellen 12 angeordnet werden, um die acht auf der Trägerplatine 20 angeordneten Batteriezellen 12 zu heizen.Advantageously, one heating element 28 can be provided for simultaneously heating at least two battery cells 12 adjacent to one another on the carrier board 20. For example, four heating elements 28 can be arranged in the middle of the carrier board 20 between the battery cells 12 lying next to one another in order to heat the eight battery cells 12 arranged on the carrier board 20.

Die Trägerplatine 20 weist acht Temperatursensoren 30 auf, welche zum thermischen Kontaktieren der Batteriezellen 12 vorgesehen sind. An jeder Batteriezelle 12 kann so vorteilhaft jeweils ein Temperatursensor 30 angebracht werden.The carrier board 20 has eight temperature sensors 30, which are provided for thermal contact with the battery cells 12. One temperature sensor 30 can thus advantageously be attached to each battery cell 12.

Elektronische Betriebskomponenten 88, welche auf der Trägerplatine 20 angeordnet sind, übernehmen gemeinsam Aufgaben wie beispielsweise eine Überwachung des Batteriemoduls 10 und der Batteriezellen 12, beispielsweise mit Spannung, Strom, Temperatur. Weiter kann eine Analyse des Batteriemoduls 10 erfolgen, beispielsweise eine Berechnung von SOC und SOH der Batteriezellen 12, und/oder ein Abgleich der Werte mit gesetzten Grenzen.Electronic operating components 88, which are arranged on the carrier board 20, jointly perform tasks such as monitoring the battery module 10 and the battery cells 12, for example with voltage, current, temperature. Furthermore, an analysis of the battery module 10 can be carried out, for example a calculation of SOC and SOH of the battery cells 12, and/or a comparison of the values with set limits.

Es kann ein Management des Batteriemoduls 10 erfolgen mit einer Steuerung des Ladungsausgleichs sowie einem Heizen der Batteriezellen 12. Elektronische Kommunikationsmittel 37 übernehmen weiter eine Kommunikation der Daten nach außen sowie ein Verarbeiten von Kommandos von außen. Die Betriebskomponenten 88 gewährleisten einen Schutz der Elektronik und der Batteriezellen 12 vor Fehlern und/oder Kurzschlüssen in Halbleitern durch Strahlung aus dem All, sogenannten Single Event Effects bzw. können unter Umständen solche Fehler auch korrigieren. Dadurch, dass die elektronischen Betriebskomponenten 88 teilweise unter den Batteriezellen 12 angeordnet sind, können sie zusätzlich vor kosmischer Strahlung geschützt sein.The battery module 10 can be managed by controlling the charge balance and heating the battery cells 12. Electronic communication means 37 also handle external data communication and processing commands from the outside. The operating components 88 ensure that the electronics and the battery cells 12 are protected from errors and/or short circuits in semiconductors caused by radiation from space, so-called single event effects, and can also correct such errors under certain circumstances. Because the electronic operating components 88 are partially arranged under the battery cells 12, they can also be protected from cosmic radiation.

Die Trägerplatine 20 weist so beispielsweise in einem Freiraum 25 zwischen den Batteriezellen 12 wenigstens eine Einheit 34 zur Überwachung und zum Ladungsausgleich der Batteriezellen 12 auf. Die Einheit 34 kann vorteilhaft zum wählbaren Einstellen einer Ladeschlussspannung der Batteriezellen 12 ausgebildet sein.The carrier board 20 thus has, for example, in a free space 25 between the battery cells 12, at least one unit 34 for monitoring and balancing the charge of the battery cells 12. The unit 34 can advantageously be designed for selectable setting of a final charging voltage of the battery cells 12.

Weiter weist die Trägerplatine 20 in einem Freiraum 25 zwischen den Batteriezellen 12 wenigstens eine Regel- und Steuerungseinrichtung 36 auf, insbesondere einen Mikrocontroller, zur Steuerung eines Lade- und Entladebetriebs der Batteriezellen 12. Dabei kann die Regel- und Steuerungseinrichtung 36 insbesondere zur Bestimmung eines Ladezustands und/oder eines Alterungszustands der Batteriezellen 12 ausgebildet sein.Furthermore, the carrier board 20 has at least one regulating and control device 36, in particular a microcontroller, for controlling a charging and discharging operation of the battery cells 12 in a free space 25 between the battery cells 12. The regulating and control device 36 can be designed in particular to determine a state of charge and/or an aging state of the battery cells 12.

Die Trägerplatine 20 weist außerdem in einem Freiraum 25 zwischen den Batteriezellen 12 wenigstens einen CAN-Transceiver 38 zur Kommunikation mit anderen Batteriemodulen 10 und/oder dem Batteriesystem 100 auf.The carrier board 20 also has at least one CAN transceiver 38 in a free space 25 between the battery cells 12 for communication with other battery modules 10 and/or the battery system 100.

Weiter sind auf der Trägerplatine 20 Betriebskomponenten 88 wie beispielsweise ein Stromsensor 72, Schaltkomponenten wie ein MOSFET 78 für einen Heizelement 28, ein MOSFET 80 für den Ladungsausgleich, verschiedene Integrierte Schaltkreise 82, 84 für den Schutz der Elektronik, Temperatursensoren 76 und Leistungskonverter 90 angeordnet.Furthermore, operating components 88 such as a current sensor 72, switching components such as a MOSFET 78 for a heating element 28, a MOSFET 80 for charge equalization, various integrated circuits 82, 84 for protecting the electronics, temperature sensors 76 and power converters 90 are arranged on the carrier board 20.

Ein Steckverbinder 70 für den positiven Stromanschluss des Batteriemoduls 10, ein Steckverbinder 74 für den Masseanschluss, ein Steckverbinder 92 für Datenleitungen, sowie ein Steckverbinder 94 zur sogenannten In-System-Programmierung (ISP) sind ebenfalls auf der Oberseite der Trägerplatine 20 angeordnet. Bei der In-System-Programmierung wird Software auf den Mikrocontroller der Regel- und Steuerungseinrichtung 36 geladen, beispielsweise geflasht.A connector 70 for the positive power connection of the battery module 10, a connector 74 for the ground connection, a connector 92 for data lines, and a connector 94 for so-called in-system programming (ISP) are also arranged on the top of the carrier board 20. During in-system programming, software is loaded, for example flashed, onto the microcontroller of the control device 36.

Auf der in 8 dargestellten Rückseite der Trägerplatine 20 ist beispielsweise Ladungsausgleich-ICs 98 angeordnet, welche bei Ausfall der smarten Balancing-ICs 34 das Balancing übernimmt. Der Widerstand 96 wird dann für den Ladungsausgleich genutzt. Eine Transient-Voltage-Suppressor (TVS)-Diode 99 befindet sich außerdem auch auf der Rückseite der Trägerplatine 20 und schützt die Leitungen der Spannungsversorgung 158, 162, 92 und Programmierung 94. Die TVS-Diode 99 agiert einerseits als Überspannungsableiter für transiente Spannungen und andererseits als Schutz vor elektrostatischer Entladung.On the 8th For example, charge balancing ICs 98 are arranged on the rear side of the carrier board 20 shown, which take over balancing if the smart balancing ICs 34 fail. The resistor 96 is then used for charge balancing. A transient voltage suppressor (TVS) diode 99 is also located on the rear side of the carrier board 20 and protects the lines of the power supply 158, 162, 92 and programming 94. The TVS diode 99 acts on the one hand as a surge arrester for transient voltages and on the other hand as protection against electrostatic discharge.

10 zeigt eine isometrische Darstellung eines Batteriesystems 100 für einen Satelliten mit zwei Batteriemodulen 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 11 ist eine Seitenansicht des Batteriesystems 100 dargestellt, während in 12 eine andere Seitenansicht des Batteriesystems 100 und in 13 ein Querschnitt des Batteriesystems 100 entlang der Schnittlinie A-A nach 12 gezeigt ist. 10 shows an isometric view of a battery system 100 for a satellite with two battery modules 10 according to an embodiment of the invention. In 11 a side view of the battery system 100 is shown, while in 12 another side view of the battery system tems 100 and in 13 a cross section of the battery system 100 along the section line AA according to 12 is shown.

Das Batteriesystem 100 umfasst ein Batteriegehäuse 110 mit zwei Gehäuseteilen 111, 112 zur Aufnahme der Batteriemodule 10. Die zwei Gehäuseteile 110, 112 sind zur Aufnahme von zwei übereinander gestapelten Batteriemodule 10 ausgebildet. Das in der Stapelrichtung 50 oberste Batteriemodul 10 ist mit einer Abschlussplatine 40 abgeschlossen, welche an den Haltevorrichtungen 22, 24 des obersten Batteriemoduls 10 angeordnet ist.The battery system 100 comprises a battery housing 110 with two housing parts 111, 112 for accommodating the battery modules 10. The two housing parts 110, 112 are designed to accommodate two battery modules 10 stacked on top of one another. The uppermost battery module 10 in the stacking direction 50 is closed off with a closing plate 40, which is arranged on the holding devices 22, 24 of the uppermost battery module 10.

Die Batteriemodule 10 sind jeweils über Verschraubungen 120 mit den Haltevorrichtungen 22 der Trägerplatinen 20 mit den beiden Gehäuseteilen 110, 112 mechanisch verbunden.The battery modules 10 are each mechanically connected to the holding devices 22 of the carrier boards 20 with the two housing parts 110, 112 via screw connections 120.

Die Gehäuseteile 110, 112 weisen Halterungen 114 zur Fixierung mit einer Montageplatte, insbesondere mit einer Montageplatte des Satelliten, auf. An wenigstens einem der beiden Gehäuseteile 110, 112 sind elektrische Steckverbinder 116, 118 zur Stromversorgung und/oder zur Übertragung von Daten angeordnet.The housing parts 110, 112 have holders 114 for fixing to a mounting plate, in particular to a mounting plate of the satellite. Electrical connectors 116, 118 for supplying power and/or transmitting data are arranged on at least one of the two housing parts 110, 112.

Die Abschlussplatine 40 weist einen elektrischen Anschluss 42 für eine Onboard-Datenverbindung und/oder einen elektrischen Anschluss 44 zum Programmieren der Regel- und Steuerungseinrichtung 36 der Batteriemodule 10, insbesondere eines Mikrocontrollers, auf.The termination board 40 has an electrical connection 42 for an onboard data connection and/or an electrical connection 44 for programming the control device 36 of the battery modules 10, in particular a microcontroller.

Die beiden Batteriemodule 20 können mittels Verbindungsmitteln 33 parallel oder seriell verschaltet sein, je nach gewünschter Spannungslage, und/oder Leistung, und/oder Kapazität des Batteriesystems 100. Verbindungsmittel 33 können beispielsweise die Steckverbinder 70, 74 des positiven Stromanschlusses und Masseanschlusses sowie Steckverbinder 92 für Datenleitungen zum Steuern eines Ladungsausgleichs der Batteriezellen sein.The two battery modules 20 can be connected in parallel or in series by means of connecting means 33, depending on the desired voltage level, and/or power, and/or capacity of the battery system 100. Connecting means 33 can be, for example, the connectors 70, 74 of the positive power connection and ground connection as well as connectors 92 for data lines for controlling charge equalization of the battery cells.

Es können einerseits Batteriemodule 10 parallel geschaltet werden, indem die Steckverbinder 70 des positiven Stromanschlusses jedes Batteriemoduls verbunden werden und die Steckverbinder 74 des Masseanschlusses jedes Batteriemoduls 10 verbunden werden.On the one hand, battery modules 10 can be connected in parallel by connecting the connectors 70 of the positive power connection of each battery module and connecting the connectors 74 of the ground connection of each battery module 10.

Zusätzlich können Batteriemodule 10 seriell verschaltet werden, indem der Steckverbinder 74 des Masseanschlusses des ersten Batteriemoduls 10 als Masse des Batteriesystems 100 arbeitet. Der Steckverbinder 70 des positiven Stromanschlusses des ersten Batteriemoduls wird dann mit dem Steckverbinder 74 des Masseanschlusses des nächsten Batteriemoduls 10 verschaltet und so weiter. Der Steckverbinder 70 des positiven Stromanschlusses des letzten Batteriemoduls 10 dient dann als positiver Stromanschluss des Batteriesystems. Außerdem kommunizieren/synchronisieren die Module im Falle einer seriellen Verschaltung über die Steckverbinder 92 für Datenleitungen den Ladungsausgleich der Einheit 34 zur Überwachung und/oder zum Ladungsausgleich.Additionally, battery modules 10 may be connected in series by having the ground connector 74 of the first battery module 10 serve as the ground of the battery system 100. The positive power connector 70 of the first battery module is then connected to the ground connector 74 of the next battery module 10, and so on. The positive power connector 70 of the last battery module 10 then serves as the positive power connector of the battery system. Additionally, when connected in series, the modules communicate/synchronize the charge balance of the unit 34 for monitoring and/or charge balancing via the data line connectors 92.

Die Spannung des Batteriesystems 100 ist gleich der Spannung eines Batteriemoduls 10 multipliziert mit der Anzahl seriell verschalteter Batteriemodule.The voltage of the battery system 100 is equal to the voltage of a battery module 10 multiplied by the number of battery modules connected in series.

Die maximale Stromstärke und Kapazität des Batteriesystems 100 ist gleich der Stromstärke bzw. der Kapazität eines Batteriemoduls 10 multipliziert mit der Anzahl parallel verschalteter Batteriemodule 10.The maximum current and capacity of the battery system 100 is equal to the current or capacity of a battery module 10 multiplied by the number of battery modules 10 connected in parallel.

Die Spannung bzw. Stromstärke und Kapazität können dann über eine Kombination aus paralleler und serieller Verschaltung auch gemeinsam erhöht werden.The voltage or current and capacity can then be increased together using a combination of parallel and serial connections.

14 zeigt eine elektrische Verschaltung von zwei Batteriemodulen 10 eines Batteriesystems 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 14 shows an electrical connection of two battery modules 10 of a battery system 100 according to an embodiment of the invention.

Die beiden Batteriemodule 10 sind parallel an Versorgungsspannungen bzw. Datenleitungen angeschlossen. Dabei wird beispielsweise eine nicht geregelte Spannungsversorgung (24V - 34 V) zugeführt. Weiter sind die beiden Batteriemodule 10 an eine CAN-Leitung 132, eine Inter-Integrated Circuit-Leitung 130 (12C-Leitung) sowie an getrennte 28 V-Spannungsversorgungen 158, 162 angeschlossen. Die 12C-Leitung 130 dient zur elektrischen Kopplung von zusätzlichen Temperatursensoren, welche bei Fehler im System, direkt von außen, beispielsweise durch Satelliten-Computer, abgelesen werden können.The two battery modules 10 are connected in parallel to supply voltages or data lines. For example, a non-regulated voltage supply (24V - 34 V) is supplied. The two battery modules 10 are also connected to a CAN line 132, an inter-integrated circuit line 130 (12C line) and to separate 28 V voltage supplies 158, 162. The 12C line 130 is used for the electrical coupling of additional temperature sensors, which can be read directly from the outside, for example by satellite computers, in the event of a fault in the system.

In 15 sind Schnittstellen von zwei Batteriemodulen 10 in einem Batteriesystem 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.In 15 Interfaces of two battery modules 10 in a battery system 10 according to an embodiment of the invention are shown.

In dieser schematischen Darstellung sind zwei Batteriemodule 10 über mechanische und thermische Schnittstellen, welche symbolisch als Pfeile dargestellt sind, mit Gehäuseteilen 110, 112 des Batteriesystems 100 verbunden.In this schematic representation, two battery modules 10 are connected to housing parts 110, 112 of the battery system 100 via mechanical and thermal interfaces, which are symbolically shown as arrows.

Das Batteriesystem 100 weist Steckverbinder 116, 118 zur Spannungsversorgung bzw. für Daten auf. Entsprechende Stromanschlussleitungen 154 und Masseleitungen 156 sind mit entsprechenden Steckverbindern 70, 74 der Batteriemodule 10 verbunden.The battery system 100 has connectors 116, 118 for power supply and for data. Corresponding power connection lines 154 and ground lines 156 are connected to corresponding connectors 70, 74 of the battery modules 10.

Der Steckverbinder 118 für Daten führt 28 V-Leitungen 158, 162 und Masseleitungen 160 jeweils getrennt zu Steckverbindern 92 für Datenleitungen der Batteriemodule 10, während die CAN-Leitung 132 und 12C-Leitung 130 den Batteriemodulen 10 parallel zugeführt werden.The data connector 118 leads 28 V lines 158, 162 and ground lines 160 separately to data connectors 92 of the battery modules 10, while the CAN line 132 and 12C line 130 are fed to the battery modules 10 in parallel.

16 zeigt ein Funktionsdiagramm einer Regel- und Steuerungseinrichtung 36 eines Batteriemoduls 10. 16 shows a functional diagram of a control device 36 of a battery module 10.

Das Batteriemodul 10 weist wie zuvor dargestellt, eine Schnittstelle 134 zur Spannungsversorgung auf. Weiter weist das Batteriemodul 10 eine Schnittstelle 197 des Zellstrangs auf, wobei als Zellstrang eine Kombination von serieller und paralleler Verschaltung der Batteriezellen 12 verstanden wird.As previously shown, the battery module 10 has an interface 134 for supplying voltage. The battery module 10 also has an interface 197 of the cell string, wherein the cell string is understood to be a combination of serial and parallel connection of the battery cells 12.

Die Regel- und Steuerungseinrichtung 36 verarbeitet Informationen der Temperatursensoren 30, welche in Form eines Eindraht-Temperatursensors 195 über eine Eindraht-Kommunikation 196 zugeführt werden.The control and regulating device 36 processes information from the temperature sensors 30, which are supplied in the form of a single-wire temperature sensor 195 via a single-wire communication 196.

Die Einheit 34 für Überwachung und/oder Ladungsausgleich ist über die Kommunikationsschnittstelle 194 eingebunden. Dabei wird über eine sogenannte Serial-Peripheral-Interface-Kommunikation 179 (SPI-Kommunikation) in der Funktion 177 eine SPI-Botschaft decodiert, welche als Strangstrom 174, Strangspannung 175, Einzelzellspannungen 176 einer zentralen Funktion 180 zum Schätzen eines Batteriestatus und von Überwachungsgrenzen zugeführt wird.The unit 34 for monitoring and/or charge balancing is integrated via the communication interface 194. In this case, an SPI message is decoded via a so-called serial peripheral interface communication 179 (SPI communication) in the function 177, which is fed as string current 174, string voltage 175, individual cell voltages 176 to a central function 180 for estimating a battery status and monitoring limits.

In der zentralen Funktion 180 werden in Funktion 181 Überwachungsgrenzen für Spannung, Strom und Temperatur bestimmt, sowie in Funktion 182 ein SOC pro Strang bestimmt. Weiter werden in Funktion 183 Spannungsgrenzen pro Strang getestet, in Funktion 184 Temperaturgrenzen pro Strang getestet, und in Funktion 185 Stromgrenzen pro Strang getestet.In the central function 180, monitoring limits for voltage, current and temperature are determined in function 181, and a SOC per string is determined in function 182. Furthermore, voltage limits per string are tested in function 183, temperature limits per string are tested in function 184, and current limits per string are tested in function 185.

Aus den Funktionen 183, 184, 185 wird in Funktion 190 eine Zielspannung für den Ladungsausgleich pro Batteriezelle 12 definiert, welche in einer Funktion 178 wieder als SPI-Botschaft codiert wird und an die SPI-Kommunikation 179 der Einheit 34 für Überwachung und/oder Spannungsausgleich geleitet wird.From the functions 183, 184, 185, a target voltage for the charge equalization per battery cell 12 is defined in function 190, which is again encoded as an SPI message in a function 178 and is passed to the SPI communication 179 of the unit 34 for monitoring and/or voltage equalization.

Aus der zentralen Funktion 180 werden weiter Informationen für eine Funktion 187 eines Fehlermanagements einer Funktion 186 einer Heizungssteuerung abgeleitet. Dieses Fehlermanagement 187 fließt weiter als Input in einen Zustandsautomaten 188, welcher daraus in Funktion 189 eine generelle Statusmeldung ableitet. Informationen des Zustandsautomaten 199 fließen auch in die Definition der Zielspannungen für den Ladungsausgleich in Funktion 190.Further information for a function 187 of an error management of a function 186 of a heating control system is derived from the central function 180. This error management 187 flows further as input into a state machine 188, which derives a general status message from it in function 189. Information from the state machine 199 also flows into the definition of the target voltages for the charge equalization in function 190.

Die Statusmeldung aus der Funktion 189 kann über eine CAN-Leitung 132 an einen CAN-Transceiver 38 der CAN-Kommunikation 170 geleitet werden, welcher von einem CAN-Sende-Empfangs-Modul 171 gesteuert wird. Ein Decoder 172 empfangener CAN-Botschaften ist über eine CAN-Leitung 132 an den CAN-Transceiver 38 angebunden.The status message from function 189 can be sent via a CAN line 132 to a CAN transceiver 38 of the CAN communication 170, which is controlled by a CAN transceiver module 171. A decoder 172 of received CAN messages is connected to the CAN transceiver 38 via a CAN line 132.

Weiter umfasst die Regel- und Steuerungseinrichtung 36 eine generelle Funktion 191 für das Initialisieren und Konfigurieren, ein Interrupt Handling 192 sowie einen Watchdog 193.Furthermore, the control device 36 comprises a general function 191 for initialization and configuration, an interrupt handling 192 and a watchdog 193.

17 zeigt ein Systemdiagramm eines Batteriemoduls 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 17 shows a system diagram of a battery module 10 according to an embodiment of the invention.

Das Batteriemodul 10 weist einen Steckverbinder 92 für Datenleitungen 130, 132 sowie einen Steckverbinder 70 für den positiven Stromanschluss 154 auf.The battery module 10 has a connector 92 for data lines 130, 132 and a connector 70 for the positive power connection 154.

Die Strangspannung 175 der Batteriezellen 12 wird parallel an eine 3,3 V-Versorgungseinheit 52, an die Einheit 34 für Überwachung und/oder Ladungsausgleich, an einen MOSFET 78 für ein Heizelement 28, sowie an einen Stromsensor 72 geführt.The string voltage 175 of the battery cells 12 is fed in parallel to a 3.3 V supply unit 52, to the unit 34 for monitoring and/or charge equalization, to a MOSFET 78 for a heating element 28, and to a current sensor 72.

Von der 3,3 V-Versorgungseinheit 52 ist die 3,3 V-Leitung an die Temperaturmesseinheit 58, an den Temperatursensor 76 sowie an den Stromsensor 72 geführt.The 3.3 V line is led from the 3.3 V supply unit 52 to the temperature measuring unit 58, to the temperature sensor 76 and to the current sensor 72.

Die 12C-Leitung 130 geht von dem Steckverbinder 92 an den Temperatursensor 76. Die CAN-Leitung 132 führt zum CAN-Transceiver 38 und von dort zu dem zentralen Mikroprozessor der Regel- und Steuerungseinrichtung 36.The 12C line 130 goes from the connector 92 to the temperature sensor 76. The CAN line 132 leads to the CAN transceiver 38 and from there to the central microprocessor of the control device 36.

Die Regel- und Steuerungseinrichtung 36 ist über eine SPI Kommunikation 165 mit der Einheit 34 für Überwachung und/oder Ladungsausgleich verbunden, welche Einheiten für eine Spannungsmessung 54 sowie für den Ladungsausgleich 56 umfasst. Die Spannungsmessung 54 ist über die FET-Steuerung 142 für den Ladungsausgleich direkt mit den Batteriezellen 12 verbunden. Eine Leitung 146 zur Messung der Einzelzellspannung führt von den Batteriezellen 12 zurück zur Ladungsausgleichsfunktion 56.The control and regulation device 36 is connected via an SPI communication 165 to the unit 34 for monitoring and/or charge balancing, which includes units for voltage measurement 54 and for charge balancing 56. The voltage measurement 54 is connected directly to the battery cells 12 via the FET control 142 for charge balancing. A line 146 for measuring the individual cell voltage leads from the battery cells 12 back to the charge balancing function 56.

Eine Leitung 174 für das Stromsignal des Stroms durch den Zellstrang führt vom Stromsensor 72 ebenfalls zur Ladungsausgleichsfunktion 56.A line 174 for the current signal of the current through the cell string also leads from the current sensor 72 to the charge balancing function 56.

Der MOSFET 78 für die Heizung wird über die Leitung 140 von der Regel- und Steuerungseinrichtung 36 angesteuert. Eine Busleitung 138 führt von der Regel- und Steuerungseinrichtung 36 zur Temperaturmesseinheit 58. Die Temperatursensoren 76 bekommen ihr Signal der individuellen Zelltemperaturen über die Leitung 148 ebenso wie die Temperaturmesseinheit 58The MOSFET 78 for the heating is controlled by the control and regulation device 36 via the line 140. A bus line 138 leads from the control and regulation device 36 to the temperature measuring unit 58. The temperature sensors 76 receive their signal of the individual cell temperatures via the line 148, as does the temperature measuring unit 58.

Der MOSFET 80 für den Ladungsausgleich bekommt ein Signal über die Einzelzellverbindung 152 und ist wiederum über einen Vorwiderstand 150 mit den Batteriezellen 12 verbunden.The MOSFET 80 for charge equalization receives a signal via the single cell connection 152 and is in turn connected to the battery cells 12 via a series resistor 150.

Vorteilhaft kann bei dem vorgeschlagenen Batteriemodul 10 eine Ladeschlussspannung der Batteriezellen 12 nach Betriebsparametern gewählt werden und/oder mittels der Einheit 34 zur Überwachung und zum Ladungsausgleich von Batteriezellen 12 eingestellt werden.Advantageously, in the proposed battery module 10, a final charging voltage of the battery cells 12 can be selected according to operating parameters and/or set by means of the unit 34 for monitoring and balancing the charge of battery cells 12.

Ein Lade- und Entladebetrieb der Batteriezellen 12 kann mittels wenigstens der Regel- und Steuerungseinrichtung 36, insbesondere mittels eines Mikrocontrollers, gesteuert und/oder geregelt werden. Insbesondere kann dabei ein Ladezustand und/oder ein Alterungszustand der Batteriezellen 12 mittels der Regel- und Steuerungseinrichtung 36 bestimmt werden.A charging and discharging operation of the battery cells 12 can be controlled and/or regulated by means of at least the regulating and control device 36, in particular by means of a microcontroller. In particular, a charge state and/or an aging state of the battery cells 12 can be determined by means of the regulating and control device 36.

Mit anderen Batteriemodulen 10 und/oder einem Batteriesystem 100 kann günstigerweise mittels eines CAN-Netzwerks kommuniziert werden. Darüber können auch Betriebsparameter des Batteriemoduls 10, insbesondere ein Ladezustand und/oder ein Alterungszustand, mit anderen Batteriemodulen ausgetauscht werden.It is advantageous to communicate with other battery modules 10 and/or a battery system 100 using a CAN network. Operating parameters of the battery module 10, in particular a charge state and/or an aging state, can also be exchanged with other battery modules.

Bei einem Batteriesystem 100 kann über das CAN-Netzwerk sowohl eine externe Kommunikation des Batteriesystems 100 als auch die interne Kommunikation zwischen den Batteriemodulen 10 durchgeführt werden.In a battery system 100, both external communication of the battery system 100 and internal communication between the battery modules 10 can be carried out via the CAN network.

Der Lade- und Entladebetrieb der Batteriezellen 12 des Batteriesystems 100 kann mittels einer verteilten Kommunikation mit den Regel- und Steuerungseinrichtungen 36 der einzelnen Batteriemodule 10 gesteuert und/oder geregelt werden. Insbesondere kann dabei ein Ladezustand und/oder eines Alterungszustand der Batteriezellen 12 mittels der Regel- und Steuerungseinrichtungen 36 der einzelnen Batteriemodule 10 bestimmt werden.The charging and discharging operation of the battery cells 12 of the battery system 100 can be controlled and/or regulated by means of distributed communication with the regulating and control devices 36 of the individual battery modules 10. In particular, a charge state and/or an aging state of the battery cells 12 can be determined by means of the regulating and control devices 36 of the individual battery modules 10.

In dem Batteriesystem 100 kann vorteilhaft eine gegenseitige Überprüfung der einzelnen Batteriemodule 10, insbesondere über einen Ladezustand und/oder einen Alterungszustand, über die Regel und Steuerungseinrichtungen 36 der Batteriemodule 10 durchgeführt werden.In the battery system 100, a mutual check of the individual battery modules 10, in particular regarding a state of charge and/or an aging state, can advantageously be carried out via the regulating and control devices 36 of the battery modules 10.

BezugszeichenReference symbols

1010
BatteriemodulBattery module
1212
BatteriezelleBattery cell
1414
LängsachseLongitudinal axis
1616
Ende, StirnseiteEnd, front side
1818
Ende, StirnseiteEnd, front side
1919
AnschlusspolConnection pole
2020
TrägerplatineCarrier board
2222
HaltevorrichtungHolding device
2424
HaltevorrichtungHolding device
2525
Freiraumfree space
2626
StrukturelementStructural element
2828
HeizelementHeating element
3030
TemperatursensorTemperature sensor
3232
ZellverbinderCell connectors
3333
VerbindungsmittelConnecting elements
3434
Einheit zur Überwachung und/oder LadungsausgleichUnit for monitoring and/or charge balancing
3636
Regel- und SteuerungseinrichtungControl and regulation device
3737
KommunikationsmittelMeans of communication
3838
CAN-TransceiverCAN transceiver
4040
AbschlussplatineEnd plate
4242
elektrischer Anschluss Onboard Datenverbindungelectrical connection onboard data connection
4444
elektrischer Anschluss Programmierenelectrical connection programming
4646
ElektronikbauteilElectronic component
4848
Aussparung BatteriezelleBattery cell recess
5050
StapelrichtungStacking direction
5252
3,3V Versorgung3.3V supply
5454
SpannungsmessungVoltage measurement
5656
LadungsausgleichLoad balancing
5858
TemperaturmesseinheitTemperature measuring unit
6060
AussparungRecess
6262
MontagebohrungMounting hole
6464
Aufnahme ZellverbinderCell connector holder
6666
MontagebohrungMounting hole
6868
Bohrung für HeizelementHole for heating element
7070
Steckverbinder Stromanschluss positivConnector power connection positive
7272
StromsensorCurrent sensor
7474
Steckverbinder Stromanschluss MasseConnector Power connection Ground
7676
TemperatursensorTemperature sensor
7878
MOSFET HeizerMOSFET heater
8080
MOSFET LadungsausgleichMOSFET charge balancing
8282
Schutz ICProtection IC
8484
Schutz ICProtection IC
8888
BetriebskomponenteOperational component
9090
LeistungskonverterPower converter
9292
Steckverbinder DatenleitungenConnectors Data cables
9494
ISP SteckverbinderISP connectors
9696
Widerstand für LadungsausgleichResistance for charge equalization
9898
Redundanter Ladungsausgleich ICRedundant charge balancing IC
9999
TVS DiodeTVS Diode
100100
BatteriesystemBattery system
110110
BatteriegehäuseBattery housing
111111
GehäuseteilHousing part
112112
GehäuseteilHousing part
114114
Halterungbracket
116116
Steckverbinder SpannungsversorgungConnector power supply
118118
Steckverbinder DatenConnector data
120120
Verschraubung HaltevorrichtungScrew connection holding device
130130
I2CI2C
132132
CANCAN
134134
SpannungsversorgungPower supply
136136
3,3V-Leitung3.3V line
138138
BusleitungBus line
140140
FET-Steuerung HeizungFET control heating
142142
FET-Steuerung LadungsausgleichFET control charge balancing
146146
Messung EinzelzellspannungMeasurement of single cell voltage
148148
Individuelle ZelltemperaturIndividual cell temperature
150150
VorwiderstandSeries resistor
152152
EinzelzellverbindungSingle cell connection
154154
StromanschlussPower connection
156156
MasseanschlussGround connection
158158
28V28V
160160
MasseleitungGround line
162162
28V28V
164164
MasseleitungGround line
165165
SPI KommunikationSPI communication
170170
CAN TransceiverCAN Transceiver
171171
CAN Sende-Empfangs-ModulCAN transmit-receive module
172172
Decoder für CAN-BotschaftenDecoder for CAN messages
173173
ZelltemperaturCell temperature
174174
StrangstromString current
175175
StrangspannungPhase voltage
176176
ZellspannungCell voltage
177177
Decodieren SPI BotschaftDecode SPI message
178178
Codieren SPI BotschaftEncoding SPI message
179179
SPI KommunikationSPI communication
180180
Schätzen Batteriestatus & ÜberwachungsgrenzenEstimate battery status & monitoring limits
181181
Berechnen ÜberwachungsgrenzenCalculate monitoring limits
182182
Bestimmen SOC pro StrangDetermine SOC per strand
183183
Test Spannungsgrenze pro StrangTest voltage limit per strand
184184
Test Temperaturgrenze pro StrangTest temperature limit per strand
185185
Test Stromgrenze pro StrangTest current limit per string
186186
HeizungssteuerungHeating control
187187
FehlermanagementError management
188188
ZustandsautomatState machine
189189
Generieren StatusmeldungGenerate status message
190190
Definieren Zielspannung pro Zelle für LadungsausgleichDefine target voltage per cell for charge balancing
191191
Initialisieren & KonfigurierenInitialize & Configure
192192
Interrupt HandlingInterrupt handling
193193
WatchdogWatchdog
194194
Kommunikation mit LadungsausgleichseinheitCommunication with charge balancing unit
195195
Eindraht-TemperatursensorSingle-wire temperature sensor
196196
Eindraht-KommunikationSingle-wire communication
197197
Zellstrang-SchnittstelleCell strand interface

Claims (20)

Autark betreibbares Batteriemodul (10) für ein Batteriesystem (100) eines Satelliten oder Raumfahrzeugs, mit einer Trägerplatine (20), auf der eine Mehrzahl von Batteriezellen (12) sowie Betriebskomponenten (88) zur Temperierung der Batteriezellen (12), zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen (12) und zur Überwachung der Batteriezellen (12) angeordnet sind, wobei weiterhin Kommunikationsmittel (37) auf der Trägerplatine (20) zur Kommunikation mit dem Batteriesystem (100) und weiteren Batteriemodulen (10) im Batteriesystem (100) vorliegen, sowie Verbindungsmittel (33) zur elektrischen seriellen und/oder parallelen Kopplung mit einem oder mehreren weiteren gleichartigen Batteriemodulen (10) an der Trägerplatine (20) angeordnet sind.Autonomously operable battery module (10) for a battery system (100) of a satellite or spacecraft, with a carrier board (20) on which a plurality of battery cells (12) and operating components (88) for controlling the temperature of the battery cells (12), for balancing the charge between the battery cells (12) and for monitoring the battery cells (12) are arranged, wherein communication means (37) are also present on the carrier board (20) for communication with the battery system (100) and other battery modules (10) in the battery system (100), and connection means (33) for electrical serial and/or parallel coupling with one or more other similar battery modules (10) are arranged on the carrier board (20). Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei die Trägerplatine (20) erste und zweite Haltevorrichtungen (22, 24) aufweist und die Batteriezellen (12) zwischen je eine erste und eine zweite Haltevorrichtung (22, 24) eingespannt sind.Battery module after Claim 1 , wherein the carrier board (20) has first and second holding devices (22, 24) and the battery cells (12) are clamped between a first and a second holding device (22, 24). Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeweils eine der ersten Haltevorrichtungen (22) an sich gegenüberliegenden Seitenrändern (16, 18) der Trägerplatine (20) angeordnet ist.Battery module after Claim 1 or 2 , wherein one of the first holding devices (22) is arranged on opposite side edges (16, 18) of the carrier board (20). Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Haltevorrichtungen (24), insbesondere mittig, zwischen den ersten Haltevorrichtungen (22) angeordnet sind.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the second holding devices (24) are arranged, in particular centrally, between the first holding devices (22). Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (12) liegend auf der Trägerplatine (20) angeordnet sind, insbesondere wobei die Batteriezellen (12) als Rundzellen (12) ausgebildet sind.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the battery cells (12) are arranged horizontally on the carrier board (20), in particular wherein the battery cells (12) are designed as round cells (12). Batteriemodul nacheinem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die Batteriezellen (12) bezüglich ihrer Längsachse (14) nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind, wobei die Batteriezellen (12) auf der Trägerplatine (20) elektrisch parallel und/oder seriell verschaltet oder verschaltbar sind.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the battery cells (12) are arranged next to one another and/or one behind the other with respect to their longitudinal axis (14), wherein the battery cells (12) on the carrier board (20) are or can be connected electrically in parallel and/or in series. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils zwischen benachbarten Batteriezellen (12) wenigstens bereichsweise Strukturelemente (26) angeordnet sind, welche zur passiven Temperierung der Batteriezellen (12), ausgebildet sind, wobei die Strukturelemente (26) wenigstens bereichsweise einer äußeren Form der Batteriezellen (12) angepasst sind, insbesondere bereichsweise eine Negativkontur der Batteriezellen (12) aufweisen, und sich an die Batteriezellen (12) anschmiegen.Battery module according to one of the preceding claims, wherein structural elements (26) are arranged at least in regions between adjacent battery cells (12), which are designed for passive temperature control of the battery cells (12), wherein the structural elements (26) are at least partially adapted to an external shape of the battery cells (12), in particular partially having a negative contour of the battery cells (12), and nestling against the battery cells (12). Batteriemodul nach Anspruch 7, wobei die Strukturelemente (26) in die Haltevorrichtungen (22, 24) integriert sind.Battery module after Claim 7 , wherein the structural elements (26) are integrated into the holding devices (22, 24). Batteriemodul nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Trägerplatine (20) ein oder mehrere Heizelemente (28) aufweist, insbesondere wobei ein oder mehrere Heizelemente (28) in die Strukturelemente (26) integriert sind.Battery module after Claim 7 or 8th , wherein the carrier board (20) has one or more heating elements (28), in particular wherein one or more heating elements (28) are integrated into the structural elements (26). Batteriemodul nach Anspruch 9, wobei jeweils ein Heizelement (28) zum gleichzeitigen Heizen von wenigstens zwei auf der Trägerplatine (20) benachbarten Batteriezellen (12) vorgesehen ist.Battery module after Claim 9 , wherein a heating element (28) is provided for simultaneously heating at least two battery cells (12) adjacent to one another on the carrier board (20). Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerplatine (20) ein oder mehrere Temperatursensoren (30) aufweist, welche zum thermischen Kontaktieren der Batteriezellen (12) vorgesehen sind.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the carrier board (20) has one or more temperature sensors (30) which are provided for thermally contacting the battery cells (12). Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Anschlusspole (19) der Batteriezellen (12) mittels Zellverbindern (32) mit Strompfaden der Trägerplatine (20) elektrisch verbunden sind.Battery module according to one of the preceding claims, wherein connection poles (19) of the battery cells (12) are electrically connected to current paths of the carrier board (20) by means of cell connectors (32). Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerplatine (20) in wenigstens einem Freiraum (25) zwischen den Batteriezellen (12) wenigstens eine Einheit (34) zur Überwachung und zum Ladungsausgleich der Batteriezellen (12) aufweist.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the carrier board (20) has at least one unit (34) for monitoring and charge balancing of the battery cells (12) in at least one free space (25) between the battery cells (12). Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerplatine (20) in wenigstens einem Freiraum (25) zwischen den Batteriezellen (12) wenigstens eine Regel- und Steuerungseinrichtung (36), insbesondere einen Mikrocontroller, zur Steuerung eines Lade- und Entladebetriebs der Batteriezellen (12) aufweist, insbesondere wobei die Regel- und Steuerungseinrichtung (36) zur Bestimmung eines Ladezustands und/oder eines Alterungszustands der Batteriezellen (12) ausgebildet ist.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the carrier board (20) has at least one regulating and control device (36), in particular a microcontroller, for controlling a charging and discharging operation of the battery cells (12) in at least one free space (25) between the battery cells (12), in particular wherein the regulating and control device (36) is designed to determine a state of charge and/or an aging state of the battery cells (12). Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerplatine (20) in wenigstens einem Freiraum (25) zwischen den Batteriezellen (12) wenigstens einen CAN-Transceiver (38) zur Kommunikation mit anderen Batteriemodulen (10) und/oder dem Batteriesystem (100) aufweist.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the carrier board (20) has at least one CAN transceiver (38) for communication with other battery modules (10) and/or the battery system (100) in at least one free space (25) between the battery cells (12). Batteriemodul nach einem der Ansprüche 2 bis 15, wobei die ersten und zweiten Haltevorrichtungen (22, 24) der Trägerplatine (20) zur mechanischen Verbindung mit einer Trägerplatine (20) eines darüber gestapelten weiteren Batteriemoduls (10) und/oder einer Abschlussplatine (40) ausgebildet sind.Battery module according to one of the Claims 2 until 15 , wherein the first and second holding devices (22, 24) of the carrier board (20) are designed for mechanical connection to a carrier board (20) of a further battery module (10) stacked above it and/or a termination board (40). Batteriesystem (100) eines Satelliten oder Raumfahrzeugs, mit wenigstens zwei autark betreibbaren Batteriemodulen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Batteriemodule (10) baugleich ausgebildet sind und jeweils eine Trägerplatine (20) aufweisen, auf der eine Mehrzahl von Batteriezellen (12) sowie Betriebskomponenten (88) zur Temperierung der Batteriezellen (12), zum Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen (12) und zur Überwachung der Batteriezellen (12) angeordnet sind, wobei weiterhin Kommunikationsmittel (37) auf der Trägerplatine (20) zur Kommunikation mit dem Batteriesystem (100) und dem wenigstens einen weiteren Batteriemodul (10) im Batteriesystem (100) vorliegen, wobei die wenigstens zwei Batteriemodule (10) mittels Verbindungsmittel (33), welche an der Trägerplatine (20) angeordnet sind, seriell und/oder parallel elektrisch gekoppelt sind.Battery system (100) of a satellite or spacecraft, with at least two autonomously operable battery modules (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least two battery modules (10) are of identical construction and each have a carrier board (20) on which a plurality of battery cells (12) and operating components (88) for controlling the temperature of the battery cells (12), for balancing the charge between the battery cells (12) and for monitoring the battery cells (12) are arranged, wherein furthermore communication means (37) are arranged on the carrier board (20) for communication with the battery system (100) and the at least one further battery module (10) in the battery system (100). wherein the at least two battery modules (10) are electrically coupled in series and/or in parallel by means of connecting means (33) which are arranged on the carrier board (20). Batteriesystem nach Anspruch 17, wobei die wenigstens zwei Batteriemodule (10) in einem Batteriegehäuse (110) angeordnet sind, insbesondere wobei wenigstens eines der Batteriemodule (10) mit einer Abschlussplatine (40) abgeschlossen ist, welche an einer Haltevorrichtung (22, 24) des wenigstens einen Batteriemoduls (10) angeordnet ist, insbesondere wobei das in einer Stapelrichtung (50) oberste Batteriemodul (10) mit der Abschlussplatine (40) abgeschlossen ist.Battery system according to Claim 17 , wherein the at least two battery modules (10) are arranged in a battery housing (110), in particular wherein at least one of the battery modules (10) is closed with a termination board (40) which is arranged on a holding device (22, 24) of the at least one battery module (10), in particular wherein the uppermost battery module (10) in a stacking direction (50) is closed with the termination board (40). Batteriesystem nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Batteriegehäuse (110) jeweils Halterungen (114) zur Fixierung mit einer Montageplatte, insbesondere mit einer Montageplatte des Satelliten oder Raumfahrzeugs, aufweisen, und/oder wobei das Batteriegehäuse (110) wenigstens einen elektrischen Steckverbinder (116, 118) zur Stromversorgung und/oder zur Übertragung von Daten aufweist.Battery system according to Claim 17 or 18 , wherein the battery housing (110) each has holders (114) for fixing to a mounting plate, in particular to a mounting plate of the satellite or spacecraft, and/or wherein the battery housing (110) has at least one electrical connector (116, 118) for power supply and/or for transmitting data. Batteriesystem nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Abschlussplatine (40) wenigstens einen elektrischen Anschluss (42) für eine Onboard-Datenverbindung und/oder einen elektrischen Anschluss (44) zum Programmieren einer Regel- und Steuerungseinrichtung (36), insbesondere eines Mikrocontrollers, aufweist.Battery system according to Claim 18 or 19 , wherein the terminating board (40) has at least one electrical connection (42) for an onboard data connection and/or an electrical connection (44) for programming a control and regulating device (36), in particular a microcontroller.
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