DE102009053712A1

DE102009053712A1 - Batteriesystem mit Relais

Info

Publication number: DE102009053712A1
Application number: DE102009053712A
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Moriguchi Furukawa; Kuniho Moriguchi Tanaka; Jyunya Moriguchi Yano
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: CN101740839B; DE102009053712B4; KR20100059685A; US20100127663A1; CN101740839A; JP2010130768A; US8228037B2; KR101086573B1; JP5675045B2

Abstract

Das Batteriesystem wird bereitgestellt mit einer Batterie 1, die wieder aufgeladen werden kann, einer mit der Batterie 1 verbundenen Sicherung 8, die bei Fließen von übermäßigem Strom durchbrennt, mit der Ausgabeseite der Batterie 1 verbundenen Relais 2, und einer Stromunterbrechungsschaltung 4, die übermäßigen Batterie- 1 Strom erfasst und die Relais 2 kontrolliert. Die Stromunterbrechungsschaltung 4 erfasst übermäßigen Batterie- 1 Strom und ist mit einer Timer-Sektion 24 versehen, die eine Verzögerungszeit bis die Relais 2 von "An" zu "Aus" geschaltet werden, bestimmt. Für die Verzögerungszeit der Timer-Sektion 24 wird der Schmelzstrom der Sicherung 8 niedriger festgelegt als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais 2 und höher als der maximal erlaubte Batterie- 1 Lade- und Entladestrom. In einer Situation, in der übermäßiger Strom, größer als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais 2, durch die Batterie 1 fließt, brennt die Sicherung 8 während der Timer- 24 Verzögerungszeit durch, und die Stromunterbrechungsschaltung 4 schaltet die Relais 2 von "AN" auf "AUS", wenn die Verzögerungszeit abgelaufen ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein für eine Fahrzeugenergiequellenvorrichtung bzw. Fahrzeugstromquellenvorrichtung optimiertes Batteriesystem, welches einem Motor elektrische Energie zuführt, der das Fahrzeug antreibt, insbesondere ein Batteriesystem, das übermäßigen Strom erfasst und mit einer Sicherung und Relais den Stromfluss unterbricht.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es wurde ein Batteriesystem entwickelt mit einer in Serie verbundenen Sicherung und Relais, um übermäßigen Batteriestrom zu verhindern. (Bezug auf Offenlegungsschrift der Japanischen Patentanmeldung 2008-193776 .) Wie in 1 dargestellt, weist das Batteriesystem aus der Japanischen Patentanmeldung 2008-193776 eine Batterie 91 auf, die in zwei Batterieblöcke 95 geteilt ist, wobei die Batterieblöcke 95 über eine Sicherung 98 in Serie verbunden sind. Zusätzlich weist das Batteriesystem Relais 92 auf, die mit der Ausgabeseite der Batterie 91 verbunden sind. Bei diesem Batteriesystem brennt die Sicherung 98 durch und schaltet den Strom in der Batterie 91 ab, wenn übermäßiger Strom in die antreibende Batterie fließt. Darüber hinaus schaltet eine Steuerschaltung 94, die die Relais 92 ”AN” und ”AUS” steuert, die Relais 92 zum Abschalten des Stroms der Batterie 91 ”AUS”. Die Steuerschaltung 94 des Batteriesystems ist mit einer Stromerfassungsschaltung 99 zum Erfassen von Strom der Batterie 91 versehen und das Laden und Entladen der Batterie 91 wird auf der Grundlage des erfassten Stroms gesteuert. Die Stromerfassungsschaltung 99 erfasst Strom innerhalb des normalen Batterie- 91 Lade- und Entlade-Bereichs, beispielsweise bei oder unter 200 A bei einem Batteriesystem eines Fahrzeugs. Fließt in der Batterie ein größerer Strom als dieser, genauer gesagt, wenn abnormal hoher Strom in der Batterie fließt, werden die Relais ”AUS” geschaltet, um den Batteriestrom zu unterbrechen. Das Batteriesystem aus 1 erreicht einen hohen Sicherheitsgrad mittels Durchbrennens der Sicherung 98 oder Schaltens der Relais 92 „Aus” bei einem Übermaß-Strom-Zustand.
Es ist jedoch möglich, dass die Sicherung 98 in dem in 1 dargestellten Batteriesystem nicht durchbrennen kann und sich die Relais 92 in einer Übermaß-Strom-Situation der Batterie 91 nicht ”AUS” schalten. Dies rührt daher, dass die Relaiskontakte, wenn übermäßiger Strom erfasst wird und die Relais auf ”AUS” gesteuert werden, auf Grund des hohen Stroms verschmelzen und verhindern, dass die Relais ”AUS” geschaltet werden. Wird ein Versuch unternommen, den Strom zu unterbrechen, wenn er den maximalen Unterbrechungsstrom der Relais überschreitet, können die Relaiskontakte durch Lichtbogenbildung während des Unterbrechungsversuchs verschmelzen. Daher hat das in 1 dargestellte Batteriesystem den Nachteil, dass die Relais- 92 Kontakte, wenn die Steuerschaltung 94 einen übermäßigen Batterie- 91 Strom erfasst und die Relais 92 auf ”AUS” steuert, miteinander verschmelzen können und ein Unterbrechen verhindern, wenn der Strom größer als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais 92 ist.
Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den oben beschriebenen Nachteil zu vermeiden. Somit ist eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem bereitzustellen, das den Batteriestrom zuverlässig unterbrechen bzw. abschalten kann, ohne dass die Relaiskontakte schmelzen.
Weiterhin können interne Stromunterbrechungssektionen bereitgestellt werden, wie beispielsweise Stromunterbrechungsvorrichtungen (current interruption devices – CIDs), die den Strom unterbrechen bzw. abschalten, wenn Batterieladezustände abnormal werden. Diese internen Stromunterbrechungssektionen unterbrechen den Strom bei abnormalen Batterieladezuständen, um die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten. Beispielsweise gewährleistet eine interne Stromunterbrechungssektion einer CID die Sicherheit der Batterie durch Unterbrechen von Strom, wenn interner Batteriedruck abnormal hoch wird. Da die CID aktiviert, um den Strom zu unterbrechen, wenn die Batterie überladen wurde und der interne Druck auf ein abnormales Niveau gestiegen ist, ist ein Zustand, in dem die CID den Strom unterbrochen hat, ein Zustand, der die Batterie in ihrem Überladezustand hält. Folglich ist es wichtig, deren Betrieb so weit wie möglich einzuschränken, obgleich CIDs Sicherheitsgeräte sind. Nebenbei bemerkt, ist die Fähigkeit einer CID, hohe Ströme auszuhalten, gering relativ zu anderen Batteriebauteilen, da sie gestaltet ist, um Strom zu unterbrechen. Daher ist es möglich, dass eine CID wegen übermäßigem Strom allein den Strom unterbricht.
Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den oben beschriebenen Nachteil anzugehen. Genauer gesagt, besteht die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Batteriesystem bereitzustellen, das nicht die Batterie-CID aktiviert, sondern vielmehr zuverlässig übermäßigen Batteriestrom mit der Sicherung und Relais unterbrechen bzw. abschalten kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das erste Batteriesystem der vorlegenden Erfindung wird bereitgestellt mit einer Batterie 1, die wieder aufgeladen werden kann, einer Sicherung 8, die selbstschmelzend bei Übermaß-Strom-Fluss ist, geschaltet in Reihe mit der Batterie 1, Relais 2, geschaltet in Reihe mit der Ausgabeseite der Batterie 1, und einer Stromunterbrechungsschaltung (bzw. Stromabschaltschaltung) 4, die übermäßigen Batterie- 1 Strom erfasst und die Relais 2 von ”AN” nach ”AUS” kontrolliert (steuert bzw. regelt). Die Stromunterbrechungsschaltung 4 erfasst übermäßigen Batterie- 1 Strom und ist mit einer Timer-Sektion 24 versehen, die eine Verzögerungszeit zwischen Erfassung übermäßigem Batterie- 1 Stroms und Schalten der Relais 2 von ”AN” zu ”AUS” bestimmt. Für die Verzögerungszeit der Timer-Sektion 24 wird der Schmelzstrom der Sicherung 8 niedriger festgelegt bzw. eingestellt als der maximale Unterbrechungsstrom (bzw. Abschaltstrom) der Relais 2 und höher als der maximal erlaubte Batterie- 1 Lade- und Entladestrom. In einer Situation, wo übermäßiger Strom, größer als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais 2, durch die Batterie 1 dieses Batteriesystems fließt, brennt die Sicherung 8 während der Verzögerungszeit des Timers 24 durch, und die Stromunterbrechungsschaltung 4 schaltet die Relais 2 von ”AN” auf ”AUS”, wenn die Verzögerungszeit verstrichen ist.
Das oben beschriebene Batteriesystem weist die Eigenschaft auf, dass die Relais zuverlässig übermäßigen Batteriestrom unterbrechen bzw. abschalten können ohne Verschmelzen von Relaiskontakten miteinander, und übermäßiger Batteriestrom kann ebenfalls zuverlässig durch die Sicherung unterbrochen bzw. abgeschaltet werden. Das liegt daran, dass das oben beschriebene Batteriesystem eine Verzögerungszeit zwischen übermäßiger Batteriestrom-Erfassung und ”AN” zu ”AUS” Schalten der Relais schafft. Darüber hinaus wird für diese Verzögerungszeit der Schmelzstrom der Sicherung unter dem maximalen Relaisunterbrechungsstrom und über dem maximal erlaubten Batterie-Lade- und Entladestrom festgelegt. Wenn übermäßiger Strom, größer als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais, durch die Batterie dieses Batteriesystems fließt, brennt die Sicherung durch, um den Strom zu unterbrechen während der Verzögerungszeit, und die Relais werden ”AUS” geschaltet zum Unterbrechen, wenn die Verzögerungszeit verstrichen ist. Daher kann übermäßiger Batteriestrom zuverlässig und sicher unterbrochen bzw. abgeschaltet werden durch sowohl die Sicherung als auch die Relais, ohne dass Relaiskontakte miteinander verschmelzen. Wenn umgekehrt Übermaß-Strom-Fluss länger als die Verzögerungszeit anhält, ist der Strom niedriger als der Strom, erforderlich, um die Sicherung durchzubrennen, und muss niedriger sein als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais. Folglich ist es möglich, dass die Relais den Strom unterbrechen können ohne Verschmelzen der Kontakte miteinander.
Die oben genannten und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sowie die Merkmale davon werden ersichtlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein verkürztes Blockdiagramm einer vom Anmelder der vorliegenden Erfindung zuvor offenbarten Energiequellenvorrichtung;
2 ist ein verkürztes Blockdiagramm eines Batteriesystems für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Graf, zeigend Strom-Unterbrechungs- bzw. Abschalt-Charakteristiken der Sicherung, der Relais und der internen Stromunterbrechungssektion einer Ausführungsform des Batteriesystems der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN)
Ein weiteres Batteriesystem wird bereitgestellt mit einer Batterie 1 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 5, die wieder aufgeladen werden können, einer in Reihe mit der Batterie 1 geschalteten Sicherung 8, die selbstschmelzend bei Übermaß-Strom-Fluss ist, und mit internen, in den Batteriezellen 5 vorgesehenen Stromunterbrechungssektionen, die interne Schaltungsverbindungen (internal circuit connections) der Batteriezelle 5 bei übermäßigem Strom oder Überladungszuständen unterbrechen. Die Schmelzeigenschaften der Sicherung 8 sind so festgelegt bzw. eingestellt, dass die Sicherung 8 bei einem Strom durchbrennt, der niedriger als der Unterbrechungsstrom der internen Stromunterbrechungssektionen ist. Wenn bei diesem Batteriesystem übermäßiger Strom in der Batterie 1 fließt, brennt die Sicherung 8 durch vor Aktivierung der internen Stromunterbrechungssektion.
Ein weiteres Batteriesystem wird bereitgestellt mit einer Batterie 1 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 5, die wieder aufgeladen werden können, Relais 2, in Reihe geschaltet mit der Ausgabeseite der Batterie 1, einer Stromunterbrechungsschaltung 4, die übermäßigen Batterie- 1 Strom erfasst und die Relais 2 von ”AN” auf ”AUS” kontrolliert, und internen Stromunterbrechungssektionen, aufgenommen in den Batteriezellen 5, die interne Schaltungsverbindungen (internal circuit connections) der Batteriezelle 5 bei übermäßigem Strom oder Überladungszuständen unterbrechen. Die Stromunterbrechungsschaltung 4 erfasst übermäßigen Batterie- 1 Strom und ist mit einer Timer-Sektion 24 versehen, die eine Verzögerungszeit zwischen Erfassen übermäßigem Batterie- 1 Stroms und ”AN” zu ”AUS” Schalten der Relais 2 bestimmt. Für die Verzögerungszeit der Timer-Sektion 24 wird der Unterbrechungsstrom der internen Stromunterbrechungssektionen höher als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais 2 festgelegt. In diesem Batteriesystem werden die Relais 2 von ”AN” auf ”AUS” geschaltet, um den Batterie- 1 Strom zu unterbrechen, wenn übermäßiger Strom in der Batterie 1 fließt und die internen Stromunterbrechungssektionen den Strom nicht unterbrechen.
Die oben beschriebenen Batteriesysteme sind dadurch gekennzeichnet, dass übermäßiger Strom zuverlässig durch die Sicherung oder die Relais unterbrochen bzw. abgeschaltet werden kann, ohne interne Stromunterbrechungssektionen zu aktivieren, aufgenommen in den Batteriezellen. Das liegt daran, weil die Sicherung oder die Relais dieser Batteriesysteme den Batteriestrom vor der Stromunterbrechung durch die internen Stromunterbrechungssektionen der Batterien unterbrechen.
Interne Stromunterbrechungssektionen der Batteriezelle 5 für das Batteriesystem der vorliegenden Erfindung können Stromunterbrechungsvorrichtung (CIDs) sein.
Darüber hinaus kann die Ausgangsspannung der Batterie 1 für das Batteriesystem der vorliegenden Erfindung größer als oder gleich 10 V und niedriger als oder gleich 500 V sein.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das in 2 dargestellte Batteriesystem ist an Bord eines Fahrzeugs, wie beispielsweise eines Hybridfahrzeugs, eines Elektrofahrzeugs oder Brennstoffzellenfahrzeugs installiert und liefert Energie einem verbundenen Motor 11 als Verbraucher (load) 10 davon zum Antreiben des Fahrzeugs. Der Motor 11, der der Verbraucher 10 der Batterie 1 ist, ist mit der Batterie 1 durch einen Inverter 12 verbunden. Der Inverter 12 wandelt den Batterie- 1 Gleichstrom (DC) in 3-Phasen-Wechselstrom (AC) und kontrolliert die an den Motor 11 zugeführte Energie.
Das Batteriesystem aus 2 wird bereitgestellt mit einer Batterie 1, einer in Reihe mit der Batterie 1 geschalteten Sicherung 8, mit der Ausgabeseite der Batterie 1 verbundenen Relais 2, um die an den Verbraucher 10 zugeführte Energie ”AN” und ”AUS” zu schalten, einer Vorladeschaltung 3, die einen Verbraucher- 10 Kondensator 13 vorauflädt, bevor die Relais 2 auf ”AN” schalten, und einer Stromunterbrechungsschaltung 4, die die Vorladeschaltung 3 und die Relais 2 ”AN” und ”AUS” kontrolliert.
Die Batterie 1 führt dem Motor 11, der das Fahrzeug durch den Inverter 12 antreibt, Energie zu. Für die Zufuhr hoher Energie an den Motor 11, weist die Batterie viele Batteriezellen 5 auf, die in Reihe geschaltet sind, um die Ausgangsspannung zu erhöhen. Lithium-Ionen-Batterien oder Nickel-Hydrid-Batterien werden als die Batteriezellen 5 verwendet. Ein Batteriesystem mit Lithium-Ionen-Batteriezellen weist eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Batterien auf. Ein Batteriesystem mit Nickel-Hydrid-Batteriezellen hat eine Vielzahl von Nickel-Hydrid-Batterien, geschaltet in Reihe als ein Batteriemodul, und hat dann eine Vielzahl von Batteriemodulen, geschaltet in Reihe, um die Ausgangsspannung zu erhöhen. Batterien des Batteriesystems sind nicht beschränkt auf Lithium-Ionen-Batterien oder Nickel-Hydrid-Batterien. Jedwede Batterien, die wieder aufgeladen werden können, wie beispielsweise Nickel-Cadmium-Batterien, können verwendet werden.
Um eine hohe Zufuhr von Energie an den Motor 11 zu ermöglichen, wird die Ausgangsspannung der Batterie 1 hoch vorgesehen. Beispielsweise kann die Batterie- 1 Ausgangsspannung 200 V bis 400 V betragen. Es kann jedoch auch ein DC-DC-Konverter (nicht dargestellt) mit der Ausgabeseite der Batterie verbunden werden, um die Batteriespannung zu erhöhen und Energie an den Verbraucher zu führen. Bei dieser Art von Batteriesystem kann die Anzahl der in Reihe geschalteten Batterien reduziert und die Batterieausgangsspannung verringert werden. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung der Batterie 1 beispielsweise 150 V bis 400 V betragen.
Die Stromunterbrechungsschaltung 4 ist mit einer Spannungserfassungsschaltung 22 zum Erfassen von Spannungen der Batteriezellen 5, die die Batterie 1 ausbilden, und zum Kontrollieren des Ladens und Entladens der Batterie 1 und einer Stromerfassungsschaltung 21 zum Erfassen von Batterie- 1 Strom versehen.
Die Spannungserfassungsschaltung 22 erfasst die Spannungen einer Vielzahl von Batteriezellen 5 oder erfasst die Spannungen von Batteriemodulen, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen aufweisen. Die Spannungserfassungsschaltung eines Batteriesystems mit Lithium-Ionen-Batterien erfasst die Spannung jeder Lithium-Ionen-Batterie. Die Spannungserfassungsschaltung eines Batteriesystems mit Nickel-Hydrid-Batterien erfasst die Spannungen von Batteriemodulen, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Nickel-Hydrid-Batterien aufweisen.
Die Stromerfassungsschaltung 21 erfasst den Stromfluss in der Batterie 1 über einen Stromsensor 9, um die verbleibende Kapazität der Batteriezellen 5 zu bestimmen. Die Stromerfassungsschaltung 21 wird bereitgestellt, da das Batteriesystem Ströme zum Laden und Entladen der Batterie 1 kontrolliert, mittels Bestimmens der verbleibenden Kapazität der Batterie 1. Die Stromunterbrechungsschaltung 4 berechnet die verbleibende Kapazität mittels Integrierens des Batterie- 1 Stroms, gemessen durch die Stromerfassungsschaltung 21. Das Batteriesystem sendet Signale an die Fahrzeugseite und kontrolliert Lade- und Entlade-Ströme, um die verbleibende Kapazität der Batterie 1 bei nahe 50% zu halten. Dies geschieht, um Batterie- 1 Degradation zu reduzieren so weit wie möglich unter verschiedenen Fahrzuständen. Da die verbleibende Kapazität der Batterie 1 sich mit dem Integral des Ladestroms erhöht und mit dem Integral des Entladestroms fällt, kann die verbleibende Kapazität aus den Integralen des Ladestroms und des Entladestroms berechnet werden.
Die Stromunterbrechungsschaltung 4 erfasst übermäßigen Strom und schaltet die Relais 2 von ”AN” auf ”AUS”, um den Batterie- 1 Strom zu unterbrechen. Obwohl die Stromerfassungsschaltung 21 der Stromunterbrechungsschaltung 4 Batterie- 1 Strom erfasst, wird nur Strom im Bereich des Batterie- 1 Ladens und Entladens erfasst. Folglich kann das Ausmaß des übermäßigen Stroms nicht bestimmt werden, wenn übermäßiger Strom in der Batterie 1 fließt. Insbesondere kann die Stromerfassungsschaltung 21 erfassen, ob ein Übermaß-Strom-Fluss stattgefunden hat oder nicht, aber er kann nicht das Ausmaß des übermäßigen Stroms erfassen. Daher schaltet die Stromunterbrechungsschaltung 4 die Relais 2 von ”AN” auf ”AUS”, um den Batterie- 1 Strom zu unterbrechen, wenn übermäßiger Strom erfasst wird, ungeachtet des Ausmaßes des übermäßigen Stroms. Die Stromunterbrechungsschaltung 4 schaltet die Relais 2 jedoch nicht sofort auf ”AUS”, wenn ein Übermaß erfasst wird.
Die Stromunterbrechungsschaltung 4 ist bereitgestellt mit einer Timer-Sektion 24, die im Speicher eine Verzögerungszeit speichert für die Verzögerung von einer Erfassung übermäßigen Stroms bis die Relais 2 auf „AUS” geschaltet werden. Nach der Erfassung übermäßigen Stroms schaltet die Stromunterbrechungsschaltung 4 die Relais 2 von ”AN” zu ”AUS”, wenn die in der Timer-Sektion 24 gespeicherte Verzögerungszeit abgelaufen ist. In 3 wird die Verzögerungszeit für die Stromunterbrechungsschaltung 4, um die Relais 2 ”AUS” zu schalten, auf 0,3 Sekunden festgelegt. Diese Stromunterbrechungsschaltung 4 erfasst übermäßigen Strom und schaltet dann die Relais 2 ”AUS”, um den Batterie- 1 Strom zu unterbrechen, nachdem die 0,3 Sekunden Verzögerungszeit verstrichen sind. Genauer gesagt wird der Batterie- 1 Strom für einen Zeitraum von 0,3 Sekunden nach Erfassen von übermäßigem Strom nicht unterbrochen.
Relaiskontakte werden durch die Stromunterbrechungsschaltung 4 ”AN” und ”AUS” geschaltet. Obwohl nicht dargestellt, ist ein Relais mit einer magnetischen Aktivierungsspule versehen, um die Kontakte ”AN” und ”AUS” zu schalten. Die Stromunterbrechungsschaltung 4 kontrolliert den Strom durch die Relaisaktivierungsspulen, um die Kontakte ”AN” und ”AUS” zu schalten. Kontakte eines Standardrelais werden ”AN” geschaltet, wenn Strom durch die Aktivierungsspule fließt, und ”AUS” geschaltet, wenn der Aktivierungsspulenstrom unterbrochen wird.
Im Allgemeinen wird der Maximalstrom, der einem Relais ein Unterbrechen ermöglicht, angegeben. Dieser maximale Unterbrechungsstrom kann durch Erhöhung der Strombelastbarkeit der Kontakte und des Kontaktdrucks zwischen beweglichen Kontakten und stationären Kontakten erhöht werden. Für ein Relais mit einem hohen maximalen Unterbrechungsstrom müssen bewegliche und stationäre Kontakte jedoch groß sein. Darüber hinaus ist eine starke Feder erforderlich, um die großen beweglichen Kontakte von den stationären Kontakten wegzuziehen, und es ist ein langer beweglicher Kontakt-”AN”-”AUS”-Hub erforderlich, um die Kontakte schnell zu unterbrechen. Für ein Relais mit einer starken Feder muss die Aktivierungsspule groß sein und ihr Strom muss hoch sein. Insbesondere erfordert eine große Aktivierungsspule einen hohen Energieverbrauch. So lange die Relaiskontakte im ”AN”-Zustand gehalten werden, wird Aktivierungsspulenenergie verbraucht. Ein Hochenergierelais hat die Nachteile, dass eine große Menge Energie verbraucht wird, um die Kontakte im ”AN”-Zustand zu halten, und die Aktivierungsspulenwärmeerzeugung groß ist. Folglich wird ein Relais-Maximal-Unterbrechungsstrom in Abhängigkeit der Anwendung unter Berücksichtigung des erforderlichen maximalen Unterbrechungsstroms, des Energieverbrauchs und der erzeugten Wärmemenge auf einen Optimalwert festgelegt.
Da beispielsweise eine kleine Größe und leichtes Gewicht für ein Fahrzeugbatteriesystem entscheidend sind, kann der Relais-Maximal-Unterbrechungsstrom nicht willkürlich hoch gesetzt werden. Nebenbei bemerkt wird ein Kurzschlussstrom, der fließt, wenn der Verbraucher kurzgeschlossen wird, extrem groß, wenn die Ausgangsspannung des Batteriesystems erhöht wird, um die dem Verbraucher zugeführte Energie zu erhöhen. Darüber hinaus erhöht sich die Kurzschlussenergie proportional zum Quadrat des Stroms. Wenn folglich das Batteriesystem die Relais auf „AUS” kontrolliert unter Kurzschlussverbraucherzuständen und hohem Kurzschlussstrom, ist es möglich, dass die beweglichen Kontakte mit den stationären Kontakten verschmelzen, um zu verhindern, dass die Relais ”AUS” geschaltet werden.
Die Sicherung 8 weist einmalige Eigenschaften auf, um ein Schmelzen der Relais- 2 Kontakte zu verhindern, um zuverlässig übermäßigen Batterie- 1 Strom zu unterbrechen und um ein Unterbrechen von Batterie- 1 Strom in einem Bereich, der niedriger ist als der übermäßige Strom, zu verhindern. Wie durch die Kurve A in 3 dargestellt ist, verringert sich die Zeit zum Durchbrennen der Sicherung 8 und Unterbrechen des Stroms, wenn sich der Strom erhöht. Da die Sicherung 8 durch Selbsterwärmung durchbrennt, ist es schwierig, den Schmelzstrom zu kontrollieren. Eine leicht durchbrennende Sicherung kann bei einem Strom im Bereich des erlaubten Batterie-Lade- und Entladestroms aufschmelzen. Im Gegensatz dazu kann für eine Sicherung, die schwer durchzubrennen ist, ein Verschmelzen der Relaiskontakte nicht zuverlässig verhindert werden. Dadurch, dass die Eigenschaften der Sicherung 8 und des Relais 2 in vorteilhafte Beziehung gesetzt werden, verhindert das Batteriesystem der vorliegenden Erfindung zuverlässig ein Verschmelzen der Relaiskontakte und unterbricht zuverlässig übermäßigen Batterie- 1 Strom oder Überladestrom mit der Sicherung 8 und den Relais 2. Um dies zu erreichen, wird der Schmelzstrom der Sicherung 8 so festgelegt, dass die Sicherung 8 während der Verzögerungszeit der Timer-Sektion 24 der Stromunterbrechungsschaltung 4 bei einem Strom, der geringer ist als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais 2, durchbrennt.
Da der maximale Unterbrechungsstrom der Relais 2 500 A beträgt und die Verzögerungszeit 0,3 Sekunden, wird in 3 der Schmelzstrom der Sicherung 8 nach 0,3 Sekunden auf weniger als 500 A festgelegt. Während der Verzögerungszeit von 0 bis 0,3 Sekunden, wenn die Timer-Sektion zählt, brennt die Sicherung 8 durch, um Strom bei einem Strom zu unterbrechen, der groß genug ist, um die Relais- 2 Kontakte zu schmelzen, d. h. bei einem Strom, der größer als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais 2 ist. Folglich ist ein übermäßiger Strom, der die Sicherung 8 nicht durchbrennt während der 0,3 Sekunden Verzögerungszeit, ein Strom, der die Relais- 2 Kontakte nicht schmelzen lässt, und die Relais 2 können ”AUS” geschaltet werden nach der 0,3 Sekunden Verzögerungszeit, ohne dass die Kontakte miteinander verschmelzen. Da die Relais 2 den Batterie- 1 Strom unterbrechen, nachdem die 0,3 Sekunden Verzögerungszeit abgelaufen ist, ungeachtet dessen, ob die Sicherung 8 durchgebrannt ist oder nicht, sind Schmelzeigenschaften nach der 0,3 Sekunden Verzögerungszeit nicht wesentlich. Eigenschaften der Sicherung 8 sind von dem Moment an erforderlich, in dem der übermäßige Strom fließt bis die Verzögerungszeit abgelaufen ist; nämlich Schmelzeigenschaften von 0 bis 0,3 Sekunden werden benötigt. Insbesondere ist nur der charakteristische Schmelzstrom bei 0,3 Sekunden nach Initiation des Übermaß-Strom-Flusses wesentlich. Es ist jedoch nicht erwünscht, die Sicherung 8 bei einem Strom im Bereich des erlaubten Batterie- 1 Lade- und Entladestroms durchzubrennen. Daher ist die Sicherung 8 festgelegt, innerhalb 0,3 Sekunden Verzögerungszeit bei einem Strom größer als 200 A durchzubrennen, was der maximal erlaubte Batterie- 1 Lade- und Entladestrom ist. Folglich ist die Sicherung 8 ausgestaltet, um bei einem Strom zwischen Kurve A in 3 und dem maximal erlaubten Batterie-Lade- und Entladestrom durchzubrennen. Eine Sicherung 8 mit den Schmelzeigenschaften der Kurve B in 3 kann nach Ablauf der 0,3 Sekunden Verzögerungszeit bei einem Strom von weniger als 200 A durchbrennen, was der maximale Strom für das Batterie-Laden- und Entladen ist. Dies macht es unmöglich, die Batterie 1 innerhalb des Bereichs des erlaubten Lade- und Entladestroms aufzuladen und zu entladen. Eine Sicherung mit diesen Eigenschaften kann nicht eingesetzt werden, da das Batteriesystem bei normalen Strömen unbrauchbar wird.
Außerdem können interne Schaltungsverbindungen (internal circuit connections) in den Batteriezellen 5, die die Batterie 1 ausbilden, den Strom unter abnormalen Zuständen, wie beispielsweise übermäßigem Strom oder Überladung, unterbrechen. Genauer gesagt, sind die Batteriezellen 5 mit internen Stromunterbrechungssektionen versehen, die unabhängig Strom unterbrechen. Als interne Stromunterbrechungssektionen gibt es Stromunterbrechungsvorrichtungen (current interruption devices – CIDs), die aktivieren, um Strom zu unterbrechen, wenn interner Batteriedruck abnormal steigt. Obwohl ein CID aktiviert, um Strom zu unterbrechen unter Überladungszuständen, wenn der Batteriezellen- 5 interne Druck abnormal steigt, aufgrund seiner Stromunterbrechungsstruktur, weist die CID eine niedrigere Toleranz für hohe Ströme auf als andere Batteriezellenbauteile. Daher ist die CID am leichtesten von allen Bauteilen in der Batteriezelle aufzuschmelzen, wenn übermäßiger Strom erzeugt wird.
Kurve C der 3 zeigt Unterbrechungseigenschaften für eine Aktivierung der internen Stromunterbrechungssektion zum Unterbrechen von Strom. Schmelzeigenschaften der Sicherung 8 (Kurve A und Kurve B) werden festgelegt, um Strom bei einem Wert zu unterbrechen, der niedriger ist als die Stromunterbrechungseigenschaften der internen Stromunterbrechungssektionen. Daher kann ein Stromunterbrechen durch eine interne Stromunterbrechungssektion vermieden werden durch Durchbrennen der Sicherung 8 vor Ablauf der 0,3 Sekunden Verzögerungszeit.
Wie durch Kurve C der 3 gezeigt, werden Unterbrechungseigenschaften der internen Stromunterbrechungssektionen festgelegt auf Ströme größer als der 500 A maximal Unterbrechungsstrom der Relais 2 für Zeiten nach Ablauf der 0,3 Sekunden Timer-Sektion- 24 Verzögerungszeit. In diesem Batteriesystem werden, wenn übermäßiger Strom durch die Batterie 1 fließt, die Relais 2 von ”AN” auf ”AUS” geschaltet, um Batterie- 1 Strom zu unterbrechen bei einem hohen Strom, der niedriger ist als der Unterbrechungsstrom der internen Stromunterbrechungssektionen. Folglich wird der Batterie- 1 Strom unterbrochen, bevor die internen Stromunterbrechungssektionen den Strom unterbrechen. Daher kann übermäßiger Strom unterbrochen werden, während eine interne Stromunterbrechungssektion-Aktivierung vermieden wird.
Der Verbraucher 10, verbunden mit der Batterie 1, ist ein Inverter 12 mit einem Motor 11, verbunden mit der Ausgabeseite des Inverters 12. Ein Kondensator 13 mit großer Kapazität ist parallel geschaltet zu dem Inverter 12, der der Verbraucher 10 ist. Befinden sich die Relais 2 im ”AN”-Zustand, wird dem Verbraucher- 10 Inverter 12 elektrische Energie von sowohl dem Kondensator 13 als auch der Batterie 1 zugeführt. Insbesondere wird dem Verbraucher- 10 Inverter 12 von dem Kondensator 13 augenblicklich hohe elektrische Energie zugeführt. Aus diesem Grund kann augenblickliche Energie, die dem Verbraucher 10 zugeführt wird, erhöht werden durch Parallelschalten eines Kondensators 13 zu der Batterie 1. Da die Energie, die von dem Kondensator 13 dem Verbraucher- 10 Inverter 12 zugeführt werden kann, proportional zu der Kapazität ist, wird ein Kondensator 13 mit extrem hoher Kapazität, beispielsweise 4000 μF bis 6000 μF, verwendet. Wird ein Hochkapazitätskondensator 13 im entladenen Zustand mit einer Batterie 1 mit hoher Ausgangsspannung verbunden, wird ein extrem hoher transienter Ladestrom fließen. Das liegt daran, dass die Impedanz des Kondensators 13 sehr niedrig ist.
Wenn ein ”AN”-Signal von dem Zündschalter 14 eingegeben wird, lädt eine Vorladeschaltung 3 den Verbraucher- 10 Kondensator 13 vor, bevor die Relais 2 ”AN” geschaltet werden. Die Vorladeschaltung 3 lädt den Kondensator 13 vor, während Beschränkens von Kondensator- 13 Ladestrom. Die Vorladeschaltung 3 weist einen Vorladeschalter 7 auf, geschaltet parallel zu einem Vorladewiderstand 6. Der Vorladewiderstand 6 beschränkt den Vorladestrom zu dem Verbraucher- 10 Kondensator 13. Der Vorladestrom der Vorladeschaltung 3 kann durch Erhöhen des elektrischen Widerstandes des Vorladewiderstandes 6 verringert werden. Der Vorladewiderstand kann beispielsweise ein 10 Ω, 30 W Widerstand sein. Für eine Batterie 1 mit 400 V Ausgangsspannung beschränkt dieser Vorladewiderstand 6 den Spitzenladestrom des Kondensators 13 auf 40 A.
Die Vorladeschaltung 3 ist parallel geschaltet zu den Kontakten eines Relais 2. Bei dem Batteriesystem der Figuren werden Relais 2 sowohl auf der positiven als auch auf der negativen Seite bereitgestellt, und die Vorladeschaltung 3 wird parallel geschaltet zu den Kontakten des Relais 2 auf der positiven Seite. Bei diesem Batteriesystem wird der Kondensator 13 vorgeladen über die Vorladeschaltung 3 mit dem Negative-Seite-Relais 2B ”AN” und dem Positive-Seite-Relais 2A ”AUS”. Nachdem der Kondensator 13 durch die Vorladeschaltung 3 vorgeladen wurde, wird das Positive-Seite-Relais 2A von ”AUS” auf ”AN” geschaltet und der Vorladeschalter 7 in der Vorladeschaltung 3 wird ”AUS” geschaltet.
In der Vorladeschaltung 3 wird der Vorladeschalter 7 ”AN” geschaltet, um den Kondensator 13 vorzuladen. Der Vorladeschalter 7 ist ein Schalter mit mechanischen Kontakten, wie beispielsweise ein Relais. Es kann jedoch auch eine Halbleiterschaltvorrichtung, wie beispielsweise ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor (FET), als Vorladeschalter verwendet werden. Für einen Halbleiterschaltvorrichtungs-Vorladeschalter gibt es keine mit der Zeit auftretende Kontaktverschlechterung und die Lebensdauer des Schalters kann erhöht werden. Darüber hinaus kann, da eine Halbleiterschaltvorrichtung schnell in einem extrem kurzen Zeitraum ”AN” und ”AUS” geschaltet werden kann, der Kondensator voraufgeladen werden, während der Vorladeschalter ”AN”- und ”AUS” geschaltet wird.
Nachdem der Kondensator 13 durch die Vorladeschaltung 3 voraufgeladen wurde, wird das Positive-Seite-Relais 2A, geschaltet parallel zu der Vorladeschaltung 3, ”AN” geschaltet, um die Batterie in einen Zustand zu versetzen, bei dem dem Verbraucher 10 Energie von der Batterie 1 zugeführt wird, d. h. einen Zustand, in dem der Motor 11 von der Batterie mit Energie versorgt wird, um das Fahrzeug anzutreiben.
Obgleich verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, sollte für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet klar sein, dass die Erfindung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, die lediglich als veranschaulichend für die erfindungsgemäßen Konzepte zu betrachten und nicht als Beschränkung des Umfangs der Erfindung zu interpretieren sind und die geeignet sind für alle Modifikationen und Änderungen, fallend in den Kern und Umfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der Anmeldung Nr. 2008-301743, die am 26. November 2008 in Japan eingereicht wurde, deren Inhalt hier durch Bezugnahme eingefügt ist.

1: Batterie
2: Relais
2A: Positive-Seite-Relais
26: Negative-Seite-Relais
3: Vorladeschaltung (Vorladeschaltkreis)
4: Stromunterbrechungsschaltung (Stromunterbrechungsschaltkreis)
5: Batteriezelle
6: Vorladewiderstand
7: Vorladeschalter
8: Sicherung
9: Stromsensor
10: Verbraucher
11: Motor
12: Inverter
13: Kondensator
14: Zündschalter
21: Stromerfassungsschaltung (Stromerfassungsschaltkreis)
22: Spannungserfassungsschaltung (Spannungserfassungsschaltkreis)
24: Timer-Sektion
91: Batterie
92: Relais
94: Steuerschaltung (Steuerschaltkreis)
95: Batterieblock
98: Sicherung
99: Stromerfassungsschaltung (Stromerfassungsschaltkreis)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2008-193776 [0002, 0002]
- JP 2008-301743 [0041]

Claims

Batteriesystem, umfassend: eine Batterie (1), versehen mit einer Vielzahl wiederaufladbarer Batteriezellen (5); eine in Reihe zu der Batterie (1) geschaltete Sicherung (8), die selbstschmelzend ist, wenn übermäßiger Strom fließt, zu der Ausgabeseite der Batterie (1) in Reihe geschaltete Relais (2); und eine Stromunterbrechungsschaltung (4), die übermäßigen Batterie- (1) Strom erfasst und die Relais (2) von ”AN” zu ”AUS” kontrolliert, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungsschaltung (4) übermäßigen Batterie- (1) Strom erfasst und mit einer Timer-Sektion (24) versehen ist, die eine Verzögerungszeit vom Zeitpunkt des Erfassens von übermäßigem Strom bis die Relais (2) von ”AN” zu ”AUS” geschaltet werden bestimmt; für die Verzögerungszeit der Timer-Sektion (24) der Schmelzstrom der Sicherung (8) niedriger festgelegt ist als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais (2) und höher als der maximal erlaubte Batterie- (1) Lade- und Entladestrom; in einer Situation, in der übermäßiger Strom, der größer ist als der maximale Unterbrechungsstrom der Relais (2), durch die Batterie (1) fließt, die Sicherung (8) durchbrennt während der Timer-Sektion- (24) Verzögerungszeit und die Stromunterbrechungsschaltung (4) die Relais (2) von ”AN” zu ”AUS” schaltet, wenn die Verzögerungszeit abgelaufen ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei jede Batteriezelle (5) mit einer internen Stromunterbrechungssektion versehen ist, die interne Schaltungsverbindungen der Batteriezelle (5) bei übermäßigem Strom oder Überladung unterbricht; und die Schmelzcharakteristiken der Sicherung (8) die Eigenschaft haben, dass die Sicherung (8) bei einem Strom durchbrennt, der niedriger ist als der charakteristische Unterbrechungsstrom der internen Stromunterbrechungssektion.
Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei die interne Stromunterbrechungssektion der Batteriezelle (5) eine Stromunterbrechungsvorrichtung (CID) ist.
Batteriesystem nach Anspruch 3, wobei die interne Stromunterbrechungssektion eine CID ist, die aktiviert, um den Strom zu unterbrechen, wenn interner Batteriedruck abnormal steigt.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Stromunterbrechungsschaltung (4) bereitgestellt wird, die übermäßigen Batterie- (1) Strom erfasst und die Relais (2) von ”AN” zu ”AUS” kontrolliert, in jeder Batteriezelle (5) eine interne Stromunterbrechungssektion bereitgestellt wird, die interne Schaltungsverbindungen der Batteriezelle (5) bei übermäßigem Strom oder Überladung unterbricht; die Stromunterbrechungsschaltung (4) übermäßigen Batterie- (1) Strom erfasst und mit einer Timer-Sektion (24) bereitgestellt wird, die eine Verzögerungszeit von der Zeit des Erfassens von übermäßigem Strom bis die Relais (2) von ”AN” zu ”AUS” geschaltet werden bestimmt; für die Verzögerungszeit der Timer-Sektion (24) der Unterbrechungsstrom der internen Stromunterbrechungssektion größer festgelegt wird als der Relais- (2) maximal Unterbrechungsstrom; und in einer Situation, in der übermäßiger Strom in der Batterie (1) fließt und die interne Stromunterbrechungssektion den Strom nicht unterbricht, die Relais (2) von ”AN” zu ”AUS” geschaltet werden, um den Batterie- (1) Strom zu unterbrechen.
Batteriesystem nach Anspruch 5, wobei die interne Stromunterbrechungssektion der Batteriezelle (5) eine Stromunterbrechungsvorrichtung (CID) ist.
Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei die interne Stromunterbrechungssektion eine CID ist, die aktiviert, um Strom zu unterbrechen, wenn interner Batteriedruck abnormal steigt.
Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei jede Batteriezelle (5) mit einer internen Stromunterbrechungssektion versehen ist, die interne Schaltungsverbindungen der Batteriezelle (5) bei übermäßigem Strom oder Überladung unterbricht; und die Schmelzcharakteristiken der Sicherung (8) die Eigenschaft haben, dass die Sicherung (8) bei einem Strom durchbrennt, der geringer ist als der charakteristische Unterbrechungsstrom der internen Stromunterbrechungssektion.
Batteriesystem nach Anspruch 8, wobei die interne Stromunterbrechungssektion der Batteriezelle (5) eine Stromunterbrechungsvorrichtung (CID) ist.
Batteriesystem nach Anspruch 9, wobei die interne Stromunterbrechungssektion eine CID ist, die aktiviert, um Strom zu unterbrechen, wenn interner Batteriedruck abnormal steigt.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Batterie- (1) Ausgangsspannung größer oder gleich 10 V und niedriger oder gleich 500 V ist.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das an Bord eines Automobils installiert ist, um einen Motor (11) mit Energie zu versorgen, der das Fahrzeug antreibt.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Stromunterbrechungsschaltung- (4) Stromerfassungsschaltung (21) eine Schaltung ist, die erfasst, ob übermäßiger Strom fließt oder nicht, die aber nicht die Höhe des übermäßigen Stroms erfasst.