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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb, mit einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen.
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Elektrische Energiespeichereinrichtungen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge sind in der Regel aus einer Vielzahl von Einzelbatteriezellen (z. B. Lithium-Ionen, Lithium-Polymer, Nickel-Metallhydrid, ...) aufgebaut.
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Dabei werden in der Regel zum einen Einzelbatteriezellen in Reihe geschaltet, um die notwendigen Betriebsspannungen zu erzielen. Zum anderen werden – je nach Kapazität der einzelnen Batteriezellen – auch häufig Batteriezellen parallel geschaltet, um die notwendigen Kapazitäten und Stromstärken darzustellen.
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Werden Batteriezellen – insbesondere in Lithium-Ionen-Technologie aufgebaute Batteriezellen – parallel geschaltet, besteht die Gefahr, dass im Falle des Versagens einer Zelle beim Laden oder Entladen durch einen internen Kurzschluss oder durch eine Verringerung des Innenwiderstandes von Einzelzellen sich die jeweils parallel geschalteten Zellen über die defekte (niederohmige oder kurzgeschlossene) Zelle entladen. Je nach Anzahl der parallel verschalteten Zellen und der jeweiligen Kapazität können dabei in Extremfällen mehrere hundert Ampere Strom über eine Kurzschlussstelle fließen. Unzulässig hohe Ströme können zur Temperaturerhöhung und dadurch zur Zerstörung der Separatorschicht der Zelle führen. Als Folge kann es zum Kurzschließen von positiver und negativer Elektrode, dadurch zur schlagartigen Freisetzung der gespeicherten Energie und letztlich zum Brand der Zellen bis hin zur Schädigung des gesamten Batteriesystems und sogar des Umfelds kommen.
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Zur Vermeidung der Folgen solcher Kurzschlüsse und/oder Temperaturerhöhungen ist es bekannt, Kaltleiter in den Anschlussstromkreis der Zelle zu integrieren, die bei Temperaturerhöhung bzw. beim Auftreten unzulässig hoher Ströme ihren Widerstand erhöhen und damit den Stromfluss begrenzen. Ein Nachteil solcher Kaltleiter besteht jedoch darin, dass diese zu einem nicht unerheblichen Maß den Innenwiderstand der Zellen erhöhen. Außerdem kann es im Schadensfall durch Auftreten sehr hoher Spannungen zur Zerstörung dieser Kaltleiter und in der Folge zum weiteren ungebremsten Stromfluß durch die betroffene Zelle kommen.
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Ein anderes bekanntes Verfahren zur Begrenzung des Stromflusses von Einzelzellen ist die Überwachung der Gehäusetemperatur der jeweiligen Zelle mittels eines temperaturabhängigen Widerstands, der über eine Halbleiterschaltung bei Temperaturerhöhung den Lade- oder Entladestrom der Zelle begrenzt. Nachteilig an einer solchen Lösung ist insbesondere der Aufwand an zusätzlichen Bauteilen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte, ggf. auch nur alternative, Lösung zur Vermeidung der geschilderten Negativfolgen von Kurzschlüssen und/oder Temperaturerhöhungen anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Energiespeichereinrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung ist insbesondere für den Einsatz bei einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb geeignet. Sie umfasst eine Mehrzahl von Enegiespeicherzellen, die in einer Schaltungsanordnung derart miteinander verschaltet sind, dass zumindest zwei Speicherzellenebenen im Wesentlichen zueinander in Serie geschaltet sind. Jede der Speicherzellenebenen umfasst zwischen einem ersten Potenzialknoten und einem zweiten Potenzialknoten zumindest zwei im Wesentlichen parallel geschaltete Energiespeicherzweige. Jeder dieser Energiespeicherzweige umfasst wiederum zumindest eine Energiespeicherzelle und zumindest eine Sicherungseinrichtung, die innerhalb des jeweiligen Energiespeicherzweigs seriell miteinander verschaltet sind.
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Aus dem erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau ergibt sich, dass eine Auftrennung des jeweiligen Energiespeicherzweiges (durch ein Auslösen der Sicherungseinrichtung) eine vollständige Unterbrechung des jeweiligen Energiespeicherzweiges zur Folge hat. Anders als bei der Lehre der
DE 10 2007 017 980 A1 , in welcher Sicherungseinrichtungen lediglich zwischen parallel geschalteten Energiespeicherzweigen vorgesehen werden, jedoch nicht innerhalb der Energiespeicherzweige selbst, wird eine Energieaufnahme einer schadhaften Energiespeicherzelle durch die Erfindung komplett verhindert. Bei der Lehre der
DE 10 2007 017 980 A1 hingegen wird die Energieaufnahme nur verringert, da der jeweilige Energiespeicherzweig nicht aufgetrennt wird und daher über die nächstgelegenen Ebenen noch Energie nachfließen kann.
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Ein überraschendes Element der Erfindung besteht darin, dass in Abweichung von den ansonsten üblichen Herangehensweisen des Fachmanns billigend der Nachteil in Kauf genommen wird, dass auch im Falle einwandfreien Funktionierens ein Lade- oder Entladestrom einer Energiespeicherzelle zwingend über die Sicherungseinrichtung des jeweiligen Energiespeicherzweigs fließt. Die damit einhergehenden Leitungsverluste werden jedoch akzeptiert zu Gunsten einer für bestimmte Anwendungen, insbesondere den Einsatz in Kraftfahrzeugen, wünschenswerten Steigerung der Sicherheit und Haltbarkeit der Gesamtanordnung. Sie können zudem gering gehalten werden durch die Bereitstellung besonders niederohmiger Sicherungseinrichtungen.
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Im einfachsten, hauptsächlich avisierten, Fall umfasst jeder der Energiespeicherzweige genau eine Energiespeicherzelle und genau eine Sicherungseinrichtung. Die Sicherungseinrichtung ist der Energiespeicherzelle dann unmittelbar zugeordnet. Vorzugsweise ist die Sicherungseinrichtung auch räumlich nahe bei der Energiespeicherzelle angeordnet. Sie kann auch mit der Energiespeicherzelle in ein gemeinsames Gehäuse integriert sein, wodurch sich eine besonders einfache Handhabung und Montage sowie gegebenenfalls hohe Robustheit ergibt.
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Zugunsten eines einfachen Schaltungsaufbaus mit vorhersehbaren Stör- und Nutzeffekten sind sämtliche Sicherungseinrichtungen, die von den Energiespeicherzweigen einer Speicherzellenebene umfasst sind, mit demselben (oberen oder unteren) Potenzialknoten verbunden. Auch eine eventuelle Fehlersuche wird so begünstigt.
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Gemäß einer alternativen Variante der vorliegenden Erfindung umfassen die Energiespeicherzweige zumindest einer Speicherzellenebene jeweils zumindest zwei in Serie miteinander verschaltete Energiespeicherzellen, vorzugsweise jedoch nur eine Sicherungseinrichtungen. Letztere ist dabei vorzugsweise in jedem Energiespeicherzweig in vergleichbarer Art und Weise verschaltet, z. B. mit demselben (oberen oder unteren) Potenzialknoten verbunden. Die Sicherungseinrichtung kann schaltungstechnisch aber auch „zwischen” den Energiespeicherzellen angeordnet sein. Die Sicherungseinrichtung kann auch mit einer der Energiespeicherzellen in ein gemeinsames Gehäuse integriert sein.
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Vorzugsweise sind die Sicherungseinrichtungen im Wesentlichen gleichartig ausgeführt. Das Verhalten der Gesamtschaltung wird somit vorhersehbarer, eine Fehlersuche wird begünstigt, Teilebeschaffungskosten werden gesenkt.
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Die Sicherungseinrichtungen können beispielsweise in an sich bekannter Art und Weise jeweils ein Schmelzsicherungselement und/oder ein Federsicherungselement umfassen. Es kann auch in an sich bekannter Art und Weise die elektrische Verbindung der Energiespeicherzellen mit dem jeweiligen ersten und/oder zweiten Potenzialknoten durch einen Schweißprozess hergestellt sein. Ebenso kann die elektrische Verbindung der Energiespeicherzellen mit dem jeweiligen ersten und/oder zweiten Potenzialknoten vorteilhaft durch einen Lötprozess mit einem niedrigschmelzenden Lot hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Sicherungselement ein Bestandteil der Verbindungstechnik. Dies dient unter anderem der Reduzierung von Aufwand und Kosten und kann auch Integrationsvorteile mit sich bringen.
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Die Erfindung basiert auf den nachfolgenden Erkenntnissen.
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Es erscheint vorteilhaft, eine Sicherungseinrichtung gegen Überströme einzelner Energiespeicherzellen insbesondere in die Verschaltung, d. h. in den Anschluss der Zellen, zu integrieren.
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Beispielsweise kann zum elektrischen Kontaktieren der Einzelzellen untereinander ein Metalllot verwendet werden, das bei oder unterhalb der für die Zelle kritischen Temperatur schmilzt und dadurch gezielt die Verbindung der versagenden Zelle zu den restlichen, parallel geschalteten und intakten Zellen verhindert.
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Darüber hinaus können die Elemente, die die Zellen zu einer Parallelschaltung verbinden, so ausgeformt (z. B. als Mäander verjüngt) werden, dass bei einem unzulässig hohen Strom aufgrund ihres Innenwiderstandes ein ausreichend hoher Spannungsabfall und damit Wärme entsteht. Im Falle, dass zur elektrischen Kontaktierung ein Metalllot verwendet wurde, wird damit das Schmelzen des Metalllotes initiiert.
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Es ist aber auch möglich, die elektrische Kontaktierung der Zelle zum Zellverbinder durch einen Schweißprozess zu realisieren. Dann muss sich entweder die Schweißverbindung durch die Temperaturerhöhung des Zellverbinders lösen. Dies könnte durch Verwendung eines Zellverbinders unterstützt werden, der als Bimetall ausgeführt ist, welches sich unter Temperatureinwirkung von der Zelle wegbewegt und damit die Verbindung zur Zelle löst.
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Der Verbinder kann auch in einem federnden Metall ausgeführt werden oder durch ein federndes Element unterstützt werden, damit dieser im Falle des Schmelzens die Verbindungselemente voneinander weg bewegt.
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Denkbar ist auch, die Zelle bzw. die Verbindung so zu gestalten, dass sich aufgrund der erhöhten Temperatur durch beispielsweise Oxidbildung eine Sperrschicht bildet oder dass der Zellverbinder selbst beispielsweise durch Schmelzen die Verbindung zur Zelle löst.
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Die genannten Sicherungselemente können auch in der Zelle integriert sein.
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Die Erfindung erlaubt kostengünstige Lösungen, die zum einen direkt in den Kontaktierprozess der Zelle (Verschalten der Einzelzelle zu Batteriemodulen) integrierbar sind und zum anderen keine zusätzlichen Elektronikschaltungen notwendig machen.
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Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
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1 eine erste Beispiel-Energiespeichereinrichtung und
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2 eine zweite Beispiel-Energiespeichereinrichtung.
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1 zeigt eine erste Beispiel-Energiespeichereinrichtung. Sie umfasst insgesamt vier Energiespeicherzellen Z1, Z2, Z3, Z4 in zwei Speicherzellenebenen. Eine erste Speicherzellenebene erstreckt sich zwischen zwei Potenzialknoten K1 und K2 und umfasst Energiespeicherzellen Z1 und Z2 sowie (beispielsweise als Schmelzsicherungen ausgeführte) Sicherungseinrichtungen S1 und S2. Eine zweite Speicherzellenebene erstreckt sich zwischen dem Potenzialknoten K2 und einem weiteren Potenzialknoten K3. Sie umfasst Energiespeicherzellen Z3 und Z4 sowie (beispielsweise ebenfalls als Schmelzsicherungen ausgeführte) Sicherungseinrichtungen S3 und S4. Die beiden Speicherzellenebenen sind zueinander in Serie geschaltet. In jeder Speicherzellenebene sind zwei Energiespeicherzweige parallel geschaltet, wobei jeder Energiespeicherzweig gebildet wird von einer Serienschaltung einer Energiespeicherzelle und einer Sicherungseinrichtung. So sind in der ersten Speicherzellenebene (K1–K2) die Energiespeicherzweige S1, Z1 sowie S2, Z2 parallel geschaltet und in der zweiten Speicherzellenebene (K2–K3) sind die Energiespeicherzweige S3, Z3 sowie S4, Z4 parallel geschaltet. Für jeden Energiespeicherzweig gilt, dass eine Aktivierung der enthaltenen Sicherungseinrichtung jeglichen Stromfluss über die enthaltene Energiespeicherzelle unterbindet.
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2 zeigt eine zweite Beispiel-Energiespeichereinrichtung. Diese entspricht in vielen Details derjenigen aus 1. Sie umfasst insgesamt sechs Energiespeicherzellen Z11, Z12, Z13, Z14, Z15, Z16 in zwei Speicherzellenebenen. Eine erste Speicherzellenebene erstreckt sich zwischen zwei Potenzialknoten K11 und K12 und umfasst Energiespeicherzellen Z11 und Z12 sowie (beispielsweise als Schmelzsicherungen ausgeführte) Sicherungseinrichtungen S11 und S12. Eine zweite Speicherzellenebene erstreckt sich zwischen dem Potenzialknoten K12 und einem weiteren Potenzialknoten K13. Sie umfasst Energiespeicherzellen Z13, Z15, Z15 und Z16 sowie (beispielsweise ebenfalls als Schmelzsicherungen ausgeführte) Sicherungseinrichtungen S13 und S14. Die beiden Speicherzellenebenen sind zueinander in Serie geschaltet. In jeder Speicherzellenebene sind zwei Energiespeicherzweige parallel geschaltet, wobei die Energiespeicherzweige der ersten Speicherzellenebene gebildet werden von einer Serienschaltung einer Energiespeicherzelle und einer Sicherungseinrichtung. Die Energiespeicherzweige der zweiten Speicherzellenebene werden gebildet von einer Serienschaltung zweier Energiespeicherzellen und einer Sicherungseinrichtung. So sind in der ersten Speicherzellenebene (K11–K12) die Energiespeicherzweige S11, Z11 sowie S12, Z12 parallel geschaltet und in der zweiten Speicherzellenebene (K12–K13) sind die Energiespeicherzweige S13, Z13, Z15 sowie S14, Z14, Z16 parallel geschaltet. Für jeden Energiespeicherzweig gilt, dass eine Aktivierung der enthaltenen Sicherungseinrichtung jeglichen Stromfluss über die enthaltene(n) Energiespeicherzelle(n) unterbindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007017980 A1 [0010, 0010]
