DE102010020294A1 - Rechargeable electrical energy storage unit for supplying electrical power to e.g. starter in motor car, has lithium ion accumulator and reverse polarity protection circuitry, which are accommodated in housing - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine wiederaufladbare elektrische Energiespeichereinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Verwendung einer derartigen Energiespeichereinheit.The present invention relates to a rechargeable electrical energy storage unit according to the preamble of claim 1, and to a use of such an energy storage unit.
Derartige Energiespeichereinheiten werden beispielsweise für Fahrzeuge (z. B. Kraftfahrzeuge für den Straßenverkehr) benötigt, um damit eine für den Fahrzeugbetrieb jederzeit zur Verfügung stehende elektrische Energiequelle bereitzustellen.Such energy storage units are required, for example, for vehicles (eg motor vehicles for road traffic) in order to provide an electrical energy source that is always available for vehicle operation.
Bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen können damit z. B. der Anlasser, die Zündanlage, die Scheinwerfer und andere Stromverbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden. Solange der Verbrennungsmotor mit genügend hoher Drehzahl läuft, steht die vom elektrischen Generator gelieferte elektrische Energie zu Verfügung. Bei still stehendem Motor (z. B. beim Parken) oder beim Starten ist dagegen eine vom Verbrennungsmotor unabhängige Energiequelle bzw. ein Energiespeicher erforderlich.In conventional vehicles can thus z. As the starter, the ignition system, the headlights and other power consumers are supplied with electrical energy. As long as the combustion engine is running at a sufficiently high speed, the electrical energy supplied by the electrical generator is available. When the engine is at a standstill (eg when parking) or when starting, however, an energy source independent of the internal combustion engine or an energy store is required.
Vom Prinzip her wären hierzu verschiedene Stromquellen geeignet, doch stehen ihrer Verwendung zum Teil technische oder wirtschaftliche Gründe entgegen. Von den verschiedenen Akkumulator-Arten (z. B. Blei-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid, Nickel-Zink-, Lithium-Ionen-Akkumulatoren) hat sich der Blei-Akkumulator wegen seines günstigen Preises und der langen Erfahrung mit der Technologie und befriedigender Lebensdauer als Starterbatterie für Kraftfahrzeuge durchgesetzt. Auch in vielen anderen Bereichen der Kleintraktion, wie Hebebühnen, Krankenrollstühle, Wohnwagen, Reinigungsmaschinen usw. ist die Blei-Säure-Batterie weit verbreitet.In principle, different sources of electricity would be suitable for this purpose, but their use partly precludes technical or economic reasons. Of the different types of accumulators (eg lead, nickel-cadmium, nickel-metal hydride, nickel-zinc, lithium-ion accumulators), the lead-acid battery has become popular due to its favorable price and long experience with the Technology and satisfactory life as a starter battery for motor vehicles enforced. Also in many other areas of small traction, such as lifts, wheelchairs wheelchairs, caravans, cleaning machines, etc., the lead-acid battery is widely used.
Mit der Entwicklung von neuen Akkumulatorentechnologien stehen heutzutage jedoch immer mehr Alternativen zur Ablösung der zwar etablierten, aber technologisch bei Weitem nicht überlegenen Bleibatterie bereit.With the development of new battery technologies, however, there are now more and more alternatives to replace the well-established but technologically far superior lead-acid battery.
Mit den neuen Akkumulatorentechnologien, insbesondere z. B. der Lithium-Ionen-Technologie, lassen sich vorteilhaft hohe volumetrische und gravimetrische Energiedichten erzielen.With the new accumulator technologies, in particular z. As the lithium-ion technology, can be achieved advantageously high volumetric and gravimetric energy densities.
Bei der elektrischen Spannungsversorgung von mit Gleichspannung betriebenen elektrischen Geräten ist oftmals ein so genannter ”Verpolschutz” vorgesehen, um ein Anschließen der Spannungsversorgung mit falscher Polarität (Verpolung) zu verhindern und/oder durch eine Verpolung entstehende Schäden zu begrenzen oder zu verhindern.In the electrical power supply of DC powered electrical equipment is often called a "reverse polarity protection" is provided to prevent connection of the power supply with the wrong polarity (reverse polarity) and / or to limit or prevent damage caused by a reverse polarity.
Dabei ist bekannt, dass normalerweise der Schutz von elektronischen Geräten, die mit der Gleichspannung versorgt werden, am Versorgungseingang dieser Geräte erfolgt. Verpolschutzschaltungen sind bei vielen elektrischen Gleichstromverbrauchern vorhanden, aber auch bei Stromversorgern, wie z. B. Ladegeräten und USV-Anlagen. So ist ein elektronischer Verpolschutz z. B. bei vielen Batterie-Ladegeräten am Ausgang des Ladegerätes bereits integriert. Damit soll die Ausgangselektronik des Ladegerätes geschützt werden, um bei einem versehentlich falschen (verpolten) Anschließen des Ladegerätes an der Batterie eine Schädigung der Elektronik des Ladegerätes zu verhindern.It is known that usually the protection of electronic devices that are supplied with the DC voltage at the supply input of these devices. Reverse polarity protection circuits are present in many electrical DC consumers, but also in electricity suppliers, such. Chargers and UPS systems. So is an electronic reverse polarity z. B. already integrated in many battery chargers at the output of the charger. Thus, the output electronics of the charger should be protected to prevent damage to the electronics of the charger in case of accidentally wrong (wrong polarity) connecting the charger to the battery.
Alle bekannten Schaltungen zum Verpolschutz bei einer Stromversorgung aus einer Batterie oder bei einem Laden einer Batterie basieren auf dem Schutz der Elektronik (des elektrischen Verbrauchers bzw. der Batterieladeeinrichtung), jedoch bezieht sich der Schutz nicht auf die Batterie selbst.All known circuits for reverse polarity protection in a power supply from a battery or when charging a battery based on the protection of the electronics (the electrical consumer or the battery charger), however, the protection does not relate to the battery itself.
Ein solcher ”Batterie-Verpolschutz”, der im Falle einer verpolt angeschlossenen Batterieladeeinrichtung die Batterie vor Beschädigung schützt, ist bei den etablierten Blei-Säure-Batterien aus nachfolgend erläuterten Gründen bisher als nicht notwendig erachtet worden.Such "battery polarity reversal protection", which protects the battery from damage in the case of a reverse polarity connected battery charger, has hitherto not been considered necessary in the established lead-acid batteries for reasons explained below.
Bei einer Verpolung der Blei-Säure-Batterie zum Verbraucher hin spricht normalerweise der ”Verbraucherschutz” an, also z. B. eine Verpolschutzschaltung, die im Verbraucher integriert ist.In a polarity reversal of the lead-acid battery to the consumer usually speaks of the "consumer protection", ie z. B. a polarity reversal protection circuit that is integrated in the consumer.
Bei einer Verpolung der Blei-Säure-Batterie an einer Ladeeinrichtung spricht normalerweise der in der Ladeeinrichtung integrierte Verpolschutz an.When a polarity reversal of the lead-acid battery to a charger usually speaks in the charger integrated reverse polarity protection.
Werden zwei Blei-Säure-Batterien verpolt zueinander angeschlossen (z. B. bei Starthilfe), so fließen zwar hohe Ströme durch die Batterie, die jedoch aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität der Batterie auf Blei-Säure-Basis nicht zur einer gefährlichen Überhitzung der Batterie führen. Das Ergebnis der Verpolung der Batterie kann unterschiedlich ausfallen. Sind die stromführenden Ableitelemente entsprechend massiv ausgelegt, so steigt die Batterietemperatur begrenzt an, bis sich die Energie relativ schnell erschöpft und die Batterie die gesamte chemische Energie über die elektrische Energie und anschließend in Wärmeenergie umgesetzt hat. Sind die Ableitelemente (interne/externe) unterdimensioniert, so kommt es zur Überhitzung der Ableitelemente, verbunden mit einer möglichen Schädigung dieser Elemente, bzw. zu einem Schmelzen der Verbindungskabel (Starthilfekabel).If two lead-acid batteries are connected in reverse polarity (eg jump start), high currents will flow through the battery, but due to the high specific heat capacity of the lead-acid battery, they will not overheat the battery to lead. The result of the polarity reversal of the battery can be different. If the current-carrying diverting elements are designed to be correspondingly solid, the battery temperature rises to a limited extent until the energy is exhausted relatively quickly and the battery has converted all the chemical energy via the electrical energy and then into thermal energy. If the diverting elements (internal / external) are undersized, overheating of the diverting elements, associated with possible damage to these elements, or melting of the connecting cables (jumper cables) occurs.
Selbst wenn es zur einer Überhitzung der Blei-Säure-Batterie kommen würde, so wäre für eine ernstliche Schädigung der Batterie ein länger anhaltendes massives Nachführen der Energie notwendig, da die Batterie selbst nicht exotherm (Wärmeabgabe) reagiert, selbst bei starker Erwärmung. Dass heißt, es wird keine zusätzliche Energie aus den in der Blei-Säure-Batterie enthaltenen aktiven Reaktionsmaterialien nachgeführt. Daher hat sich bisher eine Überwachung der Batterie (z. B. Batterie eines Fahrzeuges wie z. B. Starterbatterie) gegen ein Verpolen zum Zwecke eines Schutzes der Batterie als völlig überflüssig erwiesen.Even if there were an overheating of the lead-acid battery, it would take a longer time to seriously damage the battery Continuous massive tracking of the energy necessary, since the battery itself does not exotherm (heat dissipation) reacts, even with strong warming. That is, no additional energy is supplied from the active reaction materials contained in the lead-acid battery. Therefore, monitoring of the battery (eg, battery of a vehicle such as a starter battery) against reverse polarity for the purpose of protecting the battery has heretofore been totally unnecessary.
Die vorliegenden Erfinder haben nun ein Problem erkannt, welches mit der bevorstehenden Ablösung der Blei-Säure-Batterie durch neue Batterietechnologien, insbesondere z. B. der Lithium-Ionen-Technologie, berücksichtigt und entsprechend gelöst werden muss.The present inventors have now recognized a problem associated with the imminent replacement of the lead-acid battery by new battery technologies, in particular, for. As the lithium-ion technology, considered and must be solved accordingly.
Dieses Problem besteht darin, dass derartige Batterien in den bekannten ”Installationsumgebungen” bei verpoltem Anschluss oftmals irreversibel geschädigt oder sogar zerstört würden. Dies wird weiter unten am Beispiel der Lithium-Ionen-Batterie noch detaillierter erläutert.This problem is that such batteries would often be irreversibly damaged or even destroyed in the known "installation environments" with wrong polarity connection. This will be explained in more detail below using the example of the lithium-ion battery.
Das Problem betrifft z. B. insbesondere den Bereich der Anlasser- bzw. Kleintraktionsbatterien, aber auch andere Anwendungsgebiete wie z. B. Traktionsbatterien von (reinen) Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen (mit einer Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotor).The problem concerns z. B. in particular the field of starter or small traction batteries, but also other applications such. B. Traction batteries of (pure) electric vehicles or hybrid vehicles (with a combination of internal combustion engine and electric motor).
Wie bisher bei der Blei-Säure-Batterie wird es auch in Zukunft passieren können, dass z. B. eine Anlasserbatterie auf Lithium-Ionen-Basis unbeabsichtigt verpolt wird. Hauptsächlich sind folgende Szenarien für das Verpolen einer Lithium-Ionen-Batterie denkbar:
- – Verwendung von alten Ladegeräten ohne oder mit fehlerhafter Verpolschutzelektronik und dabei verpolter Anschluss der Lithium-Ionen-Batterie an das Ladegerät
- – Verpolter Anschluss an eine Ladeeinrichtung in einem Fahrzeug (Bordnetz bzw. Lichtmaschine) beim Einbau der Batterie in das Fahrzeug
- – Verpolter Zusammenschluss von Batterien beim Fremdstart über Fremdstartkabel. Die bevorstehende Ablösung der Blei-Säure-Batterie durch modernere Batterietypen wie z. B. Lithium-Ionen-Batterien ist sicherlich durch eine Übergangsphase begleitet. Dabei kann es beispielsweise durchaus vorkommen, dass Fahrzeuge mit einer Lithium-Ionen-Anlasserbatterie Starthilfe durch Fahrzeuge mit Blei-Säure-Anlasserbatterie erhalten. Da die hier als ”Ladeeinrichtung” fungierende Blei-Säure-Batterie jedoch (aus den oben erläuterten Gründen) keinen Verpolschutz besitzt, fließt dann im Verpolungsfalle ein Kurzschlussstrom über beide Batterien.
- - Use of old chargers without or with incorrect polarity reversal protection electronics and reverse polarity connection of the lithium-ion battery to the charger
- - Reverse connection to a charging device in a vehicle (electrical system or alternator) when installing the battery in the vehicle
- - Reverse polarity connection of batteries at the remote start over third party start cable. The upcoming replacement of the lead-acid battery by more modern types of batteries such. B. Lithium-ion batteries is certainly accompanied by a transitional phase. It may happen, for example, that vehicles with a lithium-ion starter battery get jump start by vehicles with lead-acid starter battery. However, since the lead-acid battery functioning here as "charging device" (for the reasons explained above) does not have polarity reversal protection, in the reverse polarity case, a short-circuit current flows over both batteries.
Ähnlich wie bei der Blei-Säure-Batterien fließen bei Verpolung der Lithium-Ionen-Batterie sehr hohe Ströme. Dabei wird die Batterie unter Umständen sehr stark erhitzt und die Temperatur steigt wesentlich stärker als bei der Blei-Säure-Batterie an, da die spezifische Wärmekapazität der Lithium-Ionen-Batterie wesentlich geringer ist und die Energiedichte wesentlich höher im Vergleich zu Blei-Säure-Batterie (ca. Faktor 4 bis 5). Diese Überhitzung der Lithium-Ionen-Batterie kann dabei zum thermisch instabilen Zustand der Batterie führen, so dass aktive Materialien beim Zerfall zusätzlich Energie freisetzen können und es so zum thermischen Durchgehen (”thermal runaway”) kommen kann. Dabei erzeugt die Batterie immer mehr Energie durch einen exothermen Prozess, die an die Umgebung abgegeben wird. Bei einer starken Überhitzung aufgrund eines Wärmestaus können sich die brennbaren organischen Elektrolyte entzünden. Zusätzlich kommt es zum Zerfall des Elektrolyts und Gasbildung, so dass die gegebenenfalls vorhandenen Zellenventile öffnen (bei Zellen mit starren Gehäusen) bzw. sich die Zellen aufblähen.Similar to the lead-acid batteries flow in reverse polarity of the lithium-ion battery very high currents. The battery may be heated very much and the temperature increases much more than with the lead-acid battery, since the specific heat capacity of the lithium-ion battery is much lower and the energy density is much higher compared to lead-acid batteries. Battery (about factor 4 to 5). This overheating of the lithium-ion battery can lead to the thermally unstable state of the battery, so that active materials in decay can additionally release energy and it can come to the thermal runaway ("thermal runaway"). The battery generates more and more energy through an exothermic process, which is released to the environment. Excessive overheating due to heat buildup can ignite the combustible organic electrolytes. In addition, it leads to the disintegration of the electrolyte and gas formation, so that the possibly existing cell valves open (in cells with rigid housings) or the cells inflate.
Je nach Aufbau der aktiven Reaktionspartner ist die Batterie auf Lithium-Ionen-Basis mehr oder weniger empfindlich gegenüber starker Überhitzung.Depending on the structure of the active reactants, the lithium ion-based battery is more or less sensitive to excessive overheating.
Die meisten Kathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Zellen zersetzen sich bei Temperaturen von über 200°C. Dabei reagiert das z. B. oftmals eingesetzte Kathodenmaterial auf Nickel-Kobalt-Aluminium-Basis (”NCA”) vergleichsweise stark, gefolgt von Kobaltoxid. Kathodenmaterialien auf Manganoxid- und Phosphatbasis zeigen dabei noch die größte Stabilität. Die hohe Stabilität selbst der delithiierten Kristallstruktur führt dazu, dass beim kurzzeitigen Überladen des Akkus dann kaum noch Sauerstoff und überschüssiges Lithium frei werden. Trotzdem kann der organische Elektrolyt brennen.Most cathode materials in lithium ion cells decompose at temperatures above 200 ° C. The z. For example, commonly used nickel-cobalt-aluminum ("NCA") cathode material is relatively strong, followed by cobalt oxide. Manganese oxide and phosphate-based cathode materials still show the greatest stability. The high stability of even the delithiated crystal structure means that when the battery is briefly overcharged, oxygen and excess lithium are hardly released. Nevertheless, the organic electrolyte can burn.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine insbesondere für Fahrzeuge (z. B. im Automobilbereich) verwendbare wiederaufladbare elektrische Energiespeichereinheit der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Schädigung der darin untergebrachten elektrischen bzw. elektrochemischen Batterie im Falle einer Verpolung vermieden wird.Against this background, it is an object of the present invention to develop a rechargeable electric energy storage unit of the type mentioned in particular for vehicles (eg in the automotive sector) in such a way that damage to the electrical or electrochemical battery accommodated in the case of reverse polarity is avoided becomes.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Energiespeichereinheit ferner eine im Gehäuse der Energiespeichereinheit untergebrachte Verpolschutzschaltung aufweist.According to the invention this object is achieved in that the energy storage unit further comprises a housed in the housing of the energy storage unit Verpolschutzschaltung.
Die erfindungsgemäß ebenfalls in diesem Gehäuse der Energiespeichereinheit untergebrachte Batterie, beispielweise elektrochemische Lithium-Ionen-Batterie oder dergleichen, besitzt bevorzugt ein eigenes Gehäuse, nachfolgend auch als ”Batteriegehäuse” (im engeren Sinne) bezeichnet. In diesem Fall ist die Verpolschutzschaltung bevorzugt außerhalb dieses ”Batteriegehäuses” untergebracht (jedoch innerhalb eines das Batteriegehäuse umgebenden Gehäuses). Eine Unterbringung der Verpolschutzschaltung innerhalb eines (inneren) ”Batteriegehäuses” soll jedoch im Rahmen der Erfindung nicht prinzipiell ausgeschlossen sein.The invention also housed in this case of the energy storage unit battery, such as electrochemical lithium-ion battery or the like, preferably has its own housing, hereinafter also referred to as "battery case" (in the strict sense). In this case the polarity reversal protection circuit is preferably outside of this "battery case" housed (but within a housing surrounding the battery case). An accommodation of the polarity reversal protection circuit within a (inner) "battery case" should not be excluded in principle within the scope of the invention.
Die Verpolschutzschaltung kann so ausgebildet sein, dass diese im Falle einer verpolt an der Energiespeichereinheit angeschlossenen Ladeeinrichtung (z. B. Bordnetz eines Fahrzeuges oder z. B. Starthilfebatterie eines anderen Fahrzeuges) den über die elektrische Batterie fließenden (Kurzschluss-)Strom unterbindet oder zumindest begrenzt.The polarity reversal protection circuit can be configured such that, in the case of a charging device connected to the energy storage unit (eg vehicle electrical system or eg starting aid battery of another vehicle), it shuts off or at least bypasses the (short-circuit) current flowing through the electric battery limited.
Der gemäß der vorliegenden Erfindung in eine elektrische Energiespeichereinheit (z. B. enthaltend eine Lithium-Ionen-Batterie) in Form einer elektrischen bzw. elektronischen Schaltung integrierte Verpolschutz (passiv oder aktiv) kann die Batterie im Verpolfall wirksam schützen. Damit kann z. B. die ansonsten möglicherweise entstehende Gefahr eines ”thermischen Durchgehens” gebannt werden. Der Schutz der Batterie vor einem Funktionsverlust durch Umpolen besitzt z. B. für eine Lithium-Ionen-Batterie insofern eine hohe wirtschaftliche Bedeutung, als deren Herstellungskosten im Vergleich zu den Herstellungskosten einer Blei-Säure-Batterie selbst bei Massenfertigung zur Zeit (2009) typischerweise um einen Faktor von etwa 5–15 höher liegen. Durch den Aufbau der Lithium-Ionen-Batterie bedingt wäre ohne den erfindungsgemäßen Verpolschutz bei einem Verpolen ein irreversibler Rückgang der Kapazität bis hin zu einem totalen Funktionsverlust der Lithium-Ionen-Batterie oftmals unvermeidlich. Mit der Erfindung kann jedoch ein einfacher und kostengünstiger Verpolschutz in die Batterie integriert werden, ohne hierfür hohe zusätzliche Kosten zu bewirken. Damit kann vorteilhaft die Gefahr beseitigt werden, dass bei einer für die Energiespeichereinheit verwendeten Batterie im Verpolfall ein thermisches Durchgehen (”thermal runaway”) erfolgt.The polarity reversal protection (passive or active) integrated into an electrical energy storage unit (eg containing a lithium-ion battery) in the form of an electrical or electronic circuit according to the present invention can effectively protect the battery in the field of polarity. This can z. B. the otherwise possibly resulting danger of a "thermal runaway" are banned. The protection of the battery from a loss of function by reversing has z. B. for a lithium-ion battery in so far a high economic importance, as their manufacturing costs compared to the cost of a lead-acid battery even in mass production at the time (2009) are typically higher by a factor of about 5-15. Due to the structure of the lithium-ion battery would be without the reverse polarity protection according to the invention in a polarity reversal irreversible decline in capacity up to a total loss of function of the lithium-ion battery often inevitable. With the invention, however, a simple and inexpensive polarity reversal protection can be integrated into the battery, without causing high additional costs. This advantageously eliminates the risk that a thermal runaway occurs in the case of a battery used for the energy storage unit in the case of a binding.
Daher ist gemäß einer Ausführungsform z. B. vorgesehen, dass die elektrochemische Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist. Der Begriff Lithium-Ionen-Batterie soll hierbei auch die auf Basis dieser Technologie geschaffenen Weiterentwicklungen umfassen (z. B. Lithium-Polymer-, Lithium-Titanat-, ”Super Charge Ion”-, Lithium-Mangan-, Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie etc.).Therefore, according to one embodiment, for. B. provided that the electrochemical battery is a lithium-ion battery. The term lithium-ion battery is intended here also include the developments created on the basis of this technology (eg, lithium polymer, lithium titanate, "super charge ion", lithium manganese, lithium iron phosphate Battery etc.).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verpolschutzschaltung ein in Reihenschaltung mit der Batterie angeordnetes Abschaltelement umfasst. Dies ermöglicht in einfacher Weise ein Abschalten des im Verpolfall über die Batterie fließenden (Kurzschluss-)Stromes. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit bzw. Schaffung von Redundanz ist es denkbar, mehrere Abschaltelemente in dieser Reihenschaltung anzuordnen.In one embodiment, it is provided that the polarity reversal protection circuit comprises a shutdown element arranged in series with the battery. This makes it possible in a simple manner to switch off the current flowing in the Verpolfall via the battery (short-circuit). To increase the reliability or creation of redundancy, it is conceivable to arrange a plurality of shutdown elements in this series circuit.
Für die Ausbildung eines solchen Abschaltelementes gibt es vielfältige Möglichkeiten.For the formation of such a shutdown element, there are many possibilities.
Beispielsweise kann das Abschaltelement als Schmelzsicherung ausgebildet sein. Darunter wird ein Element verstanden, welches im Verpolfall aufgrund des damit einhergehenden besonders großen Stromes irreversibel zerstört wird und hierbei einen hochohmigen Zustand annimmt. Es kann sich z. B. um eine Schmelzsicherung im engeren Sinne handeln, also ein gehäustes oder ungehäustes, bei einer wohldefinierten Strombelastung schmelzendes metallisches Leitungsstück. Ganz allgemein sind jedoch auch andere Schmelzsicherungen im Sinne der Erfindung denkbar.For example, the shutdown element can be designed as a fuse. This is understood to mean an element which is irreversibly destroyed in the polarity due to the associated particularly large current and in this case assumes a high-impedance state. It can be z. B. to act a fuse in the strict sense, ie a sheathed or ungehäustes, at a well-defined current load melting metallic pipe section. In general, however, other fuses within the meaning of the invention are conceivable.
Falls eine Schmelzsicherung verwendet wird, so ist gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Gehäuse der Energiespeichereinheit so ausgebildet ist, dass ein einfacher (insbesondere z. B. kein Werkzeug erfordernder) Austausch einer defekten (zerstörten) Schmelzsicherung ermöglicht ist.If a fuse is used, it is provided according to a particularly preferred development that the housing of the energy storage unit is designed so that a simple (in particular, for example, no tools requiring) replacement of a defective (destroyed) fuse is enabled.
In einer anderen Ausführungsform ist das Abschaltelement als selbstrückstellende Sicherung ausgebildet. Wie eine normale Sicherung geht die selbstrückstellende Sicherung bei Überschreitung einer wohldefinierten Strombelastung in einen hochohmigen Zustand über, so dass der Stromfluss zumindest im Wesentlichen zum Erliegen kommt. Anders als eine herkömmliche Sicherung wird die selbstrückstellende Sicherung hierbei jedoch nicht zerstört, sondern besitzt die Fähigkeit, nach einer gewissen Zeitspanne wieder in den (niederohmigen) Ausgangszustand zurückzukehren.In another embodiment, the shutdown element is designed as a self-resetting fuse. Like a normal fuse, the self-resetting fuse transitions into a high-resistance state when a well-defined current load is exceeded, so that the current flow at least substantially comes to a standstill. Unlike a conventional fuse, however, the self-resetting fuse is not destroyed in this case, but has the ability to return to the (low-impedance) initial state after a certain period of time.
Derartige selbstrückstellende Sicherungen sind als solche bekannt, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft insbesondere auf diese bekannten Ausgestaltungen zurückgegriffen werden kann. Geeignete Sicherungen werden von unterschiedlichen Herstellern kommerziell angeboten, beispielsweise unter den Markennahmen ”PolySwitch”, ”Multifuse”, ”Polyfuse” oder ”Everfuse”.Such self-resetting fuses are known as such, so that can be used in the context of the present invention advantageously in particular to these known embodiments. Suitable fuses are commercially available from different manufacturers, for example under the brand names "PolySwitch", "Multifuse", "Polyfuse" or "Everfuse".
Derartige selbstrückstellende Sicherungen sind zumeist als ein ”Kaltleiter” ausgebildet, d. h. als ein Element, dessen elektrischer Widerstand bei hohen Temperaturen zunimmt. Für die Erfindung besonders geeignet sind Kaltleiter, deren elektrischer Widerstand sich bei Überschreitung einer vorbestimmten Grenztemperatur im Wesentlichen sprungartig erhöht.Such self-resetting fuses are usually designed as a "PTC thermistor" d. H. as an element whose electrical resistance increases at high temperatures. Particularly suitable for the invention are PTC thermistors, the electrical resistance increases substantially jumpwise when exceeding a predetermined limit temperature.
Ferner kann das Abschaltelement als elektrisch steuerbares Schaltelement, z. B. als ein Relais oder ein Transistor (z. B. Bipolartransistor oder FET) ausgebildet sein.Furthermore, the shutdown as an electrically controllable switching element, for. B. as a relay or a transistor (eg, bipolar transistor or FET).
In diesem Fall ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Verpolschutzschaltung ferner einen Schaltungsteil zur Erfassung eines Verpolfalles und zur Ansteuerung des Schaltelementes umfasst. Da die Verpolschutzschaltung im Gehäuse der Energiespeichereinheit untergebracht ist, kann zur elektrischen Versorgung des genannten Schaltungsteils vorteilhaft die ebenfalls im Gehäuse untergebrachte elektrische Batterie genutzt werden. Falls der Schaltungsteil mit einer Spannung eines Wertes zu versorgen ist, der vom Wert der ohnehin vorhandenen Batteriespannung abweicht, kann eine entsprechende Spannungsanpassung über eine DC/DC-Wandlereinrichtung erfolgen, welche die Batteriespannung auf einen zur Versorgung des Schaltungsteils geeigneten Spannungswert wandelt. Zu bedenken ist allerdings, dass beim Auftreten eines Verpolfalles die Batteriespannung schnell zusammenbricht und dann in den negativen Bereich (umgekehrte Polarität) wechselt. Diese Problematik kann jedoch z. B. mittels geeigneter Ausbildung des DC/DC-Wandlers bzw. einer Kombination von mehreren DC/DC-Wandlern, etwa wie unten noch im Rahmen eines Ausführungsbeispiels beschrieben, gelöst werden.In this case, it is provided according to a development that the polarity reversal protection circuit further comprises a circuit part for detecting a Verpolfalles and for driving the switching element. Since the polarity reversal protection circuit is accommodated in the housing of the energy storage unit, the electrical battery also accommodated in the housing can advantageously be used for the electrical supply of said circuit part. If the circuit part is to be supplied with a voltage of a value which deviates from the value of the already existing battery voltage, a corresponding voltage adjustment can take place via a DC / DC converter device, which converts the battery voltage to a voltage value suitable for supplying the circuit part. It should be remembered, however, that when a trap occurs, the battery voltage quickly collapses and then changes to negative (reverse polarity). However, this problem can z. Example, by means of suitable design of the DC / DC converter or a combination of several DC / DC converters, as described below under an exemplary embodiment, are solved.
Alternativ oder zusätzlich zur Anordnung eines Abschaltelementes in Reihenschaltung mit der Batterie ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Verpolschutzschaltung eine in Parallelschaltung mit der Batterie angeordnete Überbrückungseinrichtung zur Stromumleitung im Verpolfall umfasst. Die Überbrückungseinrichtung kann z. B. so ausgelegt sein, dass im Verpolfall wenigstens 30%, insbesondere wenigstens 50% des über die Energiespeichereinheit fließenden (Kurzschluss-)Stromes über die Überbrückungseinrichtung und somit an der Batterie vorbei fließen. Damit sinkt entsprechend die Strombelastung der Batterie.Alternatively or in addition to the arrangement of a shutdown element in series with the battery, it is provided according to an embodiment that the polarity reversal protection circuit comprises a bridging device arranged in parallel with the battery for current diversion in Verpolfall. The bridging device can, for. B. be designed so that in Verpolfall at least 30%, in particular at least 50% of the current flowing through the energy storage unit (short-circuit) current over the lock-up device and thus flow past the battery. This reduces the current load of the battery accordingly.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Überbrückungseinrichtung wenigstens eine Diode umfasst. Im einfachsten Fall besteht die Überbrückungseinrichtung aus einer Diode, welche in Sperrrichtung parallel zur Batterie angeordnet ist. Im Verpolfall fließt dann ein von der betreffenden Ladeeinrichtung (z. B. Fahrzeugbordnetz) der Energiespeichereinheit eingeprägter Strom zumindest nennenswert oder sogar im Wesentlichen vollständig über diese Diode und nicht über die Batterie.In an embodiment it is provided that the bridging device comprises at least one diode. In the simplest case, the bridging device consists of a diode which is arranged in the reverse direction parallel to the battery. In Verpolfall then flows from the relevant charging device (eg vehicle electrical system) of the energy storage unit impressed current at least appreciably or even substantially completely on this diode and not on the battery.
Anstatt einer solchen Diode können auch mehrere Dioden in Parallelschaltung und/oder Reihenschaltung miteinander verbunden angeordnet und als Diodenanordnung insgesamt in Parallelschaltung mit der Batterie angeordnet werden. Damit kann z. B. in einfacher Weise die Strombelastbarkeit der damit gebildeten Überbrückungseinrichtung erhöht werden.Instead of such a diode, a plurality of diodes may be connected in parallel and / or series connected to each other and arranged as a diode arrangement in total in parallel with the battery. This can z. B. in a simple way the current carrying capacity of the bridging device formed therewith be increased.
In einer Ausführungsvariante ist die Überbrückungseinrichtung so ausgelegt, dass diese der durch den Verpolfall hervorgerufenen Belastung dauerhaft standhält, also dadurch nicht zerstört wird. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass die Überbrückungseinrichtung ähnlich der oben bereits beschriebenen Schmelzsicherung im Verpolfall betriebsmäßig zerstört wird, wobei dann wie für die oben beschriebenen Sicherungen ein einfacher Zugang zum Austausch des oder der betreffenden Überbrückungselemente gegeben sein sollte. Der Nutzen einer solchen einmalig verwendbaren Überbrückungseinrichtung besteht darin, dass der (Kurzschluss-)Strom damit zumindest für eine kurze Zeit zumindest teilweise von der Batterie ferngehalten wird, so dass für ein Ansprechen eines zusätzlich vorgesehenen Schutzmechanismus wie z. B. dem oben erwähnten Abschaltelement (in Reihenschaltung mit der Batterie), oder einer Verpolschutzschaltung in der Ladeeinrichtung, mehr Zeit verbleibt.In one embodiment, the bridging device is designed so that it permanently withstand the load caused by the Verpolfall, so it is not destroyed. However, it should not be ruled out that the lock-up device, similar to the fuse already described above, will be operationally destroyed in the coil, in which case, as with the above-described fuses, easy access to the replacement of the bridging element (s) should be provided. The benefit of such a one-time bypass device is that the (short-circuit) current is at least partially kept away from the battery for at least a short time, so that for a response of an additionally provided protective mechanism such. As the above-mentioned shutdown (in series with the battery), or a Verpolschutzschaltung in the charger, more time remains.
Im Allgemeinen ist es ausreichend, wenn die Verpolschutzschaltung entweder wenigstens ein in Reihenschaltung mit der Batterie angeordnetes Abschaltelement oder eine in Parallelschaltung zur Batterie angeordnete Überbrückungseinrichtung aufweist. Alternativ kann die Verpolschutzschaltung jedoch auch sowohl das wenigstens eine Abschaltelement als auch die Überbrückungseinrichtung aufweisen.In general, it is sufficient if the polarity reversal protection circuit has either at least one shut-off element arranged in series with the battery or a bridging device arranged in parallel to the battery. Alternatively, however, the polarity reversal protection circuit can also have both the at least one switch-off element and the bridging device.
Eine besonders bevorzugte Verwendung der Energiespeichereinheit ist deren Verwendung für ein Fahrzeug, beispielsweise als Starterbatterie eines herkömmlichen Kraftfahrzeuges oder als Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges oder Hybridfahrzeuges.A particularly preferred use of the energy storage unit is its use for a vehicle, for example as a starter battery of a conventional motor vehicle or as a traction battery of an electric vehicle or hybrid vehicle.
Für Traktionsbatterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen ist zwar oftmals ein ”mechanischer Verpolschutz” an der einzubauenden Batterieeinheit vorgesehen, welcher durch spezielle Formgestaltungen der Batterieanschlusspole einerseits und der Anschlusskabelpole andererseits, einen vergolten Einbau der Batterie zuverlässig verhindert. Dies ist jedoch in der Regel für Anlasser- und Kleintraktionsbatterien nicht der Fall, da deren Anschlüsse, d. h. die aus dem Gehäuse herausragenden Batteriepole sehr stark standardisiert sind (z. B. ”Konuspol” bei 85–90% der Batterien als Standard) und daher keine zusätzliche mechanische Ausformung der Anschlüsse zur Erzielung eines mechanischen Verpolschutzes erlauben.For traction batteries of electric and hybrid vehicles, although often a "reverse polarity protection" is provided on the battery unit to be installed, which reliably prevents special design of the battery terminal poles on the one hand and the connection cable terminals, a vergolten installation of the battery. However, this is usually not the case for starter and traction batteries since their terminals, i. H. the battery posts projecting from the housing are very strongly standardized (eg "cone pole" for 85-90% of the batteries as standard) and therefore do not allow any additional mechanical shaping of the connections to achieve mechanical reverse polarity protection.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:The invention will be further described by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. They show:
Die Energiespeichereinheit
Die Batterie
Ein erster (negativer) Anschluss der Batterie
Bei dieser Ausführung bilden die Schmelzsicherung
Wenngleich dies in der schematischen Darstellung von
Zur Veranschaulichung der Funktion der Verpolschutzschaltung
Der in diesem ”Verpolfall” über die Energiespeichereinheit
Die Sicherung
Für die Auslegung der Diode
Ein Vorteil des dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass bei einem Entladevorgang (z. B. Startvorgang) die Verpolschutzschaltung
Wenngleich bei dem in
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.In the following description of further embodiments, the same reference numerals are used for equivalent components, each supplemented by a small letter to distinguish the embodiment. In this case, essentially only the differences from the embodiment (s) already described are discussed and, moreover, reference is hereby explicitly made to the description of previous exemplary embodiments.
Mit dem in
Ein Vorteil gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß
In
Eine selbstrückstellende Sicherung (z. B. ”PolySwitch”-Sicherungselement mit monolithischer Struktur) reagiert in Schaltkreisen auf Überstrom ähnlich einer normalen Sicherung. Im Gegensatz zu einer normalen Sicherung, die sich nicht von selbst zurückstellt und auch nicht wieder verwendbar ist, stellt sich die selbstrückstellende Sicherung von selbst wieder zurück, nachdem der Stromfluss unterbrochen wurde. Somit wird ein Austausch der Sicherung nicht mehr notwendig. Die Sicherung kann z. B. ein Festkörpermaterial enthalten, welches ein mit elementarem Kohlenstoff gefülltes und dadurch leitfähiges Polymer darstellt. Der elektrische Widerstand dieses Materials vergrößert sich mit steigender Temperatur. Der Stromfluss durch das Elementverursacht Joulesche Wärme, die zu einer Erhöhung der Temperatur und somit des Widerstandes führt. Wenn der Strom einen bestimmten Wert übersteigt, führt die Joulesche Wärme das Element in einen hochohmigen Zustand über (d. h., das Element schaltet). In diesem Zustand erhöht sich der Spannungsabfall an der Sicherung und der Strom erreicht einen Wert weit unter dem Normalzustand. Bei der Auslegung muss auch hier berücksichtigt werden, dass die Sicherung keine Auslösung bei betriebsmäßig vorkommenden Startströmen verursacht.A self-resetting fuse (eg, "PolySwitch" fuse element with monolithic structure) responds in circuits to overcurrent similar to a normal fuse. Unlike a normal backup, which does not reset itself and is not reusable, the self-resetting fuse resets itself after the power has been interrupted. Thus, a replacement of the backup is no longer necessary. The fuse can z. B. contain a solid state material which is filled with elemental carbon and thus conductive polymer. The electrical resistance of this material increases with increasing temperature. The current flow through the element causes Joule's heat, which leads to an increase in the temperature and thus the resistance. If the current exceeds a certain value, Joule heat transfers the element to a high resistance state (i.e., the element switches). In this condition, the voltage drop across the fuse increases and the current reaches a value far below the normal state. When designing, it must also be taken into account here that the fuse does not cause tripping in the case of operational starting currents.
Die Position der selbstrückstellenden Sicherung
In
Die von der Transistorschaltung gebildete Verpolschutzschaltung
Abweichend von der Darstellung in
Die Verpolschutzschaltung
Der Strommesswiderstand
Zur elektrischen Versorgung der Erfassungs- und Steuerschaltung
Zu bedenken ist, dass im Verpolfall sich die Polarität der am Eingang des dargestellten DC/DC-Wandlers
Alternativ könnten auch zwei DC/DC-Wandler mit jeweils einem Ausgang auch so zusammengeschaltet werden, dass der eine Wandler bei positiver Eingangsspannung eine positive Ausgangsspannung liefert, und der andere DC/DC-Wandler als Spannungswechsler verschaltet ist. Dem Verbindungspunkt der beiden Wandlerausgänge kann ein Massepotenzial zugewiesen werden, wodurch der negative Ausgang des zweiten Wandlers eine gegenüber dem mit Masse verbundenen positiven Ausgang eine negative Spannung liefert.Alternatively, two DC / DC converters, each with one output, could also be interconnected in such a way that one converter supplies a positive output voltage when the input voltage is positive, and the other DC / DC converter is connected as a voltage changer. The connection point of the two transducer outputs may be assigned a ground potential, whereby the negative output of the second transducer provides a negative voltage relative to the ground connected positive output.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des oder der DC/DC-Wandler könnte die Verpolschutzschaltung
Anstelle des Schalttransistors
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Verpolschutzschaltungen in den Ausführungsbeispielen der
Bei einer aktiven Verpolschutzschaltung, welche insbesondere eine auch im Verpolfall funktionierende Spannungsversorgung besitzt, wie z. B. bei dem Beispiel gemäß
Die Erfindung kann z. B. für den Einsatz als in einer Energiespeicher-Einbaueinheit integrierter Verpolschutz für Anlasserbatterien in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor aber auch insbesondere als integrierter Verpolschutz in Lithium-Ionen-Batterien in Kleintraktionsfahrzeugen im industriellen Einsatz (Reinigungsfahrzeugen, Krankenrollstühlen, Hebebühnen, Wohnwagen) verwendet werden.The invention may, for. B. for use as integrated in an energy storage installation unit polarity reversal protection for starter batteries in vehicles with internal combustion engine but also in particular as integrated polarity reversal protection in lithium-ion batteries in small traction vehicles in industrial use (cleaning vehicles, wheelchairs wheelchairs, caravans).
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