DE102010029806A1 - Electrical system for e.g. pure electric car, has power source that is selectively short-circuited by actuation of switch for terminating connection between power source and onboard network - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches System für ein Fahrzeug.The invention relates to an electrical system for a vehicle.
Stand der TechnikState of the art
Zur Reduktion der Emissionen von Kraftfahrzeugen werden derzeit verstärkt Hybridkonzepte oder reine elektrische Antriebskonzepte entwickelt. Der Betrieb von elektrischen Maschinen im Motor- und Generatorbetrieb setzt eine elektrische Leistungsquelle beziehungsweise einen elektrischen Energiespeicher im Fahrzeug voraus. Um einerseits die notwendige Betriebssicherheit durch Einhaltung der zulässigen Spannungsbereiche der Zellen zu gewährleisten und andererseits den Ladezustand (SOC) der Batterien zu verfolgen, werden dabei sogenannte Batteriemanagementsysteme (BMS) verwendet. Gerade bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind dabei oftmals Spannungen von mehreren hundert Volt notwendig, wobei die entsprechende Batterie dabei Leistungen bis zu mehreren hundert Kilowatt bereitstellt. Aus Sicherheitsgründen ist ein unkontrollierter Kurzschluss von einzelnen Zellen oder der gesamten Batterie daher unbedingt zu verhindern. Ein Brand oder eine Explosion der Module könnte sonst die Folge sein.To reduce emissions from motor vehicles, hybrid concepts or pure electric drive concepts are currently being developed. The operation of electric machines in motor and generator operation requires an electrical power source or an electrical energy storage in the vehicle. On the one hand to ensure the necessary operational safety by maintaining the permissible voltage ranges of the cells and on the other hand to track the state of charge (SOC) of the batteries, so-called battery management systems (BMS) are used. Especially with electrically driven vehicles often voltages of several hundred volts are necessary, the corresponding battery provides power up to several hundred kilowatts. For safety reasons, an uncontrolled short circuit of individual cells or the entire battery is therefore essential to prevent. A fire or an explosion of the modules could otherwise be the result.
Es sind daher Sicherheitsvorrichtungen zum Herabsetzen der Gefahr von Personen bei einem Unfall mit einem einen Elektromotor umfassenden Fahrzeug bekannt, die derart ausgestaltet sind, dass die Verbindung der Hauptbatterie zu den entsprechenden elektronischen Verbrauchern bei einem Unfall unterbrochen wird.There are therefore safety devices for reducing the risk of persons in an accident with a vehicle comprising an electric motor are known, which are designed such that the connection of the main battery is interrupted to the corresponding electronic consumers in an accident.
So ist aus
Gemäß
Aus
In
Insbesondere im Falle eines Unfalls ist ferner bislang nicht hinreichend geklärt, welche Folgen eine starke mechanische Belastung oder ein Kurzschluss auf eine Batterie, wie etwa ein Lithium-Ionen-Zelt-Pack, haben könnte. Es ist daher wünschenswert, eine abrupte Freisetzung der in den Zellen gespeicherten Energie unter allen Umständen zu verhindern. Denn kommt es beispielsweise in einem Lithium-Ionen-Akkumulator zu einem lokalen Kurzschluss der internen Elektroden, z. B. weil der diese trennende Separator durch einen eingeschlossenen Fremdpartikel verunreinigt ist, kann der Kurzschlussstrom die nähere Umgebung der Schadstelle so weit aufheizen, dass die umliegenden Bereiche ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen werden. Dieser Prozess weitet sich aus und setzt die im Akkumulator gespeicherte Energie schlagartig frei. Solche Vorgänge werden als Thermal Runaway („thermisches Durchgehen”) bezeichnet und sollten aus Sicherheitsgründen verhindert werden.In particular, in the event of an accident, further, it has not yet been sufficiently clarified what consequences a high mechanical load or a short circuit could have on a battery, such as a lithium-ion tent-pack. It is therefore desirable to prevent an abrupt release of the energy stored in the cells under all circumstances. Because it comes, for example, in a lithium-ion battery to a local short circuit of the internal electrodes, eg. B. because the separating separator is contaminated by an enclosed foreign particles, the short-circuit current can heat the surrounding area of the damaged area so far that the surrounding areas are also affected. This process expands and releases the stored energy in the accumulator abruptly. Such operations are referred to as thermal runaway and should be prevented for safety reasons.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches System für ein Fahrzeug zu schaffen, mit dem die durch eine elektrische Leistungsquelle hervorgerufenen Gefahren, wie etwa nach einem Unfall, reduziert oder ganz ausgeschlossen werden können.The object of the invention is to provide an electrical system for a vehicle with which the dangers caused by an electric power source, such as after an accident, can be reduced or eliminated altogether.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches System für ein Fahrzeug, umfassend eine elektrische Leistungsquelle, insbesondere zum Antreiben eines Elektromotors, und einen Schalter, durch den eine elektrische Verbindung zwischen Leistungsquelle und Bordnetz des Fahrzeugs selektiv ausbildbar oder unterbrechbar ist, und eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, bei einem von einer mit der Steuereinrichtung verbundenen Sensoreinrichtung detektierbaren vorbestimmten Zustand den Schalter zu betätigen, um die elektrische Verbindung zwischen Leistungsquelle und Bordnetz zu unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurzschlussleitung mit einem darin angeordneten definierten Entladewiderstand zum kontrollierten Entladen der Leistungsquelle vorgesehen ist, die mit dem Schalter und der Leistungsquelle derart verbunden ist, dass durch ein Betätigen des Schalters zum Trennen der Verbindung von Leistungsquelle und Bordnetz die Leistungsquelle selektiv kurzschließbar ist.The subject matter of the present invention is an electrical system for a vehicle, comprising an electric power source, in particular for driving an electric motor, and a switch, by means of which an electrical connection between the power source and vehicle electrical system of the vehicle can be selectively formed or interrupted, and a control device for this purpose is designed to operate in a detectable by a control device connected to the sensor device predetermined state, the switch to interrupt the electrical connection between the power source and the electrical system, characterized in that a short-circuit line is provided with a defined discharge resistor for controlled discharge of the power source , which is connected to the switch and the power source such that by operating the switch for disconnecting the connection of the power source and the onboard power supply, the power source is selectively short-circuited i st.
Das erfindungsgemäße elektrische System ist insbesondere geeignet, um bei einem durch einen Elektromotor angetriebenen Fahrzeug die Gefahr zu verringern, die von der Leistungsquelle bei vorbestimmten unerwünschten beziehungsweise unzulässigen Zuständen ausgeht. Denn insbesondere bei durch einen Elektromotor angetriebenen Fahrzeugen ist es erforderlich, die Fahrleistungen wie auch die Reichweite an konventionell betriebene Fahrzeuge anzupassen. Ein derartig hohes Leistungsvermögen lässt sich praktisch nur mit einer hohen Spannung und Stromversorgung realisieren. Mit einem Elektromotor antriebbare Fahrzeuge weisen deshalb oftmals Leistungsquellen mit Spannungen von mehreren hundert Volt, beispielsweise über 500 Volt, auf, die Leistungen von ungefähr 20 bis 500 kW bereitstellen. Derartige Spannungsquellen und elektrische Leistungen weisen naturgemäß großes Gefahrenpotential auf, das bei unzulässigen Zuständen die Insaßen oder andere Personen gefährdet.The electrical system according to the invention is particularly suitable for reducing, in a vehicle driven by an electric motor, the danger emanating from the power source at predetermined undesired or inadmissible states. Because especially when driven by an electric motor vehicles, it is necessary to adapt the performance as well as the range of conventionally powered vehicles. Such a high performance can be practically realized only with a high voltage and power supply. Vehicles that can be driven by an electric motor therefore often have power sources with voltages of several hundred volts, for example over 500 volts, providing powers of approximately 20 to 500 kW. Such voltage sources and electrical services naturally have great potential for danger, which endangers the occupants or other persons in the event of impermissible conditions.
Das erfindungsgemäße elektrische System kann daher sicher die von der Leistungsquelle ausgehende Gefahr reduzieren. Ein derartig vorbestimmter Zustand kann beispielsweise ein Fehlerfall in dem elektrischen System, wie etwa unzulässige Spannungen, Ströme, Temperaturen oder ähnliches, sein. Es ist daher vorteilhaft, wenn entsprechende Messeinrichtungen beziehungsweise Sensoren mit der Steuereinrichtung verbunden sind, die Spannungs-, Strom- oder Temperaturdaten an die Steuereinrichtung weitergeben. Die Steuereinrichtung weist dann zweckmäßigerweise eine Auswerteeinheit beziehungsweise Auswertelogik auf, mittels der aus den Daten erkannt werden kann, ob sich das elektrische System in einem Normalzustand oder in einem fehlerhaften Zustand befindet.The electrical system according to the invention can therefore safely reduce the danger emanating from the power source. Such a predetermined state may be, for example, a fault in the electrical system, such as impermissible voltages, currents, temperatures or the like. It is therefore advantageous if corresponding measuring devices or sensors are connected to the control device, which pass on voltage, current or temperature data to the control device. The control device then expediently has an evaluation unit or evaluation logic by means of which it can be recognized from the data whether the electrical system is in a normal state or in a faulty state.
Wird von der Sensoreinrichtung ein fehlerhafter oder unzulässiger Zustand detektiert, wird der Schalter durch die Steuereinrichtung betätigt, wodurch die elektrische Verbindung zwischen Leistungsquelle und Bordnetz getrennt wird. Dadurch sind die Leitungen innerhalb des Fahrzeugs stromlos, so dass diese Leitungen des Bordnetzes kein Gefährdungspotenzial ausbilden.If a faulty or impermissible state is detected by the sensor device, the switch is actuated by the control device, whereby the electrical connection between the power source and the vehicle electrical system is disconnected. As a result, the lines are de-energized within the vehicle, so that these cables of the electrical system do not form a hazard.
Zusätzlich wird dadurch, dass durch die Betätigung des Schalters die Leistungsqueue kurzgeschlossen wird und in der Kurzschlussleitung ein vordefinierter Entladewiderstand, insbesondere ein niederohmiger Lastwiderstand, angeordnet ist, ein Kurzschlussstromkreis mit einem definierten Widerstand geschlossen, wodurch die Leistungsquelle entladen beziehungsweise die in der Leistungsquelle gespeicherte Energie kontrolliert über den Lastwiderstand abgebaut wird. Der kontrollierte Abbau zumindest eines Teils der gespeicherten Energie verringert dabei das Gefährdungspotentials der Leistungsquelle, etwa durch spontanen, unkontrollierten Energieabbau, wie einen Brand oder eine Explosion, nach einem Unfall oder im Falle eines Fehlers. Die Leistungsquelle verliert somit ihre Spannung, so dass auch von der Leistungsquelle selbst nur eine sehr geringe Gefahr ausgeht.In addition, characterized in that the Leistungsqueue is short-circuited by the operation of the switch and in the short-circuit line a predefined discharge resistor, in particular a low-resistance load resistor is arranged, a short circuit closed with a defined resistance, whereby the power source discharges or controls the energy stored in the power source is reduced via the load resistor. The controlled degradation of at least a portion of the stored energy thereby reduces the potential hazard of the power source, such as spontaneous, uncontrolled energy degradation, such as a fire or explosion, after an accident or in case of failure. The power source thus loses its voltage, so that only a very small danger emanates from the power source itself.
Dabei weist der Widerstand vorzugsweise einen veränderbaren Widerstandswert auf. Dadurch kann der Grad der Entladung wie auch die durch den Kurzschlussstrom erzeugte Wärme eingestellt beziehungsweise reduziert werden.In this case, the resistor preferably has a variable resistance value. Thereby, the degree of discharge as well as the heat generated by the short-circuit current can be adjusted or reduced.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung als eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von Daten der Fahrsituation des Fahrzeugs ausgebildet. Dadurch kann auch eine gefährliche Fahrsituation, wie insbesondere ein Unfall des Fahrzeugs, durch den oder die Sensoren erkannt und an die Steuereinrichtung weitergegeben werden. Die Steuereinrichtung kann dann bei derartigen Fahrsituationen den Schalter betätigen und so die elektrische Leistungsquelle von dem Bordnetz trennen. Auf diese Weise können Fahrzeuginsaßen wie auch helfende Personen nach einem Unfall nicht mehr durch Stromschläge oder ähnliches verletzt werden. Daher kann erfindungsgemäß ein vorbestimmter Zustand, bei dem der Schalter zu betätigen ist, auch ein eine unzulässige Fahrsituation, wie etwa ein Unfall sein.In a preferred embodiment, the sensor device is designed as a sensor device for acquiring data of the driving situation of the vehicle. As a result, even a dangerous driving situation, in particular an accident of the vehicle, can be detected by the sensor (s) and passed on to the control device. The control device can then actuate the switch in such driving situations and thus disconnect the electrical power source from the electrical system. In this way, vehicle occupants as well as helping people after an accident can no longer be injured by electric shocks or the like. Therefore, according to the present invention, a predetermined state in which the switch is to be operated can also be an improper driving situation such as an accident.
Besonders vorteilhaft ist es hier, wenn die Sensoreinrichtung die Sensoreinrichtung eines Airbags ist. Dadurch kann auf einfache Weise die bereits in dem Fahrzeug vorhandene Peripherie beziehungsweise Ausstattung genutzt werden. Denn insbesondere ein Airbagsensor kann schon wichtige und erfindungsgemäß nützliche Daten liefern, die auf einen Unfall als vorbestimmten Zustand hinweisen.It is particularly advantageous here if the sensor device is the sensor device of an airbag. As a result, the already existing in the vehicle peripherals or equipment can be used in a simple manner. In particular, an airbag sensor can deliver important and useful according to the invention, indicating an accident as a predetermined condition.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die elektrische Leistungsquelle wenigstens eine Lithium-Ionen-Zelle. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Batteriesystemen hohen Energiedichte sind Lithium-Ionen-Zellen für erfindungsgemäße elektrische Systeme besonders vorteilhaft. Dabei kann die Leistungsquelle insbesondere auch eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen umfassen, die entsprechend, insbesondere in Reihe, geschaltet sind.In the context of a further advantageous embodiment, the electrical power source comprises at least one lithium-ion cell. Due to their high energy density compared to other battery systems, lithium-ion cells are particularly advantageous for electrical systems according to the invention. In this case, the power source may in particular also comprise a plurality of lithium-ion cells, which are connected accordingly, in particular in series.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die elektrische Leistungsquelle einen thermisch inaktivierbaren Separator auf. Ein Separator ist hier ein Element, das einen Stromkreis erlaubt, jedoch die unterschiedlichen Elektroden der elektrischen Leistungsquelle voneinander trennt und dadurch für den Aufbau der Spannung elementar ist. In dieser Ausführungsform wird ausgenutzt, dass durch den Kurzschlussstrom in der Kurzschlussleitung, in dem Entladewiderstand aber auch in der elektrischen Leistungsquelle selbst eine hohe, Wärmeenergie erzeugt wird. Durch die durch den Kurzschlussstrom erzeugte Wärmeenergie wird der thermisch inaktivierbare Separator somit inaktiviert, was zur Folge hat, dass die Leistungsquelle irreversibel deaktiviert wird.In the context of a further advantageous embodiment, the electrical power source has a thermally inactivatable separator. A separator is here an element that allows a circuit, but separates the different electrodes of the electric power source from each other and is thus elementary for the construction of the voltage. In this embodiment, it is exploited that a high heat energy is generated by the short-circuit current in the short-circuit line, in the discharge resistor but also in the electrical power source itself. The thermal energy generated by the short-circuit current thus deactivates the thermally inactivatable separator, with the result that the power source is irreversibly deactivated.
Ein Inaktivieren des Separators im Rahmen der Erfindung bedeutet insbesondere, dass der Separator undurchlässig wird derart, dass die beiden Elektroden der Leistungsquelle vollständig voneinander getrennt sind, der Separator den Stromkreis also unterbricht. Das Inaktivieren bedingt daher erfindungsgemäß ein Undurchlässig werden für Ionen. Dadurch wird die Leistungsquelle irreversibel deaktiviert und kann somit keine Klemmenspannung mehr an den Batteriepolen erzeugen. Die Leistungsquelle weist dann kein Gefährdungspotential mehr auf.Inactivating the separator in the context of the invention means in particular that the separator becomes impermeable in such a way that the two Electrodes of the power source are completely separated, so the separator breaks the circuit. The inactivation therefore requires, according to the invention, an impermeability to ions. As a result, the power source is irreversibly deactivated and thus can no longer produce a terminal voltage at the battery poles. The power source then no longer has any risk potential.
Beispielsweise kann ein Inaktivieren ein Deformieren, wie etwa ein einfaches Schmelzen sein, bei dem die Struktur des Separators derart geändert wird, dass er für Ionen undurchlässig wird.For example, inactivation may be deforming, such as simple melting, in which the structure of the separator is changed to become impermeable to ions.
Anstatt eines Schmelzens kann es jedoch auch vorteilhaft sein, dass das thermische Inaktivieren durch eine chemische Reaktion ausführbar ist. Ein Inaktivieren kann daher auch eine stoffliche Veränderung durch eine chemische Reaktion sein, die durch die durch den Kurzschlussstrom erzeugte Wärme aktiviert wird. Beispielsweise ist hier eine Polymerisationsreaktion möglich.However, instead of melting it may also be advantageous that the thermal inactivation can be carried out by a chemical reaction. Inactivation may therefore also be a material change due to a chemical reaction that is activated by the heat generated by the short-circuit current. For example, a polymerization reaction is possible here.
Um eine schnelle und wirksame Inaktivierung des Separators zu erreichen, ist es daher von Vorteil, wenn der Separator eine Inaktivierungstemperatur beziehungsweise einen Inaktivierungspunkt aufweist, der im Bereich von ≥ 60°C bis ≤ 200°C, insbesondere in einem Bereich von ≥ 100°C bis ≤ 120°C, liegt. Dabei ist es elementar, dass der Inaktivierungspunkt oberhalb der Betriebstemperatur der Leistungsquelle liegt. Unter dem Inaktivierungspunkt wird hier die Temperatur verstanden, ab der der Separator inaktiviert wird.To achieve a rapid and effective inactivation of the separator, it is therefore advantageous if the separator has an inactivation temperature or an inactivation point which is in the range from ≥ 60 ° C to ≦ 200 ° C, in particular in a range of ≥ 100 ° C. to ≤ 120 ° C, lies. It is fundamental that the inactivation point is above the operating temperature of the power source. The inactivation point is understood here to mean the temperature at which the separator is inactivated.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Separator aus Kunststoff ausgebildet ist. Der Kunststoff kann dann einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen, wodurch ein schnelles Inaktivieren des Separators und damit eine schnelle Deaktivierung der Leistungsquelle möglich ist.In particular, it is advantageous if the separator is made of plastic. The plastic can then have a low melting point, whereby a rapid deactivation of the separator and thus a rapid deactivation of the power source is possible.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Entladewiderstand und/oder die Kurzschlussleitung und/oder die Leistungsquelle mit einem Kühlelement thermisch verbunden. Ein Kühlelement kann die durch den Kurzschlussstrom erzeugte Wärme reduzieren beziehungsweise von der Kurzschlussleitung und/oder dem Entladewiderstand und/oder der Leistungsquelle abführen und so wirksam verhindern, dass es bei dem Entladen der Batterie beispielsweise zu einem Thermal Runaway kommt. Insbesondere schützt ein Kühlelement benachbarte Fahrzeugteile und beispielsweise nach einem Unfall helfende oder in dem Fahrzeug befindliche Personen.In another embodiment, the discharge resistor and / or the short-circuit line and / or the power source is thermally connected to a cooling element. A cooling element may reduce or dissipate the heat generated by the short-circuit current from the short-circuit line and / or the discharge resistor and / or the power source and thus effectively prevent a thermal runaway when discharging the battery, for example. In particular, a cooling element protects adjacent vehicle parts and, for example, persons who are helping after an accident or are in the vehicle.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Fahrzeug, das ein erfindungsgemäßes elektrisches System aufweist.The subject matter of the present invention is furthermore a vehicle which has an electrical system according to the invention.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigtFurther advantages and advantageous embodiments of the objects according to the invention are illustrated by the drawing and explained in the following description. It should be noted that the drawing has only descriptive character and is not intended to limit the invention in any way. It shows
In
Das elektrische System
Die Leistungsquelle
Dazu weist der Schalter
Das erfindungsgemäße elektrische System
Ein vorbestimmter Zustand ist dabei ein solcher, bei dem eine erhöhte Gefahr von der Leistungsquelle
Um einen derartigen vorbestimmten Zustand zu detektieren, ist eine Sensoreinrichtung
Darüber hinaus kann die Sensoreinrichtung
Wird nun ein derartiger vorbestimmter Zustand von der Sensoreinrichtung
Zusätzlich zu dem elektrischen Abtrennen der Leistungsquelle
In einem zumindest teilweise entladenen Zustand geht auch von der Leistungsquelle
Insbesondere wenn die Leistungszelle
Der Entladewiderstand
Der Widerstandswert des Entladewiderstands
Darüber hinaus ist es möglich, Kühlelemente vorzusehen, durch die die Kurzschlussleitung
Dadurch können je nachdem, welche Art von vorbestimmtem Zustand von dem Sensor
Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung
Entsprechend kann bei einem Unfall als vorbestimmtem Zustand der Widerstandswert sehr niedrig eingestellt werden, insbesondere höchstens oder genau gemäß der vorbeschriebenen Formel Rmin = ULeist/Iinakt, um eine schnelle Entladung der Leistungsquelle
Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Kühlelemente und/oder der Entladewiderstand
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