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

The system (10) has a control device (20) to activate a switch (18) to disrupt an electrical interconnection between an electrical power source (12) and an onboard network i.e. mains, based on a predetermined state detected by a sensor device (22). A short-circuit line (24) is provided with a defined discharging resistor (26) for controlled discharge of the power source. The short-circuit line is connected with the switch and the source such that the power source is selectively short-circuited by actuation of the switch for terminating the connection between the source and the network. The sensor device is a sensor for determining data of the driving conditions of a vehicle or an airbag sensor. The electrical power source is a lithium ion cell and comprises a thermal inactivatable separator.

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 US 6,157,288 bekannt, eine schmelzbare elektrische Verbindung vorzusehen, die bei einem Unfall durch eine sich erhitzende Thermitkapsel schmilzt und so den elektrischen Stromfluss unterbricht.That's how it is US 6,157,288 known to provide a fusible electrical connection, which melts in an accident by a heating Thermitkapsel and thus interrupts the flow of electrical current.

Gemäß US 5,757,150 wird eine elektrische Verbindung zwischen Batterie und Verbrauchern durch Schalter unterbrochen, die im Falle eines Unfalls durch Sprengstoff gesprengt werden.According to US 5,757,150 An electrical connection between the battery and consumers is interrupted by switches that are exploded by explosives in the event of an accident.

Aus US 5,816,358 ist es bekannt, das elektrische Leitungsnetz des Fahrzeugs zwischen der Energiequelle und den für den Fahrabtrieb eingesetzten Elektromotoren nach Erkennen einer Unfallsituation möglichst frühzeitig durch eine Schaltschützeinrichtung stromfrei zu schalten, indem die Schaltschützeinrichtung die elektrische Leitungsverbindung unterbricht.Out US 5,816,358 It is known to switch the electrical wiring system of the vehicle between the power source and the electric motors used for the driving operation after detecting an accident situation as early as possible by a contactor circuit by the switch contactor interrupts the electrical line connection.

In US 5,389,824 ist offenbart, die Hauptbatterie durch einen Leitungsunterbrecher mit einem Schalter von dem Leitungsnetz zu trennen.In US 5,389,824 It is disclosed to separate the main battery by a circuit breaker with a switch from the mains.

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

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Systems. 1 a schematic representation of an electrical system according to the invention.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes elektrisches System 10 gezeigt. Das elektrische System 10 ist vorzugsweise Bestandteil eines Fahrzeugs, das zumindest zeitweise zumindest einen Teil des Antriebsmoments über wenigstens einen Elektromotor bezieht. Dabei kann dieses Fahrzeug beispielsweise sowohl ein reines Elektrofahrzeug sein, als auch ein Hybrid-elektrisches Fahrzeug (HEV).In 1 is an inventive electrical system 10 shown. The electrical system 10 is preferably part of a vehicle, which at least at times relates at least a portion of the drive torque via at least one electric motor. For example, this vehicle may be both a pure electric vehicle and a hybrid electric vehicle (HEV).

Das elektrische System 10 gemäß der Erfindung umfasst eine Leistungsquelle 12. Die Leistungsquelle 12 kann dabei jegliche Art von Leistungsquelle beziehungsweise Spannungsquelle sein, die für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug nutzbar ist. Folglich ist die Leistungsquelle 12 eine Traktionsbatterie, die insbesondere als Akkumulator ausgestaltet ist. Vorzugsweise kann die Leistungsquelle 12 eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen oder vergleichbaren Zellen beziehungsweise Akkumulatoren oder Primärbatterien sein.The electrical system 10 according to the invention comprises a power source 12 , The power source 12 can be any type of power source or voltage source that can be used for an electrically powered vehicle. Consequently, the power source is 12 a traction battery, which is designed in particular as an accumulator. Preferably, the power source 12 a lithium-ion cell or a plurality of lithium-ion cells or comparable cells or accumulators or primary batteries.

Die Leistungsquelle 12 ist dabei über Leitungen 14, 16 mit dem Bordnetz des Fahrzeugs verbunden. Unter dem Bordnetz des Fahrzeugs wird hier insbesondere das Leitungsnetz verstanden, das mit dem oder den Elektromotoren verbunden ist. In zumindest einer der Leitungen, beispielsweise in der Leitung 14, ist ein Schalter 18 angeordnet. Durch den Schalter 18 ist die elektrische Verbindung zwischen der Leistungsquelle 12 und dem Bordnetz des Fahrzeugs selektiv ausbildbar oder unterbrechbar.The power source 12 is via lines 14 . 16 connected to the vehicle electrical system. Under the electrical system of the vehicle is understood in particular the line network, which is connected to the one or more electric motors. In at least one of the lines, for example in the line 14 , is a switch 18 arranged. Through the switch 18 is the electrical connection between the power source 12 and the vehicle electrical system of the vehicle selectively formable or interruptible.

Dazu weist der Schalter 18 wenigstens zwei Schalterstellungen auf, nämlich die Stellung A-B und die Stellung A-C. In der Schalterstellung A-B ist die elektrische Verbindung zwischen Leistungsquelle 12 und Bordnetz ausgebildet, so dass die Leistungsquelle 12 das Bordnetz mit Energie versorgen kann. In dieser Normalstellung des Schalters 18 kann die Leistungsquelle 12 so den oder die Elektromotoren antreiben. In der Schalterstellung A-C dagegen ist die elektrische Verbindung zwischen Leistungsquelle 12 und dem Bordnetz unterbrochen, die Batterie also von dem Bordnetz entkoppelt, so das eine Speisung des Bordnetzes mit Energie nicht möglich ist. Die Schalterstellung A-C ist die Notstellung des Schalters 18.This is indicated by the switch 18 at least two switch positions, namely the position AB and the position AC. In the switch position AB is the electrical connection between the power source 12 and electrical system designed so that the power source 12 can supply the vehicle electrical system with energy. In this normal position of the switch 18 can be the power source 12 drive the electric motor (s). In contrast, in the switch position AC, the electrical connection between the power source 12 and the vehicle electrical system interrupted, the battery thus decoupled from the electrical system, so that a supply of the electrical system with energy is not possible. The switch position AC is the emergency position of the switch 18 ,

Das erfindungsgemäße elektrische System 10 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 20, die mit dem Schalter 18 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, bei einem vorbestimmten, Zustand den Schalter 18 zu betätigen. Dadurch wird der Schalter 18 von seiner Normalstellung A-B in eine Notstellung A-C gebracht. The electrical system according to the invention 10 further comprises a control device 20 that with the switch 18 connected is. The control device 20 is adapted to switch at a predetermined state 18 to press. This will make the switch 18 brought from its normal position AB in an emergency position AC.

Ein vorbestimmter Zustand ist dabei ein solcher, bei dem eine erhöhte Gefahr von der Leistungsquelle 12 ausgehen kann. Insbesondere sind dies Zustände mit ungewünschter beziehungsweise unzulässiger Spannung, Strom oder Temperatur in dem elektrischen System wie auch Beschädigungen des Fahrzeugs, die eine Beschädigung der Leistungsquelle 12 mit sich bringen können. Ein typischer erfindungsgmäß vorbestimmter Zustand ist hier ein Unfall des Fahrzeugs.A predetermined state is one in which an increased risk from the power source 12 can go out. In particular, these are conditions with unwanted or unacceptable voltage, current or temperature in the electrical system as well as damage to the vehicle, which damage the power source 12 can bring with it. A typical erfindungsgmäß predetermined state is here an accident of the vehicle.

Um einen derartigen vorbestimmten Zustand zu detektieren, ist eine Sensoreinrichtung 22 vorgesehen. Die Sensoreinrichtung 22 kann dabei einen einzelnen Sensor umfassen, oder vorzugsweise eine Mehrzahl von Sensoren. Beispielhafte Sensoren sind Sensoren zum Erfassen von Daten der Fahrsituation des Fahrzeugs, wie etwa Beschleunigungssensoren, die das Fahrverhalten des Fahrzeugs überwachen. Dadurch kann etwa ein Unfall des Fahrzeugs detektiert werden. Als Sensoren zur Erkennung einer Unfallsituation eignen sich insbesondere derartige Sensoren, die eine Längs- oder Querbeschleunigung des Fahrzeugs ermitteln. Dabei können eigenständige Sensoren verwendet werden. Vorteilhafterweise kann jedoch auf bereits im Fahrzeug befindliche Sensoren zurückgegriffen werden, wie etwa auf die eines Airbagsystems. In diesem Fall ist es ferner vorteilhaft, wenn die Steuereinheit 20 die Steuereinheit mit Auswertelogik des Airbagsystems ist. Dann kann bei einem Unfall die Entkopplung der Leistungsquelle 12 von dem Bordnetz an die Auslösung des Airbags gekoppelt werden.To detect such a predetermined state, is a sensor device 22 intended. The sensor device 22 may include a single sensor, or preferably a plurality of sensors. Exemplary sensors are sensors for acquiring data of the driving situation of the vehicle, such as acceleration sensors that monitor the driving behavior of the vehicle. As a result, an accident of the vehicle can be detected. Suitable sensors for detecting an accident situation are, in particular, those sensors which determine a longitudinal or lateral acceleration of the vehicle. Separate sensors can be used. Advantageously, however, it is possible to resort to sensors already in the vehicle, such as those of an airbag system. In this case, it is also advantageous if the control unit 20 the control unit with evaluation logic of the airbag system is. Then in an accident, the decoupling of the power source 12 be coupled by the electrical system to the deployment of the airbag.

Darüber hinaus kann die Sensoreinrichtung 22 weitere Sensoren wie etwa Strom-, Spannungs- oder Temperatursensoren umfassen, um einen fehlerhaften Betriebszustand des elektrischen Systems zu erfassen.In addition, the sensor device 22 include other sensors such as current, voltage or temperature sensors to detect a faulty operating state of the electrical system.

Wird nun ein derartiger vorbestimmter Zustand von der Sensoreinrichtung 22 erfasst beziehungsweise detektiert und von der Steuereinrichtung 20 ausgewertet, veranlasst die Steuereinrichtung 20 ein Umschalten des Schalters 18 von seiner Normalposition A-B in die Notposition A-C. Auf diese Weise wird die elektrische Verbindung der Leistungsquelle 12 und dem Bordnetz unterbrochen und so die Leistungsquelle 12 von dem Bordnetz getrennt. Das Bordnetz ist daher nicht mehr mit der elektrischen Leistungsquelle 12 und damit mit der hohen Spannung verbunden, so dass eine erhöhte Gefahr von dem Bordnetz nicht mehr ausgeht. Die Schaltzeit von der Normalposition A-B des Schalters 18 in die Notposition A-C sollte dabei in einem Bereich ≤ 50 ms liegen, besonders bevorzugt ≤ 35 ms.Will now be such a predetermined state of the sensor device 22 detected or detected and by the control device 20 evaluated, causes the controller 20 a switchover of the switch 18 from its normal position AB to the emergency position AC. In this way, the electrical connection of the power source 12 and the electrical system interrupted and so the power source 12 disconnected from the electrical system. The electrical system is therefore no longer with the electrical power source 12 and thus connected to the high voltage, so that an increased risk from the electrical system no longer runs out. The switching time from the normal position AB of the switch 18 in the emergency position AC should be in a range ≤ 50 ms, more preferably ≤ 35 ms.

Zusätzlich zu dem elektrischen Abtrennen der Leistungsquelle 12 von dem Bordnetz ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leistungsquelle 12 zumindest teilweise entladen wird. Hierzu ist eine Kurzschlussleitung 24 vorgesehen, die mit dem Schalter 18 sowie mit der Leistungsquelle 12 verbunden ist. Dabei ist die Kurzschlussleitung 24 derart angeordnet, dass bei einer Betätigung des Schalters 18 in seine Notposition A-C die Leistungsquelle 12 kurzgeschlossen wird. In der Kurzschlussleitung 24 ist dabei ein Widerstandselement als Entladewiderstand 26 angeordnet, durch den beim Auftreten eines Entladestroms die Leistungsquelle 12 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig entladen wird.In addition to the electrical disconnection of the power source 12 of the electrical system is inventively provided that the power source 12 is at least partially unloaded. This is a short circuit line 24 provided with the switch 18 as well as with the power source 12 connected is. Here is the short circuit line 24 arranged such that upon actuation of the switch 18 in its emergency position AC the power source 12 shorted. In the short circuit line 24 is a resistance element as a discharge resistor 26 arranged by the occurrence of a discharge current, the power source 12 at least partially, preferably completely discharged.

In einem zumindest teilweise entladenen Zustand geht auch von der Leistungsquelle 12 selbst eine deutlich geringere Gefahr aus.In an at least partially discharged state is also from the power source 12 even a much lower risk.

Insbesondere wenn die Leistungszelle 12 eine Lithium-Ionen-Zelle beziehungsweise einen Lithium-Ionen-Akkumulator umfasst, ist in dieser ein Separator angeordnet, der die beiden Elektroden räumlich und elektrisch von einander trennt. Als besonders geeignete Materialien für die Ausbildung des Separators kommen insbesondere Kunststoffe, wie etwa mikroporöse Kunststoffe, sowie Glasfaser-Vliese oder Polyethylen zum Einsatz. Um die Gefahr noch weiter zu reduzieren, ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass dieser Separator thermisch inaktivierbar ist. Dadurch wird der Separator, bedingt durch die Wärme, die durch den Kurzschlussstrom in der Kurzschlussleitung 24 wie auch in dem Entladewiderstand 26 und insbesondere in der Leistungsquelle 12 erzeugt wird, inaktiviert beziehungsweise wird undurchlässig, wodurch der Ionenfluss unmöglich wird. Die Leistungsquelle 12 wird dann irreversibel deaktiviert, wodurch eine Gefährdung durch die Leistungsquelle 12 im wesentlichen vollständig ausgeschlossen wird.Especially if the power cell 12 a lithium-ion cell or a lithium-ion battery, a separator is arranged in this, which separates the two electrodes spatially and electrically from each other. Particularly suitable materials for the formation of the separator are in particular plastics, such as microporous plastics, and glass fiber nonwovens or polyethylene used. In order to reduce the risk even further, it is provided in a development of the invention that this separator is thermally inactivated. As a result, the separator, due to the heat generated by the short-circuit current in the short-circuit line 24 as well as in the discharge resistor 26 and in particular in the power source 12 is generated, inactivated or becomes impermeable, whereby the ion flow is impossible. The power source 12 is then irreversibly disabled, creating a threat from the power source 12 is essentially completely excluded.

Der Entladewiderstand 26 sollte dabei so ausgewählt sein, dass durch den Kurzschlussstrom zwar der Separator inaktiviert wird, jedoch keine unkontrollierten Reaktionen erfolgen, wie beispielsweise ein Thermal Runaway. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der Entladewiderstand 26 einen veränderbaren Widerstandswert aufweist. Denn durch die Einstelllung des Widerstands kann die Entladung der Leistungsquelle 12 gleichermaßen wie die durch den Kurzschlussstrom erzeugte Wärme reguliert und eingestellt werden.The discharge resistance 26 should be selected so that the short-circuit current deactivates the separator but does not cause any uncontrolled reactions, such as a thermal runaway. This can be achieved, for example, by the discharge resistor 26 has a variable resistance. Because by the setting of the resistance, the discharge of the power source 12 as well as the heat generated by the short-circuit current are regulated and adjusted.

Der Widerstandswert des Entladewiderstands 26 sollte dabei so einstellbar sein, dass er einen minimalen Wert erreicht, wodurch ein maximaler Kurzschlussstrom fließt. Der Wert des Kurzschlusstroms bestimmt dabei die Entladegeschwindigkeit. Der günstigste Widerstandswert ist dabei systemabhängig. Der minimale Widerstandswert Rmin ergibt sich aus dem Quotienten aus der minimalen Spannung der elektrischen Leistungsquelle ULeist und demjenigen Strom Iinakt, der den Separator durch die erzeugte Hitze inaktivieren kann. Der minimale Widerstandswert ergibt sich daher nach Rmin = ULeist/Iinakt. Aufgrund der hohen erzeugten Wärme ist es ferner vorteilhaft, wenn insbesondere der Entladewiderstand 26 an einer gut belüfteten und berührsicheren Stelle in dem Fahrzeug angeordnet ist, um so eine ungewollte Gefährdung zu verhindern. Beispielsweise kann der Widerstand am Unterboden des Fahrzeugs ähnlich dem heißen Abgasstrang bei konventionell betriebenen Fahrzeugen angeordnet sein.The resistance of the discharge resistor 26 should be adjustable so that he reaches a minimum value, whereby a maximum short-circuit current flows. The value of the short-circuit current determines the discharge speed. The cheapest resistance value is system-dependent. The minimum resistance R min results from the quotient of the minimum voltage of the electrical power source U Leist and the current I inact which can inactivate the separator by the generated heat. Therefore, the minimum resistance value is calculated according to R = U min Leist / I inact. Due to the high heat generated, it is also advantageous if in particular the discharge resistor 26 is arranged in a well-ventilated and safe to touch location in the vehicle so as to prevent unwanted hazards. For example, the resistance at the underbody of the vehicle may be similar to the hot exhaust train in conventionally powered vehicles.

Darüber hinaus ist es möglich, Kühlelemente vorzusehen, durch die die Kurzschlussleitung 24 wie auch der Entladewiderstand 26 oder die Leistungsquelle 12 gekühlt wird. Dadurch kann zum einen eine ungewollte unkontrollierte Reaktion, wie etwa ein Thermal Runaway verhindert werden. Darüber hinaus ist es so möglich, zwar die Leistungsquelle 12 über die Kurzschlussleitung 24 zu entladen, jedoch das Inaktivieren des Separators und damit eine Deaktivierung der Leistungsquelle 12 selektiv zu verhindern.In addition, it is possible to provide cooling elements through which the short-circuit line 24 as well as the discharge resistance 26 or the power source 12 is cooled. As a result, on the one hand an unwanted uncontrolled reaction, such as a thermal runaway can be prevented. In addition, it is possible, although the power source 12 over the short circuit line 24 but disabling the separator and thus deactivating the power source 12 to selectively prevent.

Dadurch können je nachdem, welche Art von vorbestimmtem Zustand von dem Sensor 22 detektiert wird, verschiedenen Vorgehensweisen insbesondere durch die Steuereinrichtung 20 ausgelöst werden. Wenn beispielsweise ein Fehler in dem elektrischen System vorliegt, kann eine sogenannte milde Entladung stattfinden. In diesem Fall kann der Widerstandswert des Entladewiderstands 26 vergleichsweise hoch eingestellt werden. In diesem Fall wird zwar die Leistungsquelle 12 entladen, ein Inaktivieren des Separators findet jedoch aufgrund der geringen Wärme nicht statt. Die Leistungsquelle 12 kann somit im Anschluss erneut aufgeladen und verwendet werden.As a result, depending on what kind of predetermined state of the sensor 22 is detected, various approaches in particular by the controller 20 to be triggered. For example, if there is a fault in the electrical system, a so-called mild discharge may take place. In this case, the resistance value of the discharge resistor 26 be set comparatively high. In this case, although the power source 12 discharged, but inactivation of the separator does not take place due to the low heat. The power source 12 can be recharged and used afterwards.

Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung 20 in dem Fall einer milden Entladung den Schalter 18 erneut betätigt, um diesen wieder in seine Normalstellung A-B zu bringen. Es kann somit vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 20 den Schalter 18 je nach Zustand des Fahrzeugs nicht nur von seiner Normalposition A-B in seine Notposition A-C, sondern vielmehr auch von seiner Notposition A-C zurück in seine Normalposition A-B bringt. Dies kann sowohl automatisch, wie oben beschrieben, als auch manuell, durch eine Eingabe des Fahrers, beispielsweise durch Betätigung einer Eingabeeinheit am Armaturenbrett des Fahrzeugs, erfolgen.For this it is advantageous if the control device 20 in the case of a mild discharge, the switch 18 pressed again to bring it back to its normal position AB. It can thus be provided that the control device 20 the switch 18 depending on the state of the vehicle, not only returns from its normal position AB to its emergency position AC, but also from its emergency position AC back to its normal position AB. This can be done both automatically, as described above, as well as manually, by an input of the driver, for example by pressing an input unit on the dashboard of the vehicle.

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 12 und gleichzeitig eine große Wärme zu erzeugen, so dass der Separator sich inaktiviert.Accordingly, in an accident can be set very low as a predetermined state, the resistance value, in particular more than or exactly according to the above formula R = U min Leist / I inact to a rapid discharge of the power source 12 and at the same time generate a great deal of heat so that the separator inactivates.

Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Kühlelemente und/oder der Entladewiderstand 26 mit der Steuereinrichtung 20 verbunden sind, so dass diese eine Kühlung und eine Einstellung des Widerstandswerts in Abhängigkeit von dem eingetretenen Zustand vornimmt. Dadurch kann das elektrische System selektiv auf die eingetretenen Situation, also beispielsweise fehlerhaftes System oder Unfall, reagieren.It is advantageous if the cooling elements and / or the discharge resistor 26 with the control device 20 are connected so that it performs a cooling and an adjustment of the resistance value depending on the occurred state. As a result, the electrical system can react selectively to the situation that has occurred, for example faulty system or accident.

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Claims (10)

Elektrisches System für ein Fahrzeug, umfassend eine elektrische Leistungsquelle (12), insbesondere zum Antreiben eines Elektromotors, und einen Schalter (18), durch den eine elektrische Verbindung zwischen Leistungsquelle (12) und Bordnetz des Fahrzeugs selektiv ausbildbar oder unterbrechbar ist, und eine Steuereinrichtung (20), die dazu ausgebildet ist, bei einem von einer mit der Steuereinrichtung (20) verbundenen Sensoreinrichtung (22) detektierbaren vorbestimmten Zustand den Schalter (18) zu betätigen, um die elektrische Verbindung zwischen Leistungsquelle (12) und Bordnetz zu unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurzschlussleitung (24) mit einem darin angeordneten definierten Entladewiderstand (26) zum kontrollierten Entladen der Leistungsquelle (12) vorgesehen ist, die mit dem Schalter (18) und der Leistungsquelle (12) derart verbunden ist, dass durch ein Betätigen des Schalters (18) zum Trennen der Verbindung von Leistungsqueue (12) und Bordnetz die Leistungsquelle (12) selektiv kurzschließbar ist.Electrical system for a vehicle, comprising an electric power source ( 12 ), in particular for driving an electric motor, and a switch ( 18 ), through which an electrical connection between power source ( 12 ) and vehicle electrical system of the vehicle is selectively formable or interruptible, and a control device ( 20 ), which is adapted, at one of a with the control device ( 20 ) connected sensor device ( 22 ) detectable predetermined state the switch ( 18 ) to control the electrical connection between the power source ( 12 ) and electrical system, characterized in that a short-circuit line ( 24 ) having a defined discharge resistance ( 26 ) for controlled discharging of the power source ( 12 ) provided with the switch ( 18 ) and the power source ( 12 ) is connected in such a way that by actuating the switch ( 18 ) to disconnect the service queue ( 12 ) and electrical system the power source ( 12 ) is selectively short-circuitable. Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladewiderstand (26) einen veränderbaren Widerstandswert aufweist.Electrical system according to claim 1, characterized in that the discharge resistor ( 26 ) has a variable resistance value. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (22) als ein Sensor zum Erfassen von Daten der Fahrsituation des Fahrzeugs ausgebildet ist.Electrical system according to one of claims 1 or 2, characterized in that the sensor device ( 22 ) is formed as a sensor for acquiring data of the driving situation of the vehicle. Elektrisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (22) die Sensoreinrichtung eines Airbags ist.Electrical system according to claim 3, characterized in that the sensor device ( 22 ) is the sensor device of an airbag. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistungsquelle (12) wenigstens eine Lithium-Ionen-Zelle umfasst.Electrical system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrical power source ( 12 ) comprises at least one lithium-ion cell. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistungsquelle (12) einen thermisch inaktivierbaren Separator aufweist.Electrical system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrical power source ( 12 ) has a thermally inactivatable separator. Elektrisches system nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator eine Inaktivierungstemperatur aufweist, die im Bereich von ≥ 60°C bis ≤ 200°C, insbesondere in einem Bereich von ≥ 100°C bis ≤ 120°C, liegt.Electrical system according to claim 6, characterized in that the separator has an inactivation temperature which is in the range of ≥ 60 ° C to ≤ 200 ° C, in particular in a range of ≥ 100 ° C to ≤ 120 ° C. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Inaktivieren durch ein Schmelzen und/oder eine chemische Reaktion ausführbar ist.Electrical system according to one of claims 6 or 7, characterized in that the thermal inactivation by a melting and / or a chemical reaction is executable. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladewiderstand (26) und/oder die Kurzschlussleitung (24) und/oder die Leistungsquelle (12) mit einem Kühlelement thermisch verbunden ist.Electrical system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the discharge resistor ( 26 ) and / or the short-circuit line ( 24 ) and / or the power source ( 12 ) is thermally connected to a cooling element. Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein elektrisches System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.Vehicle, characterized in that the vehicle is an electrical system ( 10 ) according to one of claims 1 to 9.
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