DE102010036379A1

DE102010036379A1 - Sicherungsvorrichtung für eine Hochvolt-Batterie

Info

Publication number: DE102010036379A1
Application number: DE201010036379
Authority: DE
Inventors: Markus Kremer; Michael Stapelbroek
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-01-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, mit mindestens zwei Batteriemodulen, die durch mindestens eine elektrische Verbindung verbunden sind, und einem Sicherheitsmechanismus, der mindestens ein Trennmittel aufweist, das in einem Normalbetrieb der Batteriemodule außerhalb der elektrischen Verbindung angeordnet ist und bei einem Unfall die elektrische Verbindung zwischen den beiden Batteriemodulen trennt, wodurch eine Hochspannung innerhalb der Batterie verhindert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie eines Kraftfahrzeuges.
Im Falle eines Unfalls eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs besteht die Gefahr, dass ein Kurzschluss zum Fahrzeugchassis oder innerhalb der Batterie entstehen kann. Aus der DE 197 49 133 C2 ist eine Vorrichtung zum Trennen der Bordverkabelung einer 12V-Batterie eines Fahrzeugs kurz nach einem Unfall bekannt. Hierbei wird vorgeschlagen, einen stromführenden Leiter mit einer pyrotechnischen Seele zu versehen, die den Leiter nach der Zündung lokal zerstört, um den Stromfluss durch den Leiter zu unterbrechen. Dadurch wird lediglich die Stromversorgung der 12V-Batterie zum Fahrzeug unterbrochen. Bei einer HV-Batterie bleibt trotz der Trennung der Verkabelung zum Fahrzeug die Hochspannung innerhalb der Batterie bestehen. Hierbei kann ein Kurzschluss zum Fahrzeugchassis oder innerhalb der Batterie entstehen, wodurch Fahrzeuginsassen oder Unfallhelfer gefährdet werden können. Ein weiterer Nachteil einer derartigen Vorrichtung besteht darin, dass ein Einbringen von Sprengstoff in den Leiter den Widerstand des Leiters signifikant erhöht, da der Querschnitt sinkt, wodurch der Wirkungsgrad der Batterie drastisch verschlechtert wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die dafür sorgt, dass im Falle eines Unfalls keine Hochspannung mehr in der Batterie vorhanden ist, um eine direkte Gefährdung der Personen im Fahrzeug oder der Unfallretter zu vermeiden. Gleichzeitig soll der Innenwiderstand der Batterie möglichst gering gehalten werden, um die Performance der Batterie nicht zu verschlechtern.
Die Aufgabe wird durch sämtliche Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ferner wird die Aufgabe durch sämtliche Merkmale des unabhängigen Anspruches 16 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen 17–21 sind sämtliche, vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine Batterie eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, mit mindestens zwei Batteriemodulen, die durch mindestens eine elektrische Verbindung verbunden sind, und einem Sicherheitsmechanismus, der mindestens ein Trennmittel aufweist, das in einem Normalbetrieb der Batteriemodule außerhalb der elektrischen Verbindung angeordnet ist und bei einem Unfall die elektrische Verbindung zwischen den beiden Batteriemodulen trennt, wodurch eine Hochspannung innerhalb der Batterie verhindert wird.
Hierbei ist es notwendig, dass die Verbindungen/Verbindungsleitungen der einzelnen Batteriemodule zueinander innerhalb der Batterie aufgetrennt werden. Außerdem befinden sich die Trennmittel außerhalb der elektrischen Leitungen, die zwei benachbarte Batteriemodule verbinden, wodurch die Verlustleistung der Batterie gering gehalten wird.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der erfindungsgemäße Sicherheitsmechanismus mindestens ein Trennmittel aufweist, das in einem Normalbetrieb der Batteriemodule außerhalb der elektrischen Verbindung angeordnet ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein zusätzlicher Widerstand in die elektrische Leitung angebracht ist. Erst in einer Unfallsituation wird der Sicherheitsmechanismus derart aktiviert, dass das Trennmittel physikalisch mit der elektrischen Verbindung in Kontakt kommt, um die Verbindung zu trennen und somit die Hochspannung in der Batterie zu unterbrechen.
Die Erfindung kann vorsehen, dass der Sicherheitsmechanismus einen Antrieb aufweist, der das Trennmittel bei einem Unfall betätigt. Der Antrieb ist ebenfalls wie das Trennmittel außerhalb der elektrischen Verbindung angeordnet, so dass die Performance der Batterie durch Einbringen des Antriebes nicht beeinflusst wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Antrieb jedem Trennmittel des Sicherheitsmechanismus zugeordnet. Hierbei kann der Antrieb zumindest teilweise innerhalb des Trennmittels oder angrenzend an das Trennmittel angeordnet sein. Eine zuverlässige Aktivierung des Sicherheitsmechanismus kann zum Beispiel durch Unfallsensoren ausgelöst werden. Die Unfallsensoren können beispielsweise ein Bestandteil einer fahrzeugseitigen Crashsensorik sein, die mit dem Airbag ebenfalls zusammenarbeiten kann.
Vorteilhafter Weise kann der Antrieb einen Sprengstoff beinhalten, insbesondere Hexogen oder Octogen. Hierbei wird das Trennmittel durch die freigesetzte Energie bei einer Explosion des Sprengstoffes betätigt. Bei der Explosion des Sprengstoffes entwickelt sich eine Druckwelle mit einer hohen Detonationsgeschwindigkeit, die das Trennmittel derart antreibt, dass das Trennmittel die elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen durchtrennen kann.
In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist das Trennmittel ein Trennelement auf, das durch den Antrieb auf die elektrische Verbindung beschleunigt wird und beim Aufprall die elektrische Verbindung trennt. Hierbei stellt das Trennelement eine mechanische Komponente des Trennmittels dar, die die Wirkung des Antriebes verstärkt, um die elektrische Verbindung wirkungsvoll zertrennen zu können. Das Trennelement fokussiert die Explosionsenergie auf einen definierten Bereich der elektrischen Verbindung, so dass beim Auftreten auf die elektrische Verbindung diese sicher und dauerhaft getrennt wird. Das Trennmittel kann eine Schneidwirkung aufweisen und bei der Explosion die elektrische Verbindung zuverlässig durchtrennen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Trennmittel eine Hülle aufweist, die den Antrieb zumindest teilweise umfasst. Die Hülle kann zum Beispiel aus Metall ausgeführt sein. Der Zwischenraum zwischen der Hülle und dem Trennelement wird hierbei durch den Sprengstoff des Antriebes gefüllt. Die bei der Zündung des Sprengstoffes entstehende Druckwelle kann durch die Hülle derart geformt werden, dass die Energie der Explosion möglichst auf das Trennelement gerichtet wird. Dadurch kann das Trennmittel durch die Kraft der Explosion zu einer Art Geschoss werden, welches schließlich die elektrische Verbindung durchschneidet.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Trennelement V-förmig im Querschnitt ausgeführt ist, insbesondere dass das Trennelement sich in seine Längsrichtung linienförmig erstreckt. Es kann wie ein Streifenelement ausgeführt sein. Aufgrund dieser geometrischen Ausführung des Trennelements kann der Materialaufwand relativ gering gehalten werden, insbesondere kann die notwendige Menge des Sprengstoffs reduziert werden, um die elektrische Verbindung dennoch schnell und gezielt durchtrennen zu können. Je nach Art der elektrischen Verbindung kann durch den Einsatz des Trennelementes bei gleicher Trenn- oder Schneidleistung bis zu 60% weniger Sprengstoff verwendet werden. Gleichzeitig kann der bei der Explosion entstehende Schalldruck vermindert werden, wobei die elektrische Verbindung dennoch sicher durchtrennt wird. Zudem kann vorgesehen sein, dass das Trennelement flexibel ausgeführt werden kann, was die Einbringung des Trennelements innerhalb des Trennmittels deutlich erleichtert.
Erfindungsgemäß kann das Trennmittel über eine Klebeverbindung an der elektrischen Verbindung befestigt sein, wobei insbesondere die Klebeverbindung ein Klebestreifen sein kann. Der Klebestreifen besteht bevorzugter Weise aus Kunststoff und wird durch die Druckwelle der Explosion zerstört. Durch die Klebeverbindung wird das Trennmittel fest und rutschfrei in einem Abstand zu der elektrischen Verbindung gehalten. Der Klebestreifen verhindert gleichzeitig, dass ein Funke von der elektrischen Verbindung auf den Antrieb übertragen werden kann, um eine ungewollte Explosion zu verhindern.
Bevorzugter Weise weist der Sicherheitsmechanismus ein drucksicheres Gehäuse auf, das zumindest teilweise die elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen umfasst. Insbesondere beim Verwenden vom Sprengstoff schützt das drucksichere Gehäuse die benachbarten Batteriemodule vor etwaigen Schädigungen. Somit wird sichergestellt, dass im Crashfall die Batteriemodule durch das Trennen der Verbindung nicht beschädigt werden, die Verbindung aber sicher getrennt werden kann. Durch das Austauschen der elektrischen Verbindung, sowie das Einsetzen von neuen Trennvorrichtungen kann die erfindungsgemäße Batterie ohne großen Aufwand wieder instand gesetzt werden. Erfindungsgemäß kann außerdem vorgesehen sein, dass das Gehäuse an die Batteriegeometrie angepasst ist.
Erfindungsgemäß kann das Gehäuse eine Berstscheibe aufweisen, um bei einer Aktivierung des Antriebes den Überdruck aus dem Gehäuse abzulassen. Die Berstscheibe kann vorteilhafter Weise an einer Öffnung im Gehäuse angeordnet sein. Zudem kann die Öffnung an einer Gehäuseöffnung der Batterie wiederum angebracht sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der Antrieb als ein Druckantrieb ausgeführt werden. Die Erfindung sieht hierbei vor, dass eine Aktivierung des Druckantriebes, eine Entstehung einer Druckwelle nach sich zieht, deren Energie genutzt wird, um das Trennelement anzutreiben. Auf eine vorteilhafte Weise kann zu diesem Zweck ein beliebiger Druckantrieb vorliegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Druckantrieb eine Druckkammer aufweisen, insbesondere kann die Druckkammer eine Gaspatrone sein. Erfindungsgemäß ist die Gaspatrone in einem Normalbetrieb der Batterie mit einem Gas gefüllt, dessen Druck im Inneren der Gaspatrone über dem Umgebungsdruck liegt. Bei einem Unfall wird das Gas aus der Druckkammer freigesetzt, das bei Ausbreiten einen Druck auf das Trennelement ausübt, wodurch das Trennelement in Bewegung gesetzt wird. In diesem Fall kann auf das drucksichere Gehäuse verzichtet werden, da keine Explosion stattfindet, die die Batteriemodule schädigen könnte.
Nach einem besonderen Vorteil kann das Trennelement als ein Schneidwerkzeug ausgeführt sein. Insbesondere kann das Schneidwerkzeug über den Druckantrieb betätigt werden, das anschließend die elektrische Verbindung durchschneidet.
Das Gehäuse kann vorteilhafter Weise Durchführungen für die elektrische Verbindung aufweisen, an denen Dichtungen angebracht sind, um das Gehäuse luftdicht zu isolieren und die Ausbreitung der Druckwelle durch die Durchführungen zu verhindern. Als isolierendes Material der Dichtungen kann zum Beispiel ein Gummi verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird nur der Teil der elektrischen Verbindung, der im Gehäuse verläuft, der Wirkung des Trennmittels ausgesetzt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Teil der elektrischen Verbindung innerhalb des drucksicheren Gehäuses mit einem isolierenden Material ummantelt sein kann. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Fehlerfunktion in der Batterie und dem Sicherheitsmechanismus vermieden werden kann. Das isolierende Material schützt vor Entstehung eines Kurzschlussstromes, der zu einer Schädigung oder Zerstörung der Batterie führen kann, wodurch Sach- und Personenschäden verhindert werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Zündleitung vorgesehen sein, die das Trennmittel mit einer Steuereinheit verbindet. Die Steuereinheit wertet die Informationen von Unfallerkennungssensoren aus, die eine Unfallsituation zuverlässig erkennen. Hierbei wird der Trennmechanismus über elektrische Signale aktiviert, die mittels der Zündleitung übertragen werden. Erfindungsgemäß werden mehrere Unfallerkennungssensoren eingesetzt, um ein unbeabsichtigtes Auslösen des Trennmechanismus zu vermeiden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Unfallerkennungssensoren gleichzeitig und voneinander unabhängig einen Unfall melden, um eine tatsächliche Aktivierung des Trennmechanismus auszulösen.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung kann sich dann ergeben, wenn eine Sprengschnur als Trennmittel eingesetzt wird. Die Trennung der elektrischen Verbindung erfolgt durch eine gerichtete Explosion der Sprengschnur über der elektrischen Verbindung. Die Ladung der Sprengschnur kann insbesondere aus Hexogen, Octogen oder PEIN bestehen. Die Sprengschnur kann vorteilhafter Weise unkompliziert und ohne spezielle Werkzeuge über eine Klebeverbindung angebracht werden, wobei insbesondere die Sprengschnur flexibel ausgeführt ist. Somit stellt die Sprengschnur eine Schneidladung dar, die einen V-förmigen Metallkörper, den „Liner”, aufweisen kann, an welchem auf seiner ganzen Länge hochbrisanter Sprengstoff aufgebracht ist. Es können unterschiedliche Bauweisen realisiert sein: eine weist beispielsweise zwei Metallprofile auf, die beide als „Liner” bezeichnet werden, in deren Zwischenraum der Sprengstoff eingebracht ist. Das Trennelement kann hierbei als ein Liner und die Hülle als der zweite Liner der Schneidladung eingesetzt werden, zwischen denen der Sprengstoff des Antriebes eingesetzt wird. Erfindungsgemäß können das Trennelement und die Hülle aus Metall, insbesondere Kupfer, ausgeführt sein. Beide Elemente können V-förmig ausgeführt sein, deren Enden auf die elektrische Verbindung gerichtet sind, wodurch die Splitterentwicklung im rückwärtigen Bereich gering gehalten wird. Das erfindungsgemäße Trennmittel verbindet nach einem besonderen Vorteil der Erfindung die Wirkung der Explosionsenergie und die mechanische Schneidwirkung des Trennelementes. Je nach erwünschter Schneidleistung können Sprengschnüre von unterschiedlicher Größe verwendet werden.
Zudem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Unterbrechen einer Hochspannung innerhalb der Batterie eines Kraftfahrzeuges bei einem Unfall gelöst, wobei die Batterie mindestens zwei Batteriemodule, die durch mindestens eine elektrische Verbindung verbunden sind, und einen Sicherheitsmechanismus umfasst, der mindestens ein Trennmittel aufweist, wobei in einem Normalbetrieb der Batteriemodule ein Trennmittel außerhalb der elektrischen Verbindung angeordnet ist und bei einem Unfall betätigt wird, um die elektrische Verbindung zwischen den beiden Batteriemodulen zu trennen. Eine Aktivierung des Trennmittels führt zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen den beiden Batteriemodulen, wodurch eine Hochspannung innerhalb der Batterie unterbrochen wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens wird nicht nur die Sicherheit der Fahrzeuginsassen verbessert, sondern auch der Umgang mit der Batterie durch Rettungskräfte erleichtert, da keine Hochspannungsgefährdung von einem verunfallten Hybrid- oder Elektrofahrzeug mehr ausgehen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens weist der Sicherheitsmechanismus einen Antrieb auf, der insbesondere Sprengstoff aufweisen kann. Hierbei wird das Trennmittel durch die freigesetzte Energie bei einer Explosion des Sprengstoffes betätigt. Bevorzugt wird eine Sprengschnur als Trennmittel eingesetzt. Bei einer gerichteten Explosion wird ein Trennelement des Trennmittels auf die elektrische Verbindung beschleunigt. Ein drucksicheres Gehäuse kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, um die Batteriemodule vor Splitterentwicklung bei einer Explosion des Sprengstoffes zu schützen. Der Überdruck der Explosion wird über eine Berstscheibe aus der Batterie in Richtung Straße abgelassen, wobei die Berstscheibe vorteilhafter Weise an einer Öffnung im Gehäuse angeordnet ist, die an einer Gehäuseöffnung der Batterie angebracht sein kann.
Nach einem bevorzugten Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Sicherheitsmechanismus durch einen Druckantrieb angetrieben werden. Als Beispiel kann als Trennmittel zur Trennung der elektrischen Verbindung ein Schneidwerkzeug eingesetzt werden. Der Druckantrieb kann eine Druckkammer, insbesondere eine Gaspatrone aufweisen. Im Notfall wird das Schneidwerkzeug beim Auslösen der Gaspatrone durch eine Druckwelle beschleunigt, wobei das Schneidwerkzeug daraufhin die Kabelverbindung durchtrennt. Hierbei könnte das Gehäuse entfallen, da keine Explosion auftritt, die die Batteriemodule schädigen könnte.
Erfindungsgemäß kann die Auslösung des Trennmechanismus mit Hilfe von Unfallerkennungssensoren erfolgen. Die Unfallerkennungssensoren können in einem Kontakt mit einer Steuereinheit stehen, die die Informationen der Unfallerkennungssensoren auswertet und den Status des Fahrzeugs bestimmt. In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird eine Unfallsituation sicher erfasst, wenn mindestens zwei Unfallerkennungssensoren einen Unfall registrieren. Anschließend aktiviert die Steuereinheit den Sicherheitsmechanismus, indem sie ein oder mehrere elektrische Signale über eine Zündleitung an den Antrieb des Trennmittels schickt. Selbstverständlich kann alternativ vorgesehen sein, dass lediglich ein Sensor für die Unfallerkennung verwendet wird, der entsprechend mit der Steuereinheit oder direkt mit dem Sicherheitsmechanismus kommuniziert.
Erfindungsgemäß weist die Batterie eine Vielzahl von Batteriemodulen auf, wobei bei einem Unfall der Sicherheitsmechanismus sämtliche Batteriemodule voneinander trennt. In einem Normalbetrieb sind mehrere Batteriemodule mit geeigneter elektrischer Verbindung verschaltet und erzeugen damit das notwendige Spannungsniveau der Fahrzeugbatterie. Sollte sich ein Unfall mit einem Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug ereignen, so wird mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens, die bis zum Unfall bestehende Verbindung zwischen den einzelnen Batteriemodulen dauerhaft und sicher getrennt werden.
Erfindungsgemäß kann der Sicherheitsmechanismus die elektrischen Verbindungen derart trennen, dass die übrigbleibende Einzelspannung jedes Batteriemoduls unterhalb von 60 Volt liegt. Folglich übersteigt die Spannung der Batterie nach der Trennung der Batteriemodule ebenfalls nicht die Hochspannungsgrenze von 60 Volt, wodurch eine unmittelbare Lebensgefahr durch Berührung vermieden wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterie,
2 einen erfindungsgemäßen Sicherheitsmechanismus mit einer Steuereinheit und mehreren Unfallerkennungssensoren,
3 eine mögliche Ausführungsform des Sicherheitsmechanismus mit einem Trennmittel,
4 eine weitere Ausführungsform des Sicherheitsmechanismus,
5 den Sicherheitsmechanismus gemäß 4 in einer weiteren Ansicht;
6 eine weitere Ausführungsform des Sicherheitsmechanismus, und
7 eine mögliche Ausführungsform des Trennmittels des Sicherheitsmechanismus gemäß 6.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie 1 eines Kraftfahrzeuges, die mehrere Batteriemodule A, B aufweist, die durch elektrische Verbindungen AB verbunden sind. Zwischen den jeweils zwei Batteriemodulen A, B sind Trennmittel eines erfindungsgemäßen Sicherheitsmechanismus 10 angeordnet. Die Trennmittel zwischen den Batteriemodulen A, B befinden sich in einem Normalbetrieb der Batterie 1 außerhalb der elektrischen Verbindungen AB. Erst bei einem Unfall werden die Trennmittel derart aktiviert, dass ein physikalischer Kontakt zu den elektrischen Verbindungen AB hergestellt wird, um diese mechanisch zu trennen. Folglich weist die dargestellte Batterie 1 nach dem Aktivieren des Sicherheitsmechanismus 10 keine Hochspannung mehr auf, da die Batteriemodule A, B nicht mehr miteinander verbunden sind, wobei die Spannung innerhalb eines einzelnen Batteriemoduls A, B nicht die Hochvoltgrenze von 60 Volt überschreitet.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Sicherheitsmechanismus 10 zur Trennung der elektrischen Verbindungen AB zwischen den Batteriemodulen A, B der in 1 dargestellten Batterie 1. Der Sicherheitsmechanismus 10 ist mit einer Steuereinheit 30 über eine Zündleitung 14 verbunden, die mit mehreren Unfallerkennungssensoren 40 in Kontakt steht, um eine Unfallsituation sicher zu erkennen. Um eine ungewollte Auslösung des Sicherheitsmechanismus 10 zu verhindern, aktiviert die Steuereinheit 30 den Sicherheitsmechanismus 10 nur dann, wenn mindestens zwei Unfallerkennungssensoren 40 einen Unfall erfasst haben.
3 zeigt eine detaillierte Ansicht eines erfindungsgemäßen Trennmittels 11 in einer Ausführungsform, die eine Sprengschnur als Trennmittel 11 vorsieht. Die Sprengschnur ist außerhalb der elektrischen Verbindung AB angeordnet. Das Trennmittel 11 weist einen Antrieb 12 auf, der in der dargestellten Ausführungsform als ein Sprengstoff ausgeführt ist. Der Antrieb 12 dient zum Betätigen des Trennmittels 11 mit Hilfe der freigesetzten Energie bei einer Explosion des Sprengstoffes 12. Das Trennmittel 11 weist des Weiteren ein Trennelement 13 auf, das zwischen dem Antrieb 12 und der elektrischen Verbindung AB angeordnet ist. Das Trennmittel 13 wird bei einer Aktivierung des Antriebes 12 in Richtung der elektrischen Verbindung AB in Bewegung gesetzt, um diese mechanisch zu trennen. Das Trennmittel 13 weist eine V-förmige Geometrie auf, wobei die freigesetzte Energie bei einer Explosion des Sprengstoffes 12 auf die linienförmigen Enden 13a, 13b des Trennmittels 13 konzentriert wird. Der Antrieb 12 ist oberhalb durch eine Hülle 13' begrenzt, die ebenfalls V-förmig ausgebildet ist. Die Form der Hülle 13' dient unter Anderem zum Ausrichten der Explosionswirkung auf das Trennelement 13, das nach unten zur der elektrischen Verbindung AB beschleunigt wird. Das Trennmittel 11 wird mittels eines Klebestreifens 19 an der elektrischen Verbindung AB befestigt. Der Klebestreifen 19 schafft zudem einen Abstand zwischen dem Trennelement 13 und der Verbindung AB. Zusätzlich ist ein isolierendes Material 19' vorgesehen, um den Trennmechanismus 10 von einer Fehlerfunktion zu schützen, beispielsweise die Entwicklung von Funken zu verhindern, die auf den Antrieb 12 überspringen können. Ein drucksicheres Gehäuse 20 umschließt einen Teil der elektrischen Verbindung AB sowie das Trennmittel 11 und schützt die nicht dargestellten Batteriemodule A, B vor der Explosion. Der auftretende Überdruck bei einer Explosion der Sprengschnur wird über eine Berstscheibe 27 aus der Batterie 1 abgelassen, wobei die Berstscheibe 27 an einer Öffnung 25 des Gehäuses 20 angeordnet ist, die an eine Gehäuseöffnung der Batterie angrenzt, welche nachfolgend in 4 und 5 gezeigt ist. Eine elektrische Zündleitung 14 ist vorgesehen, um Informationen von der Steuereinheit 30 gemäß der 2 zu dem Antrieb 12 zu leiten.
Die 4 und 5 zeigen den erfindungsgemäßen Trennmechanismus 10 aus 3, wobei das Gehäuse 20 Durchführungen 21, 22 für die elektrische Verbindung AB aufweist, an denen Dichtungen 23, 24 vorgesehen sind, um das Gehäuse 20 luftdicht zu isolieren. Die Dichtungen 23, 24 sorgen dafür, dass bei der Ausbreitung der Druckwelle die Luft nicht aus dem Gehäuse 20 in die Batterie 1 entweichen kann. Bei einem Unfall wird ein Steuersignal an das Trennmittel 11 von der nicht gezeigten Steuereinheit 30 über die Zündleitung 14 geleitet. Die Zündleitung 14 teilt sich hierbei auf in eine Leitung 15, die außerhalb des Gehäuses 20 liegt, und eine Zuleitung 16, die innerhalb des Gehäuses 20 liegt. Zudem ist ein Übergangsstecker 17 vorgesehen, der die beiden Leitungen 15, 16 verbindet. Die Zuleitung 16 führt zu einem Zünder 18, der den Antrieb 12 aktiviert. An dem Übergangsstecker 17 können ebenfalls Dichtungen vorgesehen sein, um die Abdichtung des Gehäuses 20 sicherzustellen. In der 5 ist gezeigt, dass das Trennmittel 11 ein V-förmiges Trennelement 13 aufweist, das unter dem Antrieb 12 angeordnet ist, der einen Sprengstoff aufweist. Der Antrieb ist oberhalb durch eine Hülle 13' begrenzt. Das Trennelement 13, der Antrieb 12 und die Hülle 13' bilden ein gemeinsames Bauteil in Form einer Sprengschnur.
Die 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherheitsmechanismus, die einen reinen Druckantrieb 12 zum Antreiben eines Trennmittels 11 vorsieht. Hierbei wird das Trennmittel 11 durch eine Druckwelle bei einer Aktivierung des Druckantriebes 12 in Bewegung gesetzt, um die elektrische Verbindung AB mechanisch zu trennen. Der Druckantrieb 12 weist eine Druckkammer 12 auf. Hier kann auf ein drucksicheres Gehäuse 20, das in den 4 und 5 zur Anwendung kommt, verzichtet werden, da keine Explosion stattfindet. Hierbei wird lediglich das Trennmittel 11 in einem luftdichten Gehäuse 20 angebracht, in dem ein mechanisches Trennelement 13 des Trennmittels 11 sich befindet. Zusammen bilden das Trennelement 13 und der Antrieb 12 ein gemeinsames Bauelement, nämlich das Trennmittel 11. Bei einem Unfall wird – wie bereits in den 1 bis 5 beschrieben – über entsprechende Unfallsensoren der Sicherheitsmechanismus 10 aktiviert, wobei die Druckkammer 12 zumindest bereichsweise geöffnet wird und der in der Druckkammer 12 entstehende Überdruck in Richtung des Trennelements 13 geleitet wird. Somit erfolgt ein entsprechender Antrieb sowie eine Bewegung und/oder Beschleunigung des Trennelements 13 in Richtung der elektrischen Verbindung AB, die dadurch getrennt wird. Die Druckkammer 12 kann als Gaspatrone ausgeführt sein, die oberhalb des Trennelements 13 angeordnet ist. Das Trennelement 13 ist hierbei als ein Schneidwerkzeug ausgeführt. Auch hier umfasst das Gehäuse 20 einen Teil der elektrischen Verbindung AB, wobei an den Durchführungen 21, 22 zum Durchlassen der elektrischen Verbindung AB in das Gehäuse 20 ebenfalls Dichtungen 23, 24 angebracht sind, um das Gehäuse 20 luftdicht abzuschließen. In dem Ausführungsbeispiel aus den 6 und 7 wird auch eine elektrische Zündleitung 14 benutzt, um die Steuersignale von einer Steuereinheit 30 aus 2 zu leiten, die mit Unfallerkennungssensoren 40 verbunden ist und/oder kommuniziert. Die Zündleitung 14 führt zu der Gaspatrone 12 und kann die Gaspatrone 12 mittels elektrischer Signale bei einem Unfall aktivieren.
Durch die erfindungsgemäße Batterie 1 gemäß der 1 bis 7 und das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass eine Gefährdung durch Hochspannung im Crashfall vermieden wird. Bei bekannten Batterien kann im Falle eines Unfalls das Batteriegehäuse zerstört werden, so dass verunfallte Fahrzeuginsassen und auch Retter gefährdet werden können, wenn sie einer hohen Batteriespannung ausgesetzt sind. Außerdem kann durch Beschädigung der Batterie 1 ein Kurzschluss zum Fahrzeugchassis entstehen. Die erfindungsgemäße Batterie 1 dient dazu, dass diese Fälle verhindert werden. Hierzu ist vorgeschlagen, dass bei einem Unfall die Verbindungen AB im Inneren der Batterie 1 zwischen den Batteriemodulen A, B soweit aufgetrennt werden, dass innerhalb der Batterie 1 keine hohen Spannungen über 60 Volt mehr anliegen können. Erfindungsgemäß werden die Verbindungen AB gewaltsam getrennt, zum Beispiel durch eine Sprengung. Ähnlich wie die Zündung von Airbags soll im Crashfall mittels der Crashsensoren 40 ein Unfall festgestellt und die Sprengungsmaßnahmen dann in Sekundenbruchteilen ausgeführt werden. Die Sprengung ist so angesetzt, dass eine entsprechende Sprengvorrichtung 11 die entscheidenden Verbindungen AB durchtrennt. Die übrigbleibenden Einzelspannungen der Batteriemodule A, B die ausschließlich unter 60 Volt liegen, welche sowohl für die Insassen als auch für die Retter ungefährlich sind. Die Batteriemodule A, B im Crashfall bleiben im Wesentlichen unversehrt, wobei lediglich der Sicherheitsmechanismus 10 und die elektrische Verbindung AB zwischen den Batteriemodulen A, B ausgetauscht bzw. erneuert werden müssen. Ein weiterer bedeutender Vorteil der vorliegenden Batterie 1 ist, dass kein zusätzlicher Widerstand in die elektrische Verbindung AB eingebracht wird, wodurch die Leistung der Batterie 1 nicht vermindert wird.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
10: Sicherheitsmechanismus
11: Trennmittel
12: Antrieb
13: Trennelement
13': Hülle
14: Zündleitung
15: Äußere Leitung der Zündleitung
16: Zuleitung der Zündleitung innerhalb der Vorrichtung
17: Übergangsstecker
18: Zünder
19: Klebestreifen
19': Isolierendes Material
20: Gehäuse
21, 22: Durchführungen
23, 24: Dichtungen
25: Öffnung des Gehäuses
27: Berstscheibe
30: Steuereinheit
40: Unfallerkennungssensoren
A: Batteriemodul
B: Batteriemodul
AB: elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen A und B

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19749133 C2 [0002]

Claims

Batterie (1) eines Kraftfahrzeuges, mit mindestens zwei Batteriemodulen (A, B), die durch mindestens eine elektrische Verbindung (AB) verbunden sind, und einem Sicherheitsmechanismus (10), der mindestens ein Trennmittel (11) aufweist, das in einem Normalbetrieb der Batteriemodule (A, B) außerhalb der elektrischen Verbindung (AB) angeordnet ist und bei einem Unfall die elektrische Verbindung (AB) zwischen den beiden Batteriemodulen (A, B) trennt, wodurch eine Hochspannung innerhalb der Batterie (1) verhindert wird.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsmechanismus (10) einen Antrieb (12) aufweist, der das Trennmittel (11) bei einem Unfall betätigt.
Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (12) Sprengstoff, insbesondere Hexogen, aufweist, wobei das Trennmittel (11) durch freigesetzte Energie bei einer Explosion des Sprengstoffs betätigt wird.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel (11) ein Trennelement (13) aufweist, das durch den Antrieb (12) auf die elektrische Verbindung (AB) beschleunigt wird und beim Aufprall die elektrische Verbindung (AB) trennt.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel (11) eine Hülle (13'), insbesondere aus Metall, aufweist, die den Antrieb (12) zumindest teilweise umfasst.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel (11) über eine Klebeverbindung an der elektrischen Verbindung (AB) befestigt ist, insbesondere dass die Klebeverbindung ein Klebestreifen ist.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (13) V-förmig im Querschnitt ist, insbesondere dass das Trennelement (13) sich in seine Längsrichtung linienförmig erstreckt und/oder dass das Trennelement (13) flexibel ist.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (12) ein Druckantrieb ist, wobei das Trennmittel (11) bei einer Aktivierung des Druckantriebes betätigt wird.
Batterie (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckantrieb eine Druckkammer (12) aufweist, insbesondere dass die Druckkammer (12) eine Gaspatrone ist.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (13) ein Schneidwerkzeug ist, wobei bei einer Aktivierung des Antriebes (12) die freigesetzte Energie auf das Trennelement (13) übertragen wird, das in Bewegung gesetzt wird, um die elektrische Verbindung (AB) sicher zu trennen.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsmechanismus (10) ein drucksicheres Gehäuse (20) aufweist, das zumindest teilweise die elektrische Verbindung (AB) zwischen den Batteriemodulen (A, B) umfasst.
Batterie (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) Durchführungen (21, 22) für die elektrische Verbindung (AB) aufweist, an denen Dichtungen (23, 24) angebracht sind, um das Gehäuse (20) luftdicht zu isolieren.
Batterie (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der elektrischen Verbindung (AB), der innerhalb des drucksicheren Gehäuses (20) verläuft, mit einem isolierenden Material (19) ummantelt ist.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündleitung (14) das Trennmittel (11) mit einer Steuereinheit (30) verbindet, die Informationen von Unfallerkennungssensoren (40) auswertet und das Trennmittel (11) betätigt, wenn ein Unfall durch die Unfallerkennungssensoren (40) erfasst wird.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) eine Berstscheibe (27) aufweist, um den bei einer Aktivierung des Antriebes (12) auftretenden Überdruck insbesondere in Richtung Fahrzeugboden und Straße abzuleiten.
Batterie (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel (11) eine Sprengschnur ist, die insbesondere eine Seele aus PEIN, Hexogen oder Octogen aufweist.
Verfahren zum Unterbrechen einer Hochspannung innerhalb einer Batterie (1) eines Kraftfahrzeuges bei einem Unfall, wobei die Batterie (1) mindestens zwei Batteriemodule (A, B), die durch mindestens eine elektrische Verbindung (AB) verbunden sind, und einen Sicherheitsmechanismus (10) umfasst, der mindestens ein Trennmittel (11) aufweist, wobei in einem Normalbetrieb der Batteriemodule (A, B) ein Trennmittel (11) außerhalb der elektrischen Verbindung (AB) angeordnet ist und bei einem Unfall betätigt wird, um die elektrische Verbindung (AB) zwischen den beiden Batteriemodulen (A, B) zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsmechanismus (10) einen Antrieb (12) aufweist, insbesondere dass der Antrieb (12) Sprengstoff umfasst, wobei das Trennmittel (11) durch freigesetzte Energie bei einer Explosion des Sprengstoffs betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsmechanismus (10) einen Druckantrieb (12) aufweist, wobei das Trennmittel (11) bei einer Aktivierung des Druckantriebes (12) betätigt wird, um die elektrische Verbindung (AB) mechanisch zu trennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsmechanismus (10) von einer Steuereinheit (30) geschaltet wird, die Informationen von Unfallerkennungssensoren (40) auswertet, wenn ein Unfall durch die Unfallerkennungssensoren (40) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) eine Vielzahl an Batteriemodulen (A, B) aufweist, wobei bei einem Unfall der Sicherheitsmechanismus (10) sämtliche Batteriemodule (A, B) von einander trennt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsmechanismus (10) derart die elektrischen Verbindungen (AB) trennt, dass die übrig bleibende Einzelspannung jedes Batteriemoduls (A, B) unterhalb von 60 V liegt.