DE102010045904A1

DE102010045904A1 - Energiespeichereinrichtung mit Kurzschlusssicherungsschaltung

Info

Publication number: DE102010045904A1
Application number: DE102010045904A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Maier (Fh)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Spannungsführende Teile im Bordnetz von Kraftfahrzeugen und insbesondere von Hybrid- und Elektrofahrzeugen sollen zuverlässiger freigeschaltet werden können. Dazu wird eine Energiespeichereinrichtung zum Versorgen eines Antriebs eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Pol (8) einem zweiten Pol (9), einer Sicherung (3), die an den ersten Pol (8) angeschlossen ist, und einem Schalter (5), der zwischen den zweiten Pol (9) und die Sicherung (3) geschaltet ist, vorgesehen. Mittels des Schalters (5) ist der erste Pol (8) mit dem zweiten Pol (9) allein über die Sicherung (3) kurzschließbar. Damit kann die Sicherung mit hohen Strömen schnell und gezielt ausgelöst werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung zum Versorgen eines Antriebs eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Pol, einem zweiten Pol, einer Sicherung, die an den ersten Pol angeschlossen ist, und einem Schalter, der zwischen dem zweiten Pol und die Sicherung geschaltet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Trennen einer Energiespeichereinrichtung von einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.
Kraftfahrzeuge besitzen in der Regel eine Batterie als Energiespeicher. Diese Batterie versorgt elektrische Komponenten des Fahrzeugs. Im Falle von Hybrid- und Elektrofahrzeugen dient die Batterie auch zum Antrieb des Fahrzeugs. Falls das Fahrzeug in einen Unfall verwickelt wird, sollte das Bordnetz des Fahrzeugs von der Batterie getrennt werden. Insbesondere bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, die mit Hochvoltbatterien betrieben werden, sollten spannungsführende Teile im Bordnetz zuverlässig freigeschaltet werden können.
Traktionsbatterien für Fahrzeuge (insbesondere Lithium-Ionen-Batterien) sind in der Regel mit Schaltschützen ausgestattet, die die spannungsführenden Stromschienen der Batterie im Fehlerfall allpolig abschalten können (im Folgenden „Hauptschütze” genannt). Zusätzlich sind solche Batterien mit einer Sicherung ausgestattet, die den Strompfad bei Überschreiten einer bestimmten Stromstärke unterbricht.
Hauptschütze müssen so dimensioniert sein, dass im Fehlerfall Ströme, die die Sicherung nicht innerhalb kurzer Zeit auslösen, sicher abgeschaltet werden können. Gleichzeitig muss die Sicherung ausreichend groß dimensioniert sein, um im Regelbetrieb nicht auszulösen. Da also die Sicherungsauslegung vom Lastprofil abhängt, müssen die Hauptschütze so dimensioniert sein, dass bis zu einer bestimmten Stromhöhe zuverlässig abgeschaltet werden kann. Typische Stromhöhen liegen um den Faktor 2–3 über dem Nennstrom der Sicherung. Die Hauptschütze müssen also relativ groß dimensioniert sein, was hohe Kosten verursacht und sich in Gewicht und Volumen der Batterie niederschlägt.
Aus der Druckschrift DE 11 2004 002 301 T5 ist eine elektrische Schutzeinrichtung für das Innere einer Fahrzeugbatterie bekannt. Die Einrichtung umfasst einen ersten Kontakt, der mit einem ersten Ende einer Fahrzeugbatterie und einer ersten Lastleitung elektrisch verbunden ist, sowie einen zweiten Kontakt, der mit einem zweiten Ende der Fahrzeugbatterie und einer zweiten Lastleitung elektrisch verbunden ist. Der zweite Kontakt weist eine verschiedene elektrische Polarität gegenüber dem ersten Kontakt auf. Ein dritter Kontakt ist mit einer dritten Lastleitung elektrisch verbunden. Ein Sicherungselement ist an den ersten Kontakt und den dritten Kontakt angeschlossen, wobei das Sicherungselement einen Überspannungsschutz für die dritte Lastleitung, allerdings nicht für die erste Lastleitung bereitstellt. Eine Schaltvorrichtung ist mit dem zweiten Kontakt und dem dritten Kontakt elektrisch verbunden. Falls die Schaltvorrichtung geschlossen ist, öffnet das Sicherungselement eine Verbindung zwischen dem ersten Kontakt und dem dritten Kontakt.
Darüber hinaus beschreibt die Druckschrift US 2002/0070707 A1 einen Batteriepack mit mehreren Zellen. Eine Sicherung unterbricht die Stromleitung, wenn eine der Zellen defekt wird. Die Sicherung zusammen mit einem Heizelement bilden einen Zellschaltungsunterbrecher, in dem die Sicherung in Serie mit der Zelle, ein Widerstand an einen Mittelpunkt der Sicherung und ein Schalter an den Widerstand zur Steuerung des Stroms durch den Widerstand angeschlossen ist. Wenn der Schalter durch einen Strompfadunterbrechungsbefehl von einer Detektionsschaltung, die festgestellt hat, dass eine Zelle defekt ist, geschlossen wird, heizt der Widerstand die Sicherung auf. Die Sicherung schmilzt schließlich durch, und die defekte Zelle wird von den anderen Zellen getrennt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, spannungsführende Teile in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zuverlässig freischalten zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird demnach bereitgestellt eine Energiespeichereinrichtung zum Versorgen eines Antriebs eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Pol, einem zweiten Pol, einer Sicherung, die an den ersten Pol angeschlossen ist, und einem Schalter, der zwischen den zweiten Pol und die Sicherung geschaltet ist, wobei mittels des Schalters der erste Pol mit dem zweiten Pol allein über die Sicherung kurzschließbar ist.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Trennen einer Energiespeichereinrichtung von einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei die Energiespeichereinrichtung einen ersten Pol, einen zweiten Pol, eine Sicherung, die an den ersten Pol angeschlossen ist, und einen Schalter, der zwischen den zweiten Pol und die Sicherung geschaltet ist, besitzt, und wobei mittels des Schalters der erste Pol mit dem zweiten Pol allein über die Sicherung kurzgeschlossen wird, so dass die Sicherung die Energiespeichereinrichtung von dem Bordnetz trennt.
In vorteilhafter Weise ist es durch den Schalter möglich, die Sicherung gezielt auszulösen, sodass ein Strompfad, über den die Energiespeichereinrichtung den Strom liefert, unterbrochen ist.
Vorzugsweise besitzt die Energiespeichereinrichtung ein Gehäuse, an dem eine erste Übergabestelle (zum Anschluss an ein Bordnetz), welche über einen ersten Schütz mit dem ersten Pol verbunden ist, und eine zweite Übergabestelle, welche über einen zweiten Schütz mit dem zweiten Pol verbunden ist, angeordnet ist. Insbesondere kann die Energiespeichereinrichtung so ausgebildet sein, dass die beiden Übergabestellen kurzgeschlossen sind, wenn die beiden Schütze und der Schalter geschlossen sind. Dabei kann der Schalter in einer Ausführungsvariante unmittelbar zwischen die Übergabestellen geschaltet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trennen der Energiespeichereinrichtung von dem Bordnetz eines Fahrzeugs kann dadurch weitergebildet sein, dass die Energiespeichereinrichtung ein Gehäuse aufweist, an dem eine erste Übergabestelle, welche über einen ersten Schütz mit dem ersten Pol verbunden ist und eine zweite Übergabestelle, welche über einen zweiten Schütz mit dem zweiten Pol verbunden ist, angeordnet ist, und die beiden Schütze gleichzeitig mit dem Schalter insbesondere bei einem Unfall oder davor automatisch geschlossen werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Energiespeichereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit geöffnetem Schalter und geöffneten Hauptschützen; und
2 das Schaltbild von 1 mit geschlossenen Schützen und geschlossenem Schalter.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, in die Batterie einen zusätzlichen Schalter einzubauen, der im geschlossenen Zustand den positiven mit dem negativen Pol verbindet. Dieser Schalter kann die Sicherung der Batterie durch Kurzschließen der beiden Pole zum Auslösen bringen.
In 1 ist der Aufbau eines Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Taktionsbatterie als Energiespeichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt. Die Batterie besitzt ein Gehäuse 1. In dem Gehäuse befinden sich in dem vorliegenden Beispiel mehrere Zellen 2, die in Serie geschaltet sind. Die Batterie kann aber auch nur eine einzige Zelle oder anders verschaltete Zellen aufweisen. Die Zellen 2 besitzen einen Pluspol 8 und einen Minuspol 9. An den Pluspol 8 ist eine Sicherung 3 angeschlossen, die den Strompfad über den Pluspol 8 unterbricht, wenn eine bestimmte Stromstärke überschritten wird. An das andere Ende der Sicherung 3 sowie an den Minuspol 9 ist jeweils ein Hauptschütz 4 angeschlossen. Zwischen dem Ende der Sicherung, das an dem zugehörigen Hauptschütz 4 angeschlossen ist und dem Minuspol 9 befindet sich ein Schalter 5.
Die Schütze 4 stellen die Verbindung zu Übergabestellen 6 her. Die Übergabestellen 6 stellen die Schnittstelle zwischen der Batterie und einem Bordnetz 10 dar. Insbesondere wird das Bordnetz hier durch einen Leitungssatz symbolisiert, von dem jeweils eine Leitung an jede der Übergabestellen 6 angeschlossen ist. In dem Leitungssatz oder in dem Bordnetz 10 kann sich ein Kondensator 7 befinden, der im Regelbetrieb durch die Batterie geladen wird.
Mit dem Schalter 5 können die Zellen 2 über die Sicherung 3 kurzgeschlossen werden. Der Schalter 5 kann aus der Blickrichtung der Zellen 2 vor oder hinter den Schützen 4 angeordnet sein. Im Beispiel von 1 ist er vor den Hauptschützen 4 eingebaut. Ein Einbau nach den Hauptschützen 4 bedeutet, dass die Übergabestellen 6 unmittelbar durch den Schalter kurzgeschlossen werden können.
In 1 sind die Hauptschütze 4 und der Schalter 5 geöffnet. Das Bordnetz 10 wird nicht mit Energie versorgt. Für den Regelbetrieb werden die Hauptschütze 4 geschlossen, so dass Strom in das Bordnetz 10 fließen kann. Der Schalter 5 bleibt im Regelbetrieb geöffnet.
In 2 ist ein so genannter Abschaltfall dargestellt. Beispielsweise erkennt eine Fahrzeugsensorik eine Situation, die das Freischalten des Fahrzeugleitungssatzes erfordert. Mit der in den Figuren dargestellten Energiespeichereinrichtung kann in einem mehrstufigen Prozess auf die Situation reagiert werden. Kann der Strom unter den durch die Hauptschütze 4 schaltbaren Wert gedrosselt werden, so können diese geöffnet werden. Gelingt dies nicht oder sind die Hauptschütze bereits verklebt, so wird der Kurzschlussschalter 5 geschlossen. Der niedrige Widerstand des Kurzschlussschalters 5 erhöht dabei den internen Kurzschlussstrom I_i so stark, dass das Sicherungselement 3 auslöst. Gleichzeitig sinkt die Klemmenspannung an den Übergabestellen 6 stark ab, wodurch der Leitungssatz bzw. das Bordnetz 10 des Fahrzeugs über den externen Kurzschlussstrom I_e entladen wird.
Durch die Möglichkeit, die Sicherung mit hohen Strömen schnell und gezielt auszulösen und damit den Stromkreis zu unterbrechen, können die Hauptschütze 4 vergleichsweise klein dimensioniert werden. Dadurch können Bauraum, Gewicht und Kosten gespart werden.
Da die Batterie vom Erkennen des Fehlers an intern kurzgeschlossen wird, sinkt die äußere Klemmenspannung unmittelbar auf nahezu 0 V. Dies ist auch der Fall, wenn die Hauptschütze 4 aufgrund zu hoher Strombelastung verkleben und sich nicht mehr öffnen lassen.
Außerhalb der Batterie befindliche Kapazitäten können durch den geschlossenen Schalter 5 zuverlässig und schnell entladen werden. Dadurch wird die elektrische Sicherheit insbesondere nach Unfällen mit Hybrid- und Elektrofahrzeugen erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Zellen
3: Sicherung
4: Hauptschütz
5: Schalter
6: Übergabestellen
7: Kondensator
8: Pluspol
9: Minuspol
10: Bordnetz
Ii: interner Kurzschlussstrom
Ie: externer Kurzschlussstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112004002301 T5 [0005]
US 2002/0070707 A1 [0006]

Claims

Energiespeichereinrichtung zum Versorgen eines Antriebs eines Kraftfahrzeugs mit – einem ersten Pol (8), – einem zweiten Pol (9), – einer Sicherung (3), die an den ersten Pol (8) angeschlossen ist, und – einem Schalter (5), der zwischen den zweiten Pol (9) und die Sicherung (3) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – mittels des Schalters (5) der erste Pol (8) mit dem zweiten Pol (9) allein über die Sicherung (3) kurzschließbar ist.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse (1) aufweist, an dem eine erste Übergabestelle (6), welche über einen ersten Schütz (4) mit dem ersten Pol (8) verbunden ist, und eine zweite Übergabestelle (6), welche über einen zweiten Schütz (4) mit dem zweiten Pol (9) verbunden ist, angeordnet ist.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Übergabestellen (6) kurzgeschlossen sind, wenn die beiden Schütze (4) und der Schalter (5) geschlossen sind.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (5) unmittelbar zwischen die Übergabestellen (6) geschaltet ist.
Verfahren zum Trennen einer Energiespeichereinrichtung von einem Bordnetz (10) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Energiespeichereinrichtung einen ersten Pol (8), einen zweiten Pol (9), eine Sicherung (3), die an den ersten Pol (8) angeschlossen ist, und einen Schalter (5), der zwischen den zweiten Pol (9) und die Sicherung (3) geschaltet ist, besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Schalters (5) der erste Pol (8) mit dem zweiten Pol (9) allein über die Sicherung (3) kurzgeschlossen wird, so dass die Sicherung (3) die Energiespeichereinrichtung von dem Bordnetz (10) trennt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung ein Gehäuse (1) aufweist, an dem eine erste Übergabestelle (6), welche über einen ersten Schütz (4) mit dem ersten Pol (8) verbunden ist, eine zweite Übergabestelle (6), welche über einen zweiten Schütz (4) mit dem zweiten Pol (9) verbunden ist, angeordnet ist, und die beiden Schütze (4) gleichzeitig mit dem Schalter (5) insbesondere bei einem Unfall oder davor automatisch geschlossen werden.