DE102011081906A1

DE102011081906A1 - Elektrochemisches Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102011081906A1
Application number: DE102011081906A
Authority: DE
Inventors: Steffen Bode
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-02-28

Abstract

Elektrochemisches Energiespeichersystem für ein Fahrzeug, wobei das elektrochemische Energiespeichersystem über einen elektrochemischen Energiespeicher mit zumindest zwei elektrischen Polen verfügt und das elektrochemische Energiespeichersystem über eine Sicherungsvorrichtung gegen eine Überlast des Energiespeichers verfügt, um einen Stromfluss durch den Energiespeicher zu unterbinden, und der elektrochemische Energiespeicher nach einer Überlast zumindest entladbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Energiespeichersystem für ein Fahrzeug, wobei das Energiespeichersystem über einen elektrochemischen Energiespeicher mit zumindest zwei elektrischen Polen verfügt und das Energiespeichersystem über eine Sicherungsvorrichtung gegen eine Überlast des Energiespeichers verfügt, um bei Überlast einen Stromfluss durch den Energiespeicher zu unterbinden.
Moderne Energiespeichersysteme etwa für Fahrzeuge mit einem elektrifizierten Antriebsstrang verfügen über eine hohe Energiedichte und eine hohe Leitungsdichte. Meist kommen dabei sekundäre Energiespeichersysteme in u.a. Lithium-Ionen-Technologie zum Einsatz. Ein Energiespeicher in Lithium-Ionen-Technologie verfügt nach dem Stand der Technik über zahlreiche Sicherheitseinrichtungen, um sicherzustellen, dass von dem Speicher unabhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs (also z.B. auch in einer Crashsituation) keine Gefahr ausgeht. Auch für den Transport von elektrochemischen Energiespeichern in Lithium-Ionen-Technologie sind sicherheitsrelevante Anforderungen spezifiziert, siehe etwa „UN Manual of Tests and Criteria, Lithium Battery Testing, Requirements, 38.3“.
Aus der Schrift JP 11067190 A2 ist beispielsweise eine thermische Sicherung bekannt, die geeignet ist, einen übermäßigen Stromfluss zwischen dem negativen Pol und dem positiven Pol einer Lithium-Ionen-Batterie zu unterbrechen.
In der Schrift US 2005/0275370 A1 ist beispielsweise eine Steuereinheit mit einer Sicherheitsschaltung in Form einer Leiterplatte für eine Lithium-Ionen-Batterie beschrieben, die den Stromfluss im Energiespeicher insbesondere bei einer von außen angelegten Überspannung unterbricht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes elektrochemisches Energiespeichersystem anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein elektrochemisches Energiespeichersystem gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß verfügt der elektrochemische Energiespeicher über ein Entladesicherungsmittel, durch welches der Energiespeicher nach einer Überlast zumindest entladbar ist.
Bei einer Sicherungsvorrichtung, die beispielsweise durch eine Schmelzsicherung ausgeführt ist und bei Überlast den Strompfad innerhalb des Energiespeichers zwischen den Polen unterbricht, bleibt der Ladezustand des Energiespeichers nach dem Betätigen der Sicherung erhalten. Der Speicher kann also zeitlich nach diesem Ereignis weder geladen noch entladen werden. Das Entladesicherungsmittel bietet den Vorteil, dass nach einem Überlastereignis der Ladezustand des Energiespeichers zumindest reduzierbar ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt die Sicherungsvorrichtung über einen reversiblen Funktionsmechanismus.
Dies kann beispielsweise durch einen wiederverwendbaren Schutzschalter mit einem nicht selbsttätig rückstellenden Sicherungselement gewährleistet sein. Dabei kann beispielsweise ein thermisch auslösendes Bimetallelement zum Einsatz kommen. Auch ein magnetischer Auslösemechanismus kann Verwendung finden. Falls die Sicherungsvorrichtung bei einer Überlast den Strompfad innerhalb des Energiespeichers zwischen den Polen unterbrochen ist, kann das Sicherungselement beispielsweise mit einem Sicherungshebel ähnlich einem Sicherungshebel eines im Stand der Technik bekannten Leistungsschutzschalters zurückgestellt werden. Falls das Energiespeichersystem über eine digitale Überwachungs- und Regelungseinheit, etwa einem Steuergerät, und über zumindest ein steuerbares Schütz verfügt und das Steuergerät bei einer Überlast das zumindest eine Schütz öffnet, ist das Schütz nach dem Auftreten der Überlast durch das Steuergerät schließbar. Dies kann durch eine Steuergerätsoftware gesteuert zum Beispiel zeitverzögert erfolgen.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung verfügt die Sicherungsvorrichtung über eine Zusatzsicherung, durch die nach einer Überlast ein von der Sicherungsvorrichtung unterbrochener Strompfad verbindbar ist. Dabei ist die Zusatzsicherung auf einen Stromfluss geringerer Stromstärke in dem Strompfad ausgelegt als die Sicherungsvorrichtung.
Dies bietet den Vorteil, dass der Energiespeicher nach einem Überlastereignis nur beschränkt funktionsfähig, jedoch entladbar ist. Dies kann zum Beispiel durch einen Schutzschalter mit einem Schalthebel und einem ersten Bimetallstreifen erreicht werden, der bei Überlast auslöst und den Strompfad unterbricht. Beim Betätigen des Schalthebels wird durch den Schaltmechanismus ein zweiter Bimetallstreifen betätigt, der in dem Schutzschalter eine leitende Verbindung zwischen den Enden des unterbrochenen Strompfads herstellt und der eine niedrigere Auslösegrenze als der erste Bimetallstreifen aufweist.
Alternativ verfügt der elektrochemische Energiespeicher über Zusatzpole, welche bei einer Überlast oder nach einer Überlast mit spannungstragenden Komponenten des Energiespeichers elektrisch verbindbar sind und welche vor einer Überlast spannungsfrei sind.
Der Energiespeicher verfügt also neben dem Pluspol und dem Minuspol über zwei weitere Zusatzpole, d.h. einem weiteren Polpaar. Über die Zusatzpole ist der Energiespeicher nach einem Überlastereignis entladbar. Die Pole sind zeitlich vor dem Überlastereignis spannungsfrei.
Vorzugsweise ist der elektrochemische Energiespeicher als ein Modul einer Lithium-Ionen-Batterie ist oder als eine Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Gängige Lithium-Ionen-Zellen verfügen über genau einen Pluspol und genau einen Minuspol, um elektrische Energie aufzunehmen und abzugeben. Aufgrund regulativer Vorschriften und Normen wie beispielsweise der „UN Manual of Tests and Criteria, Lithium Battery Testing, Requirements, 38.3“ müssen Lithium-Ionen-Zellen definierte Überlastfälle dahingehend bestehen, dass vorgegebene Akzeptanzkriterien erfüllt werden.
Dazu kommen teilweise zell- und/oder herstellerspezifische Schutzmechanismen zum Einsatz. Nach Auslösen führen diese Schutzmechanismen teilweise dazu, dass der Energiefluss durch die Zelle zwischen den beiden Polen unterbrochen oder eingeschränkt wird. Dies hat den Nachteil, dass damit eine weitere Funktion der Zelle (beispielsweise ein Entladen) nicht oder nur reduziert gegeben ist. Damit können die Zellen nicht in einen sicheren Zustand überführt werden.
Als Verbesserung kann eine technische Maßnahme hinzugefügt werden, die nach Auslösen der Schutzmechanismen das Entladen der Zelle auf ein definiertes Niveau weiterhin ermöglicht. Hierfür können beispielsweise zusätzliche Pole angebracht werden, die nur im Fall des Auslösens der Schutzmechanismen verwendet werden. Diese technische Maßnahme ist so ausgelegt, dass sie im normalen Betrieb keine Verwendung findet.
Mit diesen Maßnahmen ist es möglich, Lithium-Ionen-Zellen mit einer Überbelastung und ausgelösten Sicherheitsmechanismen in einen definierten, entladenen Zustand zu überführen.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung.
Eine elektrochemische Energiespeicherzelle in Lithium-Ionen-Technologie verfügt über einen Minuspol, der mit dem negativen Potential der Zelle verbunden ist, über einen Pluspol, der mit dem positiven Potential der Zelle verbunden ist, und über interne Schmelzsicherung. Dies bedeutet, dass bei einem Stromfluss, der die Auslösegrenze überschreitet, die Schmelzsicherung irreversibel auslöst. Dies kann etwa dann der Fall sein, wenn die Zelle bei bestimmten Betriebszuständen über einen äußeren Stromkreis kurzgeschlossen wird. Der Stromkreis wird von der Schmelzsicherung, die innerhalb des Zellgehäuses der Zelle befindlich ist, unterbrochen. Die Zelle ist somit elektrisch nicht mehr von außen zugänglich. Auch der unterbrochene Strompfad ist innerhalb des Zellgehäuses befindlich. Dieser Strompfad kann ein Polstift von einem der beiden Pole sein. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird der Polstift des Pluspols (Pluspolstift) beim Durchbrennen der Schmelzsicherung in einen ersten Pluspolstiftabschnitt und in einen zweiten Pluspolstiftabschnitt getrennt. Der zweite Pluspolstiftabschnitt ist mit dem von außen zugänglichen Pluspol der Zelle verbunden, der erste Pluspolstiftabschnitt ist vollständig innerhalb des Zellgehäuses befindlich und stets mit dem positiven Potential elektrischen verbunden.
Die Zelle verfügt weiterhin über einen ersten Zusatzpol (Zusatzpluspol) und über einen zweiten Zusatzpol (Zusatzminuspol), die im Normalbetrieb, d.h. bei nicht ausgelöster Schmelzsicherung, stets spannungsfrei und stromlos sind. Die beiden Zusatzpole können im Vergleich zum Pluspol und zum Minuspol außerdem einen deutlich höheren elektrischen Widerstand aufweisen.
Bei ausgelöster Schmelzsicherung wird innerhalb des Zellgehäuses ein Zusatzpolstift des ersten Zusatzpols mit dem positiven Potential oder mit dem ersten Pluspolstiftabschnitt verbunden und ein Zusatzpolstift des zweiten Zusatzpols wird mit dem negativen Potential oder dem Minuspolstift verbunden.
Zur Verbindungsherstellung ist beispielsweise eine einfache elektrische Schaltung nutzbar, die auf einem ersten Spannungsabgriff mit einem ersten hochohmigen Widerstand zwischen dem ersten Pluspolstiftabschnitt und dem Minuspolstift und einem zweiten Spannungsabgriff mit einem zweiten hochohmigen Widerstand zwischen dem zweiten Pluspolstiftabschnitt und dem Minuspolstift beruht. Bei nicht durchgebrannter Schmelzsicherung sind die am ersten Spannungsabgriff anliegende Spannung und die am zweiten Spannungsabgriff anliegende Spannung gleich. Bei durchgebrannter Schmelzsicherung sind die am ersten Spannungsabgriff anliegende Spannung und die am zweiten Spannungsabgriff anliegende Spannung ungleich, so dass diese Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Spannungsabgriff und dem zweiten Spannungsabgriff an einem dritten Widerstand abfällt. Diese am dritten Widerstand abfallende Spannung oder der durch den dritten Widerstand fließende Strom können zum Betätigen eines ersten Schalters dienen, der die Verbindung zwischen dem ersten Zusatzpol mit dem positiven Potential oder mit dem ersten Pluspolstiftabschnitt herstellt. Ferner kann die am dritten Widerstand abfallende Spannung oder der durch den dritten Widerstand fließende Strom zum Betätigen eines zweiten Schalters dienen, der die Verbindung zwischen dem zweiten Zusatzpol und dem negativen Potential oder dem Minuspolstift herstellt. Der erste Schalter und der zweite Schalter können beispielsweise auf der Funktionsweise eines Relaisschalters beruhen, nach der eine stromdurchflossene Spule einen Anker anzieht, um eine elektrische Verbindung zwischen zwei elektrischen Elementen herzustellen, z.B. zwischen dem zweiten Zusatzpol und dem Minuspolstift.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11067190 A2 [0003]
US 2005/0275370 A1 [0004]

Claims

Elektrochemisches Energiespeichersystem für ein Fahrzeug, wobei das elektrochemische Energiespeichersystem über einen elektrochemischen Energiespeicher mit zumindest zwei elektrischen Polen verfügt und das elektrochemische Energiespeichersystem über eine Sicherungsvorrichtung gegen eine Überlast des Energiespeichers verfügt, um einen Stromfluss durch den Energiespeicher zu unterbinden, dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrochemische Energiespeicher über ein Entladesicherungsmittel verfügt, und dass – der elektrochemische Energiespeicher durch das Entladesicherungsmittel nach einer Überlast zumindest entladbar ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sicherungsvorrichtung über einen reversiblen Funktionsmechanismus verfügt.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sicherungsvorrichtung über eine Zusatzsicherungseinheit verfügt, – durch die Zusatzsicherungseinheit nach einer Überlast ein von der Sicherungsvorrichtung unterbrochener Strompfad verbindbar ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zusatzsicherungseinheit auf einen Stromfluss geringerer Stromstärke in dem Strompfad ausgelegt ist als die Sicherungsvorrichtung.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrochemische Energiespeicher über Zusatzpole verfügt, – die Zusatzpole bei einer Überlast oder nach einer Überlast mit spannungstragenden Komponenten des Energiespeichers elektrisch verbindbar sind, – die Zusatzpole vor einer Überlast spannungsfrei sind.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Energiespeicher – ein Modul einer Lithium-Ionen-Batterie ist oder – eine Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie ist.