DE102011088328A1

DE102011088328A1 - Batteriesystem und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011088328A1
Application number: DE102011088328A
Authority: DE
Inventors: Markus Kohlberger; Joachim Fetzer; Klaus Wipfler
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-13
Also published as: US9692035B2; WO2013087337A1; US20140322569A1; CN104025369B; EP2792013A1; CN104025369A

Abstract

Es wird ein Batteriesystem mit einer Batterie (14), welche eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen (10) umfasst, beschrieben. Zudem umfasst das Batteriesystem mindestens ein Sicherungsmittel (18), welches derart in Reihe zu den Batteriezellen (10) geschaltet ist, so dass nach dem Auslösen des mindestens einen Sicherungsmittels (18) die Summe der Spannungen der noch in Reihe geschalteten Batteriezellen (10) eine Grenzspannung nicht überschreitet. Ferner umfasst das Batteriesystem ein die beiden Batteriepole (24) elektrisch verbindendes Schaltmittel (20), welches dazu ausgebildet ist, beim Erkennen eines Störungssignals die Batterie (14) kurzzuschließen, so dass das mindestens eine Sicherungsmittel (18) auslöst. Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, welches eine Batterie mit einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das das Batteriesystem umfasst.
Stand der Technik
In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen elektrische Energiespeicher zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt bzw. zum Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen Batterien Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen Batteriezellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein-(Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können.
1 zeigt, wie einzelne Batteriezellen 10 zu Batteriemodulen 12 und dann zu Batterien 14 zusammengefasst werden können. Dies erfolgt durch nicht dargestellte Parallel- oder Reihenschaltung der Pole der Batteriezellen 10. Dabei besteht per Definition ein Batteriemodul 12 bzw. eine Batterie 14 aus mindestens zwei Batteriezellen 10, wobei die Begriffe Batterie 14 und Batteriemodul 12 oft synonym verwendet werden. Die elektrische Spannung einer Batterie 14 beträgt beispielsweise zwischen 120 und 600 Volt Gleichstrom.
Verschiedene Einflüsse können die Lebensdauer oder die Sicherheit einer Lithium-Ionen-Batterie beeinflussen. Hierzu gehören zum einen elektrische Einflüsse, wie zu hohe Ströme oder Spannungen, Temperatureinflüsse sowie mechanische Einflüsse. Batteriezellen, deren Gehäuse aus einem festen Aluminium- oder Stahlblech bestehen, sind in sich formstabil und überstehen kleinere Stöße ohne mechanische Verformung. Bei einem Unfall des batteriebetriebenen Fahrzeuges kann es jedoch zu einer dauerhaften und deutlichen Verformung des Gehäuses der Batterie und damit auch der Batteriezellen kommen. In solch einem Fall besteht die Gefahr, dass beispielsweise Teile der Karosserie mit einem Batteriepol in Kontakt kommen und somit eine Gefährdung für Insassen und Rettungskräfte entsteht.
Die DE 10 2009 050 996 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren, um die Verbindungsleitungen zwischen mindestens zwei Energiequellen (z. B. Batteriezellen) innerhalb einer Energiespeichereinrichtung (z. B. eine Batterie) zu durchtrennen. Die Durchtrennung der Leitungen erfolgt durch eine Treibladung, welche beispielsweise nach der Auswertung eines Crashsignals gezündet wird. Durch die Auftrennung der Leitungen innerhalb der Batterie wird der interne Stromfluss unterbrochen, wodurch die Batterie von außen nicht mehr kurzgeschlossen werden kann.
Die US 5,760,488 A beschäftigt sich mit der Bereitstellung eines Fahrzeuges mit einem brennstoffzellen- oder batteriegespeisten Energieversorgungsnetz. Es ist zum Schutz gegen hohe Berührungsspannungen mit einer Isolationsüberwachung ausgestattet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einer Batterie, welche eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen umfasst, zur Verfügung gestellt. Zudem umfasst die Batterie mindestens ein derart zu den Batteriezellen in Reihe geschaltetes Sicherungsmittel, so dass nach dem Auslösen des mindestens einen Sicherungsmittels die Summe der Spannungen der noch in Reihe geschalteten Batteriezellen eine Grenzspannung nicht überschreitet. Das Batteriesystem umfasst ferner ein die beiden Batteriepole elektrisch verbindendes Schaltmittel, welches dazu ausgebildet ist, beim Erkennen eines Störungssignals die Batterie kurzzuschließen, so dass das mindestens eine Sicherungsmittel auslöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch gezieltes Kurzschließen der Batterie die Reihenschaltung der Batteriezellen zumindest teilweise getrennt wird, indem ein oder mehrere zu den Batteriezellen wiederum in Reihe geschaltete Sicherungsmittel auslösen. Das Auslösen mehrerer in Reihe geschalteter Sicherungsmittel wird dadurch ermöglicht, dass die Sicherungsmittel nur sehr geringe Fertigungstoleranzen aufweisen und dadurch praktisch zeitgleich auslösen. Dies ermöglicht ein sicheres Auslösen aller in Reihe geschalteten Sicherungsmittel. Um dies zu ermöglichen, ist das Schaltmittel im störungsfreien Betrieb geöffnet und dazu ausgebildet, sich bei einem Störungssignal zu schließen und somit die Batterie kurzzuschließen. Es gilt jedoch zu beachten, dass durch das Schließen des Schaltmittels eine neue Serienschaltung von Batteriezellen über das Schaltmittel entstehen kann. Dadurch summieren sich wiederum die Spannungen der mit dem positiven und dem negativen Batteriepol verschalteten Batteriezellen. Sollte diese Spannung höher einer maximalen zulässigen Spannung sein, so kann beispielsweise das Schaltmittel nach dem Auslösen der Sicherung wieder geöffnet werden oder ein weiteres Sicherungsmittel zwischen dem Schaltmittel und einer der nächstliegenden Batteriezellen angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Batterie hat den Vorteil, dass beim Erkennen einer relevanten Störung die maximal vorhandene Spannung innerhalb der Batterie auf einen tolerierbaren Wert begrenzt wird. Dies ist beispielsweise bei Isolationsschäden, unter anderem verursacht durch mechanische Verformungen bei einem Verkehrsunfall sinnvoll, um eine Gefährdung für Insassen oder Rettungskräfte in Hinsicht einer möglichen Körperdurchströmung zu minimieren.
Bevorzugt beträgt die maximale, innerhalb der Batterie auftretende Spannung nach dem Auslösen der Sicherung kleiner 60 Volt Gleichspannung. Bei Berührspannungen kleiner 60 Volt Gleichspannung können tödliche Verletzungen durch Körperdurchströmung weitestgehend ausgeschlossen werden. Bei einer noch tieferen Grenzspannung kann aufgrund der nur geringen verbleibenden Spannung auf einen Berührschutz verzichtet werden, eine beispielsweise bei einem Unfall beschädigte Schutzabdeckung stellt kein Sicherheitsrisiko mehr dar. Auch bei einer späteren Reparatur wird das Risiko von Stromschlägen reduziert.
Es können auch mehrere Batteriezellen zu Batteriemodulen zusammengeschlossen sein, welche zur Spannungserhöhung wiederum in Reihe geschaltet sind. Ein Batteriemodul kann beispielsweise eine noch zulässige Berührspannung aufweisen, zwei in Reihe geschaltete Batteriemodule jedoch diese zulässige Berührspannung bereits übersteigen. Somit kann durch eine Reihenschaltung jeweils eines Sicherungsmittels zu jedem Batteriemodul oder zwischen jedem in Reihe geschalteten Batteriemodulpaar eine einfache Absicherung der Batterie erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Sicherungsmittel eine Schmelzsicherung, welche eine besonders kostengünstige Alternative darstellt.
Ferner bevorzugt ist das mindestens eine Sicherungsmittel eine Halbleitersicherung, wodurch eine kurze Ansprechzeit bei gleichzeitig geringerem Platzbedarf realisiert werden kann.
Des Weiteren bevorzugt ist das mindestens eine Sicherungsmittel eine rückstellende Sicherung. Diese kann entweder eine manuell rückstellende oder selbstrückstellende Sicherung sein, wobei als selbstrückstellende Sicherung beispielsweise ein Kaltleiterelement Verwendung finden kann.
Vorzugsweise ist das Schaltmittel ein Relais, oder ferner bevorzugt ein Schütz, um beispielsweise höhere Schaltleistungen realisieren zu können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Batterie einen Aufprallsensor, welcher mit dem Schaltmittel zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden ist. Solche Aufprallsensoren werden unter anderem auch zur Airbagauslösung genutzt. Beispielsweise ab einer bestimmten Unfallschwere, bei welcher eine starke Deformation der Fahrzeugkarosserie zu erwarten ist, wird die Batterie kurzgeschlossen und das mindestens eine Sicherungsmittel ausgelöst.
Eine Möglichkeit, einen von einem Unfall unabhängigen Störfall zu detektieren, besteht in der bevorzugten Verwendung einer Batterie, welche einen Isolationswächter umfasst. Dieser ist wiederum mit dem Schaltmittel zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden. Dadurch wird das mindestens eine Sicherungsmittel erst nach dem Detektieren eines tatsächlichen Isolationsfehlers ausgelöst. Optional kann das Sicherungsmittel auch erst nach einem doppelten Isolationsfehler, also bei zwei Stellen mit defekter Isolation, sowie bei einer Kombination von Störungssignalen aus einem Isolationswächter und einem Aufprallsensor die Reihenschaltung unterbrechen.
Des Weiteren bevorzugt ist das mindestens eine Sicherungsmittel integraler Bestandteil einer fest an die Batteriezelle gebundenen Schaltung. Diese Schaltung kann ferner bevorzugt innerhalb der Batteriezelle angeordnet sein. Dadurch ist das Sicherungsmittel durch das Batteriezellengehäuse zusätzlich vor Umwelteinflüssen geschützt.
Vorzugsweise ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie. Durch die Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches die erfindungsgemäße Batterie umfasst. Die Batterie ist in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen.
Das Kraftfahrzeug umfasst bevorzugt ferner einen Aufprallsensor, welcher mit dem Schaltmittel zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung kann ein ohnehin im Fahrzeug vorhandener Aufprallsensor zur Generierung des Störungssignals verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und der Beschreibung zu entnehmen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Batteriezelle, ein Modul und eine Batterie,
2 eine erfindungsgemäße Batterie,
3 eine erfindungsgemäße Batterie mit einem Isolationswächter, und
4 eine erfindungsgemäße Batterie umfassend Batteriemodule.
Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
2 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, wobei im einfachsten Fall die Batterie 14 nur zwei in Reihe geschaltete Batteriezellen 10 umfasst. Die Reihenschaltung der beiden Batteriezellen 10 erfolgt über ein zwischengeschaltetes Sicherungsmittel 18, beispielsweise ein Relais und die beiden Batteriepole 24 sind mit einem Schaltmittel 20 elektrisch miteinander verbunden. Das Schaltmittel 20 kann beispielsweise Teil der Batterie 14 und in diese integriert sein.
Während des störungsfreien Betriebes ist das Schaltmittel 20 geöffnet, ein an den Batteriepolen 24 angeschlossener, nicht dargestellter Verbraucher, beispielsweise ein Antriebsmotor eines Elektrofahrzeuges, wird von der Batterie 14 mit Strom versorgt. Wird bei einem Störfall ein Störungssignal detektiert, so wird das Schaltmittel 20 geschlossen und damit die Batterie 14 kurzgeschlossen. Durch den hohen auftretenden Kurzschlussstrom wird das Sicherungsmittel 18 ausgelöst und somit die Reihenschaltung der beiden Batteriezellen 10 unterbrochen. Mit dem Schließen des Schaltmittels 20 wird jedoch eine neue Reihenschaltung der beiden Batteriezellen 10 über das Schaltmittel 20 geschaffen. Die Summe der Spannungen der beiden Batteriezellen 10 liegt dann nicht zwischen den Batteriepolen 24 an, sondern innerhalb der Batterie 14 zwischen den beiden Enden des ausgelösten Sicherungsmittels 18. Bei einem möglichen Isolationsfehler des Batteriegehäuses 16 kann dies zu einer neuen Gefährdungssituation führen. Um diese Serienschaltung über das Schaltmittel 20 aufzulösen, kann beispielsweise das Schaltmittel 20 nach dem Auslösen der Sicherungsmittel 18 wieder geöffnet werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anordnung eines weiteren Sicherungselementes zwischen einem der Batteriepole 24 und der damit direkt verschalteten Batteriezelle 10. Durch elektrische Unterteilung der Batteriezellen 10 werden ihre Spannungen nicht mehr durch eine Reihenschaltung summiert, wodurch eine mögliche Gefahrenquelle entschärft wurde.
3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, wonach einer jeden Batteriezelle 10 ein Sicherungsmittel 18 zugeordnet ist. Jedes Sicherungsmittel 18 kann dafür beispielsweise integraler Bestandteil einer fest an die Batteriezelle 10 gebundenen Schaltung sein. Zusätzlich umfasst die Batterie 14 einen Isolationswächter 22, welcher dazu ausgebildet ist, einen Kontakt des Batteriegehäuses 16 mit einem unter Spannung stehenden Teil der Batterie 14 zu detektieren. Detektiert nun der Isolationswächter 22 einen Isolationsfehler zum Batteriegehäuse 16, so wird das normalerweise offene Schaltmittel 20 geschlossen und somit die Batterie 14 kurzgeschlossen. Beim Schließen des Schalters 20 lösen alle Sicherungsmittel 18 praktisch gleichzeitig aus. Dies ist möglich, da die Sicherungsmittel 18 sehr engen Toleranzen unterliegen, so dass diese im praktisch selben Zeitpunkt auslösen. Nach dem Auslösen der Sicherungsmittel 18 entspricht die maximal innerhalb der Batterie 14 auftretende Spannung der Spannung einer einzelnen Batteriezelle 10.
Bei nur geringen Spannungen einzelner Batteriezellen 10 ist es meist wirtschaftlicher, nicht jeder Batteriezelle 10 ein Sicherungsmittel 18 zuzuordnen, sondern erst nach einer bestimmten Anzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen 10 ein Sicherungsmittel 18 anzuordnen. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen 10, bis ein Sicherungsmittel 18 in Reihe geschaltet ist, hängt von der Spannung der einzelnen Batteriezellen 10 und von einer maximal zulässigen Grenzspannung im Störfall ab.
Beispielsweise können wie in 4 abgebildet jeweils drei Batteriezellen 10 in Reihe zu einem Batteriemodul 12 zusammengeschaltet sein. Das Schaltmittel 20 kann wie abgebildet auch außerhalb der Batterie 14 angeordnet sein, und verbindet die Batteriepole 24 über die Anschlussklemmen der Batterie 14. Bei einer Einzelspannung einer Batteriezelle 10 von 9 Volt ergibt sich somit die Spannung eines Batteriemoduls 12 zu 27 Volt. Besteht die Vorgabe einer Grenzspannung kleiner 60 Volt, so dürfen nach dem Auslösen der Sicherungsmittel 18 maximal zwei Batteriemodule 12 in Reihe geschalten bleiben, damit die Summe der Spannungen der in Reihe geschalteten Batteriemodule 12 kleiner 60 Volt beträgt. Dementsprechend ist nach jeweils zwei Batteriemodulen 12 ein Sicherungsmittel 18 angeordnet. Beim Schließen des Schaltmittels 20 und nach dem Auslösen der Sicherungsmittel 18 beträgt somit die Spannung der verbleibenden Reihenschaltungen der Batteriemodule 12 jeweils 54 Volt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009050996 A1 [0005]
US 5760488 A [0006]

Claims

Batteriesystem mit einer Batterie (14), welche eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen (10) und mindestens ein derart in Reihe zu den Batteriezellen (10) geschaltetes Sicherungsmittel (18) umfasst, so dass nach dem Auslösen des mindestens einen Sicherungsmittels (18) die Summe der Spannungen der noch in Reihe geschalteten Batteriezellen (10) eine Grenzspannung nicht überschreitet und das Batteriesystem ferner ein die beiden Batteriepole (24) elektrisch verbindendes Schaltmittel (20) umfasst, welches dazu ausgebildet ist, beim Erkennen eines Störungssignals die Batterie (14) kurzzuschließen, so dass das mindestens eine Sicherungsmittel (18) auslöst.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Sicherungsmittel (18) integraler Bestandteil einer fest an die Batteriezelle (10) gebundenen Schaltung ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sicherungsmittel (18) eine Schmelzsicherung, eine Halbleitersicherung oder eine rückstellende Sicherung ist.
Batteriesystem nach Anspruch 3, wobei die rückstellende Sicherung eine selbstrückstellende Sicherung, insbesondere ein Kaltleiterelement ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltmittel (20) ein Relais oder ein Schütz ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grenzspannung kleiner 60 Volt Gleichspannung beträgt.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie (14) einen Isolationswächter (22) umfasst, welcher mit dem Schaltmittel (20) zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie (14) einen Aufprallsensor umfasst, welcher mit dem Schaltmittel (20) zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden ist
Kraftfahrzeug umfassend ein Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, wobei das Kraftfahrzeug einen Aufprallsensor umfasst, welcher mit dem Schaltmittel (20) zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden ist.