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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Batterieanordnung für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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In Bordnetzen von Kraftwagen werden üblicherweise elektrische Spannungen mit unterschiedlichen Spannungspegeln zur Versorgung der jeweiligen Komponenten zur Verfügung gestellt. Zu diesem Zweck werden meist einzelne Batterien bereitgestellt, die in Reihe miteinander verschaltet sind. Hierbei weist jede der Batterien oder Anordnung von Batterien einen separaten Anschluss auf, an dem die benötigte elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Solche Batterieanordnungen, die auch als Mehrspannungsbatterien bezeichnet werden, weisen üblicherweise einen gemeinsamen Masseanschluss für die einzelnen Batterien auf. Hierbei besteht die Gefahr, dass zwischen dem Massenanschluss und einem oder mehreren der elektrischen Anschlüsse der Batterien eine direkte elektrische Verbindung zustande kommt und somit ein Kurzschluss entsteht. In Folge eines Kurzschlusses kann sich die Batterie sehr stark erhitzen, was wiederum zu einer Beschädigung bzw. einem kompletten Ausfall der Batterie führen kann. Ebenso kann zwischen den einzelnen Anschlüssen der Batterien im Fehlerfall ein temporärer Kurzschluss auftreten oder der Stromfluss aufgrund eines Wackelkontakts (z. B. im Stecker) verändert werden. Dies kann zur Folge haben, dass sich ein paralleler oder serieller Lichtbogen zwischen den entsprechenden Anschlüssen ausbildet, welcher ebenfalls eine Beschädigung der Batterie oder der Umgebung bewirken kann.
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Zur Erkennung eines Kurzschlusses und/oder eines Lichtbogens in einer Batterieanordnung sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen anhand des zeitlichen Verlaufs des elektrischen Stroms und/oder der elektrischen Spannung oder in Abhängigkeit von dem Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts für den elektrischen Strom und/oder die elektrischen Spannung ein Kurzschluss oder ein Lichtbogen erkannt werden kann. Hierbei ist eine entsprechende Steuerelektronik, mittels welcher die Fehlererkennung und Abschaltung im Fehlerfall realisiert wird, als zusätzliche Komponente an oder in der Batterieanordnung angeordnet.
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Die
DE 10 2008 039 284 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes, wobei eine Batterieeinheit mit einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern zumindest zeitweise elektrisch leitend verbunden ist. Die Batterieeinheit weist mehrere miteinander in Verbindung stehende Zellstränge auf. Diese Zellstränge werden in Abhängigkeit von den Betriebszuständen des Fahrzeugs oder den Anforderungen des Fahrers geschaltet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterieanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die einzelnen Batterien besonders sicher und einfach betrieben werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Um eine Batterieanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher die einzelnen Batterien besonders sicher betrieben werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels einer Steuereinrichtung zum Erfassen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms an den Anschlüssen der jeweiligen Batterien zusätzlich ein Kurzschluss zwischen den Anschlüssen zu erfassen ist. Die zumindest zwei Batterien der Batterieanordnung, die in Reihe miteinander verschaltet sind, weisen jeweils einen Anschluss zum Entnehmen einer elektrischen Energie und einen Masseanschluss auf. Üblicherweise ist der Masseanschluss als gemeinsamer Masseanschluss ausgebildet. Bei einer solchen Batterieanordnung kann ein Kurzschluss zwischen zwei oder mehreren der elektrischen Anschlüsse der Batterien oder zwischen einem oder mehreren der elektrischen Anschlüsse der Batterien und dem Masseanschluss auftreten. Zur Erfassung eines Kurzschlusses wird die Steuereinrichtung, welche üblicherweise an solchen Batterieanordnungen vorhanden ist, um beispielsweise den Ladungszustand der jeweiligen Batterien anhand der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Stroms zu bestimmen, verwendet. Somit müssen keine zusätzlichen Steuer- oder Überwachungseinrichtungen verwendet werden, um einen Kurzschluss zwischen den einzelnen Anschlüssen der Batterie überprüfen zu können. Aus diesem Grund können Kosten eingespart werden und der für die Batterieanordnung benötigte Bauraum kann verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Batterieanordnung für jede der Batterien ein Trennelement auf, mit dem eine elektrische Verbindung zwischen der Batterie und zumindest einem der Anschlüsse in Abhängigkeit von dem durch die Steuereinrichtung erfassten Kurzschluss trennbar ist. Solche Trenn- oder Schaltelemente sind üblicherweise in der Batterieanordnung vorhanden, um die Batterien beispielsweise vor einer Tiefentladung zu schützen. Diese Trenn- oder Schaltelemente werden von der Steuereinrichtung bei der Feststellung eines kritischen Zustands entsprechend angesteuert, um die elektrischen Verbindungen der Batterie zu trennen. In diesem Fall werden die Trennelemente dazu genutzt, nach dem Erfassen eines Kurzschlusses die elektrischen Verbindungen zwischen den Batterien und den entsprechenden elektrischen Anschlüssen zu trennen. Die Anzahl und Anordnung der Trennelemente können je nach Ausführung der Batterieanordnung und dem definierten Schutzbereicht variieren. Durch die Verwendung der Trennelemente entstehen keine zusätzlichen Kosten.
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In einer Ausführungsform ist der Kurzschluss anhand des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Stroms mit der Steuereinrichtung erfassbar. Tritt zwischen einem oder mehreren der elektrischen Anschlüsse oder zwischen einem oder mehreren der elektrischen Anschlüsse und dem Masseanschluss ein Kurzschluss auf, ergeben sich typische zeitliche Verläufe der elektrischen Spannung und des elektrischen Stroms. Auf diese Weise kann ein Kurzschluss besonders exakt nachgewiesen werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kurzschluss in Abhängigkeit von dem Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts für die elektrische Spannung und/oder den elektrischen Strom mit der Steuereinrichtung erfassbar ist. Hierbei kann ein entsprechender Grenzwert vorgegeben werden, dessen Über- oder Unterschreiten auf einen Kurzschluss schließen lässt. Somit kann auf besonders einfache Weise ein Kurzschluss zwischen den jeweiligen Anschlüssen der Batterien nachgewiesen werden.
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Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung eine Kurzschlusserkennungseinrichtung zum Erfassen eines durch einen Körperschluss zwischen den Anschlüssen erzeugten Kurzschlusses. Ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Anschlüssen kann dadurch entstehen, dass sich elektrische Leiter direkt berühren bzw. eine direkte elektrische Verbindung vorhanden ist. Hier liegt ein so genannter Körperschluss vor. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Kurzschluss, der in Folge eines Körperschlusses zwischen den Anschlüssen entsteht, beispielsweise anhand des Verlaufs des elektrischen Stroms und/oder der elektrischen Spannung, an den Anschlüssen der Batterie zu erfassen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung zusätzlich eine Lichtbogenerkennungseinrichtung zum Erfassen eines durch einen parallelen Lichtbogen zwischen zwei oder mehreren Anschlüssen oder zwischen einem oder mehreren Anschlüssen und dem Masseanschluss erzeugten Verbindung. Die Steuereinrichtung umfasst eine zusätzliche Lichtbogenerkennungseinrichtung, mit der ein Lichtbogen besonders sicher und zuverlässig erfasst werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung zusätzlich eine Lichtbogenerkennungseinrichtung zum Erfassen eines seriellen Lichtbogens, der sich bei einer Unterbrechung einer Leitung während eines Stromflusses ausbilden kann. Die Steuereinrichtung umfasst eine zusätzliche Lichtbogenerkennungseinrichtung, mit der ein Lichtbogen besonders sicher und zuverlässig erfasst werden kann
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung einen Mikrocontroller mit einem Erkennungsalgorithmus eines durch einen Körperschluss erzeugten Kurzschlusses und/oder durch einen Lichtbogen umfasst. Zum Erkennen eines Kurzschlusses bzw. eines Lichtbogens wird bevorzugt ein entsprechender Erkennungsalgorithmus verwendet, mit dem der Verlauf des elektrischen Stroms und/oder der elektrischen Spannung an den Anschlüssen der jeweiligen Batterie überprüft werden kann. Ein solcher Erkennungsalgorithmus kann beispielsweise auf dem in der Batterieanordnung vorhandenen Steuergerät hinterlegt sein. Ebenso ist es denkbar, dass eine zusätzliche Steuereinrichtung, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, verwendet wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist mittels der Steuereinrichtung der erfasste Kurzschluss, insbesondere an einem Fahrzeugführer und/oder andere Fahrzeugkomponenten kommunizierbar. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, einen erfassten Kurzschluss zwischen den Anschlüssen der jeweiligen Batterie – beispielsweise über einen entsprechenden Netzwerkanschluss – zu kommunizieren. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine entsprechende Warnleuchte angesteuert werden. Ebenso ist es denkbar, dass ein Fehlercode von der Steuereinrichtung bereitgestellt wird, der mit einem entsprechenden Diagnosegerät ausgelesen werden kann.
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Bevorzugt sind die Batterien der Batterieanordnung Lithium-Ionen-Batterien. Diese Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer aus. Des weiteren sind an Lithium-Ionen-Batterien üblicherweise entsprechende Steuereinrichtungen und Trennelemente vorgesehen.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Batterieanordnung. Die im Bezug auf die erfindungsgemäße Batterieanordnung beschriebenen Weiterbildungen lassen sich entsprechend auf das Verfahren zum Steuern einer solchen Batterieanordnung übertragen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
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Die einzige Zeichnung zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung für einen Kraftwagen, bei der mehrere Batterien in Reihe miteinander verschaltet sind.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 10. Die Batterieanordnung 10 umfasst mehrere einzelne Batterien 12, die in Reihe miteinander verschaltet sind. Dabei kann eine einzelne Batterie 12 aus mehreren Batteriezellen 14 bestehen, die ebenfalls in Reihe miteinander verschaltet sind. Die Anordnung von mehreren Batteriezellen 14 ist in der Figur durch die gepunktete Linie 16 dargestellt.
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Jede der Batterien 12 weist einen entsprechenden Anschluss zum Entnehmen und zuführen von elektrischer Energie auf. Die in der in der Figur dargestellte Ausführungsform weist die Batterieanordnung 10 drei Anschlüsse U1, U2 und U3 an den jeweiligen Batterien 12 auf. An den Anschlüssen U1, U2 und U3 kann jeweils ein unterschiedlicher Spannungspegel abgegriffen werden. Die Batterien 12 sind jeweils an dem gemeinsamen Masseanschluss M miteinander verschaltet. Der Masseanschluss M ist üblicherweise mit der Karosserie des Kraftwagens verbunden. Die Anschlüsse U1, U2 und U3 sind mit dem Bordnetz des Kraftwagens verbunden. Dies ist in der Figur schematisch durch die geschweifte Klammer 18 dargestellt. Bei einer solchen Batterieanordnung 10 kann in einem Fehlerfall ein Kurzschluss zwischen zwei oder mehreren der Anschlüsse U1, U2 und U3 auftreten. Zudem kann ein Kurzschluss zwischen einem oder mehreren der Anschlüsse U1, U2 und U3 mit dem Masseanschluss M auftreten. Ebenso kann zwischen den jeweiligen Anschlüssen U1, U2, U3 und M ein temporärer Kurzschluss auftreten. Ein Kurzschluss kann über einen direkten elektrischen Kontakt der Anschlüsse U1, U2, U3 und/oder M entstehen. Dieser kann durch die elektrische Verbindung der jeweiligen Anschlüsse U1, U2, U3 und/oder M durch eine elektrischen Leiter, wie beispielsweise ein Kabel oder ein elektrisch leitendes Gehäuse, entstehen. Über dies kann sich zwischen den Anschlüssen U1, U2, U3 und/oder dem Masseanschluss M ein Lichtbogen ausbilden. Ein solcher Lichtbogen kann beispielsweise in Folge eines Wackelkontakts und/oder auf Grund einer fehlerhaften elektrischen Isolierung entstehen. Ebenso kann in einem jeden Anschlusspfad ein serieller Lichtbogen in Folge eines Fehlers (z. B. Wackelkontakt im Stecker) auftreten. In Folge eines Kurzschlusses oder eines Lichtbogens kann sich die Batterie 12 oder die Umgebung stark erhitzen, was eine Beschädigung oder zu einem kompletten Ausfall der Batterie 12 bewirken kann.
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Des Weiteren umfasst die Batterieanordnung 10 eine Steuereinrichtung 20, mit der der elektrische Strom und/oder die elektrische Spannung an den Anschlüssen U1, U2, U3 und an dem jeweiligen Masseanschluss M der Batterie überprüft werden kann. Eine solche Steuereinrichtung 20 ist üblicherweise in einer Batterieanordnung 10 vorhanden, um beispielsweise den Ladungszustand der Batterie 12 zu bestimmen. Mit Hilfe der Steuereinrichtung 20 kann ein Kurzschluss und/oder ein Lichtbogen zwischen einem oder mehreren der Anschlüsse U1, U2, U3 und M erfasst werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Stroms an den Anschlüssen U1, U2, U3 und an dem Masseanschluss M überprüft werden. Zudem ist es denkbar, dass ein Kurzschluss und/oder ein Lichtbogen in Abhängigkeit von dem Überschreiten/Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts für die elektrische Spannung und/oder den elektrischen Strom erfassbar ist.
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Zum Erfassen eines Kurzschlusses umfasst die Steuereinrichtung 20 eine Kurzschlusserkennungseinrichtung 22, mit der ein Kurzschluss, der insbesondere durch einen Körperschluss zwischen den Anschlüssen U1, U2, U3 und M erzeugt wurde, erfasst werden kann. Über dies umfasst die Steuereinrichtung 20 eine Lichtbogenerkennungseinrichtung 24, mit der ein Auftreten eines Lichtbogens zwischen einem oder mehrerer der Anschlüsse U1, U2, U3 und M (paralleler Lichtbogen) sowie ein serieller Lichtbogen erfasst werden kann. Zu diesem Zweck kann sowohl die Kurzschlusserkennungseinrichtung 22 als auch die Lichtbogenerkennungseinrichtung 24 einen entsprechenden Mikrocontroller umfassen, der einen Erkennungsalgorithmus zum Erkennen eines durch einen Körperschluss erzeugten Kurzschluss bzw. eines durch einen parallelen Lichtbogen erzeugten Kurzschlusses sowie einen Erkennungsalgorithmus zum Erkennen eines seriellen Lichtbogens umfasst. Ebenso ist es denkbar, dass der entsprechende Erkennungsalgorithmus bzw. die Erkennungsalgorithmen direkt auf der Steuereinrichtung 20 betrieben werden.
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Wird nun durch die Steuereinrichtung 20 ein Kurzschluss und/oder ein Lichtbogen zwischen einem oder mehreren der Anschlüsse U1, U2, U3 und M festgestellt, so können durch ein entsprechendes Steuersignal der Steuereinrichtung 20 die Trennelemente S0, S1, S2 und S3 geöffnet werden. Hierbei ist das Trennelement S0 zwischen der Batterie 12 und dem Masseanschluss M angeordnet. Die Trennelemente S1, S2 und S3 sind entsprechend zwischen der jeweiligen Batterie 12 und den Anschlüssen U1, U2 und U3 angeordnet. Durch diese Anordnung der Trennelemente S0, S1, S2 und S3 sind alle Anschlüsse der Batterien 12 gegen einen Kurzschluss abgesichert Ebenso können die Anzahl und die Lage der Trennelemente S0, S1, S2, S3 je nach Ausführung der Batterieanordnung 10 variieren. In der Batterieanordnung 10 können – je nach Fehlerfall – ein oder mehrere der Trennelemente S0, S1, S2 und/oder S3 geöffnet werden, um einer Beschädigung der Batterien 12 oder deren Komponenten entgegenzuwirken. Die Trennelemente S0, S1, S2 und S3 können auch als Schalt- und Trennelemente beispielsweise durch entsprechende Halbleiterschalter oder Transistoren realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batterieanordnung
- 12
- Batterie
- 14
- Batteriezelle
- 16
- Linie
- 18
- Klammer
- 20
- Steuereinrichtung
- 22
- Kurzschlusserkennungseinrichtung
- 24
- Lichtbogenerkennungseinrichtung
- U1
- Anschluss
- U2
- Anschluss
- U3
- Anschluss
- S0
- Trennelement
- S1
- Trennelement
- S2
- Trennelement
- S3
- Trennelement
- M
- Massenanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008039284 A1 [0004]
