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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, die mit einer Überstromschutzeinrichtung zum Unterbrechen eines Strompfades der Batteriezelle ausgestattet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz einer Batteriezelle. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das einen Elektromotor und eine Batterie mit der erfindungsgemäßen Batteriezelle aufweist.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Insbesondere werden vermehrt Batterien als Traktionsbatterien für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen verwendet und somit für die Speisung elektrischer Antriebe eingesetzt. Dabei sind besonders auch aufgrund der teilweise hohen Spannungen, die durch eine Serienschaltung und teilweise zusätzliche Parallelschaltung von vielen einzelnen Batteriezellen bedingt sind, Maßnahmen zum Schutz gegen hohe Spannungen zu treffen, um gefahrlos mit der Batterie umgehen zu können, beispielsweise im Wartungsfall. So werden, um die bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen geforderten Leistungs- und Energiedaten zu erzielen, häufig hundert Zellen oder mehr in Serie verschaltet, so dass die Batterien Spannungen von beispielsweise bis zu 450 V aufweisen. Auch bei Hybridfahrzeugen wird üblicherweise die Spannungsgrenze von 60 V, bei der eine Berührung durch Menschen gerade noch als unkritisch eingestuft werden kann, überschritten.
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In 1 ist das Prinzipschaltbild einer derartigen, viele Batteriezellen aufweisenden (Traktions-)Batterie dargestellt. So umfasst die Batterie 100 eine Batteriezellen-Anordnung 101, die Stränge aus einer Vielzahl von einzelnen Batteriezellen 102 aufweist. Ferner weist die Batterie 100, neben den Batteriezellen 102, noch weitere Funktionsgruppen auf. Dies sind insbesondere eine Lade- und Trenneinrichtung 106, die am Pluspol 103 der Batterie 100 angeordnet ist, und eine weitere Trenneinrichtung 107, die mit dem Minuspol 104 der Batterie 100 verbunden ist. Die Lade- und Trenneinrichtung 106 und die Trenneinrichtung 107 weisen jeweils einen Trennschalter 108, 109 auf, mit dem ein jeweiliger Batteriepol 103, 104 spannungslos geschaltet werden kann bzw. mit dem eine galvanische Trennung vorgenommen werden kann. Dadurch, dass beiden Batteriepolen 103, 104 jeweils ein eigener Trennschalter 108, 109 zugeordnet ist, können die Batteriezellen 102 somit an beiden Batteriepolen 103, 104 abgeschaltet werden. Dies wird auch als zweipolige Abschaltung der Batteriezellen 103 bezeichnet. Damit kann die Batterie 100 im Wartungsfall, im Stillstand oder in sicherheitskritischen Situationen, wie beispielsweise bei einem Unfall, vom Traktionsbordnetz des Fahrzeuges abgetrennt werden. Im Fahrbetrieb wird die Batterie 100 dem Traktionsbordnetz wieder zugeschaltet. Die Lade- und Trenneinrichtung 109 umfasst außerdem noch einen parallelen Pfad, der eine Ladeeinrichtung mit einem weiteren Schalter 110 sowie einen Ladewiderstand 111 aufweist, über den die Batterie 100 geladen werden kann. Die Ladeeinrichtung am Pluspol der Batterie 100 ist auch dazu vorgesehen, die Ausgleichsströme im Traktionsbordnetz beim Zuschalten der Traktionsbatterie zu begrenzen. Wie ferner in 1 dargestellt wird, umfasst die Batterie 100 auch einen Servicestecker 105. Der Servicestecker 105 muss aus Sicherheitsgründen bei Wartungsarbeiten der Batterie 100 abgezogen werden. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass das Batteriegehäuse (nicht gekennzeichnet) nur geöffnet werden kann, wenn zuvor der Servicestecker 105 abgezogen wurde. Auf solche Weise werden die Batteriezellen 102 sicher einpolig abgetrennt, auch wenn die beiden Trennschalter in den Trenneinrichtungen aufgrund einer Fehlfunktion nicht geöffnet haben.
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In 2 ist das Funktionsschaltbild einer Batteriezelle 200 gezeigt. Die Batteriezelle 200 kann einer der Batteriezellen 102 aus 1 entsprechen, bzw. es können auch sämtliche der Batteriezellen 102 aus 1 gemäß dem Funktionsschaltbild aus 2 ausgebildet sein. Die Batteriezelle 200 hat ein Gehäuse 216 und ein negatives Terminal 201 und ein positives Terminal 202. Das negative Terminal 201 ist mit der Anode 207 der Batteriezelle 200 verbunden, und das positive Terminal 202 ist mit der Kathode 206 verbunden. Mit dem Bezugszeichen 215 werden insgesamt ein Separator sowie das in der Batteriezelle 200 enthaltene Elektrolyt bezeichnet. Außerdem ist gemäß dem Ersatzschaltbild in 2 eine Kapazität 213 zwischen der Anode 207 und der Kathode 206 angeordnet. Zwischen dem Gehäuse 216 und der Anode 207 und die Kathode 206 ist ferner jeweils ein endlicher ohmscher Widerstand ausgebildet, der mit dem Bezugszeichen 210 bzw. 211 gekennzeichnet ist. Der Innenwiderstand 208 der Batteriezelle 200 und die Leerlaufspannung OCV (Englisch: Open Circuit Voltage) 209 sind in Serienschaltung dargestellt, außerdem sind entsprechende Kapazitäten 214 und 212 in Bezug auf das Gehäuse 216 vorhanden. Die Batteriezelle 200 ist ferner mit einer zusätzlichen integrierten Zellsicherung ausgestattet, hier eine Stromunterbrechungsvorrichtung (Englisch: Current Interruptive Device), die eine unten näher erklärte Schmelzsicherung 204 aufweist. Außerdem hat die Stromunterbrechungsvorrichtung einen Widerstand 205. Die beispielhafte Stromunterbrechungsvorrichtung wird im Folgenden als eine Überstromschutzeinrichtung 203 bezeichnet. Ferner wird im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle betrachtet. Die Überstromschutzvorrichtung 203 hat die Aufgabe, die Batteriezelle 200 vor unzulässig hohen Strömen zu schützen, die beispielsweise bei einem externen Kurzschluss auftreten. Derartige Überstromschutzvorrichtungen sind typischerweise so realisiert, dass in die metallischen Zuleitungen zwischen dem Terminal, hier: das positive Batterieterminal 202, und dem Zellwickel eine Querschnittsverjüngung realisiert wird, die bei hohen Strömen durchschmilzt. Diese Technik funktioniert in bewährter Weise bei einer Reihenschaltung von wenigen Zellen, wie sie beispielsweise im Consumerbereich, bei Laptops oder in Elektrowerkzeugen zum Einsatz kommen. Bei Traktionsbatterien mit einer Serienschaltung von durchaus bis zu 100 oder mehr Zellen ist diese Technik aber mit Problemen verbunden: Wird zum Beispiel durch einen externen Kurzschluss der Batteriestrom derart groß, dass in einer der Batteriezellen 200 die interne Sicherung 204 durchschmilzt, was gewöhnlich in jener Batteriezelle 200 passiert, die aufgrund ihrer Toleranzlage das Sicherungselement zuerst aktiviert, dann bildet sich in dieser Zelle ein Lichtbogen aus, da der Strom aufgrund parasitärer Induktivitäten weiter fließt. Denn an der durchgeschmolzenen Sicherung 204 stellen sich derart hohe Spannungen ein, dass der Strom über den Lichtbogen weiter fließen kann. Dabei kann es sein, dass der Lichtbogen so lange aufrechterhalten bleibt, bis die Batteriezelle dadurch Feuer fängt oder bersten kann. Dies ist aus Sicherheitsgründen zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden eine Batteriezelle und ein Verfahren zum Schutz einer Batteriezelle nach den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 9 zur Verfügung gestellt.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Batteriezelle geschaffen, die mit einer Überstromschutzeinrichtung zum Unterbrechen eines Strompfades der Batteriezelle ausgestattet ist. Die Batteriezelle weist Überbrückungsmittel auf, die vorgesehen sind, einen zusätzlichen, niederohmigen Strompfad zu dem durch die Überstromschutzeinrichtung zu unterbrechenden Strompfad parallel zu schalten im Falle des Auftretens eines Lichtbogens durch die Überstromschutzeinrichtung.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Schutz einer Batteriezelle, die mit einer Überstromschutzeinrichtung zum Unterbrechen eines Strompfades der Batteriezelle ausgestattet ist, bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat Schritte, bei denen ein zusätzlicher, niederohmiger Strompfad zu dem durch die Überstromschutzeinrichtung zu unterbrechenden Strompfad parallel geschaltet wird im Falle des Auftretens eines durch die Überstromschutzeinrichtung bedingten Lichtbogens.
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Bei der Erfindung werden also, falls ein Lichtbogen entsteht, zusätzliche Maßnahmen getroffen, die zum Verlöschen des Lichtbogens führen. Somit wird, als ein Vorteil der Erfindung, die Sicherheit der Batteriezelle, die eine Überstromschutzeinrichtung aufweist, weiter erhöht, insbesondere bei Vorliegen von elektrischen Kurzschlüssen. Es wird insbesondere ermöglicht, bei einer Batteriezelle mit integrierter Überstromschutzeinrichtung oder Zellsicherung bei einem Schmelzen dieser Sicherung, das beispielsweise aufgrund eines batterieexternen oder batterieinternen Kurzschlusses auftritt, zuverlässig zu verhindern, dass die Batteriezelle nicht Feuer fängt oder zerbirst.
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Damit wird erreicht, dass die Batteriezelle bei Aktivierung der Überstromschutzeinrichtung die geforderte Sicherheit aufweist, da die Gefahr eines Feuers oder eines Berstens vermieden wird. Dies wird erreicht aufgrund des zugrunde liegenden erfinderischen Konzepts, dass nämlich in der Batteriezelle bei einem Schmelzen der zellinternen Sicherung und dem damit verbundenen Lichtbogen nach sehr kurzer Zeitdauer ein paralleler, niederohmiger Pfad für den Stromfluss bereitgestellt wird, welcher sofort zu einem Verlöschen des Lichtbogens führt. Dadurch gelingt es, das geforderte Sicherheitsniveau zu erreichen. Anschaulich gesagt wird eine Einrichtung zur Verfügung gestellt, durch die der Lichtbogen verlischt, indem der dem Lichtbogen zugrunde liegende Strom auf einen erfindungsgemäß zu schaltenden parallelen Pfad abgeleitet wird.
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Die Erfindung kann auf verschiedene Weise implementiert werden und dazu geeignete funktionale Einheiten aufweisen: So kann die Erfindung zweckmäßigerweise so ausgeführt sein, dass eine derartige Lichtbogenlöscheinrichtung vorhanden ist, die zum Ausbilden des parallelen Strompfads Schaltermittel zum Herstellen einer entsprechenden elektrischen Verbindung, Auslösemittel zum Betätigen der Schaltermittel, und Messmittel zum Detektieren des Lichtbogens aufweist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Überbrückungsmittel dazu ausgebildet, den zusätzlichen, parallelen Strompfad anhand einer Druckveränderung zu schalten. Besonders bevorzugt wird der Strompfad anhand einer Erhöhung des Innendrucks der Batteriezelle geschaltet. Dabei wird vorteilhaft von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass ein entstandener Lichtbogen sehr schnell zu einer messbaren Druckerhöhung in der Batteriezelle führt, wobei die Überbrückungsmittel dann ausgeführt sein können, den parallelen Strompfad zu schalten, bevor die Batteriezelle beschädigt wird oder bevor Gefahr von der Batteriezelle ausgeht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die Überbrückungsmittel eine Membran zum Detektieren einer Druckveränderung auf.
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Der Strompfad ist erfindungsgemäß hinreichend niederohmig ausgebildet, so dass selbst bei geringer Spannungsdifferenz über den erfindungsgemäßen parallelen Strompfad ein Stromfluss erfolgen kann, der in einer schnellen Beendigung des Lichtbogens resultiert.
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Dabei ist die Erfindung nicht beschränkt auf eine spezielle Art des Stromweges bzw. Strompfades oder eine spezielle Art von Elektronikkomponenten. So wird beispielsweise bei einer besonders einfachen und deswegen vorteilhaften Ausführungsform eine Batteriezelle verwendet, die dazu ausgebildet ist, den zusätzlichen, niederohmigen Strompfad mittels Verwendung des Gehäuses der Batteriezelle als Stromleiter zu bilden.
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Bevorzugt verläuft der zusätzliche, niederohmige Strompfad zwischen dem positiven Terminal und dem negativen Terminal der Batteriezelle. Auf diese Weise kann einfach erreicht werden, die Spannungsdifferenz über den parallelen Strompfad zu begrenzen, beispielsweise auf die durch das chemische Potenzial der Batteriezelle vorgegebene Spannungsdifferenz.
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Um definierte Bedingungen zu erzeugen, kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäße zusätzliche, niederohmige Strompfad über zumindest einen ohmschen Widerstand verlaufen, der zwischen einem Terminal der Batteriezelle und dem Gehäuse der Batteriezelle angeordnet ist.
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Auch kann der parallele Strompfad eine weitere Sicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung aufweisen.
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Die Batteriezelle ist bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet. Ferner wird nach einem Aspekt der Erfindung auch ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, das einen Elektromotor und eine Batterie mit zumindest einer der erfindungsgemäßen Batteriezellen aufweist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild einer Traktionsbatterie nach dem Stand der Technik,
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2 ein Funktionsschaltbild einer Batteriezelle nach dem Stand der Technik, die eine Überstromschutzeinrichtung aufweist, und
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3 ein Funktionsschaltbild einer Batteriezelle nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 3 ist ein Funktionsschaltbild einer Batteriezelle 300 nach einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Hierbei werden gleiche oder ähnliche Komponenten, die bereits in Zusammenhang mit der 2 erläutert wurden, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht erneut diskutiert. Im Unterschied zu der Batteriezelle 200 aus 2 weist die erfindungsgemäße Batteriezelle 300 zusätzliche Komponenten auf. Anhand dieser Komponenten soll im Folgenden ein Beispiel für die Realisierung des zusätzlichen, parallelen Strompfades erklärt werden.
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Der erfindungsgemäße zusätzliche, parallele Strompfad führt unmittelbar zur Löschung des Lichtbogens, der beispielsweise an der Schmelzsicherung 204 entstanden ist oder der sich aufgrund des Schmelzens der Sicherung 204 und einer dabei entstandenen Inhomogenität bilden kann. Die erfindungsgemäßen Überbrückungsmittel 301 fungieren als eine Lichtbogenlöscheinrichtung. In Zusammenhang mit der hier näher erläuterten Ausführungsform wird besonders auf einen steigenden Innendruck der Batteriezelle 300 eingegangen. Jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Lösung beschränkt. So wird gemäß einer anderen Ausführungsform, auf die hier nicht näher eingegangen wird, beispielsweise eine Temperaturüberwachung oder eine optische oder elektrische Überwachung bestimmter Stellen innerhalb der Batteriezelle 300 verwendet. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform wird, wie bereits erwähnt, davon ausgegangen, dass als Folge des Lichtbogens, der beim Schmelzen der zellinternen, als Schmelzsicherung ausgebildeten Überstromschutzeinrichtung 203 entsteht, der Innendruck der Batteriezelle 300 sehr rasch ansteigt. Dies macht sich dann die Erfindung zunutze. Genauer gesagt wird ein Mechanismus zur Parallelschaltung eines niederohmigen Strompfades ausgelöst, wobei der Strompfad bevorzugt bautechnisch insofern vorbereitet ist, dass zur Schließung des Strompfads lediglich eine Art von Schaltermitteln 306 betätigt werden muss, wobei die Betätigung durch eine Membran 305 erfolgt. Es wird eine druckabhängige Auslösung durch die Membran 305 realisiert, die im Normalbetrieb der Zelle nach innen gewölbt ist. Bei starkem Druckanstieg in der Batteriezelle 300 wölbt sich die Membran 305 schlagartig nach außen und verbleibt stabil in diesem Zustand, jedenfalls solange der hohe Innendruck vorherrscht. In dieser nach außen gewölbten Position schließt die Membran 305, wie beispielhaft gezeigt, das negative Terminal 201 der Batteriezelle 300 mit dem Gehäuse 216 niederohmig kurz. Diese Funktion wird in 3 durch die im linken Teil der dortigen Überbrückungsmittel 301 angeordneten Schaltermittel 306 dargestellt. Siehe auch die Widerstände und/oder Sicherung 303, 304. Zusätzlich ist im rechten Teil ein ohmscher Widerstand 302 zwischen dem Zellgehäuse 216 und dem positiven Terminal 202 dargestellt, welcher eine permanente elektrische Verbindung des Terminals 202 mit dem Gehäuse 216 ist. Eine solche elektrische Verbindung ist aus elektrochemischer Sicht für die Lebensdauer der Batteriezelle 300 häufig erwünscht und stellt damit keinen zusätzlichen Aufwand dar, ist aber für die hier beschriebene Maßnahme vorteilhaft.
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Insgesamt ergibt sich also bei nach außen gewölbter Membran 305 ein Strompfad, der vom negativen Terminal 201 aus startet, und der über den ohmschen Widerstand 303 und eine optionale Sicherung 304, und weiter über die Membran 305 und das Gehäuse 216, und weiter über die zwischen dem Gehäuse 216 und dem positiven Terminal 202 vorhandene elektrische Verbindung verläuft, und schließlich das positive Terminal 202 erreicht. Durch diesen Strompfad wird die Spannung an der zellinternen Sicherung 204 auf das elektrochemische Potenzial dieser Batteriezelle 300 beschränkt. Bei Lithium-Ionen-Zellen wäre dies derzeit kleiner gleich 4,2 V. Somit kann der Lichtbogen sofort verlöschen.
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Es gibt auch Ausführungsformen der Erfindung, bei denen optional die Überbrückungsmittel 301 mit zusätzlichen Zeitbegrenzungsmitteln ausgestattet sind. Auch können bei einer Ausführungsform die Materialparameter und die Konfiguration der Überbrückungsmittel 301 derart gewählt werden, dass nach dem Verlöschen des Lichtbogens der zusätzliche, parallele Strompfad wieder zurückgebildet wird. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die hier beispielhaft dargestellte Realisierung der Überbrückungsmittel 302 und der Maßnahmen zur Lichtbogenlöschung nur eine beispielhafte praktische Ausführung des erfindungsgemäßen parallelen, niederohmigen Strompfades sind. Je nach Ausführungsformen und spezieller Ausgestaltung der Batteriezelle werden andere geeignete und zweckmäßige Strompfade verwendet. Auch können statt der hier gezeigten Membran andere Auslösevorrichtungen zusätzlich oder alternativ zum Einsatz kommen. Es wird dabei jedes Mal der Grundgedanke verwirklicht, dass bezüglich einer Stelle innerhalb der Batteriezelle 300, an der ein Lichtbogen entstehen kann, ein schaltbarer paralleler, hinreichend niederohmig ausgebildeter Strompfad zur Verfügung steht.
