DE102012210168A1

DE102012210168A1 - Batteriesystem und Verfahren zur Strombegrenzung eines Batteriesystems

Info

Publication number: DE102012210168A1
Application number: DE201210210168
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2013-12-19

Abstract

Es wird ein Batteriesystem (300) beschrieben, das eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, mit einer oder mehreren Batteriezellen (101) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung an den Ausgängen (104, 105) des Batteriesystems (300) und mindestens einen Leistungsschalter (102) zum Trennen der Batteriezellen (101) von zumindest einem der Ausgänge (104, 105) umfasst. Das Batteriesystem (300) umfasst ferner eine zur Begrenzung eines Batteriestroms ausgebildete Einrichtung (200), die mit dem mindestens einen Leistungsschalter (102) in Reihe geschaltet ist und dazu angeordnet ist, im Falle eines Kurzschlusses aktiviert zu werden, wobei die Einrichtung (200) im Normalbetrieb der Batterie deaktiviert ist. Ferner wird ein dazugehöriges Verfahren zur Strombegrenzung eines Batteriesystems (300) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, das eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, mit einer oder mehreren Batteriezellen zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung an den Ausgängen des Batteriesystems und mindestens einen Leistungsschalter zum Trennen der Batteriezellen von zumindest einem der Ausgänge umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zur Strombegrenzung eines Batteriesystems.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen. Um eine Trennung des Batteriesystems von einem Verbraucher, beispielsweise einem Fahrzeugbordnetz, zu ermöglichen, ist es bekannt, Leistungsschalter, insbesondere Schütze, einzusetzen. Zur Erhöhung der Sicherheit des Batteriesystems, um beispielsweise einen Benutzer und einen an die Batterie angeschlossenen Verbraucher bei Überstrom und Kurzschluss zu schützen, sind ferner Sicherungen bekannt, die in der Regel in das Batteriesystem integriert sein können. Die 1 zeigt schematisch ein solches bekanntes Batteriesystem 100. Das Batteriesystem 100 umfasst eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen 101, die mit einem Verbraucher verbunden sind, beziehungsweise hier den Elektromotor 108 versorgen. Zu diesem Zweck sind die Batterieanschlüsse 104, 105 jeweils mit einem Wechselrichter 107 verbunden, der aus einer Gleichspannung der Batterie drei zueinander phasenverschobene Wechselspannungen erzeugt, die den drei Klemmen des Elektromotors 108 zugeführt werden. Ferner ist sowohl an dem positiven Anschluss 104 als auch an dem negativen Anschluss 105 jeweils ein Leistungsschalter 102 angeordnet, womit ein beidseitiges spannungslos Schalten beziehungsweise stromlos Schalten des Batteriesystems 100 ermöglicht wird. Ferner ist eine Sicherung 106, die beispielsweise als Schmelzsicherung ausgebildet sein kann, mit den Batteriezellen 101 in Serie geschaltet.
Für die Sicherung fallen relativ hohe Kosten an. Außerdem müssen die Leistungsschalter und die Sicherung aufeinander abgestimmt werden, da bei zu hochamperig gewählter Sicherung ein Kleben der Leistungsschalter (Schütze) nicht ausgeschlossen werden kann, wohingegen bei verhältnismäßig zu groß gewählten Leistungsschaltern zusätzliche hohe Kosten anfallen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, das eine Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung an den Ausgängen des Batteriesystems und mindestens einen Leistungsschalter zum Trennen der Batteriezellen von zumindest einem der Ausgänge umfasst. Das Batteriesystem weist eine Einrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, den Batteriestrom zu begrenzen. Die Einrichtung ist mit dem mindestens einen Leistungsschalter in Reihe geschaltet und ist dazu angeordnet, im Falle eines Kurzschlusses aktiviert zu werden. Das Batteriesystem ist ferner derart ausgebildet, dass die Einrichtung im Normalbetrieb der Batterie deaktiviert ist.
Ferner wird ein Verfahren zur Strombegrenzung eines Batteriesystems geschaffen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst grundsätzlich die folgenden Schritte: Aktivieren einer Einrichtung zur Begrenzung eines Batteriestroms, wenn der Batteriestrom einen ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, und Betätigen zumindest eines Leistungsschalters zum stromlos Schalten der Ausgänge des Batteriesystems bei aktivierter Strombegrenzung zumindest dann, wenn eine Erhöhung des Batteriestroms um einen vorbestimmten Wert stattfindet oder wenn ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert für den Batteriestrom für eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten wird.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Sicherheit des Batteriesystems erhöht wird. Dies bedeutet insbesondere, dass die im Stand der Technik vorhandene Sicherung entfallen kann. Daher können dank der Erfindung Kosten eingespart werden, und es ist keine Abstimmung mehr zwischen Sicherung und den Schützen notwendig. Da die erfindungsgemäß angeordnete Einrichtung zur Strombegrenzung als Kurzschlussstrombegrenzung (Englisch: Short Current Limiter, SCL) verwendbar ist, wird somit zuverlässig der Batteriestrom im Falle eines Kurschlusses zunächst begrenzt. Dann können die Leistungsschalter, insbesondere die Schütze, abgeschaltet werden, wobei aufgrund der Strombegrenzung ein Kleben der Schütze zuverlässig vermieden wird. Daher wird im Kurzschlussfall der Strom auf eine sichere Art und Weise unterbrochen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Einrichtung zur Begrenzung des Batteriestroms einen Widerstand auf, der parallel zu einem Schalter angeordnet ist. Über diesen Schalter kann im Normalzustand des Betriebs des Batteriesystems, das heißt, wenn kein Überstrom oder Kurzschluss vorliegt, der Strompfad des Batteriestroms verlaufen.
Es wird bevorzugt, dass der Schalter ein Transistor ist, der erfindungsgemäß im Falle eines Kurzschlusses abgeschaltet, das heißt nicht leitend geschaltet wird. Dies kann ferner vorteilhaft mit einem als Schütz ausgefertigten Leistungsschalter kombiniert werden.
Die Erfindung ist mit Vorteil insbesondere auf derartige Batteriesysteme anzuwenden, deren Batteriezellen in zumindest einem Batteriezellenstrang angeordnet sind. Nach einem Merkmal der Erfindung ist, anschaulich ausgedrückt, der Leistungsschalter in einem Strompfad der Batterie mit der zur Strombegrenzung vorgesehenen Einrichtung in Reihe geschaltet, wobei die Erfindung aber nicht auf eine bestimmte Reihenfolge oder Art von Reihenschaltung beschränkt ist. Die erfindungsgemäßen Komponenten zur Stromunterbrechung und zur Strombegrenzung können je nach Anwendungsfall unterschiedlich angeordnet sein, wobei eine hohe Flexibilität vorhanden ist. So kann die Erfindung beispielsweise derart in einem Batteriesystem angewandt werden, dass die Einrichtung zur Begrenzung des Batteriestroms und der mindestens eine Leistungsschalter an derselben positiven oder negativen Seite eines Batteriezellenstrangs angeordnet sind. Dabei kann die Einrichtung entweder zwischen dem entsprechenden positiven bzw. negativen Ausgang des Batteriesystems und dem mindestens einen Leistungsschalter oder zwischen dem Batteriezellenstrang und dem mindestens einen Leistungsschalter angeordnet sein. Alternativ können, beispielsweise gemäß einer baulichen Anforderung, die Einrichtung zur Strombegrenzung und der mindestens eine Leistungsschalter an unterschiedlichen Seiten des Batteriezellenstrangs angeordnet sein, wobei wahlweise eine einpolige Abschaltung implementiert werden kann.
Bevorzugt wird, dass das Batteriesystem zwei Leistungsschalter aufweist, so dass vorteilhaft ein zweipoliges spannungslos Schalten des Batteriezellenstrangs ermöglicht wird.
Das Batteriesystem ist bevorzugt derart eingerichtet, dass die Einrichtung zur Begrenzung des Batteriestroms aktiviert wird, wenn ein erster vorbestimmter Schwellenwert eines Batteriestroms überschritten wird. Der Schwellenwert kann in dem Batteriesystem gespeichert sein. Der Leistungsschalter kann geschaltet werden, wenn ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert eines Batteriestroms überschritten wird. Dabei werden erfindungsgemäß die Schwellenwerte derart gewählt, dass die Einrichtung zur Begrenzung des Batteriestroms grundsätzlich vor einem Abschalten des Leistungsschalters erfolgt. Gemäß einer bestimmten Konfiguration des Batteriesystems kann dies beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der zweite vorbestimmte Schwellenwert einem höheren Stromwert entspricht als der erste vorbestimmte Schwellenwert. Bei anderen Ausführungsformen wird der zweite vorbestimmte Schwellenwert jedoch verringert, wobei der Leistungsschalter dazu entsprechend angesteuert werden kann.
Somit wird die Sicherheit auf besonders zuverlässige Weise gewährleistet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist das Batteriesystem mehrere Batteriezellenstränge oder mehrere Batteriezellen aufweisende Batteriemodulstränge auf, wobei die Einrichtung zur Begrenzung des Batteriestroms in entsprechend mehrfacher Ausfertigung in dem Batteriesystem vorhanden ist, wobei jedem der Batteriezellenstränge oder Batteriemodulstränge jeweils eine der Einrichtungen zugeordnet ist.
Das Batteriesystem weist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie auf.
Ferner wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, geschaffen, welches das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst, wobei das Batteriesystem in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Batteriesystem, das mit zwei Leistungsschaltern sowie einer Sicherung ausgestattet ist, gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur Begrenzung eines Batteriestroms, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
3 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems, das mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Begrenzung eines Batteriestroms ausgestattet ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In 2 wird ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung 200 zur Begrenzung eines Batteriestroms gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Einrichtung 200 weist zwei parallele Zweige mit einem Widerstand 201 und einem zu dem Widerstand 201 parallel geschalteten Schalter 202 auf. Der Schalter 202 ist dazu ausgelegt, im Normalbetrieb geschlossen zu sein und den Batteriestrom zu leiten. Im Kurzschlussfall beziehungsweise bei einer signifikanten Erhöhung des Batteriestroms um einen bestimmten Wert oder über einen vorbestimmten Schwellenwert wird der Schalter 202 geöffnet. Somit fließt der Batteriestrom im Kurzschlussfall, beispielsweise bei einem Kurzschluss zwischen hier nicht dargestellten Ausgängen beziehungsweise Polen der Batterie, über den Widerstand 201. Der Widerstand 201 kann ein ohmscher Widerstand sein, der hinreichend hochohmig ausgelegt ist, so dass sich bei gleichbleibender Batteriespannung ein verringerter Stromfluss ergibt, wodurch eine Begrenzung des Batteriestroms erreicht wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Begrenzung des Batteriestroms fließt ein verringerter Kurzschlussstrom zwischen den Terminals der Einrichtung 200, hier beispielsweise einem positiven Ausgang 104 des Batteriesystems und einem mit einem Leistungsschalter (nicht dargestellt) verbunden, Batteriesystem-intern angeordneten Anschluss 203 der Einrichtung 200.
In 3 wird ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems 300 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt, das mit der erfindungsgemäßen Einrichtung 200 zur Begrenzung eines Batteriestroms ausgestattet ist. In der gemäß 3 gezeigten Ausführungsform ist die Einrichtung 200 zwischen dem mit dem positiven Ausgang 104 des Batteriesystems 300 verbundenen Leistungsschalter 102 und einer Klemme einer Batteriezelle 101 angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Einrichtung 200 beispielsweise baulich mit einem Batteriezellenstrang oder einem Batteriemodul, das die Batteriezelle 101 aufweist, integriert sein kann, wobei die beiden Leistungsschalter 102 jeweils separat verbunden sein können.
In der Darstellung gemäß 3 wird aus Gründen der Vereinfachung nur eine einzelne Batteriezelle 101 dargestellt, jedoch ist die Erfindung nicht auf eine besondere Bauform eines Batteriesystems beschränkt. Die Batteriezelle 101 ist gemäß der gezeigten Ausführungsform eine Lithium-Ionen-Zelle, die baulich zusammen mit der Einrichtung 200 in dem Batteriesystem 300 integriert ist. Der Schalter 202 ist hier als Transistor, insbesondere als Leistungstransistor, ausgebildet.
Gemäß der Funktionsweise der Erfindung wird der Transistor im Falle eines Kurzschlusses abgeschaltet. Das Batteriesystem 300 weist typischerweise noch weitere Komponenten auf, die hier nicht näher beschrieben oder dargestellt sind. So kann das Batteriesystem 300 eine Steuerung aufweisen, die den Batteriestrom misst und die Einrichtung 200 zur Strombegrenzung sowie den Leistungsschalter 102 auf geeignete Weise ansteuert. Das Batteriesystem 300 ist so ausgelegt, dass der Leistungsschalter 102 zur Stromunterbrechung betätigt wird, sobald der Batteriestrom mittels der Einrichtung 200 begrenzt wurde. Dabei ist hier in erster Linie der Leistungsschalter 102 gemeint, der direkt mit der Einrichtung 200 verbunden ist, wobei aber der andere im Strompfad des Batteriesystems 300 in Reihe geschaltete Leistungsschalter 102, das heißt der mit dem negativen Ausgang 105 gekoppelte Leistungsschalter 102, ebenfalls angesteuert werden kann.
Es gibt Varianten der Erfindung, bei denen ein Abschalten des Leistungsschalters 102 von einem weiteren zu überschreitenden Schwellenwert für den Batteriestrom abhängig ist, oder bei denen alternativ oder zusätzlich eine vorbestimmte zwischen der Aktivierung der Einrichtung 200 und einem Abschalten des Leistungsschalters 102 Zeitdauer verwendet wird.

Claims

Batteriesystem (300), das eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, mit einer oder mehreren Batteriezellen (101) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung an den Ausgängen (104, 105) des Batteriesystems (300) und mindestens einen Leistungsschalter (102) zum Trennen der Batteriezellen (101) von zumindest einem der Ausgänge (104, 105) umfasst, gekennzeichnet dadurch, dass das Batteriesystem (300) eine zur Begrenzung eines Batteriestroms ausgebildete Einrichtung (200) aufweist, die mit dem mindestens einem Leistungsschalter (102) in Reihe geschaltet ist und dazu angeordnet ist, im Falle eines Kurzschlusses aktiviert zu werden, wobei die Einrichtung (200) im Normalbetrieb der Batterie deaktiviert ist.
Batteriesystem (300) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (200) zur Begrenzung des Batteriestroms einen Schalter (202) und einen Widerstand (201) umfasst, die zueinander parallel geschaltet sind.
Batteriesystem (300) nach Anspruch 2, wobei der Schalter (202) ein Transistor ist und/oder wobei der mindestens eine Leistungsschalter (102) ein Schütz ist.
Batteriesystem (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (101) in zumindest einem Batteriezellenstrang angeordnet sind und wobei die Einrichtung (200) zur Begrenzung des Batteriestroms und der mindestens eine Leistungsschalter (102) an derselben positiven oder negativen Seite des Batteriezellenstrangs angeordnet sind, so dass die Einrichtung (200) zwischen dem entsprechenden positiven bzw. negativen Ausgang (104, 105) des Batteriesystems (300) und dem mindestens einen Leistungsschalter (102) oder zwischen dem Batteriezellenstrang und dem mindestens einen Leistungsschalter (102) angeordnet ist.
Batteriesystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Batteriezellen (101) in zumindest einem Batteriezellenstrang angeordnet sind und wobei die Einrichtung (200) zur Begrenzung des Batteriestroms und der mindestens eine Leistungsschalter (102) an unterschiedlichen Seiten des Batteriezellenstrangs angeordnet und mit unterschiedlichen Ausgängen (104, 105) des Batteriesystems (300) gekoppelt sind.
Batteriesystem (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (300) derart eingerichtet ist, dass die Einrichtung (200) zur Begrenzung des Batteriestroms aktiviert wird, wenn ein erster vorbestimmter Schwellenwert eines Batteriestroms überschritten wird, und der Leistungsschalter (102) geschaltet wird, wenn ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert eines Batteriestroms überschritten wird.
Batteriesystem (300) nach Anspruch 6, wobei das Batteriesystem (300) ferner derart eingerichtet ist, dass der zweite vorbestimmte Schwellenwert einem höheren Stromwert entspricht als der erste vorbestimmte Schwellenwert.
Batteriesystem (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (300) mehrere Batteriezellenstränge oder mehrere Batteriezellen aufweisende Batteriemodulstränge umfasst und wobei die zur Begrenzung des Batteriestroms vorgesehene Einrichtung (200) in entsprechend mehrfacher Ausfertigung in dem Batteriesystem (300) vorhanden ist, wobei jedem der Batteriezellenstränge oder Batteriemodulstränge jeweils eine der Einrichtungen (200) zugeordnet ist.
Verfahren zur Strombegrenzung eines Batteriesystems (300), gekennzeichnet durch die Schritte: Aktivieren einer Einrichtung (200) zur Begrenzung eines Batteriestroms, wenn der Batteriestrom einen ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, und Betätigen zumindest eines Leistungsschalters (102) zum stromlos Schalten der Ausgänge des Batteriesystems (300), wenn bei aktivierter Strombegrenzung eine Erhöhung des Batteriestroms um einen vorbestimmten Betrag stattfindet, oder wenn ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert für den Batteriestrom für eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten wird.
Kraftfahrzeug, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, das ein Batteriesystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, wobei das Batteriesystem (300) in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.