DE102012213926A1 - Batteriemodul, Batteriemanagementsystem, System zur Versorgung eines Antriebs einer zur Drehmomenterzeugung geeigneten Maschine mit elektrischer Energie und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriemanagementsystem und ein System zur Versorgung eines Antriebs einer zur Drehmomenterzeugung geeigneten Maschine mit elektrischer Energie. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug. Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul (220), welches gekennzeichnet ist durch mindestens eine Entladeschaltung zur Entladung von vom Batteriemodul (220) umfassten Batteriezellen (140), wobei die Entladeschaltung einen Steuersignaleingang, einen Schalter (320) und einen Widerstand (310) umfasst und ausgelegt ist, den Schalter (320) in Reaktion auf ein Steuersignal am Steuersignaleingang zu schließen, um Terminals des Batteriemoduls (220) elektrisch zu verbinden. Mittels eines entsprechenden Steuersignals kann dann das Batteriemodul sicher entladen werden. Interne Kurzschlüsse, die zum Beispiel auch längere Zeit nach einer mechanischen Krafteinwirkung noch auftreten können, können dann nicht mehr zum Brand der Zellen führen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriemanagementsystem und ein System zur Versorgung eines Antriebs einer zur Drehmomenterzeugung geeigneten Maschine mit elektrischer Energie. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Hochleistungsbatteriesysteme zur Erzeugung von Wechselspannung umfassen oft eine Lithium-Ionen-Technologie basierte Batterie und einen auch als Inverter bezeichneten Wechselrichter mit auf parallelen Stromzweigen seriell angeordneten Leistungsschaltern. Umfasst der Inverter eines solchen Batteriesystems drei oder mehr parallele Strompfade, so kann das Batteriesystem direkt für die Speisung einer zur Drehmomenterzeugung geeigneten Maschine zum Antrieb von Hybrid- und Elektrofahrzeugen ausgebildet werden. Solche Batteriesysteme werden auch als Traktionsbatteriesysteme oder kurz als Traktionsbatterien bezeichnet.
  • Um die bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen und in anderen Wechselspannung basierten Anwendungen geforderten Leistungs- und Energiedaten zu erzielen, weisen Batterien elektrische Spannungen von bis zu 450 Volt auf. In Traktionsbatterien werden dazu einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet.
  • Bei Hochleistungsbatterien wird daher üblicherweise eine elektrische Spannungsgrenze von 60 Volt, welche bezüglich einer Berührung durch Menschen als unkritisch eingestuft wird, überschritten.
  • Das Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls 220 nach Stand der Technik ist in 1 dargestellt. Neben den Batteriezellen 140 des Batteriemoduls 220 weist das Batteriesystem noch eine sogenannte Lade- und Trenneinrichtung 130 auf, die in 1 zwischen dem Pluspol des Batteriesystems und den Batteriezellen 140 des Batteriemoduls 220 angeordnet ist. Mit einem Trennschalter 120 und einem Trennschalter 125 kann ein Pluspol der Batteriezellen elektrisch vom Pluspol des Batteriesystems abgetrennt werden. Mit dem Trennschalter 120 kann der Pluspol der Batteriezellen auch niederohmig, also mit geringem Widerstand, mit dem Pluspol der Batterie elektrisch verbunden werden. Bei geöffnetem Trennschalter 120 kann der Pluspol der Batteriezellen mit dem Trennschalter 125 auch über eine Ladestromquelle 110 mit dem Pluspol der Batterie elektrisch verbunden werden. Als optionale Funktionseinheit ist in 1 eine weitere Trenneinrichtung 170 dargestellt, mit welcher die Batteriezellen 140, falls gefordert, über einen zweiten Trennschalter 150 zweipolig vom Minuspol des Batteriesystems getrennt werden kann. Das Batteriesystem in 1 weist zudem einen Service-Disconnect-Stecker 160 auf. Dabei handelt es sich um einen mechanischen Trennstecker, der bei Unfällen oder anderen Gefahren von Rettungs- oder Wartungskräften abgezogen werden kann, um die Batterie einpolig zu trennen. Die Anordnung des Service-Disconnect-Steckers 160 in 1 ist beispielhaft, eine nicht symmetrische Anordnung ist ebenfalls möglich.
  • In 2 ist das Prinzipschaltbild eines elektrischen Antriebssystems nach Stand der Technik dargestellt, wie es zum Beispiel in Elektro- und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommt. Die elektrische Maschine 200, die zum Beispiel als Drehfeldmaschine ausgeführt ist, wird über einen Inverter oder Pulswechselrichter 210 gespeist.
  • Bei den derzeit bekannten Batteriesystemen ist es üblich, dass die Batterie bei Erkennung eines kritischen Zustands, wie zum Beispiel einem Unfall, bei dem die Rückhaltesysteme ausgelöst werden, vom Traktionsbordnetz des Fahrzeugs abgetrennt werden. Sofern durch Vorhandensein zweier Trennvorrichtungen möglich, kann dabei eine zweipolige Abtrennung vom Inverter erfolgen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul nach Anspruch 1 zur Entladung von einer durch ein Batteriesystem umfassten Batterie vorgestellt. Das Batteriemodul ist gekennzeichnet durch mindestens eine Entladeschaltung zur Entladung von vom Batteriemodul umfassten Batteriezellen, wobei die Entladeschaltung einen Steuersignaleingang, einen Schalter und einen Widerstand umfasst und ausgelegt ist, den Schalter in Reaktion auf ein Steuersignal am Steuersignaleingang zu schließen, um Terminals des Batteriemoduls elektrisch zu verbinden.
  • Mittels eines entsprechenden Steuersignals kann dann das Batteriemodul sicher entladen werden. Interne Kurzschlüsse, die zum Beispiel auch längere Zeit nach einer mechanischen Krafteinwirkung noch auftreten können, können dann nicht mehr zum Brand der Zellen führen.
  • In einer Ausführungsform ist der Widerstand so ausgelegt, dass die Batteriezellen ausgehend von einem Vollladezustand innerhalb einer vorgegebenen Zeit entladen werden können.
  • Dann kann durch Zeitüberwachung festgestellt werden, wann das Modul vollständig entladen ist.
  • Dabei kann der Schalter ein elektromechanischer Schalter oder ein Halbleiterschalter sein.
  • Dies erlaubt einfaches Schalten.
  • Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Batteriezellen des Batteriemoduls in Batteriezellsträngen gruppiert sind, wobei jeder Batteriezellstrang eine Entladeschaltung umfasst.
  • Die Dauer der Entladung kann damit verkürzt werden.
  • Eine zwischen zwei der Batteriezellsträngen befindliche elektrische Verbindung kann einen abziehbaren Service-Disconnect-Stecker umfassen, wobei bei abgezogenem Service-Disconnect-Stecker die mindestens eine elektrische Verbindung unterbrochen ist. Dies erhöht die Sicherheit vor Entladung.
  • Weist das Batteriemodul eine Elektronik zur Angleichung von Ladezuständen der Batteriezellen durch Entladung der Batteriezellen über eine Parallelschaltung von ohmschen Widerständen auf, kann die Elektronik verwendet werden, in Reaktion auf das Steuersignal, die Batteriezellen auch über die Parallelschaltung zu entladen.
  • Die Dauer der Entladung kann damit weiter verkürzt werden.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Batteriemanagementsystem für ein Batteriesystem vorgeschlagen, wobei das Batteriesystem mindestens ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst. Das Batteriemanagementsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem einen Steuersignalausgang umfasst und ausgebildet ist, ein Steuersignal am Signalausgang bereitzustellen, wobei das bereitgestellte Steuersignal geeignet ist, ein Schließen des Schalters der Entladeschaltung zu bewirken.
  • In einer Ausführungsform des Batteriemanagementsystems für die Ausführungsform des Batteriemoduls, welche eine Elektronik zur Angleichung von Ladezuständen der Batteriezellen durch Entladung der Batteriezellen über eine Parallelschaltung von ohmschen Widerständen umfasst, ist das bereitgestellte Steuersignal weiterhin geeignet, eine Entladung über die Parallelschaltung zu bewirken.
  • Erfindungsgemäß wird schließlich ein Kraftfahrzeug mit einer zur Drehmomenterzeugung aus elektrischer Energie geeigneten Maschine und einem System zur Versorgung der Maschine mit elektrischer Energie vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug ist gekennzeichnet dadurch, dass das System ein Batteriemodul gemäß der Erfindung und ein Batteriemanagementsystem gemäß der Erfindung umfasst.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems nach Stand der Technik;
  • 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Antriebssystems nach Stand der Technik;
  • 3 zeigt ein Prinzipschaltbild einer ersten beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls und
  • 4 zeigt ein Prinzipschaltbild einer zweiten beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Entwicklungsbegleitende Tests an Batteriesystemen zur Erzeugung von Wechselspannung wie beispielsweise Lithium-Ionen Batterien mit Inverter mit auf parallelen Stromzweigen seriell angeordneten Leistungsschaltern haben ergeben, dass bei Batteriesystemen, die nach mechanischen Tests trotz massiver mechanischer Krafteinwirkungen auf die Batterien während des Tests zunächst keine Probleme verursacht haben, mehrfach Fälle auftraten, bei denen die zunächst unauffälligen Batteriesysteme Wochen nach den mechanischen Tests in Brand gerieten.
  • Die im Folgenden genauer beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben es, Batteriezellen nach einem Unfall oder bei schwerwiegenden technischen Problemen, wie zum Beispiel einer drohenden Überladung der Batteriezellen durch ein nicht ordnungsgemäß funktionierendes Ladegerät, durch kontrollierte Entladung in einen sicheren Zustand zu überführen. Auch ein längerer Verbleib der Batterie in diesem sicheren Zustand kann nicht zu einem Brand führen. Die Batteriezellen werden dabei soweit entladen, dass zum Beispiel interne Kurzschlüsse nicht mehr zu einem Brand der Zellen führen können.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, sofort nach Erkennen eines Unfalls oder eines schwerwiegenden technischen Problems, mittels eines Batteriemanagementsystems zunächst eine mindestens einpolige, besser, sofern möglich, zweipolige Abtrennung der Batterie 220 über das Öffnen der Trennschalter durchzuführen.
  • Anschließend sendet das Batteriemanagementsystem über die Kommunikationsschnittstelle der Abtaktschaltung 300 einen Befehl zur Schließung des Schalters 310. Bei geschlossenem Schalter 310 werden dann die Batteriezellen 140 über den Widerstand 320 der Abtaktschaltung 300 entladen.
  • Sind mehrere Entladeschaltungen 301 und 302 vorhanden, die jeweils zur Entladung von im Batteriemodul enthaltenen Batteriezellsträngen 141 und 142 vorgesehen sind, sendet das Batteriemanagementsystem den Steuerbefehl zum Schließen der Schalter in allen Batteriezellsträngen 141 und 142. Dies ist beispielhaft für zwei Stränge in 4 dargestellt.
  • In einem nicht in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt das Batteriemodul zudem über eine Elektronik zum Ladungsausgleich. Dies wird auch als Cell Balancing bezeichnet. Mit Hilfe der Elektronik ist es möglich, die Zellen über eine Parallelschaltung von ohmschen Widerständen gezielt zu entladen und so die Ladungszustände der Zellen aneinander anzugleichen. Das nicht in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst dabei eine Ansteuerungsmöglichkeit zur Ansteuerung der Elektronik, so dass die Zellen zeitgleich sowohl über die Abtakt- oder Entladeschaltung als auch die Cell Balancing Elektronik entladen werden. Diese Form der zusätzlichen Entladung ist unabhängig davon, ob Trennvorrichtungen die Batterie von einem Verbraucher, beispielsweise ein über einen Inverter gespeisten Elektromotor, getrennt wurden oder ob ein Service-Disconnect-Stecker zwischen zwei im Modul enthaltenen Batteriezellsträngen abgezogen wurde.
  • In einem anderen nicht in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel dient das Batteriemodul zusammen mit einem Inverter oder Pulswechselrichter zur Speisung einer elektrischen Maschine, die zum Beispiel als Drehfeldmaschine ausgeführt ist. Der Inverter umfasst mindestens parallele Stromzweige mit seriell verbundenen, durch externe Ansteuerung des Inverters schaltbaren Leistungsschaltern. Der Inverter ist für eine externe Ansteuerung ausgelegt, die bewirkt, dass Leistungsschalter in mindestens einem der parallelen Stromzweige gleichzeitig angeschaltet sind. Das andere nicht in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst dabei eine Ansteuerungsmöglichkeit zur Ansteuerung einer Elektronik des Inverters und der Trenneinrichtungen, so dass die Zellen zeitgleich sowohl über die Abtakt- oder Entladeschaltung als auch über die Ladestromquelle und den Inverter entladen werden.
  • Diese andere nicht gezeigte Ausführungsform ist speziell für ein System ohne Service-Disconnect-Stecker geeignet, oder für Situationen, in denen der Service-Disconnect-Stecker nicht abgezogen ist. Ein zusätzliches Entladen über die Ladestromquelle und den Inverter kann jedoch durch entsprechende Ansteuerung durch das Batteriemanagementsystem immer initiiert werden, unabhängig davon, ob ein solches zusätzliches Entladen durch Ziehen des Service-Disconnect-Steckers oder Defekt am Inverter unmöglich gemacht ist oder nicht.
  • Bei einer zusätzlichen Entladung über die Ladestromquelle 110 muss diese für die bei der zusätzlichen Entladung auftretenden Stromstärken ausgelegt sein. Alternativ kann das Batteriemanagementsystem während des Entladens prüfen, ob eine Überlastung der Stromquelle 110 droht. Wenn ja, wird die Ladestromquelle 110 temporär abschaltet. Eine Überlastung kann dabei durch das Batteriemanagementsystem zum Beispiel modellbasiert erkannt werden. Nachdem das Prüfen ergeben hat, dass sich die Ladestromquelle 110 infolge der Abschaltung von der Überlastung erholt hat und wieder bereit ist, die Batteriezellen 140 zu entladen, wird sie vom Batteriemanagementsystem wieder zugeschaltet und die Batterie 220 weiter entladen.
  • Ob über die Abtaktschaltung allein oder unter Zuhilfenahme von Cell Balancing Elektronik und/oder Inverter, die Zellen 140 des Batteriesystems werden auf diese Weise soweit entladen, dass ein später auftretender unkontrollierter interner oder externer Kurzschluss nicht mehr zu einer Gefährdung führen kann.
  • Nach der Feststellung, dass die Batterie 220 ausreichend entladen ist, kann die Batterie 220 in dem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel wieder durch Öffnen 11 der Trennschalter 120 und 150 und gleichzeitiger Abschaltung 2 der Ladestromquelle 110 vom Inverter 210 zweipolig abgetrennt werden.
  • Grundsätzlich ist es sinnvoll, die Batteriezellen 140 bei technischen Problemen in einen entladenen Zustand zu überführen. Als ein Beispiel sei ein Ladevorgang einer Batterie 220 in einem Elektrofahrzeug genannt, bei dem das Ladegerät aufgrund eines Fehlers den Ladestrom nicht reduziert, obwohl die Batterie 220 vollgeladen ist.
  • In diesem Fall würde die Batterie 220 in einer der beschriebenen Weisen entladen.

Claims (10)

  1. Batteriemodul (220), gekennzeichnet durch mindestens eine Entladeschaltung (300, 301, 302) zur Entladung von vom Batteriemodul (220) umfassten Batteriezellen (140), wobei die Entladeschaltung (300, 301, 302) einen Steuersignaleingang, einen Schalter (320) und einen Widerstand (310) umfasst und ausgelegt ist, den Schalter (320) in Reaktion auf ein Steuersignal am Steuersignaleingang zu schließen, um Terminals des Batteriemoduls (220) elektrisch zu verbinden.
  2. Batteriemodul (220) nach Anspruch 1, wobei der Widerstand (310) so ausgelegt ist, dass die Batteriezellen (140) ausgehend von einem Vollladezustand innerhalb einer vorgegebenen Zeit entladen werden können.
  3. Batteriemodul (220) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schalter (320) ein elektromechanischer Schalter oder ein Halbleiterschalter ist.
  4. Batteriemodul (220) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Batteriezellen des Batteriemoduls (220) in Batteriezellsträngen (141, 142) gruppiert sind, wobei jeder Batteriezellstrang (141, 142) eine Entladeschaltung (301, 302) umfasst.
  5. Batteriemodul (220) nach Anspruch 4, wobei mindestens eine zwischen zwei der Batteriezellsträngen (141, 142) befindliche elektrische Verbindung einen abziehbaren Service-Disconnect-Stecker (160) umfasst, wobei bei abgezogenem Service-Disconnect-Stecker (160) die mindestens eine elektrische Verbindung unterbrochen ist.
  6. Batteriemodul (220) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Batteriemodul (220) eine Elektronik zur Angleichung von Ladezuständen der Batteriezellen (140) durch Entladung der Batteriezellen über eine Parallelschaltung von ohmschen Widerständen umfasst, und wobei die Elektronik in Reaktion auf das Steuersignal die Batteriezellen (140) auch über die Parallelschaltung entlädt.
  7. Batteriemanagementsystem für ein Batteriesystem, wobei das Batteriesystem mindestens ein Batteriemodul (220) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem einen Steuersignalausgang umfasst und ausgebildet ist, ein Steuersignal am Signalausgang bereitzustellen, wobei das bereitgestellte Steuersignal geeignet ist, ein Schließen des Schalters (320) der Entladeschaltung zu bewirken.
  8. Batteriemanagementsystem nach Anspruch 7, wobei das Batteriemodul (220) eine Elektronik zur Angleichung von Ladezuständen der Batteriezellen (140) durch Entladung der Batteriezellen (140) über eine Parallelschaltung von ohmschen Widerständen umfasst, und wobei das Steuersignal weiterhin geeignet ist, eine Entladung über die Parallelschaltung zu bewirken.
  9. System zur Versorgung eines Antriebs einer zur Drehmomenterzeugung geeigneten Maschine mit elektrischer Energie, gekennzeichnet durch: ein Batteriemodul (220) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, und ein Batteriemanagementsystem gemäß einem der Ansprüche 7 und 8.
  10. Kraftfahrzeug mit einer zur Drehmomenterzeugung geeigneten Maschine (200), einem Inverter (210) und einem System gemäß Anspruch 9 zur Versorgung der zur Drehmomenterzeugung geeigneten Maschine mit elektrischer Energie.
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