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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mindestens einer Batterie mit Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen, wie sie etwa in Traktionsbatterien von Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugen, also in Kraftfahrzeugen mit zumindest teil- oder zeitweise elektrisch betriebenen Antrieben, Verwendung finden. Die Erfindung betrifft daher auch ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit, höhere Energiedichten und eine sinkende Selbstentladung finden Batterien immer breitere Anwendungen. Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcordern, Powertools, mp3-Player und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen, etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden.
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Batterien können zum Beispiel durch das serielle Verschalten von Batteriemodulen gebildet werden, wobei teilweise auch parallele Verschaltungen der Batteriemodule erfolgen und die Batteriemodule ihrerseits aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen bestehen können.
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Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen-Technologie. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können.
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Damit die Interkalation von Lithium-Ionen bzw. die Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfindet, ist die Anwesenheit von einem sogenannten Lithium-Ionen-Leitsalz notwendig. Bei den meisten derzeitig auf dem Markt erhältlichen Lithium-Ionen-Zellen basierten Batterien wird als Lithium-Leitsalz Lithium-hexa-Fluorophosphat (LiPF6) eingesetzt. Dies gilt sowohl im Bereich kleiner tragbarer elektronischer Geräte als auch im Kraftfahrzeugbereich.
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Andere bekannte Batteriechemiesysteme sind Nickel-Metall-Hydrid-Zellen, Lithium-Metall-Polymer-Zellen und Lithium-Polymer-Zellen basierte Batterien.
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Zur Kontrolle der Einzelspannung und Temperatur der Zellen werden Sensorleitungen von den Zellanschlüssen zu einer Spannungsüberwachungsvorrichtung, etwa einer Zellüberwachungsplatine geführt.
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Nach dem Stand der Technik sind die Sensorleitungen üblicherweise als Kabel oder Stanzgitter ausgeführt, wobei die Leitungsquerschnitte gering sind. Bei einem Kurzschluss schmilzt aufgrund des geringen Querschnitts die komplette Leitung.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batterie nach Anspruch 1 mit mindestens zwei Batteriezellen und einer elektrischen Verbindung zwischen einem Batteriepol einer der mindestens zwei Batteriezellen und einem Batteriepol einer anderen der mindestens zwei Batteriezellen vorgestellt. Von der elektrischen Verbindung zweigt eine weitere elektrische Verbindung zur Messung einer Batteriezellspannung zumindest einer der Batteriezellen ab.
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Die Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass die weitere elektrische Verbindung mindestens zwei Abschnitte umfasst, wobei die Abschnitte für unterschiedliche Maximalstromstärken ausgelegt sind.
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Dies ermöglicht einen der Abschnitte als eine Schmelzsicherung auszulegen, die bei einer zwischen den unterschiedlichen Maximalstromstärken gelegenen Schmelzstromstärke schmilzt. So wird eine, im Vergleich zur Verwendung von Einzelsicherungen günstige und einfache Darstellung einer Sicherung in der Zellüberwachung realisiert, die bei einem Kurzschluss die Verbindung trennt.
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In einer Ausführungsform umfassen die unterschiedliche Maximalstromstärken mindestens eine niedrigere Maximalstromstärke niedriger als eine Schmelzstromstärke und eine höhere Maximalstromstärke höher als die Schmelzstromstärke, wobei mindestens einer der Abschnitte als Schmelzabschnitt für die niedrigere Maximalstromstärke ausgelegt ist und bei der Schmelzstromstärke schmilzt und mindestens ein anderer der Abschnitte für die höhere Maximalstromstärke ausgelegt ist und bei der Schmelzstromstärke nicht schmilzt.
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Vorteilhafterweise ist der Schmelzabschnitt einer optischen Kontrolle zugänglich.
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So kann der mindestens eine andere der Abschnitte mit einen Kunststoffmantel ummantelt und der Schmelzabschnitt unummantelt sein.
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Dies verbessert die Trennwirkung.
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In der einen oder einer anderen Ausführungsform grenzt der Schmelzabschnitt an zwei der anderen der Abschnitte mit der höheren Maximalstromstärke an.
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Dann können die Hauptausdehnungsrichtungen der zwei der anderen der Abschnitte zueinander parallel sein und die zwei der anderen der Abschnitte in einer zu den parallelen Hauptausdehnungsrichtungen senkrechten Richtung einen von Null abweichenden Abstand zueinander aufweisen.
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Besonders vorteilhaft für die Trennwirkung kann es sein, wenn die zwei der anderen der Abschnitte in Richtung der parallelen Hauptausdehnungsrichtungen einen Abstand von mindestens drei Millimetern zueinander aufweisen.
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Grenzt ein weiterer Schmelzabschnitt an einen der zwei der anderen der Abschnitte an, dann kann der eine der zwei der anderen der Abschnitte in Richtung der parallelen Hauptausdehnungsrichtungen eine Ausdehnung von mindestens zwei Millimetern haben. Auch wenn es nach Schmelzen eines ersten der Schmelzabschnitte zu einer Aufhebung der Trennwirkung durch Spannungsüberschlag kommt, bewirkt dies das Schmelzen des anderen Schmelzabschnitts. Durch die Länge des zwischen den Schmelzabschnitten gelegenen Abschnitts ist dann ein weiterer Spannungsüberschlag zuverlässig verhindert.
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Besonders vorteilhaft für die Trennwirkung kann es sein, wenn die Ausdehnung bis zu fünf Millimetern beträgt.
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Erfindungsgemäß wird auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie vorgestellt.
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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 eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie,
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2 eine erste beispielhafte Ausführungsform einer elektrischen Verbindung zur Messung einer Batteriezellspannung in einer erfindungsgemäßen Batterie, und
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3 eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer elektrischen Verbindung zur Messung einer Batteriezellspannung in einer erfindungsgemäßen Batterie.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine Batterie 10 mit zwei seriell mittels einer elektrischen Verbindung 30 elektrisch verbundenen Batteriezellen 20, 21 gezeigt. Eine größere Zahl von Batteriezellen ist möglich, wobei die Batteriezellen seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein können. Von der elektrischen Verbindung 30 zweigt eine weitere elektrische Verbindung 40 zu einem nicht gezeigten Spannungsmessmittel ab.
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Das Spannungsmessmittel kann beispielsweise als Teil einer Zellüberwachungselektronik, eines Batteriesteuergeräts, eines Batteriemanagementsystems oder der Batterie realisiert sein und ist geeignet, eine Spannung zwischen der Abzweigung und einem der Batteriepole 11, 12 und so eine Batteriezellspannung zumindest einer der beiden Batteriezellen 20, 21 zu bestimmen.
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Die elektrische Verbindung 40 weist dabei Abschnitte 41, 42 auf, die sich in Maximalstromstärken, für die sie jeweils ausgelegt sind, unterscheiden. Zumindest einer der Abschnitte 41 ist als Schmelzabschnitt ausgelegt und schmilzt bei einer Schmelzstromstärke, die größer oder gleich der Maximalstromstärke des Schmelzabschnitts ist, aber niedriger als die Maximalstromstärke eines oder mehrerer anderer Abschnitte 42 ist.
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Ein Strom mit Stromstärken zwischen der Schmelzstromstärke und der höheren Maximalstromstärke bewirkt dann ein Schmelzen im Bereich des Schmelzabschnitts 41 ohne entsprechende Veränderungen im Bereich der anderen Abschnitte 42.
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Eine Möglichkeit, unterschiedliche Maximalstromstärken für unterschiedliche Abschnitte der Verbindung 40 zu realisieren, ist die Verwendung unterschiedlicher Querschnitte senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung des jeweiligen Abschnitts. In der Praxis hat sich bewährt, den Schmelzabschnitt mit einem Querschnitt zu versehen, der gegenüber den anderen Abschnitten 42 um 10 % verringert ist. Ein in seiner Hauptausdehnungsrichtung ein bis zehn Millimeter langer Schmelzabschnitt 41 zeigte in Versuchen gute Trenneigenschaften.
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Eine andere Möglichkeit, die auch zusammen mit verringertem Querschnitt Anwendung finden kann, besteht in der Verwendung unterschiedlicher Materialien. Insbesondere Aluminium hat sich als Material für den oder die Schmelzabschnitte bewährt, da es günstig ist und bei Überlast schnell schmilzt.
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Alle Abschnitte oder lediglich die Schmelzabschnitte können als Stanzgitter realisiert sein.
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In einer beispielhaften, nicht in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist die Abzweigung der Verbindung 40 von der Verbindung 30 aus Aluminium hergestellt und als Schmelzabschnitt ausgelegt. Der Schmelzabschnitt kann beispielsweise am Übergang von Verbindung 40 zu einem Kabelschuh oder zu einem auf der Verbindung 30 angeordneten Terminal realisiert sein. Bei Verwendung einer mit Leiterbahnen aus Aluminium versehenen Folienplatine zur Zellüberwachung kann der Schmelzabschnitt als eine dieser Leiterbahnen realisiert sein.
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Eine beispielhafte elektrische Verbindung 40 zur Batteriezellspannungsbestimmung mit Abschnitten 41, 42 ist in 2 dargestellt.
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Die Verbindung 40 weist dabei zwei mit einem Kunststoffmantel 50 ummantelte Abschnitte 42 auf, die durch einen nicht ummantelten Abschnitt 41 miteinander verbunden sind. Die ummantelten Abschnitte 42 grenzen beidseitig an den nicht ummantelten Abschnitt 41 an. Der nicht ummantelte Abschnitt 41 weist dabei in einer Ausführungsform einen geringeren Querschnitt als die ummantelten Abschnitte 42 auf, wobei jeder der Querschnitte senkrecht zu einer Hauptausdehnungsrichtung des jeweiligen Abschnitts 41, 42 ist.
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Die fehlende Ummantelung am Schmelzabschnitt 41 ermöglicht eine einfache optische Kontrolle des Schmelzabschnitts 41 und eine verbesserte Trennwirkung nach dessen Schmelzen. Demgegenüber bietet eine Ummantelung des Schmelzabschnitts 41 besseren Schutz davor, dass beispielsweise in Unfallsituationen durch elektrisch leitende Gegenstände oder Flüssigkeiten die Trennwirkung wieder aufgehoben wird.
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In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Hauptausdehnungsrichtungen der ummantelten Abschnitte 42 parallel zueinander, aber in einer Richtung senkrecht zu den parallelen Hauptausdehnungsrichtungen zueinander versetzt. Die ummantelten Abschnitte 42 weisen in der Richtung senkrecht zu den parallelen Hauptausdehnungsrichtungen einen zu Null unterschiedlichen Abstand 60 auf. Daher ist eine Hauptausdehnungsrichtung des Schmelzabschnitts nicht parallel zu den parallelen Hauptausdehnungsrichtungen. Die Ausdehnung des Schmelzabschnitts in Hauptausdehnungsrichtung des Schmelzabschnitts ist somit größer als ein weiterer zu Null unterschiedlicher Abstand 70 zwischen den ummantelten Abschnitten 42 in der Richtung der parallelen Hauptausdehnungsrichtungen. Ein Abstand 70 von mindestens drei Millimetern zeigte eine deutliche Verringerung von Spannungsüberschlägen zwischen den Abschnitten 42 nach Schmelzen des Schmelzabschnitts.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Verbindung 40 zur Messung einer Batteriezellspannung in einer erfindungsgemäßen Batterie 10 dargestellt. Die Verbindung 40 in 3 weist beispielhaft zwei Schmelzabschnitte 41 auf, eine größere Zahl von Schmelzabschnitten 41 ist auch möglich. An jeden der Schmelzabschnitte 41 grenzen beidseitig Abschnitte 42 an, die durch den jeweiligen Schmelzabschnitt 41 elektrisch verbunden sind. Die beiden Schmelzabschnitte 41 aus 3 grenzen mithin beidseitig an einen mittleren Abschnitt 42 an und sind durch den mittleren Abschnitt 42 elektrisch verbunden. In einer Hauptausdehnungsrichtung des mittleren Abschnitts 42 weisen die Schmelzabschnitte 41 einen zu Null unterschiedlichen Abstand 80 auf. In der Praxis hat sich ein Schmelzabschnittsabstand 80 von zwei bis fünf Millimetern bewährt.
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Bei Verwendung eines einzigen Schmelzabschnitts 41 bewirkt eine Vergrößerung der Schmelzabschnittsausdehnung in Hauptausdehnungsrichtung, dass Spannungsüberschläge zwischen den Abschnitten 42 nach Schmelzen des Schmelzabschnitts verringert werden. Bei mehreren Schmelzabschnitten 41 kann die Schmelzabschnittsausdehnung in Hauptausdehnungsrichtung gering, also im Bereich von einem oder wenigen Millimetern gewählt werden. Der Spannungsüberschlagschutz wird bei mehreren Schmelzabschnitten 41 dadurch, dass nach Schmelzen mehrerer Abschnitte 41 die Abschnitte 42, zwischen denen der Spannungsüberschlag auftreten könnte, zusätzlich um den Schmelzabschnittsabstand 80 voneinander beabstandet sind.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform sind auch einige oder alle Abschnitte 42 mantellos. In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform sind auch einige oder alle Schmelzabschnitte 41 ummantelt. Andere Ausführungsbeispiele weisen keinen zu Null unterschiedlichen Abstand 70 zwischen den Abschnitten 42 auf.
