DE102014200206A1 - Power interruption device for traction batteries - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Batteriepack (13) mit einer Anzahl von Batteriezellen (12), mit einer Batterie-Trenneinheit (18), die eine Lade- und Trenneinrichtung (24) für einen Pluspol (20) des Batteriepacks (13) und eine Trenneinrichtung (26) für einen Minuspol (22) des Batteriepacks (13) aufweist. Ferner ist dem Batteriepack (13) mindestens eine Strom-Unterbrechungs-Einrichtung(CID) (33) zugeordnet. Diese ist in einem Strompfad (38, 40) derart angeordnet, dass die Anzahl von Batteriezellen (12) eine erste Teilbatterie (54) und mindestens eine weitere zweite Teilbatterie (56, 58) bilden.The invention relates to a battery pack (13) with a number of battery cells (12), with a battery disconnecting unit (18) having a charging and disconnecting device (24) for a positive pole (20) of the battery pack (13) and a Separator (26) for a negative terminal (22) of the battery pack (13). Furthermore, at least one current interrupt device (CID) (33) is associated with the battery pack (13). This is arranged in a current path (38, 40) such that the number of battery cells (12) form a first sub-battery (54) and at least one further second sub-battery (56, 58).
Description
Stand der TechnikState of the art
Traktionsbatterien für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen in der Speisung elektrischer Antriebe. Um die bei Elektro- und Hybridfahrzeugen geforderten Leistungs- und Energiedaten zu erzielen, werden einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise einzelne zusätzliche Batteriezellen parallel geschaltet. Bei Elektrofahrzeugen werden häufig 100 Batteriezellen und mehr in Serie verschaltet, wobei derartige Batterien Spannungen bis zu 450 Volt führen. Auch bei Hybridfahrzeugen wird üblicherer Weise die Spannungsgrenze von 60 Volt überschritten, welche bei einer Berührung durch den Menschen noch als unkritisch eingestuft wird.Traction batteries for use in electric and hybrid vehicles in the supply of electric drives. In order to achieve the required power and energy data for electric and hybrid vehicles, individual battery cells are connected in series and partially individual additional battery cells in parallel. In electric vehicles often 100 battery cells and more are connected in series, such batteries carry voltages up to 450 volts. Even in hybrid vehicles is more commonly exceeded the voltage limit of 60 volts, which is still classified as uncritical in contact with humans.
Eine in
Mit den beiden Trennschaltern in den Trenneinrichtungen, die sowohl am Pluspol, wie auch am Minuspol der Traktionsbatterie vorgesehen sind, können die Batteriezellen an beiden Polen abgeschaltet werden. Dies wird als zweipolige Abschaltung von Batteriezellen bezeichnet. Damit besteht die Möglichkeit, die Batterie im Stillstand oder in sicherheitskritischen Situationen, so zum Beispiel bei Auftreten eines Unfalls vom Traktionsbordnetz des Fahrzeuges abzutrennen, bzw. im Fahrbetrieb dem Traktionsbordnetz zuzuschalten – je nach Erfordernis und Fahrsituation.An in
With the two circuit breakers in the separating devices, which are provided both at the positive pole, as well as at the negative pole of the traction battery, the battery cells can be switched off at both poles. This is called bipolar shutdown of battery cells. This makes it possible to disconnect the battery at a standstill or in safety-critical situations, such as the occurrence of an accident from the traction board network of the vehicle, or switch to the traction power supply while driving - depending on the requirement and driving situation.
Die Ladeeinrichtung, die beispielsweise am Pluspol der Batterie vorgesehen sein kann, hat die Aufgabe, Ausgleichsströme im Traktionsbordnetz beim Zuschalten der Traktionsbatterie auf Grenzwerte zu begrenzen. Mittels der Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) können bei einem externen Kurzschluss der Traktionsbatterie die einzelnen Batteriezellen vor einer Überlastung durch unzulässig hohe Ströme geschützt werden. Ohne diese Maßnahme könnten beispielsweise die Lithium-Ionen-Batteriezellen einen „Thermal Runaway“ durchlaufen, wobei Batteriemodule und die in diesen verbauten Batteriezellen ernsten Schaden nehmen können.The charging device, which may be provided, for example, at the positive pole of the battery, has the task of limiting equalizing currents in the traction power supply when switching on the traction battery to limit values. By means of the current interruption device (CID), the individual battery cells can be protected against overloading by impermissibly high currents in the event of an external short circuit of the traction battery. Without this measure, for example, the lithium-ion battery cells could undergo a "thermal runaway", whereby battery modules and the battery cells installed in them can be seriously damaged.
Der Darstellung gemäß
In der Darstellung gemäß
Werden Batteriesysteme, insbesondere Traktionsbatteriesysteme für Hybrid- und Elektrofahrzeuge gemäß der in
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Batteriepack vorgeschlagen, welches aus einer Anzahl von Batteriezellen gebildet ist und eine Batterie-Trenneinheit umfasst, die eine Lade- und Trenneinrichtung für einen Pluspol enthält und eine Trenneinrichtung für einen Minuspol aufweist, wobei das Batteriepack mindestens eine Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) umfasst und diese derart angeordnet ist, dass die Batteriezellen in eine erste Teilbatterie und mindestens in eine zweite Teilbatterie unterteilt ist.According to the invention, a battery pack is proposed, which is formed from a number of battery cells and comprises a battery disconnecting unit which contains a positive pole loading and disconnecting device and has a negative pole disconnecting device, the battery pack comprising at least one current interrupting device ( CID) and this is arranged such that the battery cells is divided into a first sub-battery and at least a second sub-battery.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Unterteilung der Gesamtanzahl von mehr als hundert einzelnen Batteriezellen in mindestens zwei Teilbatterien bzw. Teilmodule durch entsprechend geschickte Wahl des Einbauortes der mindestens einen Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) kann erreicht werden, dass die bei einem Auslösevorgang einer zellintern angeordneten Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) auftretenden sehr hohen negativen Spannungen zumindest halbiert werden können. Dadurch können die Anforderungen bezüglich der Stromabschaltfähigkeit bei batterieintern angeordneten Strom-Unterbrechungs-Einheiten deutlich reduziert werden. Gleichzeitig kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Wahl des Einbauortes der mindestens einen Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) erreicht werden, dass eine entsprechende Batteriezelle nach der Aktivierung einer jeweiligen Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) auftretende Spannungen zwischen zwei Terminals sperren kann, wobei der Betrag der Spannungen im Vergleich zu Lösungen gemäß des Standes der Technik erheblich reduziert, zumindest halbiert ist. Dadurch können elektrische Überschläge oder elektrische Reaktionen vermieden werden.By inventively proposed subdivision of the total number of more than a hundred individual battery cells in at least two sub-batteries or sub-modules by appropriately skillful choice of installation location of the at least one current interrupt device (CID) can be achieved that arranged at a tripping process of a cell internal power Interruption device (CID) occurring very high negative voltages can be at least halved. As a result, the requirements in terms of Stromabschaltfähigkeit can be significantly reduced at battery internally arranged power interruption units. At the same time can be achieved by the inventively proposed choice of installation of the at least one current interrupt device (CID) that a corresponding battery cell after activation of a respective power interruption device (CID) can block occurring voltages between two terminals, said Amount of voltages compared to solutions according to the prior art significantly reduced, at least halved. As a result, electrical flashovers or electrical reactions can be avoided.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens, ist die mindestens eine Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) als Schmelzsicherung ausgeführt. In einer kostengünstigen und zuverlässigen Ausführungsmöglichkeit ist eine Ausbildung einer Schmelzsicherung als Querschnittsverjüngung eines elektrischen Leiters vorgesehen. Des Weiteren kann der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend die Anzahl von Batteriezellen, von denen bis zu hundert und mehr elektrisch miteinander verschaltet sind, durch den Einsatz von mindestens zwei Strom-Unterbrechungs-Einrichtungen (CID) in eine erste Teilbatterie oder ein erstes Batteriemodul, eine zweite Teilbatterie bzw. ein zweites Batteriemodul und eine dritte Teilbatterie bzw. ein drittes Batteriemodul unterteilt werden. Bei dieser Ausführungsvariante besteht die Möglichkeit, die negative Spannung, die bei einem Auslösevorgang einer Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) auftritt, nicht nur zu halbieren, sondern noch weiter zu reduzieren.In an advantageous embodiment of the invention underlying idea, the at least one current interrupt device (CID) is designed as a fuse. In a cost-effective and reliable embodiment, a design of a fuse is provided as a cross-sectional taper of an electrical conductor. Furthermore, the solution proposed according to the invention may be followed by the number of battery cells, of which up to a hundred and more are electrically interconnected, by the use of at least two current interrupt devices (CID) in a first sub-battery or a first battery module, a second Partial battery or a second battery module and a third sub-battery or a third battery module are divided. In this embodiment, it is possible to not only halve, but even further reduce the negative voltage that occurs during a tripping operation of a current interrupt device (CID).
In fertigungstechnisch besonders einfacher Hinsicht besteht die Möglichkeit, bei Einsatz einer zellinternen Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID), diese derart einzubauen, dass zueinander symmetrische erste und zweite Teilbatterien bzw. Batteriemodule gebildet werden, d. h. die einzelnen durch die symmetrische Unterteilung entstandenen Teilbatterien bzw. Batteriemodule jeweils eine identische Anzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen aufweisen.In particularly simple manufacturing terms, there is the possibility, when using a cell-internal power interruption device (CID), to install them in such a way that mutually symmetrical first and second sub-batteries or battery modules are formed, d. H. the individual partial batteries or battery modules formed by the symmetrical subdivision each have an identical number of interconnected battery cells.
Vorteilhafte Ausführungsmöglichkeiten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wahl des Einbauortes der mindestens einen Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) liegen zum einen darin, dass die mindestens eine Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) im Strompfad zwischen einer ersten Teilbatterie bzw. ersten Batteriemodul und einem Servicestecker angeordnet wird. Ein Servicestecker dient an einem Gehäuse eines Batteriepacks bzw. eines Batteriemoduls dazu, dass erst nach Entfernung des Servicesteckers ein Gehäusedeckel des Batteriemoduls bzw. des Batteriepacks geöffnet werden kann, sodass der Innenraum des Gehäuses zugänglich wird. Weiterhin kann die mindestens eine Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) auch zwischen dem Servicestecker und einer sich stromab von diesem angeordneten zweiten Teilbatterie bzw. zweiten Batteriemoduls angeordnet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die mindestens eine Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) unmittelbar direkt in den Servicestecker zu integrieren.Advantageous embodiments of the inventively proposed choice of the installation location of the at least one current interrupt device (CID) are on the one hand that the at least one current interrupt device (CID) arranged in the current path between a first sub-battery or first battery module and a service connector becomes. A service connector is used on a housing of a battery pack or a battery module to ensure that only after removal of the service connector, a housing cover of the battery module or the battery pack can be opened so that the interior of the housing is accessible. Furthermore, the at least one current interrupt device (CID) can also be arranged between the service connector and a second sub-battery or second battery module arranged downstream of it. It is also possible to integrate the at least one power interruption device (CID) directly directly into the service connector.
Die mindestens eine eingesetzte Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) kann beispielsweise in einem Hochstromverbinder zwischen zwei Batteriezellen eines Batteriemoduls angeordnet werden, sodass ein interner Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Batteriezellen abgesichert werden kann. In den mindestens zwei gebildeten Teilbatterien bzw. den mindestens zwei gebildeten Batteriemodulen eines Batteriepacks können die internen Strom-Unterbrechungs-Einrichtungen (CID) auch derart angeordnet werden, dass ein Kurzschluss innerhalb einer jeweiligen Teilbatterie hinsichtlich der Stromabschaltfähigkeit und der abzusichernden Restspannung abgesichert werden kann.The at least one inserted current interrupt device (CID) can be arranged for example in a high-current connector between two battery cells of a battery module, so that an internal short circuit between two adjacent battery cells can be secured. In the at least two formed sub-batteries or the at least two formed battery modules of a battery pack, the internal current interruption devices (CID) can also be arranged such that a short circuit within a respective sub-battery with respect to Stromabschaltfähigkeit and the residual voltage to be hedged can be hedged.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Je nach erfindungsgemäß vorgeschlagener Anordnung von mindestens einer Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) innerhalb einer Anzahl elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen, kann zumindest eine Halbierung der negativen Spannung, die bei einem Auslösevorgang einer zellintern angeordneten Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) auftritt, erreicht werden. Dadurch können die Anforderungen an batterieintern verbaute Strom-Unterbrechungs-Einrichtungen (CID) hinsichtlich der Stromabschaltfähigkeit reduziert werden, da nun nicht mehr gegen sehr hohe Spannungen abgeschaltet werden muss, die in der Größenordnung von 400 Volt und mehr liegen, sondern dass die Spannung, gegen die abgeschaltet werden muss, beispielsweise in der Größenordnung von 200 Volt liegt. Depending on the inventively proposed arrangement of at least one current interrupt device (CID) within a number of electrically interconnected battery cells, at least halving the negative voltage that occurs in a tripping operation of an in-cell current interruption device (CID) achieved become. This allows the requirements for in-battery power interruption devices (CID) in terms of Stromabschaltfähigkeit be reduced, since now no longer must be switched off against very high voltages, which are of the order of 400 volts and more, but that the voltage against which must be turned off, for example, in the order of 200 volts.
Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass eine Batteriezelle selbst nach der Aktivierung ihrer jeweiligen Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) zuverlässig Spannungen zwischen den beiden Zellterminals sperren kann, da die dort auftretenden hohen negativen Spannungen halbiert sind. Dadurch ist sichergestellt, dass elektrische Überschläge oder elektrochemische Reaktionen im Elektrodenensemble einer Batteriezelle von Traktionsbatterien vermieden werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung in ihren verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten, kann die Sicherheit von Traktionsbatterien, wie sie an Elektro- und Hybridfahrzeugen, eingesetzt werden, erheblich verbessert werden.Furthermore, it can be achieved by the proposed solution according to the invention that a battery cell can reliably block voltages between the two cell terminals even after the activation of their respective current interruption device (CID), since the high negative voltages occurring there are halved. This ensures that electrical flashovers or electrochemical reactions in the electrode ensemble of a battery cell of traction batteries are avoided. The proposed solution according to the invention in its various possible embodiments, the safety of traction batteries, such as those used on electric and hybrid vehicles, can be significantly improved.
Eine Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID), wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann keinen inneren Kurzschluss, der auf Grund eines Unfalls entstanden sein könnte, verhindern. Eine einzelne insoliert angeordnete Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) kann einen aufgetretenen Kurzschluss nicht einmal entdecken.A current interrupt device (CID), as known in the art, can not prevent an internal short circuit that may have occurred due to an accident. A single isolated power interrupt device (CID) can not even detect a short circuit that has occurred.
Mit einer Anzahl von Strom-Unterbrechungs-Einrichtungen (CID), die im Strompfad eingebaut sind, kann ein wesentlich sicheres Batteriesystem angeboten werden. Das Positionierung mindestens einer Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID) innerhalb des Batteriesystems und insbesondere dessen Unterteilung in Batteriemodule bzw. Teilbatterien als jeweils einzelne Einheiten (Darstellung gemäß der
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawing, the invention will be described below in more detail.
Es zeigt:It shows:
Dem Gehäuse
Der Darstellung gemäß
Wie bereits im Zusammenhang mit
Andererseits kann ein interner Kurzschlusspfad
Die Strom-Unterbrechungs-Einrichtung (CID)
The power interruption device (CID)
Bei Auftreten eines batterieinternen Kurzschlusses, vergleiche der interne Kurzschlusspfad
Bei Batteriesystemen gemäß des Standes der Technik bedeutet dies, dass im ungünstigsten Falle auch bei einem batterieinternen Kurzschluss. entsprechend des internen Kurzschlusspfades
Ausführungsvariantenvariants
Der Darstellung gemäß
Aus der Darstellung
Jenseits einer Grenzkennlinie
Durch die Doppelpfeile ist angedeutet, dass die Auslösezeit entsprechend der Auslösekennlinien
In der Darstellung gemäß
Durch eine Verlegung des Einbauortes der mindestens einen Strom-Unterbrechungs-Einrichtung
Aus der Darstellung gemäß
Es besteht auch die Möglichkeit, die Strom-Unterbrechungs-Einheit
Zur Darstellung gemäß
Für den Fall, dass batteriezellenintern angeordnete Strom-Unterbrechungs-Einrichtungen (CID)
Diese Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lässt sich der Darstellung gemäß
Aus
Aus der Darstellung gemäß
Die anhand der
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist nicht auf den Einsatz an Traktionsbatterien für Anwendungen in Fahrzeugen beschränkt, sondern kann in gleicher Weise auch bei Batterien für stationäre Anwendungen eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist besonders dann sinnvoll einsetzbar, wenn innerhalb eines Batteriesystems eine Vielzahl von Batteriezellen
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