DE102014201194A1

DE102014201194A1 - Batterietrennvorrichtung zum Unterbrechen eines Stromflusses in einem Batteriesystem

Info

Publication number: DE102014201194A1
Application number: DE102014201194.9A
Authority: DE
Inventors: Matthias Straub; Joachim Kahles; Andreas Gleiter; Tolga Ilkay
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterietrennvorrichtung (10) zum Unterbrechen eines Stromflusses zwischen einem elektrischen Energiespeicher (32) und einer elektrischen Last umfassend mindestens einen elektrisch betätigbaren Schalter (80), mit dem der Stromfluss in einer elektrischen Leitung (2, 4) unterbrochen werden kann, wobei der mindestens eine elektrisch betätigbare Schalter (80) mit einer Anschlussleitung (56, 58, 60) zur Steuerung einer Schalterstellung durch eine Batteriesteuereinheit (40) verbunden ist, und wobei ein Relais-Servicesteckeranschluss (64) zur Aufnahme eines Relais-Servicesteckers (66) vorgesehen ist, der ebenfalls mit dem mindestens einen elektrisch betätigbaren Schalter (80) zur Steuerung einer Schalterstellung verbunden ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriesystem (1) und ein Verfahren zum Überprüfen des Zustands eines Batteriesystems (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterietrennvorrichtung zum Unterbrechen eines Stromflusses zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einer elektrischen Last umfassend mindestens einen elektrisch betätigbaren Schalter, mit dem der Stromfluss in einer elektrischen Leitung unterbrochen werden kann, wobei der mindestens eine elektrisch betätigbare Schalter über eine Batteriesteuereinheit betätigbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriesystem, umfassend einen elektrischen Energiespeicher, eine Batteriesteuereinheit und eine Batterietrennvorrichtung zum Unterbrechen des Stromflusses zwischen dem elektrischen Energiespeicher und einer elektrischen Last.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überprüfen des Zustands eines Batteriesystems, wobei die Batteriesteuereinheit und/oder der elektrische Energiespeicher beschädigt sind, so dass eine Überwachung des Zustands des Batteriesystems durch die Batteriesteuereinheit nicht mehr möglich ist.
Stand der Technik
Bei Hybridfahrzeugen oder rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist erforderlich, große Mengen an elektrischer Energie zu speichern. Neben einem 12 V Bordnetz umfassen diese Fahrzeuge ein Hochspannungsnetz. Zur Versorgung des Hochspannungsnetzes werden Batteriesysteme eingesetzt, die einen elektrischen Energiespeicher mit einer Vielzahl von Batteriezellen und ein zugehöriges Batteriemanagementsystem umfassen. Das Batteriemanagementsystem besteht im Wesentlichen aus einer Batterietrennvorrichtung, den Zellüberwachungseinheiten und einer Batteriesteuereinheit. Die Batterietrennvorrichtung enthält eine Sicherung, die bei Überlast den Stromfluss unterbricht sowie Schütze in den Batterieanschlussleitungen. Die Schütze umfassen in der Regel jeweils einen Trennschütz (Hauptschütz) für den positiven wie für den negativen Pol der Batterie und einen Vorladeschütz, der in Reihe mit einem Ladewiderstand geschaltet ist.
Die Zellüberwachungseinheiten des elektrischen Energiespeichers enthalten Überwachungssensoren und/oder bereiten Signale von Überwachungssensoren zur Weitergabe an die Batteriesteuereinheit auf. Die Überwachungssensoren ermitteln wichtige Zustandsparameter der Batteriezellen, die insbesondere den Zellinnenwiderstand, die Zellspannung, die Zelltemperatur und den Zelldruck umfassen können.
Die Batteriesteuereinheit enthält die notwendige Hard- und Software zur Kontrolle der Batteriefunktionalität. Die Batteriesteuereinheit überwacht die sichere und zuverlässige Funktion der Batteriezellen des elektrischen Energiespeichers sowie des gesamten Batteriesystems und kommuniziert mit der weiteren Fahrzeugelektronik. Insbesondere betätigt die Batteriesteuereinheit die Schütze in der Batterietrenneinheit, um beispielsweise im Fehlerfall oder zu Wartungs- und/oder Reparaturzwecken das gesamte Hochspannungsnetz des Kraftfahrzeugs spannungsfrei zu schalten.
Aus DE 10 2010 042 992 A1 ist eine Stromversorgungseinrichtung umfassend eine Batterie und elektrisch betätigbare Schalter in den elektrischen Zuleitungen bekannt. Die elektrisch betätigbaren Schalter können sowohl durch ein Batteriemanagementsystem als auch über einen manuell betätigbaren Leistungsschutzschalter ausgelöst werden, um die Batterie von den elektrischen Zuleitungen zu trennen. Das manuelle Trennen ist vorgesehen, um die Zuleitungen spannungsfrei zu machen.
Aus DE 21 2010 000 081 U1 ist ein Batterieleistungsmodul bekannt, bei dem die Batterie über einen sowohl elektrisch als auch manuell betätigbaren Schalter von einem Stromumsetzermodul getrennt werden kann. Die manuell mögliche Trennung erlaubt es, bei Wartungsarbeiten die Gefahr eines Stromschlags auszuschließen.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass sich die in der Batterietrenneinheit verwendeten Trennschütze bei einem Ausfall der Batteriesteuereinheit nicht mehr betätigen lassen. Bei geöffneten Trennschützen besteht von außen keine Verbindung zum elektrischen Energiespeicher, so dass sich ohne eine funktionsfähige Batteriesteuereinheit der Zustand des elektrischen Energiespeichers nicht bestimmen lässt. Da die Batteriesteuereinheit üblicherweise in der Nähe des elektrischen Energiespeichers sitzt, ist es leicht möglich, dass bei Beschädigung des elektrischen Energiespeichers, beispielsweise bei einem Unfall, auch die Batteriesteuereinheit beschädigt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Batterietrennvorrichtung zum Unterbrechen eines Stromflusses zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einer elektrischen Last vorgeschlagen, welche mindestens einen elektrisch betätigbaren Schalter umfasst, mit dem der Stromfluss in einer elektrischen Leitung unterbrochen werden kann, wobei der mindestens eine elektrisch betätigbare Schalter mit einer Anschlussleitung zur Steuerung einer Schalterstellung durch eine Batteriesteuereinheit verbunden ist und wobei ein Relais-Servicesteckeranschluss zur Aufnahme eines Relais-Servicesteckers vorgesehen ist, der mit dem mindestens einen elektrisch betätigbaren Schalter zur Steuerung einer Schalterstellung verbunden ist.
Die Batterietrennvorrichtung ist eingerichtet, mit den elektrischen Anschlüssen des elektrischen Energiespeichers verbunden zu werden und weist ihrerseits als elektrische Ausgänge einen Pluspol und einen Minuspol auf. Zwischen den Eingängen und den Ausgängen sind elektrische Leitungen angeordnet. An mindestens einer der elektrischen Leitungen ist wiederum ein elektrisch betätigbarer Schalter angeordnet, der eingerichtet ist, den Stromfluss in dieser Leitung zu unterbrechen. Zudem ist es bevorzugt, an mindestens einer elektrischen Leitung ein Stromunterbrechungsgerät anzuordnen, welches bei Überlast den Stromfluss unterbricht. Das Stromunterbrechungsgerät kann beispielsweise als Schmelzsicherung oder als Leitungsschutzschalter ausgeführt sein.
Die Batterietrennvorrichtung weist Anschlussleitungen zur Verbindung der elektrisch betätigbaren Schalter mit der Batteriesteuereinheit auf, über die die Stellung der Schalter durch die Batteriesteuereinheit gesteuert werden können. In einer Schalterstellung ist der Schalter offen, das heißt es kann kein Strom fließen, in einer anderen Schalterstellung ist der Schalter geschlossen, das heißt es kann Strom fließen. Um die elektrisch betätigbaren Schalter auch ohne Mitwirkung der Batteriesteuereinheit schalten zu können, weist die Batterietrennvorrichtung zusätzliche Versorgungsleitungen auf, die eine Verbindung zwischen den elektrisch betätigbaren Schaltern und dem Relais-Servicesteckeranschluss herstellen. Je nach Ausführungsform sind die Anschlussleitungen direkt mit den elektrisch betätigbaren Schaltern verbunden oder die elektrische Verbindung zwischen den Anschlussleitungen und den elektrisch betätigbaren Schaltern wird über weitere zwischengeschaltete Elemente hergestellt.
Der mindestens eine elektrisch betätigbare Schalter ist in einer Ausführungsform der Erfindung so ausgeführt, dass er mit einer 12 Volt-Spannung betätigt werden kann. Dazu werden die elektrisch betätigbaren Schalter beispielsweise als Schütz ausgeführt, bei dem die Betätigungsspule auf einen Betrieb mit einer 12 Volt-Spannung ausgelegt ist. Der Schütz ist dabei so ausgeführt, dass er ohne Bestromung der Spule geöffnet ist, das heißt, dass ohne Bestromung der Spule der Stromfluss in der Leitung unterbrochen ist. Die zur Bestromung der Spule notwendige 12 Volt-Spannung kann aus dem 12 Volt-Bordnetz eines Fahrzeugs entnommen werden. Dabei ist es denkbar, ein externes 12V-Netz, beispielsweise das eines Rettungsfahrzeugs oder, falls noch vorhanden und betriebsbereit, das 12 Volt-Bordnetz des Fahrzeugs zu verwenden, in dem die Vorrichtung eingebaut ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind sowohl an einer ersten elektrischen Leitung, die mit dem Pluspol in Verbindung steht, als auch an einer zweiten elektrischen Leitung, die mit dem Minuspol in Verbindung steht, jeweils mindestens ein elektrisch betätigbarer Schalter angeordnet. Somit lässt sich der elektrische Energiespeicher vollständig abtrennen.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung sind an einer elektrischen Leitung zwei parallel angeordnete elektrisch betätigbare Schalter angeordnet, wobei einer der elektrisch betätigbaren Schalter in Reihe mit einem Widerstand geschaltet ist und als Ladeschütz eingerichtet ist und der andere als Trennschütz eingerichtet ist.
Durch Verwendung des Ladeschützes kann die Verbindung zum elektrischen Energiespeicher zunächst über den Widerstand hergestellt werden, wodurch der maximale Strom zunächst begrenzt wird. Die Begrenzung des Stroms beim Schalten der Schütze vermeidet eine mögliche Schädigung der Kontakte der Schalter.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist der Relais-Servicesteckeranschluss so ausgeführt, dass er einen zweigeteilten Relais-Servicestecker aufnimmt, wobei der erste Teil zur Betätigung des Ladeschütz und der zweite Teil des Relais-Servicesteckers zur Betätigung des Trennschützes eingerichtet ist.
Dies erlaubt es unter Umgehung der Batteriesteuereinheit zunächst den Ladeschütz und erst anschließend, durch Aufstecken des zweiten Teils, den Trennschütz zu schalten.
Es wird des Weiteren ein Batteriesystem vorgeschlagen, welches einen elektrischen Energiespeicher, eine Batteriesteuereinheit und eine Batterietrennvorrichtung umfasst.
Der elektrische Energiespeicher umfasst hierbei eine Vielzahl von Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, deren Zustand von Zellüberwachungseinheiten überwacht wird. Die Batteriesteuereinheit wertet die von den Zellüberwachungseinheiten gelieferten Daten aus und steht sowohl mit den Zellüberwachungseinheiten als auch der Batterietrennvorrichtung in Verbindung und weist zusätzlich eine Schnittstelle zur Verbindung mit weiteren Steuergeräten auf.
In einer Ausführungsform umfasst die Batterietrennvorrichtung des Weiteren Sensoren zur Messung von elektrischen Strömen und die Batteriesteuereinheit ist eingerichtet, die Messdaten dieser Sensoren auszuwerten.
Die Sensoren zur Messung von elektrischen Strömen sind dabei an einer oder mehreren der elektrischen Leitungen in der Batterietrennvorrichtung angeordnet und stehen mit der Batteriesteuereinheit in Verbindung. Die Sensoren können insbesondere als Hall-Stromsensor oder als Messwiderstand ausgeführt sein.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Überprüfen des Zustands eines Batteriesystems vorgeschlagen, für den Fall, dass die Batteriesteuereinheit und/oder der elektrische Energiespeicher beschädigt sind, so dass eine Überwachung des Zustands des Batteriesystems durch die Batteriesteuereinheit nicht mehr möglich ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:

a) Anschließen eines Relais-Servicesteckers an einen Relais-Servicesteckeranschluss,
b) Versorgen des mindestens einen elektrisch betätigbaren Schalters mit Strom, so dass dieser einen Stromfluss in der ihm zugeordneten elektrischen Leitung erlaubt,
c) Messen von Zustandsparametern des elektrischen Energiespeichers an den Polen des Batteriesystems.

Im Normalbetrieb des Batteriesystems ist auf dem Relais-Servicesteckeranschluss lediglich eine Abdeckung aufgesetzt. Tritt, beispielsweise nach einem Unfall des Fahrzeugs, in dem das Batteriesystem eingebaut ist, eine Situation auf, in der die Batteriesteuereinheit nicht mehr zur Verfügung steht, wird die Abdeckung abgezogen und ein Relais-Servicestecker aufgesetzt. Dieser stellt die elektrischen Verbindungen zu den in der Batterietrenneinheit enthaltenen elektrisch betätigbaren Schaltern her. Sind diese beispielsweise als Relais oder als Schütz ausgeführt, wird eine elektrische Verbindung zu den Relais- oder Schütz-Spulen hergestellt. Über diese Verbindung werden gemäß Schritt b) des Verfahrens die elektrisch betätigbaren Schalter mit Strom versorgt, so dass diese einen Stromfluss in den ihnen zugeordneten elektrischen Leitungen erlauben.
Umfasst die Batterietrenneinheit einen Ladeschütz, kann ein zweigeteilter Relais-Servicestecker zum Einsatz kommen. Dabei werden nach dem Aufsetzen des ersten Teils des Steckers zunächst nur der Trennschütz des Minuspols und der Ladeschütz des Pluspols angesteuert, so dass nur ein begrenzter Strom fließen kann. Erst nach Aufsetzen des zweiten Teils des Relais-Servicesteckers wird auch der dem Pluspol zugeordnete Trennschütz angesteuert.
Dabei ist es auch möglich, einen einteiligen Relais-Servicestecker zu verwenden, oder zunächst den zweiten Teil des Relais-Servicesteckers aufzustecken, so dass beide Hauptschütze ohne vorherige Betätigung des Ladeschützes zugeschaltet werden. Dabei kann es zwar zur einer Beschädigung der elektrisch betätigbaren Schalter kommen, dies kann jedoch in Kauf genommen werden, da in dieser Situation die Batteriesteuereinheit und/oder der elektrische Energiespeicher sowieso bereits beschädigt sind.
Im letzten Schritt c) des Verfahrens besteht wieder eine Verbindung zwischen den Polen des Batteriesystems und dem elektrischen Energiespeicher, so dass eine Messung von Zustandsparametern des elektrischen Energiespeichers von außen möglich ist.
Die Zustandsparameter, die bei der Messung gemäß Schritt c) bestimmt werden, umfassen die Spannung an den Polen sowie den Isolationswiderstand zwischen den Polen und einem Gehäuse des Batteriesystems und/oder des elektrischen Energiespeichers.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach der Messung gemäß Schritt c) ein Entladen des elektrischen Energiespeichers. Dazu kann eine elektrische Last mit den Polen des Batteriesystems verbunden werden und die gespeicherte Energie kontrolliert entnommen werden.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht ohne Mitwirkung einer Batteriesteuereinheit das kontrollierte Verbinden eines elektrischen Energiespeichers mit zugänglichen Batteriepolen. Dadurch wird gewährleistet, dass bei einer Beschädigung des elektrischen Energiespeichers, beispielsweise bei einem Unfall des Fahrzeugs, in dem der Energiespeicher eingebaut ist, immer eine Überprüfung des elektrischen Energiespeichers möglich ist. Dabei ist keine Mitwirkung der Batteriesteuereinheit notwendig, die aufgrund ihrer Nähe zum elektrischen Energiespeicher bei dessen Beschädigung häufig ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen wird.
Eine Überprüfung des elektrischen Energiespeichers nach einem Unfall ist unbedingt erforderlich, da beispielsweise beim Vorliegen eines Isolationsfehlers ein elektrischer Schlag droht.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ebenfalls eine Entladung des elektrischen Energiespeichers, da die elektrischen Anschlüsse nun wieder von außen zugänglich sind. Beim Vorliegen eines Isolationsfehlers ist die sichere Entladung des elektrischen Energiespeichers die einzige Möglichkeit, um einen sicheren Zustand zu erreichen. Ohne eine kontrollierte Entladung könnten sich die Batteriezellen im Fehlerfall erwärmen. Diese Erwärmung kann sich ab einem bestimmten Punkt selbständig verstärken, was auch „thermal runaway“ genannt wird, und zu einem Fahrzeugbrand führen kann. Des Weiteren kann durch die Entladung eine langsame Dendritenbildung in den Batteriezellen verhindert werden, die ebenfalls zu einem Brand führen könnte.
Die zum Betätigen der elektrisch betätigbaren Schalter der Batterietrennvorrichtung notwendige Spannung kann dabei entweder von einem eventuell noch funktionsfähigen 12 Volt-Bordnetz des verunfallten Fahrzeugs, als auch vom 12 Volt-Bordnetz eines Rettungsfahrzeugs bereitgestellt werden.
Da die elektrisch betätigbaren Schalter über den Relais-Servicesteckeranschluss bequem von außen angesteuert werden können, muss das Batteriesystem nicht geöffnet werden, so dass keine potentiell gefährlichen oder gesundheitsgefährdenden Arbeiten an dem Batteriesystem vorgenommen werden müssen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
1 ein Batteriesystem im Normalbetrieb mit einer Batterietrennvorrichtung nach dem Stand der Technik,
2 ein Batteriesystem mit beschädigtem elektrischen Energiespeicher, ausgefallener Batteriesteuereinheit und einer Batterietrennvorrichtung nach dem Stand der Technik,
3 ein Batteriesystem mit beschädigtem elektrischen Energiespeicher, ausgefallener Batteriesteuereinheit und einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterietrennvorrichtung,
4 ein Batteriesystem mit beschädigtem elektrischen Energiespeicher, ausgefallener Batteriesteuereinheit und einer zweiten Ausführungsform der Batterietrennvorrichtung,
5a eine erste Ausführungsform eines Relais-Servicesteckers für die erste Ausführungsform der Batterietrennvorrichtung,
5b eine weitere Ausführungsform eines Relais-Servicesteckers für die erste Ausführungsform der Batterietrennvorrichtung,
6 eine Abdeckung für den Relais-Servicesteueranschluss der zweiten Ausführungsform der Batterietrennvorrichtung und
7 eine Ausführungsform eines Relais-Servicesteckers für die zweite Ausführungsform der Batterietrennvorrichtung.
1 zeigt ein Batteriesystem im Normalbetrieb mit einem elektrischen Energiespeicher, einer Batteriesteuereinheit und einer Batterietrennvorrichtung nach dem Stand der Technik.
In 1 ist ein Batteriesystem 1 dargestellt, welches einen elektrischen Energiespeicher 32, eine Batteriesteuereinheit 40 und eine Batterietrennvorrichtung 10 umfasst. Die Batterietrennvorrichtung 10 weist als Ausgang einen Pluspol 12 und einen Minuspol 14 auf. Dem Pluspol 12 ist eine erste elektrische Leitung 2 zugeordnet, dem Minuspol 14 eine zweite elektrische Leitung 4. Die elektrischen Leitungen 2, 4 sind mit Batteriezellen 36 des elektrischen Energiespeichers 32 verbunden. Zwischen dem Pluspol 12 und dem Minuspol 14 kann je nach Ausführungsform ein Glättungskondensator 24 angeordnet sein der parallel zu einer elektrischen Last 6 geschaltet ist. An der zweiten elektrischen Leitung 4 sind in der Batterietrennvorrichtung 10 Sensoren 28, 30 zur Messung von elektrischen Strömen sowie ein elektrisch betätigbarer Schalter 80 angeordnet. Der elektrisch betätigbare Schalter 80 ist hier als dem Minuspol 14 zugeordneter Trennschütz 18 mit einer Betätigungsspule 19 ausgeführt. Die Sensoren 28, 30 sind in der dargestellten Ausführungsform als ein Messwiderstand 28 und als ein Hall-Stromsensor 30 ausgeführt. Der Messwiderstand 28, der Hall-Stromsensor 30 sowie der dem Minuspol 14 zugeordnete Trennschütz 18 sind über die Messanschlussleitungen 54, 55 bzw. über die Anschlussleitung 58 mit der Batteriesteuereinheit 40 verbunden.
An der dem Pluspol 12 zugeordneten ersten elektrischen Leitung 2 sind in der Batterietrennvorrichtung 10 ein Stromunterbrechungsgerät 26 sowie zwei parallel angeordnete elektrisch betätigbare Schalter 80 angeordnet. Das Stromunterbrechungsgerät 26 kann je nach Ausführungsform beispielsweise als Schmelzsicherung oder als Leitungsschutzschalter ausgeführt sein. Von den beiden elektrisch betätigbaren Schaltern 80 ist einer als dem Pluspol 12 zugeordneter Trennschütz 16 mit Betätigungsspule 17 ausgeführt, der andere ist als Ladeschütz 20 mit zugeordneter Betätigungsspule 21 ausgeführt. Ein Widerstand 22 ist in Reihe mit dem Ladeschütz 20 geschaltet. Der Ladeschütz 20 ist über eine Anschlussleitung 60 und der dem Pluspol 12 zugeordnete Trennschütz 16 ist über eine Anschlussleitung 56 mit der Batteriesteuereinheit 40 verbunden. Jeweils vor und hinter dem Trennschütz 17 sind Messanschlussleitungen 52 mit der ersten elektrischen Leitung 2 verbunden, über die die Batteriesteuereinheit 40 eine Spannungsmessung durchführen kann. Die Anschlussleitungen 56, 58 und 60 sind jeweils zweipolig ausgeführt, um die Betätigungsspulen 17, 19, 21 der jeweiligen Schütze 16, 18, 20 zu bestromen.
Der elektrische Energiespeicher 32 umfasst neben den Batteriezellen 36 des Weiteren eine Zellüberwachungseinheit 34. In weiteren Ausführungsformen des elektrischen Energiespeichers 32 kann auch jeder einzelnen Batteriezelle 36 eine Zellüberwachungseinheit 34 zugeordnet sein. Über eine Anschlussleitung 51 ist der elektrische Energiespeicher 32 mit der Batteriesteuereinheit 40 verbunden, so dass die Batteriesteuereinheit 40 auf die Daten der Zellüberwachungseinheit 34 zugreifen kann. Die einzelnen Batteriezellen 36 des elektrischen Energiespeichers 32 sind miteinander elektrisch verbunden. Diese elektrische Verbindung kann mit einem Servicestecker 38 unterbrochen werden. Der Servicestecker 38 eignet sich jedoch nicht zum Anschluss von Mess- oder Diagnosegeräten. Sind die elektrisch betätigbaren Schalter 80 der Batterietrennvorrichtung 10 geöffnet, kann am Servicestecker 38 weder eine Spannung gemessen werden, noch der elektrische Energiespeicher 32 entladen werden.
Die Batteriesteuereinheit 40 umfasst eine Hauptsteuerung 42, eine Ansteuerung 44 für die elektrisch betätigbaren Schalter 80, eine Auswerteeinheit 46 für die Sensoren 28, 30 zur Messung von elektrischen Strömen, eine Spannungsmesseinheit 48 und eine Auswerteeinheit 50 für die Zellüberwachung. Die Hauptsteuerung 42 steuert alle Abläufe in Zusammenhang mit der Überwachung des elektrischen Energiespeichers 32 und steht über eine Fahrzeugschnittstelle 62 mit weiteren Steuergeräten und Komponenten des Fahrzeugs in Verbindung. Mit Hilfe der Ansteuerung 44 kann die Hauptsteuerung 42 die elektrisch betätigbaren Schalter 80 ansteuern. Messdaten über den Stromfluss an der zweiten elektrischen Leitung 4 erhält die Hauptsteuerung 42 über die Auswerteeinheit 46, Spannungsmessungen werden mit Hilfe der Spannungsmesseinheit 48 durchgeführt und die Verbindung zu den Zellüberwachungseinheiten 34 im elektrischen Energiespeicher 32 wird über die Auswerteinheit 50 für die Zellüberwachung sichergestellt.
In 1 ist der Normalbetrieb dargestellt, das heißt die Batterietrennvorrichtung 10, der elektrische Energiespeicher 32 und die Batteriesteuereinheit 40 sind unbeschädigt und alle Verbindungen sind funktionsfähig. In diesem Fall können über die Batteriesteuereinheit 40 alle relevanten Zustandsparameter des elektrischen Energiespeichers 32, die insbesondere von den Zellüberwachungseinheiten 34 geliefert werden, ausgelesen werden. Auch lässt sich die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher 32 und den Polen 12, 14 herstellen, indem die Batteriesteuereinheit 40 die entsprechenden Trennschütze 16, 18 durch Bestromung der zugeordneten Betätigungsspulen 17, 19 schließt. Insbesondere könnte bei Bedarf der elektrische Energiespeicher 32 durch eine elektrische Last 6, die mit den Polen 12, 14 verbunden wird, entladen werden. Auch ist es möglich, durch Verbinden eines Messgeräts mit den Polen 12, 14 auf der einen Seite und dem Gehäuse des Batteriesystems 1 bzw. dem Gehäuse des elektrischen Energiespeichers 32 den Isolationswiderstand zu messen. Im Normalbetrieb sollte der Isolationswiderstand größer als 2,5 MΩ sein.
2 zeigt ein Batteriesystem umfassend einen elektrischen Energiespeicher, eine Batterietrennvorrichtung und eine Batteriesteuereinheit, wobei der elektrische Energiespeicher und/oder die Batteriesteuereinheit oder deren Verbindungen untereinander gestört sind.
In 2 ist wiederum ein Batteriesystem 1 mit einer Batterietrennvorrichtung 10, einem elektrischen Energiespeicher 32 und einer Batteriesteuereinheit 40 dargestellt. Über die zwei Pole 12, 14 wird eine Verbindung zu einer elektrischen Last 6 hergestellt, wobei wiederum ein Glättungskondensator 24 parallel zur elektrischen Last 6 geschaltet sein kann. Dem Pluspol 12 ist wieder ein erster elektrischer Leiter 2 zugeordnet, dem Minuspol 14 ein zweiter elektrischer Leiter 4, die über die Batterietrennvorrichtung 10 eine elektrische Verbindung zu den Batteriezellen 36 des elektrischen Energiespeichers 32 herstellen. Der Stromkreis kann über einen Servicestecker 38 am elektrischen Energiespeicher 32 unterbrochen werden. Der Servicestecker 38 kann auch als wechselbare Sicherung ausgeführt werden, wobei zur Unterbrechung des Stromkreises die Sicherung entfernt werden kann.
In der Batterietrennvorrichtung 10 sind an der ersten elektrischen Leitung 2 wieder zwei elektrisch betätigbare Schalter 80 angeordnet, von denen einer als Trennschütz 16 und der andere als Ladeschütz 20 mit einem Widerstand 22 ausgeführt ist. Zur Unterbrechung des Stroms bei Überlast ist ebenfalls wieder ein Stromunterbrechungsgerät 26 an dem ersten elektrischen Leiter 2 vorgesehen. An der zweiten elektrischen Leitung 4 sind wiederum die Sensoren 28, 30 zur Messung von elektrischen Strömen und ein als Trennschütz 18 ausgeführter elektrisch betätigbarer Schalter 80 angeordnet. Die elektrisch betätigbaren Schalter 80 umfassen jeweils eine Betätigungsspule 17, 19, 21.
In der in 2 dargestellten Situation wurde das Batteriesystem 1 beschädigt. Die Beschädigungen am elektrischen Energiespeicher 32 und an der Batteriesteuereinheit 40 sind jeweils über eine Linie 76 angedeutet. Durch die Beschädigungen ist der Zustand der Batteriezellen 36 des elektrischen Energiespeichers 32 unbekannt, die Zellüberwachungseinheit 34 hat keine Funktion.
Auch die Batteriesteuereinheit 40 ist in der dargestellten Situation beschädigt, so dass die Hauptsteuerung 42, die Ansteuerung 44 für die elektrisch betätigbaren Schalter 80, die Auswerteeinheit 46 für die Sensoren 28, 30 zur Messung von elektrischen Strömen, die Spannungsmesseinheit 48 und die Auswerteeinheit 50 für die Zellüberwachung funktionslos sind.
Des Weiteren ist es denkbar, dass durch mechanische Einwirkung auf das Batteriesystem 1 die Anschlussleitungen 58, 60, 56 von der Batteriesteuereinheit 40 zu den elektrisch betätigbaren Schaltern 80, die Anschlussleitung 51, die Messanschlussleitungen 52, 54 und 55, über die Messungen durchgeführt werden könnten, sowie die Fahrzeugschnittstelle 62 zwischen der Batteriesteuereinheit 40 und dem restlichen Fahrzeug unterbrochen sind. Eine solche Unterbrechung ist jeweils durch eine Linie 78 in der 2 angedeutet.
In der in 2 dargestellten Situation sind sämtliche elektrisch betätigbare Schalter 80 geöffnet, so dass der Stromfluss unterbrochen ist. Von den Polen 12, 14 aus besteht keine Verbindung zum elektrischen Energiespeicher 32, so dass über an die Pole 12, 14 angeschlossene Messgeräte der Zustand des elektrischen Energiespeichers 32 nicht bestimmbar ist. Da die Batteriesteuereinheit 40 in der dargestellten Situation ebenfalls beschädigt ist und/oder deren Messanschlussleitungen bzw. Anschlussleitungen 51, 52, 54, 55, 56, 58 und 60 unterbrochen sind, ist auch über die Batteriesteuereinheit 40 der Zustand des elektrischen Energiespeichers 32 nicht bestimmbar. Auch ist es nicht möglich, durch die Batteriesteuereinheit 40 die elektrisch betätigbaren Schalter 80 zu betätigen, um eine elektrische Verbindung zwischen den Polen 12, 14 und dem elektrischen Energiespeicher 32 herzustellen.
Zur Bestimmung des Zustands des elektrischen Energiespeichers 32 müsste das Batteriesystem 1 geöffnet werden.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt ein Batteriesystem mit einem elektrischen Energiespeicher, einer Batteriesteuereinheit und einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterietrennvorrichtung.
3 stellt im Wesentlichen die gleiche Situation wie 2 dar, jedoch umfasst die erfindungsgemäße Batterietrennvorrichtung 10 des Weiteren einen Relais-Servicesteckeranschluss 64. Der Relais-Servicesteckeranschluss 64 ist über Versorgungsleitungen 68, 70 und 72 mit den Betätigungsspulen 17, 19, 21 des Trennschützes 16, der dem Pluspol 12 zugeordnet ist, dem Trennschütz 18, der dem Minuspol 14 zugeordnet ist und dem Ladeschütz 20 verbunden.
Um nun eine elektrische Verbindung zwischen den Polen 12, 14 und dem elektrischen Energiespeicher 32 herzustellen, wird ein Relais-Servicestecker 66 auf den Relais-Servicesteckeranschluss 64 gesteckt. Dieser versorgt über die Versorgungsleitungen 68, 70, 72 die jeweiligen elektrisch betätigbaren Schalter 80 bzw. deren Betätigungsspulen 17, 19, 21, so dass die elektrisch betätigbaren Schalter 80 schließen. Die Versorgungsleitungen 68, 70, 72 sind in der in 3 dargestellten Ausführungsform parallel zu den Anschlussleitungen 56, 58, 60 geschaltet.
Werden dabei sämtliche Schütze 16, 18, 20 gleichzeitig oder zuerst die Trennschütze 16, 18 betätigt, fließt zunächst ein großer Strom durch die elektrischen Leitungen 2, 4, um den Glättungskondensator 24 aufzuladen. Der sofort fließende hohe Strom könnte dabei die Kontakte der Schütze 16, 18 beschädigen. Dies kann jedoch in Kauf genommen werden, da das Batteriesystem 1 in der dargestellten Situation ohnehin bereits beschädigt ist.
Alternativ ist es möglich, zuerst nur den dem Minuspol 14 zugeordneten Trennschütz 18 und den Ladeschütz 20 zu betätigen. Dann kann zunächst der Strom nur über den Widerstand 22 fließen und wird dadurch begrenzt, so dass eine Beschädigung der Schütze 20, 18 vermieden wird. Nach dem Laden des Glättungskondensators 24 kann dann auch der dem Pluspol 12 zugeordnete Trennschütz 16 angesteuert werden.
Nachdem eine elektrische Verbindung zwischen den Polen 12, 14 und dem elektrischen Energiespeicher 32 hergestellt wurde, können an den Polen 12, 14 Zustandsparameter gemessen werden. Die Zustandsparameter können beispielsweise die Spannung des Batteriesystems 1 umfassen, sowie den Isolationswiderstand zwischen den Polen 12, 14 und einem Gehäuse des Batteriesystems 1 bzw. einem Gehäuse des elektrischen Energiespeichers 32. Des Weiteren ist es möglich, den elektrischen Energiespeicher 32 bzw. dessen Batteriezellen 36 über eine elektrische Last 6 zu entladen. Durch ein Entladen des elektrischen Energiespeichers 32 wird das beschädigte Batteriesystem 1 in einen sicheren Zustand überführt.
In weiteren Ausführungsformen ist es möglich, an dem Relais-Servicesteckeranschluss 64 weitere Anschlüsse 74 vorzusehen. Die weiteren Anschlüsse 74 können beispielsweise für alternative Verbindungen zur Zellüberwachungseinheit 34 oder zu den Sensoren 28, 30 genutzt werden.
4 stellt wieder im Wesentlichen die gleiche Situation wie 2 dar, jedoch umfasst die erfindungsgemäße Batterietrennvorrichtung 10 des Weiteren einen Relais-Servicesteckeranschluss 64. Die Anschlussleitungen 56, 58, 60 sind in der in 4 dargestellten Ausführungsform nicht direkt mit den jeweiligen Schützen 16, 18, 20 verbunden, sondern zunächst zum Relais-Servicesteckeranschluss 64 geführt. Vom Relais-Servicesteckeranschluss 64 aus führen Versorgungsleitungen 68, 70, 72 zu den jeweiligen elektrisch betätigbaren Schaltern 80 bzw. zu deren Betätigungsspulen 17, 19, 21.
Im Normalbetrieb ist auf den Relais-Servicesteckeranschluss 64 eine Abdeckung aufgesetzt, die jeweils eine der Anschlussleitungen 56, 58, 60 mit einer der Versorgungsleitungen 68, 70, 72 verbindet. Solange die Abdeckung aufgesetzt ist, sind die Anschlussleitungen 56, 58, 60 durch diese mit ihren zugeordneten elektrisch betätigbaren Schaltern 80 verbunden. Diese Abdeckung ist in 6 detailliert dargestellt. In der in 4 dargestellten Situation ist jedoch ein Fehlerfall aufgetreten, und die Abdeckung wurde durch einen Relais-Servicestecker 66 ersetzt.
Der Relais-Servicestecker 66 versorgt wieder wie bereits zur 3 beschrieben über die Versorgungsleitungen 68, 70, 72 die jeweiligen elektrisch betätigbaren Schalter 80 bzw. deren Betätigungsspulen 17, 19, 21, so dass die elektrisch betätigbaren Schalter 80 schließen.
Bei der in 4 dargestellte Ausführungsform werden die Anschlussleitungen 56, 58, 60 durch das Aufsetzen des Relais-Servicesteckers 66 von den elektrisch betätigbaren Schaltern 80 getrennt, so dass sich ein Kurzschluss in einer der Anschlussleitungen 56, 58, 60 oder eine Fehlfunktion in der Ansteuerung 44 nicht mehr auswirken kann.
5a zeigt eine erste Ausführungsform eines Relais-Servicesteckers.
In 5a ist ein Ausschnitt der Batterietrennvorrichtung 10 dargestellt, an dem ein Relais-Servicesteckeranschluss 64 angeordnet ist. Der Relais-Servicesteckeranschluss 64 weist für jeden der drei elektrisch betätigbaren Schalter 80 eine zweipolige Versorgungsleitung 68, 70, 72 auf, die zu in der Batterietrennvorrichtung 10 aufgenommenen elektrisch betätigbaren Schaltern 80 führen. Die einzelnen Pole der Versorgungsleitungen 68, 70, 72 sind jeweils mit den Bezugszeichen a und b versehen. Je nach Ausführungsform können weitere Anschlüsse 74 vorgesehen sein, die zur Verbindung mit Sensoren oder Überwachungseinrichtungen ausgeführt werden können.
In 5a ist ein Relais-Servicestecker 66 auf den Relais-Servicesteckeranschluss 64 aufgesetzt, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Relais-Servicestecker 66 und dem Relais-Servicesteckeranschluss 64 hergestellt wird. In der in 5a dargestellten Ausführungsform des Relais-Servicesteckers 66 werden die elektrischen Verbindungen zu den Versorgungsleitungen 68, 70, 72 gleichzeitig hergestellt.
5b zeigt eine weitere Ausführungsform eines Relais-Servicesteckers.
In 5b ist ein Ausschnitt der Batterietrennvorrichtung 10 mit einem Relais-Servicesteckeranschluss 64 dargestellt. Der Relais-Servicesteckeranschluss 64 umfasst Versorgungsleitungen 68, 70, 72, die mit den elektrisch betätigbaren Schaltern 80 in der Batterietrennvorrichtung 10 verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Versorgungsleitungen 68, 70, 72 zweipolig ausgeführt, wobei die Pole jeweils mit den Bezugszeichen a und b versehen sind. Des Weiteren kann, je nach Ausführungsform, über weitere Anschlüsse 74 eine Verbindung zu Sensoren und/oder Überwachungseinrichtungen hergestellt werden.
Der Relais-Servicestecker 66 ist in der in 5b dargestellten Ausführungsform zweigeteilt. Der erste Teil 66a stellt lediglich zu zwei der Versorgungsleitungen 68, 70 eine elektrische Verbindung her. Die elektrische Verbindung zwischen dem Relais-Servicestecker 66 und der dritten Versorgungsleitung 72 wird erst beim Aufsetzen des zweiten Teils 66b des Relais-Servicesteckers 66 hergestellt.
Durch die Zweiteilung des Relais-Servicesteckers 66 können auf einfache Weise zunächst lediglich der Ladeschütz 20 und der dem Minuspol 14 zugeordnete Trennschütz 18 betätigt werden, während der dem Pluspol 12 zugeordnete Trennschütz 16 erst bei Aufsetzen des zweiten Teils 66b des Relais-Servicesteckers 66 betätigt wird. Eine Beschädigung der Kontakte der Schütze durch hohe Ströme wird dadurch vermieden.
In 6 ist der Relais-Servicesteckeranschluss 64 der Batterietrennvorrichtung 10 gemäß der in 4 beschriebenen Ausführungsform dargestellt. Der Relais-Servicesteckeranschluss 64 ist mit den Anschlussleitungen 56, 58, 60 sowie mit den Versorgungsleitungen 68, 70, 72 verbunden. Die Anschlussleitungen 56, 58, 60 sind mit der Ansteuerung für die elektrisch betätigbaren Schalter 80 verbunden, die Versorgungsleitungen 68, 70, 72 sind jeweils mit ihrem zugeordneten elektrisch betätigbaren Schaltern 80 verbunden. Sowohl die Anschlussleitungen 56, 58, 60 als auch die Versorgungsleitungen 68, 70, 72 sind jeweils zweipolig ausgeführt, wobei die Pole mit den Bezugszeichen a und b versehen sind.
In der 6 ist der Normalzustand der Batterietrennvorrichtung 10 dargestellt, so dass auf dem Relais-Servicesteckeranschluss 64 eine Abdeckung 63 aufgesetzt ist. In der Abdeckung 63 sind mehrere Brücken 75 enthalten, die die einzelnen Pole a, b der Anschlussleitungen 56, 58, 60 mit den zugehörigen Polen der Versorgungsleitungen 68, 70, 72 elektrisch verbinden.
In 7 ist ein Ausschnitt der Batterietrennvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform der 4 dargestellt. Der Relais-Servicesteckeranschluss 64 ist mit den Anschlussleitungen 56, 58, 60 sowie mit den Versorgungsleitungen 68, 70, 72 verbunden, wie bereits zu 6 beschrieben.
In der 7 ist ein Relais-Servicestecker 66 auf den Relais-Servicesteckeranschluss 64 aufgesetzt, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Relais-Servicestecker 66 und dem Relais-Servicesteckeranschluss 64 hergestellt wird. Dabei werden nur die Versorgungsleitungen 68, 70, 72 kontaktiert, an den Anschlussleitungen 56, 58, 60 weist der Relais-Servicestecker 66 nur offene Kontakte 73 auf, die nicht elektrisch verbunden sind.
In weiteren Ausführungsformen ist es denkbar, den Relais-Servicestecker 66 ähnlich wie in 5b dargestellt, zweiteilig auszuführen. Auf diese Weise lässt sich wieder zunächst der Ladeschutz 20 betätigen, bevor der Trennschütz 16 geschlossen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010042992 A1 [0007]
DE 212010000081 U1 [0008]

Claims

Batterietrennvorrichtung (10) zum Unterbrechen eines Stromflusses zwischen einem elektrischen Energiespeicher (32) und einer elektrischen Last umfassend mindestens einen elektrisch betätigbaren Schalter (80), mit dem der Stromfluss in einer elektrischen Leitung (2, 4) unterbrochen werden kann, wobei der mindestens eine elektrisch betätigbare Schalter (80) mit einer Anschlussleitung (56, 58, 60) zur Steuerung einer Schalterstellung durch eine Batteriesteuereinheit (40) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Relais-Servicesteckeranschluss (64) zur Aufnahme eines Relais-Servicesteckers (66) vorgesehen ist, der mit dem mindestens einen elektrisch betätigbaren Schalter (80) zur Steuerung einer Schalterstellung verbunden ist.
Batterietrennvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrisch betätigbare Schalter (80) eingerichtet ist, mit einer 12V Spannung aus dem 12V Bordnetz eines Fahrzeugs betätigt zu werden.
Batterietrennvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl an einer ersten elektrischen Leitung (2), die mit einem Pluspol (12) in Verbindung steht, als auch an einer zweiten elektrischen Leitung (4), die mit einem Minuspol (14) in Verbindung steht, jeweils mindestens ein elektrisch betätigbarer Schalter (80) angeordnet ist.
Batterietrennvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einer elektrischen Leitung (2, 4) zwei parallel angeordnete elektrisch betätigbare Schalter (80) angeordnet sind, wobei einer der elektrisch betätigbaren Schalter (80) in Reihe mit einem Widerstand (22) geschaltet ist und als Ladeschütz (20) eingerichtet ist und der andere als Trennschütz (16) eingerichtet ist. Batterietrennvorrichtung (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Relais-Servicesteckeranschluss (64) so ausgeführt ist, dass er einen zweigeteilten Relais-Servicestecker (66) aufnimmt, wobei der erste Teil zur Betätigung des Ladeschütz (20) und der zweite Teil (66b) des Relais-Servicesteckers (66) zur Betätigung des Trennschütz (16) eingerichtet ist.
Batteriesystem (1) umfassend einen elektrischen Energiespeicher (32), eine Batteriesteuereinheit (40) und eine Batterietrennvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
Batteriesystem (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterietrennvorrichtung (10) des Weiteren Sensoren (28, 30) zur Messung von elektrischen Strömen umfasst und die Batteriesteuereinheit (40) eingerichtet ist, Messdaten der Sensoren (28, 30) auszuwerten.
Verfahren zum Überprüfen des Zustands eines Batteriesystems (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Batteriesteuereinheit (40) und/oder der elektrische Energiespeicher (32) beschädigt sind, so dass eine Überwachung des Zustands des Batteriesystems (1) durch die Batteriesteuereinheit (40) nicht mehr möglich ist, umfassend die Schritte a) Anschließen eines Relais-Servicesteckers (66) an einen Relais-Servicesteckeranschluss (64), b) Versorgen des mindestens einen elektrisch betätigbaren Schalters (80) mit elektrischem Strom, so dass dieser einen Stromfluss in der ihm zugeordneten elektrischen Leitung (2, 4) erlaubt, c) Messen von Zustandsparametern des elektrischen Energiespeichers (32) an den Polen (12, 14) des Batteriesystems (1).
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Messung gemäß Schritt c) ein Entladen des elektrischen Energiespeichers (32) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsparameter, die bei der Messung in Schritt c) bestimmt werden, die Spannung an den Polen (12, 14) sowie den Isolationswiderstand zwischen den Polen (12, 14) und einem Gehäuse des Batteriesystems (1) und/oder des elektrischen Energiespeichers (32) umfassen.