DE102014212122A1

DE102014212122A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Entladung einer Batterie sowie Batterie, Batteriesystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014212122A1
Application number: DE102014212122.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Feuerstack; Michael Gansemer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2016-01-07
Also published as: CN105322606A; CN105322606B

Abstract

Vorrichtung zur Entladung einer Batterie (10; 10‘), umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (1001, ... 100n), gekennzeichnet durch: ein Lastelement (2001, ... 200n) zur selektiven Entladung einer Batteriezelle (1002) der Vielzahl von Batteriezellen (1001, ... 100n) mittels Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie, ein Wärmespeicherelement (300), das mit dem Lastelement (2001, ... 200n) thermisch verbunden ist, zur Aufnahme und temporären Speicherung der umgewandelten thermischen Energie, und eine Steuerungseinrichtung (400) zur Überwachung der Batterie (10; 10‘) und Veranlassung der Entladung der Batteriezelle (1002) mittels des Lastelements (2001, ... 200n), eine Batterie (10; 10‘), ein Batteriesystem, ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Entladung einer Batterie (10; 10‘).

Description

Stand der Technik
Es ist absehbar, dass sowohl bei stationären Anwendungen, zum Beispiel bei Windkraftanlagen, als auch bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraftfahrzeugen (electric vehicles, EV) oder Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicles, HEV), als wiederaufladbare elektrische Energiespeicher (EES) vermehrt neue Batteriesysteme, zum Beispiel mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren oder Nickel-Metallhybrid-Akkumulatoren, zum Einsatz kommen werden.
Die Batteriesysteme müssen sehr hohe Anforderungen bezüglich des nutzbaren Energieinhalts, des Lade / Entlade-Wirkungsgrads, der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer und des unerwünschten Kapazitätsverlusts durch häufige Teilentladung erfüllen.
Ein Batteriesystem umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen. Aufgrund ihres Zelleninnenwiderstands und der stattfindenden elektrochemischen Prozesse erwärmen sich die Batteriezellen während des Ladens und Entladens. Die Batteriezellen können in Reihe (Serie) verschaltet werden, um die elektrische Spannung zu erhöhen, und / oder parallel verschaltet werden, um den maximalen elektrischen Strom zu erhöhen. Dabei können die Batteriezellen zu Batterieeinheiten bzw. Batteriemodulen zusammengefasst werden. Beim Einsatz zum Antrieb von Fahrzeugen können beispielsweise ca. 100 Batteriezellen (als eine Traktionsbatterie) in Serie bzw. parallel verschaltet werden. Bei einem Hochvoltbatteriesystem kann die Gesamtspannung somit beispielsweise 450 V oder sogar 600 V betragen.
Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen umfassen hochreaktive chemische Inhaltsstoffe, sodass für einen gefahrlosen Betrieb bestimmte Betriebsparameter, zum Beispiel eine maximale Ladespannung, eingehalten werden müssen. Daher werden Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen überwacht. Dazu können beispielsweise Spannung und / oder Temperatur jeder Akkumulatorzelle kontinuierlich überwacht bzw. gemessen werden. Dennoch lassen sich gefährliche Betriebszustände, die beispielsweise durch eine Verletzung der Betriebsparameter, eine falsche Benutzung oder Handhabung oder alterungsbedingte chemische Veränderungen verursacht werden können, nicht völlig ausschließen. Dies kann beispielsweise zu einem thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) einer Akkumulatorzelle, das eine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellt, führen.
Aus DE 10 2010 029 806 A1 ist bereits ein elektrisches System für ein Fahrzeug bekannt, das eine elektrische Leistungsquelle, insbesondere zum Antreiben eines Elektromotors, einen Schalter, durch den eine elektrische Verbindung zwischen Leistungsquelle und Bordnetz des Fahrzeugs selektiv ausbildbar oder unterbrechbar ist, eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, bei einem von einer mit der Steuereinrichtung verbundenen Sensoreinrichtung detektierbaren vorbestimmten Zustand den Schalter zu betätigen, um die elektrische Verbindung zwischen Leistungsquelle und Bordnetz zu unterbrechen, und eine Kurzschlussleitung mit einem darin angeordneten definierten Entladewiderstand zum kontrollierten Entladen der Leistungsquelle, die mit dem Schalter und der Leistungsquelle derart verbunden ist, dass durch ein Betätigen des Schalters zum Trennen der Verbindung von Leistungsquelle und Bordnetz die Leistungsquelle selektiv kurzschliessbar ist, umfasst.
Um die Sicherheit von Akkumulatoren (Batterien) und Akkumulatorsystemen (Batteriesystemen) weiter zu erhöhen, ist es somit erforderlich, die Entladung von Akkumulatoren und Akkumulatorsystemen bei Gefahr zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass eine geladene Batteriezelle wie Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle, zum Beispiel bei einer Beschädigung und / oder möglichen Gefahr wie Brandgefahr, innerhalb kurzer Zeit entladen werden kann. Dabei kann die entstehende thermische Energie (Wärmeenergie), die nicht unmittelbar, zum Beispiel an ein Kühlsystem der Batterie, abgegeben werden könnte, zunächst gespeichert werden. Somit kann eine thermische Belastung oder sogar eine Überlastung der Batteriezelle während der Entladung reduziert bzw. vermieden werden. Dadurch kann das Thermische Durchgehen und / oder die Brandgefahr stark reduziert oder bestenfalls sogar unterbunden werden. Somit kann die Sicherheit der Batterie bzw. des Lithium-Ionen-Akkumulators erheblich erhöht bzw. verbessert werden. Wenn das Lastelement nur eine Batteriezelle oder einige Batteriezellen der Vielzahl von Batteriezellen entlädt, kann, im Vergleich zur Entladung der gesamten Batterie, die Menge der thermischen Energie reduziert werden. Weiterhin kann mit den übrigen Batteriezellen der Vielzahl von Batteriezellen ein eingeschränkter Weiterbetrieb (Notbetrieb) der Batterie gewährleistet werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Zweckmäßiger Weise kann das Wärmespeicherelement einen Wärmespeicher umfassend Metall wie Kupfer (Cu) oder Blei (Pb) umfassen. Dadurch können die spezifische Wärmekapazität, die auf die Masse des Wärmespeichers bezogen ist, und / oder die Wärmespeicherzahl, die auf das Volumen des Wärmespeichers bezogen ist, erhöht werden. Alternativ kann das Wärmespeicherelement einen Wärmespeicher umfassend ein Phasenwechselmaterial (Phasechange Material, PCM) wie Salz und Paraffin umfassen. Durch Ausnutzen des Phasenwechsel, zum Beispiel des Phasenwechseln von fest zu flüssig, kann die Kapazität des Wärmespeichers erhöht werden. Somit kann der Wärmespeicher während der Entladung eine Temperatur vom beispielsweise 1000 Grad Celsius (°C) erreichen.
Zweckmäßiger Weise kann das Wärmespeicherelement mit einem Temperierelement beispielsweise Kühlelement thermisch verbunden sein. Dadurch kann die Abfuhr der entstandenen und gespeicherten thermischen Energie verbessert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Wärmespeicherelement innerhalb eines Gehäuses der Batterie angeordnet sein. Dadurch können der mechanischen und / oder elektrische Aufbau der Batterie vereinfacht werden. Somit können Kosten reduziert werden. Alternativ kann das Wärmespeicherelement außerhalb eines Gehäuses der Batterie angeordnet sein. Dadurch können Abmessungen der Komponenten reduziert werden. Somit können der Einbau und die Anwendungen der Batterie flexibler gestaltet werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Lastelement ein Widerstandselement beispielsweise einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizient (positive temperature coefficient, PTC) bzw. PTC-Widerstand umfassen. Durch das Widerstandselement kann das Lastelement als preiswerte und robuste Komponente ausgebildet werden. Durch den PTC-Widerstand erhöht sich der Widerstandwert des Lastelements mit steigender Temperatur. Dadurch kann sich beispielsweise bei Annäherung an eine maximal zulässige Temperatur (Maximaltemperatur) eine Reduzierung des elektrischen Stroms erreichen. Somit kann ein Selbstschutz ermöglicht oder verbessert werden. Alternativ kann das Lastelement ein Halbleiterelement beispielsweise ein Leistungshalbleiterelement, einen Transistor oder einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (metal-oxide-semi-conductor field-effect transistor, MOSFET) umfassen. Dadurch kann das Lastelement veränderbar, einstellbar oder steuerbar ausgebildet werden. Somit kann das Lastelement direkt gesteuert werden. Damit kann auf ein separates Schaltelement verzichtet werden.
Zweckmäßiger Weise kann ein Widerstandswert des Lastelements veränderbar oder einstellbar sein. Dadurch können die Entladung bzw. Entladezeit und den Ladezustand und / oder die Anzahl der zu entladenden Batteriezellen angepasst werden.
Zweckmäßiger Weise kann der Widerstandswert des Lastelements größer sein als ein Innenwiderstandswert der Batteriezelle. Dadurch kann die thermische Energie, die während der Entladung in der Batteriezelle entsteht, reduziert bzw. kontrolliert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Lastelement innerhalb des Gehäuses der Batterie angeordnet sein. Dadurch können der mechanischen und / oder elektrische Aufbau der Batterie weiter vereinfacht werden. Somit können die Kosten weiter reduziert werden. Alternativ kann das Lastelement außerhalb des Gehäuses der Batterie angeordnet sein. Dadurch können Abmessungen der Komponenten weiter reduziert werden. Somit können der Einbau und die Anwendungen der Batterie noch flexibler gestaltet werden.
Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin ein Schaltelement, das mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist, zur Ansteuerung des Lastelements umfassen. Dadurch kann die Ansteuerung des Lastelements von dem Lastelement und seiner Position entkoppelt werden. Somit kann ein Verlust an elektrischer Energie während eines Normalbetreibs reduziert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Schaltelement ein Relais umfassen. Dadurch kann eine vollständige elektrische Trennung bzw. galvanische Trennung erreicht werden. Alternativ kann das Schaltelement ein Halbleiterelement beispielsweise ein Leistungshalbleiterelement, einen Transistor oder einen MOSFET umfassen. Dadurch kann Verschleiß beispielsweise Verschleiß von elektrischen Kontakten reduziert oder vermieden werden. Somit können die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung erhöht werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Schaltelement derart ausgebildet sein, dass die Batteriezelle aus der Vielzahl von Batteriezellen elektrisch abgetrennt wird, wenn das Lastelement angesteuert wird. Dadurch kann, ohne die zu entladende Batteriezelle, mit den übrigen Batteriezellen der Vielzahl von Batteriezellen ein eingeschränkter Weiterbetrieb (Notbetrieb) der Batterie aufrechterhalten werden.
Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin ein Isolationselement, das zwischen der Vielzahl von Batteriezellen und dem Lastelement oder Wärmespeicherelement angeordnet ist, zur thermischen Isolation der Vielzahl von Batteriezellen von dem Lastelement und / oder Wärmespeicherelement umfassen. Dadurch kann die thermische Belastung der Vielzahl von Batteriezellen reduziert werden. Somit können die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie erhöht werden.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Batterie bereit, die die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriesystem bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung oder die zuvor beschriebene Batterie umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug, Hybridfahrzeug oder Elektromotorrad (Elektro-Bike, E-Bike), Elektrofahrrad (Pedal Electric Cycle, Pedelec), ein Seefahrzeug wie Elektroboot oder Unterseeboot (U-Boot), ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahrzeug, bereit, das die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Vorrichtung, die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batterie oder das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriesystem umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin eine stationäre Anwendung, insbesondere für eine Windkraftanlage oder sonstige zum Batteriebetrieb geeignete Maschine, bereit.
Zweckmäßiger Weise kann das Wärmespeicherelement einen Wärmespeicher umfassend Metall wie Kupfer oder Blei umfassen. Dadurch können die spezifische Wärmekapazität, die auf die Masse des Wärmespeichers bezogen ist, und / oder die Wärmespeicherzahl, die auf das Volumen des Wärmespeichers bezogen ist, erhöht werden. Alternativ kann das Wärmespeicherelement einen Wärmespeicher umfassend ein Phasenwechselmaterial wie Salz und Paraffin umfassen. Durch Ausnutzen des Phasenwechsel, zum Beispiel des Phasenwechseln von fest zu flüssig, kann die Kapazität des Wärmespeichers erhöht werden. Somit kann der Wärmespeicher während der Entladung eine Temperatur vom beispielsweise 1000 °C erreichen.
Zweckmäßiger Weise kann das Wärmespeicherelement mit einem Temperierelement oder Kühlelement thermisch verbunden werden. Dadurch kann die Abfuhr der entstandenen und gespeicherten thermischen Energie verbessert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Wärmespeicherelement innerhalb des Gehäuses der Batterie angeordnet werden. Dadurch können der mechanischen und / oder elektrische Aufbau der Batterie vereinfacht werden. Somit können Kosten reduziert werden. Alternativ kann das Wärmespeicherelement außerhalb des Gehäuses der Batterie angeordnet werden. Dadurch können Abmessungen der Komponenten reduziert werden. Somit können der Einbau und die Anwendungen der Batterie flexibler gestaltet werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Lastelement ein Widerstandselement beispielsweise einen PTC-Widerstand umfassen. Durch das Widerstandselement kann das Lastelement als preiswerte und robuste Komponente ausgebildet werden. Durch den PTC-Widerstand erhöht sich der Widerstandwert des Lastelements mit steigender Temperatur. Dadurch kann sich beispielsweise bei Annäherung an eine maximal zulässige Temperatur (Maximaltemperatur) eine Reduzierung des elektrischen Stroms erreichen. Somit kann ein Selbstschutz ermöglicht oder verbessert werden. Alternativ kann das Lastelement ein Halbleiterelement beispielsweise ein Leistungshalbleiterelement, einen Transistor oder einen MOSFET umfassen. Dadurch kann das Lastelement veränderbar, einstellbar oder steuerbar ausgebildet werden. Somit kann das Lastelement direkt gesteuert werden. Damit kann auf ein separates Schaltelement verzichtet werden.
Zweckmäßiger Weise kann ein Widerstandswert des Lastelements veränderbar oder einstellbar sein. Dadurch können die Entladung bzw. Entladezeit und den Ladezustand und / oder die Anzahl der zu entladenden Batteriezellen angepasst werden.
Zweckmäßiger Weise kann der Widerstandswert des Lastelements größer sein als ein Innenwiderstandswert der Batteriezelle. Dadurch kann die thermische Energie, die während der Entladung in der Batteriezelle entsteht, reduziert bzw. kontrolliert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Lastelement innerhalb des Gehäuses der Batterie angeordnet werden. Dadurch können der mechanischen und / oder elektrische Aufbau der Batterie weiter vereinfacht werden. Somit können die Kosten weiter reduziert werden. Alternativ kann das Lastelement außerhalb des Gehäuses der Batterie angeordnet werden. Dadurch können Abmessungen der Komponenten weiter reduziert werden. Somit können der Einbau und die Anwendungen der Batterie noch flexibler gestaltet werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Verfahren weiterhin Bereitstellen eines Schaltelements, das mit der Steuerungseinrichtung verbunden wird, zur Ansteuerung des Lastelements, umfassen. Dadurch kann die Ansteuerung des Lastelements von dem Lastelement und seiner Position entkoppelt werden. Somit kann ein Verlust an elektrischer Energie während eines Normalbetreibs reduziert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Schaltelement ein Relais umfassen. Dadurch kann eine vollständige elektrische Trennung bzw. galvanische Trennung erreicht werden. Alternativ kann das Schaltelement ein Halbleiterelement beispielsweise ein Leistungshalbleiterelement, einen Transistor oder einen MOSFET umfassen. Dadurch kann Verschleiß beispielsweise Verschleiß von elektrischen Kontakten reduziert oder vermieden werden. Somit können die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung erhöht werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Schaltelement derart ausgebildet werden, dass die Batteriezelle aus der Vielzahl von Batteriezellen elektrisch abgetrennt wird, wenn das Lastelement angesteuert wird. Dadurch kann, ohne die zu entladende Batteriezelle, mit den übrigen Batteriezellen der Vielzahl von Batteriezellen ein eingeschränkter Weiterbetrieb (Notbetrieb) der Batterie aufrechterhalten werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Verfahren weiterhin Bereitstellen eines Isolationselements, das zwischen der Vielzahl von Batteriezellen und dem Lastelement oder Wärmespeicherelement angeordnet wird, zur thermischen Isolation der Vielzahl von Batteriezellen von dem Lastelement und / oder Wärmespeicherelement umfassen. Dadurch kann die thermische Belastung der Vielzahl von Batteriezellen reduziert werden. Somit können die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie erhöht werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Batterie 10 mit einer Vorrichtung zur Entladung der Batterie 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem normalen Betriebszustand, und
2 zeigt eine schematische Seitenansicht der Batterie 10‘ mit der Vorrichtung zur Entladung der Batterie 10‘ gemäß der Ausführungsform der Erfindung in einem Entladungszustand für eine Batteriezelle.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Batterie 10‘ mit einer Vorrichtung zur Entladung der Batterie 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem normalen Betriebszustand.
Die Batterie 10 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n, elektrische Anschlüsse 15 ₁, 15 ₂ und der Vorrichtung zur Entladung.
Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n können als Sekundärzellen (Akkumulatorzellen), beispielsweise als Metallionenzellen oder Lithiumionenzellen ausgebildet sein. Alternativ können die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n als Primärzellen ausgebildet sein. Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n sind mit den elektrischen Anschlüssen 15 ₁, 15 ₂ verbunden, sodass zur Ladung der Batterie 10 elektrische Energie zur Speicherung in die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n bzw. zur Entnahme der gespeicherten elektrischen Energie aus den Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n übertragen werden kann. Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n können, wie in 1 beispielhaft gezeigt, seriell verbunden bzw. verbindbar sein. Alternativ können die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n parallel oder gemischt beispielsweise seriell / parallel oder parallel / seriell verbunden bzw. verbindbar sein.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung zur Entladung einer Batterie 10 umfasst eine Vielzahl von Lastelementen 200 ₁, ... 200 _n zur selektiven Entladung der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n mittels Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie, ein Wärmespeicherelement 300, das mit den Lastelement 200 ₁, ... 200 _n thermisch verbunden ist, zur Aufnahme und temporären Speicherung der umgewandelten thermischen Energie, und eine Steuerungseinrichtung 400 zur Überwachung der Batterie 10 und Veranlassung der Entladung einer Batteriezelle beispielsweise der Batteriezelle 100 ₂ mittels eines Lastelements 200 ₁, ... 200 _n beispielsweise des Lastelements 200 ₂. Die Lastelemente 200 ₁, ... 200 _n können jeweils einer der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n zugeordnet sein. Die Lastelemente 200 ₁, ... 200 _n sind, wie in 1 beispielhaft gezeigt, über ihre elektrischen Anschlüsse 210 ₁₁, ... 210 _n2 jeweils mit den Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n verbindbar. Die Lastelemente 200 ₁, ... 200 _n und das Wärmespeicherelement 300 können, wie in 1 beispielhaft gezeigt, innerhalb eines Gehäuses der Batterie 10 angeordnet sein. Alternativ können sie außerhalb des Gehäuses der Batterie 10 angeordnet sein.
Die Lastelemente 200 ₁, ... 200 _n können beispielsweise ein Widerstandselement oder einen PTC-Widerstand umfassen. Alternativ können die Lastelemente 200 ₁, ... 200 _n beispielsweise ein Halbleiterelement, ein Leistungshalbleiterelement, einen Transistor oder einen MOSFET umfassen. Die Widerstandswert der Lastelemente 200 ₁, ... 200 _n können veränderbar oder einstellbar sein. Die Widerstandswerte der Lastelemente 200 ₁, ... 200 _n können größer sein als die Innenwiderstandswerte der Batteriezellen 100 ₂, ... 100 _n.
Das Wärmespeicherelement 300 umfasst einen Wärmespeicher 310. Der Wärmespeicher 310 kann einen Körper aus Metall beispielsweise Kupfer oder Blei umfassen. Alternativ kann der Wärmespeicher 310 ein Phasenwechselmaterial beispielsweise ein Salz oder ein Paraffin umfassen.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung zur Entladung einer Batterie 10 umfasst weiterhin eine Vielzahl von Überbrückungsleitungen 700 ₁, ... 700 _n, die jeweils parallel zu einer zugeordneten Batteriezelle 100 ₁, ... 100 _n angeordnet sind, zum selektiven elektrischen Verbinden der übrigen Batteriezellen, wenn die zugeordnete Batteriezelle 100 ₁, ... 100 _n, zum Beispiel, entladen wird, entladen worden ist oder defekt ist.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung zur Entladung einer Batterie 10 umfasst weiterhin eine Vielzahl von Schaltelementen 500 ₁, ... 500 _n, die mittels von Steuerverbindungen 420 ₁, ... 420 _n wie Steuerleitungen mit der Steuerungseinrichtung 400 verbunden sind, zur Ansteuerung der Lastelement 200 ₁, ... 200 _n. Die Schaltelemente 500 ₁, ... 500 _n können jeweils einer der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n und dem jeweils zugeordneten Lastelement 200 ₁, ... 200 _n zugeordnet sein. Die Schaltelemente 500 ₁, ... 500 _n können beispielsweise jeweils Anschlüsse A, B sowie X, Y und Z aufweisen. In einer ersten Stellung (Normalstellung) können jeweils die Anschlüsse A und Y sowie die Anschlüsse B und Z miteinander verbunden sein, sodass eine zugeordnete Batteriezelle 200 _x mit einer nächsten Batterierzelle 200 _x+1 bzw., für x = n, mit dem Anschluss 15 ₂ verbunden ist bzw. das zugeordnete Lastelement 200 _x nicht verbunden ist. Die 1 zeigt alle Schaltelemente 500 ₁, ... 500 _n in der Normalstellung. In einer zweiten Stellung (Notstellung) können jeweils die Anschlüsse A und X sowie die Anschlüsse B und Y miteinander verbunden sein, sodass die zugeordnete Batteriezelle 200 _x mit dem zugeordneten Lastelement 200 _x verbunden ist bzw. die nächste Batterierzelle 200 _x+1 bzw., für x = n, der Anschluss 15 ₂ mit einer vorherigen Batterierzelle 200 _x-1 verbunden oder, für x = 1, der Anschluss 15 ₁ mit der Batterierzelle 200 ₂ verbunden ist. Somit sind die Schaltelemente 500 ₁, ... 500 _n derart ausgebildet, dass eine Batteriezelle beispielsweise Batteriezelle 100 ₂ der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n zur Entladung elektrisch abgetrennt wird, wenn das zugeordnete Lastelement beispielswiese Lastelement 200 ₂ angesteuert wird. Dabei kann die Verbindung der übrigen Batteriezellen beispielsweise der Batteriezellen 100 ₁, 100 _n erhalten bleiben, sodass an den Anschlüssen 15 ₁, 15 ₂ weiterhin elektrische Energie bereitgestellt werden kann. Alternativ können die Stellungen der Anschlüsse A und B voneinander unabhängig gesteuert werden. Die Bereitstellung der elektrischen Energie an den Anschlüssen 15 ₁, 15 ₂ kann mittels der Steuerungseinrichtung 400 überwacht und gesteuert werden. Die Schaltelemente 500 ₁, ... 500 _n können beispielsweise als Relais oder Schütz wie Schaltschütz ausgebildet sein. Alternativ können die Schaltelemente 500 ₁, ... 500 _n als Halbleiterelement, Leistungshalbleiterelement, Transistor oder MOSFET ausgebildet sein.
Die Batterie 10 kann weiterhin eine Vielzahl von Sensorelementen 410 ₁, ... 420 _n beispielsweise Temperatursensorelementen, die mit den Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n verbunden beispielsweise thermisch verbunden und mit der Steuerungseinrichtung 400 verbunden beispielsweise mittels von Anschlussleitungen elektrisch verbunden sind, zur Ermittlung von Messwerten beispielsweise Temperaturmesswerten umfassen.
Die Batterie 10 kann weiterhin ein Temperierelement 800 beispielsweise Kühlelement, das mit dem Wärmespeicherelement 300 thermisch verbunden ist, zur Abführung der thermischen Energie umfassen. Das Temperierelement kann einen Kanal zur Aufnahme eines Temperiermittels, beispielsweise eines flüssigen Temperiermittels wie Wasser sowie einen Zulauf 810 ₁ und einen Ablauf 810 ₂ zur Zufuhr bzw. Abfuhr des Temperiermittels umfassen.
Die Batterie 10 kann weiterhin ein Isolationselement 600 zur thermischen Isolation der Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n von den Lastelementen 200 ₁, ... 200 _n und / oder dem Wärmespeicherelement 300. Das Isolationselement 600 kann, wie in 1 beispielhaft gezeigt, zwischen den Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n und den Lastelementen 200 ₁, ... 200 _n sowie dem Wärmespeicherelement 300 angeordnet sein.
Die Steuerungseinrichtung 400 überwacht die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n. und erkennt Fehler. Die Steuerungseinrichtung 400 kann beispielsweise als diskrete Schaltung, Programmmodul oder programmierbarer Rechner ausgebildet sein. Der Rechner kann beispielsweise einen Prozessor wie Mikroprozessor oder Mikrocontoller und Speicher wie flüchtigen Speicher und / oder nichtflüchtigen Speicher umfassen. Wenn, zum Beispiel, die Temperatur einer bestimmten Batteriezelle beispielsweise der Batteriezelle 100 ₂ entweder im Vergleich zu den übrigen Batteriezellen zu hoch ist oder eine zulässige Maximaltemperatur überschreitet, kann die Steuerungseinrichtung 400 durch Umschalten des zugeordneten Schaltelements beispielsweise des Schaltelements 200 ₂ die Entladung dieser bestimmten Batteriezelle beispielsweise der Batteriezelle 100 ₂ mittels des zugeordneten Lastelements beispielsweise des Lastelements 200 ₂ veranlassen und bewirken. Die dabei im zugeordneten Lastelement entstehende thermische Energie wird zunächst von dem Wärmespeicherelement 300 rasch aufgenommen und zwischengespeichert und kann dann über das Temperierelement 800 abgeführt werden. Somit kann die Gefahr des Thermischen Durchgehens dieser bestimmten Batteriezelle reduziert werden.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht der Batterie 10‘ mit der Vorrichtung zur Entladung der Batterie 10‘ gemäß der Ausführungsform der Erfindung in einem Entladungszustand für eine Batteriezelle.
Im Unterschied zu 1 zeigt die 2 das Schaltelement 500 ₂ in der Notstellung. Dadurch wird die Batteriezelle 100 ₂ über die miteinander verbundenen Anschlüsse B und Y des Schaltelements 500 ₂ mittels des Lastelements 200 ₂ entladen. Dabei bleibt die Verbindung der Batteriezellen 100 ₁, 100 _n über die miteinander verbundenen Anschlüsse A und X des Schaltelements 500 ₂ erhalten bleiben, sodass an den Anschlüssen 15 ₁, 15 ₂ weiterhin elektrische Energie bereitgestellt wird.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „umfassend“ und „aufweisend“ oder dergleichen nicht ausschließen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Schließlich wird angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010029806 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Entladung einer Batterie (10; 10‘), umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n), gekennzeichnet durch: – ein Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) zur selektiven Entladung einer Batteriezelle (100 ₂) der Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n) mittels Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie, – ein Wärmespeicherelement (300), das mit dem Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) thermisch verbunden ist, zur Aufnahme und temporären Speicherung der umgewandelten thermischen Energie, und – eine Steuerungseinrichtung (400) zur Überwachung der Batterie (10; 10‘) und Veranlassung der Entladung der Batteriezelle (100 ₂) mittels des Lastelements (200 ₁, ... 200 _n).
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: – das Wärmespeicherelement (300) einen Wärmespeicher umfassend Metall, Kupfer, Phasenwechselmaterial, Salz oder Paraffin umfasst, – das Wärmespeicherelement (300) mit einem Temperierelement (800) oder Kühlelement thermisch verbunden ist, oder – das Wärmespeicherelement (300) innerhalb oder außerhalb eines Gehäuses der Batterie (10; 10‘) angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei: – das Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) ein Widerstandselement, einen PTC-Widerstand, ein Halbleiterelement, ein Leistungshalbleiterelement, einen Transistor oder einen MOSFET umfasst, – ein Widerstandswert des Lastelements (200 ₁, ... 200 _n) veränderbar oder einstellbar ist, – der Widerstandswert des Lastelements (200 ₁, ... 200 _n) größer ist als ein Innenwiderstandswert der Batteriezelle (100 ₂), – das Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) innerhalb oder außerhalb eines / des Gehäuses der Batterie (10; 10‘) angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend: – ein Schaltelement (500 ₁, ... 500 _n), das mit der Steuerungseinrichtung (400) verbunden ist, zur Ansteuerung des Lastelements (200 ₂), wobei: – das Schaltelement (500 ₁, ... 500 _n) ein Relais, ein Halbleiterelement, ein Leistungshalbleiterelement, einen Transistor oder einen MOSFET umfassen kann, oder – das Schaltelement (500 ₁, ... 500 _n) derart ausgebildet sein kann, dass die Batteriezelle (100 ₂) aus der Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n) elektrisch abgetrennt wird, wenn das Lastelement (200 ₂) angesteuert wird.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend: – ein Isolationselement (600), das zwischen der Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n) und dem Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) oder Wärmespeicherelement (300) angeordnet ist, zur thermischen Isolation der Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n) von dem Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) oder Wärmespeicherelement (300).
Batterie (10; 10‘), umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Batteriesystem, umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, oder – die Batterie (10; 10‘) nach Anspruch 6.
Fahrzeug, umfassend: – die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verbunden mit dem Fahrzeug, – die Batterie (10; 10‘) nach Anspruch 6 verbunden mit dem Fahrzeug, oder – das Batteriesystem nach Anspruch 7 verbunden mit dem Fahrzeug.
Verfahren zur Entladung einer Batterie (10; 10‘), umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n), gekennzeichnet durch: – Bereitstellen eines Lastelements (200 ₁, ... 200 _n) zur selektiven Entladung einer Batteriezelle (100 ₂) der Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n) mittels Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie, – Bereitstellen eines Wärmespeicherelements (300), das mit dem Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) thermisch verbunden wird, zur Aufnahme und temporären Speicherung der umgewandelten thermischen Energie, und – Bereitstellen einer Steuerungseinrichtung (400) zur Überwachung der Batterie (10; 10‘) und Veranlassung der Entladung der Batteriezelle (100 ₂) mittels des Lastelements (200 ₁, ... 200 _n).
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei: – das Wärmespeicherelement (300) einen Wärmespeicher umfassend Metall, Kupfer, Phasenwechselmaterial, Salz oder Paraffin umfasst, – das Wärmespeicherelement (300) mit einem Temperierelement (800) oder Kühlelement thermisch verbunden wird, oder – das Wärmespeicherelement (300) innerhalb oder außerhalb eines Gehäuses der Batterie (10; 10‘) angeordnet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei: – das Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) ein Widerstandselement, einen PTC-Widerstand, ein Halbleiterelement, ein Leistungshalbleiterelement, einen Transistor oder einen MOSFET umfasst, – ein Widerstandswert des Lastelements (200 ₁, ... 200 _n) veränderbar oder einstellbar ist, – der Widerstandswert des Lastelements (200 ₁, ... 200 _n) größer ist als ein Innenwiderstandswert der Batteriezelle (100 ₂), – das Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) innerhalb oder außerhalb eines / des Gehäuses der Batterie (10; 10‘) angeordnet wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, weiterhin umfassend: – Bereitstellen eines Schaltelements (500 ₁, ... 500 _n), das mit der Steuerungseinrichtung (400) verbunden wird, zur Ansteuerung des Lastelements (200 ₂), wobei: – das Schaltelement (500 ₁, ... 500 _n) ein Relais, ein Halbleiterelement, ein Leistungshalbleiterelement, einen Transistor oder einen MOSFET umfassen kann, oder – das Schaltelement (500 ₁, ... 500 _n) derart ausgebildet werden kann, dass die Batteriezelle (100 ₂) aus der Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n) elektrisch abgetrennt wird, wenn das Lastelement (200 ₂) angesteuert wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiterhin umfassend: – Bereitstellen eines Isolationselements (600), das zwischen der Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n) und dem Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) oder Wärmespeicherelement (300) angeordnet wird, zur thermischen Isolation der Vielzahl von Batteriezellen (100 ₁, ... 100 _n) von dem Lastelement (200 ₁, ... 200 _n) oder Wärmespeicherelement (300).