DE102014217525A1

DE102014217525A1 - Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch von Batteriesystemen

Info

Publication number: DE102014217525A1
Application number: DE102014217525.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Steil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-03-03
Also published as: US20170309967A1; WO2016034358A1; CN106797058B; CN106797058A

Abstract

Die Erfindung geht aus von einesm Batteriesystem (B), insbesondere einem Lithium-Ionen-Batteriesystem mit mindestens einer Vorrichtung (V) zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystem (B), und mit mindestens einer Entladungsvorrichtung (EV), geeignet zur elektrischen Entladung des Batteriesystem (B), wobei die mindestens eine Vorrichtung (V), eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie des Batteriesystems (B) in nichtelektrische Energie ist und dass die mindestens eine Vorrichtung (V) zumindest im Fall einer Entladung des Batteriesystems (B) mit der Entladungsvorrichtung (EV) verbunden ist.

Description

Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriesystem sowie die Verwendung desselben gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch von Batteriesystemen, wobei die Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch eines Batteriesystems zum elektrischen Kurzschließen des Batteriesystems geeignet ist, bekannt. Beispielsweise offenbart die JP 07201372 A eine Batterie mit einer auf Druck reagierenden Membran, wobei sich die Membran in Abhängigkeit eines Druckes im Inneren der Batterie verformen und einen elektrischen Kontakt zwischen zwei Terminals der Batterie herstellen kann.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Batteriesystem, insbesondere einem Lithium-Ionen-Batteriesystem, mit mindestens einer Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems und mit mindestens einer Entladungsvorrichtung, geeignet zur elektrischen Entladung des Batteriesystems.
Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem und die Verwendung des Batteriesystems gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die mindestens eine Vorrichtung eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie des Batteriesystems in nichtelektrische Energie ist und dass die mindestens eine Vorrichtung, zumindest im Fall einer Entladung des Batteriesystems, mit der Entladungsvorrichtung verbunden ist.
Der Umstand, dass die mindestens eine Vorrichtung eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie des Batteriesystems in nichtelektrische Energie ist und dass die mindestens eine Vorrichtung, zumindest im Fall einer Entladung des Batteriesystems, mit der Entladungsvorrichtung verbunden ist, führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, das Batteriesystem, in Abhängigkeit der Tatsache dass es entladen werden soll oder entladen wird, schneller zu entladen. Ursächlich für die schnellere Entladung ist, dass durch die Umwandlung von elektrischer Energie des Batteriesystems in nichtelektrische Energie die Entladung des Batteriesystems selbst beschleunigt wird.
Hintergrund der Erfindung ist die Erhöhung der Sicherheit im Umgang mit einem Batteriesystem, wobei für den Fall, dass ein kritischer Zustand des Batteriesystems eingetreten ist, das Batteriesystem entladen werden kann. Ein kritischer Zustand des Batteriesystems liegt beispielswiese dann vor, wenn eine Gasentstehung innerhalb des Batteriesystems und/oder eine unregelmäßige Erhöhung einer Temperatur und/oder eines Druckes, die im Inneren und/oder Äußeren des Batteriesystems herrschen, eingetreten ist. Mit der in dem Batteriesystem gespeicherten elektrischen Energie geht eine Gefährdung von Lebewesen oder Gegenständen, die sich in der Umgebung des Batteriesystems befinden, einher. Je schneller und vollständiger diese elektrische Energie umgewandelt und das Batteriesystem kontrolliert entladen wird, desto geringer ist die Gefährdung für Lebewesen oder Gegenstände in der Umgebung des Batteriesystems.
Erfindungsgemäß ist zudem die Verwendung eines Batteriesystems in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Darüber hinaus ist insbesondere auch eine stationäre Verwendung des Batteriesystems möglich.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltungsform der Erfindung ist die mindestens eine Vorrichtung mit einer Energieleitungsvorrichtung energieleitend verbunden. Dabei ist die Energieleitungsvorrichtung zur Ableitung der durch die mindestens eine Vorrichtung erzeugten, nichtelektrischen Energie in einen räumlichen Bereich außerhalb des Batteriesystems geeignet.
Die energieleitende Verbindung der mindestens einen Vorrichtung mit einer Energieleitungsvorrichtung, wobei die Energieleitungsvorrichtung zur Ableitung der durch die mindestens eine Vorrichtung erzeugten nichtelektrischen Energie in einen räumlichen Bereich außerhalb des Batteriesystems geeignet ist, führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, dass die erzeugte, nichtelektrische Energie zuverlässig und kontrolliert in einen räumlichen Bereich außerhalb des Batteriesystems abgeleitet werden kann. Durch die Ableitung der nichtelektrischen Energie in einen räumlichen Bereich außerhalb des Batteriesystems, wird die Sicherheit im Umgang mit einem Batteriesystem weiter erhöht. Hintergrund dieser Ausgestaltungsform der Erfindung ist, dass je mehr elektrische Energie in nichtelektrische Energie umgewandelt und in einen räumlichen Bereich außerhalb des Batteriesystems abgeleitet werden kann, die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung von Lebewesen oder Gegenständen, die sich in der Umgebung eines schadhaften Batteriesystems befinden, desto geringer ist. Die nichtelektrische Energie kann beispielsweise in einen außerhalb des Batteriesystems angeordneten Energiespeicher abgeleitet werden. Bei dem außerhalb der Batterie angeordneten Energiespeicher kann es sich insbesondere um eine Vorrichtung zur Aufnahme mechanischer Energie handeln, wobei die mechanische Energie auf eine Turbine, ein Schwungrad, einen elastischen Körper, eine Hydraulik, eine Pneumatik übertragbar oder in einen Druckbehälter überführbar ist. Der Druckbehälter ist beispielsweise zur Aufnahme von Gasen und insbesondere von Dampf oder von verdampften Flüssigkeiten geeignet. Der Druckbehälter kann beispielsweise unter einem Druck von 0 bar bis 5 bar, vorzugsweise 0 bar bis 2 bar oder 3 bar bis 5 bar stehen, um Siede- und Verdampfungstemperatur der im Druckbehälter vorgesehenen Substanzen zu erhöhen und somit eine höhere Energieaufnahme zu bewirken.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist die mindestens eine Vorrichtung zur Umwandlung der elektrischen Energie in nichtelektrische Energie ein mechanisch wirkender Energiewandler und/oder ein thermodynamisch wirkender Energiewandler und/oder ein chemisch wirkender Energiewandler.
Der Umstand, dass die mindestens eine Vorrichtung zur Umwandlung der elektrischen Energie in nichtelektrische Energie ein mechanisch wirkender Energiewandler und/oder ein thermodynamisch wirkender Energiewandler und/oder ein chemisch wirkender Energiewandler ist, führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, die Durchführung der Umwandlung, beispielsweise die Geschwindigkeit der Umwandlung und/oder die Effizienz der Umwandlung, festlegen zu können. Möglich ist die Festlegung der Durchführung der Umwandlung, da die mechanischen, thermodynamischen und chemischen Prozesse an sich bekannt und kontrolliert einstellbar sind.
Entsprechend einer nächsten vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem mechanisch wirkenden Energiewandler um einen elektrischen Antrieb der mit einem mechanisch arbeitenden Verbraucher in einer Wirkverbindung steht. Dabei handelt es sich bei dem mechanisch arbeitenden Verbraucher insbesondere um ein Schwungrad, um eine Turbine, um eine Vorrichtung geeignet zur Verformung eines elastischen Körpers, um eine Hydraulik oder um eine Pneumatik.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der mechanisch arbeitende Verbraucher und insbesondere die Turbine zur Erzeugung eines Luftstroms geeignet, wobei der Luftstrom insbesondere auf mindestens eine Komponente des Batteriesystems gerichtet ist. Der Umstand, dass der mechanisch arbeitende Verbraucher und insbesondere die Turbine zur Erzeugung eines Luftstroms geeignet sind, wobei der Luftstrom insbesondere auf mindestens eine Komponente des Batteriesystems gerichtet ist, führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, dass die mindestens eine Komponente des Batteriesystems gekühlt werden kann. Durch das Kühlen der mindestens einen Komponente des Batteriesystems, wird die Sicherheit im Umgang mit dem Batteriesystem weiter erhöht. Hintergrund der Erhöhung der Sicherheit ist, dass in einem gegebenenfalls schadhaften Batteriesystem die Erhitzung von Komponenten des Batteriesystems ursächlich für den schadhaften Zustand sein kann und zudem eine weitere Erhöhung der Schädigung anderer Komponenten des Batteriesystems und/oder des Batteriesystems selbst bewirken kann. Durch die Kühlung der mindestens einen Komponente wird die Möglichkeit einer weiteren Schädigung des Batteriesystems insgesamt verringert.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem thermodynamisch wirkenden Energiewandler um eine elektrothermisch wirkende Vorrichtung, insbesondere um einen ohmschen Widerstand oder um ein Peltier-Element.
Bei einer elektrothermisch wirkenden Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung die geeignet ist, elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln. Die elektrothermisch wirkende Vorrichtung steht mit einer elektrothermisch reaktiven Substanz, insbesondere einer gasförmigen, flüssigen oder festen elektrothermisch reaktiven Substanz in einer Wirkverbindung.
Die Verwendung eines ohmschen Widerstands oder eines Peltier-Elements führen zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, die thermodynamische Umwandlung kontrolliert und vorbestimmt durchführen zu können. Hintergrund der kontrollierten und vorbestimmten Durchführung ist, dass die physikalischen und chemischen und technischen Eigenschaften sowohl eines ohmschen Widerstand als auch eines Peltier-Elements bekannt sind. Ferner sind für den Betrieb, sowohl des ohmschen Widerstands als auch des Peltier-Elements, weder Kältemittel noch Kühlmittel erforderlich.
Entsprechend einer nächsten vorzugsweisen Ausgestaltungsform der Erfindung ist die elektrothermisch wirkende Vorrichtung für den Fall, dass es sich um eine flüssige elektrothermisch reaktive Substanz handelt, zur Verdampfung der flüssigen elektrothermisch reaktiven Substanz geeignet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist die elektrothermisch wirkende Vorrichtung für den Fall, dass es sich um eine feste elektrothermisch reaktive Substanz handelt, zur Sublimation oder zum Schmelzen der festen elektrothermisch reaktiven Substanz geeignet. Bei der festen elektrothermisch reaktiven Substanz kann es sich beispielsweise um Paraffin oder ein NaCl-basierendes Gel handeln.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist der thermodynamisch wirkende Energiewandler zur Kühlung mindestens einer Komponente des Batteriesystems geeignet. Der Umstand, dass der thermodynamisch wirkende Energiewandler zur Kühlung mindestens einer Komponente des Batteriesystems geeignet ist, führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, dass die Sicherheit im Umgang mit einem schadhaften Batteriesystem weiter erhöht wird.
Entsprechend einer nächsten vorzugsweisen Ausgestaltungsform der Erfindung, handelt es sich bei dem chemisch wirkenden Energiewandler um einen elektrochemischen Aktor, wobei der Aktor zum Hervorrufen chemischer Reaktionen durch elektrische Energie geeignet ist. Dabei steht der elektrochemische Aktor in einer Wirkverbindung zu einer chemisch endotherm reaktiven Substanz. Beispielhaft für eine chemisch endotherm reaktive Substanz ist Lithiumchloridtrihydrat, Lithiumnitrattrihydrat oder Natriumcarbonatdecahydrat. Für den Fall der Umwandlung elektrischer Energie in nichtelektrische Energie nimmt die chemisch endotherm reaktive Substanz die nichtelektrische Energie auf.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungform der Erfindung ist der chemisch wirkende Energiewandler zur Kühlung mindestens einer Komponente des Batteriesystems geeignet. Der Umstand, dass der chemisch wirkende Energiewandler zur Kühlung mindestens einer Komponente des Batteriesystems geeignet ist, führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, dass die Sicherheit im Umgang mit einem schadhaften Batteriesystem weiter erhöht wird.
Gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltungsform der Erfindung ist die mindestens eine Vorrichtung an eine Energiespeichervorrichtung energieübertragend angebunden. Dabei ist die Energiespeichervorrichtung zur Aufnahme und Speicherung nichtelektrischer Energie geeignet. Der Umstand, dass die mindestens eine Vorrichtung an eine Energiespeichervorrichtung energieübertragend angebunden ist, führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, dass die erzeugte nichtelektrische Energie kontrolliert gespeichert werden kann. Durch die kontrollierte Speicherung der erzeugten nichtelektrischen Energie werden mögliche Schädigungen des Batteriesystems oder Schädigungen oder Lebewesen oder Gegenständen, die sich in der Umgebung des Batteriesystems befinden, durch die erzeugte nichtelektrische Energie weitestgehend vermieden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist das Batteriesystem eine Steuervorrichtung auf, wobei die Steuervorrichtung zur Steuerung der mindestens einen Vorrichtung geeignet ist. Dabei ist die Steuervorrichtung zur Steuerung der mindestens einen Vorrichtung insbesondere in Abhängigkeit eines Zustands des Batteriesystems und/oder einer Verbrauchereinrichtung, in der das Batteriesystem verwendet wird, geeignet. Beispielhaft für eine Verbrauchereinrichtung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug. Der Umstand, dass das Batteriesystem eine Steuervorrichtung aufweist, wobei die Steuervorrichtung zur Steuerung der mindestens einen Vorrichtung insbesondere in Abhängigkeit eines Zustands eines Batteriesystems und/oder einer Verbrauchervorrichtung, in der das Batteriesystem verwendet wird, geeignet ist, führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, dass die mindestens eine Vorrichtung in Abhängigkeit des Zustands des Batteriesystems und/oder der Verbrauchervorrichtung bedarfsabhängig angesteuert werden kann. Ein unnötiges Umwandeln elektrischer Energie in nichtelektrische Energie wird somit vermieden. Ferner kann der Anteil der umzuwandelnden elektrischen Energie festgelegt werden. Der Anteil der umzuwandelnden elektrischen Energie kann in Abhängigkeit des Ausmaßes der Schädigung des Batteriesystems festgelegt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit mindestens einer Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems und mit mindestens einer Entladungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit mindestens einer Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems und mit mindestens einer Entladungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit mindestens einer Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems und mit mindestens einer Entladungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Batteriesystem, insbesondere ein Lithium-Ionen-Batteriesystem, mit mindestens einer Vorrichtung, geeignet zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems, und mit mindestens einer Entladungsvorrichtung, geeignet zur elektrischen Entladung des Batteriesystems, gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. Mit B wird das Batteriesystem bezeichnet. Das Batteriesystem B kann eine Batterievorrichtung BV enthalten; die Batterievorrichtung BV stellt den eigentlichen elektrochemischen Energiespeicher des Batteriesystems B dar. Bei der Batterievorrichtung BV kann es sich insbesondere um ein Batteriemodul, enthaltend mindestens eine Batteriezelle, oder um eine Batteriezelle selbst handeln. Die Innenwand der Batterievorrichtung BV kann beispielsweise Oberflächenstrukturen aufweisen, wobei die Oberflächenstrukturen eine Wärmeübertragung begünstigen. Zu diesem Zweck kann die Oberflächenstruktur wellen- oder lamellenförmig oder gemäß einer fraktalen Geometrie ausgestaltet sein. Mit VV wird eine Verbrauchervorrichtung bezeichnet. Das Batteriesystem B wird beispielsweise innerhalb der Verbrauchervorrichtung VV verwendet. Bei der Verbrauchervorrichtung VV kann es sich beispielsweise um ein Fahrzeug, insbesondere um ein Kraftfahrzeug handeln. Mit EV wird eine Entladungsvorrichtung bezeichnet, wobei die Entladungsvorrichtung EV zur elektrischen Entladung des Batteriesystems B geeignet ist. Mit V wird mindestens eine Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems B bezeichnet. Die mindestens eine Vorrichtung V ist zur Umwandlung elektrischer Energie des Batteriesystems B in nichtelektrische Energie geeignet. Mit EL wird eine Energieleitungsvorrichtung bezeichnet. Die Energieleitungsvorrichtung EL ist zur Ableitung der durch die mindestens eine Vorrichtung V erzeugten, nichtelektrischen Energie in einen räumlichen Bereich außerhalb des Batteriesystems B geeignet ist. Mit ES wird eine Energiespeichervorrichtung bezeichnet. Die Energiespeichervorrichtung ES befindet sich vorzugsweise außerhalb des Batteriesystems B ist und ist zur Aufnahme und Speicherung der insbesondere über die Energieleitungsvorrichtung EL übertragenen nichtelektrischen Energie geeignet.
Mit SV wird eine Steuervorrichtung bezeichnet. Die Steuervorrichtung SV ist zur Steuerung der mindestens einen Vorrichtung V geeignet. Mit der Steuervorrichtung SV kann die mindestens eine Vorrichtung V angesteuert und der Prozess der Umwandlung elektrischer Energie des Batteriesystems B gestartet werden. Der Prozess der Umwandlung kann in Abhängigkeit des Zustands des Batteriesystems B und beispielsweise des Zustands der Batterievorrichtung BV gestartet werden. Zur Bestimmung des Zustands des Batteriesystems B oder der Batterievorrichtung BV kann mindestens ein Sensor S verwendet werden. Der Sensor S ist vorzugsweise zur Bestimmung elektrischer Größen des Batteriesystems B oder der Batterievorrichtung BV, etwa eines Stroms, der durch eine Leitung des Batteriesystems B oder der Batterievorrichtung BV fließt, oder einer Spannung, die zwischen zwei Polen des Batteriesystems B oder der Batterievorrichtung BV anliegt, geeignet. Der mindestens eine Sensor S ist beispielsweise auch zur Erfassung und Bestimmung eines Drucks und/oder einer Temperatur, die im Inneren des Batteriesystems B oder der Batterievorrichtung BV herrschen, oder des Eintretens einer Gasentstehung oder eines Flüssigkeitsaustritts innerhalb des Batteriesystems B oder der Batterievorrichtung BV geeignet. Es kann sich bei dem Sensor S insbesondere um einen Drucksensor oder um einen Temperatursensor handeln. Um den Umstand des Eintretens einer Gasentstehung oder eines Flüssigkeitsaustritts innerhalb der Batterievorrichtung BV nachzuweisen, kann es sich bei dem Sensor S insbesondere um einen Gassensor beziehungsweise um einen Flüssigkeitssensor handeln; der Nachweis, sowohl des Eintretens einer Gasentstehung als auch eines Flüssigkeitsaustritts, kann auch mittels eines Drucksensors durchgeführt werden. Hintergrund des Nachweises mittels eines Drucksensors ist, dass mit einer Gasentstehung oder einem Flüssigkeitsaustritt innerhalb der Batterievorrichtung BV eine Veränderung des Drucks innerhalb der Batterievorrichtung BV einhergehen kann. Die von dem mindestens einen Sensor S sensorisch gewonnenen Informationen über physikalische Zustandsgrößen des Batteriesystems B oder der Batterievorrichtung BV können beispielsweise mittels einer Auswertevorrichtung A verarbeitet und insbesondere einem Schwellenwertvergleich unterzogen werden. In Abhängigkeit des Schwellenwertvergleichs kann die Umwandlung elektrischer Energie in nichtelektrische Energie durch die Steuervorrichtung SV gestartet werden. Ferner kann mit der Steuervorrichtung SV insbesondere der Anteil der umzuwandelnden elektrischen Energie eingestellt werden. Mit K wird eine weitere Komponente des Batteriesystems B bezeichnet, bei der weiteren Komponente K kann es sich um eine weitere, andere Batterievorrichtung oder um eine weitere, andere Steuervorrichtung handeln. Die mindestens eine Vorrichtung V kann zudem extern angesteuert werden, beispielsweise im Fall eines sicherheitskritischen Zustands der Verbrauchervorrichtung VV. Die externe Ansteuerung kann dabei automatisch durch eine Sicherheitsvorrichtung der Verbrauchervorrichtung VV oder beispielsweise mittels einer Eingabevorrichtung durch Personen erfolgen; die Eingabevorrichtung kann beispielsweise innerhalb und/oder außerhalb der Verbrauchervorrichtung VV angeordnet sein. Falls es sich bei der Verbrauchervorrichtung VV um ein Fahrzeug und insbesondere um ein Kraftfahrzeug handelt, kann es sich bei der Sicherheitsvorrichtung insbesondere um ein Airbagsteuergerät oder um einen Radarsensor handeln. Ferner kann die Steuervorrichtung SV zur Übertragung einer Information über den Umstand, dass die Vorrichtung V angesteuert wurde, an eine Sicherheitsvorrichtung außerhalb des Batteriesystems B geeignet sein. Bei der Sicherheitsvorrichtung außerhalb des Batteriesystems B kann es sich beispielsweise um eine HMI-Schnittstelle in einem Fahrzeug oder um eine Warnvorrichtung, beispielsweise eine Hupvorrichtung, ein Warnblinker oder ein Scheinwerfer, an einem Fahrzeug handeln.
Für den Fall, dass es sich bei der Vorrichtung V um einen thermodynamisch oder chemisch wirkenden Energiewandler handelt, wobei es sich bei dem thermodynamisch wirkenden Energiewandler um eine elektrothermisch wirkende Vorrichtung handelt und es sich bei dem chemisch wirkenden Energiewandler um einen elektrochemischen Aktor handelt, der mit einer chemisch endotherm reaktiven Substanz in einer Wirkverbindung steht, weist die elektrothermisch wirkende Vorrichtung beziehungsweise die chemisch endotherm reaktive Substanz, oder ein Behälter, in dem die chemisch endotherm reaktive Substanz angeordnet ist, eine Oberfläche in Form einer Kugel, eines Ikosaeders oder eines Dodekaeders auf. Ferner kann die Oberfläche des Behälters eine wellen- oder lamellenförmige Struktur oder eine fraktale Oberfläche aufweisen.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Batteriesystem, insbesondere ein Lithium-Ionen-Batteriesystem, mit mindestens einer Vorrichtung, geeignet zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems, und mit mindestens einer Entladungsvorrichtung, geeignet zur elektrischen Entladung des Batteriesystems, gemäß einer zweiten, alternativen Ausführungsform schematisch dargestellt. Mit B wird das Batteriesystem bezeichnet. Das Batteriesystem B enthält mindestens eine Batteriezelle 1. Eine Anzahl von Batteriezellen 1 wird von mindestens einem Modulcontroller 2 hinsichtlich physikalischer Größen überwacht. Bei den physikalischen Größen kann es sich um einen Strom, der durch eine Leitung der mindestens einen Batteriezelle 1 fließt, oder um eine Spannung, die zwischen zwei Polen der mindestens einen Batteriezelle 1 anliegt, handeln. Ferner ist der mindestens eine Modulcontroller 2 zur Messung der Temperatur innerhalb und/oder außerhalb der mindestens einen Batteriezelle 1 geeignet. Darüber hinaus ist der Modulcontroller 2 zum Ausgleichen eines elektrischen Ladezustands zwischen mindestens zwei Batteriezellen 1 geeignet. Mindestens ein Modulcontroller 2 ist mittels eines BUS-Systems, insbesondere eines CAN – Controller Area Network – mit einem Batteriesteuergerät 3 verbunden. Ferner kann ein weiterer Stromsensor 4 mit dem Batteriesteuergerät 3 verbunden sein. Bei dem weiteren Stromsensor 4 kann es sich um einen Hall-Sensor oder um einen Shuntsensor handeln. Durch den weiteren Stromsensor 4, insbesondere den Hall-Sensor oder den Shuntsensor, kann der mittels des Modulcontrollers 2 bestimmte Strom anhand einer unabhängigen Messung geprüft und plausibilisiert werden. Das Batteriesteuergerät 3 ist zur Steuerung eines Hauptschützes 5 und eines Vorladeschützes 7 geeignet. In einem Vorladezweig ist ein Vorladewiderstand 8 vorgesehen. Der Vorladeschütz 7 und der Vorladewiderstand 8 dienen einer strombegrenzten Ladung einer nicht dargestellten Zwischenkreiskapazität außerhalb des Batteriesystems B. Ferner ist in einem Hauptstromkreis des Batteriesystems eine Schmelzsicherung 6 vorgesehen. Vorgesehen sind zudem ein Schalter 9 und mindestens eine Vorrichtung V zur Umwandlung elektrischer Energie des Batteriesystems B in nichtelektrische Energie. Der Schalter 9 dient der Bedienung der mindestens einen Vorrichtung V. Bei dem Schalter 9 kann es sich insbesondere um einen pyrotechnischen Schließschalter handeln. Der Schalter 9 kann insbesondere von dem Batteriesteuergerät 3 angesteuert werden. Die Ansteuerung des Schalters 9 kann beispielsweise in Abhängigkeit eines Zustands des Batteriesystems B oder einer Verbrauchervorrichtung, in der das Batteriesystem B verwendet wird, geschehen. Handelt es sich bei der Verbrauchervorrichtung beispielsweise um ein Fahrzeug, vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, so kann die Ansteuerung des Schalters 9 in Abhängigkeit eines detektierten Fahrzeugunfalls geschehen. Zur Detektion eines Fahrzeugunfalls können Daten aus Fahrzeugsystemen übernommen werden, beispielsweise Daten aus Radar-Messungen oder aus einem ESP-System des Fahrzeugs. Vorzugsweise wird vor Betätigung des Schalters 9 mindestens ein Hauptschütz 5 geöffnet um dadurch einen etwaigen Stromfluss aus dem Batteriesystem B heraus zu unterbinden. Zusätzlich oder alternativ können die Vorrichtung V und ein Schalter zur Bedienung der Vorrichtung V außerhalb des Batteriesystems B angeordnet sein. Insbesondere kann die Vorrichtung V auch ohne Ansteuerung durch den Schalter 9 und beispielsweise in Abhängigkeit eines Drucks oder einer Temperatur, die im Inneren oder Äußeren des Batteriesystems herrschen, elektrische Energie des Batteriesystems B in nichtelektrische Energie umwandeln, vorzugsweise dann, wenn es sich bei der Vorrichtung V um einen thermodynamisch oder chemisch wirkenden Energiewandler handelt. Für den Fall, dass es sich bei der Vorrichtung um einen thermodynamisch oder chemisch wirkenden Energiewandler handelt, wobei es sich bei dem thermodynamisch wirkenden Energiewandler um eine elektrothermisch wirkende Vorrichtung handelt und es sich bei dem chemisch wirkenden Energiewandler um einen elektrochemischen Aktor handelt, der mit einer chemisch endotherm reaktiven Substanz in einer Wirkverbindung steht, weist die elektrothermisch wirkende Vorrichtung beziehungsweise die chemisch endotherm reaktive Substanz, oder ein Behälter, in dem die chemisch endotherm reaktive Substanz angeordnet ist, eine Oberfläche in Form einer Kugel, eines Ikosaeders oder eines Dodekaeders auf. Ferner kann die Oberfläche des Behälters eine wellen- oder lamellenförmige Struktur oder eine fraktale Oberfläche aufweisen.
Darüber hinaus können die chemisch endotherm reaktiven Substanzen, insbesondere wenn es sich bei diesen Substanzen um Lithiumchloridtrihydrat, Lithiumnitrattrihydrat oder Natriumcarbonatdecahydrat handelt, in mindestens einer Trägervorrichtung angeordnet sein. Dabei ist die mindestens eine Trägervorrichtung vorzugsweise zwischen mindestens einer Batteriezelle 1 und mindestens einer anderen Batteriezelle 1 angeordnet. Die mindestens eine Trägervorrichtung kann beispielsweise aus Silikonschäumen oder Polyurethanschaum ausgebildet sein und vorzugsweise eine wabenförmige Struktur aufweisen. Durch die Anordnung der chemisch endotherm reaktiven Substanzen in der mindestens einen Trägervorrichtung kann entstehende Wärme aufgenommen und ihre Propagation von der mindestens einen Batteriezelle 1 zu der mindestens einen anderen Batteriezelle 1 weitestgehend unterbunden werden. Vorzugsweise werden die chemisch endotherm reaktiven Substanzen zusammen mit Aluminiumhydroxid in der mindestens einen Trägervorrichtung angeordnet. Im regulären Betriebsfall verhindert die Trägervorrichtung die Propagation von möglicherweise in mindestens einer Batteriezelle 1 entstehender Wärme zu einer anderen Batteriezelle 1. Im Fall der Umwandlung elektrischer Energie in nichtelektrische Energie kann die nichtelektrische Energie innerhalb der Trägervorrichtung gespeichert werden.
Die Trägervorrichtung kann beispielsweise innerhalb eines Zellgehäuses der Batteriezelle 1 angeordnet sein. Falls das Batteriesystem B mindestens ein Batteriemodul aufweist, wobei das mindestens eine Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle 1 enthält, kann die Trägervorrichtrung vorzugsweise in einem Gehäuse des mindestens einen Batteriemoduls angeordnet sein. Falls das Batteriesystem B mindestens ein Batteriepack aufweist, wobei das mindestens eine Batteriepack mindestens ein Batteriemodul enthält, kann die Trägervorrichtrung vorzugsweise in einem Gehäuse des mindestens einen Batteriepacks angeordnet sein. Falls das Batteriesystem B mindestens eine elektronische Vorrichtung aufweist, kann die Trägervorrichtrung vorzugsweise in einem Gehäuse der mindestens einen elektronischen Vorrichtung angeordnet sein.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Batteriesystem, insbesondere ein Lithium-Ionen-Batteriesystem, mit mindestens einer Vorrichtung, geeignet zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems, und mit mindestens einer Entladungsvorrichtung, geeignet zur elektrischen Entladung des Batteriesystems, gemäß einer dritten, alternativen Ausführungsform schematisch dargestellt. Mit B wird das Batteriesystem bezeichnet. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Vorrichtung V und der Schalter 9 innerhalb der mindestens einen Batteriezelle 1 angeordnet. Mit T1 und T2 werden Terminals der Batteriezelle 1 bezeichnet. Zur Ansteuerung des Schalters 9 ist eine ebenfalls innerhalb der mindestens einen Batteriezelle 1 angeordnete und mit 31 bezeichnete Steuereinheit vorgesehen. Die durch die Vorrichtung V erzeugte nichtelektrische Energie kann an einen Energiespeicher ES übertragen und von diesem gespeichert werden. Insbesondere kann die Vorrichtung V auch ohne Ansteuerung durch den Schalter 9 elektrische und beispielsweise in Abhängigkeit eines steigendes Drucks oder einer steigenden Temperatur Energie des Batteriesystems B in nichtelektrische Energie umwandeln, vorzugsweise dann, wenn es sich bei der Vorrichtung V um einen thermodynamisch oder chemisch wirkenden Energiewandler handelt. Falls es sich um einen chemisch wirkenden Energiewandler handelt, wobei es sich bei dem chemisch wirkenden Energiewandler um einen Aktor handelt, der in einer Wirkverbindung zu einer chemisch endotherm reaktiven Substanz steht und wobei es sich bei den chemisch endotherm reaktiven Substanzen insbesondere um Lithiumchloridtrihydrat, Lithiumnitrattrihydrat oder Natriumcarbonatdecahydrat handelt, können diese chemisch endotherm reaktiven Substanzen insbesondere zusammen mit Aluminiumhydroxid auf einem Borsäurewafer oder innerhalb einer Geflechtsmatrix angeordnet sein. Durch diese Anordnung der chemisch endotherm reaktiven Substanzen kann eine Energieumwandlung möglichst effizient erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 07201372 A [0002]

Claims

Batteriesystem (B), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesystem, mit mindestens einer Vorrichtung (V) zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch des Batteriesystems (B) und mit mindestens einer Entladungsvorrichtung (EV), geeignet zur elektrischen Entladung des Batteriesystems (B), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung (V) eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie des Batteriesystems (B) in nichtelektrische Energie ist und das die mindestens eine Vorrichtung (V), zumindest im Fall einer Entladung des Batteriesystems (B), mit der Entladungsvorrichtung (EV) verbunden ist.
Batteriesystem (B) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung (V) mit einer Energieleitungsvorrichtung (EL) energieleitend verbunden ist, wobei die Energieleitungsvorrichtung (EL) zur Ableitung der durch die mindestens eine Vorrichtung (V) erzeugten nicht elektrischen Energie in einen räumlichen Bereich außerhalb des Batteriesystems (B) geeignet ist.
Batteriesystem (B) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung (V) zur Umwandlung der elektrischen Energie in nichtelektrische Energie ein mechanisch wirkender Energiewandler und/oder ein thermodynamisch wirkender Energiewandler und/oder ein chemisch wirkender Energiewandler ist.
Batteriesystem (B) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mechanisch wirkenden Energiewandler um einen elektrischen Antrieb handelt, der mit einem mechanisch arbeitenden Verbraucher in einer Wirkverbindung steht, wobei es sich bei dem mechanisch arbeitenden Verbraucher insbesondere um ein Schwungrad, um eine Turbine, um eine Vorrichtung geeignet zur Verformung eines elastischen Körpers, um eine Hydraulik oder um eine Pneumatik handelt.
Batteriesystem (B) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine zur Erzeugung eines Luftstroms geeignet ist, wobei der Luftstrom insbesondere auf mindestens eine Komponente (K) des Batteriesystems (B) gerichtet ist.
Batteriesystem (B) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem thermodynamisch wirkenden Energiewandler um eine elektrothermisch wirkende Vorrichtung und insbesondere um einen ohmschen Widerstand oder um ein Peltier-Element handelt, die mit einer elektrothermisch reaktiven Substanz, insbesondere einer gasförmigen, flüssigen oder festen elektrothermisch reaktiven Substanz, in einer Wirkverbindung steht.
Batteriesystem (B) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrothermisch wirkende Vorrichtung für den Fall, dass es sich um eine flüssige elektrothermisch reaktive Substanz handelt, zur Verdampfung der flüssigen elektrothermisch reaktiven Substanz geeignet ist.
Batteriesystem (B) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrothermisch wirkende Vorrichtung für den Fall, dass es sich um eine feste elektrothermisch reaktive Substanz handelt, zur Sublimation oder zum Schmelzen der festen elektrothermisch reaktiven Substanz geeignet ist.
Batteriesystem (B) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamisch wirkende Energiewandler zur Kühlung mindestens einer Komponente (K) des Batteriesystems (B) geeignet ist.
Batteriesystem (B) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem chemisch wirkenden Energiewandler um einen elektrochemischen Aktor geeignet zum Hervorrufen chemischer Reaktion durch elektrische Energie handelt, wobei der elektrochemische Aktor in einer Wirkverbindung zu einer chemisch endotherm reaktiven Substanz steht.
Batteriesystem (B) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der chemisch wirkende Energiewandler zur Kühlung mindestens einer Komponente (K) des Batteriesystems (B) geeignet ist.
Batteriesystem (B) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an die mindestens eine Vorrichtung (V) eine Energiespeichervorrichtung (ES) energieübertragend angebunden ist, wobei die Energiespeichervorrichtung (ES) zur Aufnahme und Speicherung nichtelektrischer Energie geeignet ist.
Batteriesystem (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (B) eine Steuervorrichtung (SV) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (SV) zur Steuerung der mindestens einen Vorrichtung (V) insbesondere in Abhängigkeit eines Zustands des Batteriesystems (B) und/oder einer Verbrauchervorrichtung (VV), in der das Batteriesystem (B) verwendet wird, geeignet ist.
Verwendung eines Batteriesystems (B) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.