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Die Erfindung betrifft Batteriesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige Batteriesysteme kommen insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz.
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Ein solches Batteriesystem dient zur Energieversorgung eines Verbrauchers. Das Batteriesystem weist wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle auf. Der Verbraucher steht mit der Batterie- und/oder Akkuzelle über eine Versorgungsleitung in elektrischer Verbindung. In der Versorgungsleitung ist ein schaltbares elektromechanisches Bauelement, wie ein elektrischer Schalter, ein Relais, ein Schütz o. dgl., zur Schaltung der Versorgungsleitung in der Art eines Lastschalters angeordnet. Es hat sich herausgestellt, dass das bekannte Batteriesystem vermehrt während des Betriebes ausfällt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Batteriesystem derart weiterzuentwickeln, dass die Betriebssicherheit verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Batteriesystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Batteriesystem ist ein elektrischer Widerstand elektrisch parallel zum elektromechanischen Bauelement in der Art eines Widerstandsbypasses geschaltet. Wie sich herausgestellt hat, erfolgt durch den Widerstandsbypass eine Entlastung des elektromechanischen Bauelements beim Schalten der Versorgungsleitung. Vorteilhafterweise ist ein solches Batteriesystem robuster als bisher und bietet eine bessere Betriebs- und/oder Funktionssicherheit. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In der Regel weist der Verbraucher eine elektrische Kapazität auf. Der elektrisch parallel zum elektromechanischen Bauelement in der Art eines Widerstandsbypasses geschaltete elektrische Widerstand ermöglicht ein Vorladen der Kapazität, indem die Kapazität über den elektrischen Widerstand vor dem Einschalten des elektromechanischen Bauelements zur Schaltung der Versorgungsleitung zum Verbraucher aufladbar ist. Die Aufladung der Kapazität über den elektrischen Widerstand kann mittels eines elektrischen Schalters schaltbar sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann der elektrische Widerstand eine Widerstandsschaltungsanordnung aus wenigstens zwei Widerständen umfassen. In kompakter Ausgestaltung können die Widerstände der Widerstandsschaltungsanordnung in der Art eines Arrays angeordnet sein. Dabei kann in einfacher Art und Weise die Anzahl der Widerstände entsprechend der Größe des elektrischen Widerstands für die Widerstandsschaltungsanordnung gewählt sein. Die Widerstände der Widerstandsschaltungsanordnung können aus SMD(Surface Mounted Device)-Bauteilen bestehen, so dass die Widerstandsschaltungsanordnung in einfacher sowie kostengünstiger Weise herstellbar ist. Insbesondere werden vorteilhafterweise dann keine teuren Präzisionswiderstände benötigt.
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Zweckmäßigerweise können die Widerstände der Widerstandsschaltungsanordnung auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Um eine gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten, was wiederum die Betriebssicherheit erhöht, kann eine in thermischer Verbindung mit der Leiterplatte stehende Wärmesenke vorgesehen sein. In einfacher Art und Weise kann es sich bei der Wärmesenke um einen Metallkörper, wie eine Aluminiumplatte, handeln. Im Hinblick auf die funktionssichere Abfuhr der in der Widerstandsschaltungsanordnung erzeugten Wärme und/oder um den betriebssicheren Stromfluss zu gewährleisten, kann es sich bei der Leiterplatte für die Widerstandsschaltungsanordnung um eine für elektrische Leistungsströme geeignete Hochstromleiterplatte handeln.
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Zum Schutz für das Batteriesystem kann ein Gehäuse für die Batterie- und/oder Akkuzelle vorgesehen sein. Zwecks kompakter Ausgestaltung können die Widerstandsschaltungsanordnung und/oder die Leiterplatte für die Widerstandsschaltungsanordnung im Gehäuse befindlich sein. Um eine gute Abführung der Verlustwärme zu erzielen, kann die mit der Leiterplatte in thermischer Verbindung stehende Wärmesenke aus dem Gehäuse herausragen.
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Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist nachfolgendes festzustellen.
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In elektromechanischen Verteilungssystemen von Batteriesystemen werden elektrische Lasten mit großen elektrischen Schaltern, beispielsweise mittels eines Relais, eines Schütz o. dgl., geschaltet. Diese elektrischen Lasten haben auch große elektrische Kapazitäten. Diese Kapazitäten müssen auch vorgeladen werden, bevor die Schalter zugeschaltet werden. Dies erfolgt über Widerstandsbypässe, die parallel zu den Schaltern angeschlossen sind. Dadurch wird eine gesteuerte Aufladung der Kapazitäten erreicht und die Lastschalter werden nicht übermäßig bei den Schaltvorgängen belastet, was die Lebensdauer deutlich verbessert.
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Bisher gibt es Widerstandsmodule als Widerstandsbypässe, die umständlich und/oder mit großen finanziellen Aufwänden zu realisieren sind. Die erfindungsgemäße Idee besteht nunmehr auch darin, dieses Widerstandsmodul durch ein Widerstandsarray abzulösen, was zwar eine sehr einfache aber dennoch innovative Lösung darstellt. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Vorteile hinsichtlich der Montage, des Wärmemanagements und/oder der stabilen Funktion über die Produktlebensdauer. Des Weiteren sind Vorteile auch in der funktionalen Sicherheit vorhanden.
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Geschaffen ist somit ein Widerstandsarray als Widerstandbypass in Batteriesystemen. Das Widerstandsarray kann in weiterer Ausgestaltung mit SMD-Bauteilen bestückt und/oder auf einer standardisierten Leiterplatte angeordnet werden. Dadurch hat man alle fertigungstechnischen Prozesse berücksichtigt und kann die Herstellung des Widerstandsarrays in einfacher Art und Weise in bestehende Fertigungsprozesse integrieren.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass zum einen die Widerstandsschaltungsanordnung in einfacher Art und Weise ausgestaltet ist. Zum anderen ist die erfindungsgemäße Lösung deutlich robuster, günstiger und/oder in der Montage einfacher zu überwachen als das bisherige Widerstandsmodul, bei welchen auch die Gefahr eines Ausfalls höher ist.
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Weitere mit der Erfindung erzielte Vorteile bestehen in Nachfolgendem:
- – Es wirken keine mechanischen Kräfte auf den Widerstand.
- – Die Herstellung der Leiterplattenbaugruppe kann mit Standardprozessen erfolgen.
- – Es ist eine gute elektrische Anbindung gegeben.
- – Die elektrische Verbindungstechnik hat definierte Übergangswiderstände, die prozesssicher sind über die gesamte Produktlaufzeit.
- – Es ist eine gute thermische Anbindung mit der SMD(Surface Mounted Device)- und/oder THT(Through Hole Technology)-Lösung für die Herstellung der Widerstandsschaltungsanordnung gegeben.
- – Es ist eine sehr gute thermische Anbindung der Baugruppe an Kühlsysteme ermöglicht.
- – Das thermische Management kann gut und/oder produktspezifisch in einfacher Art und Weise umgesetzt werden.
- – Es handelt sich um eine beständige Verbindungstechnik.
- – Es sind gute Überwachungsmöglichkeiten in der Fertigung gegeben.
- – Es können mehrere Widerstandsarrays auf einer einzigen Leiterplatte umsetzbar sein.
- – Die Widerstandswerte können in einfacher Weise an das jeweilige Batteriesystem angepasst werden.
- – Es sind unterschiedliche Einzelwiderstandstechnologien einsetzbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
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1 ein Batteriesystem gemäß einer Ausführung in schematischer Ansicht,
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2 ein Batteriesystem gemäß einer weiteren Ausführung in schematischer Ansicht,
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3 ein Batteriesystem mit einer Widerstandsschaltungsanordnung gemäß einer nochmals weiteren Ausführung als schematisches Blockschaltbild und
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4 die Widerstandsanordnung aus 3 in einer Detailansicht.
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In 1 ist ein Batteriesystem 1 entsprechend einer Ausführung für ein Kraftfahrzeug zu sehen. Das Batteriesystem 1 weist wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle 2 auf. Mit der Batterie- und/oder Akkuzelle 2 steht ein Verbraucher 3 über eine Versorgungsleitung 4 in elektrischer Verbindung. Die Energieversorgung für den Verbraucher 3 durch die Batterie- und/oder Akkuzelle 2 ist in üblicher Weise mittels eines elektrischen Schaltelements 6 in der Versorgungsleitung 4 zu- und/oder abschaltbar. In der Versorgungsleitung 4 ist weiter ein bei elektrischer Überlastung auslösendes Sicherungselement 5 angeordnet. Das Sicherungselement 5 umfasst ein schaltbares elektromechanisches Bauelement, zur Schaltung der Versorgungsleitung 4. Dadurch lässt sich mittels des elektromechanischen Bauelements 5 die Versorgungsleitung 4 im Fehlerfalle und/oder bei einer Überlastung unterbrechen, so dass eine bisherige Schmelzdrahtsicherung verzichtbar ist.
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Wie weiter anhand der 1 zu sehen ist, umfasst das schaltbare elektromechanische Bauelement 5 zwei Festkontakte 7, 8 sowie einen Schaltkontakt 9 zur schaltbaren Überbrückung der Festkontakte 7, 8. Die Versorgungsleitung 4 steht mit den Festkontakten 7, 8 an elektrischen Anschlüssen 10, 11 des elektromechanischen Bauelements 5 in elektrischer Verbindung. Bei dem elektromechanischen Bauelement 5 kann es sich um einen elektrischen Schalter, ein Relais, ein Schütz o. dgl. handeln.
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Das elektromechanische Bauelement 5 ist für den zu erwartenden Kurzschlussstrom in der Versorgungsleitung 4 dimensioniert. Und zwar derart, dass das schaltbare elektromechanische Bauelement 5 bei Erreichen des Kurzschlussstroms den Abschaltvorgang zum Unterbrechen der Versorgungsleitung 4 einmalig durchführt.
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Zweckmäßigerweise ist weitergehend das schaltbare elektromechanische Bauelement 5 für den maximal zu erwartenden Kurzschlussstrom in der Versorgungsleitung 4 dimensioniert. Somit ist wenigstens der maximal zu erwartende Kurzschlussstrom in der Versorgungsleitung 4 funktionssicher abschaltbar.
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In 2 ist ein Batteriesystem 1 entsprechend einer weiteren Ausführung für ein Kraftfahrzeug zu sehen, wobei hier mehrere Verbraucher 3 vorgesehen sind. Das Batteriesystem 1 weist wiederum wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle 2 auf. Mit der Batterie- und/oder Akkuzelle 2 steht ein Verteiler 12 über eine Hauptversorgungsleitung 4 in elektrischer Verbindung. Vom Verteiler 12 führen wenigstens zwei Versorgungsleitungen 13, 14 zu den einzelnen Verbrauchern 3. In der Hauptversorgungsleitung 4 sind eine Hauptsicherung 15 sowie ein aus einem Widerstand bestehender Shunt 16 befindlich. Mit Hilfe des Shunts 16 ist eine Messung des in der Hauptversorgungsleitung 4 fließenden Stroms ermöglicht. In der Versorgungsleitung 13, 14 ist wiederum jeweils ein Sicherungselement 17 angeordnet. Das Sicherungselement 17 umfasst ein der Versorgungsleitung 13, 14 zugeordnetes Strommesselement, so dass eine bisherige Schmelzdrahtsicherung verzichtbar ist.
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Das Sicherungselement 17 kann zusätzlich ein in 2 nicht weiter gezeigtes elektromechanisches Bauelement umfassen. Bei dem elektromechanischen Bauelement kann es sich, wie beispielsweise in der 1 gezeigt ist, um einen elektrischen Schalter, ein Relais, ein Schütz o. dgl., zur Schaltung der Versorgungsleitung 13, 14 handeln. Das Strommesselement 17 schaltet dann bei Überschreiten eines Grenzwertes für den gemessenen Strom in der Versorgungsleitung 13, 14 das elektromechanische Bauelement, so dass die elektrische Spannung in der jeweiligen Versorgungsleitung 13, 14 unterbrochen ist.
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Bei dem Strommesselement 17 handelt es sich in bevorzugter Weise um einen Hall-Sensor zur Messung des durch die Versorgungsleitung 13, 14 fließenden elektrischen Stroms. Der Hall-Sensor 17 kann wiederum in der Art eines integrierten Schaltkreises ausgebildet sein. Bei der Hauptsicherung 15 handelt es sich in bevorzugter Weise um eine Schmelzsicherung.
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Die Hauptversorgungsleitung 4 ist mittels eines Batteriesteckverbinders 18 an die Batterie- und/oder Akkuzelle 2 angeschlossen. Zur Zu- und/oder Abschaltung der Hauptversorgungsleitung 4 befindet sich in der Hauptversorgungsleitung 4 wiederum ein elektrisches Schaltelement 6. Die Verbraucher 3 sind ebenfalls mittels Steckverbinder 19 an die Versorgungsleitung 13, 14 angeschlossen. Für die Aufladung der Batterie- und/oder Akkuzelle 2 sind Ladeleitungen 20 vorgesehen, die mittels eines Ladesteckverbinders 21 an ein Ladegerät 22, beispielsweise einen Generator, angeschlossen sind. Die Ladeleitungen 20 sind mittels eines weiteren elektrischen Schaltelements 23 zu- und/oder abschaltbar. Schließlich ist noch eine parallel zum Schaltelement 6 in der Hauptversorgungsleitung 4 angeordnete Vorladeschaltung 24 zur Vorladung von elektrischen Kapazitäten in den Verbrauchern 3 vorgesehen.
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In 3 ist ein Batteriesystem 1 gemäß einer nochmals weiteren Ausführung für ein Kraftfahrzeug zu sehen, wobei hier die nähere Ausgestaltung der Vorladeschaltung 24 gezeigt ist. Das Batteriesystem 1 weist wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle 2 auf. Ein Verbraucher 3 steht mit der Batterie- und/oder Akkuzelle 2 über eine Versorgungsleitung 4 in elektrischer Verbindung. In der Versorgungsleitung 4 ist ein schaltbares elektromechanisches Bauelement 6, beispielsweise ein elektrischer Schalter, ein Relais, ein Schütz o. dgl., zur Schaltung der Versorgungsleitung 4 angeordnet. Der Verbraucher 3 weist eine elektrische Kapazität 25 auf. Ein elektrischer Widerstand 26 ist mittels Zuleitungen 29 elektrisch parallel zum elektromechanischen Bauelement 6 in der Art eines Widerstandsbypasses geschaltet, derart dass ein Vorladen bzw. Aufladen der Kapazität 25 vor dem Einschalten des elektromechanischen Bauelements 6 zur Schaltung der Versorgungsleitung 4 zum Verbraucher 3 über den elektrischen Widerstand 26 ermöglicht ist. Dabei kann die Vorladung der Kapazität 25 entsprechend gesteuert werden, indem die Aufladung über den elektrischen Widerstand 26 mittels eines elektrischen Schalters 30 in der Zuleitung 29 schaltbar ist. Die Vorladeschaltung 24 umfasst somit den elektrischen Widerstand 26 sowie den zugehörigen elektrischen Schalter 30.
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Der elektrische Widerstand 26 umfasst eine Widerstandsschaltungsanordnung aus wenigstens zwei Widerständen 26', 26''. Bevorzugterweise umfasst die Widerstandsschaltungsanordnung 26 vorliegend eine Vielzahl von Widerständen 26', 26'', 26''', wie man näher in 4 sieht. Die Widerstände 26', 26'', 26''' der Widerstandsschaltungsanordnung 26 sind in der Art eines Arrays angeordnet. Dabei ist die Anzahl der Widerstände 26', 26'', 26''' entsprechend der Größe des gewünschten gesamten elektrischen Widerstands für die Widerstandsschaltungsanordnung 26 gewählt. Des Weiteren bestehen die Widerstände 26', 26'', 26''' der Widerstandsschaltungsanordnung 26 aus SMD(Surface Mounted Device)-Bauteilen. Die Widerstände 26', 26'', 26''' der Widerstandsschaltungsanordnung 26 sind auf einer Leiterplatte 27 angeordnet. Damit sind die Widerstände 26', 26'', 26''' in fertigungstechnisch einfacher Art auf der Leiterplatte 27 zu bestücken und anschließend mittels des SMD-Lötverfahrens zu verlöten, so dass die Widerstandsschaltungsanordnung 26 zum einen eine kompakte Ausgestaltung aufweist und zum anderen besonders funktions- sowie betriebssicher ist.
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Für die Batterie- und/oder Akkuzelle 2 ist ein Gehäuse 31 vorgesehen, wie man der 3 entnimmt. Des Weiteren ist zur funktionssicheren Abführung der im Batteriesystem 1 entstehenden Wärme, und zwar insbesondere zur Entwärmung der im Gehäuse 31 befindlichen Komponenten, eine Wärmesenke 28 vorgesehen. Die Wärmesenke 28 besteht aus einem Metallkörper, wie einer Aluminiumplatte, und steht in thermischer Verbindung mit der Leiterplatte 27. Während sich die Widerstandsschaltungsanordnung 26 und/oder die Leiterplatte 27 für die Widerstandsschaltungsanordnung 26 im Gehäuse 31 befinden, ragt die mit der Leiterplatte 27 in thermischer Verbindung stehende Wärmesenke 28 aus dem Gehäuse 31 heraus, wie man anhand der 3 sieht. Zwecks weiterer Verbesserung der Entwärmung für die Widerstandsschaltungsanordnung 26 sowie zur funktionssicheren Führung des hohen elektrischen Stroms kann es sich bei der Leiterplatte 27 für die Widerstandsschaltungsanordnung 26 um eine für elektrische Leistungsströme geeignete Hochstromleiterplatte handelt.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann die Erfindung nicht nur in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sondern kann auch in allen sonstigen Batterieprojekten und/oder -systemen, in denen Wärmeenergie entsteht, Verwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesystem
- 2
- Batterie- und/oder Akkuzelle
- 3
- Verbraucher
- 4
- Versorgungsleitung/Hauptversorgungsleitung
- 5
- Sicherungselement/elektromechanisches Bauelement
- 6
- (elektrisches) Schaltelement/elektromechanisches Bauelement (für die Versorgungsleitung/ Hauptversorgungsleitung)
- 7, 8
- Festkontakt
- 9
- Schaltkontakt
- 10, 11
- (elektrischer) Anschluss
- 12
- Verteiler
- 13, 14
- Versorgungsleitung (zu Verbraucher)
- 15
- Hauptsicherung
- 16
- Shunt
- 17
- Sicherungselement/Strommmesselement/Hall-Sensor
- 18
- Batteriesteckverbinder
- 19
- Steckverbinder
- 20
- Ladeleitung
- 21
- Ladesteckverbinder
- 21a
- OBC-Stecker
- 21b
- DCDC-Stecker
- 21c
- EKK-Stecker
- 22
- Ladegerät
- 23
- (elektrisches) Schaltelement (für Ladeleitung)
- 24
- Vorladeschaltung
- 25
- (elektrische) Kapazität
- 26
- (elektrischer) Widerstand/Widerstandsschaltungsanordnung
- 26', 26'', 26'''
- Widerstand
- 27
- Leiterplatte
- 28
- Wärmesenke
- 29
- Zuleitung
- 30
- (elektrischer) Schalter
- 31
- Gehäuse
