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Die Erfindung betrifft ein 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 von Verbrauchern. Das Batteriesystem weist wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle auf. Mit der Batterie- und/oder Akkuzelle steht ein Verteiler über eine Hauptversorgungsleitung in elektrischer Verbindung. Vom Verteiler führen wenigstens zwei Versorgungsleitungen zu den Verbrauchern. In der vom Verteiler abgehenden Versorgungsleitung ist jeweils ein Sicherungselement zur Unterbrechung der Versorgungsleitung bei Auftreten eines unzulässig hohen Stromes angeordnet. Bisher bestehen diese Sicherungselemente aus Schmelzsicherungen, welche aufgrund der hohen abzusichernden Ströme einen großen Bauraum sowie hohe Kosten verursachen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Batteriesystem derart weiterzuentwickeln, dass der Bauraum verringert 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 umfasst das Sicherungselement ein der Versorgungsleitung zugeordnetes Strommesselement. Insbesondere kann somit auf die bisherige großbauende Schmelzdrahtsicherung verzichtet werden, was vorteilhafterweise zusätzlich noch kostengünstiger ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In weiterer Ausgestaltung kann das Sicherungselement weiter ein elektromechanisches Bauelement zur Schaltung der Versorgungsleitung umfassen. Bei dem elektromechanischen Bauelement kann es sich um einen elektrischen Schalter, ein Relais, ein Schütz o. dgl. handeln. Zweckmäßigerweise schaltet dann das Strommesselement bei Überschreiten eines Grenzwertes für den gemessenen Strom das elektromechanische Bauelement, so dass die Versorgungsleitung unterbrochen ist. Mit anderen Wort wird die zugeordnete Versorgungsleitung mitsamt dem Verbraucher in einem solchen Fall abgeschaltet.
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Bei dem Strommesselement kann es sich um einen Hall-Sensor zur Messung des durch die Versorgungsleitung fließenden elektrischen Stroms handeln, welcher vorteilhafterweise funktions- sowie betriebssicher arbeitet. Zwecks weiterer Verringerung der Größe kann der Hall-Sensor in der Art eines integrierten Schaltkreises ausgestaltet sein.
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Zur Absicherung der Hauptversorgungsleitung kann in der Hauptversorgungsleitung eine Hauptsicherung befindlich sein. Aufgrund des in der Hauptversorgungsleitung fließenden hohen Gesamtstromes, der die Summe der in den einzelnen Versorgungsleitungen fließenden Ströme umfasst, kann es sich anbieten, dass es sich bei der Hauptsicherung um eine Schmelzsicherung handelt.
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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 (Relais, Schütz) geschaltet. Bei gefährlichen Situationen die durch Unfälle und/oder auch fehlerhafte Betriebsbedingungen entstehen können, müssen die Batteriesysteme, insbesondere vor einem Batteriebrand, geschützt werden. Der Schutz kann mit bekannten Sicherungselementen erfolgen. Bisher ist es so gelöst, dass eine Hauptsicherung direkt in Reihe zur Batterie geschaltet ist. Danach werden die Abgänge auf mehrere kleinere Abgänge aufgeteilt.
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Die Schmelzsicherungen haben einen elektrischen Widerstand, der Verlustleistung, also Wärme, produziert. Dieser Widerstand ist erforderlich, damit die Schmelzsicherungen ihre Funktion entsprechend den Richtlinien erfüllen können. Hierfür sind der elektrische Widerstand und die Wärme bis zum Erreichen des Schmelzpunktes im Sicherungsdraht notwendig, wobei die Wärme durch den elektrischen Stromfluss entsteht. Allerdings können zwei Schmelzsicherungen in Reihe gefährliche Zustände erzeugen. Ein Lichtbogen in einer Sicherung begrenzt den fließenden elektrischen Strom. Dadurch verändert sich das Auslöseverhalten beider in Reihe geschalteten Schmelzsicherungen.
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Die Idee besteht darin, nach der Hauptsicherung die aufgesplitterten Schmelzsicherungen mit kleineren Auslösewerten durch ein Strommesssystem zu ersetzen. Mit diesen Messsystemen kann der elektrische Strom erfasst werden und ein Schaltelement kann die „normalen Kurzschlüsse” in einer Versorgungsleitung abschalten. Die Hauptsicherung ist dann nur noch für das „Worst Case Szenario” zuständig. Der „Worst Case” kann mehr als 10.000 A groß werden. Diesen Strom kann dann ein elektrischer Schalter nicht mehr zuverlässig abschalten, so dass die Hauptversorgungsleitung mit einem Schmelzsicherungselement abgesichert ist.
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Mit Hilfe dieser Idee, nämlich die Schmelzsicherungsaufgabe durch eine Strommessung zu ersetzen, sind die kleineren Schmelzsicherungen nach der Hauptsicherung nicht mehr erforderlich. Sie werden vielmehr durch ein Strommesssystem ersetzt, z. B. durch ein berührungsloses Hall-Sensor-Messsystem. Den Hauptstromkreis trennt dann nur noch die Hauptsicherung ab, falls ein enormer Kurzschluss stattfindet.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in Folgendem:
- – Es wird nur eine Schmelzsicherung benötigt, nämlich die Hauptsicherung.
- – Die Ausgangssicherungen werden durch integrierte Schaltkreise überwacht.
- – Es ist nur eine Sicherung mit der Thematik Funkenstrecke zu berücksichtigen.
- – Alterungseffekte an den Sicherungen sind auf die Hauptsicherung reduziert.
- – Es sind keine teuren Werkstattaufenthalte aufgrund ausgefallener Sicherungen notwendig.
- – Das erfindungsgemäße Batteriesystem benötigt lediglich einen deutlich reduzierten Bauraum.
- – Das erfindungsgemäße Batteriesystem besitzt ein deutlich reduziertes Gewicht.
- – Das erfindungsgemäße Batteriesystem besitzt einen reduzierten CO2-Ausstoß.
- – Die technische Umsetzbarkeit für das erfindungsgemäße Batteriesystem ist deutlich vereinfacht.
- – Das erfindungsgemäße Batteriesystem besitzt einen deutlichen Kostenvorteil.
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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. 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 (ihren 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 Schlitz 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
