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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperaturschutzvorrichtung zum Temperaturschutz eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, mit einem Energiespeicher, der eine Mehrzahl von Energiezellen aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Temperaturschutzvorrichtung.
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Ein derartiger Energiespeicher besteht üblicherweise aus mehrere (Lithium-Ionen) Zellen. Während des Betriebs wird die Temperatur des Energiespeichers gemessen und überwacht. Dies erfolgt meist zentral in einem BMS (Battery Management System). Für die Funktionsfähigkeit, das Alterungsverhalten und die Sicherheit der Energiezellen ist es wichtig, dass die Temperatur immer unterhalb eines festgelegten maximalen Wertes liegt. Wird dieses Temperaturlimit überschritten, sind die Energiezellen in einem potenziell gefährlichen Zustand. Eine überhitzte Energiezelle kann nicht mehr kontrolliert betrieben werden und stellt auch immer ein gewisses Sicherheitsrisiko dar. Beispielsweise kann sich der Elektrolyt zersetzen und ein „Venting” ist möglich. Für ein Kraftfahrzeug hätte eine überhitzte Energiezelle als Resultat einen beschädigten Energiespeicher und damit die Gefahr eines Liegenbleibens des Kraftfahrzeugs zur Folge, da in solch einem Fall üblicherweise das BMS des Energiespeichers die Schaltelemente (Schütze) des gesamten Energiespeichers öffnet und somit der Energiespeicher nicht mehr betrieben werden kann. Insbesondere bei fehlerhaften Verhalten des BMS, bei Problemen bzw. technischen Fehlern beim Laden des Energiespeichers oder bei der Rekuperation von Energie kann der Energiespeicher, insbesondere die Energiezelle, überhitzt werden.
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Hierzu offenbart die
US 2014/0009122 A1 eine Vorrichtung für das Laden einer Lithium Batterie. Die Vorrichtung weist eine Lithium-Batterie, einen Temperatursensor, welcher die Temperatur der Lithium-Batterie misst, und eine Spannungs-Erfassungseinrichtung, welche die Spannung der Lithium-Batterie erfasst, auf. Eine zentrale Recheneinheit steuert eine Aufladeeinrichtung für die Lithium-Batterie abhängig von einer erfassten Temperatur der Lithium-Batterie. Die Aufladeeinrichtung kann softwarebasierend und temperaturabhängig mittels unterschiedlichen Stromstärken bzw. Spannungsstärken die Lithium-Batterie aufladen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Temperaturschutzvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Temperaturschutzvorrichtung aufzuzeigen, welche bzw. welches einen verbesserten und sichereren Betrieb des Energiespeichers zulässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Temperaturschutzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Um eine Temperaturschutzvorrichtung zum Temperaturschutz eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Temperaturschutzvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruch 7 derart weiterzuentwickeln, dass der Energiespeicher verbessert und sichererer betrieben werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Temperaturschutzvorrichtung eine Mehrzahl von Temperaturschutzeinrichtungen aufweist. Mit jeder der Temperaturschutzeinrichtungen ist eine jeweilige Temperatur einer jeweiligen der Mehrzahl von Energiezellen erfassbar. Abhängig von einem Überschreiten eines Temperaturschwellwerts der jeweils erfassten Temperatur ist die jeweilige Energiezelle von dem Energiespeicher mittels eines jeweiligen Schaltelements der jeweiligen Temperaturschutzeinrichtung elektrisch entkoppelbar.
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Somit kann die Temperatur einer jeden Energiezelle separat und hardwareseitig überwacht bzw. erfasst werden. Jede Energiezelle kann dann separat oberhalb des Temperaturschwellwerts aus dem Strompfad genommen werden, bis die Temperatur der jeweiligen Energiezelle wieder unterhalb des vordefinierten Temperaturschwellwerts ist.
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Somit kann insgesamt die Temperatur des Energiespeichers kontrolliert und niedrig gehalten werden. Durch die niedrigere Temperatur des Energiespeichers kann die Funktionsfähigkeit des Energiespeichers erhöht werden. Des Weiteren kann damit verhindert werden, dass Alterserscheinungen aufgrund von Überhitzung des Energiespeichers auftreten. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Energiespeicher in einem Temperaturbereich betrieben werden kann, welcher eine verbesserten Wirkungsgrad und damit eine verbesserte Leistungsbereitstellung für insbesondere einem Antrieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Des Weiteren ist somit keine Software nötig, um den Temperaturschutz zu realisieren. Die Lebensdauer der einzelnen Energiezelle, und damit einhergehend die Lebensdauer des gesamten Energiespeichers kann somit (unter Einhaltung der maximal zulässigen Temperaturen) verlängert werden. Insgesamt kann die Robustheit und die Sicherheit der Energiezellen erhöht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform kann das jeweilige Schaltelement als ein Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Der Feldeffekttransistor kann weitestgehend leistungs- beziehungsweise verlustfrei geschaltet werden. Beispielsweise kann als Feldeffekttransistor eine MOSFET verwendet werden. Die Anwendung des Feldeffekttransistor hat den Vorteil, dass dieser sehr einfach verfügbar ist und nahezu verlustfrei schaltbar ist und bereits automotiv-konform erhältlich ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann jede der Temperaturschutzeinrichtungen einen Komparator aufweisen, wobei in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des Komparators das jeweilige Schaltelement schaltbar ist. Mittels des Komparators kann ein einfaches und dennoch zuverlässiges Bauteil eingesetzt werden, welches das Schaltelement schalten kann. Somit kann die Zuverlässigkeit und die Funktionsfähigkeit des Energiespeichers erhöht werden. Des Weiteren ist eine Referenzspannung für den Komparator flexibel auf die jeweilige Energiezelle anpassbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Eingangsspannung des Komparators an einem ersten Eingang des Komparators mit einem ersten Spannungsteiler elektrisch gekoppelt sein und einem zweiten Eingang des Komparators mit einem zweiten Spannungsteiler elektrisch gekoppelt sein. Somit kann für den Komparator eine einfache Schaltung realisiert werden, welche es dem Komparator ermöglicht ein entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen, mittels welchem das jeweilige Schaltelement schaltbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann ein zweiter Widerstand und ein dritter Widerstand des zweiten Spannungsteilers und ein erster Widerstand des ersten Spannungsteilers als feste Widerstände ausgebildet sein und ein vierter Widerstand des ersten Spannungsteilers als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet sein, welcher thermisch mit der jeweiligen Energiezelle gekoppelt ist. Mittels dieser Ausgestaltungsform kann somit die Spannung des ersten Spannungsteilers und des zweiten Spannungsteilers verglichen werden und ein entsprechendes Ausgangssignal abhängig von dem Vergleich durch den Komparator erzeugt werden.
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Insbesondere der erste Spannungsteiler ist temperaturabhängig von der Energiezelle, da der vierte Widerstand direkt mit der Energiezelle thermisch gekoppelt ist. Der Widerstand ändert sich somit mit der Temperatur der Energiezelle wodurch sich die Spannung im ersten Spannungsteiler ebenfalls abhängig von der jeweiligen Temperatur der jeweiligen Energiezelle ändert. Auf Basis der Spannung im ersten Spannungsteiler im Vergleich zu der Spannung des zweiten Spannungsteilers kann dann das entsprechende Ausgangssignal des Komparators erzeugt werden, welches wiederum das Schaltelement entsprechend schalten kann.
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Beispielsweise kann, solange die Zelltemperatur der Energiezelle unterhalb einer Maximaltemperatur ist, der Komparator ein Hochsignal (High-Signal) an das jeweilige Schaltelement weitergeben. Das Schaltelement ist leitend und sorgt dafür, dass die Energiezelle normal genutzt (d. h. Geladen und entladen) werden kann. Sollte die Temperatur der Energiezelle oberhalb der Maximaltemperatur liegen (Low-Signal des Komparators), wird das Schaltelement sperrend. Es kann somit kein weiterer Strom mehr der Energiezelle zugeführt werden. Die Energiezelle befindet sich somit in einem eigensicheren Zustand.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn jede der Temperaturschutzeinrichtungen in einem Entlademodus und in einem Lademodus betreibbar ist. Mittels dieser Ausgestaltungsform kann somit gewährleistet werden, dass sowohl bei einem Entlademodus (beispielsweise in einem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs) bzw. in einem Lademodus (bspw. Rekuperation oder externe Ladung) der Temperaturschutz des Energiespeichers realisiert ist.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben einer Temperaturschutzvorrichtung eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, wobei der Energiespeicher eine Mehrzahl von Energiezellen aufweist. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Temperaturschutzvorrichtung eine Mehrzahl von Temperaturschutzeinrichtungen aufweist, wobei mittels jeder der Temperaturschutzeinrichtungen eine jeweilige Temperatur einer jeweiligen der Mehrzahl von Energiezellen erfasst wird. Abhängig von einem Überschreiten eines Temperaturschwellwerts der jeweils erfassten Temperatur wird die jeweilige Energiezelle von dem Energiespeicher mittels eines jeweiligen Schaltelements der jeweiligen Temperaturschutzeinrichtung elektrisch entkoppelt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Temperaturschutzvorrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen, wobei dazu gegenständliche Merkmale der Temperaturschutzvorrichtung die Durchführung der Verfahrensschritte ermöglichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt:
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Fig. ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperaturschutzvorrichtung.
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In der Figur sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Fig. zeigt eine Temperaturschutzvorrichtung 10, welche als Temperaturschutzvorrichtung 10 eines nicht dargestellten Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Der Energiespeicher wiederum weist eine Mehrzahl von Energiezellen 12 auf. Eine jeweilige Energiezelle 12 weist eine jeweilige Temperaturschutzeinrichtung 14 auf. Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Gedanke anhand einer Temperaturschutzeinrichtung 14 und einer Energiezelle 12 dargestellte. Insbesondere weist die Temperaturschutzvorrichtung 10 eine identische Anzahl an Temperaturschutzeinrichtungen 14, wie der Energiespeicher Energiezellen 12 aufweist, auf. Insbesondere weist jede der Mehrzahl von Energiezellen 12 eine jeweilige Temperaturschutzeinrichtungen 14 auf. Es ist selbstverständlich, dass der nachfolgend skizzierte Aufbau auch für die Mehrzahl von Energiezellen 12 des Energiespeichers anwendbar ist.
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Die in der Fig. gezeigte Temperaturschutzvorrichtung 10 weist die Temperaturschutzeinrichtung 14 auf. Die Temperaturschutzeinrichtung 14 ist insbesondere für die Überwachung und den Temperaturschutz der Energiezelle 12 ausgebildet.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Minuspol 16 der Energiezelle 12 über ein Schaltelement 18 an einen Minuspol 20 der Temperaturschutzeinrichtung 14 gekoppelt ist. Ein Pluspol 22 der Energiezelle 12 ist insbesondere mit einem weiteren Pluspol 24 der Temperaturschutzeinrichtung 14 gekoppelt. Insbesondere kann eine weitere Energiezelle 12 mit dem Minuspol 20 und dem Pluspol 24 gekoppelt sein, sodass insbesondere im Energiespeicher eine Serienschaltung und/oder Parallelschaltung der einzelnen Energiezellen 12 realisiert werden kann.
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Die Temperaturschutzeinrichtung 14 weist neben dem Schaltelement 18 einen Komparator 26 auf. Der Komparator 26 ist wiederum an einem Ausgang 28 des Komparators 26 insbesondere mit dem Schaltelement 18 gekoppelt. In dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 18 als ein Feldeffekttransistor, insbesondere als ein MOSFET, ausgebildet. Über das Ausgangssignal des Komparators 26 kann somit das Schaltelement 18, insbesondere der MOSFET, geschaltet werden und damit ein Zu- oder Abschalten der Energiezelle 12 aus dem Strompfad des Energiespeichers realisieren.
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Der Komparator 26 ist insbesondere an einem ersten Eingang 30 des Komparators 26 mit einem ersten Spannungsteiler 34 gekoppelt. An einem zweiten Eingang 32 des Komparators 26 ist der Komparator 26 mit einem zweiten Spannungsteiler 36 gekoppelt.
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Der erste Spannungsteiler 34 weist insbesondere einen ersten Widerstand 38 und einen vierten Widerstand 40 auf. Der zweite Spannungsteiler 36 weist insbesondere einen zweiten Widerstand 42 und einen dritten Widerstand 44 auf. Der erste Widerstand 38, der zweite Widerstand 42 und der dritte Widerstand 44 sind insbesondere als feste Widerstände ausgebildet. Dies bedeutet, dass insbesondere der erste Widerstand 38, der zweite Widerstand 42 und der dritte Widerstand 44 temperaturunabhängig sind. Der vierte Widerstand 40 ist insbesondere temperaturabhängig ausgebildet. Der vierte Widerstand 40 ist insbesondere mittels einer thermischen Kopplung 46 mit der Energiezelle 12 thermisch gekoppelt. Abhängig von der Temperatur der Energiezelle 12 verändert somit der vierte Widerstand 40 seinen Widerstand.
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Am ersten Eingang 30 liegt insbesondere eine Spannung an, welche zwischen dem ersten Widerstand 38 und dem vierten Widerstand 40 anliegt. Am Eingang 32 liegt eine Spannung an, welche insbesondere zwischen dem zweiten Widerstand 42 und dem dritten Widerstand 44 anliegt.
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Die Spannungsteiler 34, 36 können wiederum mit einer Eingangsspannung Uin und einer Masse gekoppelt sein.
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Beispielsweise kann eine festgelegte Eingangsspannung Uin (Beispielsweise 5 V) über den zweiten Spannungsteiler 36, welcher die feste Widerstände 42, 44 aufweist die Spannung am zweiten Eingang 32 des Komparators 26 bereitstellen. Über den ersten Spannungsteiler 34, welcher den ersten Widerstand 38 und den vierten temperaturabhängigen Widerstand 40 aufweist kann dann am ersten Eingang 30 eine weitere Spannung bereitgestellt werden. Mit der Temperaturabhängigkeit des ersten Spannungsteilers 34 ist die Spannung im ersten Spannungsteiler 34 nach dem ersten Widerstand 38 abhängig von der Zelltemperatur der Energiezelle 12.
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Solange die Temperatur der Energiezelle 12 unterhalb einer Maximaltemperatur (Temperaturschwellwert) ist, gibt der Komparator 26 ein Hoch-Signal (High-Signal) an das nachfolgende Schaltelement 18, welches insbesondere als Feldeffekttransistor ausgebildet ist. Das Schaltelement 18 ist somit leitend und sorgt dafür, dass die Energiezelle 12 normal genutzt, d. h. geladen und entladen werden kann. Sollte die Temperatur der Energiezelle 12 oberhalb der Maximaltemperatur liegen gibt der Komparator 26 ein Niedrig-Signal (Low-Signal) aus, sodass das Schaltelement 18 sperrend ist. Es kann somit kein weiterer Strom mehr der Energiezelle 12 zugeführt bzw. abgeführt werden. Die Energiezelle 12 befindet sich in einem eigensicheren Zustand. Sobald die Temperatur der Energiezelle 12 wieder unterhalb des kritischen Temperaturschwellwerts ist, schaltet sich die Energiezelle 12 hardwareseitig wieder in den Strompfad, welcher durch die Pole 20, 24 gebildet ist, ein.
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Mit der Temperaturschutzvorrichtung 10 kann somit zusätzliche Sicherheit bei der Verwendung von Lithium-Ionen Energiespeichern realisiert werden. Es kann dadurch auf eine Software als Temperaturschutz verzichtet werden, da die Komponenten der Temperaturschutzvorrichtung 10 hardwareseitige Komponenten sind. Diese Komponenten wiederum sind automotive-konform erhältlich. Die Lebensdauer der Energiezelle 12 kann durch die Einhaltung der maximal zulässigen Temperaturen verlängert werden. Über die Eingangsspannung Uin ist die Schaltung flexibel und auf eine jeweilige Energiezelle 12 anpassbar. Somit kann die Robustheit und die Sicherheit von der Energiezelle 12 innerhalb der Schaltung erhöht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Temperaturschutzvorrichtung
- 12
- Energiezelle
- 14
- Temperaturschutzeinrichtung
- 16
- Minuspol
- 18
- Schaltelement
- 20
- Minuspol
- 22
- Pluspol
- 24
- Pluspol
- 26
- Komparator
- 28
- Ausgang
- 30
- Erster Eingang
- 32
- Zweiter Eingang
- 34
- Erster Spannungsteiler
- 36
- Zweiter Spannungsteiler
- 38
- Erster Widerstand
- 40
- Vierter Widerstand
- 42
- Zweiter Widerstand
- 44
- Dritter Widerstand
- 46
- Thermische Kopplung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0009122 A1 [0003]