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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsbatterie, insbesondere zur Verwendung in Luft und Raumfahrzeugen, mit einer Mehrzahl von Batteriesubmodulen, welche durch galvanische Zellen gebildet sind, die elektrisch seriell verschaltet sind, wobei wenigstens ein erstes Trennglied vorgesehen ist, mittels dessen eine von der Hochspannungsbatterie an zumindest einen Verbraucher abgebbare Leistung schaltbar oder geschaltet ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Hochspannungsbatterie.
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Solche sogenannten Hochspannungsbatterie sind bekannt und werden in der Regel aus einer Anzahl von Submodulen geringerer Spannung aufgebaut. Es ist eine einpolige oder auch allpolige Trennung der Hochspannungsbatterie vom restlichen elektrischen System bekannt, welches über das erste Trennglied in Form von sogenannten Abgangsschützen realisiert wird, wodurch dann das elektrische Netz freigeschaltet werden kann.
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Der Begriff Hochspannung ist in diesem Zusammenhang als Vereinfachung von „höherspannig” zu verstehen, also dahingehend, dass regelmäßig von der Spannungsquelle Quellenspannungen von einigen 100 V zur Verfügung gestellt werden können, die jedoch nicht zwingend einer Spannung > 1000 V im Sinne der VDE-Norm für Hochspannung entsprechen müssen, dies aber prinzipiell könnten.
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Es besteht die Aufgabe, eine Hochspannungsbatterie zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Montage und Demontage der betreffenden Hochspannungsbatterie sowie einen verbesserten Umgang mit auf dem Potential der Batterie liegenden, spannungsführenden Objekten gestattet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Lösung besteht demnach insbesondere darin, wenigstens ein zweites Trennglied vorzusehen, mittels dessen die Batteriesubmodule derart segmentierbar oder segmentiert sind, dass jedes Segment von Submodulen eine vorgebbare Segmentspannung unterschreitet. Dies bedeutet, dass zwischen den Batteriesubmodulen mindestens ein, insbesondere jeweils ein Schalter zur seriellen Verschaltung eingesetzt wird, wodurch die Submodule selbst keine gefährliche Berührspannung haben (können). So ist die serielle Verschaltung mehrfach unterbrochen, die Teile können gefahrlos montiert werden bzw. es können durch die Segmentierung die jeweils anliegenden Spannungen derart manipuliert werden, dass an spannungsführenden Teilen eine vorgegebene Segmentspannung nicht überschritten wird.
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Weitere vorteilhafte Merkmale beinhalten die Unteransprüche.
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Bei einer vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hochspannungsbatterie wir die Höhe der vorgebbare Segmentspannung durch eine Berührungsspannung gebildet ist, deren Höhe einen personensicheren Umgang mit spannungsführenden Objekten gestattet. Die betreffende Höhe bewegt sich damit in der Größenordnung von einigen 10 V und unterschreitet hierbei eine Schwelle von 60 V, bevorzugt eine Schwelle von 50 V. Prinzipiell kann die Höhe der betreffenden Segmentspannung aber auch über oder unter diesen Werten vorgegeben werden.
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Eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Hochspannungsbatterie kann mit einem ersten Trennglied versehen sein,. welches durch ein doppelt unterbrechendes Glied gebildet ist, wodurch die zum Teil hohe elektrischen Leistungen sicher zu trennen sind und wodurch dann das zuvor beaufschlagte Netz sicher freischaltbar ist und an den Abgangsschützen keine Spannung mehr anliegt. Fließt beispielsweise ein Steuerstrom durch eine Magnetspule eines beispielsweise elektromechanischen Schützes, kann bei Wegfall des Stroms eine Feder den Ruhezustand wiederherstellen, so dass alle Kontakte in ihre offene Ausgangslage zurückkehren können.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hochspannungsbatterie kann das wenigstens eine zweite Trennglied durch jeweils ein bistabiles Relais gebildet sein, das in der jeweils geschalteten Position verbleibt. Durch ein einmaliges Beaufschlagen des wenigstens einen oder der mehreren Relais wird, beispielsweise bei der Montage, die Verschaltung komplettiert und die Hochspannung steht am Abgangsschütz zur Verfügung. Dieser Vorgang ist vorteilhaft reversibel, die Verschaltung kann also auch wieder aufgelöst werden. Ebenso dekontaktieren die bistabilen Relais auch bei sehr hoher Beschleunigung und lösen damit den Submodulverbund auf. Im Betrieb ist die Verschaltung sichergestellt durch den „rastenden” Charakter der Relais, unabhängig von einer Energieversorgung oder einem etwaigen Spulenversagen. Die bistabilen Relais sind hierbei insbesondere als elektromechanische Relais ausgebildet. Sie können eine hohe Resistenz gegenüber Vibrationen aufweisen und ihre eingenommene, geschaltete Stellung unabhängig von Versorgungsspannungen halten.
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Die beschriebene Segmentierung kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Hochspannungsbatterie mit einer Mehrzahl von zweiten Trenngliedern, von denen wiederum insbesondere jedes als bistabiles Relais ausgebildet sein kann, realisiert sein.
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In zweckmäßigen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hochspannungsbatterie kann es vorgesehen sein, wenigstens eines der zweiten Trennglieder, insbesondere jedes der zweiten Trennglieder, für jede Schaltrichtung mit einer eigenen Spulenanordnung zu versehen. Überdies kann dem wenigstens einen zweiten Trennglied in jeder Schaltposition ein Haltemittel zugeordnet sein. Bistabile Relais können ihre Schaltposition (oder auch Schalterposition) beispielsweise mit Hilfe zusätzlicher Dauermagneten halten. Nur zur Änderung der Schalterposition wird eine Spule kurzzeitig durchstromt. Dabei können etwa zwei Spulensysteme eingesetzt werden, nämlich ein System zum Setzen (Einschalten) und ein System zum Rücksetzen (Ausschalten).
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Um zu vermeiden, dass sich das oder die Relais sich bei großen Beschleunigungen unerwünscht selbständig zurücksetzen können, ist eine durch das Haltemittel und ggf. das Relais selbst aufgebrachte Haltekraft derart auslegbar oder ausgelegt, dass sie zumindest die regulären Belastungen des jeweiligen Anwendungsfalls übersteigt, so dass die Beschleunigungen in der Anwendung das Relais nicht öffnen können, ein harter Schlag aber, z. B. in Folge eines Flugzeugabsturzes, zum Öffnen des oder der Relais führt.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochspannungsbatterie kann das wenigstens eine zweite Trennglied als 12 V-Niederspannungsrelais ausbilden. Die bistabilen Relais zur seriellen Verschaltung müssen lediglich den Laststrom tragen können, überdies sollten sie nur im stromlosen Zustand geschaltet werden. Dies ist jedenfalls bei offenen Abgangsschützen gegeben. Über den Kontakten baut sich somit keine Spannung auf, weswegen 12 V-Niederspannungsrelais Verwendung finden können. Diese sind als bistabile Relais auch erhältlich und wiegen für Lastströme von bis zu 250 A beispielsweise 85 g bis 150 g. Hierdurch ist also möglich, auch eine ganze Anzahl dieser Elemente zu verwenden, ohne das Systemgewicht drastisch zu erhöhen.
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Um eine entsprechend hohe Spannung im Betreib, beispielsweise eines Luft-. Und/oder Raumfahrzeugs zur Verfügung zu haben, kann in einer zweckmäßigen Ausgestaltung die aus der Summe der Einzelspannungen der Batteriesubmodule zusammengesetzte Quellenspannung der Hochspannungsbatterie in der Größenordnung von einigen 100 V liegen, beispielsweise 800 V betragen. Die betreffende Hochspannungsbatterie kann hierzu beispielsweise aus Batteriesubmodulen mit einer Submodulspannung von jeweils 50 V zusammengesetzt sein, welche Submodule durch die zweiten Trennglieder segmentiert sind.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Hochspannungsbatterie, insbesondere einer zuvor beschriebenen Hochspannungsbatterie, mit wenigstens den folgenden Verfahrensschritten:
Zur Verfügung Stellen von Batteriesubmodulen mit einer vorgebbaren Segmentspannung;
Serielle Anordnung der Batteriesubmodule, welche durch Anordnung von zweiten Trenngliedern zwischen einzelnen Submodulen oder Gruppen von Submodulen segmentiert sind;
Komplettierung der Verschaltung durch einmaliges Beaufschlagen der zweiten Trennglieder;
Abgreifen der Quellenspannung an einem ersten Trennglied.
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Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Lösung darin, die Submodule oder Gruppen von diesen durch zweite Trennglieder segmentierbar oder segmentiert auszulegen, wobei das Einzelsubmodul oder eine segmentierte Gruppe jeweils eine ggf. kritische, einer Berührungsspannung entsprechenden Segmentspannung unterschreitet. Die Quellenspannung der Hochspannungsbatterie stellt sich dabei als Summe der Segmentspannungen dar.
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Vorteilhaft sind hier ebenfalls die zweiten Trennglieder als bistabile Relais ausgelegt. Öffnete man etwa die Trennglieder zwischen den Batteriesubmodulen während des Betriebs, so wäre ein Lichtbogen die Folge und die Kontakte würden verbrennen. Beim Einsatz konventioneller Relais mit reiner elektromagnetischer Aktivierung ist diese Gefahr immer gegeben. Zum einen könnte die Versorgungsspannung ausfallen, zum anderen wären Spulenausfälle im Relais möglich. Demgegenüber können bistabile Relais, eine hohe Resistenz gegenüber Vibrationen aufweisen und ihre geschaltete Stellung unabhängig von Versorgungsspannungen halten, so dass eine vorteilhafte Verschaltung von Batterien bzw. Batteriemodulen mit diesen Submodulen auch auf dem Gebiet der Luftfahrt sinnvoll erscheint.
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In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur sicheren Handhabung der Hochspannungsbatterie, beispielsweise im Falle eines plötzlichen, unbeabsichtigten, durch einen Absturz eines Luftfahrzeugs verursachten Schlages ggf. eine Resegmentierung der Submodule durch erneutes einmaliges Beaufschlagen der zweiten Trennglieder stattfinden.
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Hierbei ist es von Vorteil wenn bei einer weiteren Variante des Verfahrens die Hochspannungsbatterie vor dem Schalten der zweiten Trennglieder durch das wenigstens eine erste Trennglied vom Netz des oder der Verbraucher getrennt wird.
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Überdies sind die die Relaisstellungen über Spannungsmessungen an den Submodulen und Abgängen überprüfbar, so dass eine Kontrolle der aktuellen jeweiligen Relaisstellung realisierbar ist. Entsprechend wird bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eine entsprechende Überprüfung mittels wenigstens einer Messeinrichtung durchgeführt. Gleichermaßen ist auch eine Rückwirkung auf die Abgangsschütze möglich.
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Vorteilhaft können hierfür beispielswiese Relais zweiter Trennglieder auch mit Hilfskontakten ausgeführt sein, um den Schaltzustand zu überwachen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. In teilweise schematisierter Darstellung zeigt hierbei die 1 als einzige Zeichnungsfigur eine schematische Darstellung der seriellen Verschaltung einer erfindungsgemäßen, im Ganzen mit 10 bezeichneten Hochspannungsbatterie mit Hilfe von ersten und zweiten Trenngliedern, die in der 1 jeweils in strichlinierten Boxen gezeigt sind.
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Dabei erkennt man an der Hochspannungsbatterie 10 zunächst deren Zusammensetzung aus einer Mehrzahl von hier drei Batteriesubmodulen 20, die eine vorgegebene Submodulspannung von etwa 50 V aufweisen, deren Beträge sich zu der mit 40 bezeichneten Quellenspannung UQ bzw. UHV summieren, die zwischen den Klemmen anliegt und an einen nicht weiter dargestellten Verbraucherkreis schaltbar ist. Hierfür ist ein als Hochspannungsschütz oder auch Abgangsschütz ausgebildetes erstes Trennglied 30 zu erkennen, das als an den Trennstellen 31, 32 doppelt unterbrechendes Glied ausgebildet ist.
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Weiter ist die Hochspannungsbatterie 10 mit zwei zwischen je zwei Batteriesubmodulen 20 verschalteten zweiten Trenngliedern 50 ausgebildet, mittels deren die Batteriesubmodule 20 derart segmentiert sind, dass jedes Segment von Submodulen 20 eine in diesem Fall vorgegebene Segmentspannung US von etwa 60 V unterschreitet, da jedes Modul, das hier auch das jeweilige Segment bildet, mit einer Spannung von etwa 50 V ausgelegt ist. Hierdurch stellt die jeweilige Segmentspannung eine unkritische Berührungsspannung dar.
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In der seriellen Verschaltung der Batteriesubmodule 20 sind die zweiten Trennglieder 50 sind als bistabile Relais ausgebildet, die die entsprechende Verschaltung reversibel realisiert, im Betrieb jedoch, durch den „rastenden” Charakter der Relais, die Verschaltung sicherstellt, da die Schaltposition mit Hilfe nicht weiter dargestellter Dauermagneten gehalten wird. Soll die Position geändert werden, kann eine ebenfalls nicht weiter dargestellte Spule kurz bestromt werden.
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Demnach betrifft die vorstehend beschriebene Erfindung also eine Hochspannungsbatterie 10, insbesondere zur Verwendung in Luft und Raumfahrzeugen, mit einer Mehrzahl von Batteriesubmodulen 20, welche durch galvanische Zellen gebildet sind, die elektrisch seriell verschaltet sind, wobei wenigstens ein erstes Trennglied 30 vorgesehen ist, mittels dessen eine von der Hochspannungsbatterie 10 an zumindest einen Verbraucher abgebbare Leistung schaltbar oder geschaltet ist.
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Um eine Hochspannungsbatterie 10 zur Verfügung zu haben, die eine gefahrlose Montage und Demontage der betreffenden Hochspannungsbatterie 10 sowie einen personensicheren Umgang mit auf dem Potential der Batterie 10 liegenden, spannungsführenden Objekten gestattet, ist erfindungsgemäß wenigstens ein zweites Trennglied 50 vorgesehen, mittels dessen die Batteriesubmodule 20 derart segmentierbar oder segmentiert sind, dass jedes Segment von Submodulen 20 eine vorgebbare Segmentspannung unterschreitet.
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Hierdurch wird ein personensicheres Erstellen und Integrieren von großen Batteriesystemen oder großen verteilten Batteriesystemen mit Ausgangsspannungslagen oberhalb personensicherer Kleinspannungen von 60 V, z. B. für 800 V Batteriesysteme im Luftfahrteinsatz ermöglicht. Es ergibt sich dabei eine erhöhte Personensicherheit (z. B. für Rettungskräfte) nach Unfällen, bei denen hohe Beschleunigungen auftreten wie beispielsweise bei Flugzeugabstürzen. Die vorgeschlagenen Lösung lässt sich mit geringem Gewichtszuwachs an einem System in Gestalt etwa eines Luftfahrzeugs realisieren, da die Leitungsführung von schweren Kabeln oder Schienen hierzu nicht angepasst werden muss.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochspannungsbatterie
- 20
- Batteriesubmodul
- 30
- erstes Trennglied als HV-Abgangsschütz
- 31, 32
- Trennstellen des ersten Trennglieds
- 40
- Quellenspannung UQ bzw. UHV
- 50
- zweites Trennglied als 12 V-Niederspannungsrelais
