DE102016222676A1 - Elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher (7) für ein Kraftfahrzeug (1), mit mehreren Haupt-Zellmodulen (13), die jeweils mehrere Akkumulatorzellen (14) aufweisen und zum Bilden eines Haupt-Stromnetzes (8) elektrisch kontaktiert sind, wobei die Haupt-Zellmodule (13) in einem Hauptgehäuse (15) angeordnet sind. Eine erhöhte Betriebssicherheit des elektrischen Energiespeichers (7) ergibt sich dadurch, dass ein Notfall-Zellmodul (18) vorgesehen ist, das mehrere Akkumulatorzellen (35) aufweist und in einem separaten Notfallgehäuse (19) angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft desweiteren ein Kraftfahrzeug (1) mit einem solchen elektrischen Energiespeicher (7).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von Akkumulatorzellen, welche zu Zellmodulen zusammengefasst sind. Die Erfindung betrifft desweiteren ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen elektrischen Energiespeicher.
  • Der Einsatz elektrischer Energiespeicher in Kraftfahrzeugen ist hinlänglich bekannt. Gattungsgemäße Energiespeicher weisen Akkumulatorzellen auf, wobei mehrere Akkumulatorzellen jeweils in einem Zellmodul zusammengefasst und elektrisch kontaktiert bzw. verschaltet sind. Mehrere derartige Zellmodule bilden den Energiespeicher aus.
  • Aus der DE 10 2009 006 991 B4 ist ein solcher Energiespeicher mit mehreren Zellmodulen bekannt. Das jeweilige Zellmodul ist in einem Modulgehäuse aufgenommen. Die in den Modulgehäusen aufgenommenen Zellmodule sind ferner in einem Gesamtgehäuse angeordnet, das in vorgegebenen Abschnitten eine reduzierte Festigkeit aufweist. Hierdurch kommt es bei einer Krafteinwirkung auf das Gesamtgehäuse, beispielsweise bei einem Unfall oder einem Crash, zu einer vorgegebenen Deformation des Gesamtgehäuses, welche eine Beschädigung der Zellmodule reduziert.
  • Die DE 10 2012 012 897 A1 verfolgt ein ähnliches Ziel, wobei hierzu einzelne Zellmodule in einer Stapelrichtung geneigt zueinander gestapelt sind, so dass sie sich relativ zueinander bewegen können.
  • Zur Vermeidung der Beschädigung der Zellmodule schlägt die DE 10 2008 010 822 A1 für die Zellmodule ein Gesamtgehäuse vor, das aus mehreren Gehäusesegmenten besteht, die bei einer Krafteinwirkung relativ zueinander beweglich sind. Dies wird beispielsweise mit Hilfe von Sollbruchstellen zwischen den einzelnen Gehäusesegmenten erreicht.
  • Die DE 10 2012 015 525 A1 schlägt den Einsatz mehrerer Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug vor, wobei der jeweilige Energiespeicher eine ausreichend hohe Kapazität besitzt, um ausgewählte Verbraucher eines Kraftfahrzeugs ausreichend zu versorgen.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für einen elektrischen Energiespeicher der eingangsgenannten Art sowie für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Energiespeicher verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Betriebssicherheit auszeichnen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Teil von Akkumulatorzellen eines elektrischen Energiespeichers in einem eigens hierfür vorgesehenen, separaten Gehäuse anzuordnen. Das Anordnen der Akkumulatorzellen in einem separaten Gehäuse führt dazu, dass bei einer Beschädigung, insbesondere in Folge einer Krafteinwirkung, beispielsweise bei einem Unfall, der anderen Akkumulatorzellen, die im separaten Gehäuse angeordneten Akkumulatorzellen weiterhin betriebsbereit sind und zum Betreiben zumindest einer Auswahl von elektrischen Verbrauchern einer zugehörigen Anwendung, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt werden können. Somit wird also die Betriebssicherheit des Energiespeichers erhöht. Insbesondere kann somit auch in einem Notfall, beispielsweise bei einem Unfall, sichergestellt werden, dass betriebskritische Verbraucher weiterhin versorgt werden können.
  • Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist der elektrische Energiespeicher mehrere Haupt-Zellmodule auf, wobei das jeweilige Haupt-Zellmodul mehrere elektrisch miteinander kontaktierte bzw. verschaltete Akkumulatorzellen aufweist. Die Haupt-Zellmodule sind ferner zum Bilden eines Haupt-Stromnetzes des Energiespeichers elektrisch miteinander kontaktiert bzw. verschaltet. Die Haupt-Zellmodule sind in einem Hauptgehäuse des Energiespeichers angeordnet. Der Energiespeicher weist ferner ein Notfall-Zellmodul auf, das mehrere elektrisch miteinander kontaktierte bzw. verschaltete Akkumulatorzellen aufweist. Die Akkumulatorzellen des Notfall-Zellmoduls sind dabei in einem separaten Notfallgehäuse angeordnet.
  • Hierdurch kann das Notfall-Zellmodul als ein Mastermodul des Energiespeichers eingesetzt werden, das insbesondere in Notfällen, beispielsweise bei einem Unfall und/oder bei einem Ausfall der Haupt-Zellmodule und/oder bei einer Unterschreitung eines Ladezustands der Haupt-Zellmodule, zum Einsatz kommen kann.
  • Bevorzugt ist dabei, wenn das Notfall-Zellmodul möglichst autark und unabhängig von den Hauptzell-Modulen ausgestaltet ist.
  • Die elektrische Kontaktierung bzw. Verschaltung der Akkumulatorzellen im jeweiligen Zellmodul kann beliebig ausgestaltet, das heißt seriell und/oder parallel, sein. Entsprechendes gilt für die elektrische Kontaktierung der Haupt-Zellmodule, die seriell und/oder parallel sein können. Auch die Akkumulatorzellen des Notfall-Zellmoduls können sowohl seriell als auch parallel verschaltet sein.
  • Durch das Anordnen der Akkumulatorzellen des Notfall-Zellmoduls in einem separaten Notfallgehäuse erfolgt vorzugsweise eine mechanische Entkopplung des Notfall-Zellmoduls bzw. dessen Akkumulatorzellen von den Haupt-Zellmodulen. Das heißt, dass eine mechanische Beschädigung der Haupt-Zellmodule nicht zwangsläufig zu einer mechanischen Beschädigung des Notfall-Zellmoduls bzw. dessen Akkumulatorzellen führt. Hierdurch wird die Betriebssicherheit des elektrischen Energiespeichers weiter verbessert.
  • Bevorzugt ist es zudem, wenn das Notfall-Zellmodul thermisch von den Haupt-Zellmodulen entkoppelt, insbesondere getrennt, ist. Hierzu kann ein entsprechend hoher thermischer Durchgangswiderstand des Notfallgehäuses beitragen. Insbesondere kann das Notfallgehäuse einen thermischen Durchgangswiderstand von zumindest 1000 K/W aufweisen und beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein.
  • Das Notfallgehäuse weist vorteilhaft hochfeste mechanische Tragelemente auf, welche beispielsweise aus einer hochfesten Metall-Legierung und/oder faserverstärkten Kunststoff-Elementen hergestellt sind oder aus diesen bestehen. Alternativ oder zusätzlich kann das Notfallgehäuseeine geschlossene Hülle aus einem nichtbrennbaren thermischen Dämm-Material, wie beispielsweise Glimmer und/oder mineralische Dämmplatten bzw. -matten, aufweisen.
  • Es ist auch denkbar, dass der Innenraum des Notfallgehäuses, zumindest teilweise, vorzugsweise gänzlich, mit einem schlecht wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Kunstharz, aufgefüllt ist. Hierdurch kann eine Versiegelung des Notfallgehäuses erfolgen. Zudem kann somit der Schutz des Notfall-Zellmoduls bzw. dessen Akkumulatorzellen verbessert werden.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das Notfallgehäuse eine höhere mechanische Festigkeit auf als das Hauptgehäuse. Hierdurch sind die im Notfallgehäuse angeordneten Akkumulatorzellen besser geschützt als die Akkumulatorzellen der Haupt-Zellmodule. Folglich kann das Notfall-Zellmodul auch bei einer auf die Haupt-Zellmodule und auf das Notfallgehäuse einwirkenden Kraft unbeschädigt bleiben und somit für eine elektrische Versorgung von Verbrauchern sorgen.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Notfallgehäuse als ein Monocoque-Gehäuse ausgebildet. Das heißt, dass das Notfallgehäuse einteilig, insbesondere aus einem massiven Material, hergestellt ist. Hierdurch wird die mechanische Stabilität und Festigkeit des Notfallgehäuses verbessert.
  • Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen das Notfallgehäuse im Inneren des Hauptgehäuses angeordnet ist. Hierdurch bildet das Hauptgehäuse einen Schutz für das Notfallgehäuse und somit einen zusätzlichen Schutz für das Notfall-Zellmodul bzw. dessen Akkumulatorzellen. Folglich wird die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung bzw. eines Ausfalls des Notfall-Zellmoduls weiter reduziert.
  • Als besonders vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen das Notfallgehäuse von Haupt-Zellmodulen umgeben ist. Somit bilden die Haupt-Zellmodule, welche im Notfall, insbesondere umgehend, abgeschaltet werden, einen mechanischen Schutz für das Notfallgehäuses und folglich für das Notfall-Zellmodul bzw. dessen Akkumulatorzellen. Dabei können die Haupt-Zellmodule insbesondere als eine Knautschzone des Notfall-Zellmoduls zum Abbauen kinetischer Energie dienen.
  • Weiter bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen Haupt-Zellmodule das Notfallgehäuse in einer Umfangsrichtung geschlossen umgeben. Das heißt, dass dem Notfallgehäuse sowohl in einer Längsrichtung als auch in einer quer zur Längsrichtung verlaufenden Querrichtung jeweils mindestens ein solches Haupt-Zellmodul benachbart angeordnet ist. Folglich ist in Längsrichtung und in Querrichtung zwischen dem Notfallgehäuse und dem Hauptgehäuse, insbesondere einer Wandung des Hauptgehäuses, beidseits des Notfallgehäuses zumindest ein solches Haupt-Zellmodul angeordnet.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Haupt-Zellmodule im Hauptgehäuse in einer Gitterstruktur aufgenommen sind. Bevorzugt ist das jeweilige Haupt-Zellmodul in einer Gitterzelle der Gitterstruktur angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Gitterstruktur in Folge einer Krafteinwirkung verformen lässt. Hierbei wird die Gefahr einer Beschädigung der Haupt-Zellmodule bei einer Krafteinwirkung reduziert, da es zunächst zu einer entsprechenden Deformation der Gitterstruktur kommt. Hierzu ist die Gitterstruktur vorzugsweise weicher und/oder verformbarer ausgebildet als die Haupt-Zellmodule.
  • Bei vorteilhaften Varianten ist das Notfallgehäuse im Hauptgehäuse beweglich angeordnet, insbesondere im Hauptgehäuse gelagert. Dies hat zur Folge, dass eine mechanische Einwirkung auf das Notfallgehäuse eine entsprechende Bewegung des Notfallgehäuses zur Folge hat, die den Verbrauch kinetischer Energie erfordert. Somit wird eine Beschädigung des Notfallgehäuses in Folge der mechanischen Einwirkung vermieden oder zumindest weiter reduziert.
  • Als vorteilhaft gelten Varianten, bei denen im Hauptgehäuse mehrere Stangen vorgesehen sind, die zwei gegenüberliegende Wände des Hauptgehäuses miteinander, insbesondere fest, verbinden. Die Stangen bilden dabei einen Käfig, in dem das Notfallgehäuse aufgenommen, insbesondere beweglich gelagert, ist. Im Bereich des Käfigs bewirken die Stangen eine signifikante Aussteifung des Hauptgehäuses. Der Käfig bittet also neben einem zusätzlichen Schutz für das Notfall-Zellmodul auch einen Schutz für die Haupt-Zellmodule und führt daher zu einer erhöhten Betriebssicherheit.
  • Die Akkumulatorzellen des Notfall-Zellmoduls sind zweckmäßig zum Bilden eines Notfall-Stromnetzes elektrisch kontaktiert bzw. verschaltet.
  • Bevorzugt sind dabei Ausführungsformen, bei denen das von den Akkumulatorzellen des Notfall-Zellmoduls gebildete Notfall-Stromnetz vom Haupt-Stromnetz der Haupt-Zellmodule getrennt, insbesondere elektrisch getrennt, ist. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass eine Störung des Haupt-Stromnetzes, insbesondere bedingt durch eine Beschädigung von Haupt-Zellmodulen, Auswirkungen auf das Notfall-Stromnetz hat, dieses insbesondere stört bzw. beschädigt, oder eine entsprechende Gefahr zumindest reduziert. Folglich wird somit die Betriebssicherheit des Energiespeichers erhöht.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Notfall-Stromnetz ein Notfall-Spannungsniveau aufweist, das von einem Haupt-Spannungsniveau des Haupt-Stromnetzes unterschiedlich ist. Das heißt, dass die elektrische Spannung des Notfall-Stromnetzes eine andere ist als die elektrische Spannung des Haupt-Stromnetzes. Insbesondere kann dabei das Notfallspannungsniveau niedriger sein als das Hauptspannungsniveau. Vorstellbar ist es dabei, dass das Notfall-Stromnetz ein Niedervoltstromnetz ist, während das Haupt-Stromnetz ein Hochvoltstromnetz ist.
  • Prinzipiell können das Haupt-Stromnetz und die Notfall-Zellmodule über eine gemeinsame Anschlusseinrichtung an elektrischen Verbrauchern angeschlossen werden.
  • Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das Haupt-Stromnetz und das Notfall-Zellmodul über separate Anschlusseinrichtungen mit elektrischen Verbrauchern verbindbar sind. Das heißt, dass der Energiespeicher eine Haupt-Anschlusseinrichtung zum elektrischen Anschließen des Haupt-Stromnetzes an zumindest einen elektrischen Verbraucher und eine von der Haupt-Anschlusseinrichtung separate Notfall-Anschlusseinrichtung zum Anschließen des Notfall-Zellmoduls, insbesondere des Notfall-Stromnetzes, an mindestens einen elektrischen Verbraucher aufweist. Hierdurch wird eine autarkere Ausgestaltung des Notfall-Zellmoduls erreicht und die Betriebssicherheit des Energiespeichers weiter verbessert.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Notfall-Anschlusseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die elektrische Verbindung mit dem zumindest einen Verbraucher auch bei einer Krafteinwirkung auf den Energiespeicher, insbesondere auf die Notfall-Anschlusseinrichtung, erhalten bleibt. Hierzu kann die Notfall-Anschlusseinrichtung weich und/oder elastisch ausgebildet sein.
  • Zur Erhöhung der Betriebssicherheit des Energiespeichers können weitere, insbesondere betriebskritische, Komponenten im Notfallgehäuse angeordnet sein. Hierzu ist beispielsweise ein Managementsystem zum Steuern des Energiespeichers im Notfallgehäuse angeordnet. Auch kann zumindest ein elektrischer Wandler, beispielsweise ein Spannungswandler, im Notfallgehäuse angeordnet sein. Vorstellbar ist es auch, in einem Notfall, beispielsweise bei einem Unfall und/oder im Havariefall, in dem wesentliche Bestandteile des Energiespeichers und/oder des zugehörigen Kraftfahrzeugs ausfallen, benötigte Komponenten im Notfallgehäuse anzuordnen. Hierzu zählen beispielsweise Kommunikationseinrichtungen zur Kommunikation mit externen, insbesondere fahrzeugexternen Stellen, um beispielsweise über den Notfall zu berichten und diesen zu signalisieren.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen kommt das Notfall-Zellmodul in einem normalen Betrieb des Energiespeichers nicht zum Einsatz. Das heißt, dass die gespeicherte elektrische Energie im Notfall-Zellmodul während eines gewöhnlichen Betriebs des Energiespeichers nicht verwendet wird. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn eine Überwachung des Notfall-Zellmoduls in einem solchen Betrieb energetisch anderweitig versorgt ist. Das heißt, dass Überwachungsmaßnahmen zum Überwachen des Notfall-Zellmoduls in einem gewöhnlichen bzw. normalen Betrieb elektrisch nicht vom Notfall-Zellmodul selbst versorgt werden. Vorstellbar ist es dabei, dass ein elektrischer Zustand des Notfall-Zellmoduls über einen elektrischen Kontakt mit dem Haupt-Stromnetz der Haupt-Zellmodule erfolgt. Hierzu kann das Notfall-Zellmodul zum Überwachen des elektrischen Zustands des Notfall-Zellmoduls über einen elektrischen Kontakt elektrisch mit dem Haupt-Stromnetz verbunden sein. Bevorzugt ist es dabei, wenn diese Überwachung in der Art einer Selbstüberwachung des Notfall-Zellmoduls erfolgt. Das heißt, dass Komponenten zum Überwachen des Notfall-Zellmoduls im Notfallgehäuse angeordnet, jedoch vom Haupt-Stromnetz versorgt sind.
  • Bevorzugt ist es, wenn das Überwachen derart ausgestaltet ist, dass bei einer Beschädigung der Haupt-Zellmodule und/oder bei einem Ausfall der Haupt-Zellmodule, eine elektrische Versorgung über das Notfall-Zellmodul bzw. über das Notfall-Stromnetz, erfolgt.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der elektrische Kontakt derart lösbar ausgestaltet ist, dass die elektrische Verbindung beim Einwirken einer vorgegebenen Kraft auf den Kontakt unterbrochen wird. Das heißt, dass eine Soll-Unterbrechungsstelle geschaffen wird, die zu einem Unterbrechen des elektrischen Kontakts zwischen dem Notfall-Zellmodul und dem Haupt-Stromnetz führt. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass bei Einwirkung der vorgegebenen Kraft durch den Kontakt bedingte Beschädigungen oder Störungen des Notfall-Zellmoduls auftreten oder solche Beschädigungen oder Störungen werden zumindest reduziert.
  • Als vorteilhaft erweisen sich Varianten, bei denen der Energiespeicher derart ausgestaltet ist, dass das Notfall-Zellmodul elektrisch wiederaufgeladen wird, wenn der Ladezustand des Notfall-Zellmoduls unter einem vorgegebenen Wert sinkt bzw. wenn die Kapazität des Notfall-Zellmoduls unter einem vorgegebenen Wert sinkt. Der vorgegebene Wert kann insbesondere ein Bruchteil des maximalen Ladezustands bzw. der maximalen Kapazität des Notfall-Zellmoduls sein. Insbesondere kann der Wert 80 % des maximalen Ladezustands bzw. der maximalen Kapazität betragen.
  • Besonders bevorzugt erfolgt das Laden des Notfall-Zellmoduls mit einer niedrigen Laderate, so dass die Zusammensetzung bzw. Bestandteile der Akkumulatorzellen, insbesondere deren Zellchemie, nicht oder möglichst wenig beschädigt werden/wird. Somit wird die Lebensdauer des Notfall-Zellmoduls verlängert. Dabei beträgt die Laderate bevorzugt weniger als 1C, besonders bevorzugt zwischen 0,1 C und 0,3 C.
  • Das Laden des Notfall-Zellmoduls kann über das Haupt-Zellmodul realisiert sein. Das heißt, dass das Notfall-Zellmodul zum Laden des Notfall-Zellmoduls vom Haupt-Zellmodul elektrisch versorgt wird. Hierbei ist ein elektrischer Kontakt zwischen dem Haupt-Zellmodul und dem Notfall-Zellmodul vorhanden. Der elektrische Kontakt kann der gleiche sein, der zum Überwachen des Notfall-Zellmoduls zum Einsatz kommt. Alternativ ist der für das Laden des Notfall-Zellmoduls verwendete Kontakt derart lösbar ausgestaltet, dass die elektrische Verbindung beim Einwirken einer vorgegebenen Kraft auf den Kontakt unterbrochen wird. Das heißt, dass eine Soll-Unterbrechungsstelle geschaffen wird, die zu einem Unterbrechen des elektrischen Kontakts zwischen dem Notfall-Zellmodul und dem Haupt-Stromnetz führt. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass bei Einwirkung der vorgegebenen Kraft durch den Kontakt bedingte Beschädigungen oder Störungen des Notfall-Zellmoduls auftreten oder solche Beschädigungen oder Störungen werden zumindest reduziert.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen weist der Energiespeicher eine elektrische Temperiereinrichtung zum Temperieren des Notfall-Zellmoduls auf. Die Temperiereinrichtung kann im gewöhnlichen Betrieb des Energiespeichers von einer vom Notfall-Zellmodul externen Quelle, beispielsweise vom Haupt-Stromnetz, versorgt sein.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die Temperiereinrichtung, insbesondere im Notfall, beispielsweise bei einem Unfall und/oder einer Beschädigung der Haupt-Zellmodule, elektrisch vom Notfall-Zellmodul versorgbar ist. Das heißt, dass das Notfall-Zellmodul sich selbst temperiert. Dabei kann vorgesehen sein, dass beim Erkennen eines solchen Notfalls von der externen Versorgung auf die interne Versorgung durch das Notfall-Zellmodul, insbesondere durch das Notfall-Stromnetz, umgestellt wird.
  • Die Akkumulatorzellen des Notfall-Zellmoduls können prinzipiell vom gleichen Typ sein wie die Akkumulatorzellen des jeweiligen Haupt-Zellmoduls. Vorstellbar ist es auch, dass die Akkumulatorzellen des Notfall-Zellmoduls von einem anderen Typ sind als die Akkumulatorzellen des jeweiligen Haupt-Zellmoduls, insbesondere auf eine längere Lebensdauer ausgelegt sind und/oder eine andere Kapazität aufweisen und/oder mechanisch stabiler sind udgl.. Denkbar sind auch Varianten, bei denen zumindest eine Akkumulatorzelle einer der Haupt-Zellmodule von einem anderen Typ ist als zumindest eine andere Akkumulatorzelle desselben oder eines anderen Haupt-Zellmoduls.
  • Selbstverständlich kann der Energiespeicher auch mehrere solche Notfall-Zellmodule aufweisen. Dabei können die Notfall-Zellmodule räumlich voneinander beabstandet sein.
  • Es versteht sich, dass neben dem Energiespeicher auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Energiespeicher zum Umfang dieser Erfindung gehört.
  • Das Kraftfahrzeug weist dabei ein Bordnetz auf, in dem elektrische Verbraucher eingebunden sind. Solche elektrische Verbraucher sind beispielsweise eine Antriebseinrichtung zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, eine Servolenkung, eine Bremseinrichtung, eine Kommunikationseinrichtung und dgl.
  • Das Kraftfahrzeug ist vorteilhaft derart ausgestaltet, insbesondere mit einer solchen Steuereinrichtung ausgestattet, die derart ausgestaltet ist, dass sie eine Auswahl von zumindest einem elektrischen Verbraucher nach einem vorgegebenen Ereignis über das Notfall-Zellmodul versorgt.
  • Neben der erhöhten Betriebssicherheit des Energiespeichers wird also somit auch eine erhöhte Betriebssicherheit des Kraftfahrzeugs erzielt. Insbesondere können somit bei einem Crash bzw. einem Unfall des Kraftfahrzeugs ausgewählte elektrische Verbraucher weiter versorgt werden, um die Sicherheit für Insassen des Kraftfahrzeugs und/oder des Kraftfahrzeugs zu erhöhen.
  • Vorstellbar ist es insbesondere, bei einem Unfall des Kraftfahrzeugs, insbesondere bei einer Beschädigung der Haupt-Zellmodule, das Haupt-Stromnetz vom Bordnetz zu trennen und ausgewählte Komponenten durch das Notfall-Zellmodul, insbesondere das Notfall-Stromnetz, zu versorgen. Zu den ausgewählten Verbrauchern gehört beispielsweise eine Servolenkung, eine Bremse sowie weitere sicherheitsrelevante Verbraucher wie ein Löschsystem. Auch können in solchen Fällen Kommunikationseinrichtungen, die der Kommunikation des Kraftfahrzeugs mit externen Stellen, beispielsweise zur Benachrichtigung der externen Stelle über den Notfall, insbesondere über den Unfall, der Übertragung eines Zustands des Kraftfahrzeugs, der Herstellung eines akustischen Kontakts mit einer Notfallstelle, udgl. dienen, versorgt werden.
  • In einem Havariefall des Kraftfahrzeugs, in dem betriebskritische Bestandteile des Kraftfahrzeugs, insbesondere die Haupt-Zellmodule, ausfallen, kann die Notfallzelle ebenfalls zur elektrischen Versorgung ausgewählter elektrischer Verbraucher eingesetzt werden. Insbesondere ist es vorstellbar, in einem solchen Havariefall eine Temperiereinrichtung zum Temperieren des Energiespeichers zu versorgen, so dass die elektrische Versorgung des Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Antriebs des Kraftfahrzeugs, aufrechterhalten werden kann.
  • Denkbar ist es auch, die Notfallzelle als Reserve zu betreiben, die zur Ergänzung der Haupt-Zellmodule bzw. des Haupt-Stromnetzes zum Einsatz kommt, wenn ein entsprechender Bedarf besteht, beispielsweise wenn eine Kapazität bzw. ein Ladezustand der Haupt-Zellmodule unterhalb eines vorgegebenen Werts sinkt. Insbesondere kann somit beim für den Antrieb unzureichenden elektrischen Versorgen durch die Haupt-Zellmodule das Notfall-Zellmodul eingesetzt werden, um ein Antrieb des zugehörigen Kraftfahrzeugs zur nächsten Ladestation zu gewährleisten. Hierzu kann neben dem Antrieb auch beispielsweise eine Navigationseinrichtung des Kraftfahrzeugs mit dem Notfall-Zellmodul versorgt werden.
  • Das Notfall-Zellmodul wird bevorzugt lebensdaueroptimiert betrieben. Insbesondere wird das Notfall-Zellmodul mit geringen elektrischen Strömen betrieben, z.B. max. 60 A bei einem benötigen Antrieb des zugehörigen Kraftfahrzeugs durch das Notfall-Zellmodul oder max. 16 A, wenn ein solcher Antrieb nicht notwendig ist. Zudem ist es bevorzugt, wenn das Notfall-Zellmodul, zumindest in einem gewöhnlichen Betrieb des Energiespeichers, einen Ladezustand von 80 bis 90% des Gesamtladezustands aufweist. Ferner wird das Notfall-Zellmodul in einem lebensdaueroptimierenden Temperaturbereich, beispielsweise zwischen 10°C und 30°C gehalten.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Figurenliste
    • 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher,
    • 2 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung des Kraftfahrzeugs bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
    • 3 einen Schnitt durch den Energiespeicher,
    • 4 die Ansicht aus 3 bei einer Krafteinwirkung auf den Energiespeicher.
  • Ein Kraftfahrzeug 1, wie es in 1 stark vereinfacht dargestellt ist, weist mehrere elektrische Verbraucher 2 auf, die in einem Bordnetz 3 des Kraftfahrzeugs 1 eingebunden sind. Die elektrischen Verbraucher 2 können beispielsweise eine Antriebseinrichtung 4, eine Navigationseinrichtung 5 sowie eine Kommunikationseinrichtung 6 zur Kommunikation mit fahrzeugexternen Stellen sein. Die elektrischen Verbraucher 2 werden von einem elektrischen Energiespeicher 7 elektrisch versorgt, der elektrisch mit dem Bordnetz 3 verbunden ist. Der gezeigte elektrische Energiespeicher 7 weist ein Haupt-Stromnetz 8 sowie ein vom Haupt-Stromnetz 8 separates, insbesondere elektrisch getrenntes, Notfall-Stromnetz 9 auf. Das Haupt-Stromnetz 8 ist über eine Haupt-Anschlusseinrichtung 10 elektrisch mit dem Bordnetz 3 verbunden und versorgt somit die elektrischen Verbraucher 2. Das Notfall-Stromnetz 9 ist über eine Notfall-Anschlusseinrichtung 11 mit dem Bordnetz 3 verbindbar, wobei diese Verbindung dementsprechend gestrichelt dargestellt ist. Das Notfall-Stromnetz 9 kann dabei bei Bedarf über die Notfall-Anschlusseinrichtung 11 mit dem Bordnetz 3 elektrisch verbunden werden, um zumindest einen der Verbraucher 2 elektrisch zu versorgen. Das Notfall-Stromnetz 9 kommt insbesondere zum Einsatz, wenn im Haupt-Stromnetz 8 eine Störung vorliegt und/oder wenn das Haupt-Stromnetz 8, beispielsweise in Folge einer Krafteinwirkung, insbesondere eines Unfalls, beschädigt ist. Das Kraftfahrzeug 1 weist hierbei eine Steuereinrichtung 12 auf, die das Kraftfahrzeug 1 entsprechend steuert. Im gezeigten Beispiel werden dabei nicht sämtliche elektrische Verbraucher 2, sondern eine Auswahl der elektrischen Verbraucher 2, im gezeigten Beispiel rein beispielhaft die Kommunikationseinrichtung 6, über das Notfall-Stromnetz 9 elektrisch versorgt. Hierzu kann das Notfall-Stromnetz 9 über die Notfall-Anschlusseinrichtung 11 mit einem Teil des Bordnetzes 3, insbesondere mit einem nicht gezeigten Subnetz des Bordnetzes 3, elektrisch verbunden sein.
  • In 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 1 zu sehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Notfall-Stromnetz 9 nicht mit demselben Bordnetz 3 elektrisch kontaktiert bzw. kontaktierbar, mit dem das Haupt-Stromnetz 8 elektrisch verbunden ist. Vielmehr ist ein zweites Bordnetz 3, 3' vorgesehen, in dem eine Auswahl der elektrischen Verbraucher 2 auch eingebunden und über das Notfall-Stromnetz 9 versorgbar ist.
  • Die Steuereinrichtung 12 ist derart ausgestaltet, dass es das Haupt-Stromnetz 8, insbesondere bei einer Beschädigung oder Störung des Haupt-Stromnetzes 8, beispielsweise bei einem Unfall, vom Bordnetz 3 trennt und eine elektrische Versorgung der ausgewählten elektrischen Verbraucher 2 über das Notfall-Stromnetz 9 herstellt. Dies erfolgt insbesondere durch das Herstellen einer elektrischen Verbindung mit dem zweiten Bordnetz 3' in 2 bzw. mit dem Subnetz in 1.
  • Ein Beispiel eines solchen elektrischen Energiespeichers 7 ist in 3 dargestellt. Der Energiespeicher 7 weist mehrere Haupt- Zellmodule 13 auf, die jeweils mehrere Akkumulatorzellen 14 umfassen. Die Akkumulatorzellen 14 des jeweiligen Haupt-Zellmoduls 13 sind elektrisch kontaktiert bzw. verschaltet. Hierzu können die Akkumulatorzellen 14 des jeweiligen Haupt-Zellmoduls 13 seriell oder parallel elektrisch kontaktiert sein. Die Haupt-Zellmodule 13 sind ferner elektrisch miteinander kontaktiert bzw. verschaltet und bilden somit das Haupt-Stromnetz 8 (vgl. 1 und 2) des Energiespeichers 7. Die Haupt-Zellmodule 13 sind dabei in einem Hauptgehäuse 15 des Energiespeichers 7 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist im Hauptgehäuse 15 eine Gitterstruktur 16 mit regelmäßig angeordneten Gittersegmenten 17 angeordnet, wobei im jeweiligen Gittersegment 17 ein solches Haupt-Zellmodul 13 angeordnet ist.
  • Der Energiespeicher 7 weist zudem ein Notfall-Zellmodul 18 auf, das mehrere Akkumulatorzellen 35 aufweist, welche elektrisch miteinander kontaktiert bzw. verschaltet sind. Die Akkumulatorzellen 35 des Notfall-Zellmoduls 18 bilden dabei das Notfall-Stromnetz 9 (s. 1 und 2). Die Akkumulatorzellen 35 des Notfall-Zellmoduls 18 sind in einem vom Hauptgehäuse 15 separaten Notfallgehäuse 19 angeordnet. Dabei weist das Notfallgehäuse 19 vorzugsweise eine höhere mechanische Festigkeit auf als das Hauptgehäuse 15 und kann als ein Monocoque-Gehäuse 20 ausgebildet sein.
  • Im gezeigten Beispiel ist das Notfallgehäuse 19 und somit das Notfall-Zellmodul 18 im Hauptgehäuse 15 angeordnet und von Haupt-Zellmodulen 13 umgeben. Dabei umgeben Haupt-Zellmodule 13 das Notfallgehäuse 19 in einer Umfangsrichtung 21 des Notfallgehäuse 19 geschlossen, derart, dass sowohl in einer Längsrichtung 22 als auch in einer quer zur Längsrichtung 22 verlaufenden Querrichtung 23 jeweils zumindest ein solches Haupt-Zellmodul 13 zwischen dem Notfallgehäuse 19 und einer Wandung 24 des Hauptgehäuses 15 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel sind in der jeweiligen Längsrichtung 22 und Querrichtung 23 zwischen dem Notfallgehäuse 19 und der Wandung 24 des Hauptgehäuses 15 jeweils zwei solche Hauptzellmodule 13 angeordnet. In der gezeigten Ansicht ist das Notfall-Zellmodul 18 bzw. das Notfallgehäuse 19 in Längsrichtung 22 und in Querrichtung 23 im Wesentlichen mittig im Hauptgehäuse 15 angeordnet. Die Haupt-Zellmodule 13 und das Hauptgehäuse 15 bilden somit für das Notfall-Zellmodul 18 bzw. das Notfallgehäuse 19 eine Knautschzone zum Abbauen kinetischer Energie. Dabei ist das Notfall-Zellmodul 18 bzw. das Notfallgehäuse 19 in einem entsprechenden Gittersegment 17 der Gitterstruktur 16 angeordnet.
  • Zu erkennen ist ferner, dass im gezeigten Beispiel vier Stangen 25 vorgesehen sind, die quer zur Längsrichtung 22 und quer zur Querrichtung 23 verlaufen und jeweils entsprechende, ansichtsbedingt nicht sichtbare, Wände des Hauptgehäuses 15 fest miteinander verbinden Die Stangen 25 bilden im gezeigten Beispiel Ecken des Gittersegments 17, in dem das Notfall-Zellmodul 18 angeordnet ist. Dabei bilden die Stangen 25 einen Kä26, in dem das Notfall-Zellmodul 18 bzw. das Notfallgehäuse 19 angeordnet ist. Das Notfallgehäuse 19 kann hierbei an zumindest einer der Stangen 25 gelagert und somit beweglich im Hauptgehäuse 15 angeordnet sein.
  • Es ist ferner zu erkennen, dass die Notfall-Anschlusseinrichtung 11 im gezeigten Beispiel drei unterschiedliche Anschlüsse 27 aufweist. Dabei liegt am jeweiligen Anschluss 27 im Betrieb des Notfall-Zellmoduls 18 eine unterschiedliche elektrische Spannung an, so dass unterschiedliche elektrische Verbraucher 2 versorgt werden können. Der jeweilige Anschluss 27 kann mit dem gleichen Bordnetz 3 bzw. Subbordnetz oder mit unterschiedlichen Bordnetzen 3 elektrisch verbunden sein.
  • Erkennbar ist ferner, dass im Notfallgehäuse 19 weitere, für den Betrieb notwendige Bestandteile des Kraftfahrzeugs 1 bzw. des Energiespeichers 7 angeordnet sind. Hierzu zählen beispielsweise ein elektrischer Wandler 28, insbesondere ein Spannungswandler 29, ein Managementsystem 30 zum Steuern der Energieeinrichtung 7, eine Kommunikationseinrichtung 31, insbesondere die in den 1 und 2 gezeigte Kommunikationseinrichtung 6 zur Kommunikation mit fahrzeugexternen Stellen, bzw. einer Notfallstelle, und eine Schnittstelle 32 zum elektrischen Senden und Empfangen eines elektrischen Stroms.
  • In 4 ist ein Zustand dargestellt, in dem, wie mit einem runden Pfahl 33 symbolisiert, eine Kraft auf den Energiespeicher 7, beispielsweise in Folge eines Unfalls, einwirkt. Es ist zu erkennen, dass die Krafteinwirkung zunächst zu einer Deformation des Hauptgehäuses 15 sowie einer Verschiebung der Haupt-Zellmodule 13 führt, so dass die einwirkende Kraft erheblich abgebaut wird. Die Verschiebung der Haupt-Zellmodule 13 führt, zumindest zunächst, ausschließlich zu einer Deformation der Gitterstruktur 16, so dass die Haupt-Zellmodule 13 unbeschädigt bleiben. Aufgrund der Verschiebung der Haupt-Zellmodule 13 wird jedoch das Haupt-Stromnetz 8 gestört. Es ist zu erkennen, dass es bei der Krafteinwirkung zu keiner Beschädigung bzw. Beeinträchtigung des Notfall-Zellmoduls 18 kommt. Dabei ist das Notfall-Zellmodul 18 aufgrund der Krafteinwirkung lediglich innerhalb des Hauptgehäuses 15 geringfügig verdreht. Da die Notfall-Anschlusseinrichtung 11 bzw. die Anschlüsse 27 elastisch bzw. verformbar ausgestattet sind, kommt es hierdurch zu keiner Beschädigung der Notfall-Anschlusseinrichtung 11 und somit zu keiner Trennung der entsprechenden elektrischen Verbindungen, so dass auch bei einer derartigen Krafteinwirkung eine elektrische Versorgung der ausgewählten elektrischen Verbraucher 2 sichergestellt ist. Auch die im Notfallgehäuse 19 angeordneten weiteren Komponenten, insbesondere der Wandler 28, das Managementsystem 30, die Kommunikationseinrichtung 31 bzw. die Schnittstelle 32, bleiben hierbei unbeschädigt und funktionsbereit.
  • Bei einer derartigen Krafteinwirkung wird bevorzugt die elektrische Verbindung zwischen dem Haupt-Stromnetz 8 und dem Bordnetz 3, beispielsweise mit Hilfe der Steuereinrichtung 12, getrennt. Es werden also ausschließlich die ausgewählten elektrischen Verbraucher 2 über das Notfall-Stromnetz 9 elektrisch versorgt.
  • Um die im Notfall-Zellmodul 18 gespeicherte Energie ausschließlich beim Eintreten entsprechender Ereignisse zu verbrauchen bzw. zur Verfügung zu stellen, ist es bevorzugt, wenn eine Überwachung des Notfall-Zellmoduls 18 elektrisch vom Hauptstromkreis 8 und somit von den Haupt-Zellmodulen 13 versorgt wird. Hierzu ist zwischen dem Haupt-Stromnetz 8 bzw. den Haupt-Zellmodulen 13 und dem Notfall-Zellmodul 18 ein schaltbarer elektrischer Kontakt 34 vorgesehen. Wie aus einer Zusammenschau der 3 und 4 hervorgeht, ist der elektrische Kontakt 34 derart ausgestaltet, dass die elektrische Verbindung beim Einwirken der Kraft, insbesondere beim Einwirken einer vergebenen Kraft, unterbrochen wird. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass es zu Beschädigungen des Notfall-Zellmoduls 18 in Folge der Krafteinwirkung, insbesondere auf den elektrischen Kontakt 34, kommt.
  • Über den elektrischen Kontakt 34 kann auch eine nicht gezeigte Temperiereinrichtung zum Temperieren des Notfall-Zellmoduls 18 elektrisch versorgt werden. Wird der elektrische Kontakt 34 unterbrochen, so wird die Temperiereinrichtung vorzugsweise vom Notfall-Zellmodul 18 selbst, insbesondere vom Notfall-Stromnetz 9, elektrisch versorgt.
  • Vorstellbar ist es zudem, das Notfall-Zellmodul 18 über zumindest ein solches Haupt-Zellmodul 13, insbesondere durch das Haupt-Stromnetz 8, wiederaufzuladen, wenn der Ladezustand des Notfall-Zellmoduls 18 unterhalb eines vorgegebenen Werts, beispielsweise unterhalb von 80 % des maximalen Ladezustands des Notfall-Zellmoduls 18, sinkt. Hierzu kann das Notfall-Zellmoduls 18 über den elektrischen Kontakt 34 oder einen anderen, nicht gezeigten elektrischen Kontakt mit dem Haupt-Stromnetz 8 verbunden sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (17)

  1. Elektrischer Energiespeicher (7) für ein Kraftfahrzeug (1), mit - mehreren Haupt-Zellmodulen (13), die jeweils mehrere elektrisch miteinander kontaktierte Akkumulatorzellen (14) aufweisen und die zum Bilden eines Haupt-Stromnetzes (8) elektrisch kontaktiert sind, - einem Hauptgehäuse (15), in dem die Haupt-Zellmodule (13) angeordnet sind, gekennzeichnet durch ein Notfall-Zellmodul (18), das mehrere elektrisch miteinander kontaktierte Akkumulatorzellen (35) aufweist und das in einem separaten Notfallgehäuse (19) angeordnet ist.
  2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Notfallgehäuse (19) eine höhere mechanische Festigkeit aufweist als das Hauptgehäuse (15).
  3. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Notfallgehäuse (19) im Inneren des Hauptgehäuses (15) angeordnet ist.
  4. Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Notfallgehäuse (19) von solchen Haupt-Zellmodulen (13) umgeben ist.
  5. Energiespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Haupt-Zellmodule (13) das Notfallgehäuse (19) in einer Umfangsrichtung (21) geschlossen umgeben, so dass in einer Längsrichtung (22) und in einer quer zur Längsrichtung (22) verlaufenden Querrichtung (23) jeweils mindestens ein solches Haupt-Zellmodul (13) zwischen dem Notfallgehäuse (19) und dem Hauptgehäuse (15) angeordnet ist.
  6. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Notfallgehäuse (19) im Hauptgehäuse (15) beweglich angeordnet, insbesondere gelagert, ist.
  7. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptgehäuse (15) mehrere Stangen (25) vorgesehen sind, die zwei gegenüberliegende Wände des Hauptgehäuses (15) fest miteinander verbinden und die einen Käfig (26) zur Aufnahme des Notfallgehäuses (19) bilden.
  8. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatorzellen (35) des Notfall-Zellmoduls (18) zum Bilden eines Notfall-Stromnetzes (9) elektrisch kontaktiert sind, wobei das Notfall-Stromnetz (9) vom Haupt-Stromnetz (8) getrennt ist.
  9. Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Notfall-Stromnetz (9) ein Notfall-Spannungsniveau aufweist, das von einem Haupt-Spannungsniveau des Haupt-Stromnetzes (8) unterschiedlich, insbesondere niedriger als das Haupt-Spannungsniveau, ist.
  10. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, - dass der Energiespeicher (7) eine Haupt-Anschlusseinrichtung (10) zum elektrischen Anschließen des Haupt-Stromnetzes (8) an zumindest einen Verbraucher (2) aufweist, - dass der Energiespeicher (7) eine von der Haupt-Anschlusseinrichtung (10) separate Notfall-Anschlusseinrichtung (11) zum elektrischen Anschließen des Notfall-Zellmoduls (18) an zumindest einen Verbraucher (2) aufweist.
  11. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Notfall-Gehäuse (19) als Monocoque-Gehäuse (20) ausgebildet ist.
  12. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, - dass der Energiespeicher (7) ein Managementsystem (30) zum Steuern des Energiespeichers (7) aufweist, das im Notfallgehäuse (19) angeordnet ist, und/oder - dass der Energiespeicher (7) einen elektrischen Wandler (28) aufweist, der im Notfallgehäuse (19) angeordnet ist.
  13. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Notfall-Zellmodul (18) zum Überwachen des elektrischen Zustandes des Notfall-Zellmoduls (18) über einen elektrischen Kontakt (34) elektrisch mit dem Haupt-Stromnetzes (8) verbunden ist.
  14. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (7) derart ausgestaltet ist, dass das Notfall-Zellmodul (18) beim Unterschreiten eines vorgegebenen Ladezustands des Notfall-Zellmoduls (18) über das Haupt-Stromnetz (8) wiederaufladbar ist.
  15. Energiespeicher nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt (34) derart lösbar ausgestaltet ist, dass die elektrische Verbindung beim Einwirken einer vorgegeben Kraft auf den Kontakt (34) unterbrochen wird.
  16. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (7) eine elektrische Temperiereinrichtung zum Temperieren des Notfall-Zellmoduls (18) aufweist, die elektrisch vom Notfall-Zellmodul (18) versorgbar ist.
  17. Kraftfahrzeug (1) mit einem Bordnetz (3, 3'), in dem zumindest ein elektrischer Verbraucher (2) eingebunden ist und mit einem Energiespeicher (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur elektrischen Versorgung des zumindest einen elektrischen Verbrauchers (2).
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