DE102017206354B4 - Fahrzeugbatterie, Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie sowie Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Fahrzeugbatterie, Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie sowie Verfahren zu deren Betrieb Download PDF

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Abstract

Fahrzeugbatterie (14) zum Anschließen an ein elektrisches Bordnetz (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit mehreren in einem Batteriegehäuse (16) angeordneten Batteriezellen (18), die zumindest teilweise miteinander elektrisch gekoppelt sind, und mit einer Einrichtung (20) zur optischen Lichtbogenerkennung innerhalb des Batteriegehäuses (16), wobei das Batteriegehäuse (16) optisch geschlossen ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie zum Anschließen an ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, mit mehreren in einem Batteriegehäuse angeordneten Batteriezellen, die zumindest teilweise miteinander elektrisch gekoppelt sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz und einer am elektrischen Bordnetz angeschlossenen Fahrzeugbatterie, die mehrere in einem Batteriegehäuse angeordnete Batteriezellen aufweist, die zumindest teilweise miteinander elektrisch gekoppelt sind. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugbatterie, die an ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen wird, wobei die Fahrzeugbatterie mehrere in einem Batteriegehäuse angeordnete Batteriezellen aufweist, die zumindest teilweise miteinander elektrisch gekoppelt werden.
  • Fahrzeugbatterien, Kraftfahrzeuge mit Fahrzeugbatterien sowie Verfahren zu deren Betrieb sind aus dem Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür dem Grunde nach nicht bedarf. Fahrzeugbatterien der gattungsgemäßen Art finden Einsatz bei einem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs, um das elektrische Bordnetz in vorgebbarer Weise mit elektrischer Energie versorgen zu können. Dabei dient die Fahrzeugbatterie nicht nur der Bereitstellung von elektrischer Energie, wenn im elektrischen Bordnetz ein entsprechender Energiebedarf vorliegt, sondern sie kann darüber hinaus auch elektrische Energie aufnehmen und reversibel speichern, wenn im elektrischen Bordnetz ein Überschuss an elektrischer Energie vorhanden ist.
  • Das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs dient dazu, elektrische Einrichtungen des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie in geeigneter Weise zu versorgen. Zu diesem Zweck sind die elektrischen Einrichtungen an das elektrische Bordnetz angeschlossen. Elektrische Einrichtungen können beispielsweise Fahrzeugscheinwerfer, Fahrzeugleuchten, insbesondere Innenleuchten, ein elektrischer Klimakompressor, ein elektrischer Anlasser für eine Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs, ein Navigationsgerät und/oder eine Vielzahl weiterer entsprechender elektrischer Einrichtungen sein. Darüber hinaus kann das elektrische Bordnetz auch eine Antriebseinrichtung umfassen, die dazu dient, das Kraftfahrzeug mittels elektrischer Energie anzutreiben. Ist die Antriebseinrichtung als einzige Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs vorhanden, handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Elektrofahrzeug. Umfasst das Kraftfahrzeug ferner ergänzend die Verbrennungskraftmaschine, handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Hybridfahrzeug. Bei einem Hybridfahrzeug kann auch eine gemeinsame Nutzung der elektrischen Antriebseinrichtung und der Verbrennungskraftmaschine zum Zwecke des Antriebs vorgesehen sein. Bei Elektrofahrzeugen sowie gegebenenfalls auch bei Hybridfahrzeugen wird in diesem Fall die Fahrzeugbatterie in der Regel als Hochvoltbatterie ausgebildet, um eine entsprechende elektrische Leistung, die für Antriebszwecke erforderlich ist, günstig bereitstellen zu können.
  • Die Fahrzeugbatterie der gattungsgemäßen Art dient dazu, elektrische Energie reversibel zu speichern. Eine solche Fahrzeugbatterie wird auch als Akkumulator bezeichnet. Zum Zweck des reversiblen Energiespeicherns umfasst die Fahrzeugbatterie in der Regel mehrere Batteriezellen, die als galvanische Zellen ausgebildet sind und elektrische Energie chemisch zu speichern vermögen. Zu diesem Zweck weist die Batteriezelle in der Regel zwei Elektroden auf, die elektrochemisch miteinander in Verbindung stehen, beispielsweise über einen Elektrolyten, der mit den Elektroden wechselwirkt. An den Elektroden stellt sich dann eine elektrische Gleichspannung ein, die sich im Wesentlichen aufgrund der Elektrochemie ergibt. Die Gleichspannung, die sich zwischen den Elektroden einer einzelnen Batteriezelle einstellt, beträgt üblicherweise wenige Volt, beispielsweise etwa 1,2 V bis 4,5 V, abhängig von der jeweiligen Zellchemie.
  • Insbesondere wenn die Fahrzeugbatterie auch der Bereitstellung von elektrischer Energie für eine elektrische Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs dient, sollen häufig hohe Gleichspannungen bereitgestellt werden können, beispielsweise bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, wie Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, eine Gleichspannung in einem Bereich von mehreren 100 V, beispielsweise etwa 400 V oder mehr, insbesondere etwa 800 V. Daraus ergibt sich, dass zur Realisierung solcher Gleichspannungen durch die Fahrzeugbatterie eine Vielzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet werden muss. Je nach Energie- beziehungsweise Leistungsbedarf kann ergänzend auch noch eine Parallelschaltung von Batteriezellen erforderlich sein.
  • Hieraus ergeben sich besondere Anforderungen, insbesondere aus konstruktiver Sicht und aus Sicht der elektrischen Sicherheit, die bei derartigen Batterien, auch Hochvoltbatterien genannt, zu beachten sind. Aufgrund dieser Anforderungen ist es mittlerweile üblich, die Fahrzeugbatterie nach Art einer Modulbauweise zu konstruieren. Zu diesem Zweck ist es üblich, eine Mehrzahl der Batteriezellen mechanisch und elektrisch zu einem Batteriemodul zusammenzufassen, sodass eine einzeln handhabbare Baueinheit bereitgestellt wird. Das Batteriemodul kann bezüglich seiner Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf seine elektrischen Eigenschaften, als eigenständige Baugruppe geprüft werden. Die Fahrzeugbatterie wird dann aus einer entsprechenden Mehrzahl solcher Batteriemodule zusammengefügt, beispielsweise indem die Batteriemodule in vorgegebener Weise mechanisch und/oder elektrisch miteinander, vorzugsweise zu einer Baueinheit, verbunden werden, beispielsweise indem sie in dem Batteriegehäuse der Fahrzeugbatterie entsprechend angeordnet werden. Auch die Batteriemodule können eigene Gehäuse aufweisen, in denen die Batteriezellen angeordnet sind. Die Gehäuse der Batteriemodule beziehungsweise das Batteriegehäuse können jedoch auch lediglich aus einem Rahmen bestehen, der bezüglich der Batterie die jeweiligen Batteriemodule fixiert beziehungsweise bezüglich des Batteriemoduls die jeweiligen Batteriezellen fixiert.
  • Zu diesem Zweck umfasst das Batteriemodul in der Regel zwei Modulanschlusspole, die batteriemodulseitig an die Batteriezellen elektrisch angeschlossen sind. Die Modulanschlusspole sind wiederum innerhalb der Fahrzeugbatterie an Batterieanschlusspole angeschlossen, sodass an den Batterieanschlusspolen der Fahrzeugbatterie die gewünschte Gleichspannung der Fahrzeugbatterie bereitgestellt werden kann. Infolgedessen ist in der Regel die Gleichspannung an den Batterieanschlusspolen größer als die Gleichspannung an den Modulanschlusspolen, welche wiederum in der Regel größer ist als die Gleichspannung, die an den Elektroden der jeweiligen einzelnen Batteriezellen bereitgestellt wird. Liegt jeweils eine reine Parallelschaltung der Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls beziehungsweise der Batteriemodule innerhalb der Fahrzeugbatterie vor, sind die entsprechenden Gleichspannungen natürlich gleich groß.
  • Eine beispielhafte Konstruktion für ein Batteriemodul sieht vor, dass zwölf Batteriezellen in einem mechanischen Gehäuse angeordnet und elektrisch mittels Stromschienen miteinander in Reihe und/oder parallel angeschlossen sind. Vorzugsweise sind die Batteriezellen zueinander elektrisch isoliert angeordnet. Sie können darüber hinaus mittels einer Kühleinrichtung gekühlt werden. Solche Batteriemodule eignen sich dazu, als standardisierte Bauteile verwendet zu werden, sodass nahezu beliebige Fahrzeugbatterien realisiert werden können, indem eine entsprechende Anzahl von Batteriemodulen miteinander in der Fahrzeugbatterie angeordnet werden.
  • Auch wenn sich diese Konstruktion dem Grunde nach bewährt hat, so zeigen sich dennoch Nachteile. Aufgrund der fortschreitenden Entwicklung erhöhen sich die Energiedichte und/oder die Leistungsdichte der einzelnen Batteriezellen kontinuierlich. Unter anderem können die zum Einsatz kommenden Zellchemien deshalb auch immer aggressiver sein. Dadurch besteht die Gefahr, dass im Fehlerfall gefährliche Zustände, wie zum Beispiel durch einen zelleninternen Kurzschluss, erheblich gestärkt werden und die Sicherheit, insbesondere die elektrische Sicherheit und der Brandschutz, beeinträchtigt sein können. Dies erfordert zusätzlichen Aufwand, der üblicherweise entsprechende Kosten und komplexe technische Maßnahmen zur Folge hat. Darüber hinaus besteht das Problem, dass aufgrund kurzer Entwicklungszeitvorgaben Batteriezelltechnologien teilweise noch nicht ausgereift in den Markt gelangen. Werden solche Batteriezellen zu Batteriemodulen und dann weiter zu entsprechenden Fahrzeugbatterien verarbeitet, können sich die vorgenannten Risiken weiter potenzieren.
  • Darüber hinaus ist zu bedenken, dass in Bezug auf eine jeweilige einzelne Batteriezelle die Gefahr bestehen kann, dass es bei einer Störung irgendeiner Art zu sehr heftigen Reaktionen in und um die jeweilige Batteriezelle herum kommen kann, weil die in der Batteriezelle gespeicherte Energie in kurzer Zeit freigesetzt werden kann. Dies Problem kann zum Beispiel bei einem thermischen Davonlaufen, bei internen und/oder externen Kurzschlüssen der Batteriezellen, bei Mikrokurzschlüssen, bei Fremdpartikeln, bei Inhomogenitäten, bei Alterungseffekten, bei Plating, bei mechanischen Deformierungen, bei einem Unfall, bei Undichtigkeiten, insbesondere durch Diffusion von Feuchtigkeit in die Batteriezellen und so weiter, auftreten.
  • Hochvolt meint insbesondere eine Gleichspannung, die durch eine Norm, wie der ECE R 100 oder dergleichen, vorgegeben ist, insbesondere eine elektrische Gleichspannung von größer als 60 V. Gemäß dieser Norm sind besondere Maßnahmen zum Schutz von Personen vor elektrischem Schlag vorgesehen. Unter anderem ist bei einer Hochvoltbatterie in der Regel ein Schütz vorgesehen, mittels welchem die Batterieanschlusspole elektrisch von den Batteriemodulen beziehungsweise den Batteriezellen getrennt werden können. Vorzugsweise ist eine Trennung für jeden der Batterieanschlusspole vorgesehen, sodass mittels des Schützes die Batterieanschlusspole elektrisch freigeschaltet werden können. Besonders bevorzugt stellt das Schütz eine galvanische elektrische Trennung bereit. In der Regel weist das Schütz zu diesem Zweck elektromechanische Schaltkontakte auf, die die galvanische Trennung realisieren können. Darüber hinaus kann eine Schalt- und/oder Sicherungseinheit vorgesehen sein, die vom Schütz umfasst sein kann. In der Schalt- und/oder Sicherungseinheit können darüber hinaus auch Sicherungselemente, insbesondere nach Art einer Schmelzsicherung, vorgesehen sein. Dadurch kann insgesamt eine elektrische Sicherheit in Bezug auf die Fahrzeugbatterie, insbesondere wenn sie eine Hochvoltbatterie ist, verbessert werden.
  • Gleichwohl hat es sich gezeigt, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb der Fahrzeugbatterie sowie auch bei einer ersten Inbetriebnahme der Fahrzeugbatterie Störungen auftreten können, die aus den vorgenannten Gründen im bestimmungsgemäßen Betrieb der Fahrzeugbatterie auftreten können oder bereits bei der Herstellung der Fahrzeugbatterie vorliegen können. Dies kann insbesondere Störlichtbögen umfassen beziehungsweise solche hervorrufen.
  • Ein Störlichtbogen, gelegentlich auch Fehlerlichtbogen genannt, ist in der Elektrotechnik ein technisch unerwünscht auftretender Lichtbogen zwischen elektrischen Anlagenteilen, insbesondere solchen Anlagenteilen, die mit unterschiedlichem elektrischen Potential beaufschlagt sind. Dabei basiert die Lichtbogenerscheinung darauf, dass bei einem ungenügenden Abstand zwischen den die unterschiedlichen elektrischen Potentiale führenden Teilen oder bei einer ungenügenden elektrischen Isolation zwischen den entsprechenden Teilen es zu einem unerwünschten Spannungsüberschlag kommen kann, in dessen Verlauf der Lichtbogen entsteht. Der Spannungsüberschlag kann auch in einem elektrischen Bauteil selber entstehen, zum Beispiel bei einem elektromechanischen Schaltelement, wenn sich dessen Schaltkontakte zu langsam öffnen, oder eine elektrische Isolation zwischen den elektrischen Potentialen beschädigt ist. Der Lichtbogen ist nicht nur eine unerwünschte Erscheinung, die die Funktionalität des Bordnetzes beeinträchtigen kann, sondern sie kann auch betroffene Bauteile beschädigen, sodass dessen Lebensdauer beeinträchtigt ist oder das Bauteil sogar vollständig ausfällt.
  • Lichtbögen und deren Detektion sind im Bereich der elektrischen Energieversorgung, insbesondere bei Schaltanlagen, bekannt. Für Schaltanlagen sind entsprechende Detektoren im Einsatz. So offenbart zum Beispiel die WO 2010/033851 A1 einen elektrooptischen Strahlungsempfänger für eine Lichtbogendetektion und die EP 2 942 850 A1 einen Lichtbogensensor sowie eine Lichtbogenerfassungseinrichtung mit einem optischen Lichtbogensensor. Aus der DE 20 2013 006 083 U1 ist ferner eine Lichtbogenerkennungs- und -abschalteinrichtung für Photovoltaikanlagen bekannt.
  • Ferner offenbart die DE 10 2015 016 696 A1 eine Kurzschlusserkennung durch Lichtsignal und Einleitung der Fahrzeugreaktion und die DE 10 2016 004 253 A1 eine Hochvoltbordnetzanordnung und ein Verfahren zur Kurzschlussdetektion. Weiterhin offenbart die DE 10 2014 012 014 A1 eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Erkennung eines Lichtbogens in einem Kraftfahrzeug. Schließlich offenbart die DE 10 2011 106 297 A1 eine Batterieanordnung für einen Kraftwagen.
  • Die durch die vorgenannten Veröffentlichungen offenbarten optischen Lichtbogenerfassungseinrichtungen sind üblicherweise an die jeweilige elektrische Anlage angepasst ausgebildet und eignen sich aufgrund ihrer Konstruktion in der Regel nicht für einen mobilen Betrieb. Aus diesem Grund ist es bei Fahrzeugbatterien bisher nur bekannt, anstelle einer optischen Lichtbogenerfassung eine elektrische Lichtbogenerfassung vorzusehen. Zu diesem Zweck werden eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom der Fahrzeugbatterie ausgewertet und einer Spektralanalyse unterzogen. Dieses Verfahren basiert darauf, dass bei Auftreten eines Lichtbogens charakteristische Eigenschaften hinsichtlich des elektrischen Stroms und/oder der elektrischen Spannung der Fahrzeugbatterie beziehungsweise der elektrischen Spannung im Bordnetz ermittelt werden können, die dem Störlichtbogen entsprechend zugeordnet werden können. Das Verfahren hat sich zwar dem Grunde nach bewährt, jedoch lässt sich der Störlichtbogen nicht immer zuverlässig erkennen und hinsichtlich der Lokalisierung zuordnen. So können beispielsweise Schaltfunktionen fälschlich als Störlichtbögen erkannt werden. Dadurch können unerwünscht nicht erforderliche Sicherheitsmaßnahmen aktiviert werden, die den bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs behindern können.
  • Wie zuvor erläutert, stellt jedoch insbesondere eine Hochvoltbatterie eine große Energiemenge bereit, die bei einem Störlichtbogen innerhalb der Batterie zu unerwünschten bis gefährlichen Zuständen führen kann. Dadurch, dass der Störlichtbogen zwar dem elektrischen Bordnetz mit der Fahrzeugbatterie bei der elektrischen Erfassung zugeordnet werden kann, kann eine Zuordnung zur Fahrzeugbatterie nicht getroffen werden. Gerade für den Anwendungsfall bei einem Kraftfahrzeug ist dies jedoch nachteilig, insbesondere wenn der Störlichtbogen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise auch bei einem Unfall oder dergleichen, auftritt.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die elektrische Sicherheit insbesondere in Bezug auf die Fahrzeugbatterie zu verbessern.
  • Als Lösung werden mit der Erfindung eine Fahrzeugbatterie, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb der Fahrzeugbatterie gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
  • Bezüglich einer gattungsgemäßen Fahrzeugbatterie wird insbesondere vorgeschlagen, dass diese eine Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung innerhalb des Batteriegehäuses aufweist.
  • Bezüglich eines gattungsgemäßen Kraftfahrzeugs wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Fahrzeugbatterie gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
  • Verfahrensseitig wird für ein gattungsgemäßes Verfahren insbesondere vorgeschlagen, dass mittels einer Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung ein Auftreten eines Lichtbogens innerhalb des Batteriegehäuses optisch erfasst wird.
  • Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass Fahrzeugbatterien in der Regel ein Batteriegehäuse aufweisen, welches die Batteriezellen beziehungsweise die Batteriemodule umschließt. Entsprechendes kann auch für Batteriemodule vorgesehen sein. Das Batteriegehäuse beziehungsweise das Gehäuse der Batteriemodule umschließt vorzugsweise vollständig die Batteriezellen beziehungsweise die Batteriemodule. Dadurch ist der Eintritt von Licht aus der Umgebung begrenzt beziehungsweise vollständig verhindert. Tritt somit innerhalb des Batteriegehäuses beziehungsweise des Gehäuses eines der Batteriemodule ein Lichtbogen auf, kann dieser mittels der Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung erfasst werden. Die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerfassung kann dann ein entsprechendes Signal abgeben, sodass eine Meldung an einen Fahrzeuginsassen beispielsweise einen Fahrzeugführer abgegeben werden kann.
  • Darüber hinaus besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass zumindest teilweise automatisiert Schutzfunktionen aktiviert werden, beispielsweise indem ein Schütz der Fahrzeugbatterie deaktiviert wird, sodass die Batteriepole der Fahrzeugbatterie elektrisch von den Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen getrennt werden. Darüber hinaus besteht natürlich weiterhin die Möglichkeit, sofern die Batteriemodule beziehungsweise die einzelnen Batteriezellen entsprechende Schalteinrichtungen aufweisen, diese zu betätigen, damit die jeweiligen Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule elektrisch voneinander getrennt werden können. Dadurch kann der Lichtbogen nahezu unverzüglich erkannt werden, sodass entsprechende Schutzmaßnahmen entsprechend schnell aktiviert werden können. Die Auswirkungen des Lichtbogens können dadurch reduziert, wenn nicht sogar verhindert werden. Mit der Erfindung ist es somit möglich, die elektrische Sicherheit der Fahrzeugbatterie beziehungsweise auch des Kraftfahrzeugs zu verbessern.
  • Vorzugsweise ist das Batteriegehäuse beziehungsweise das Gehäuse eines jeweiligen Batteriemoduls derart ausgebildet, dass es nach Möglichkeit eine möglichst geringe Transparenz in Bezug auf Licht aufweist. Erreicht werden kann dies beispielsweise mit einem Gehäusewerkstoff, der Metall aufweist, oder auch mit einem entsprechend ausgestalteten Kunststoff beziehungsweise Verbundwerkstoff, der eine möglichst geringe Transparenz in Bezug auf Licht aufweist. Vorzugsweise ist das Batteriegehäuse beziehungsweise das Gehäuse des jeweiligen Batteriemoduls vollständig geschlossen ausgebildet, sodass Umgebungslicht im Wesentlichen nicht in das Batteriegehäuse beziehungsweise Gehäuse des Batteriemoduls einzudringen vermag.
  • Das Batteriegehäuse ist optisch geschlossen ausgebildet. Dadurch kann erreicht werden, dass die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerfassung durch Umgebungslicht möglichst nicht gestört wird. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass durch geeignete Auswertung Restlicht, welches in das Batteriegehäuse eindringt, entsprechend unterdrückt wird. Beispielsweise kann hierzu der Vergleichswert entsprechend gewählt sein.
  • Besonders vorteilhaft erweist sich die Erfindung bei Einsatz von solchen Fahrzeugbatterien, die durch eine Hochvoltbatterie gebildet sind. Gerade hier ist die Gefahr eines Lichtbogens besonders hoch, weil aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Hochvoltbatterie entsprechend große elektrische Potentialdifferenzen bereits innerhalb der Hochvoltbatterie vorhanden sind. Dadurch kann beispielsweise aufgrund von Fertigungsmängeln oder auch Alterung ein entsprechender Spannungsüberschlag auftreten, der einen Lichtbogen zur Folge haben kann. Durch den vorgenannten hohen Energieinhalt einer Hochvoltbatterie kann dies sehr ungünstige Auswirkungen haben, die ebenfalls eingangs erläutert wurden. Die Erfindung kann dadurch gerade bei Hochvoltbatterien eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der elektrischen Sicherheit bieten.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Fahrzeugbatterie eine Schalt- und/oder Sicherungseinheit aufweist, wobei die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung ausgebildet ist, einen optischen Lichtbogen in der Schalt- und/oder Sicherungseinheit zu erfassen. Die Schalt- und/oder Sicherungseinheit kann in einem separaten Gehäuse oder Gehäuseteil der Fahrzeugbatterie angeordnet sein. Sie kann aber auch im Batteriegehäuse oder auch in einem Gehäuse eines Batteriemoduls integriert angeordnet sein.
  • Vorzugsweise ist die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung derart ausgebildet, dass sie selektiv einen Lichtbogen in der Schalt- und/oder Sicherungseinheit erfassen kann. Die Schalt- und/oder Sicherungseinheit kann unter anderem das Schütz beziehungsweise dessen elektromechanischen Schaltelemente aufweisen. Darüber hinaus kann die Schalt- und/oder Sicherungseinheit weitere elektrische Sicherungselemente aufweisen, beispielsweise nach Art einer Schmelzsicherung, eines Sicherungsautomaten und/oder dergleichen. Schließlich können natürlich auch elektronische Elemente vorgesehen sein, mittels denen zum Beispiel die Funktion des Schützes realisiert werden kann. Zu diesem Zweck kann das Schütz als Schaltelement einen oder mehrere Halbleiterschalter aufweisen, die vorzugsweise durch Transistoren gebildet sein können. Darüber hinaus kann derartiges Schaltelement auch als Sicherungselement vorgesehen sein, sodass auch das Sicherungselement einen entsprechenden Halbleiterschalter umfassen kann, mittels dem die gewünschte Sicherungsfunktion realisiert werden kann. Weitere Elemente können von der Schalt- und/oder Sicherungseinheit umfasst sein, mittels denen eine Steuer- und/oder Sicherungsfunktion weiter ergänzt werden kann.
  • Vorzugsweise ist die Schalt- und/oder Sicherungseinheit in einem eigenen Gehäuse angeordnet und die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung ist ausgebildet, einen Lichtbogen in dem Gehäuse der Schalt- und/oder Sicherungseinheit zu erfassen. Das Gehäuse der Schalt- und/oder Sicherungseinheit ist vorzugsweise ebenfalls für Umgebungslicht intransparent ausgebildet. Die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung kann an dieses Gehäuse optisch angeschlossen sein.
  • Die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung weist wenigstens einen Lichtsensor und eine Auswerteeinheit auf, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, ein mittels des Lichtsensors erfasstem Licht entsprechendes Sensorsignal auf Vorliegen eines Lichtbogens auszuwerten. Zu diesem Zweck kann der Lichtsensor ein fotosensitives Element wie eine Fotodiode, ein Fotoelement und/oder dergleichen umfassen. Dieses kann in einem Bereich des Batteriegehäuses beziehungsweise des Gehäuses des Batteriemoduls beziehungsweise auch des Gehäuses der Schalt- und/oder Sicherungseinheit angeordnet sein, um in dem jeweiligen Bereich den Lichtbogen optisch erfassen zu können. Darüber hinaus können natürlich auch ein oder mehrere optische Lichtleiter vorgesehen sein, die an vorgegebenen Stellen des jeweiligen Gehäuses angeordnet sind, um optisch einen entsprechenden Lichtbogen erfassen zu können, um etwaig erfasstes Licht zum jeweiligen Lichtsensor zu führen, sodass dieser ein entsprechendes Sensorsignal abzugeben vermag.
  • Die Auswerteeinheit empfängt das Sensorsignal des Lichtsensors, welches vorzugsweise ein elektrisches Signal ist. Mittels einer geeigneten Auswerteschaltung, die beispielsweise eine elektronische Schaltung umfasst und auch eine programmgesteuerte Rechnereinheit umfassen kann und/oder dergleichen, wird das Sensorsignal ausgewertet, um zu ermitteln, ob ein Lichtbogen vorliegt. Im einfachsten Fall kann das Sensorsignal eine Helligkeit von mittels des Lichtsensors erfasstem Licht repräsentieren und die Auswertung kann zum Beispiel darin bestehen, dass lediglich geprüft wird, ob das Sensorsignal größer als ein vorgegebener Vergleichswert ist. Der Vergleichswert wird vorzugsweise so gewählt, dass Störeffekte wie zum Beispiel Rauschen oder dergleichen ein Auslösen beziehungsweise Erkennen des Lichtbogens nicht verursachen. Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit jedoch auch weitere Auswertungsmethoden umfassen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das vom Lichtsensor erfasste Licht auch hinsichtlich einer spektralen Lichtverteilung erfasst wird. Das Sensorsignal umfasst dann vorzugsweise auch entsprechende Daten bezüglich der spektralen Lichtverteilung. Die Auswertung kann dann dahingehend erfolgen, dass eine einem Lichtbogen zuordenbare typische spektrale Lichtverteilung ebenfalls zugrundegelegt wird, um die Auswertung durchführen zu können. Entspricht die erfasste spektrale Lichtverteilung nicht einer vorgegebenen spektralen Lichtverteilung, wird davon ausgegangen, dass es sich nicht um einen Lichtbogen handelt. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, hierdurch auch bestimmte Lichtbogentypen zu spezifizieren. So kann zum Beispiel ein serieller Lichtbogen eine andere spektrale Lichtverteilung nach sich ziehen, als dies bei einem parallelen Lichtbogen ist. Dadurch kann eine genauere Schutzfunktion aktiviert werden.
  • Vorzugsweise ist das Gehäuse der Schalt- und/oder Sicherungseinheit beziehungsweise auch das Gehäuse des Batteriemoduls optisch geschlossen ausgebildet. Dadurch kann erreicht werden, dass die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerfassung durch Umgebungslicht möglichst nicht gestört wird. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass durch geeignete Auswertung Restlicht, welches in das Gehäuse der Schalt- und/oder Sicherungseinheit beziehungsweise das Gehäuse des Batteriemoduls eindringt, entsprechend unterdrückt wird. Beispielsweise kann hierzu der Vergleichswert entsprechend gewählt sein.
  • Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Lichtsensor ein mittels des Lichtsensors erfasstem Licht entsprechendes Sensorsignal bereitstellt, das zum Ermitteln eines Lichtbogens hinsichtlich einer spektralen Lichtverteilung ausgewertet wird. Dadurch kann erreicht werden, dass das Sensorsignal hinsichtlich Störlicht aus anderen Lichtquellen, beispielsweise Umgebungslicht, besser ausgewertet werden kann. Es ist somit möglich, auch bei einem optisch nicht vollständig geschlossenen Gehäuse den Störlichtbogen zuverlässig und sicher erkennen zu können. Der Lichtsensor stellt zu diesem Zweck ein geeignetes Sensorsignal bereit, welches zum Beispiel neben einer Helligkeitsfunktion auch Daten bezüglich der spektralen Lichtverteilung des erfassten Lichts umfasst. Die Auswerteeinheit ist dann entsprechend angepasst ausgebildet.
  • Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass mittels eines Umgebungslichtsensors Umgebungslicht erfasst wird und das Auswerten des Sensorsignals unter Berücksichtigung des erfassten Umgebungslichts erfolgt. Diese Ausgestaltung erlaubt es, die optische Lichtbogenerfassung mittels der Einrichtung zur optischen Lichtbogenerfassung auch dann zuverlässig ausführen zu können, wenn die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerfassung Umgebungslicht ausgesetzt wird. Durch geeignete Auswertung kann dann das entsprechende Sensorsignal derart ausgewertet werden, dass der Lichtbogen zuverlässig erkannt werden kann, und zwar auch dann, wenn Umgebungslicht vorliegt. Das Umgebungslicht kann vorzugsweise mittels eines eigenen geeigneten Lichtsensors erfasst werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Lichtsensor, der zur Erfassung des Störlichtbogens dient, zugleich auch zur Erfassung des Umgebungslichts dient. Die Erfassung kann beispielsweise im Zeitmultiplex umgeschaltet werden. Durch geeignete Auswertung kann eine zuverlässige Lichtbogenerfassung auch bei Umgebungslicht erreicht werden.
  • Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
  • Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
    • 1 in einer schematischen Darstellung ein Elektrofahrzeug mit einem Bordnetz, das eine Fahrzeugbatterie der Erfindung umfasst; und
    • 2 in einer schematischen Darstellung die Fahrzeugbatterie des Elektrofahrzeugs gemäß 1.
  • Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs 10 als Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz 12, an welchem eine Fahrzeugbatterie 14 angeschlossen ist. Die Fahrzeugbatterie 14 ist eine Hochvoltbatterie, die in einem unteren Bereich eines nicht bezeichneten Chassis des Elektrofahrzeugs 10 angeordnet ist. Das elektrische Bordnetz 12 umfasst eine nicht dargestellte elektrische Antriebseinrichtung, mittels der das Elektrofahrzeug 10 im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb betrieben werden kann.
  • 2 zeigt eine schematische Schnittansicht der Fahrzeugbatterie 14 gemäß 1. Die Fahrzeugbatterie 14 umfasst ein Batteriegehäuse 16, in dem eine Mehrzahl von Batteriezellen 18 angeordnet sind. Die Batteriezellen 18 sind vorliegend durch Lithium-lon-Zellen gebildet.
  • In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Fahrzeugbatterie 14 in Modulbauweise ausgebildet ist. In dem Batteriegehäuse 16 ist eine Mehrzahl von Batteriemodulen 26 angeordnet, die ihrerseits die Batteriezellen 18 umfassen. Innerhalb der Batteriemodule 26 sind die Batteriezellen 18 in Reihe geschaltet. Vorliegend ist vorgesehen, dass jedes der Batteriemodule 26 ein eigenes Gehäuse 28 aufweist, in dem die Batteriezellen 18 angeordnet sind. Lediglich in dem Batteriemodul 26, welches oben links in der 2 dargestellt ist, sind schematisch Batteriezellen 18 dargestellt. Die weiteren Batteriemodule 28 sind entsprechend aufgebaut.
  • In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mehrere Batteriemodule 26 in Reihe geschaltet sind. In 2 ist dies durch die gestrichelte Verbindung zweier waagrecht benachbart angeordneter der Batteriemodule 26 dargestellt.
  • Aus 2 ist ersichtlich, dass vorliegend drei solcher in Reihe geschalteten Stränge aus Batteriemodulen 26 parallelgeschaltet sind. Die auf diese Weise matrixartig verschalteten Batteriemodule 26 sind an eine Schalt- und Sicherungseinheit 22 angeschlossen, die ihrerseits in einem Gehäuse 24 innerhalb des Batteriegehäuses 16 angeordnet ist. An die Schalt- und Sicherungseinheit 22 sind ferner zwei Batterieanschlusspole 30, 32 angeschlossen, die Anschlussmöglichkeiten bereitstellen, um die Fahrzeugbatterie 14 mit dem elektrischen Bordnetz 12 des Elektrofahrzeugs 10 elektrisch zu verbinden.
  • Die Schalt- und Sicherungseinheit 22 umfasst ein schematisch dargestelltes Schütz zur galvanischen Trennung der Batterieanschlusspole 30, 32 von den Batteriemodulen 26. Zu diesem Zweck weist das Schütz nicht dargestellte elektromechanische Schaltkontakte auf, die den jeweiligen Batterieanschlusspol 30, 32 elektrisch freischalten können.
  • Innerhalb des Batteriegehäuses 16 ist ferner eine Einrichtung 20 zur optischen Lichtbogenerkennung innerhalb des Batteriegehäuses 16 angeordnet. Die Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung umfasst einen nicht weiter bezeichneten Lichtsensor, mittels dem Licht innerhalb des Batteriegehäuses 16 erfasst werden kann. Das Batteriegehäuse 16 ist vorliegend aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium, gebildet. Es ist geschlossen ausgebildet, sodass kein Umgebungslicht in das Gehäuse 16 eindringen kann. Tritt somit eine Lichterscheinung innerhalb des Gehäuses 16 auf, kann diese somit unmittelbar einem Lichtbogen zugeordnet werden. Der Lichtbogensensor selbst ist vorliegend durch eine Fotodiode gebildet, die an eine ebenfalls nicht dargestellte Auswerteeinheit angeschlossen ist.
  • Die Auswerteeinheit umfasst eine elektronische Schaltung, die ein von der Fotodiode bereitgestelltes Sensorsignal auswertet, indem sie dies mit einem vorgegebenen Vergleichswert vergleicht. Ist das Sensorsignal größer als der Vergleichswert, wird dies als Lichtbogen erkannt und ein entsprechendes Meldesignal abgegeben. Das Meldesignal wird vorliegend von der Einrichtung zur optischen Lichtbogenerkennung 20 an die Schalt- und Sicherungseinheit 22 abgegeben. Aufgrund des Meldesignals wird das Schütz angesteuert, sodass seine elektromechanischen Kontakte geöffnet werden. Dadurch sind die Batterieanschlusspole 30, 32 bei einem erkannten Lichtbogen von den Batteriemodulen 26 elektrisch getrennt.
  • Ferner ist vorgesehen, dass bei Erkennen eines Lichtbogens zugleich eine Meldung an einen Führer des Elektrofahrzeugs 10 erfolgt. Zu diesem Zweck ist im Elektrofahrzeug 10 im Bereich eines Cockpits eine entsprechende Meldeleuchte vorgesehen, die den erfassten Lichtbogen anzeigt. Der Führer des Kraftfahrzeugs ist somit unmittelbar über die Lichtbogenerscheinung informiert.
  • Insgesamt zeigt das Ausführungsbeispiel, wie durch die Erfindung die elektrische Sicherheit der Fahrzeugbatterie und des Kraftfahrzeugs erhöht werden kann.
  • Die für die Fahrzeugbatterie der Erfindung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für das mit der erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie ausgerüstete Kraftfahrzeug sowie das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Infolgedessen können Vorrichtungsmerkmale auch als Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
  • Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend.

Claims (10)

  1. Fahrzeugbatterie (14) zum Anschließen an ein elektrisches Bordnetz (12) eines Kraftfahrzeugs (10), mit mehreren in einem Batteriegehäuse (16) angeordneten Batteriezellen (18), die zumindest teilweise miteinander elektrisch gekoppelt sind, und mit einer Einrichtung (20) zur optischen Lichtbogenerkennung innerhalb des Batteriegehäuses (16), wobei das Batteriegehäuse (16) optisch geschlossen ausgebildet ist.
  2. Fahrzeugbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (14) eine Hochvoltbatterie ist.
  3. Fahrzeugbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schalt- und/oder Sicherungseinheit (22), wobei die Einrichtung (20) zur optischen Lichtbogenerkennung ausgebildet ist, einen optischen Lichtbogen in der Schalt- und/oder Sicherungseinheit (22) zu erfassen.
  4. Fahrzeugbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt- und/oder Sicherungseinheit (22) in einem eigenen Gehäuse (24) angeordnet ist und die Einrichtung (20) zur optischen Lichtbogenerkennung ausgebildet ist, einen Lichtbogen in dem Gehäuse (24) der Schalt- und/oder Sicherungseinheit (22) zu erfassen.
  5. Fahrzeugbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zur optischen Lichtbogenerkennung wenigstens einen Lichtsensor und eine Auswerteeinheit aufweist, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, ein mittels des Lichtsensors erfasstem Licht entsprechendes Sensorsignal auf Vorliegen eines Lichtbogens auszuwerten.
  6. Fahrzeugbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (24) der Schalt- und/oder Sicherungseinheit optisch geschlossen ausgebildet ist.
  7. Kraftfahrzeug (10) mit einem elektrischen Bordnetz (12) und einer am elektrischen Bordnetz (12) angeschlossenen Fahrzeugbatterie (14), die mehrere in einem Batteriegehäuse (16) angeordnete Batteriezellen (18) aufweist, die zumindest teilweise miteinander elektrisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugbatterie (14), die an ein elektrisches Bordnetz (12) eines Kraftfahrzeugs (10) angeschlossen wird, wobei die Fahrzeugbatterie (14) mehrere in einem optisch geschlossen ausgebilden Batteriegehäuse (16) angeordnete Batteriezellen (18) aufweist, die zumindest teilweise miteinander elektrisch gekoppelt werden, wobei mittels einer Einrichtung (20) zur optischen Lichtbogenerkennung ein Auftreten eines Lichtbogen innerhalb des Batteriegehäuses (16) optisch erfasst wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor ein mittels des Lichtsensors erfasstem Licht entsprechendes Sensorsignal bereitstellt, das zum Ermitteln eines Lichtbogens hinsichtlich einer spektralen Lichtverteilung ausgewertet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Umgebungslichtsensors Umgebungslicht erfasst wird und das Auswerten des Sensorsignals unter Berücksichtigung des erfassten Umgebungslichts erfolgt.
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