DE102017207732A1

DE102017207732A1 - Batterieanordnung zur messtechnischen Anbindung von Zellmodulen und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017207732A1
Application number: DE102017207732.8A
Authority: DE
Inventors: Sascha Staudenmaier; Roman Ranzinger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2018-11-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (40) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung (40) eine Batterie (42) mit einem Batteriegehäuse (44) aufweist, wobei die Batterie (42) zwei verschiedene elektrische Potenziale (HV⁺, HV^-) bereitstellt. Weiterhin weist die Batterieanordnung (40) mehrere Zellmodule (46) auf, die jeweils in einem zugeordneten Modulgehäuse (48) angeordnet sind, wobei die Modulgehäuse (48) im Batteriegehäuse (44) angeordnet sind. Zudem umfasst die Batterieanordnung (40) einen Isolationswächter (54), der dazu ausgelegt ist, einen Isolationswiderstand zwischen einer vorbestimmten elektrischen Masse (58) und zumindest einem der elektrischen Potenziale (HV⁺, HV^-) der Batterie (42) zu überwachen. Des Weiteren sind die Modulgehäuse (48) im Batteriegehäuse (44) jeweils elektrisch isoliert befestigt, und die Modulgehäuse (48) über eine jeweilige Verbindung (66) mit einer zumindest strombegrenzenden Eigenschaft an die vorbestimmte elektrische Masse (58) angebunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung eine Batterie mit einem Batteriegehäuse aufweist, und die Batterie zwei verschiedene elektrische Potenziale bereitstellt. Weiterhin weist die Batterieanordnung mehrere Zellmodule auf, die jeweils in einem zugeordneten Modulgehäuse angeordnet sind, wobei die Modulgehäuse im Batteriegehäuse angeordnet sind. Zudem weist die Batterieanordnung einen Isolationswächter auf, der dazu ausgelegt ist, einen Isolationswiderstand zwischen einer vorbestimmten elektrischen Masse und zumindest einem der elektrischen Potenziale der Batterie zu überwachen.
Aus dem Stand der Technik sind diverse Batterien, insbesondere HV(Hochvolt)-Batterien für Kraftfahrzeuge bekannt. Solche HV-Batterien können zum Beispiel 36 einzelne Zellmodule umfassen. Ein solches Zellmodul weist üblicherweise mehrere Einzelzellen auf, die in einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung oder Kombinationen von beiden elektrisch miteinander verschaltet sind. Auch die Zellmodule sind miteinander verschaltet, beispielsweise ebenfalls in einer Reihenschaltung. Aus Festigkeitsgründen verfügen die einzelnen Zellmodule üblicherweise über ein Metallgehäuse, in dem die Einzelzellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, untergebracht sind.
Eine solche Batterieanordnung ist in 1 gezeigt. Dargestellt ist hierbei eine Batterie 10 mit einem Batteriegehäuse 12, in welchem ein solches Zellmodul 14 mit einem Modulgehäuse 16 angeordnet ist. Solche Zellmodule 14 beziehungsweise deren Gehäuse 16 sind üblicherweise durch eine Schraubverbindung mit dem Batteriegehäuse 12 verschraubt. Eine solche Schraubverbindungen kann beispielsweise durch eine Schraube 18, die durch zumindest einen Teil des Modulgehäuses 16 durchgeführt und mit einem entsprechenden Sockel 20 am Batteriegehäuse 12 verschraubt wird, realisiert sein. Durch diese Befestigung der einzelnen Modulgehäuse 16 im Batteriegehäuse 12 sind alle Modulgehäuse 16 untereinander und mit dem Batteriegehäuse 12 elektrisch leitend verbunden. Weiterhin umfasst eine solche Anordnung üblicherweise einen Isolationswächter 22, der die Isolation zwischen den HV-Leitungen 24 der Batterie 10, der Batteriezellen, sowie anderer Teile des HV-Systems und der Fahrzeugkarosserie 26 überwacht. Weiterhin ist eine entsprechende Verbindung zwischen dem Batteriegehäuse 12 und der Fahrzeugkarosserie 26 als Potenzialausgleich 28 vorgesehen. Im Falle eines Isolationsfehlers, zum Beispiel eines Fehlers der Isolation 30 zwischen einer HV-Komponente eines Zellmoduls 14 und dem Modulgehäuse 16, liegt das Modulgehäuse 16 und dann ebenso die Fahrzeugkarosserie 26 aufgrund des vom Modulgehäuse 16 zur Fahrzeugkarosserie 26 und zum Isolationswächter 22 führenden elektrischen Pfads 32, der in 1 gestrichelt dargestellt ist, dann ebenfalls auf einem entsprechenden HV-Potenzial, was dann durch Isolationswächter 22 erfasst werden kann.
Eine solche Isolationsüberwachung, die den Isolationswiderstand zwischen den HV-Potenzialen und der Fahrzeugkarosserie überwacht, ist beispielsweise auch in der DE 10 2013 217 458 A1 und in der US 2004/0130288 A1 beschrieben. Probleme bei einer solchen Anordnung zeigen sich jedoch vor allem im doppelten Fehlerfall, d.h. bei einem doppelten Isolationswiderstandsfehler, wodurch beispielsweise zwei verschiedene Modulgehäuse dann entsprechend auf unterschiedlichen HV-Potenzialen liegen können. In einem solchen doppelten Isolationswiderstandsfehlerfall fließt dann zwischen solchen Zellmodulen und deren Modulgehäuse, die über das Batteriegehäuse elektrisch miteinander verbunden sind, ein sehr hoher Strom, der im besten Fall nur zur einer zügigen Selbstentladung der Batterie führt, im schlimmsten Fall jedoch zu einer Selbstzerstörung der Batterie. Beides führt zudem dazu, dass in absehbarer Zeit keine Spannung mehr anliegt, was zu einem sofortigen Fahrzeugstillstand bzw. zu einem Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs führt. Gerade jedoch eine mögliche Selbstzerstörung der Batterie birgt erhebliche Sicherheitsrisiken und sollte daher vermieden werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterieanordnung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, mittels welchen sowohl ein erster Fehler erkannt werden kann sowie gleichzeitig auch auf möglichst einfache Weise das Risiko einer Selbstzerstörung der Batterie bei einem doppelten Isolationswiderstandsfehler reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieanordnung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Die erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug weist eine Batterie mit einem Batteriegehäuse auf, wobei die Batterie zwei verschiedene elektrische Potenziale bereitstellt. Weiterhin weist die Batterieanordnung mehrere Zellmodule auf, die jeweils in einem zugeordneten Modulgehäuse angeordnet sind, wobei die Modulgehäuse im Batteriegehäuse angeordnet sind. Zudem weist die Batterieanordnung auch einen Isolationswächter auf, der dazu ausgelegt ist, einen Isolationswiderstand zwischen einer vorbestimmten elektrischen Masse und zumindest einem der elektrischen Potenziale der Batterie zu überwachen. Dabei sind die Modulgehäuse im Batteriegehäuse jeweils elektrisch isoliert befestigt und die Modulgehäuse sind über eine jeweilige Verbindung mit einer zumindest strombegrenzenden Eigenschaft an die vorbestimmte elektrische Masse angebunden.
Unter einer Verbindung mit einer zumindest strombegrenzenden Eigenschaft kann dabei sowohl eine Verbindung mit einer nur strombegrenzenden, aber nicht stromunterbrechenden, Eigenschaft verstanden werden, wie zum Beispiel eine vorbestimmt hochohmige Verbindung, sowie auch eine Verbindung mit einer stromunterbrechenden Eigenschaft, zum Beispiel eine abgesicherte Verbindung. Hierdurch lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass die einzelnen Modulgehäuse nun nicht mehr niederohmig oder unabgesichert untereinander über das Batteriegehäuse miteinander verbunden sind. Die durch die Erfindung realisierte vorbestimmt hochohmige oder abgesicherte messtechnische Anbindung der einzelnen Modulgehäuse an den Isolationswächter und der isolierten Befestigung der Modulgehäuse im Batteriegehäuse kann vorteilhafterweise im doppelten Fehlerfall einen Stromfluss über Befestigungselemente, wie Schrauben und Sockel und sonstige leitfähige und sehr niederohmige Elemente, verhindern. Im Falle eines doppelten Isolationswiderstandsfehlers kann damit vorteilhafterweise auch eine Selbstzerstörung der Batterie verhindert werden. Zudem bleibt dabei gleichzeitig die volle Funktionsfähigkeit des Isolationswächters erhalten, da für die korrekte Funktion des Isolationswächters eine niederohmige Anbindung der einzelnen Modulgehäuse an das Batteriegehäuse nicht notwendig ist. Beispielsweise wäre dafür auch ein Übergangswiderstand von 1 kOhm geeignet, so dass die jeweiligen hochohmigen Verbindungen einen Widerstand im Kiloohmbereich aufweisen können, ohne die Funktionsfähigkeit des Isolationswächters zu beeinträchtigen.
Bei der Batterie handelt es sich vorzugsweise um eine HV-Batterie. Die einzelnen Zellmodule dieser Batterie, die jeweils mehrere Einzelzellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, zum Beispiel in einer Reihenschaltung, umfassen können, können dabei ebenfalls in einer Reihenschaltung oder auch in Parallelschaltungen oder Kombinationen hiervon verschaltet sein. Die verschiedenen Potenziale der Batterie sind über einen Plus-Pol und einen Minus-Pol der Batterie bereitstellbar und die vorbestimmte Masse ist dabei vorzugsweise über die Kraftfahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs realisiert. Zudem ist der Isolationswächter vorzugsweise auch dazu ausgelegt, den Isolationswiderstand zwischen der Masse und beiden elektrischen Potenzialen der Batterie zu überwachen, da hierdurch eine genauere Ermittlung des Isolationswiderstands ermöglicht wird.
Für die Ausgestaltung einer solchen Verbindung mit der zumindest strombegrenzenden Eigenschaft, über welche jeweilige Modulgehäuse an die Masse angebunden sind, gibt es vielzählige vorteilhafte Möglichkeiten, die nachfolgend näher beschreiben werden.
Dabei ist es gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass mindestens eine der jeweiligen Verbindungen durch eine elektrische Leitung, insbesondere eine Signalleitung, bereitgestellt ist. Die jeweiligen Verbindungen können somit also zum Beispiel durch einen jeweiligen dünnen Draht mit entsprechend geringem Leitungsquerschnitt bereitgestellt sein, wie dies zum Beispiel bei einer Signalleitung, die üblicherweise einen sehr geringen Leitungsquerschnitt aufweist, der Fall ist. So lässt sich die elektrische Verbindung auf besonders einfache und kostengünstige Weise realisieren. Der großer Vorteil, der Ausbildung einer solchen elektrischen Verbindung als dünner Draht oder Signalleitung besteht zudem noch darin, dass im Fall eines fehlerbedingten hohen Stromflusses durch eine solche dünne elektrische Verbindung, auch eine automatische Zerstörung der Leitung und damit eine sofortige Unterbrechung des unzulässigen Stromflusses bereitgestellt werden kann. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn im Allgemeinen mindestens eine der elektrischen Leitungen derart ausgestaltet ist, dass diese bei einem Stromfluss durch die mindestens eine elektrische Leitung mit einer Stromstärke größer als ein vorbestimmter Grenzwert unterbrochen wird. Eine solche Unterbrechung kann, wie bereits erwähnt, beispielsweise dadurch bereitgestellt werden, indem die elektrischen Leitungen entsprechend dünn ausgebildet sind, sodass diese bei einem entsprechend hohen Stromfluss automatisch durchschmelzen oder durchbrennen. Damit kann auf besonders einfache und kostengünstige Weise im doppelten Isolationsfehlerfall nicht nur vorteilhafterweise eine Selbstzerstörung der Batterie, sondern auch eine Selbstentladung der Batterie verhindert und sogar der Fehlerstrom unterbrochen und damit eine automatische Abschaltung innerhalb der Batterie wirksam umgesetzt werden. Eine derartige Unterbrechungsmaßnahme muss jedoch nicht notwendigerweise durch eine entsprechend dünne Ausbildung der jeweiligen elektrischen Leitungen bewerkstelligt werden, sondern kann auch auf andere Weise erfolgen.
Dabei können die jeweiligen elektrischen Leitungen miteinander elektrisch leitend verbunden sein, insbesondere unmittelbar oder auch mittelbar über das Batteriegehäuse oder die Kraftfahrzeugkarosserie. Dadurch, dass die elektrischen Leitungen zur Stromunterbrechung ausgelegt sind, zum Beispiel durch einen Leitungsquerschnitt im Bereich von wenigen Quadratmillimetern, zum Beispiel 0,35 mm², oder zumindest strombegrenzend, zum Beispiel mit einem entsprechend vorbestimmt hochohmigen Widerstand, kommt es trotz elektrisch leitender Verbindung zwischen den elektrischen Leitungen nicht zu einer Selbstzerstörung der Batterie.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mindestens eine der elektrischen Leitungen eine Sicherung aufweist, die dazu ausgelegt ist, die elektrische Leitung bei einem Stromfluss durch die elektrische Leitung mit einer Stromstärke größer als ein vorbestimmter Grenzwert zu unterbrechen. Eine solche Sicherung kann entsprechend als Überstromsicherung bereitgestellt sein, die bei einem entsprechenden vorbestimmten Überstrom eine Leitungsunterbrechung bewirkt. Beispielsweise kann eine solche Sicherung auf einfache Weise als Schmelzsicherung realisiert sein. Das Vorsehen einer Sicherung hat zudem den großen Vorteil, dass der Ort der Leitungsunterbrechung durch die Position der Sicherung in der Leitung vorbestimmt ist. Wird die Leitungsunterbrechung dagegen lediglich durch eine dünne Ausgestaltung der elektrischen Leitung selbst realisiert, so ist nicht vorhersehbar, an welcher Stelle die Leitung im Fall eines Überstroms durchschmilzt. Durch die Vorhersagbarkeit des Orts der Unterbrechung der Leitung durch das Vorsehen einer entsprechenden Sicherung an diesem Ort kann so die Sicherheit zusätzlich erhöht werden.
Weiterhin können die elektrischen Leitungen, als Draht oder Widerstand ausgestaltet, mit oder ohne Sicherung, beispielsweise mit einem ersten Ende an einem jeweiligen Modulgehäuse angeordnet sein und mit einem zweiten Ende beispielsweise am Batteriegehäuse. Sind die elektrischen Leitungen zum Beispiel durch einen jeweiligen hochohmigen Widerstand bereitgestellt, ist dieser vorzugsweise derart ausgebildet, dass er im Falle eines vorbestimmten Überstroms schmilzt. Alternativ kann ein solcher Widerstand auch mit einer Sicherung oder einem dünnen Leitungsabschnitt kombiniert sein, um im Überstromfall eine Leitungsunterbrechung zu ermöglichen. Hierdurch sind vielzählige vorteilhafte Möglichkeiten bereitgestellt, um die jeweiligen vorbestimmt hochohmigen oder abgesicherten Verbindungen zwischen den Modulgehäusen und der vorbestimmten Masse zu realisieren, wodurch vielzählige vorteilhafte messtechnische Anbindungsmöglichkeiten an den Isolationswächter bereitgestellt sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der vorbestimmte Grenzwert derart bemessen, dass dieser im Falle eines mindestens zweifach auftretenden Isolationswiderstandsfehlers überschritten wird, wobei ein Isolationswiderstandsfehler, wie bereits beschrieben, einen Fehler betreffend eine Isolation zwischen einem Zellmodul und dem zugeordneten Modulgehäuse darstellt. Ein mindestens zweifach auftretender Isolationswiderstandsfehler ist entsprechend ein Isolationswiderstandsfehler, der mindestens zwei verschiedene Zellmodule bzw. deren Isolation vom zugeordneten Modulgehäuse betrifft, wie eingangs erläutert.
Durch diese Ausgestaltung der Erfindung kann sichergestellt werden, dass im Fall eines auftretenden doppelten Isolationswiderstandsfehlers der kritische Stromfluss unterbrochen wird oder die Höhe des Stroms zumindest begrenzt wird. Dies kann durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen, zum Beispiel einen entsprechend dünne Signalleitung oder einen entsprechend dimensionierte Sicherung, auf besonders einfache Weise umgesetzt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die jeweiligen Leitungen derart ausgestaltet, dass bei einem durch einen zweifach auftretenden Isolationswiderstandsfehler bedingten Stromfluss durch zwei dieser Leitungen nur eine dieser zwei Leitungen unterbrochen wird. Wenn sich also ein zuvor beschriebener Doppelfehler gibt, brennt eine der beiden elektrischen Leitungen von einem Modul durch bzw. die entsprechende Sicherung, wodurch es zu einer sofortigen Unterbrechung des unzulässigen Stromflusses kommt. Gleichzeitig kann durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sichergestellt werden, dass der aufgetretene Fehler weiterhin durch den Isolationswächter erkannt wird, da die zweite, immer noch intakte elektrische Leitung nach wie vor dem Isolationswächter die Möglichkeit gibt, den Fehler zu erkennen. Dadurch lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass die Überwachung und Fehlererkennung durch den Isolationswächter weiterhin bestehen bleibt. Insbesondere für den Reparaturfall ist dies dann relevant, da eine Person dann schon vor dem Öffnen der Batterie weiß, dass ein Fehler vorliegt und sich entsprechend vorbereiten und schützen kann.
Im Allgemeinen kann der Isolationswächter dabei dazu ausgebildet sein, eine Unterschreitung eines vorbestimmten minimalen Isolationswiderstandes zu detektieren, zum Beispiel durch eine Strommessung. Im Fehlerfall, der dann zum Beispiel durch Überschreitung des Isolationsfehlerstromes erkannt wird, kann dann eine entsprechende Warnung ausgegeben und der Fehlerfall dokumentiert werden.
Um es zu bewerkstelligen, dass bei einem zweifach auftretenden Isolationswiderstandsfehler nur eine der beiden betroffenen Leitungen unterbrochen wird, sind nicht notwendigerweise besondere Maßnahmen zur Ausbildung dieser elektrischen Leitungen erforderlich, da es sehr unwahrscheinlich ist, dass beide Leitungen tatsächlich gleichzeitig durchschmelzen bzw. betreffende Sicherungen gleichzeitig auslösen. Sobald dann der Stromfluss durch eine dieser beiden Leitungen unterbrochen ist, ohne dass die andere dieser beiden Leitungen unterbrochen wurde, bleibt die andere auch weiterhin intakt, da durch sie kein Strom mehr fließt. Allerdings ist es auch denkbar, die jeweiligen Leitungen leicht unterschiedlich auszugestalten, zum Beispiel unterschiedlich dick oder mit jeweiligen Sicherungen, die bei leicht unterschiedlichen Überströmen auslösen, sodass bei einem zweifach auftretenden Isolationswiderstandsfehler auf jeden Fall gewährleistet ist, dass eine der beiden betroffenen Leitungen immer zuerst unterbrochen wird und die andere entsprechend nicht unterbrochen wird, unabhängig davon, durch welche zwei der mehreren elektrischen Leitungen im doppelten Fehlerfall Strom fließt. Entsprechend kann auch der oben beschriebene vorbestimmte Grenzwert für die jeweiligen elektrischen Leitungen geringfügig unterschiedlich bestimmt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die elektrischen Leitungen auch mit einer Steuereinrichtung verbunden sein, die dazu ausgelegt ist, zumindest einen Isolationswiderstandsfehler betreffend eine Isolation zwischen einem Zellmodul und dem diesem Zellmodul zugeordneten Modulgehäuse zu detektieren. Die elektrischen Leitungen müssen damit also nicht direkt ein jeweiliges Modulgehäuse mit dem Batteriegehäuse und darüber mit der Karosserie verbunden sein, sondern diese können auch indirekt über die Steuereinrichtung an die Masse angebunden sein. Entsprechend kann zum Beispiel eine jeweilige elektrische Leitung mit einem ersten Ende an einem Modulgehäuse angeordnet sein und mit dem zweiten Ende mit der Steuereinrichtung gekoppelt sein. Damit können die entsprechenden elektrischen Leitungen auch galvanisch getrennt an die vorbestimmte Masse angebunden sein. Durch diese Steuereinrichtung lässt sich nun vorteilhafterweise eine Fehlerdetektion sowie optional auch eine Fehlerlokalisation oder andere vorteilhafte Funktionen umsetzen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung auch dazu ausgelegt sein, im Falle der Detektion eines Isolationswiderstandsfehlers, insbesondere eines doppelten Isolationswiderstandsfehlers, eine Durchtrennung zumindest einer der betroffenen elektrischen Leitungen, durch die fehlerbedingt Strom fließt, herbeizuführen. Damit muss die Leitungsunterbrechung nicht durch eine entsprechende Ausbildung der elektrischen Leitungen selbst, zum Beispiel entsprechend dünn oder mit einer Überstromsicherung, bewerkstelligt werden und es stehen vorteilhafterweise vielzählige weitere Möglichkeiten zur Durchtrennung einer der betroffenen elektrischen Leitungen im doppelten Isolationswiderstandsfehlerfall zur Verfügung, wie beispielsweise das Öffnen eines Schalters, Zünden einer Pyro-Sicherung oder andere Maßnahmen zur Trennung der beiden elektrisch miteinander verbundenen und durch den doppelten Isolationswiderstandsfehler betroffenen elektrischen Leitungen durch die Steuereinrichtung. Das Vorsehen einer Steuereinrichtung ermöglicht zudem noch vielzählige weitere vorteilhafte Ausgestaltungen. Beispielsweise müssen überhaupt keine Maßnahmen zur Leitungsunterbrechung vorgesehen werden, wenn beispielsweise die jeweiligen elektrischen Leitungen zwar mit der Steuereinrichtung aber nicht untereinander elektrisch leitend verbunden sind.
Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass die elektrischen Leitungen nicht elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Damit kann auch in einem doppelten Isolationswiderstandsfehlerfall kein Strom zwischen den jeweiligen betroffenen elektrischen Leitungen fließen, auch ohne eine Durchtrennungsmöglichkeit der elektrischen Leitungen vorsehen zu müssen. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die jeweiligen Potenziale der einzelnen nicht miteinander verbundenen elektrischen Leitungen zu überwachen und zum Beispiel gegen Masse zu messen, sodass vorteilhafterweise nicht nur ein Einzelfehler und ein doppelter Isolationswiderstandsfehler detektierbar sind, sondern solche Fehler darüber hinaus auch lokalisierbar sind. Hierzu kann in Abhängigkeit von dem jeweiligen elektrischen Potenzial einer jeweiligen elektrischen Leitung das von diesem Fehler betroffene Zellmodul und dessen Modulgehäuse bestimmt werden. Die Lokalisierung eines auftretenden Fehlers oder auch mehrerer auftretender Fehler kann somit vorteilhafterweise zum Beispiel in einem Speicher abgelegt und für eine Fehlerdiagnose herangezogen und hierzu ausgelesen werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batterieanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
4 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen 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 sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterieanordnung 40 weist eine Batterie 42 mit einem Batteriegehäuse 44 auf, in welchem mehrere Zellmodule 46 angeordnet sind, von welchen in 2 exemplarisch nur eines dargestellt ist. Diese Zellmodule 46 sind in jeweiligen zugeordneten Modulgehäusen 48 angeordnet, welche wiederum im Batteriegehäuse 44 befestigt sind. Eine solche Befestigung kann beispielsweise durch eine Schraubverbindung bereitgestellt sein, die durch eine Schraube 50, die durch zumindest einen Teil eines jeweiligen Modulgehäuses 48 durchgeführt und mit einem entsprechenden Sockel 52 des Batteriegehäuses 44 verschraubt wird, realisiert sein. Eine derartige Befestigung kann jedoch auf beliebig andere Weise ausgestaltet sein. Weiterhin weist die Batterieanordnung 40 einen Isolationswächter 54 auf, der die Isolation zwischen den HV-Leitungen 56, oder im Allgemeinen den HV-Potenzialen, und der Fahrzeugkarosserie 58, die die Masse bereitstellt, überwacht. Auch ist wiederum eine entsprechende leitfähige Verbindung als Potenzialausgleich 60 zwischen der Masse, d.h. der Fahrzeugkarosserie 58 und dem Batteriegehäuse 44 vorgesehen. Aus Stabilitätsgründen sind die Modulgehäuse, wie auch das hier dargestellte Modulgehäuse 48, aus Metall oder einer Legierung und daher elektrisch leitfähig. Aus diesem Grund ist zwischen den elektrischen Komponenten des Zellmoduls 46 und den jeweiligen Modulgehäusen 48 eine Isolation 62 angeordnet, die die Zellmodule 46 bzw. deren Komponenten, wie den Batteriezellen, vom Modulgehäuse 48 elektrisch isoliert.
Üblicherweise sind Modulgehäuse über ihre Befestigung am Batteriegehäuse mit der Masse gekoppelt, d.h. der Kraftfahrzeugkarosserie, jedoch auch allesamt untereinander elektrisch leitfähig über die niederohmige Verbindung, die durch die Befestigung bereitgestellt ist, über das Batteriegehäuse miteinander verbunden. Im Falle eines einzelnen Isolationsfehlers, zum Beispiel eines Defekts der Isolation zwischen einem Zellmodul und dem Modulgehäuse, kann dies gemäß dem Stand der Technik vom Isolationswächter detektiert werden, ohne dass hieraus irgendwelche gefährlichen Situationen resultieren. Im Falle eines doppelten Isolationswiderstandsfehlers jedoch, zum Beispiel bei einem Defekt von Isolationen, die zwei verschiedene Zellmodule umgeben, können infolgedessen die Modulgehäuse auf jeweils unterschiedlichen Potenzialen liegen und aufgrund ihrer niederohmigen elektrisch leitenden Verbindung über die Befestigungen am gemeinsamen Batteriegehäuse kann entsprechend ein sehr hoher Strom fließen, der zur Selbstzerstörung der Batterie führen kann. Durch die Erfindungen ihre Ausgestaltungen kann dies durch folgende Maßnahmen nun vorteilhafterweise vermieden werden:
Einerseits sind die Zellmodule 46 elektrisch isoliert im Batteriegehäuse 44 angeordnet und befestigt. Dies kann auf einfache Weise durch eine entsprechende Isolierung 64 zwischen den Modulgehäusen 16 und dem Batteriegehäuse 44 bewerkstelligt werden, insbesondere im Bereich der Befestigungselemente, wie der Schraube 50 und dem Sockel 52. Eine solche Isolierung 64 lässt sich beispielsweise einfach durch eine KTL(katholische Tauchlackierungs)-Schicht, oder auch durch jede beliebige andere Isolierung, an den betreffenden zu isolierenden Stellen der Modulgehäuse 16 und des Batteriegehäuses 44 bereitstellen. Andererseits ist das Modulgehäuse 48 weiterhin über eine Verbindung 66 mit einer zumindest strombegrenzenden Eigenschaft, zum Beispiel eine vorbestimmt hochohmige oder abgesicherte Verbindung, an die elektrische Masse, die durch die Fahrzeugkarosserie 58 oder auch durch das Batteriegehäuse 44 als Teil der Fahrzeugkarosserie 58 bereitgestellt ist, angebunden. Diese Verbindung 66 kann beispielsweise als elektrische Leitung 66, zum Beispiel als Signalleitung oder Draht oder Widerstand, vom Modulgehäuse 48 zum Batteriegehäuse 44 ausgestaltet sein. Weiterhin kann diese elektrische Leitung 66 so ausgestaltet sein, dass sie ab einer bestimmten Stromstärke zerstört wird und zum Beispiel durchschmilzt. Die elektrische Verbindung 66 kann alternativ auch eine entsprechende Überstromsicherung 68 aufweisen, die ab einem bestimmten Überstrom die Leitung 66 unterbricht. Die messtechnische Anbindung über den in 2 gestrichelt dargestellten Pfad 72 an die Masse 58 des Isolationswächters 54 erfolgt durch diese Maßnahmen vorteilhafterweise nicht über das Modul- und Batteriegehäuse 48, 44 niederohmig, sondern über die elektrische Leitung 66 hochohmig beziehungsweise abgesichert. Wenn also ein zuvor beschriebener Doppelfehler entsteht, der zu einem Stromfluss durch zwei betreffende elektrische Leitungen 66 führt, so kommt es durch die dünne Ausbildung der elektrischen Leitungen 66 oder durch die optionale Schmelzsicherung 68 zu einer sofortigen Unterbrechung des unzulässigen Stromflusses. Dennoch wird ein solcher Fehler weiterhin durch den Isolationswächter 54 erkannt, da die zweite, immer noch intakte elektrische Leitung 66 des anderen betreffenden Zellmoduls 46 nach wie vor dem Isolationswächter 54 die Möglichkeit gibt, den Fehler zu erkennen. Die elektrischen Leitungen 66 können dabei auch mit einem definierten Widerstand zur dauerhaften Strombegrenzung ausgebildet sein. Auch hierdurch lässt sich im doppelten Isolationswiderstandsfehlerfall der Stromfluss zumindest auf ein bezügliche einer Selbstzerstörung der Batterie 42 unkritisches Maß begrenzen und weiterhin ist auch hier immer noch eine Verbindung zum Isolationswächter 54 gegeben, durch welchen entsprechend der Fehler detektierbar ist.
3 zeigt nochmal eine Batterieanordnung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer etwas anderen schematischen Darstellung. Diese Batterieanordnung 40 ist in gleicher Weise wie bereits zu 2 beschrieben ausgebildet. Hierbei sind nun die mehreren Zellmodule 46, die in diesem Beispiel in Reihe geschaltet sind, innerhalb des Batteriegehäuses 44 zu erkennen. Jedes dieser Zellmodule 46 kann mehrere Einzelzellen 46a aufweisen, wie beispielsweise in Reihe geschaltete Lithium-Ionen-Zellen. Die Gehäuse 48 der jeweiligen Zellmodule 46 sind über jeweilige elektrische Leitungen 66, die optional jeweilige Überstromsicherungen 68 oder Widerstände aufweisen können, mit dem Batteriegehäuse 44 und darüber mit der Masse bzw. Fahrzeugkarosserie 58 verbunden. In dieser Darstellung sind zusätzlich auch die beiden durch die Batterie 42 bereitgestellten Potenziale HV⁺ und HV^- zu erkennen, die eine an den Batteriepolen, insbesondere einem Pluspol 74 und einen Minuspol 76, abgreifbare Spannung bereitgestellten. In dieser Darstellung ist deutlich zu erkennen, dass ein durch einen doppelten Isolationswiderstandsfehler bedingter Stromfluss zwischen zwei Modulgehäusen 48 durch Unterbrechung einer der beiden elektrischen Leitungen 66, durch welcher dieser Fehlerstrom fließt, sofort unterbunden werden kann.
Somit ist vorteilhafterweise bei einem doppelten Isolationswiderstandsfehler eine entsprechende automatische Abschaltung innerhalb der HV-Batterie 40 umgesetzt und wirksam. Die Batterie 40 würde in dieser Konstellation weder durch Selbstzerstörung noch durch zügige Selbstentladung beeinträchtigt werden. Die Funktionsfähigkeit und auch die Reparaturwürdigkeit der Batterie 40 und deren Wert bleiben so aufrechterhalten. Zudem kommt es in einem solchen doppelten Fehlerfall auch nicht zu einem Fahrzeugstillstand bzw. Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs. Dennoch ist die Funktion des Isolationswächters 54 vollumfänglich gegeben. Sowohl im Fahrzeugbetrieb als auch bei Reparatur und Analyse in der Werkstatt kann somit vorteilhafterweise der Isolationsfehler erkannt werden.
Um die im Zusammenhang mit 3 und 2 beschriebene hochohmige oder abgesicherte Verbindung 66 zur Anbindung der Modulgehäuse 16 an die Masse 58 des Isolationswächter 54 zu bewerkstelligen, gibt es zudem noch vielzählige weitere Möglichkeiten. Eine solche Verbindung kann darüber hinaus auch eine galvanische Trennung umfassen. Auch ist es denkbar, dass die jeweiligen elektrischen Leitungen 66 nicht direkt an das Batteriegehäuse 44 angebunden werden, sondern mit einem Steuergerät gekoppelt werden, welches dann entsprechend einen Isolationsfehler, sowie einen doppelten Isolationsfehler erkennen und optional auch lokalisieren kann.
Dies ist schematisch in 4 illustriert, die eine Batterieanordnung 40 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Die Batterieanordnung 40 kann dabei bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede wie bereits zu 3 erläutert ausgebildet sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in dieser Darstellung das Batteriegehäuse 44 aus 3 nicht dargestellt, dieses ist aber dennoch vorhanden und nimmt die einzelnen Batteriemodule 46 auf. Im Unterschied zur Batterieanordnung 40 aus 3 sind hierbei nun die Modulgehäuse 48 direkt über jeweilige Verbindungen 66 mit dem Isolationswächter 54 verbunden. Insbesondere sind die einzelnen Verbindungen 66 dabei untereinander nicht elektrisch leitend miteinander verbunden. Die jeweiligen Verbindungen 66 können dabei wieder abgesichert ausgebildet sein, zum Beispiel mit einer Sicherung 68, oder zum Beispiel auch einen Widerstand umfassen. In dieser Konstellation können vorteilhafterweise sowohl ein einzelner als auch ein doppelter Isolationswiderstandsfehler vom Isolationswächter 54 erkannt, und darüber hinaus auch lokalisiert werden, da hierbei nun die Potenziale an den Verbindungen 66 einzelnen abgreifbar sind.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine messtechnischer Anbindung von Zellmodulen innerhalb einer HV-Batterie umgesetzt werden kann, sodass im Falle eines doppelten Isolationswiderstandsfehlers die Selbstzerstörung und Selbstentladung der Batterie auf besonders kostengünstige und effektive Weise vermieden wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013217458 A1 [0004]
US 2004/0130288 A1 [0004]

Claims

Batterieanordnung (40) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung (40) aufweist - eine Batterie (42) mit einem Batteriegehäuse (44), wobei die Batterie (42) zwei verschiedene elektrische Potenziale (HV⁺, HV^-) bereitstellt, - mehrere Zellmodule (46), die jeweils in einem zugeordneten Modulgehäuse (48) angeordnet sind, wobei die Modulgehäuse (48) im Batteriegehäuse (44) angeordnet sind, - einen Isolationswächter (54), der dazu ausgelegt ist, einen Isolationswiderstand zwischen einer vorbestimmten elektrischen Masse (58) und zumindest einem der elektrischen Potenziale (HV⁺, HV^-) der Batterie (42) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulgehäuse (48) im Batteriegehäuse (44) jeweils elektrisch isoliert befestigt sind, und die Modulgehäuse (48) über eine jeweilige Verbindung (66), die eine zumindest strombegrenzede Eigenschaft aufweist, an die vorbestimmte elektrische Masse (58) angebunden sind.
Batterieanordnung (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der jeweiligen Verbindungen (66) durch eine elektrische Leitung (66), insbesondere eine Signalleitung, bereitgestellt ist.
Batterieanordnung (40) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen elektrischen Leitungen (66) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Batterieanordnung (40) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der elektrischen Leitungen (66) derart ausgestaltet ist, dass diese bei einem Stromfluss durch die elektrische Leitung mit einer Stromstärke größer als ein vorbestimmter Grenzwert unterbrochen wird.
Batterieanordnung (40) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der elektrischen Leitungen (66) eine Sicherung (68) aufweist, die dazu ausgelegt ist, die elektrische Leitung (66) bei einem Stromfluss durch die elektrische Leitung (66) mit einer Stromstärke größer als ein vorbestimmter Grenzwert zu unterbrechen.
Batterieanordnung (40) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Grenzwert derart bemessen ist, dass dieser im Falle eines mindestens zweifach auftretenden Isolationswiderstandsfehlers (70) überschritten wird, wobei ein Isolationswiderstandsfehler (70) einen Fehler betreffend eine Isolation (62) zwischen einem Zellmodul (46) und dem zugeordneten Modulgehäuse (48) darstellt.
Batterieanordnung (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Leitungen (66) derart ausgestaltet sind, dass bei einem durch einen zweifach auftretenden Isolationswiderstandsfehler (70) bedingten Stromfluss durch zwei dieser Leitungen (66) nur eine dieser zwei Leitungen (66) unterbrochen wird.
Batterieanordnung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (66) mit einer Steuereinrichtung verbunden sind, die dazu ausgelegt ist, zumindest einen Isolationswiderstandsfehler (70) betreffend eine Isolation (62) zwischen einem Zellmodul (46) und dem diesem Zellmodul (46) zugeordneten Modulgehäuse (48) zu detektieren.
Batterieanordnung (40) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (66) nicht elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung (40) (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.