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Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie sowie ein Verfahren zum Deaktivieren einer Fahrzeugbatterie gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Eine derartige Fahrzeugbatterie ist bereits aus der
EP 2 741 348 A1 bekannt. Diese Fahrzeugbatterie umfasst einen eine Mehrzahl von miteinander verspannten Batteriezellen aufweisenden Batteriekörper sowie eine Sicherheitsvorrichtung, mittels welcher eine Funktion der Fahrzeugbatterie deaktivierbar ist, sofern ein eine definierte Volumenänderung des Batteriekörpers charakterisierender Fehlerzustand ermittelt wird. Schwillt der Batteriekörper an, wird ein elektrischer Kreislauf geschlossen, was zur Zerstörung einer Sicherung führt. Hierdurch wird die Funktion der Fahrzeugbatterie deaktiviert.
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Darüber hinaus ist aus der
US 2005/0077878 A1 eine Batterie mit einem Überladeschutz bekannt. Diese Batterie umfasst eine Mehrzahl von seriell verbundenen Batteriezellen und einen Stromunterbrechungsmechanismus, mittels welchem Strom zwischen den Batteriezellen unterbrochen werden kann, sofern wenigstens eine der Batteriezellen während eines Überladevorkommnisses anschwillt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fahrzeugbatterie sowie ein Verfahren zum Deaktivieren einer Fahrzeugbatterie zu schaffen um eine Fahrzeugbatterie am Ende eines zulässigen Nutzungsintervalls besonders einfach zu deaktivieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Fahrzeugbatterie sowie durch ein Verfahren zum Deaktivieren einer Fahrzeugbatterie mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung angegeben.
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Zur Schaffung einer Fahrzeugbatterie der eingangs genannten Art, welche am Ende eines zulässigen Nutzungsintervalls besonders einfach deaktivierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Sicherheitsvorrichtung ein in einem Grundzustand von dem Batteriekörper beabstandetes Kontaktelement aufweist, welches im Fehlerzustand mit dem Batteriekörper kontaktiert ist, wodurch das Deaktivieren der Funktion auslösbar ist. Das bedeutet, dass das Kontaktelement in dem Grundzustand mit einem Abstand zu dem Batteriekörper angeordnet ist, wobei das Kontaktelement relativ zu wenigstens einem Referenzpunkt des Batteriekörpers fixiert ist. In dem Fehlerzustand ist das Kontaktelement in Folge einer Volumenänderung des Batteriekörpers mit dem Batteriekörper kontaktiert, wobei eine Relativposition des Kontaktelements zu dem wenigstens einen Referenzpunkt in dem Grundzustand und in dem Fehlerzustand gleich ist. Infolge des Kontakts zwischen dem Kontaktelement und dem Batteriekörper ist das Deaktivieren der Funktion auslösbar. Hierbei definiert der Fehlerzustand eine definierte Volumenänderung des Batteriekörpers, welche mit einer jeweiligen Ladekapazität der Fahrzeugbatterie korrespondieren kann. Weist die Fahrzeugbatterie die definierte Volumenänderung auf und ist somit das Kontaktelement mit dem Batteriekörper kontaktiert, so wird die Funktion der Fahrzeugbatterie deaktiviert, sodass eine besonders hohe Benutzungssicherheit erreicht werden kann. Insbesondere wird die Volumenänderung derart gewählt, dass eine Betriebssicherheit der Fahrzeugbatterie besonders hoch ist und die Fahrzeugbatterie bei der definierten Volumenänderung des Batteriekörpers infolge beispielsweise einer Nutzung der Fahrzeugbatterie aktiviert wird, um eine Gefährdung von die Fahrzeugbatterie verwendenden Benutzern besonders gering zu halten. Mittels der erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie ist die Batterie in dem Fehlerzustand besonders einfach deaktivierbar, da die Funktion der Fahrzeugbatterie direkt deaktiviert wird, sobald das Kontaktelement in Kontakt mit dem Batteriekörper tritt. Bei der Sicherheitsvorrichtung handelt es sich um einen Sensor zur Detektion einer geometrischen Verformung des Batteriekörpers. Mittels der Sicherheitsvorrichtung wird ein Ausdehnen von Batteriezellen des Batteriekörpers nicht einzeln, sondern summiert für den Batteriekörper erfasst. Zur Detektion der definierte Volumenänderung, bei welcher es sich um eine maximale Ausdehnung des Batteriekörpers handelt, wird bei Kontaktierung des Kontaktelements mit dem Batteriekörper ein elektrischer Kontakt zwischen einer Endplatte des Batteriekörpers und dem beispielsweise als Kontaktdorn ausgebildeten Kontaktelement geschlossen. Diese Sicherheitsvorrichtung löst das Deaktivieren der Funktion ohne Schaltweg aus, da mit dem Berühren der Endplatte durch das Kontaktelement die Funktion deaktiviert wird. Insbesondere wird das Deaktivieren der Funktion mittels eines im Grundzustand offenen, über das Kontaktelement und die Endplatte des Batteriekörpers schließbaren Stromkreis ausgelöst.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Deaktivieren einer Fahrzeugbatterie, welche einen Batteriekörper und eine Sicherheitsvorrichtung aufweist. Bei dem Verfahren wird eine Funktion der Fahrzeugbatterie bei einer Ermittlung eines eine definierte Volumenänderung des Batteriekörpers charakterisierenden Fehlerzustands deaktiviert. Für ein besonders vorteilhaftes Deaktivieren der Funktion der Fahrzeugbatterie weist die Sicherheitsvorrichtung ein in einem Grundzustand von dem Batteriekörper beabstandetes Kontaktelement auf, welches in dem Fehlerzustand mit dem Batteriekörper kontaktiert ist, wobei durch den direkten Kontakt des Kontaktelements mit dem Batteriekörper das Deaktivieren der Funktion ausgelöst wird. Insbesondere wird durch den Kontakt des Kontaktelements mit dem Batteriekörper ein in dem Grundzustand offener Stromkreis geschlossen und in Folge des Schließens des Stromkreises das Deaktivieren der Funktion ausgelöst. Der Stromkreis wird hierbei über das Kontaktelement und den Batteriekörper geschlossen und verläuft somit über das Kontaktelement und den Batteriekörper. In Folge des Deaktivierens der Funktion wird die Fahrzeugbatterie deaktiviert. Über den im Grundzustand offenen Stromkreis kann im Fehlerzustand das Deaktivieren der Funktion besonders schnell ausgelöst werden, sodass die Fahrzeugbatterie besonders schnell deaktiviert wird, sobald der Batteriekörper die definierte Volumenänderung aufweist. Hierdurch kann eine besonders hohe Sicherheit beim Betreiben der Fahrzeugbatterie erreicht werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Fahrzeugbatterie in einem Grundzustand, in welchem ein Batteriekörper von einer Sicherheitsvorrichtung beabstandet ist; und
- 2 eine schematische Schnittansicht der Fahrzeugbatterie in einem Fehlerzustand, in welchem der Batteriekörper mit einem Kontaktelement der Sicherheitsvorrichtung kontaktiert ist, wodurch ein Deaktivieren der Fahrzeugbatterie auslösbar ist.
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In 1 ist in einer schematischen Schnittansicht eine Fahrzeugbatterie 10, insbesondere eine Traktionsbatterie zum Versorgen eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie, dargestellt. Die Fahrzeugbatterie 10 umfasst einen Batteriekörper 12, welcher eine Mehrzahl von miteinander verspannten Batteriezellen 14 aufweist. Bei diesen Batteriezellen 14 kann es sich um Lithium-Ionen-Batteriezellen handeln. Lithium-Ionen-Batteriezellen nehmen im Laufe ihres Lebenszyklusses an Dicke zu. Erst wenn eine Batteriezelle 14 nicht mehr verwendet wird, das bedeutet an ihrem Lebensende, stoppt deren Wachstum und deren Dicke stagniert. Für dieses Wachstum der Batteriezellen 14 sollte ein entsprechender Bauraum in der Fahrzeugbatterie 10 vorgehalten werden, um dem Wachstum der Batteriezellen 14 Raum zu geben. Durch die Vorspannung der Batteriezellen 14 kann das Wachstum verlangsamt werden, jedoch nicht gestoppt.
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Üblicherweise wird in Batteriespeichern ausreichend Bauraum für das Wachstum der Batteriezellen 14 bis zum Ende deren Wachstums bei einer Restspeicherkapazität von 0 Prozent vorgehalten. Häufig genügt für den Lebenszyklus einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs oder einer Traktionsbatterie eines Plug-in-Hybridfahrzeugs zur Auslegung ein Bauraum für bis zu 70 Prozent Restspeicherkapazität. Da üblicherweise der vorgegebene Bauraum für ein Wachstum bis 0 Prozent Restspeicherkapazität vorgesehen ist, sind ein Preis und ein Bauraum der Fahrzeugbatterie besonders hoch, ohne einen zusätzlichen Kundennutzen zu generieren. Bei komplexen prismatischen Zellgeometrien der Batteriezellen kann durch einen Mechanismus mit Sollbruchstelle ein Dickenwachstum der Batteriezellen durch ein vorzeitiges Trennen von elektrischen Verbindungen zwischen den Batteriezellen gestoppt werden. Damit wird jedoch ein Aufbau der die komplexen prismatischen Zellgeometrien aufweisenden Batteriezellen umfassenden Fahrzeugbatterie komplex, teuer und eine volumetrische Energiedichte ist besonders gering.
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Bei der Fahrzeugbatterie 10 mit den miteinander verspannten Batteriezellen 14 kann eine für das Dickenwachstum vorgehaltene Pufferzone, insbesondere der vorgehaltene Bauraum besonders gering gehalten werden wenn ein Sensor eine Verformung des Batteriekörpers 12 detektiert, bevor ein durch das Dickenwachstum aufgebauter Druck einen definierten Grenzwert überschreitet, wobei mittels des Sensors eine Nutzung der Fahrzeugbatterie 10 eingeschränkt werden kann. Als der Sensor umfasst die Fahrzeugbatterie 10 vorliegend eine Sicherheitsvorrichtung 16, mittels welcher eine Funktion der Fahrzeugbatterie 10 bei einer Ermittlung des eine definierte Volumenänderung des Batteriekörpers 12 charakterisierenden Fehlerzustands deaktivierbar ist.
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In 1 ist die Fahrzeugbatterie 10 in einem Grundzustand dargestellt, in welchem die Sicherheitsvorrichtung 16 von dem Batteriekörper 12 beabstandet ist und ein Zellwachstum der Batteriezellen 14 nicht aufgetreten ist.
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In 2 ist in einer schematischen Schnittansicht die Fahrzeugbatterie 10 in dem Fehlerzustand dargestellt, in welchem der Batteriekörper 12 die definierte Volumenänderung zu dem Grundzustand aufweist. Die Sicherheitsvorrichtung 16 weist ein Kontaktelement 18 auf, bei welchem es sich insbesondere um einen Kontaktdorn handelt. In dem Grundzustand ist das Kontaktelement 18 in einem definierten Abstand zu dem Batteriekörper 12 angeordnet. Der Fehlerzustand der in 2 dargestellten Fahrzeugbatterie 10 ist durch einen Kontakt des Kontaktelements 18 mit dem Batteriekörper 12 in Folge der definierten Volumenänderung des Batteriekörpers 12 definiert.
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Die Batteriezellen 14 des Batteriekörpers 12 sind zu einem Block verspannt. Dieser Block ist in einem Gehäuse 20 des Batteriekörpers 12 angeordnet, wobei das Gehäuse 20 wenigstens eine der Sicherheitsvorrichtung 16 zugewandte erste Endplatte 22 aufweist. Vorliegend weist der Batteriekörper 12 zusätzlich zu der der Sicherheitsvorrichtung 16 zugewandten ersten Endplatte 22 eine der ersten Endplatte 22 gegenüberliegende, der Sicherheitsvorrichtung 16 abgewandte, zweite Endplatte 24 auf. Folglich sind die Endplatten 22, 24 an einer Vorderseite beziehungsweise an einer Rückseite des Gehäuses 20 in Richtung einer Stapelung der Batteriezellen 14 angeordnet. Die dem Kontaktelement 18 zugewandte erste Endplatte 22 ist im Grundzustand von dem Kontaktelement 18 mit dem definierten Abstand beabstandet und ist im Fehlerzustand mit dem Kontaktelement 18 kontaktiert. Der definierte Abstand zwischen dem Kontaktelement 18 und der ersten Endplatte 22 legt die definierte Volumenänderung des Batteriekörpers 12, welche dieser durchlaufen darf, fest, bis das Deaktivieren der Funktion der Fahrzeugbatterie 10 ausgelöst wird.
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Zwischen den Batteriezellen 14 sind Pufferelemente, insbesondere Puffermatten vorgesehen, die ein Abpuffern von jeweiligen Ausdehnungen einzelner Batteriezellen 14 gegenüber dem Gehäuse 20 und insbesondere gegenüber der Endplatten 22, 24 ermöglichen. Mittels der Pufferelemente kann somit das Wachstum der Batteriezellen 14 zumindest teilweise ausgeglichen werden. Ist eine Pufferkapazität der Pufferelemente aufgebraucht, so baut sich im Block eine Kraft auf, welche auf die Endplatten 22, 24 drückt. Hierdurch wölben sich die Endplatten 22, 24, wobei diese Wölbung bei Erreichen der definierten Volumenänderung durch Kontakt mit dem Kontaktelement 18 und der ersten Endplatte 22 detektiert werden kann. Das Kontaktelement 18 wird bei einer Montage der Fahrzeugbatterie 10 auf einen vorgegebenen Abstand zur ersten Endplatte 22 kalibriert. Mittels der Sicherheitsvorrichtung 16 kann ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten Endplatte 22 und dem Kontaktelement 18 detektiert werden. In Folge des Ermittelns des elektrischen Kontakts zwischen der ersten Endplatte 22 und dem Kontaktelement 18 wird der Fehlerzustand mittels der Sicherheitsvorrichtung 16 festgestellt. Bei Ermittlung des Fehlerzustands wird das Deaktivieren der Funktion ausgelöst, wobei als Deaktivierung der Funktion der Batteriekörper 12 allpolig elektrisch isolierbar ist.
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Somit wird bei einem Verfahren zum Deaktivieren der Fahrzeugbatterie 10 die Funktion der Fahrzeugbatterie 10 bei der Ermittlung des die definierte Volumenänderung des Batteriekörpers 12 charakterisierenden Fehlerzustands deaktiviert. Dabei wird das Deaktivieren der Funktion durch den direkten Kontakt des Kontaktelements 18 mit dem Batteriekörper 12, insbesondere der ersten Endplatte 22, ausgelöst.
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Zum Ermitteln des Kontakts zwischen der ersten Endplatte 22 und dem Kontaktelement 18 wird das Kontaktelement 18 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt. Somit fließt im Fehlerzustand bei einem Kontakt der ersten Endplatte 22 und des Kontaktelements 18 ein Strom zwischen dem Kontaktelement 18 und der ersten Endplatte 22. Vorliegend liegt das Kontaktelement 18 auf einem Potential von 12 Volt gegenüber Fahrzeugmasse mit einer hochohmigen Anbindung. Die erste Endplatte 22 kann zusammen mit dem Batteriekörper 12 auf einem Massepotential eines Chassis eines die Fahrzeugbatterie 10 aufweisenden Kraftfahrzeugs liegen. Mittels der Sicherheitsvorrichtung 16 kann eine Potentialdifferenz zwischen dem Kontaktelement 18 und dem Batteriekörper 12 beziehungsweise der ersten Endplatte 22 ermittelt werden und in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz der Grundzustand oder der Fehlerzustand festgestellt werden. Insbesondere kann der Fehlerzustand in Abhängigkeit von einer Änderung der Potentialdifferenz zwischen dem Kontaktelement 18 und der ersten Endplatte 22 ermittelt werden. Wird der Fehlerzustand der Fahrzeugbatterie 10 mittels der Sicherheitsvorrichtung 16 ermittelt, können Schütze für die allpolige Trennung der Fahrzeugbatterie 10 geöffnet werden.
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In einem vorgegebenen Bauraum eines Kraftfahrzeugs kann die Fahrzeugbatterie 10 mit besonders großer Kapazität eingebaut werden, da nicht ausreichend Bauraum für das Zellwachstum der Batteriezellen 14 bis zum Ende des Wachstums bei 0 Prozent Restspeicherkapazität vorgehalten werden muss, sondern eine definierte maximale Volumenänderung des Batteriekörpers 12 über den Abstand zwischen dem Kontaktelement 18 und der ersten Endplatte 22 festgelegt wird. Folglich kann im Vergleich hierzu die vorgehaltene Pufferzone um bis zu 80 Prozent reduziert werden. Darüber hinaus wird die Fahrzeugbatterie 10 deaktiviert, bevor eine sicherheitskritische Ausdehnung, insbesondere eine Ausdehnung oberhalb der definierten Volumenänderung des Batteriekörpers 12, erreicht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeugbatterie
- 12
- Batteriekörper
- 14
- Batteriezelle
- 16
- Sicherheitsvorrichtung
- 18
- Kontaktelement
- 20
- Gehäuse
- 22
- erste Endplatte
- 24
- zweite Endplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2741348 A1 [0002]
- US 2005/0077878 A1 [0003]
