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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zum Abschalten einer Batteriezelle einer Batterie eines Kraftfahrzeugs im Falle eines elektrischen Kurzschlusses. Dabei weist die Batteriezelle zwei Zellpole und eine Energiespeichereinheit zum Speichern von Energie auf, wobei die Energiespeichereinheit zumindest in einem bestimmten Betriebszustand der Batteriezelle mit den Zellpolen elektrisch leitend verbunden ist, um eine Zellspannung an den Zellpolen bereitzustellen. Weiterhin ist die Schutzvorrichtung dazu ausgelegt, den Kurzschluss in Abhängigkeit von zumindest der die Batteriezelle betreffenden Zellspannung zu detektieren. Zur Erfindung gehören auch eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie, für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Schutzvorrichtung, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie, sowie ein Verfahren zum Abschalten einer Batteriezelle.
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Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge, bekannt, die als Energiespeicher eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie, aufweisen, die zur Bereitstellung einer sehr hohen Spannung, typischerweise im Bereich zwischen aktuell 400 Volt und 800 Volt, ausgelegt ist. Aufgrund dieser hohen Spannungen ist eine Überwachung eines solchen Batteriesystems von zentraler Bedeutung, sowie ein möglichst schnelles Einleiten von Reaktionen auf detektierte Fehlerfälle, wie zum Beispiel detektierte Kurzschlüsse.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2013 214 726 A1 eine Anordnung zur elektrischen Absicherung eines ersten Betriebszustands in einem Stromnetz mit systembedingten, variablem Quelleninnenwiderstand einer Energiequelle, die als Hochvoltbatterie ausgebildet sein kann, wobei die Anordnung zum einen eine erste Sicherungseinrichtung, wie zum Beispiel eine Schmelzsicherung, umfasst, deren Ansprechverhalten zur Absicherung des Stromnetzes in dem ersten Betriebszustand gegen eine vordefinierte Belastung nicht ausreichend ist, sowie eine zweite Sicherungseinrichtung, die das Stromnetz gegen die Belastung absichern kann. Diese zweite Sicherungseinrichtung kann dabei eine Unterspannungsabschaltung für die Hochvoltbatterie umfassen, die so eingerichtet ist, dass bei der Detektion einer Unterspannung die Hauptschütze, über welche die Hochvoltbatterie mit dem restlichen Bordnetz gekoppelt ist, geöffnet werden und dadurch die Hochvoltbatterie abgeschaltet wird.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2011 079 292 A1 ein Batteriemanagementsystem mit einem Steuergerät und einer oder mehreren Zellüberwachungseinheiten zur Überwachung von jeweils mehreren Batteriezellen von mindestens einem Batteriemodul einer Batterie, wobei die Zellüberwachungseinheiten jeweils einen Mikrocontroller aufweisen, der durch eine Kommunikationsverbindung mit dem Steuergerät verbunden ist. Weiterhin ist eine Messelektronik zur Erfassung von einer oder mehreren Messgrößen aus den Batteriezellen vorgesehen und weist zu diesem Zweck Mittel zur Strom- und Spannungserfassung auf. Weiterhin ist der Mikrocontroller dazu ausgebildet, einen Ladezustand zu berechnen.
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Weiterhin beschreibt die
WO 2018/142139 A1 eine intelligente Batteriezelle, die einen Pluspol und einen Minuspol und einen Schaltungs-Schaltkreis aufweist, der dazu ausgelegt ist, zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchem eine Energiespeichereinrichtung mit dem Pluspol und dem Minuspol verbunden ist, und einem zweiten Schaltzustand, in welchem die Energiespeichereinrichtung überbrückt ist, zu schalten. Weiterhin weist die intelligente Zelle eine Induktivität zwischen dem Pluspol und einem Ausgang des Schaltnetzes auf, wobei eine Steuereinheit eine über der Induktivität abfallende Spannung überwacht und das Tastverhältnis des Schaltungs-Schaltkreises basierend auf der Größe einer detektierten Spannungsänderung über der Induktivität steuert. Darauf basierend kann die Steuereinheit einen Ladezustand anderer in Reihe geschalteter intelligenter Batteriezellen bestimmen, ohne irgendeine Kommunikation zwischen den Zellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schutzvorrichtung, eine Batterie, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Abschalten einer Batteriezelle bereitzustellen, welche es ermöglichen, die Sicherheit einer Batterie weiter zu steigern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzvorrichtung, eine Batterie, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Bei einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung zum Abschalten einer Batteriezelle einer Batterie eines Kraftfahrzeugs im Falle eines elektrischen Kurzschlusses weist die Batteriezelle zwei Zellpole und eine Energiespeichereinheit zum Speichern von Energie auf. Dabei ist die Energiespeichereinheit zumindest in einem bestimmten Betriebszustand der Batteriezelle mit den Zellpolen elektrisch leitend verbunden, um eine Zellspannung an den Zellpolen bereitzustellen. Darüber hinaus ist die Schutzvorrichtung dazu ausgelegt, den Kurzschluss in Abhängigkeit von zumindest der die Batteriezelle betreffenden Zellspannung zu detektieren. Des Weiteren weist die Batteriezelle die Schutzvorrichtung auf, sowie mindestens eine Schalteinrichtung, die zwischen der Energiespeichereinheit und zumindest einem der Zellpole angeordnet ist, wobei die Schutzvorrichtung dazu ausgelegt ist, zum Abschalten der Batteriezelle die Energiespeichereinheit mittels der Schalteinrichtung von dem zumindest einen der Zellpole zu trennen.
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Eine Sicherheitsabschaltung im Falle eines detektierten Kurzschlusses lässt sich durch die Erfindung damit vorteilhafterweise nicht nur auf Batterieebene oder Batteriemodulebene, sondern bereits auf Zellebene jeweiliger Einzelzellen der Batterie umsetzen. Zudem lässt sich ein solcher elektrischer Kurzschluss dabei auf besonders einfache und zuverlässige Weise auf Basis einer über einer einzelnen Energiespeichereinheit der Batteriezelle abfallenden Zellspannung detektieren, was gleich in mehrfacher Hinsicht Vorteile mit sich bringt. Zum einen existieren bereits so genannte Smartcells beziehungsweise intelligente Batteriezellen, die jeweils ihre eigene ihnen zugeordnete Steuereinheit, wie zum Beispiel einen Mikrocontroller, aufweisen können und in welche auch ein oder mehrere Schaltelemente integriert sein können. Darüber hinaus können solche intelligenten Batteriezellen auch diverse Sensoren umfassen, wie zum Beispiel Spannungs- und/oder Stromsensoren, sodass sich auf Basis einer solchen intelligenten Batteriezelle die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung auf besonders einfache und kostengünstige Weise umsetzen lässt, denn zur Kurzschlussdetektion können die in einer solchen intelligenten Zelle verbauten Sensoren, insbesondere mindestens ein solcher Sensor, welcher zur Ermittlung einer über der Energiespeichereinheit abfallenden Spannung verwendet werden kann, verwendet werden, sowie auch die integrierte Schalteinrichtung, um die Energiespeichereinheit von zumindest einem der Zellpole im Falle eines detektierten Kurzschlusses zu trennen. Zur Ansteuerung der mindestens einen Schalteinrichtung kann die Schutzvorrichtung beispielsweise eine Steuereinheit aufweisen, die ebenfalls in die Batteriezelle integriert ist, und die durch zum Beispiel einen Mikrocontroller bereitgestellt sein kann, welcher, wie beschrieben, in solch intelligenten Zellen ebenfalls vorzufinden ist. Alternativ kann eine solche Steuereinheit auch als eine analoge Schaltung ausgebildet sein. Eine solche analoge Schaltung kann zum Beispiel einen Komparator aufweisen, der ein Zellspannungs-Signal als Eingangssignal mit einem definierten Spannungsschwellwert vergleicht und in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal ausgibt, in Abhängigkeit von welchem die mindestens eine Schalteinrichtung gesteuert wird. Ein weiterer großer Vorteil der Verwendung der Einzelzellspannung zur Kurzschlussdetektion besteht zudem noch darin, dass sich hierdurch sowohl zellinterne als auch äußere Kurzschlüsse detektieren lassen, und dass auch zum Beispiel Grenzwerte, wie diese nachfolgend noch näher erläutert werden, zellspezifisch gewählt werden können, sodass hierdurch die Zuverlässigkeit der Kurzschlussdetektion und damit die Sicherheit der Batterie weiter gesteigert werden kann. Ein besonders großer Vorteil der Erfindung besteht jedoch gerade darin, dass eine Sicherheitsabschaltung deutlich schneller vorgenommen werden kann, als bei bisherigen Konzepten, die ein Abschalten einer Batteriezelle dadurch bewerkstelligen, indem die Hauptschütze der gesamten Hochvoltbatterie geöffnet werden. Dies ist dadurch bedingt, dass die Schalteinrichtung zum Trennen der Energiespeichereinheit der Batteriezelle von dem zumindest einen Zellpol der Batteriezelle für deutlich geringere Stromstärken ausgelegt werden kann, als ein Hochvoltschütz einer Hochvoltbatterie, sodass die Schalteinrichtung als elektronisch steuerbarer Schalter ausgebildet sein kann, wodurch sich deutlich kürzere Schließ- und Öffnungszeiten, insbesondere im Millisekundenbereich oder kleiner, bereitstellen lassen. So lässt sich eine Stromabschaltung insgesamt auch deutlich schneller bereitstellen, als bei bisherigen Konzepten, und dadurch die Sicherheit einer Batterie weiter erhöhen.
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Bei der Energiespeichereinheit der Batteriezelle kann es sich dabei zum Beispiel um ein galvanisches Element, insbesondere eine galvanische Zelle handeln. Ein solches galvanisches Element kann zusammen mit der beschriebenen Schutzvorrichtung inklusive der mindestens einen Schalteinrichtung und insbesondere mindestens einem Sensor, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird, in einem gemeinsamen Zellgehäuse untergebracht werden. Dadurch lässt sich eine intelligente Batteriezelle mit spannungsbasierter Kurzschlussdetektion und entsprechend daraus resultierender Sicherheitsabschaltung auf besonders kompakte Weise bereitstellen. Zu diesem Zweck kann die Schutzvorrichtung, wie beschrieben, eine Steuereinheit, zum Beispiel in Form eines Mikrocontrollers umfassen, welcher dann ebenfalls im Zellgehäuse angeordnet sein kann. Die mindestens eine Schalteinrichtung ist vorzugsweise als elektronisch steuerbarer Schalter ausgebildet, wie zum Beispiel als MOSFET (Metalloxidfeldeffekttransistor). Die Zellpole der Batteriezelle umfassen dabei einen Pluspol und einen Minuspol. Die mindestens eine Schalteinrichtung kann dann beispielsweise zwischen der Energiespeichereinheit und dem Pluspol der Batteriezelle angeordnet sein oder auch zwischen der Energiespeichereinheit und dem Minuspol der Batteriezelle. Die Batteriezelle kann aber auch zwei solche Schalteinrichtungen aufweisen, nämlich eine zwischen der Energiespeichereinheit und dem Pluspol und eine weitere zwischen der Energiespeichereinheit und dem Minuspol. In einem solchen Fall kann im Falle einer Kurzschlussdetektion entweder die eine oder die andere Schalteinrichtung zum Trennen der Energiespeichereinheit entweder vom Pluspol oder vom Minuspol angesteuert beziehungsweise der korrespondierende Schalter geöffnet werden, oder es können auch beide Schalteinrichtungen angesteuert werden und so eine Trennung der Verbindung der Energiespeichereinheit sowohl vom Pluspol als auch vom Minuspol erfolgen. Hierdurch lässt sich ein noch höheres Maß an Sicherheit bereitstellen.
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Der zumindest eine Betriebszustand der Batteriezelle, in welchem die Energiespeichereinheit mit den Zellpolen elektrisch leitend verbunden ist, d.h. die mindestens eine Schalteinrichtung geschlossen ist, kann dabei einen bestimmten fehlerfreien Zustand bzw. einen betriebsgemäßen Zustand darstellen, in welchem zumindest kein Kurzschluss detektiert wurde, und vorzugsweise auch kein anderer von einem Kurzschluss verschiedener Fehlerfall detektiert wurde, insbesondere für den ein Abkoppeln der Energiespeichereinheit von zumindest einem der Zellpole vorteilhaft und/oder vorgesehen ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzvorrichtung zur Detektion des Kurzschlusses dazu ausgelegt, die die Batteriezelle betreffende Zellspannung als eine über der Energiespeichereinheit abfallende Spannung zu erfassen. Die Erfassung der direkt über der Energiespeichereinheit der Batteriezelle abfallenden Spannung zur Kurzschlussdetektion hat zum Beispiel im Gegensatz zur Erfassung der über der gesamten Batteriezelle, insbesondere über deren Zellpolen, abfallenden Spannung den Vorteil, dass eine Spannungserfassung auch dann möglich ist, wenn die Energiespeichereinheit beispielsweise über die mindestens eine Schalteinrichtung von den Zellpolen oder zumindest von einem der Zellpole entkoppelt ist. Beispielsweise kann ein geeigneter Sensor zur Erfassung der über der Energiespeichereinheit abfallenden Spannung so innerhalb der Batteriezelle angeordnet sein, dass auch im Falle, dass die Energiespeichereinheit von einem oder auch von beiden Zellpolen über die mindestens einen Schalteinrichtung entkoppelt ist, eine Erfassung der über der Energiespeichereinheit abfallenden Spannung weiterhin möglich ist. Dadurch lässt sich zum Beispiel auch feststellen, ob ein Öffnen der mindestens einen Schalteinrichtung den Kurzschluss und den daraus resultierenden Kurzschlussstrom unterbricht oder nicht. Auf diese Weise kann zum Beispiel auch unterschieden werden, ob es sich bei einem detektierten Kurzschluss um einen internen Kurzschluss oder einen externen Kurzschluss handelt. Handelt es sich um einen externen Kurzschluss, so kann die Energiespeichereinheit durch Öffnen der Schalteinrichtung und dem daraus resultierenden Abkoppeln von zumindest einem der Zellpole auch vom Einfluss dieses externen Kurzschlusses entkoppelt werden und die Zellspannung, welche über der Energiespeichereinheit abfällt, würde sich vorliegend wiederum normalisieren. Ist dies nicht der Fall, so handelt es sich um einen internen Kurzschluss, der zum Beispiel durch einen Partikel zwischen den Folien des galvanischen Elements verursacht sein kann. Auf diese Weise sind also auch deutlich differenziertere Betrachtungen hinsichtlich der Kurzschlussdetektion möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Schutzvorrichtung zur Erfassung der Zellspannung einen Spannungssensor aufweist, der parallel zu den Zellpolen und parallel zur Energiespeichereinheit geschaltet ist. Prinzipiell ließe sich die über der Energiespeichereinheit abfallende Spannung auch in Abhängigkeit von einer Strommessung, zum Beispiel mittels eines Stromsensors, des durch die Energiespeichereinheit fließenden Stroms bestimmen, die direkte Erfassung der Spannung mittels eines zu einer Energiespeichereinheit parallel geschalteten Spannungssensors ist jedoch deutlich einfacher und hinsichtlich der erfassten Spannung auch genauer. Die Abgriffe dieses Spannungssensors sind dabei also zwischen der Energiespeichereinheit und einem jeweiligen Zellpol der Batteriezelle angeordnet, und zwar vorzugsweise derart, dass zumindest einer der Abgriffe zwischen der Energiespeichereinheit und der mindestens einen Schalteinrichtung angeordnet ist. Weist die Batteriezelle zwei Schalteinrichtungen, eine zwischen einem jeweiligen Zellpol und der Energiespeichereinheit, auf, so ist es bevorzugt, dass beide Abgriffe des Spannungssensors jeweils zwischen der Energiespeichereinheit und der jeweiligen Schalteinrichtung angeordnet sind.
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Dadurch lässt sich, wie oben beschrieben, eine über der Energiespeichereinheit abfallende Spannung auch dann noch erfassen, wenn eine oder beide Schalteinrichtungen geöffnet sind.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzeinrichtung dazu ausgelegt, den Kurzschluss unter der zumindest einen Bedingung, dass die erfasste Zellspannung einen vorgebbaren Spannungsgrenzwert unterschreitet und/oder dass eine erfasste zeitliche Änderung der Zellspannung einen vorgebbaren Gradientengrenzwert überschreitet, zu detektieren. Dies basiert auf der Idee, dass ein Kurzschluss oder zumindest ein heftiger Stromfluss durch die Batteriezelle einen charakteristischen Spannungseinbruch bewirkt, der vorteilhafterweise zur Kurzschlussdetektion genutzt werden kann. Dabei kann ein Kurzschluss dann als detektiert gelten, wenn die erfasste Zellspannung einen vorgebbaren Spannungsgrenzwert unterschreitet oder wenn eine erfasste zeitliche Änderung der Zellspannung einen vorgebbaren Gradientengrenzwert unterschreitet oder erst wenn beides der Fall ist. Sowohl die Größe des Spannungsabfalls an sich als auch der zeitliche Gradient der Spannung sind vorteilhafterweise Größen, auf Basis von welchen sich ein Kurzschluss mit sehr hoher Zuverlässigkeit detektieren lässt. Insbesondere äußerst sich ein Kurzschluss in diesen Größen signifikant anders als beispielsweise ein Betriebszustand mit hoher Leistungsanforderung, wie zum Beispiel bei einem Boostbetrieb oder einer starken Beschleunigung. Somit kann auf Basis der genannten Größen, insbesondere zumindest einer der genannten Größen, sowohl eine zuverlässige Detektion eines Kurzschluss einerseits, sowie andererseits auch eine zuverlässige Unterscheidung zwischen Kurzschluss und Boost-Betrieb beziehungsweise Beschleunigungs-Betrieb bereitgestellt werden. Zur Detektion des Kurzschlusses auf diese beschriebene Weise kann die Schutzeinrichtung Weise wiederum einen Mikrocontroller oder auch eine analoge Schaltung aufweisen. Um zu überprüfen, ob die zeitliche Änderung der Zellspannung einen bestimmten Gradientengrenzwert überschreitet, kann die analoge Schaltung zum Beispiel einen Differenzierer, d.h. eine Operationsverstärker-Differenzierschaltung aufweisen, die ein Ausgangssignal erzeugt, das die erste Ableitung des Eingangssignals, hier der Zellspannung, ist. Das Ausgangssignal stellt damit die zeitliche Änderung der Zellspannung dar. Diese kann als Eingangssignal einem Komparator zugeführt werden, der dieses Eingangssignal mit dem definierten Gradientengrenzwert vergleicht und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal bereitstellt, in Abhängigkeit von welchem die mindestens eine Schalteinrichtung angesteuert wird. Um zu überprüfen, ob die erfasste Zellspannung einen vorgebbaren Spannungsgrenzwert unterschreitet, kann ebenfalls eine analoge Schaltung verwendet werden, insbesondere wiederum ein Komparator, der ein Zellspannungs-Signal als Eingangssignal mit einem definierten Spannungsschwellwert vergleicht und in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal ausgibt, in Abhängigkeit von welchem die mindestens eine Schalteinrichtung gesteuert werden kann.
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Die Änderung der Spannung über der Zeit kann zum Beispiel durch mehrere wiederholte Erfassungen, insbesondere einer kontinuierlichen Erfassung der über der Energiespeichereinheit abfallenden Spannung bereitgestellt werden. Mit anderen Worten kann zur Erfassung der zeitlichen Änderung der Spannung ebenfalls der genannte Spannungssensor verwendet werden. Gerade durch eine kontinuierliche Spannungserfassung lässt sich eine Kurzschlussdetektion besonders schnell und zuverlässig bereitstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzeinrichtung dazu ausgelegt, den Spannungsgrenzwert und/oder den Gradientengrenzwert in Abhängigkeit von zumindest einem bestimmten Zellparameter der Batteriezelle festzulegen. Dabei können die Zellparameter der Batteriezelle, die für die Festlegung eines solchen Spannungsgrenzwerts und/oder Gradientengrenzwerts relevant sind, vorab vorgegeben sein, und zum Beispiel in einem Speicher der Schutzeinrichtung hinterlegt sein. Solche Zellparameter können aber auch von der Schutzeinrichtung selbst bestimmt werden. Zellparameter, deren Berücksichtigung bei der Festlegung des Spannungsgrenzwerts und/oder des Gradientengrenzwerts vorteilhaft sind, sind zum Beispiel der Zelltyp und/oder die Zellchemie der Batteriezelle. Mit anderen Worten können der Gradientengrenzwert und/oder der Spannungsgrenzwert in Abhängigkeit davon festgelegt werden, ob es sich zum Beispiel bei der Batteriezelle um eine so genannte Leistungszelle oder eine Energiezelle handelt. Eine Leistungszelle ist zum Beispiel dazu ausgelegt, große Energiemengen innerhalb kurzer Zeit bereitzustellen, also eine sehr hohe elektrische Leistung bereitzustellen, die insbesondere größer ist als die typischer Energiezellen, während Energiezellen dagegen zur Speicherung größerer Energiemengen ausgelegt sind. Realisiert werden diese Zelltypen zum Beispiel durch unterschiedlich dicke Folien innerhalb des galvanischen Elements. Entsprechend machen sich auch kurzschlussbedingte Spannungseinbrüche unterschiedlich stark bei solchen verschiedenen Zelltypen bemerkbar. Analog kann auch die Zellchemie als solche die bei einem bestimmten Kurzschluss entstehenden Spannungseinbrüche beeinflussen, sodass auch die Berücksichtigung der jeweiligen Zellchemie einer jeweiligen Batteriezelle von Vorteil ist. Diese Eigenschaften, nämlich Zelltyp und/oder Zellchemie und/oder weitere Parameter wie Kapazität, Innenwiderstand, usw., können durch entsprechende Messungen durch die Schutzvorrichtung auch selbst bestimmt werden, insbesondere ohne jegliche Vorgaben. Die Schutzvorrichtung kann entsprechend dazu ausgelegt sein, in Abhängigkeit von durchgeführten Messungen Schwellwerte für die Spannung beziehungsweise den Spannungsgradienten selbsttätig zu definieren. Zu diesem Zweck kann die Schutzvorrichtung neben dem bevorzugten Spannungssensor oder dem erwähnten Stromsensor auch noch diverse weitere und andere Sensoren umfassen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzeinrichtung dazu ausgelegt, eine Änderung des zumindest einen bestimmten Zellparameters zu erfassen und den festgelegten Spannungswert und/oder den festgelegten Gradientengrenzwert in Abhängigkeit von der erfassten Änderung des zumindest einen bestimmten Zellparameters zu ändern. Dabei kann es sich bei dem Zellparameter auch um einen anderen als die zuvor genannten Zellparameter handeln. Diese Ausgestaltung ist vor allem besonders vorteilhaft, wenn der Zellparameter, welcher Einfluss auf die Charakteristik eines Spannungseinbruchs im Falle eines Kurzschlusses hat, sich über die Lebensdauer der Batteriezelle hinweg verändern kann. Beispielsweise kann sich die Zellchemie der Batteriezelle, insbesondere des galvanischen Elements, im Laufe der Zeit verändern und entsprechend die Spannungseinbruchscharakteristik beeinflussen. Eine solche Veränderung kann beispielsweise ebenfalls von der Schutzvorrichtung, zum Beispiel auf Basis geeigneter Messungen, erfasst werden und entsprechend die Schwellwerte für die Spannung beziehungsweise den Spannungsgradienten entsprechend angepasst werden. Besonders vorteilhaft ist es vor allem, wenn der Zellparameter dabei zum Beispiel einen Alterungszustand der Batteriezelle beziehungsweise einen Gesundheitszustand der Batteriezelle darstellt. Dieser lässt sich auf Basis von aus dem Stand der Technik bereits bekannten Verfahren ermitteln, insbesondere im Laufe der Zeit wiederholt. Gerade die Alterung einer Batteriezelle hat dabei Einfluss auf die beschriebene Spannungseinbruchscharakteristik. Die Berücksichtigung der Alterung der Batteriezelle bei der Änderung der genannten Schwellwerte bzw. deren wiederholter bzw. fortwährender Anpassung ist daher besonders vorteilhaft.
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Die Größe der Spannungsgrenzwerte beziehungsweise Gradientengrenzwerte kann von der Schutzvorrichtung zum Beispiel auf Basis einer Look-up-Tabelle, eines Kennlinienfeldes oder einer vorgegebenen Funktion oder ähnlichem erfolgen. Sowohl eine solche Funktion als auch solche Look-up-Tabellen können eine einem Speicher der Schutzvorrichtung abgelegt sein. Für einen jeweils aktuell ermittelten Alterungszustand der Batteriezelle kann dann zum Beispiel der Spannungsgrenzwert und/oder der Gradientengrenzwert auf Basis einer solchen Look-up-Tabelle neu festgelegt werden. Entsprechendes gilt auch bei der Veränderung der Zellchemie beziehungsweise bei der initialen Bestimmung des Zelltyps und einer daraus resultierenden Festlegung der genannten Schwellwerte. So kann auch im Laufe der Zeit und bei zunehmender Alterung der Batteriezelle immer eine möglichst zuverlässige Detektion eines Kurzschlusses gewährleistet werden. Darüber hinaus können bei der Festlegung und/oder Änderung des einen oder der beiden Grenzwerte auch mehrere verschiedene Zellparameter gleichzeitig berücksichtigt werden.
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Weiterhin muss die Bestimmung der Spannung, insbesondere der Größe der Spannungsänderung und/oder der zeitlichen Änderung der Spannung nicht sonderlich genau erfolgen, da gerade im Zusammenhang mit der Kurzschlussdetektion die Erfassung von Tendenzen bereits ausreichend ist. Mit anderen Worten wird bei einem Kurzschluss eine derart signifikante Spannungsänderung hervorgerufen, dass beispielsweise auch eine stark fehlerbehaftete Abschätzung der Spannungsänderung ausreichend ist, um immer noch sehr zuverlässig einen solchen Kurzschluss zu detektieren. Beispielsweise können solche Messfehler auch in entsprechender Weise durch die Festlegung der jeweiligen Grenzwerte beziehungsweise Schwellwerte berücksichtigt werden. Der oben genannte Spannungsgrenzwert kann zum Beispiel um einen vorgebbaren Sicherheitspuffer höher gelegt werden und entsprechend der genannte Gradientengrenzwert um einen vorgebbaren Sicherheitspuffer niedriger. Tritt ein Kurzschluss auf, so ist es auch bei einer Spannungserfassung mit sehr großen Unsicherheiten beziehungsweise Messungenauigkeiten sehr wahrscheinlich, dass auf Basis der so gewählten Schwellwerte, in denen also ein entsprechender Sicherheitspuffer Berücksichtigung findet, der Kurzschluss auch von der Schutzvorrichtung detektiert wird und die beschriebene Schutzmaßnahme, nämlich das Abschalten der betreffenden Batteriezelle, durchgeführt wird.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzeinrichtung weiterhin dazu ausgelegt, im Falle des detektierten Kurzschlusses eine Information über die Detektion des Kurzschlusses an eine übergeordnete Steuereinrichtung und/oder an eine zweite Schutzeinrichtung, welche von einer zweiten Batteriezelle der Batterie umfasst ist, zu übermitteln. Besonders vorteilhaft ist dabei vor allem, wenn auch andere Schutzeinrichtungen anderer Batteriezellen der Batterie über einen von der vorliegenden Schutzvorrichtung detektierten Kurzschluss informiert werden, da es nämlich vorkommen kann, dass sich ein solcher Kurzschluss nur auf eine bestimmte Batteriezelle auswirkt und von Schutzvorrichtungen anderer Batteriezellen gar nicht detektiert werden kann. Ein solcher Spezialfall könnte beispielsweise auftreten, wenn, wie dies gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ebenfalls vorgesehen sein kann, sich mehrere Batteriezellen in einem Parallelverbund befinden, wobei zum Beispiel mehrere solche Parallelverbunde in Serie geschaltet sein können, wobei aber nicht alle Batteriezellen in einem gemeinsamen Parallelverbund aktiv geschaltet sein müssen und mache inaktiv sein können, zum Beispiel in einem bestimmten Betriebsmodus, wie einem ECO-Modus, in welchem zum Beispiel die Leistungsanforderungen deutlich geringer sind. Solche inaktiv geschalteten Zellen sind dann zum Beispiel über ihre mindestens eine Schalteinrichtung von den anderen Batteriezellen des Zellverbunds entkoppelt, und auch ein Kurzschluss in einer aktiven Batteriezelle des Parallelverbunds würde dann von den inaktiv geschalteten Batteriezellen in einer solchen Situation, zumindest ohne weiteren Maßnahmen, nicht bemerkt werden. So kann durch die Übermittlung der Information über den von einer Batteriezelle detektieren Kurzschluss an andere Batteriezellen eine Sicherheitsabschaltung auch anderer Batteriezellen vorgenommen werden, selbst wenn diese den betreffenden Kurzschluss gar nicht detektieren konnten. Hierdurch kann wiederum die Sicherheit der Batterie weiter gesteigert werden. Gerade jedoch solche internen Kurzschlüsse können schwerwiegende Folgen haben, da diese zum Beispiel nicht notwendigerweise durch die beschriebene Schalteinrichtungen unterbunden werden können. Eine mögliche Folge ist zum Beispiel ein sogenannter „Thermal Runaway“, d.h. ein thermisches Durchgehen einer Zelle bzw. der Zellchemie ab einer bestimmten Temperatur, was zur Zerstörung der Zelle und im schlimmsten Fall zum Brand führen kann. Dadurch, dass ein solcher Kurzschluss nun vorteilhafterweise zumindest erfasst werden kann und vor allem auch einem übergeordneten Steuergerät oder anderen Schutzvorrichtungen anderer Batteriezellen mitgeteilt werden kann, können dennoch vorteilhafterweise insgesamt Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden, wie das Abschalten auch der anderen Batteriezellen oder ein Abschalten der gesamten Batterie, um schwerere Folgen zu verhindern. Auch eine Aktivierung oder Erhöhung der Kühlleistung zur Kühlung der Batteriezellen kann eingeleitet werden, zum Beispiel um einem starken Erwärmen der betroffenen Batteriezelle und einer Ausbreitung einer solchen Erwärmung über andere Batteriezellen hinweg vorzubeugen beziehungsweise einer solchen entgegen zu wirken. Gerade bei Kurzschlüssen, vor allem bei solchen, die nicht zeitnah unterbunden werden können, kann es zu sehr starken Temperaturerhöhungen in einer betreffenden Zelle kommen, die sich dann entsprechend ausbreiten kann. Durch die oben genannten Maßnahmen, insbesondere durch die Möglichkeit der Detektion auch eines solchen Kurzschlusses kann die Sicherheit der Batterie enorm gesteigert werden, insbesondere durch eine Propagationsvermeidung, d.h. einer Verhinderung eines thermischen Mitziehens anderer Zellen, die miteinander thermisch gekoppelt sind, und auch durch die elektrische Entkopplung der Zellen, die durch das Öffnen der mindesten seine Schalteinrichtung bewirkt wird.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Schutzeinrichtung dazu ausgelegt ist, eine Information über die Detektion eines Kurzschlusses von einer zweiten Schutzeinrichtung, welche von einer zweiten Batteriezelle der Batterie umfasst ist, zu empfangen und bei Empfang der Information die Batteriezelle abzuschalten. In entsprechender Weise kann auch die Schutzvorrichtung die Batteriezelle abschalten, das heißt mittels der mindestens einen Kenneinrichtung die Energiespeichereinheit der Batteriezelle von zumindest einem der Zellpole trennen, selbst wenn durch die Schutzvorrichtung selbst kein Kurzschluss detektiert wurde, sondern zum Beispiel nur von einer benachbarten Batteriezelle beziehungsweise deren Schutzvorrichtung.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie, die eine Batteriezelle aufweist, die eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen umfasst. Vorzugsweise umfasst die Batterie dabei mehrere Batteriezellen, die jeweils eine solche Schutzvorrichtung umfassen können. Insbesondere können alle Batteriezellen der Batterie als die oben beschriebene intelligente Batteriezelle ausgebildet sein. Dabei können die mehreren Batteriezellen zueinander an einer beliebigen Kombination aus Reihen- und/oder Parallelschaltung angeordnet sein. Beispielweise kann die Batterie mehrere Zellgruppen aufweisen, wobei eine jeweilige Zellgruppe mehrere zueinander parallel geschaltete Batteriezellen aufweist. Die Zellgruppen selbst können zueinander in Reihe geschaltet sein. Dadurch lässt sich beispielsweise eine besonders leistungsstarke Hochvoltbatterie bereitstellen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Die für die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterie und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet. Darüber hinaus stellt das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug vorzugsweise ein Elektro- und/oder Hybridfahrzeug dar.
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Darüber hinaus kann die die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung und ihre Ausgestaltungen und die erfindungsgemäße Batterie nicht nur in einem Kraftfahrzeug Anwendung finden, sondern auch in stationärer Energiespeichern, bei welchen sich entsprechend die gleichen Sicherheitsvorteile erzielen lassen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Abschalten einer Batteriezelle einer Batterie eines Kraftfahrzeugs im Falle eines elektrischen Kurzschlusses, wobei die Batteriezelle zwei Zellpole und eine Energiespeichereinheit zum Speichern von Energie aufweist, wobei die Energiespeichereinheit zumindest in einem bestimmten Betriebszustand der Batteriezelle mit den Zellpolen elektrisch leitend verbunden ist, um eine Zellspannung an den Zellpolen bereitzustellen, und wobei der Kurzschluss in Abhängigkeit von zumindest der die Batteriezelle betreffenden Zellspannung detektiert wird. Dabei weist die Batteriezelle mindestens eine Schalteinrichtung auf, die zwischen der Energiespeichereinheit und zumindest einem der Zellpole angeordnet ist, wobei zum Abschalten der Batteriezelle die Energiespeichereinheit mittels der Schalteinrichtung von dem zumindest einen der Zellpole getrennt wird.
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Auch hier gelten die in Bezug auf die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer intelligenten Batteriezelle mit einer Schutzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeugbatterie mit mehreren intelligenten Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Veranschaulichung eines durch einen Kurzschluss bedingten Spannungseinbruchs einer konventionellen Batteriezelle bei geringem Kurzschlusswiderstand;
- 4 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Veranschaulichung eines kurzschlussbedingten Spannungseinbruchs einer konventionellen Batteriezelle im Falle eines mittleren Kurzschlusswiderstands;
- 5 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Veranschaulichung eines Spannungseinbruchs einer konventionellen Batteriezelle, bedingt durch einen Kurzschluss mit hohem Kurzschlusswiderstands, Batteriezellen; und
- 6 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Veranschaulichung eines durch einen Kurzschluss bedingten Spannungseinbruchs bei geringem Kurzschlusswiderstand bei einer Batteriezelle mit einer Schutzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer intelligenten Batteriezelle 10 mit einer Schutzvorrichtung 12 zum Abschalten der Batteriezelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schutzvorrichtung 12 ist dabei dazu ausgelegt, einen elektrischen Kurzschluss zu detektieren und im Falle einer Detektion eines solchen Kurzschlusses die Batteriezelle 10 abzuschalten. Die Schutzvorrichtung 12 umfasst dabei zum einen eine Steuereinheit 14, die zum Beispiel als Mikrocontroller oder als analoge Schaltung ausgebildet sein kann. Weiterhin umfasst die Batteriezelle 10 ein galvanisches Element 16, sowie zwei Zellpole 18a, 18b, von denen der Zellpol 18a einen Pluspol darstellt, und der Zellpol 18b einen Minuspol der Batteriezelle 10.
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Weiterhin weist die Batteriezelle 10 in diesem Beispiel zwei Schalter S1, S2 auf, die zwischen dem galvanischen Element 16 und den jeweiligen Zellpolen 18a, 18b angeordnet sind. Diese beiden Schalter S1, S2 können zum Beispiel als elektronisch steuerbare Schalter, insbesondere Leistungsschalter ausgebildet sein und zudem durch die Steuereinheit 14 der Schutzvorrichtung 12 ansteuerbar sein. Grundsätzlich reicht aber auch nur einer der beiden Schalter S1 oder S2. Mit anderen Worten kann die Batteriezelle 10 gemäß einer weiteren Variante nur den ersten Schalter S1 aufweisen, aber nicht den zweiten Schalter S2, und in einer weiteren Variante kann die Batteriezelle 10 nur den zweiten Schalter S1 aufweisen, aber nicht den ersten Schalter S1. Weiterhin kann die Schutzvorrichtung auch einen oder mehrere Sensoren umfassen. Im folgenden Beispiel umfasst die Schutzvorrichtung 12 als Teil der Batteriezelle 10 einen Spannungssensor 20, der parallel zum galvanischen Element 16, sowie auch parallel zu den jeweiligen Zellpolen 18a, 18b geschaltet ist, und dazu ausgelegt ist, eine über dem galvanischen Element 16, das hier ein Beispiel einer Energiespeichereinheit darstellt, zu erfassen. Weiterhin sind die Abgriffe 20a, 20b des Spannungssensors 20 jeweils zwischen dem galvanischen Element 16 und den jeweiligen Schaltern S1, S2 angeordnet, zumindest falls beide Schalter S1 und S2 vorhanden sind. Andernfalls ist nur einer der beiden Abgriffe 20a, 20b zwischen dem galvanischen Element 16 und dem einzigen Schalter S1 oder S2 angeordnet und der andere der beiden Abgriffe 20a, 20b dann an beliebiger Stelle zwischen dem galvanischen Element 16 und dem betreffenden Zellpol 18a bzw. 18b. Damit lässt sich eine über dem galvanischen Element 16 abfallende Spannung U auch erfassen, wenn einer oder beide Schalter S1, S2 geöffnet sind.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Schutzvorrichtung 12 auch einen Stromsensor 22 zur Erfassung eines Zellstroms I aufweisen. Auf Basis des erfassten Zellstroms I kann ebenfalls die über dem galvanischen Element 16 abfallende Spannung U ermittelt beziehungsweise abgeschätzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch bevorzugt, dass eine Kurzschlussdetektion auf Basis des vom Spannungssensor 20 erfassten Spannungswerts U erfolgt. Weiterhin kann die Batteriezelle 10 noch weitere Sensoren 24 aufweisen, die hier lediglich exemplarisch als x, y, z veranschaulicht sind. Mittels solcher weiterer Sensoren kann zum Beispiel der Druck innerhalb der Batteriezelle 10 erfasst werden und/oder ein Isolationsfehler der Batteriezelle 10 und/oder eine Elektrolytanalyse durchgeführt werden, auf deren Basis zum Beispiel auch Veränderungen der Zellchemie festgestellt werden können.
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Weiterhin können die beschriebenen Komponenten, insbesondere bis auf die beiden Zellpole 18a, 18b, innerhalb einem Zellgehäuse 26 der Batteriezelle 10 angeordnet sein. Weiterhin ist die Steuereinheit 14 zur Kommunikation mit einem hier nicht dargestellten übergeordneten Steuergerät und/oder zur Kommunikation mit anderen Steuereinheiten 14, welche anderen Batteriezellen 10 zugeordnet sind, ausgelegt. Diese Kommunikationsmöglichkeit ist in 1 durch das Bezugszeichen 28 veranschaulicht.
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Die Erfindung nutzt nun einerseits die Erkenntnis, dass sich ein Kurzschluss beziehungsweise eine heftiger Stromfluss in einem signifikanten Spannungseinbruch der Zellspannung U der Batteriezelle 10 beziehungsweise deren galvanischen Elements 16 äußert. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise ein solcher Kurzschluss auf besonders einfache und kostengünstige Weise durch nur eine Spannungsmessung der Spannung U, insbesondere durch den Spannungssensor 20, detektieren. Eine Kurzschlussdetektion auf Zellebene hat dabei vielzählige Vorteile. Vor allem lassen sich hierdurch auch zellinterne Kurzschlüsse, die zum Beispiel auch innerhalb des galvanischen Elements 16 auftreten können, detektieren, was sich bei der Betrachtung von Eigenschaften auf Modulebene oder Gesamtbatterieebene nicht notwendigerweise äußert, zum Beispiel wenn sich die betroffene Batteriezelle 10 in einem Parallelverbund mit anderen Batteriezellen 10 befindet, jedoch die anderen Batteriezellen 10 aufgrund eines bestimmten Betriebsmodus nicht aktiv geschaltet sind. Externe Kurzschlüsse dagegen können von mehreren solchen intelligenten Batteriezellen 10 gleichzeitig erfasst werden, was die Kurzschlussdetektion aufgrund ihrer Redundanz deutlich sicherer gestaltet. Zudem kann das Ereignis eines detektierten Kurzschlusses einer Batteriezelle 10 auch sofort an Nachbarzellen 10 oder an ein übergeordnetes Steuergerät kommuniziert werden. Eine Nachbarzelle 10 kann dabei zum Beispiel eine im gleichen Parallelverbund befindliche Zelle 10 darstellen, und/oder auch eine zur Batteriezelle 10 in Reiche geschaltete weitere Batteriezelle 10. Eine Kommunikation des Kurzschlusses kann aber auch zu jeder beliebigen weiteren Batteriezelle 10 erfolgen, unabhängig davon, ob es sich dabei um eine Nachbarzelle 10 handelt oder nicht. Selbst wenn aus irgendwelchen Gründen andere Batteriezellen 10 einen solchen Kurzschluss nicht detektieren, zum Beispiel weil sie aktuell deaktiviert sind, da sie zur Zeit nicht benötigt werden, können diese Batteriezellen 10 ebenfalls entsprechende Maßnahmen, insbesondere Sicherheitsmaßnahmen, wie eine Abschaltung der Batteriezellen 10 einleiten, insbesondere eine dauerhafte Abschaltung zumindest bis der Defekt behoben ist.
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Ein besonders großer Vorteil besteht vor allem darin, dass eine Abschaltung der betreffenden Batteriezelle 10 dadurch erfolgt, indem die Steuereinrichtung 14, je nachdem ob die Batteriezelle nur einen Schalter S1 oder S2 aufweist oder beide Schalter S1 und S2, zumindest einen der beiden Schalter S1, S2 ansteuert und entsprechend öffnet, sodass das galvanische Element 16 zumindest von einem der Zellpole 18a, 18b entkoppelt wird. Besonders viel Sicherheit kann dadurch bereitgestellt werden, indem beide Schalter S1, S2 geöffnet werden, zumindest wenn die Batteriezelle 10 beide Schalter S1 und S2 aufweist. Da die beiden Schalter S1, S2, wie bereits erwähnt, als elektronisch steuerbare Schalter ausgestaltet sein können, wird damit eine besonders schnelle Stromabschaltung ermöglicht, sodass kurzschlussbedingte hohe Stromflüsse schneller begrenzt beziehungsweise unterbunden werden können und damit möglichen Beschädigungen der Batteriezelle 10 deutlich schneller entgegen gewirkt beziehungsweise solche Beschädigungen von vornherein verhindert werden können. Dies gilt entsprechend auch, wenn nur einer der beiden Schalter S1 oder S2 vorgesehen ist. Auch Schädigungen anderer Batteriezellen 10 kann entgegen gewirkt werden, da das Ereignis eines Kurzschlusses ebenfalls sehr schnell an das übergeordnete Steuergerät und/oder die anderen Batteriezellen 10 kommuniziert werden kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Batterie 30, insbesondere einer Hochvoltbatterie für ein Elektrofahrzeug, welche mehrere der Batteriezellen 10, die wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein können, aufweist. Diese Batteriezellen 10 befinden sich hierbei exemplarisch in einer Reihenschaltung aus mehreren Parallelschaltungen dieser Batteriezellen 10. Insbesondere sind hierbei als Beispiel je zwei Batteriezellen 10 zueinander parallel geschaltet, und diese Zellgruppen wiederum zueinander in Reihe. An den Zellpolen 30a, 30b der Hochvoltbatterie 30 ist dann entsprechend ein positives Hochvoltpotential HV+ und ein negatives Hochvoltpotential HVbereitgestellt. Im Allgemeinen kann eine solche Hochvoltbatterie 30 beliebige Kombinationen von Parallel- und/oder Reihenschaltungen aus den beschriebenen Batteriezellen 10 aufweisen, insbesondere auch nur eine reine Reihenschaltung beziehungsweise eine reine Parallelschaltung, je nach Anwendungsfall.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Veranschaulichung des Spannungseinbruchs einer konventionellen Batteriezelle bei einem Kurzschluss mit sehr geringem Kurzschlusswiderstand, insbesondere bei einem Kurzschlusswiderstand von 1 Milliohm. Das Diagramm veranschaulicht dabei zum einen den zeitlichen Verlauf der Zellspannung 32 sowie den Kurzschlussstrom 34. Die Zeit t ist dabei in Minuten angegeben, die Spannung U in Volt und die Stromstärke I in Ampere. Der Kurzschluss setzt dabei zum Zeitpunkt t0 ein, welcher einen abrupten Stromfluss 34 verursacht, insbesondere in Form eines Strompeaks, der zu einem Einbruch des zeitlichen Verlaufs der Zellspannung 32, insbesondere der Ruhespannung der Batteriezelle, führt. Anhand dieses Spannungseinbruchs des zeitlichen Verlaufs der Zellspannung 32 lässt sich ein solcher Kurzschluss einfach und zuverlässig detektieren, was entsprechend bei einer entsprechenden Ausbildung einer Batteriezelle 10 mit einer Schutzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung genutzt werden kann.
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4 zeigt dabei ein weiteres Beispiel eines zeitlichen Verlaufs der Zellspannung 32 einer konventionellen Batteriezelle im Falle eines Kurzschlusses mit mittlerem Kurzschlusswiderstand, insbesondere einem Kurzschlusswiderstand von 5 Milliohm. Auch hier setzt der Kurzschluss wieder zum Zeitpunkt t0 ein, was zu einem abrupten Anstieg des Stromflusses 34 durch die Batteriezelle führt. Dies hat wiederum einen Spannungseinbruch des zeitlichen Verlaufs der Zellspannung 32 zur Folge, die hier insbesondere wiederum die Ruhespannung der Batteriezelle darstellt. Im Gegensatz zum Beispiel aus 3 wird gemäß 4 dieser Kurzschluss deutlich später unterbunden, um den weiteren zeitlichen Verlauf der Zellspannung 32 und des Kurzschlussstroms 34 zu veranschaulichen, die während des Kurzschlusses näherungsweise konstant bleiben würden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt jedoch eine deutlich schnellere Unterbrechung eines solchen Kurzschlusses, zumindest wenn es sich dabei um einen externe Kurzschluss handelt, insbesondere im Mikrosekundenbereich bis Millisekundenbereich, wie dies anhand von 6 näher erläutert wird.
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5 veranschaulicht ein weiteres Beispiel des zeitlichen Verlaufs der Zellspannung 32 einer konventionellen Batteriezelle im Falle eines Kurzschlusses mit hohem Kurzschlusswiderstand, insbesondere in diesem Beispiel 10 Milliohm, sowie auch wiederum den zeitlichen Verlauf des Kurzschlussstroms 34, wobei auch hier der Kurzschluss wiederum zum Zeitpunkt t0 einsetzt und ebenfalls nicht gleich unterbunden wird, sondern erst bei circa 10 Minuten. Auch hier zeigt sich wiederum, dass ein abrupter Stromanstieg 34 im Falle des Kurzschlusses einen Spannungseinbruch des zeitlichen Verlaufs der Zellspannung 32 beziehungsweise der Ruhespannung der einer konventionellen Batteriezelle zur Folge hat, was nun bei einer Batteriezelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung genutzt werden kann, um einen solchen Kurzschluss zu detektieren.
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Insbesondere kann der zeitliche Verlauf der Zellspannung 32 zur Detektion eines Kurzschlusses dabei mit einem Grenzwert G verglichen werden, der in 3, 4 und 5 und insbesondere auch in 6 durch eine gestrichelte horizontale Linie veranschaulicht ist. Wie zu sehen ist, lässt sich durch einen solchen Grenzwert G in all diesen Fällen, das heißt von sehr kleinen Kurzschlusswiderständen hin bis zu sehr großen Kurzschlusswiderständen, ein geeigneter Grenzwert G festlegen, mittels welchem sich in all diesen Fällen ein Kurzschluss zuverlässig detektieren lässt. Alternativ oder zusätzlich kann auch die zeitliche Änderung des Spannungsverlaufs 32 mit einem vorgebbaren Schwellwert verglichen werden. Wie in all diesen Figuren, nämlich 3, 4 und 5 zu erkennen ist, weist die zeitliche Spannungsänderung in allen Fällen einen so hohen Betrag auf, sodass sich darauf basierend noch zuverlässiger ein Kurzschluss detektieren lässt. Dabei können sowohl an die Höhe des Spannungseinbruchs als auch an die Größe der zeitlichen Änderung des Spannungsverlaufs 32 jeweilige Bedingungen geknüpft sein, insbesondere in Form vorgebbarer Schwellwerte, um den Kurzschluss zu detektieren. Dann kann entsprechend ein solcher Kurzschluss erst als detektiert gelten, wenn beide dieser Kriterien erfüllt sind, das heißt wenn die Spannung U unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts G fällt, sowie auch, wenn die zeitliche Änderung des Spannungsverlaufs 32 unter einen weiteren Gradientengrenzwert fällt.
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Hierzu zeigt 6 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Veranschaulichung eines durch einen Kurzschluss bedingten Spannungseinbruchs des zeitlichen Verlaufs der Zellspannung 32'sowie auch wiederum den zeitlichen Verlauf des Kurzschlussstroms 34` bei geringem Kurzschlusswiderstand bei einer Batteriezelle 10 mit einer Schutzvorrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier setzt der Kurzschluss wiederum zum Zeitpunkt t0 ein. Durch die Schutzvorrichtung 12 wird dieser Kurzschluss nun detektiert, sobald die Spannung U bzw. deren zeitlicher Verlauf 34` den vorgegebenen Spannungsgrenzwert G unterschreitet. Im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen kann der Kurschluss damit im Millisekundenbereich oder noch schneller unterbrochen werden, insbesondere durch Öffnen eines Schalters S1 oder S2 oder beider Schalter S1 und S2. Folglich kann der Kurzschlussstrom in diesem Beispiel keinen so hohen Maximalwert erreichen, wie zum Beispiel in 3. Insbesondere ist der Spannungsgrenzwert G und/oder der Gradientengrenzwert so bemessen, dass gewährleistet ist, dass der maximale Kurschlussstrom immer unterhalb einer definierten Schwelle, zum Beispiel 400 Ampere bleibt, so wie dies auch in diesem Beispiel der Fall ist.
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Somit kann auf besonders einfache und zuverlässige Weise mittels einer Spannungsdetektion beziehungsweise der Detektion eines Spannungseinbruchs ein Kurzschluss oder zumindest ein heftiger und möglicherweise schädlicher Stromfluss erkannt werden. Ein solcher Spannungseinbruch kann in Folge und insbesondere in kürzester Zeit, insbesondere im Mikrosekundenbereich bis Millisekundenbereich, einen oder mehrere Schalter S1, S2 der Batteriezelle 10 öffnen, sodass der Kurzschlussstrom unterbunden werden kann, beziehungsweise so schnell, dass es überhaupt nicht zu einem so hohen Stromfluss kommen kann, der die Batteriezelle 10 möglicherweise schädigen könnte oder sogar zerstören könnte. Ein solches detektiertes Ereignis kann weiterhin sofort an Nachbarzellen, allgemein andere Zellen oder an ein übergeordnetes Steuergerät kommuniziert werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Kurzschlussdetektion mittels Spannungseinbruchserkennung bei Smartcells bereitgestellt werden kann, die eine sehr kostengünstige Umsetzungsvariante darstellt, da nur eine Spannungsmessung erforderlich ist, eine sehr schnelle Kurzschlussdetektion und folglich eine sehr schnelle Stromabschaltung ermöglicht, besonders einfach als Zusatzfunktion bei Smartcell-Gesamtkonzepten umsetzbar ist, da prinzipiell keine zusätzlichen Hardwarekomponenten, wie Schalter oder Sensoren benötigt werden, wenn diese ohnehin in solchen intelligenten Batteriezellen vorhanden sind, die zudem eine klare Unterscheidung zwischen einem Kurzschluss und beispielsweise einem Boost oder einer Beschleunigung erlaubt, die Sicherheit massiv steigern kann, durch die eine Vermeidung von Kurzschlüssen und unerwünschten heftigen Batteriezellbelastungen ermöglicht wird, und die zudem ermöglicht, Schwellwerte beziehungsweise Parameter für die Kurzschlussdetektion programmierbar und einfach definierbar zu machen und die alternativ auch eine einfache Umsetzung mittels einer analogen Schaltung erlaubt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013214726 A1 [0003]
- DE 102011079292 A1 [0004]
- WO 2018/142139 A1 [0005]
