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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batterieanordnung mehrere Batteriezellen, umfassend mindestens eine erste Batteriezelle und mindestens eine zweite Batteriezelle, aufweist, und wobei die Batterieanordnung eine erste Batterieeinheit umfasst, die die mindestens eine erste Batteriezelle aufweist, und eine zweite Batterieeinheit umfasst, die die mindestens eine zweite Batteriezelle aufweist. Dabei sind die erste und die zweite Batterieeinheit mittels einer elektrischen Verbindung zueinander in Reihe geschaltet. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterieanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung.
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Bei der Batterieanordnung im Rahmen der Erfindung handelt es sich vorzugsweise um eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Mit der immer größer werdenden Verbreitung von Traktionsbatterien in Fahrzeugen werden auch immer neue Anforderungen und Gesetze bezüglich deren Sicherheit veröffentlicht. Diese beschäftigen sich unter anderem mit dem Verhalten einer Traktionsbatterie im Fahrzeug beim Thermal-Runaway einer Zelle, das heißt dem thermischen Durchgehen einer Zelle. Gemäß mancher Richtlinien soll nach einem detektierten Thermal-Runaway einer Zelle den Fahrzeuginsassen eine Evakuierungszeit von mindestens fünf Minuten bleiben, in der es zu keiner Gefährdung durch zum Beispiel Feuer kommen darf.
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Bei einem thermischen Durchgehen einer Zelle gibt es mehrere Effekte, im Wesentlichen drei, die zu einem Batteriebrand führen können: Der aus der Zelle austretende heiße und abrasive Gasstrahl, der das Gehäuse der Batterie thermisch und mechanisch beansprucht, ein Entzünden dieses Gasstrahls, und ein Lichtbogen, der durch Kontamination des Batterieinnenraums mit leitfähigem Gas und Partikeln entstehen kann. Dieser Lichtbogen kann wiederum eine Zündquelle für das austretende Gas sein.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Vorgehensweisen bekannt, die versuchen, ein solches thermisches Durchgehen einer Zelle zu vermeiden, indem Defekte einer Zelle möglichst frühzeitig erkannt werden. Beispielsweise beschreibt die
US 2020/0280108 A1 ein intelligentes Batteriemanagementsystem, welches anhand von Sensordaten einer Zelle in einem Batteriesystem vorhersagt, ob ein Fehlerereignis der Zelle bevorsteht und falls ja, das Fehlerereignis verhindert, indem ein Steuerschaltkreis, der mit der Zelle verbunden ist, aktiviert wird. Dabei kann die Zelle auch von der restlichen Schaltung getrennt werden.
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Weiterhin beschreibt die
US 2008/0241667 A1 ein Batteriesystem mit mehreren zueinander parallel geschalteten Batteriezellen, die jeweils mit einem Pol über einen dünnen Draht mit einer Kollektorplatte gekoppelt sind. Der Draht ist dabei so ausgestaltet, dass dieser bei zu hohen Temperaturen, ähnlich wie eine Schmelzsicherung, oder bei zu starker mechanischer Beanspruchung die Verbindung zwischen der Zelle und der Kollektorplatte trennt.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2011 106 297 A1 eine Batterieanordnung für einen Kraftwagen, bei welcher mehrere Batterien miteinander in Reihe verschaltet sind und wobei mehrere Ausgangsanschlüsse vorgesehen sind, an welchen jeweils unterschiedliche Gesamtspannungen abgreifbar sind. Beispielsweise kann ein solcher Ausgangsanschluss über einen Abgriff zwischen zwei in Reihe geschalteten Batterien bereitgestellt sein. Weiterhin kann eine Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, einen Kurzschluss zwischen den Anschlüssen zu erfassen und bei Erfassen eines solchen Kurzschlusses die Verbindung zwischen den Batterien und dem betreffenden Anschluss über ein Schaltelement zu trennen. Mit anderen Worten werden hierdurch die entsprechenden Ausgangsanschlüsse spannungsfrei geschaltet.
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Kommt es letztendlich, zum Beispiel trotz der oben beschriebenen Maßnahmen, zu einem thermischen Durchgehen einer Zelle, so besteht durch die oben bereits beschriebenen drei Effekte die Gefahr eines Batteriebrands. Wünschenswert wäre es daher, auch im Falle, dass eine Batteriezelle thermisch durchgeht, die Gefahr eines solchen Batteriebrands zu mindern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterieanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, die Gefahr eines Batteriebrands im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle zu mindern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug weist mehrere Batteriezellen, umfassend mindestens eine erste Batteriezelle und mindestens eine zweite Batteriezelle auf. Dabei umfasst die Batterieanordnung eine erste Batterieeinheit, die die mindestens eine erste Batteriezelle aufweist, und eine zweite Batterieeinheit, die die mindestens eine zweite Batteriezelle aufweist, wobei die erste und die zweite Batterieeinheit mittels einer elektrischen Verbindung zueinander in Reihe geschaltet sind. Weiterhin weist die Batterieanordnung eine Detektionseinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, ein thermisches Durchgehen zumindest einer der Batteriezellen gemäß einem vorbestimmten Kriterium zu erfassen, und mindestens eine Trenneinrichtung, die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem Erfassen des thermischen Durchgehens durch die Detektionseinrichtung die elektrische Verbindung zwischen der ersten und zweiten Batterieeinheit zu trennen.
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Die beruht dabei auf folgenden Erkenntnissen: Wie eingangs bereits beschrieben, kann im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle ein Lichtbogen entstehen, der insbesondere durch die Kontamination des Batterieinnenraums mit leitfähigem Gas und Partikeln, die aus der betreffenden Batteriezelle austreten, verursacht ist. Interne Versuche haben dabei gezeigt, dass eine Verringerung der Systemspannung zu einer Verringerung der Lichtbogenneigung führt. Die Systemspannung kann zum Beispiel verringert werden, indem man den Stromkreis der Hochvoltbatterie in mehrere Stromkreise geringerer Spannung aufteilt. Werden also beispielsweise mehrere Batteriezellen in Reihe geschaltet, so ist an den Enden dieser Reihe eine Gesamtsystemspannung abgreifbar. Teilt man die Reihenschaltung beispielsweise in der Mitte durch, so entstehen zwei Teilstränge, an deren Enden lediglich nur noch die halbe Systemspannung abgreifbar ist. Durch ein Auftrennen einer Reihenschaltung der oben genannten Batterieeinheiten lässt es sich also vorteilhafterweise erreichen, die maximale, durch die Batterieanordnung bereitstellbare und zwischen zwei Punkten der Batterieanordnung abgreifbare Spannung durch Trennen der elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Batterieeinheit zu reduzieren. Entsprechend reduziert sich auch die Wahrscheinlichkeit für eine Lichtbogenbildung, da hierdurch die maximal möglichen Potentialdifferenzen zwischen zwei unterschiedlichen Punkten der Batterieanordnung reduziert ist. Da hierdurch die Wahrscheinlichkeit für eine Lichtbogenbildung reduziert ist oder die Lichtbogenbildung sogar vollständig verhindert werden kann, wird entsprechend auch die Wahrscheinlichkeit für einen aus dem thermischen Durchgehen einer Zelle resultierenden Batteriebrand reduziert. Somit kann durch die Erfindung selbst dann, wenn eine Batteriezelle bereits thermisch durchgeht, die Sicherheit im Fahrzeug erhöht werden, da die Wahrscheinlichkeit für schwerwiegende Folgen eines solchen thermischen Durchgehens, wie zum Beispiel ein Batteriebrand, zumindest verringert werden kann.
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Bevorzugt wird durch die Batterieanordnung eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, bereitgestellt, welche insbesondere als Traktionsbatterie funktioniert. Die Batteriezellen können dabei als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein und zum Beispiel als prismatische Zellen, Rundzellen oder Pouchzellen bereitgestellt sein. Vorzugsweise weist die Batterieanordnung vielzellige Batteriezellen auf. Insbesondere sind in einer Hochvoltbatterie typischerweise mehrere hundert Batteriezellen miteinander verschaltet, was auch vorliegend bevorzugt der Fall ist.
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Eine Batterieeinheit, wie die erste und zweite Batterieeinheit, stellt dabei im Allgemeinen mindestens eine Batteriezelle dar. Eine Batterieeinheit kann also auch lediglich eine einzelne Batteriezelle darstellen. Bevorzugt umfasst eine Batterieeinheit jedoch mehrere Batteriezellen. Optional kann eine solche Zellgruppe, die von einer Batterieeinheit umfasst ist beziehungsweise eine Batterieeinheit darstellt, auch als Batteriemodul ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann eine Batterieeinheit auch ein Batteriemodul mit mehreren, miteinander verschalteten Batteriezellen darstellen, welches drüber hinaus auch ein Modulgehäuse aufweisen kann, in welchem die Zellen angeordnet sind. Beispielsweise kann die erste Batterieeinheit mehrere erste Batteriezellen aufweisen. Diese mehreren ersten Batteriezellen können dabei wiederum innerhalb der Batterieeinheit in einer Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung angeordnet sein. Ist die Batterieeinheit also als Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen ausgebildet, so trennt die Trenneinrichtung im Falle der Detektion eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle die elektrische Verbindung zwischen den beiden Batteriemodulen. Die Trenneinrichtung kann aber auch im Allgemeinen dazu ausgebildet sein, die elektrische Verbindung zwischen zum Beispiel zwei einzelnen Batteriezellen, zum Beispiel auch innerhalb eines Batteriemoduls zu trennen. Aus Platzgründen ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Trenneinrichtung außerhalb der von der Batterieanordnung umfassten Batteriemodule angeordnet ist. Zudem hat es sich gezeigt, dass, je nach geometrischer Ausgestaltung des Batteriesystems, das heißt der Batterieanordnung, unter Umständen bereits lediglich eine Halbierung der Gesamtsystemspannung ausreichend sein kann, um eine Lichtbogenbildung effizient zu verhindern. Demnach kann auch eine einzige Trenneinrichtung zum Trennen der Reihenschaltung aus mehreren Batteriemodulen, vorzugsweise in der Mitte, ausreichend sein. Mit anderen Worten sind wenige Trenneinrichtungen ausreichend, um ausreichend kleine Teilspannungen einzelner Modul- oder Zellstränge bereitzustellen, durch welche eine Lichtbogenbildung effizient verhindert werden kann. Insbesondere kann die Anzahl an Trenneinrichtungen deutlich geringer sein als die Anzahl der von der Batterieanordnung umfassten Batteriezellen, insbesondere um eine oder mehrere Größenordnungen, und insbesondere auch kleiner als die von der Batterie umfassten Anzahl an Batterieeinheiten, insbesondere Batteriemodulen. Damit lässt sich die Batterieanordnung auf besonders einfache, kostengünstige und vor allem auch bauraumeffiziente Weise ausgestalten.
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Um die Trenneinrichtung zu aktivieren beziehungsweise auszulösen, kann die Detektionseinrichtung beispielsweise auch eine Steuereinrichtung umfassen, die dazu ausgelegt ist, bei Erfassen des thermischen Durchgehens die Trenneinrichtung zum Trennen der elektrischen Verbindung anzusteuern. Eine solche Steuereinrichtung kann zum Beispiel auch vom Batteriemanagementcontroller umfasst sein, der ein übergeordnetes, der Batterieanordnung zugeordnetes Steuergerät darstellt. Ein solcher Batteriemanagementcontroller übernimmt dabei ohnehin im normalen Betrieb diverse Überwachungsaufgaben, insbesondere im Zusammenhang mit der Zustandsüberwachung der Batterie beziehungsweise der Batterieanordnung. Daher ist es besonders einfach, besonders die Steuerfunktionalität der Detektionseinrichtung in einem solchen Batteriemanagementcontroller zu integrieren.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Detektionseinrichtung mindestens einen Temperatursensor auf, der dazu ausgelegt ist, eine Temperatur innerhalb eines Batteriegehäuses, in welchem die erste und zweite Batterieeinheit angeordnet sind, zu erfassen. Das Batteriegehäuse ist dabei auch Bestandteil der Batterieanordnung. Weiterhin ist es dabei bevorzugt, dass das vorbestimmte Kriterium, gemäß welchem das Durchgehen der mindestens einen Batteriezelle erfasst wird, umfasst, dass die Temperatur einen vorbestimmten Temperatur-Grenzwert überschreitet; und/oder eine, insbesondere positive, zeitliche Änderung der Temperatur einen vorbestimmten Temperaturgradienten-Grenzwert überschreitet.
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Beim thermischen Durchgehen einer Zelle erwärmt diese sich sehr stark innerhalb kurzer Zeit. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, die Temperatur der Batteriezellen zu überwachen, insbesondere auf einen solch starken Anstieg hin. Hierzu eignen sich einerseits sowohl der Vergleich der aktuellen Temperatur mit einem vorbestimmten Temperaturgrenzwert sowie vor allem aber auch die Betrachtung des zeitlichen Verlaufs der Temperatur. Besonders vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn das thermische Durchgehen einer der Batteriezellen erfasst wird, wenn nicht nur eine der genannten Bedingungen erfüllt ist, sondern zum Beispiel auch erst, wenn beide dieser genannten Bedingungen erfüllt sind. Hierdurch können vorteilhafterweise Fehldetektionen und Fehlauslösungen vermieden werden und ein zusätzlicher Validierungsmechanismus bereitgestellt werden.
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Zur Erfassung der Temperatur kann nicht nur ein Temperatursensor, sondern mehrere Temperatursensoren verwendet werden, die beispielsweise innerhalb eines Batteriegehäuses verteilt angeordnet sind. Optional können solche Temperatursensoren auch innerhalb eines jeweiligen Modulgehäuses angeordnet sein und damit besonders zellnah, so dass eine besonders zuverlässige und schnelle Erfassung eines thermischen Durchgehens ermöglicht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Detektionseinrichtung mindestens einen Gassensor auf, der dazu ausgelegt ist, einen Gasdruck und/oder eine Gaszusammensetzung innerhalb eines Batteriegehäuses, in welchem die erste und zweite Batterieeinheit angeordnet sind, zu erfassen, wobei das vorbestimmte Kriterium insbesondere umfasst, dass eine Änderung der Gaszusammensetzung erfasst wird, und/oder der Gasdruck einen vorbestimmten Druck-Grenzwert überschreitet, und/oder eine, insbesondere wiederum positive, zeitliche Änderung des Gasdrucks einen vorbestimmten Druckgradienten-Grenzwert überschreitet.
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Auch der Druck beziehungsweise die Gaszusammensetzung sind geeignete Größen, um ein thermisches Durchgehen einer Zelle zu detektieren. Beim thermischen Durchgehen einer Zelle gast diese in der Regel aus, so dass dieses aus der Zelle austretende Gas einerseits zu einem Druckanstieg innerhalb des Batteriegehäuses führt beziehungsweise innerhalb eines Bereichs, in welchen das aus der Zelle austretende Gas eintritt, zum Beispiel ein Entgasungskanal, und andererseits führt dies auch zu einer Änderung der Gaszusammensetzung innerhalb des Batteriegehäuses beziehungsweise innerhalb dieses genannten Bereichs. Dies kann vorteilhafterweise nun durch einen solchen Gassensor detektiert werden, so dass gleichfalls eine zuverlässige Erkennung des Durchgehens einer Zelle bereitgestellt werden kann. Im einfachsten Fall kann ein solcher Gassensor als einfacher Drucksensor ausgebildet sein, der den Druck innerhalb des Batteriegehäuses misst. Ähnlich wie bei der Temperatur können dabei zur Erfassung des thermischen Durchgehens einer Zelle sowohl der Druck an sich als auch der Druckgradient betrachtet und mit entsprechenden Grenzwerten verglichen werden. Auch hier ist wiederum die Betrachtung beider Größen, nämlich des Drucks und des Druckgradienten, vorteilhaft, um eine besonders zuverlässige Detektion eines thermischen Durchgehens zu ermöglichen und Fehldetektionen möglichst auszuschließen. Besonders zuverlässig ist aber auch die Überwachung der Gaszusammensetzung innerhalb des Batteriegehäuses. Eine Änderung der Gaszusammensetzung kann nämlich in der Regel keine anderen Ursachen als das Ausgasen einer Batteriezelle haben. Damit lässt sich hierdurch ein thermisches Durchgehen ebenfalls besonders zuverlässig erfassen.
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Zudem können innerhalb des Batteriegehäuses auch hier nicht nur ein Gassensor, sondern entsprechend auch mehrere verteilt angeordnete Gassensoren vorgesehen sein.
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Besonders vorteilhaft ist es vor allem, wenn die Detektionseinrichtung sowohl mindestens einen Gassensor als auch mindestens einen Temperatursensor aufweist, so dass sowohl eine Temperaturgröße als auch eine Gasgröße zur Detektion des thermischen Durchgehens einer Zelle überwacht werden. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Erfassung des thermischen Durchgehens, da sich ein solches thermisches Durchgehen, insbesondere auch abhängig von der Sensorposition, in manchen Situationen zuerst als schneller Temperaturanstieg und in anderen Situationen aber zuerst durch ein Ausgasen der Zelle bemerkbar macht. In jeder dieser Situationen kann also durch die Verwendung verschiedenartiger Sensoren, nämlich Temperatur- und Gassensoren, eine sehr frühzeitige Detektion des thermischen Durchgehens bereitgestellt werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Detektion eines thermischen Durchgehens kann durch eine Spannungsüberwachung bereitgestellt werden. Entsprechend stellt es eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Detektionseinrichtung eine Spannungserfassungseinrichtung zur Erfassung zumindest einer die erste und/oder zweite Batterieeinheit betreffenden Spannung, insbesondere einer Zellspannung einer Batteriezelle, aufweist, wobei das vorbestimmte Kriterium umfasst, das die zumindest eine Spannung eine vorbestimmte Abweichung, insbesondere einen Spannungseinbruch, zu einer vorbestimmten Referenzspannung, aufweist. Diese Referenzspannung kann zum Beispiel eine Nominalspannung der betreffenden Batteriezelle oder Batterieeinheit darstellen oder auch eine gemittelte Spannung aller Batteriezellen oder Batterieeinheiten, oder Ähnliches. Auch hier kann zum Beispiel die erfasste Spannung mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden, und falls dieser unterschritten wird, kann die vorbestimmte Abweichung als detektiert gelten und damit zum Beispiel auch das thermische Durchgehen einer Zelle, gegebenenfalls zusammen mit optionalen weiteren Bedingungen.
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Bei der Betrachtung der Spannung ist es vor allem vorteilhaft, einzelne Zellspannungen zu überwachen. Eine solche Überwachung ist gerade dann besonders vorteilhaft, wenn die Batterieanordnung ausschließlich zueinander in Reihe geschaltete Batteriezellen aufweist, da in diesem Fall jede einzelne Zellspannung unabhängig von den Spannungen der anderen Batteriezellen erfassbar ist. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Spannung, insbesondere Zellspannung, eine Überwachungsgröße zur Detektion des thermischen Durchgehens einer Zelle darstellt, zumindest eine weitere Größe oder Bedingung zur Detektion des thermischen Durchgehens heranzuziehen. Es ist deshalb vorteilhaft, da sich hierdurch beispielsweise ein thermisches Durchgehen von anderen möglichen Defekten, wie zum Beispiel einem Kurzschluss, deutlich unterscheiden lässt. So lässt es sich wiederum bewerkstelligen, dass die Trenneinrichtung nur dann ausgelöst wird, wenn auch ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle vorliegt, und nicht lediglich ein anderer Zelldefekt.
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Im Allgemeinen stellt es eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Detektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, mindestens eine Überwachungsgröße zu erfassen, wobei das vorbestimmte Kriterium erfüllt ist, wenn die mindestens eine Überwachungsgröße mindestens zwei verschiedene vorbestimmte Bedingungen erfüllt. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, ein thermisches Durchgehen einer Zelle erst dann zu detektieren, wenn zwei Bedingungen, zum Beispiel zwei der verschiedenen oben genannten Bedingungen für Temperatur und/oder Spannung und/oder Gasdruck und/oder Gaszusammensetzung, erfüllt sind. Die oben genannten Bedingungen lassen sich dabei auch in beliebiger Weise kombinieren. Gerade durch die Kombination verschiedener Bedingungen kann ein thermisches Durchgehen einer Zelle besonders zuverlässig detektiert und von anderen möglichen Batteriefehlern auch zuverlässig unterschieden werden.
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Die Bedingungen müssen dabei nicht notwendigerweise die gleiche Überwachungsgröße betreffen. Die Überwachungsgröße kann, wie beschrieben, also zum Beispiel die Temperatur darstellen oder den Druck und/oder die Gaszusammensetzung und/oder die Spannung. Die mindestens zwei Bedingungen können sich zum Beispiel beide auf die Temperatur beziehen oder auch eine davon auf die Temperatur und die andere auf den Druck. Auch hier sind beliebige Kombinationsmöglichkeiten denkbar.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Verbindung als Leiterschiene ausgebildet und die mindestens eine Trenneinrichtung ist in die Leiterschiene integriert und/oder zur Durchtrennung der Leiterschiene ausgebildet. Eine solche Leiterschiene wird auch als Busbar bezeichnet und stellt zum Beispiel im Gegensatz zu einem Draht oder Kabel eine relativ dicke und massive Stromschiene dar. Eine solche Leiterschiene wird oft auch als Hochvolt-Verbinder bezeichnet. Solche Schienen werden oft verwendet, um Batteriemodule miteinander zu verschalten. Es ist nun besonders vorteilhaft, die Trenneinrichtung an einer solchen Schiene vorzusehen, da hierdurch die Trenneinrichtung außerhalb der Batteriemodule beziehungsweise im Allgemeinen der Batterieeinheiten angeordnet werden kann. Außerhalb der Batteriemodule steht dabei deutlich mehr Bauraum für die Anordnung einer solchen Trenneinrichtung zur Verfügung. Zudem sind bereits eine oder wenige Trenneinrichtungen ausreichend, um ausreichend kleine Teilspannungen bereitzustellen, die zur Lichtbogenminderung oder -vermeidung ausreichen. Es müssen als nicht mehrere solcher Trenneinrichtungen pro Batteriemodul vorgesehen werden, was ebenfalls die Anordnung einer solchen Trenneinrichtung außerhalb eines Batteriemoduls, insbesondere im Bereich einer solchen Stromschiene ermöglicht. Weiterhin sollte gerade im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle eine sichere Durchtrennung der Reihenschaltung bereitgestellt werden. Auch Halbleiter Schaltelemente sind bei entsprechender Stromtragfähigkeit, Dauerhaltbarkeit und Auslösesicherheit denkbar.
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Entsprechend stellt es eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die mindestens eine Trenneinrichtung eine Pyro-Sicherung und/oder einen Schütz und/oder ein Relais umfasst. Eine Pyro-Sicherung, auch Pyrofuse genannt, weist typischerweise einen zündfähigen Treibsatz auf, der bei Zündung explodiert und einen Kunststoffkeil in Bewegung setzt, der die elektrische Verbindung trennt, indem dieser zum Beispiel durch die oben genannte Leiterschiene geschossen wird beziehungsweise in diese Schiene eingetrieben wird und diese dadurch durchtrennt. Die Schienenteile sind entsprechend dann durch den Kunststoffkeil voneinander separiert und isoliert. Zwar ist eine derartige Durchtrennung der elektrischen Verbindung irreversibel, da somit eine Zerstörung der elektrischen Verbindung einhergeht, stellt aber die zuverlässigste Art dar, eine solche Durchtrennung herzustellen, außerdem weisen Pyro-Sicherungen sehr kurze Auslösezeiten auf, so dass die Durchtrennung durch eine solche Pyro-Sicherung auch auf besonders schnelle Weise bereitgestellt werden kann. Nichtsdestoweniger können aber auch andere Trenneinrichtungen zur Durchtrennung der elektrischen Verbindung verwendet werden. Beispielsweise kann auch ein Schütz und/oder ein Relais verwendet werden. Beide sind für große Leistungen ausgelegt und ermöglichen ein zuverlässiges Öffnen der elektrischen Verbindung. Insbesondere kann hierdurch eine beschädigungsfreie Trennung der elektrischen Verbindung bereitgestellt werden. Der Schütz beziehungsweise das Relais können dabei monostabil oder auch bistabil ausgebildet sein.
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Wird als Trenneinrichtung beispielsweise eine Pyro-Sicherung verwendet, so ist diese vorzugsweise an einer oben genannten Stromschiene als elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Batterieeinheit angeordnet. Vorzugsweise ist die Pyro-Sicherung in die elektrische Verbindung, zum Beispiel die Stromschiene, integriert. Im Normalbetrieb wird dabei Strom über diese Pyro-Sicherung bzw. Pyrofuse geführt. Nach Auslösen der Pyrofuse wird das System getrennt. Das Funktionsprinzip ist dabei ähnlich zu dem einer Schmelzsicherung mit dem Unterschied, dass die elektrische Verbindung durch eine Pyrofuse aktiv, d.h. bei Ansteuerung, getrennt werden kann. Ist die Trenneinrichtung als Schütz oder Relais ausgebildet, so fließt auch hier im Normalbetrieb der Batterieanordnung der Batteriestrom über diese Trenneinrichtung. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Trenneinrichtung mit der Stromschiene gekoppelt ist, insbesondere elektrisch verbunden ist oder in die Stromschiene elektrisch integriert ist. Dies ermöglicht eine besonders bauraumeffiziente Ausgestaltung und gleichzeitig eine besonders zuverlässige Durchtrennung der elektrischen Verbindung.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterieanordnung einen Batteriestrang mit mehreren in Reihen angeordneten Batterieeinheiten umfassend die erste und zweite Batterieeinheit auf, wobei der Batteriestrang einen Ausgang aufweist, an welchem eine Batteriegesamtspannung abgreifbar ist, wobei die mindestens eine Trenneinrichtung derart in Bezug auf den Batteriestrang angeordnet ist, dass bei einem Auslösen der mindestens einen Trenneinrichtung der Batteriestrang in mehrere Teilstränge separiert wird, das heißt also mindestens zwei, die jeweilige Teilspannungen bereitstellen, die sich um weniger als einen vorbestimmten Wert unterscheiden, insbesondere die in Bezug auf die Anzahl der von Ihnen umfassten Batteriezellen gleich sind. Wird also beispielsweise durch den gesamten Batteriestrang eine Batteriegesamtspannung von 400 Volt bereitgestellt, so ist es beispielsweise weniger effizient, diesen Strang so aufzuteilen, dass ein Teilstrang eine Teilspannung von 5 Volt und der andere eine Teilspannung von 395 Volt bereitstellt, als wenn beispielsweise dieser Gesamtstrang derart geteilt wird, dass zwei Teilstränge mit jeweils 200 Volt Teilspannung bereitgestellt werden. Es können aber auch mehrere Trenneinrichtungen vorgesehen werden, so dass mehr als zwei Teilstränge nach Auslösen dieser Trenneinrichtungen bereitgestellt sind. Auch hier ist es bevorzugt, eine Trennung so vorzunehmen, dass die maximale aller bereitgestellten Teilspannungen letztendlich ebenfalls möglichst klein ist, was sich erreichen lässt, wenn alle Teilspannungen näherungsweise gleich sind. Dies wiederum ist der Fall, wenn jeder Teilstrang annähernd die gleiche Anzahl an Batteriezellen umfasst. Durch eine möglichst gleichmäßige beziehungsweise symmetrische Teilung der Reihenschaltung kann die Effizienz dieser Maßnahme also gesteigert werden. Außerdem lässt sich hierdurch die Anzahl notwendiger Trenneinrichtungen minimieren.
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Hierbei gilt es aber auch zu beachten, dass auch eine geometrische Komponente der Anordnung der Batterieeinheiten beziehungsweise der Batteriezellen und deren elektrischer Verbindungen zueinander eine Rolle spielt. So sind Bereiche in denen Zellen oder Zellmodule einen hohen Potentialunterschied zueinander haben, aber räumlich nah beieinander liegen, besonders durch Lichtbögen gefährdet, gerade wenn sich dazwischen auch noch Gas mit leitfähigen Partikeln befindet. Entsprechend ist es vorteilhaft, dies bei der Anordnung der Trenneinrichtung zu berücksichtigen, d.h. diese zum Beispiel so anzuordnen, dass Zellen und/oder Batteriemodule, die in der Spannungsreihe weit voneinander entfernt sind, und damit einen hohen Potentialunterschied zueinander aufweisen, durch das Trennelement bei einem thermal Runaway elektrisch getrennt werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batterieanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für 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.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung ein Kraftfahrzeug, die mehrere Batteriezellen umfassend mindestens eine erste Batteriezelle und mindestens eine zweite Batteriezelle aufweist, wobei die Batterieanordnung eine erste Batterieeinheit umfasst, die die mindestens eine erste Batteriezelle aufweist, und die eine zweite Batterieeinheit umfasst, die die mindestens eine zweite Batteriezelle aufweist, wobei die erste und die zweite Batterieeinheit mittels einer elektrischen Verbindung zueinander in Reihe geschaltet sind. Weiterhin weist die Batterieanordnung eine Detektionseinrichtung auf, die ein thermisches Durchgehen zumindest einer der Batteriezellen gemäß einem vorbestimmten Kriterium erfasst, und mindestens eine Trenneinrichtung, die in Abhängigkeit von dem Erfassen des thermischen Durchgehens durch die Detektionseinrichtung die elektrische Verbindung zwischen der ersten und zweiten Batterieeinheit trennt.
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Auch hier gelten die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterieanordnung und ihren Ausführungsformen genannten 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 Batterieanordnung 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. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Teils einer Batterieanordnung mit einer in einem Hochvoltverbinder zwischen zwei Batteriemodulen integrierten Trenneinrichtung 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 Batterieanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Beispiel ist die Batterieanordnung 10 als eine Hochvoltbatterie 12 für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Die Batterieanordnung 10 weist dabei mehrere als Batteriemodule 14 ausgebildete Batterieeinheiten auf. Dieses Batteriemodul 14 umfasst dabei weiterhin eine mindestens Batteriezelle 16, wobei hier in 1 exemplarisch nur für ein Batteriemodul 14 eine solche Batteriezelle 16 schematisch dargestellt ist. Vorzugsweise umfasst jedes der Batteriemodule 14 mehrere Batteriezellen 16, die in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung zueinander angeordnet sein können. Beispielsweise kann jedes Batteriemodul 14 zwölf in Reihe angeordnete Batteriezellen 16 aufweisen oder auch zwölf zueinander in Reihe geschaltete Parallelschaltungen aus jeweils zwei oder drei Batteriezellen 16. Die Batteriemodule 14 sind des Weiteren zueinander in Reihe geschaltet. Weiterhin weist die Batterieanordnung 10 einen Ausgangsanschluss 18 auf, an welchem eine Gesamtspannung U der Batterieanordnung 10 abgreifbar ist. Diese Gesamtspannung U setzt sich dabei als Summe der jeweiligen Einzelspannungen der zueinander in Reihe geschalteten Batteriemodule 14 zusammen. Die einzelnen Batteriemodule 14 sind darüber hinaus miteinander über HV-Verbinder 20 elektrisch verbunden. Solche HV-Verbinder 20 sind üblicherweise als Stromschienen, auch Busbars genannt, ausgestaltet.
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Mit der immer größer werdenden Verbreitung von Traktionsbatterien rückt auch die Sicherheit, gerade im Zusammenhang mit einem möglichen thermischen Durchgehen einer Batteriezelle, immer weiter in den Fokus. Ein solches thermisches Durchgehen einer Batteriezelle kann dabei schlimmstenfalls zu einem Batteriebrand führen, der ein besonders hohes Gefahrenpotential für Insassen birgt. Durch die Erfindung und ihre Ausführungsformen ist es nun vorteilhafterweise möglich, die Gefahr eines solchen Batteriebrands zumindest zu reduzieren, indem die Wahrscheinlichkeit für eine Lichtbogenbildung reduziert werden kann, der oftmals durch Kontamination des Batterieinnenraums mit leitfähigem Gas und Partikeln, welches aus den Batteriezellen austreten kann, entstehen kann. Dieser Lichtbogen kann wiederum eine Zündquelle für das austretende Gas sein.
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Als Gegenmaßnahme weist die Batterieanordnung 10 nun vorteilhafterweise zum einen eine Detektionseinrichtung 22 auf, die mindestens einen Sensor 24 umfasst, der zum Beispiel als Temperatursensor oder Drucksensor oder Gassensor oder Spannungssensor oder auch als mehrere solcher Sensoren ausgebildet sein kann. Weiterhin weist die Detektionseinrichtung eine Steuereinrichtung 26, die dazu ausgelegt ist, die vom Sensor 24 erfassten Sensorsignale, vorliegend zum Beispiel betreffend die Temperatur T, den Druck p, eine Gaszusammensetzung G und/oder eine bzw. alle Zellspannungen Ui, auszuwerten. Basierend auf der Auswertung dieser Sensorsignale T, p, G, Ui ist die Detektionseinrichtung 22 vorteilhafterweise dazu ausgelegt, ein thermisches Durchgehen zumindest einer der Batteriezellen 16 zu detektieren. Ein solches thermisches Durchgehen einer Zelle 16 kann dabei zum Beispiel über die Temperatur T, den Spannungsabfall Ui an einer Zelle 16 oder über einen Gasaustritt aus der Zelle 16 detektiert werden. Mögliche Kriterien beziehungsweise Bedingungen, die für die Erfassung eines solchen thermischen Durchgehens erfüllt sein müssen, können zum Beispiel sein, dass die mittels des Sensors 24 erfasste Temperatur T einen bestimmten Schwellwert überschreitet und/oder der zeitliche Temperaturanstieg einen bestimmten Grenzwert überschreitet und/oder ein im Batteriegehäuse der Batterieanordnung 10 erfasster Druck p einen bestimmten Druckgrenzwert überschreitet und/oder ein Druckgradient einen bestimmten Druckgradienten-Grenzwert überschreitet und/oder sich eine Gaszusammensetzung G sich innerhalb des Gehäuses in vorbestimmter Weise oder vorbestimmtem Ausmaß ändert und/oder ein Spannungseinbruch einer Spannung Ui einer Zelle 16 detektiert wird. Insbesondere erlaubt die Erfassung einer oder mehrere dieser Überwachungsgrößen vorteilhafterweise eine zuverlässige Detektion eines thermischen Events.
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Weiterhin weist die Batterieanordnung 10 vorteilhafterweise mindestens eine Trenneinrichtung 28 auf, die nachfolgen auch zum Teil als Trennelement 28 bezeichnet wird. Dabei ist die Steuereinrichtung 26 dazu ausgelegt, bei Detektion des thermischen Events einer Zelle 16 diese Trenneinrichtung 28 anzusteuern und auszulösen. Daraufhin trennt die Trenneinrichtung 28 die elektrische Verbindung zwischen zumindest zwei Batteriezellen 16. In diesem Beispiel durchtrennt die Trenneinrichtung 28 den HV-Verbinder 20 zwischen zwei Batteriemodulen 14, die in diesem Beispiel als 14a und 14b bezeichnet sind. Dadurch wird die Reihenschaltung in zwei Teilstränge 30, 32 aufgetrennt, denen jeweils eine entsprechende Teilspannung U1, U2 zugeordnet ist, die gegenüber der ursprünglichen Ausgangsspannung U vermindert ist. In diesem Beispiel sind die jeweiligen Teilspannungen U1, U2 halb so groß wie die ursprüngliche Ausgangsspannung U, da die Trenneinrichtung 28 in diesem Fall so positioniert ist, dass eine symmetrische Durchtrennung der Reihenschaltung stattgefunden hat. Wurden also beispielsweise ursprünglich am Ausgang 18 400 Volt als Gesamtspannung bereitgestellt, so betragen die jeweiligen Teilspannungen U1, U2 in diesem Beispiel nunmehr nur noch 200 Volt.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass eine Verringerung der Systemspannung zu einer Verringerung der Lichtbogenneigung führt. Die Systemspannung, das heißt die maximal in der Batterieanordnung 10 bereitstellbare Spannung, kann zum Beispiel verringert werden, indem, wie beschrieben, man den Gesamtstromkreis der Hochvoltbatterie 12 in mehrere, insbesondere offene, Stromkreise, in diesem Fall die Teilstränge 30, 32, geringerer Spannung U1, U2 aufteilt. Bewerkstelligt wird dies hierbei vorteilhafterweise durch das Trennelement, das heißt die Trenneinrichtung 28, die zum Beispiel als Pyrofuse, Hochvoltschütz, Relais oder Ähnliches ausgebildet sein kann. Trennt diese trennbare Detektierung eines Thermal-Runaways den Stromkreis des Batteriesystems auf und schafft dabei mehrere voneinander getrennte Stromkreise, das heißt Teilstränge 30, 32, mit jeweils geringerer Spannung U1, U2. Mit anderen Worten, wird ein Thermal-Runaway einer Zelle 16 zum Beispiel über Temperatur T, Spannungsabfall oder Gasaustritt G detektiert, löst der Batteriecontroller oder ein anderes Steuergerät, das heißt im Allgemeinen die Steuereinrichtung 26, eines oder mehrere Trennelemente aus und verringert dadurch das Spannungsniveau in der Batterie 12, wodurch es zu keinen Lichtbögen mehr kommt. Das Trennelement 28 kann auch in einem HV-Verbinder 20 integriert sein, wie dies zum Beispiel in 2 näher illustriert ist.
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2 zeigt dabei eine schematische und perspektivische Darstellung eines Teils der Batterieanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere kann die Batterieanordnung 10 wie zur 1 beschrieben ausgebildet sein. In diesem Beispiel ist ein Teil eines ersten Batteriemoduls 14a und eines zweiten Batteriemoduls 14b zu sehen, die jeweils einen Polanschluss 34a, 34b aufweisen. Einer dieser beiden Polanschlüsse 34a, 34b ist dabei als Pluspol, der andere als Minuspol ausgebildet.
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Diese Polanschlüsse 34a, 34b sind über einen HV-Verbinder 20 miteinander elektrisch leitend verbunden, von welchem hier lediglich die elektrische isolierende Abdeckung zu sehen ist. In diesem HV-Verbinder 20 integriert beziehungsweise an diesem angeordnet ist in diesem Beispiel eine als Pyro-Sicherung 36 ausgebildete Trenneinrichtung 28. Wird nun wie beschrieben ein thermisches Event einer Batteriezelle 16 detektiert, so wird diese Pyro-Sicherung 36 ausgelöst und durchtrennt wie beschrieben, in diesem Beispiel irreversibel durch den HV-Verbinder 20, indem ein Kunststoffkeil durch diesen HV-Verbinder 20 getrieben wird.
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Bereits das Vorsehen nur eines solchen Trennelements 28 ist bei geeigneter Positionierung ausreichend, um eine Lichtbogenbildung zumindest in den meisten Fällen effizient zu vermeiden. Dabei ist ein solches Trennelement 28 einerseits vorzugsweise so in Bezug auf die Reihenschaltung der Batteriemodule 14 angeordnet, dass eine möglichst symmetrische Aufteilung in Teilspannungen U1, U2 erfolgt, das heißt, die resultierenden Teilspannungen U1, U2 sollten möglichst gleich groß sein, um den maximalen Spannungsreduktionseffekt hervorrufen zu können. Zum anderen ist es auch vorteilhaft, wenn das Trennelement 28 so angeordnet ist, dass Zellen und/oder Batteriemodule, die in der Spannungsreihe weit voneinander entfernt sind, und damit einen hohen Potentialunterschied zueinander aufweisen, aber räumlich nah beieinander liegen, durch das Trennelement elektrisch getrennt werden. So wird die Wahrscheinlichkeit für einen Spannungsdurchschlag weiter reduziert. Gleiches gilt auch, wenn mehrere Trennelemente 28 vorgesehen sind.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Batterietrennelement bei einem Thermal-Runaway bereitgestellt werden kann, welches es durch die Auftrennung einer Reihenschaltung in Teilstränge ermöglicht, die maximale Systemspannung auf geringere Teilspannungen zu reduzieren, wodurch die Wahrscheinlichkeit für eine Lichtbogenbildung enorm reduziert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2020/0280108 A1 [0004]
- US 2008/0241667 A1 [0005]
- DE 102011106297 A1 [0006]
