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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entladen von Batteriemodulen einer Batterie im Falle eines Fehlerzustands zumindest eines der Batteriemodule, wobei ein jeweiliges der mehreren Batteriemodule mindestens eine Batteriezelle aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Steuern eines Entladens von Batteriemodulen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Batteriezellen oder Batteriemodule, im Fallen eines Defekts, insbesondere im Falle eines thermischen Durchgehens, entladen werden können.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2016 224 002 A1 ein Entladen von wenigstens einem Batteriemodul einer Batterie, wobei die Batteriezellen des Batteriemoduls benachbart zueinander angeordnet sind, und wobei die Batteriezellen des zu entladenden Batteriemoduls nacheinander mit einer Entladeeinrichtung mittels der Zellenschalteinheit ausgehend von einer vorgegebenen Batteriezelle selektiv elektrisch gekoppelt werden, um die Batteriezellen zum Entladen des Batteriemoduls einzeln nacheinander elektrisch zu entladen. Dabei kann die Batteriezelle, bei der ein fehlerhafter oder gestörter Zustand vorliegt, zuerst entladen werden und dann zum Beispiel die räumlich benachbart angeordneten Batteriezellen. Dadurch soll der Ort einer möglichen Fehlerquelle energietechnisch zuvorderst entschärft werden.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2018 203 164 A1 ein Sicherheitssystem zum Durchführen einer Notentladefunktion bei einer Batterie, wobei, sobald die Gefahr eines thermischen Durchgehens bei einer Batteriezelle der Batterie erkannt wird, zum Durchführen der Notentladefunktion wenigstens bei einer der durchgehenden Batteriezelle benachbarten Batteriezelle und/oder bei wenigstens einem mehrere Batteriezellen aufweisende Nachbarmodul des Batteriemoduls mit der durchgehenden Batteriezelle ein Kurzschluss hergestellt wird.
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Die bisherigen Verfahren haben den Nachteil, dass ein Entladen sehr viel Zeit in Anspruch nimmt, zum Beispiel wenn einzelne Batteriezellen langsam nacheinander entladen werden, oder andererseits durch ein schnelles Entladen, zum Beispiel durch Kurzschließen einzelner Zellen, das thermische Durchgehen dieser Zellen nur noch zusätzlich gefördert wird, da zum Beispiel das Kurzschließen einer Zelle eine extrem starke Erhitzung einer solchen Zelle nach sich zieht, weshalb gerade auch Kurzschlüsse von Zellen eine der Ursachen eines thermischen Durchgehens von Zellen darstellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Steuereinrichtung bereitzustellen, die es erlauben, einem thermischen Durchgehen einer Batterie auf möglichst effiziente Weise entgegenzuwirken.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entladen von Batteriemodulen einer Batterie im Falle eines Fehlerzustands zumindest eines der Batteriemodule weist ein jeweiliges der mehreren Batteriemodule mindestens eine Batteriezelle auf. Dabei werden unter der zumindest einen Bedingung, dass zumindest eine erste Batteriezelle eines ersten Batteriemoduls der mehreren Batteriemodule mindestens einen bestimmten kritischen Zustand aufweist, alle der Batteriemodule, die vom ersten Batteriemodul verschieden sind, zumindest unter einer zweiten Bedingung gemäß einer vorbestimmten Reihenfolge zumindest zum Teil entladen, wobei die Reihenfolge in Abhängigkeit von einer räumlichen Entfernung der jeweiligen vom ersten Batteriemodul verschiedenen Batteriemodule vom ersten Batteriemodul und/oder in Abhängigkeit von einem thermischen Widerstand zwischen den jeweiligen vom ersten Batteriemodul verschiedenen Batteriemodulen und dem ersten Batteriemodul festgelegt ist.
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Ein Fehlerzustand liegt also vor, wenn mindestens eine Batteriezelle den mindestens einen bestimmten kritischen Zustand aufweist. Die Erfindung hat dabei den großen Vorteil, dass das Entladen hierbei weder auf das Batteriemodul, welches die Batteriezelle mit dem bestimmten kritischen Zustand aufweist, beschränkt ist, noch auf dessen unmittelbare Nachbarschaft beschränkt ist. Die Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise ein geordnetes Entladen aller Batteriemodule in einer vorbestimmten Reihenfolge, die die räumliche Entfernung zum defekten Modul, welches vorliegend als das erste Batteriemodul bezeichnet wird, und/oder die thermischen Eigenschaften dieser thermischen Übertragungsstrecken vom defekten Modul zu den anderen Batteriemodulen berücksichtigt. Zur Vereinfachung wird der thermische Widerstand zwischen dem ersten Batteriemodul und den vom ersten Batteriemodul verschiedenen Batteriemodulen auch als thermische Entfernung bezeichnet. Mit andere Worten kann die thermische Entfernung vom ersten Batteriemodul zu einem vom ersten verschiedenen Batteriemodul durch den thermischen Widerstand des Bereichs, inklusive aller in dem Bereich angeordneten Komponenten, Bauteile und Freibereiche, zwischen dem ersten Batteriemodul und dem vom ersten Batteriemodul verschiedenen Batteriemodul charakterisiert sein. Der thermische Widerstand kann auch als Wärmewiderstand bezeichnet werden und wird in K/W (Kelvin pro Watt) als Einheit angegeben. Im thermischen Widerstand ist implizit auch die räumliche Entfernung bereits berücksichtigt, da dieser mit zunehmender Entfernung zum ersten Modul abnimmt. Diese Abnahme muss jedoch nicht linear sein sondern kann wiederum vom thermischen Widerstand der im Zwischenbereich befindlichen Leerräume, Bauteile usw. abhängen. Die Erfindung beruht wiederum auf der Erkenntnis, dass sich im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls ein solches thermisches Durchgehen, gerade dann, wenn das betreffende Batteriemodul Feuer fängt, extrem schnell auf alle übrigen Batteriemodule ausbreiten kann, nicht nur auf die benachbarten Batteriemodule. Ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle beginnt dabei in der Regel mit einer langsamen Erwärmung dieser, bis diese letztendlich ausgast. Beim Ausgasen einer solchen Batteriezelle treten dabei aus der betreffenden Batteriezelle extrem heiße Gase aus, die auch elektrisch leitfähige Partikel und leicht entzündliche Bestandteile mit sich führen, wodurch es auch grundsätzlich leicht zu einem Brand der betreffenden Batteriezelle kommen kann. Zudem führen die austretenden Gase zu einer sehr schnellen Erhitzung benachbarter Batteriezellen, die dann ihrerseits wiederum thermisch durchgehen, wodurch es zu einer thermischen Propagation der gesamten Batterie kommt. Die anfängliche Erwärmungsphase im Zuge eines solchen thermischen Durchgehens bis zum Ausgasen einer solchen Batteriezelle kann dabei unter Umständen sehr lange dauern, insbesondere sich sogar über Stunden hinweg ziehen. Gerät jedoch eine solche Batteriezelle in Brand, so breitet sich ein solcher Brand über die gesamte Batterie innerhalb kürzester Zeit, insbesondere innerhalb von Minuten oder Sekunden, aus, was jedoch wiederum vom Ladezustand der Batterie beziehungsweise deren einzelner Batteriemodule und -zellen abhängt. Wird ein gezieltes Entladen aller Batteriemodule gemäß der vorbestimmten Reihenfolge bereits ab Detektion eines bestimmten kritischen Zustands zumindest einer ersten Batteriezelle des ersten Batteriemoduls initiiert, so kann einer thermischen Propagation maximal effizient entgegengewirkt werden. Würde ein betreffendes Batteriemodul erst dann entladen werden, wenn dieses selbst eine thermisch durchgehende Zelle umfasst, so ist es oftmals bereits deutlich zu spät, um eine thermische Propagation überhaupt noch aufhalten zu können. Auch wenn nur die unmittelbar benachbarten Batteriemodule entladen werden würden, so kann hierdurch einer thermischen Propagation, gerade bei sehr langen Entladezeiten, nicht so effizient entgegengewirkt werden, wie dies durch ein rechtzeitiges Entladen aller Batteriemodule ermöglicht wird. Durch die vorbestimmte Reihenfolge, die in Abhängigkeit von der räumlichen und/oder thermischen Entfernung der jeweiligen Batteriemodule vom betroffenen ersten Batteriemodul festgelegt ist, lässt sich zusätzlich eine bestimmte Priorisierung beim Entladen der Batteriemodule festlegen, sodass die dem ersten Batteriemodul nächstgelegenen Batteriemodule oder die Batteriemodule, zu denen sich die Wärme ausgehend vom defekten Modul am schnellsten ausbreitet, zuerst entladen werden, insbesondere sofern sie oben genannte vorbestimmte zweite Bedingung erfüllen. Dies ermöglicht es zudem, weitere Entladekriterien festzulegen. Durch das Entladen aller Batteriemodule gemäß dieser vorbestimmten Reihenfolge ist es nun möglich, dass die Batterie selbst im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit gar kein Feuer fängt und sich eine thermische Propagation sogar aufhalten lässt. Das Festlegen einer vorbestimmten Reihenfolge ist vor allem dann besonders vorteilhaft, wenn die Entladeressourcen begrenzt sind, das heißt wenn nur eine begrenzte Energiemenge pro Zeit aus den Zellen beziehungsweise der Batterie abgeführt werden kann. Durch eine in Abhängigkeit von der räumlichen und/oder thermischen Entfernung vom ersten Batteriemodul festgelegten Reihenfolge lässt sich so vorteilhafterweise zum Beispiel ein sternförmiges Entladekonzept umsetzen, welches im Folgenden auch als „Stern-Methode“ bezeichnet wird, in welchem insbesondere alle Raumrichtungen in gleicher Weise äquivalent Berücksichtigung finden können, und nicht nur eine einzelne Raumrichtung. Diese Reihenfolge kann zum Beispiel abhängig von einer gegebenen räumlichen Anordnung der Batteriemodule zueinander, ggf. auch unter Berücksichtigung der thermischen Widerstände zwischen den Batteriemodulen für jedes der Batteriemodule als erstes Batteriemodul vorab festgelegt und zum Beispiel in einem Speicher einer Steuereinrichtung abgelegt sein. So können für den Fall, dass der bestimmte kritische Zustand für eines der Batteriemodule detektiert wird, welches vorliegend als erstes Batteriemodul bezeichnet wird, zunächst für die räumlich nächsten Batteriemodule überprüft werden, ob diese die vorbestimmte zweite Bedingung erfüllen, und falls dem so ist, können diese entladen werden, anschließend wird für die gemäß der vorbestimmten Reihenfolge nächsten Batteriemodule überprüft, ob diese die vorbestimmte zweite Bedingung erfüllen und falls ja, werden diese entladen und so weiter, bis letztendlich alle Batteriemodule entladen sind. Um dieses sukzessive Entladen in Gang zu setzen, ist es also ausreichend, dass nur ein einzelnes Batteriemodul beziehungsweise auch nur eine einzelne Batteriezelle einen bestimmten kritischen Zustand aufweist. Damit lässt sich eine Entladung mit maximaler Effizienz und Sicherheit bewerkstelligen.
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Diese Entladestrategie lässt sich darüber hinaus nicht nur auf Modulebene, sondern auch auf Batteriezellenebene ganz analog realisieren. So können beispielsweise den der betroffenen Batteriezelle nähergelegenen Batteriezellen eine höhere Entladepräferenz zugeordnet bekommen, als weiter entfernte Batteriezellen, insbesondere unabhängig von ihrer Zugehörigkeit zum gleichen Batteriemodul. Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn zum Beispiel alle der von der ersten Batteriezelle verschiedenen von den Batteriemodulen umfassten Batteriezellen zumindest unter der zweiten Bedingung gemäß einer vorbestimmten Reihenfolge zumindest zum Teil entladen werden, wobei die Reihenfolge in Abhängigkeit von einer räumlichen Entfernung zur ersten Batteriezelle und/oder in Abhängigkeit von einem thermischen Widerstand zwischen den jeweiligen von der ersten Batteriezelle verschiedenen Batteriezellen und der ersten Batteriezelle festgelegt ist. So kann die Sicherheit noch weiter gesteigert werden, da sich hierdurch das sternförmige Entladeprinzip sogar auf Batteriezellebene und nicht nur auf Batteriemodulebene umsetzen lässt.
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Die Batterie, welche die mehreren Batteriemodule umfasst, ist vorzugsweise als eine Hochvoltbatterie ausgebildet. Gerade bei Hochvoltbatterien besteht aufgrund ihrer typischerweise sehr hohen Gesamtkapazitäten im vollgeladenen Zustand ein besonders hohes Gefahrenpotential, insbesondere im Fall eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle einer solchen Hochvoltbatterie. Damit sind das erfindungsgemäße Verfahren und seine nachfolgend noch näher erläuterten Ausführungsvarianten gerade besonders vorteilhaft bei Anwendung auf eine solche Hochvoltbatterie. Dabei können die Batteriemodule alle die von der Hochvoltbatterie umfassten Batteriemodule darstellen, oder alternativ auch nur einen Teil aller von einer solchen Hochvoltbatterie bereitgestellten Batteriemodule. Mit anderen Worten können die mehreren von der Batterie umfassten Batteriemodule alle die von der Batterie umfassten Batteriemodule darstellen, oder die mehreren von der Batterie umfassten Batteriemodule können auch lediglich eine Teilmenge, insbesondre eine echte Teilmenge, aller von der Batterie umfassten Batteriemodule darstellen. Die Batterie kann beispielsweise auch eine zweite Teilmenge an Batteriemodulen umfassen, die im Zuge des Notentladevorgangs nicht entladen werden, z.B. weil sie sehr weit vom defekten Modul entfernt sind und/oder von diesem sehr gut thermisch isoliert sind. Auch derartige Kriterien lassen sich zum Beispiel durch die oben genannte zweite Bedingung vorgeben. Beispielsweise kann die zweite Bedingungen umfassen oder spezifizieren, dass ein betreffendes Batteriemodul nur dann entladen wird, wenn es den kleinsten Abstand zum defekten ersten Modul hat oder einen Abstand zu diesem ersten Modul hat, der kleiner ist, als ein vorbestimmter Grenzwert, und/oder es den kleinsten thermischen Widerstand zum defekten ersten Modul aufweist oder einen thermischen Widerstand zum ersten Modul aufweist, der kleiner ist als ein vorbestimmter Grenzwert.
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Ein jeweiliges Batteriemodul kann dabei nur eine einzelne, vorzugsweise jedoch mehrere Batteriezellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, umfassen. Ein Batteriemodul kann dabei eine Zellgruppe aus mehreren solchen Batteriezellen definieren. Eine solche Zellgruppe kann dabei optional in einem gemeinsamen Modulgehäuse angeordnet sein oder in einem gemeinsamen Modulrahmen und/oder in einem gemeinsamen Batteriegehäusefach angeordnet sein und/oder eine gemeinsame Spanneinrichtung aufweisen.
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Zur Detektion des bestimmten kritischen Zustands kann die Batterie zudem eine geeignete Detektionseinrichtung aufweisen. Am einfachsten lässt sich ein solcher bestimmter kritischer Zustand anhand einer erfassten der zumindest einen ersten Batteriezelle zugeordneten Temperatur detektieren. Üblicherweise sind ohnehin in Batteriemodule eine oder mehrere Temperatursensoren vorgesehen, die eine Temperaturüberwachung der einzelnen von einem betreffenden Batteriemodulen umfassten Batteriezellen erlauben. Eine zellgenaue Umsetzung der Temperaturüberwachung muss dabei nicht notwendigerweise realisiert sein. Denkbar ist es dabei auch, dass sich der kritische Zustand nur für ein Batteriemodul als Ganzes detektieren lässt, das heißt, dass festgestellt werden kann, dass mindestens eine Batteriezelle des Batteriemoduls einen kritischen Zustand aufweist, dass jedoch nicht notwendigerweise bestimmbar sein muss, welche der mehreren Batteriezellen dieses betreffenden Batteriemoduls diesen kritischen Zustand aufweist. Eine höhere Ortsauflösung bezüglich der Detektion des kritischen Zustands einzelner Batteriezellen lässt sich zum Beispiel durch das Vorsehen mehrerer Temperatursensoren bewerkstelligen. Ein kritischer Zustand zumindest einer Batteriezelle lässt sich aber auch zusätzlich oder alternativ noch durch andere Zell- oder Modulparameter detektieren, zum Beispiel durch Detektion eines Druckanstiegs des Drucks innerhalb einer Batteriezelle oder innerhalb eines Batteriemoduls, der Detektion eines aus einer Batteriezelle austretenden Gases oder der Detektion einer Veränderung der Gaszusammensetzung innerhalb eines Batteriemoduls, der Detektion eines Spannungseinbruchs einer Zellspannung oder einer Batteriemodulspannung, oder anderer elektrischer Auffälligkeiten bei der Überwachung von Zellspannungen, Zellströmen oder anderen Zellgrößen.
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Unter einem Entladen eines Batteriemoduls soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise ein vollständiges Entladen des Batteriemoduls implizieren sondern es soll darunter auch immer ein nur teilweises Entladen eines solchen Batteriemoduls verstanden werden können. Unter einer zumindest teilweisen Entladung eines Batteriemoduls wird des Weiteren ein zumindest teilweises Entladen aller der vom diesem Batteriemodul umfassten Zellen verstanden. Wird das Batteriemodul dabei auf einen bestimmten Ladezustand entladen oder so dass ein Bestimmter Ladezustands-Grenzwert unterschritten wird, werden entsprechend alle der Batteriezellen, die von diesem Batteriemodul umfasst derart entladen, dass sie jeweils den bestimmten Ladezustand aufweisen oder den bestimmten Ladezustands-Grenzwert unterschreiten. Weist ein zu entladendes Batteriemodul mehrere Batteriezellen auf, so können diese beim Entladen des Batteriemoduls alle gleichzeitig oder zeitlich nacheinander entladen werden. Dabei ist es bevorzugt, dass diese gleichzeitig entladen werden, a dies schaltungstechnisch einfacher zu realisieren ist, da nicht jede Zelle eine eigene Schaltungseinheit benötigt, sondern dann z.B. das Batteriemodul als Ganzes, ggf. zusammen mit noch anderen Modulen, auf einen Entladeanschluss aufgeschaltet werden kann, der im einfachsten Fall durch die Ausgangsanschlüsse der HV(Hochvolt)-Batterie bereitgestellt sein kann, um das Entladen, wie dies später näher erläutert wird, z.B. über kraftfahrzeuginterne Verbraucher zu realisieren oder über kraftfahrzeugexterne Verbraucher, wobei auch dann eine Kopplung vorzugswiese über das kraftfahrzeuginterne Ladegerät erfolgt. Ein Entladen durch Kurzschließen von Zellen oder Modulen ist dabei nicht vorgesehen. Vorzugsweise erfolgt ein Entladen also durch eine von einem Kurzschließen verschiedene Maßnahme. Dadurch kann die Sicherheit weiter erhöht werden und eine thermische Propagation effizienter eingedämmt werden.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Bedingung, dass ein aktueller Ladezustand des jeweiligen zweiten Batteriemoduls größer ist als ein vorbestimmter erster Ladezustands-Grenzwert, der vorzugsweise zwischen 30 Prozent und 50 Prozent liegt. Der Ladezustand, der auch als State of Charge (SOC) bezeichnet wird, wird typischerweise in Prozent angegeben, wobei 100 Prozent Ladezustand einer Vollladung des betreffenden Batteriemoduls beziehungsweise der betreffenden Batteriezelle entsprechen, und 0 Prozent zu einem maximal entladenen Zustand des betreffenden Batteriemoduls beziehungsweise der betreffenden Batteriezelle korrespondieren. Eine vollgeladene Batterie brennt sehr stark, während eine halbvoll aufgeladene Batterie häufig nur ausgast und nicht Feuer fängt. Eine Reduktion des Ladezustands auf zum Beispiel nur 50 Prozent ermöglicht es bereits, das Risiko eines Batteriebrands enorm zu reduzieren. Entsprechend ist es auch vorteilhaft, wenn gemäß der vorbestimmten Reihenfolge zunächst nur Zellen beziehungsweise Batteriemodule entladen werden, die einen höheren Ladezustand aufweisen. Ist also der Ladezustand eines Batteriemoduls bereits ausreichend gering, so ist kein weiteres Entladen dieses Batteriemoduls mehr erforderlich. Auf diese Weise, das heißt durch das Vorsehen einer solchen zusätzlichen zweiten Bedingung, lässt es sich bewerkstelligen, dass alle Batteriemodule der Batterie deutlich schneller auf einen Ladezustand unterhalb eines solchen ersten Ladezustands-Grenzwerts gebracht werden können. So kann die Batterie auf besonders schnelle Weise in einen relativ unkritischen Zustand überführt werden, in welchem gegebenenfalls zwar eine thermische Propagation der einzelnen Zellen beziehungsweise Module noch möglich ist, eine solche jedoch mit deutlich verminderter Wahrscheinlichkeit zu einem Batteriebrand führt. Damit lässt sich das Gefahrenpotential, das von einer solchen Hochvoltbatterie im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle ausgeht, deutlich verringern. Auch wenn also ein entsprechendes Batteriemodul gemäß der vorbestimmten Reihenfolge entladen wird, so kann es vorgesehen sein, dass dieses nicht notwendigerweise vollständig entladen werden muss, das heißt nicht bis zu einem Ladezustand von 0 Prozent, sondern lediglich bis ein vorbestimmter Ladezustands-Grenzwert erreicht ist, der zum Beispiel zu dem hier definierten ersten Ladezustands-Grenzwert korrespondiert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die mehreren Batteriemodule mindestens ein zweites und mindestens ein drittes Batteriemodul, wobei das mindestens eine zweite Batteriemodul eine kleinere Entfernung zum ersten Batteriemodul aufweist als das mindestens eine dritte Batteriemodul und/oder ein thermischer Widerstand zwischen dem ersten und zweiten Batteriemodul kleiner ist als zwischen dem ersten und dritten Batteriemodul, wobei ein Entladevorgang des mindestens einen dritten Batteriemoduls nur unter der zumindest einen dritten Bedingung initiiert wird, dass der Ladezustand zumindest des mindestens einen zweiten Batteriemoduls maximal so groß ist wie ein vorbestimmter zweiter Ladezustands-Grenzwert. Dieser zweite Ladezustands-Grenzwert kann grundsätzlich anders gewählt sein als der oben genannte erste Ladezustands-Grenzwert, stimmt jedoch vorzugsweise mit diesem überein beziehungsweise liegt ebenfalls vorzugsweise zwischen 30 Prozent und 50 Prozent. Durch diese vorteilhafte Ausführungsform lässt es sich also bewerkstelligen, dass zum Beispiel zunächst die Batteriemodule in der unmittelbaren Umgebung des ersten, defekten Batteriemoduls, entladen werden, zumindest bis auf einen unkritischen Ladezustand, und erst wenn dieser erreicht ist, wird mit dem Entladen der übernächsten Batteriemodule begonnen. Dadurch lässt sich die Ausbreitung einer thermischen Propagation besonders effizient eindämmen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden alle der Batteriemodule, die eine Entfernung zum ersten Batteriemodul aufweisen, welche in einem bestimmten gemeinsamen Entfernungsbereich liegt, und/oder einen thermischen Widerstand zum ersten Batteriemodul aufweisen, welcher in einem bestimmten gemeinsamen Widerstandsbereich liegt, zumindest teilweise gleichzeitig entladen. Dadurch kann ein deutlich schnelleres Entladen erreicht werden, insbesondere im Vergleich zu einem zeitlich sequentiellen Entladen von einzelnen Batteriemodulen oder sogar einzelnen Batteriezelle. Zudem beruht diese Ausgestaltung wiederum auf der Erkenntnis, dass sich ein thermisches Durchgehen eines Batteriemoduls in der Regel in alle Raumrichtungen, insbesondere bei näherungsweise gleichem thermischen Widerstand, gleich wahrscheinlich ausbreitet. Würde man also mit dem Entladen zunächst bei nur einem benachbarten Batteriemodul beginnen, so könnte sich die thermische Propagation zwischenzeitlich ungehindert in eine andere Richtung ausbreiten und eine effiziente Eindämmung ist nicht mehr möglich. Durch das zumindest teilweise gleichzeitige Entladen aller Batteriemodule, die sich in einem gleichen gemeinsamen Entfernungsbereich befinden, kann eine Eindämmung isotrop und effizienter erfolgen. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung auch Entlademaßnahmen, die ein schnelles Entladen mehrerer Batteriemodule gleichzeitig erlauben, wie sich dies durch die später näher erläuterten Entlademaßnahmen bewerkstelligen lässt.
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Vorzugsweise können also zuerst alle Batteriemodule entladen werden, die dem ersten Batteriemodul am nächsten sind und die zumindest näherungsweise eine gleiche Entfernung zum ersten Batteriemodul aufweisen. Anschließend werden die etwas weiter entfernten Batteriemodule entladen, die ebenfalls alle näherungsweise eine gleiche Entfernung zum ersten Batteriemodul aufweisen. Dadurch lässt sich quasi eine ringförmige beziehungsweise sternförmige Entladestrategie realisieren, durch welche eine thermische Propagation maximal effizient eingedämmt werden kann.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das erste Batteriemodul nicht entladen, wenn der bestimmte kritische Zustand ein bestimmter erster kritischer Zustand ist, insbesondere wenn eine dem ersten Batteriemodul oder der mindestens einen ersten Batteriezelle zugeordnete Temperatur größer ist als ein vorbestimmter erster Temperaturgrenzwert, und/oder ein Ladezustand des ersten Batteriemoduls maximal so groß ist wie ein vorbestimmter dritter Ladezustands-Grenzwert, der wiederum zum ersten und/oder zweite Ladezustands-Grenzwert korrespondieren kann, und der ebenfalls vorzugsweise zwischen 30 Prozent und 50 Prozent liegt.
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Grundsätzlich kann also das erste Batteriemodul, welches initial vom Fehlerzustand betroffen ist, das heißt die Batteriezelle mit dem bestimmten ersten kritischen Zustand aufweist, ebenfalls entladen werden. Von einem solchen Entladen des ersten Batteriemoduls wird jedoch vorzugsweise in zwei Fällen abgesehen, nämlich zum einen, wenn der Ladezustand dieses Batteriemoduls bereits unterhalb eines unkritischen Werts, der durch den vorbestimmten dritten Ladezustands-Grenzwert vorgegeben sein kann, liegt, und andererseits wenn der bestimmte kritische Zustand einen bestimmten ersten kritischen Zustand darstellt, der zum Beispiel dadurch charakterisiert sein kann, dass die der mindestens einen ersten Batteriezelle zugeordnete Temperatur größer ist als ein vorbestimmter erster Temperaturgrenzwert. Ein solcher erster kritischer Zustand kann sich aber auch durch eine andere Zellgröße charakterisieren lassen, die in einem bestimmten kritischen Bereich liegt, zum Beispiel den oben bereits beschriebenen Größen, wie Druck, Gaszusammensetzung oder ähnliches. Der erste kritische Zustand definiert dabei insbesondere einen Zustand des Batteriemoduls, in welchem sich ein thermisches Durchgehen, und vor allem ein Feuerfangen bzw. Brand des betreffenden Moduls, nicht mehr aufhalten lässt. In diesem Zustand macht ein Entladen dieses betreffenden ersten Batteriemoduls kaum noch Sinn, wenn dies technisch überhaupt noch möglich ist, da sich das thermische Durchgehen des betreffenden Moduls dadurch ohnehin nicht mehr aufhalten lässt. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Temperatur des betreffenden Moduls beziehungsweise zumindest einer von diesem Modul umfassten Batteriezelle 140 Grad Celsius übersteigt. In diesem Fall kann also vorteilhafterweise auf die Entladung des ersten Batteriemoduls verzichtet werden, und gleich zum Entladen der gemäß der vorbestimmten Reihenfolge nächsten Batteriemodule übergegangen werden. Dadurch wird die Chance, die thermische Propagation aufhalten zu können, zusätzlich gesteigert.
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Vorzugsweise liegt der vorbestimmte erste Temperaturgrenzwert in einem Bereich zwischen 80 Grad Celsius und 140 Grad Celsius, besonders bevorzugt zwischen 100 Grad Celsius und 140 Grad Celsius, zum Beispiel bei 140 Grad Celsius selbst. Spätestens dann ist nämlich ein thermisches Durchgehen des betreffenden Zellmoduls nicht mehr aufzuhalten und es kann auf ein Entladen dieses Batteriemoduls zugunsten eines schnelleren Entladens der umliegenden Batteriemodule verzichtet werden.
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Entsprechend ist es auch vorteilhaft, wenn das erste Batteriemodul zeitlich vor den vom ersten Batteriemodul verschiedenen Batteriemodulen entladen wird, wenn der bestimmte kritische Zustand ein bestimmter zweiter kritischer Zustand ist, der insbesondere vorliegt, wenn eine dem ersten Batteriemodul oder der mindestens einen ersten Batteriezelle zugeordnete Temperatur kleiner oder gleich einem vorbestimmten zweiten Temperaturgrenzwert ist, der zum Beispiel zum oben definierten ersten Temperaturgrenzwert korrespondieren kann, und größer ist als ein dritter Temperaturgrenzwert, der kleiner ist als der zweite Temperaturgrenzwert. Um ein Beispiel zu nennen, kann der dritte Temperaturgrenzwert zum Beispiel bei 80 Grad Celsius gewählt werden, und der erste sowie der zweite Temperaturgrenzwert bei 140 Grad Celsius. Dies würde bedeuten, dass, wenn die Temperatur in einem Bereich zwischen 80 Grad Celsius und 140 Grad Celsius liegt, das betreffende Batteriemodul hier das erste Batteriemodul, entladen wird, insbesondere zeitlich noch vor den anderen Batteriemodulen, während, wenn die Temperatur dieses Batteriemoduls beziehungsweise der von diesem umfassten ersten Batteriezelle größer ist als 140 Grad Celsius, auf das Entladen dieses ersten Batteriemoduls verzichtet wird, und gleich zum Entladen der übrigen Batteriemodule gemäß der vorbestimmten Reihenfolge übergegangen wird. Bei geringeren Temperaturen, die dennoch einen kritischen Zustand des betreffenden ersten Batteriemoduls implizieren, kann durch ein zusätzliches Entladen des ersten Batteriemoduls ein thermisches Durchgehen beziehungsweise ein Brand dieses Batteriemoduls verhindert oder in seiner Wahrscheinlichkeit zumindest verringert werden. In diesem Fall ist es also vorteilhaft, wenn auch das erste Batteriemodul zeitlich vor den übrigen Batteriemodulen entladen wird.
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Aber auch hier ist es wiederum bevorzugt, dass das Entladen des Batteriemoduls für den Fall, dass dieses sich im zweiten bestimmten kritischen Zustand befindet, nur dann stattfindet, wenn sein Ladezustand auch größer ist als der oben definierte vorbestimmte dritte Ladezustands-Grenzwert. Ist dessen Ladezustand ohnehin gering, so kann auch hier wiederum gleich zum Entladen der übrigen Batteriemodule übergegangen werden. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn sich das betreffende defekte Batteriemodul aufgrund eines Kurzschlusses, der zum Beispiel auch das thermische Durchgehen der betreffenden Batteriezelle verursacht haben könnte, bereits zum Teil selbst entladen hat.
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Um die betreffenden Batteriemodule zu entladen, gibt es nun mehrere Möglichkeiten, die nachfolgend näher erläutert werden und die grundsätzlich auch in beliebiger Weise kombinierbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass beim Entladen von mindestens einem Batteriemodul der Batteriemodule Ladung zu mindestens einem gemäß der vorbestimmten Reihenfolge später zu entladenden oder gemäß der zweiten Bedingung nicht zu entladenden Batteriemodul, das einen von einer Vollladung verschiedenen Ladezustand aufweist, transferiert wird. Mit anderen Worten kann das Entladen von Batteriemodulen dadurch bewerkstelligt werden, dass deren Ladung auf andere, vom betreffenden ersten Modul weiter entfernte, Module transferiert wird, sofern diese nicht vollgeladen sind. So lässt sich vorteilhafterweise ein batterieinternes Umverteilen der Ladung zwischen den einzelnen Hochvoltbatteriemodulen bewerkstelligen. Damit wird also eine Umverteilung der Kapazität in der Batterie umgesetzt. Priorisiert ist dabei entsprechend die Entladung des „überhitzten“ Zellmoduls und die unmittelbar umgebenden Zellmodule, beispielsweise auf einem bezüglich Brandverhalten unter kritischen Ladezustand von zum Beispiel 35 Prozent. Die elektrischen Energien nehmen dann entsprechend andere Zellmodule auf, welche sich dementsprechend weiter aufladen, wobei hierbei bevorzugt weiter entfernte Zellmodule aufgeladen werden, insbesondere nach der oben bereits beschriebenen Stern-Methode. So können innerhalb der Batterie noch vorhandene Speicherreserven, die sich jedoch in einem größeren Abstand vom kritischen Modul befinden, genutzt werden, um zunächst sukzessive die unmittelbar an dieses kritische Modul angrenzenden räumlichen Bereiche durch die beschriebenen Entladevorgänge zu entladen und dadurch die thermische Propagation aufzuhalten. Dies ist vor allem in Kombination mit den nachfolgend noch näher erläuterten zusätzlichen Entlademöglichkeiten vorteilhaft, da sich hierdurch durch diese zusätzlichen Energiereserven der Entladevorgang unmittelbar benachbarter Module beschleunigen lässt.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens eines der zu entladenden Batteriemodule mittels einer fahrzeugexternen Energiesenke entladen, insbesondere mittels einer der folgenden Maßnahmen: Ein elektrisches Verbinden mit einem kraftfahrzeugexternen Externer und/oder Verbraucher, ein elektrisches Verbinden mit einem kraftfahrzeugexternen Stromnetz und/oder ein elektrisches Verbinden mit einer geerdeten Masse. Zu diesem Zweck kann das Kraftfahrzeug, zum Beispiel über seinen herkömmlichen Ladeanschluss, mit einer solchen fahrzeugexternen Energiesenke elektrisch gekoppelt werden, um das Entladen der betreffenden Batteriemodule wie beschrieben zu bewerkstelligen. Als fahrzeugexterne Energiesenken können dabei vielzählige verschiedene Energiesenken genutzt werden. Beispielsweise können hierzu kraftfahrzeugexterne Energiespeicher genutzt werden, zum Beispiel ebenfalls Batterien oder Hochvoltbatterien, die zum Beispiel von anderen Kraftfahrzeugen bereitgestellt werden oder zum Beispiel auch von der Feuerwehr mitgebracht werden können. Ebenso können kraftfahrzeugexterne Verbraucher durch andere Fahrzeuge oder zum Beispiel ebenfalls durch die Feuerwehr bereitgestellt werden, mittels welchen die Energie verbraucht wird, die den zu entladenden Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen entnommen wird. Besonders vorteilhaft ist vor allem die Kopplung mit einem kraftfahrzeugexternen Stromnetz. Dieses kann zum Beispiel durch einen Hausanschluss oder aber durch eine bidirektionale Ladesäule bereitgestellt werden. Gerade durch eine solche Ladesäule lassen sich sehr hohe Entladeleistungen bereitstellen, die ein extrem schnelles Entladen der Batteriemodule ermöglichen. Auch beim Entladen der Batteriemodule über die oben beschriebenen Energiespeicher oder Verbraucher kann eine bidirektionale Ladefunktionalität des Kraftfahrzeugs genutzt werden. In all diesen Fällen kann also das Kraftfahrzeug zum Beispiel über ein herkömmliches Ladekabel mit anderen elektrischen Speichermedien oder Verbrauchern verbunden werden, zum Beispiel anderen HV-Batterien anderer Fahrzeuge oder mit von der Feuerwehr bereitgestellten Batterien und/oder Verbraucher, oder einer bidirektionalen Ladesäule. Auch ist es denkbar, dass die Batterie beziehungsweise das diese aufweisende Kraftfahrzeug einen Stecker oder Anschluss aufweist, welcher geerdet werden kann, sodass die den zu entladenden Batteriemodulen entnommene elektrische Energie in die Erde abgeleitet werden kann. Die letztgenannte Möglichkeit besteht dann entsprechend vorteilhafterweise immer, das heißt auch ohne dass auf die Feuerwehr gewartet werden muss oder man auf das Vorhandensein einer Ladesäule oder anderer Kraftfahrzeuge oder externer Verbraucher angewiesen ist.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens eines der zu entladenden Batteriemodule mittels eines kraftfahrzeuginternen Verbrauchers, der von einem Batteriemodul und/oder einer Batteriezelle verschieden ist, entladen. Dies hat den großen Vorteil, dass eine solche Entlademöglichkeit jederzeit bereitsteht, insbesondere im Gegensatz zu einer Entladung mittels kraftfahrzeugexternem Verbraucher. Zusätzlich stehen innerhalb des Fahrzeugs zahlreiche Verbraucher bereit, die zum Entladen der Batterie genutzt werden können. Dazu kann es vorgesehen sein, dass diese, selbst wenn diese aktuell nicht benötigt werden, zur Bereitstellung der beschriebenen Notentladung aktiviert werden oder sogar in einem Sonderbetrieb betrieben werden, wie dies nun nachfolgend näher erläutert wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verbraucher mindestens einen oder auch mehrere der Folgenden darstellt: Ein Hochvoltheizer und/oder eine Heizeinrichtung, zum Beispiel eine Sitzheizung, Spiegelheizung oder Fensterheizung, ein Klimagerät, insbesondere ein elektrischer Klimakompressor, und/oder ein Kühlerlüfter, ein bestrombares Fahrwerkbauteil, ein Elektromotor des Kraftfahrzeugs, der im Leerlauf betrieben wird, eine elektronische Komponente, ein Ladegerät in einem Verlustleistungsmodus, ein Leuchtmittel, eine Getriebesteuerung, ein Lautsprecher und/oder eine Hupe, eine Pumpe, eine Antenne, ein Infotainmentsystem und/oder eine Mittelvolt- und/oder Niedervolt-Batterie. Als Hochvoltheizer kommen zum Beispiel ein Hochvoltheizer für eine Innenraumbeheizung und/oder auch ein Hochvoltheizer für den Kühlwasserkreislauf von Aggregaten, nicht jedoch für die Hochvoltbatterie selbst, infrage, damit diese unter Umständen auch weiterhin gekühlt werden kann, was vorteilhaft ist, um dem thermischen Durchgehen beziehungsweise der thermischen Propagation entgegenzuwirken. Bezüglich der Nutzung eines Klimageräts beziehungsweise des Kühlerlüfters ist es zudem möglich, eine einstellbare Klimafunktion beziehungsweise Lüfterfunktion auf Maximum zu stellen, das heißt auf eine Betriebseinstellung mit maximaler Leistung einzustellen, sodass hierdurch auch maximal Energie verbraucht werden kann. Bestromte beziehungsweise bestrombare Fahrwerksbauteile, die zum Entladen ebenfalls aktiv bestromt werden können, sind zum Beispiel Fahrwerksbauteile für eine elektronische aktive Wankstabilisierung, für ein E-Aktive Bodycontrol-System und/oder geregelte Luftfedern oder Ähnliches. Auch der Elektromotor kann als Verbraucher verwendet werden und zum Beispiel gezielt im Leerlauf bei hoher Drehzahl betrieben werden, insbesondere vorwärts und/oder rückwärts durch Umschalten der Polung. Auch Leistungselektroniken, insbesondere auch in Steuergeräten, können genutzt werden und/oder Fahrerassistenzsysteme. Hierzu können beispielsweise gezielt hohe Rechenleistungen abgerufen werden, um die Blindleistung zu erhöhen. Beispielsweise können in einem Notbetrieb gezielt mathematische Algorithmen innerhalb von Schleifen gelöst werden. Zudem können auch Leuchtmittel, insbesondere diverse Lichter beziehungsweise Beleuchtungseinrichtungen des Fahrzeugs, sowohl zur Innenbeleuchtung als auch für die Außenbeleuchtung, zum Beispiel die Scheinwerfer, aktiviert und damit zum Entladen genutzt werden. Auch bei der Nutzung von Lautsprechern lassen sich sowohl Lautsprecher im Innenraum, z.B. eine Bassbox im Innenraum, als auch im Außenraum, z.B. eine AVAS-Außensoundbox, nutzen. Als Antennen lassen sich diverse Empfangsantennen zum Empfangen und/oder Senden ebenfalls als entsprechende Verbraucher nutzen, die gezielt aktiviert werden können. Als Pumpen kommen zum Beispiel Wasserpumpen, zum Beispiel im Kühlkreislauf, oder ähnliches infrage.
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Insgesamt stehen so zahlreiche Verbrauchsmöglichkeiten bereit, die in Summe innerhalb kürzester Zeit eine sehr große Energiemenge verbrauchen können. Dadurch wird ein besonders schnelles Entladen der Batteriemodule ermöglicht.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Steuern eines Entladens von Batteriemodulen einer Batterie des Kraftfahrzeugs im Falle eines Fehlerzustands zumindest einer der Batteriemodule, wobei ein jeweiliges der mehreren Batteriemodule mindestens eine Batteriezelle aufweist. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, unter zumindest einer ersten Bedingung, dass zumindest eine erste Batteriezelle eines ersten Batteriemoduls der mehreren Batteriemodule mindestens einen bestimmten kritischen Zustand aufweist, ein zumindest teilweise Entladen aller der Batteriemodule, die vom ersten Batteriemodul verschieden sind, zumindest unter einer zweiten Bedingung gemäß einer vorbestimmten Reihenfolge zu initiieren, wobei die Reihenfolge in Abhängigkeit von einer räumlichen Entfernung der jeweiligen vom ersten Batteriemodul verschiedenen Batteriemodule vom ersten Batteriemodul und/oder in Abhängigkeit von einem thermischen Widerstand zwischen den jeweiligen vom ersten Batteriemodul verschiedenen Batteriemodulen und dem ersten Batteriemodul festgelegt ist.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel von der Batterie, die vorzugsweise als eine Hochvoltbatterie ausgebildet ist, umfasst sein.
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Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
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Zu der Erfindung gehört also auch die Steuereinrichtung für das Kraftfahrzeug. Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
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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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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. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Hochvoltbatterie mit mehreren Batteriemodulen zu einem ersten Zeitpunkt, von denen sich eines in einem kritischen Zustand befindet und über einen Verbraucher entladen wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung der Batterie aus 1 zu einem späteren Zeitpunkt, wobei die dem kritischen Batteriemodul nächstgelegenen Batteriemodule über den Verbraucher entladen werden, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung der Batterie aus 1 und 2 zu einem noch späteren Zeitpunkt, bei welcher nun die zum kritischen Batteriemodul noch weiter entfernten Batteriemodule entladen werden, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einem defekten Batteriemodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 eine schematische Darstellung der Batterie aus 4, bei welcher die zum kritischen Batteriemodul nächstgelegenen Batteriemodule durch ein Umladen ihrer Ladung auf weiter entfernte Batteriemodule entladen werden, gemäß einem weiteren 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 Batterie 10, die in diesem Beispiel als eine Hochvoltbatterie ausgebildet ist, zu einem ersten Zeitpunkt t1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 10 weist in diesem Beispiel mehrere Batteriemodule 12 auf, von denen wiederum jedes mehrere Batteriezellen umfassen kann, die vorliegend nicht explizit dargestellt sind. Weiterhin sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige der Batteriemodule 12 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Batteriemodule 12 können zudem in einem gemeinsamen Hochvoltbatteriegehäuse 14 angeordnet sein. Eine solche Hochvoltbatterie 10 kann zum Beispiel in einem Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
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Die Brandgefahr, die von einer solchen Hochvoltbatterie 10 ausgeht, skaliert dabei mit deren Ladezustand. Sprich, eine vollständig aufgeladene Batterie 10 besitzt den größten Energieinhalt und somit die größte Brandgefahr im Havariefall. Entsprechend brennt eine vollgeladene Batterie sehr stark, während eine halbvoll aufgeladene Batterie häufig nur ausgast und nicht Feuer fängt. Eine deutlich entleerte Batterie fängt zu einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit gar kein Feuer. Die Erfindung nutzt nun diese Erkenntnis, um ein gezieltes Leeren beziehungsweise Verbrauchen der in einer solchen Batterie 10 gespeicherten Energie nach der nachfolgend näher beschriebenen „Stern-Methode“ zu ermöglichen. Grundsätzlich kann das Entladen einer solchen Batterie 10 mithilfe von Verbrauchern 16 erfolgen, die verschiedene Ausprägungen annehmen können. Exemplarisch ist in 1, 2 und 3 ein solcher Verbraucher 16 dargestellt. Bei diesem Verbraucher 16 kann es sich sowohl um einen fahrzeuginternen Verbraucher als auch um einen fahrzeugexternen Verbraucher handeln. Dabei kommen jeweils wieder unterschiedliche Verbraucher infrage. Grundsätzlich kommen als fahrzeuginterne Verbraucher jede Hochvolt-, Mittelvolt- oder Niedervoltelektrik und/oder Elektronik infrage, welche das Potential mit sich bringt, innerhalb kürzerer Zeit einen hohen elektrischen Energieinhalt zu verbrauchen, insbesondere durch Blindleistung. Neben solchen ohnehin im Fahrzeug vorhandenen Verbrauchern, die im Normalzustand andere Aufgaben und Funktionen übernehmen, können optional als solche Verbraucher 16 auch extra für diesen Zweck eingebrachte Bauteile vorgesehen werden, welche dann dazu ausgebildet sind, elektrische Energie in Wärme und/oder Licht und/oder Geräusche und/oder elektromagnetische Wellen beliebiger Wellenlängen und/oder Bewegungsenergie zu wandeln. Um Energie durch fahrzeugexterne Verbraucher der Batterie 10 zu entnehmen, kann beispielsweise auch ein bidirektionales Laden verwendet werden. Hierdurch kann die Fahrzeugbatterie 10 über ein hier nicht näher dargestelltes Ladekabel mit anderen elektrischen Speichermedien verbunden werden, zum Beispiel andere Hochvoltbatterien eines anderen Fahrzeugs oder von der Feuerwehr, oder es könnte auch ein Stecker, welcher geerdet werden kann, genutzt werden, um die der Batterie 10 zu entnehmende Energie in die Erde abzuleiten.
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Um die Batterie 10 nun auf möglichst effiziente Weise zu entladen, gibt es wiederum mehrere Möglichkeiten, die nun nachfolgend näher erläutert werden. Diese Entladeverfahren beginnen zunächst mit der Detektion eines bestimmten kritischen Zustands zumindest eines der Batteriemodule 12a, wie dies in 1 zum ersten Zeitpunkt t1 dargestellt ist. Ein solcher kritischer Zustand kann vorliegen, wenn zum Beispiel eine irregulär überhöhte Temperatur, zum Beispiel zwischen 80 Grad Celsius und 140 Grad Celsius, in einem Zellmodul 12, wie in diesem Beispiel in einem ersten Zellmodul 12a, detektiert wird. Ein kritischer Zustand kann auch als detektiert gelten, wenn eine noch höhere Temperatur detektiert wird. Vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn zwischen zumindest zwei unterschiedlichen kritischen Zuständen Z1, Z2 unterschieden wird. Ein erster kritischer Zustand Z1 ist für das erste Batteriemodul 12a zum Beispiel in 1 veranschaulicht, und der zweite kritische Zustand Z2 in 2. Liegt die Temperatur der betreffenden Zelle 12a zum Beispiel in einem ersten Temperaturbereich, zum Beispiel zwischen 80 Grad Celsius und 140 Grad Celsius, so kann dies zum ersten kritischen Zustand Z1 korrespondieren, und liegt die Temperatur dagegen noch höher, so kann dies zum zweiten kritischen Zustand Z2 korrespondieren. Die Temperatur der Zellen der einzelnen Batteriemodule 12 kann im Übrigen durch einen oder mehrere Temperatursensoren pro Zellmodul 12, die insbesondere innerhalb eines jeden Zellmoduls 12 verbaut sind, detektiert werden. Dazu können vor allem bereits bestehende Temperatursensoren auf effiziente Weise genutzt werden. Wird also ein kritischer Zustand Z1, Z2 eines betreffenden Batteriemoduls 12a detektiert, so kann ein selektives Entladen, z.B. zunächst dieses entsprechenden Moduls 12a über die genannten elektrischen Verbraucher 16 initiiert werden. Dadurch kann eine Ladezustandsreduktion des betreffenden Zellmoduls 12a erreicht werden, sodass eine mögliche Brandentwicklung frühzeitig unterbunden werden kann und die Zelle beziehungsweise das Zellmodul 12 nur flammenfrei ausgast. Dabei ist es bevorzugt, dass ein Entladen des Batteriemoduls 12a, wie dies in 1 veranschaulicht ist, vorzugsweise nur dann stattfindet beziehungsweise initiiert wird, wenn dieses sich im definierten ersten kritischen Zustand Z1 befindet. Ist die thermische Propagation innerhalb des Batteriemoduls 12a beispielsweise schon zu weit fortgeschritten und hat sich die Temperatur des Batteriemoduls 12a bereits schon zu stark erhöht, sodass sich ein Entflammen dieses Moduls 12a nicht mehr aufhalten lässt, was durch den zweiten kritischen Zustand Z2 charakterisiert ist, so wird von einem Entladen des betreffenden Moduls 12a abgesehen und gleich zum Entladen benachbarter Batteriemodule 12b übergegangen, wie dies in 2 für einen späteren zweiten Zeitpunkt t2 veranschaulicht ist.
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2 zeigt dabei insbesondere das Batteriemodul 10 aus 1 zu dem gegenüber dem ersten Zeitpunkt t1 späteren Zeitpunkt t2. Die dem kritischen Batteriemodul 12a nächstgelegenen Batteriemodule sind vorliegend mit 12b bezeichnet. Diese werden nun als nächstes entladen, insbesondere wiederum über einen oder mehreren der oben genannten Verbraucher 16. Die Batteriemodule 12 müssen gemäß dieser Entladestrategie nicht notwendigerweise vollständig entladen werden. Im Gegenteil ist es bevorzugt, diese lediglich solange zu entladen, bis ein bestimmter Ladezustands-Grenzwert G erreicht beziehungsweise unterschritten ist, der vorzugsweise zwischen 30 und 50 Prozent liegt. Weisen eines oder mehrere dieser nächstgelegenen Batteriemodule 12b bereits einen Ladezustand SOC kleiner als dieser Grenzwert G auf, so kann auf ein gezieltes Entladen dieser Module 12b auch verzichtet werden und gleich zu den übernächsten Modulen übergegangen werden. Der Trigger zum Entladen dieser Batteriemodule 12b stellt also ein Zellmodul 12a in einem kritischen Zustand, insbesondere im ersten kritischen Zustand Z1 oder, wie vorliegend, im zweiten kritischen Zustand Z2 dar. Auch auf ein Entladen des Batteriemoduls 12a, welches sich im ersten kritischen Zustand Z1 befindet, kann ebenfalls verzichtet werden, wenn dieses bereits einen initialen Ladezustand SOC hat, der kleiner als dieser vorbestimmte Ladezustands-Grenzwert G ist. Ist also ein initiales Batteriemodul 12a vorhanden, dessen initiale Temperatur 140 Grad Celsius übersteigt oder ein initiales Zellmodul 12a mit erhöhter Temperatur unterhalb eines unkritischeren Ladezustandswerts G, zum Beispiel zwischen 30 und 50 Prozent, so kann von einem initialen Entladen dieses ersten Batteriemoduls 12a abgesehen werden, und gleich die nächstgelegenen Batteriemodule 12b selektiv entladen werden. Sind also diese nächstgelegenen Batteriemodule 12b alle unter den vorgegebenen kritischen Ladezustandswert G entladen, so können wiederum die nächsten benachbarten Zellmodule 12c entladen werden, wie dies in 3 zu einem noch späteren dritten Zeitpunkt t3 veranschaulicht ist. So kann sukzessive fortgefahren werden, bis alle Batteriemodule 12 entladen sind beziehungsweise zumindest unter den vorgegebenen kritischen Ladezustands-Grenzwert G entladen sind. Bei der Festlegung der Entladereihenfolge kann optional auch der thermische Widerstand zwischen den Batteriemodulen 12 berücksichtigt werden. Ist beispielsweise eines der dem ersten Modul12a nächstgelegenen Module 12b besser vom ersten Modul 12a thermisch isoliert als ein weiter entferntes Modul 12c vom ersten Modul 12a, so kann auch zunächst das weiter entfernte Modul 12c vor dem nächstgelegenen 12b entladen werden. Oftmals sind jedoch die Module 12 gleich ausgebildet und in gleicher Weise voneinander thermisch isoliert, so dass der thermische Widerstand mit zunehmender räumlicher Entfernung zum ersten Modul 12a zunimmt, so dass sich auch unter Berücksichtigung des thermischen Widerstands die gleiche Entladereihenfolge ergeben kann, als wenn nur die räumliche Entfernung berücksichtigt werden würde.
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Ein Entladen gemäß dieser Vorgehensweise kann aber nicht nur durch Verwendung der beschriebenen elektrischen Verbraucher 16 bewerkstelligt werden, sondern zusätzlich oder alternativ auch durch ein batterieinternes Umverteilen der Ladezustände SOC zwischen den einzelnen Hochvoltbatteriemodulen 12, wie dies in 4 und 5 veranschaulicht ist. 4 und 5 zeigen jeweils ein weiteres Beispiel einer Hochvoltbatterie 10, die insbesondere wie zuvor beschrieben aufgebaut sein kann. In diesem Beispiel weist das erste Batteriemodul 12a wiederum einen kritischen Zustand Z1, Z2 auf. Insbesondere zeigt 4 bereits einen Zustand dieses Batteriemoduls 12a, in welchem sein Ladezustand SOC bereits sehr gering ist und in diesem Beispiel nur 35 Prozent beträgt. Dies kann beispielsweise durch ein vorheriges gezieltes Entladen dieses Batteriemoduls 12a erreicht worden sein, wie zum Beispiel zu 1 beschrieben, oder wie in diesem Beispiel veranschaulicht werden soll, durch ein Umladen von Ladung auf weiter entfernte Module 12c.
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Die übrigen Batteriemodule 12 weisen in diesem Beispiel einen jeweiligen Ladezustand SOC auf, der von einer Vollladung verschieden ist, das heißt von 100 Prozent verschieden ist. In diesem Beispiel werden nun die von der kritischen Zelle beziehungsweise dem kritischen Batteriemodul 12a am weitesten entfernten oder zumindest weiter entfernten Batteriemodule 12c genutzt, um Energie von dem kritischen Batteriemodul 12a und den dem kritischen Batteriemodul nähergelegenen Batteriemodulen 12b aufzunehmen. Mit anderen Worten werden hier auch wiederum die dem kritischen Zellmodul 12a nächstgelegenen Batteriemodule 12b zuerst entladen, insbesondere vor den noch weiter entfernten Batteriemodulen 12c, indem zumindest ein Teil der in diesen nächstgelegenen Batteriemodulen 12b aufgenommenen Ladung in die weiter entfernten Module 12c transferiert wird. Wie in 5 veranschaulicht ist, werden die nächstgelegenen Batteriemodule 12b beispielsweise entsprechend von einem initialen Ladezustand von 90 Prozent, wie dies in 4 veranschaulicht ist, auf nunmehr 45 Prozent, wie in 5 veranschaulicht, entladen, während die weitere entfernten Module 12c von initial 90 % zunächst durch Aufnahme der Ladung des defekten Moduls 12a auf 93 Prozent, wie in 4 zu einem früheren Zeitpunkt t4 veranschaulicht, und dann durch Aufnahme von Ladung der Module 12b auf nunmehr 100 Prozent, wie in 5 zu einem späteren Zeitpunkt t5 veranschaulicht, aufgeladen wurden. Bei dieser Idee wird also eine Umverteilung der Ladung innerhalb der Batterie 10 umgesetzt. Priorisiert ist die Entladung des überhitzten Moduls 12a bis beispielsweise auf einen bezüglich Brandverhalten unkritischen Ladezustand SOC von zum Beispiel 35 Prozent. Die elektrische Energie nehmen die anderen Zellmodule 12c auf, welche sich dementsprechend weiter aufladen. Hierbei werden bevorzugt weiter entfernte Zellmodule 12c aufgeladen, insbesondere wiederum nach der bereits zuvor beschriebenen Stern-Methode. Wenn es die kapazitive Reserven zulassen, können auch die benachbarten Zellmodule 12b auf Kosten der weiter entfernt befindlichen Zellmodule 12c entladen werden.
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Besonders vorteilhaft ist diese Strategie vor allem in Kombination mit der zuvor beschriebenen Entladung über einen Verbraucher 16. Durch die batterieinterne Umladung kann zusätzlich ein Zeitvorteil gewonnen werden, um die thermische Propagation einzudämmen. Die äußeren Zellen beziehungsweise Module 12c können dann zum Beispiel über batterieexterne Verbraucher 16 entladen werden.
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Zur Umsetzung der beschriebenen Entladestrategien können die einzelnen Batteriemodule 12 beziehungsweise deren Zellen in entsprechend geeigneter Weise miteinander verschaltet sein. Geeignete Umsetzungen sind dem Fachmann hier in ausreichender Weise bekannt und werden daher nicht näher erläutert.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung Energieverbraucher zur Kapazitätsreduktion einer Hochvoltbatterie im drohenden Havariefall genutzt werden können. Durch die beschriebene Stern-Methode kann gezielt der Ladezustand von überhitzten Zellmodulen erniedrigt werden. Ein niedrigerer Ladezustand einer überhitzten Batterie kann einen Brand der entsprechenden Zelle und damit eine Ausbreitung eines Brands abwenden. Zellmodule mit niedrigem Ladezustand können maximal ausgasen und sind deutlich ungefährlicher als ein Brand. Ist das überhitzte Modul nicht mehr zu retten, das heißt es entsteht dort ein Brand, können dementsprechend die Ladezustände der benachbarten Zellmodule auf einen unkritischen Ladezustand reduziert werden, sodass sich der Brand nicht ausbreiten kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016224002 A1 [0003]
- DE 102018203164 A1 [0004]
