DE102022121213A1

DE102022121213A1 - Hochvoltenergiespeicher mit Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Speicherzelle

Info

Publication number: DE102022121213A1
Application number: DE102022121213.0A
Authority: DE
Inventors: Joseph Endres; Dirk Linse; Franz Fuchs; Sascha Zimmermann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-08-23
Filing date: 2022-08-23
Publication date: 2024-02-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochvoltenergiespeicher (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend mehrere miteinander verschaltete Speicherzellen (3, 3`) und eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Speicherzelle (3`), wobei die Speicherzellen (3, 3`) in mehreren, seriell verschalteten Parallelschaltungen (4a, 4b, 4c) angeordnet sind, wobei jeweils ein elektrischer Widerstand (Rp) in jeder Parallelverbindung (6) zweier, in einer Parallelschaltung (4a, 4b, 4c) benachbarter Speicherzellen (3, 3`) angeordnet ist, wobei die Erfassungseinrichtung pro Parallelschaltung (4a, 4b, 4c) einen Spannungssensor zum Erfassen einer zellspannungs- und widerstandspannungsabhängigen Spannung an Spannungsabgriffen (5) der Parallelschaltungen (4a, 4b, 4c) und eine Steuereinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, den Kurschluss einer Speicherzelle (3') anhand von aus einer kurzschlussstrombedingten Änderung der Widerstandsspannungen resultierenden Spannungsänderungen der den Kurzschluss aufweisenden Parallelschaltung (4b) sowie zumindest einer seriell benachbarten Parallelschaltung (4a, 4c), und/oder der beiden, zu der den Kurzschluss aufweisenden Parallelschaltung (4b) seriell benachbarten Parallelschaltungen (4a, 4c) zu erkennen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochvoltenergiespeicher für ein Kraftfahrzeug aufweisend mehrere miteinander verschaltete Speicherzellen und eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Speicherzelle. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Hochvoltenergiespeicher.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Hochvoltenergiespeicher für Kraftfahrzeuge, welche insbesondere als Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden. Diese Hochvoltenergiespeicher weisen eine Verschaltung von Speicherzellen auf und versorgen zumindest einen Hochvoltverbraucher, beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs, mit einer Hochvoltspannung. Zur Detektion von Fehlerfällen, beispielsweise zellinternen Kurzschlüssen, welche ein thermisches Ereignis einer Speicherzelle und im schlimmsten Fall ein thermisches Durchgehen des Hochvoltenergiespeichers zur Folge haben können, weist der Hochvoltenergiespeicher üblicherweise eine Erfassungseinrichtung auf. Die Erfassungseinrichtung kann diverse Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren, Spannungssensoren, Stromsensoren, Drucksensoren, aufweisen, welche aufwändig in den Hochvoltenergiespeicher integriert werden müssen und deren Daten zur Erkennung des Fehlerfalls erfasst, synchronisiert und ausgewertet werden müssen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache, alternative Lösung zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Speicherzelle eines Hochvoltenergiespeichers eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hochvoltenergiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
Ein erfindungsgemäßer Hochvoltenergiespeicher für ein Kraftfahrzeug weist mehrere miteinander verschaltete Speicherzellen und eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Speicherzelle auf. Die Speicherzellen sind in mehreren, seriell verschalteten Parallelschaltungen angeordnet. Dabei ist jeweils ein elektrischer Widerstand in jeder Parallelverbindung zweier, in einer Parallelschaltung benachbarter Speicherzellen angeordnet, wobei die Erfassungseinrichtung pro Parallelschaltung einen Spannungssensor zum Erfassen einer zellspannungs- und widerstandspannungsabhängigen Spannung an Spannungsabgriffen der Parallelschaltung und eine Steuereinrichtung aufweist. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, den Kurschluss einer Speicherzelle anhand von aus einer kurzschlussstrombedingten Änderung der Widerstandsspannungen resultierenden Spannungsänderungen der den Kurzschluss aufweisenden Parallelschaltung sowie zumindest einer seriell benachbarten Parallelschaltung, und/oder der beiden, zu der den Kurzschluss aufweisenden Parallelschaltung seriell benachbarten Parallelschaltungen zu erkennen.
Der Hochvoltenergiespeicher dient als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug und versorgt zumindest einen Hochvoltverbraucher in Form von einer elektrischen Antriebsmaschine mit elektrischer Energie. Der Hochvoltenergiespeicher weist eine Vielzahl von miteinander verschalteten Speicherzellen, beispielsweise Rundzellen, prismatische Zellen oder Pouchzellen, auf. Der Hochvoltenergiespeicher kann auch in Modulbauweise ausgebildet sein und mehrere miteinander verschaltete Zellmodule aufweisen, welche jeweils eine Verschaltung aus mehreren Speicherzellen aufweisen. Die Speicherzellen sind üblicherweise in einem Speichergehäuse angeordnet, welches auch zumindest teilweise durch Karosseriebauteile des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein kann.
Die Speicherzellen sind parallel und seriell verschaltet. Dazu sind die Speicherzellen beispielsweise in Zeilen bzw. Reihen und Spalten angeordnet. Innerhalb der Zeilen sind die Speicherzellen parallel verschaltet und mehrere Zeilen sind seriell verschaltet. Jede Parallelschaltung, also jede Zeile, weist Spannungsabgriffe auf, an welchen mittels Spannungssensoren Spannungen der jeweiligen Zeilen abgegriffen werden können. Diese Spannungen sind abhängig von den Zellspannungen der in dieser Zeile angeordneten, parallel verschalteten Speicherzellen.
Um nun nur anhand der an den Zeilen abgegriffenen Spannungen, insbesondere ohne Zuhilfenahme anderer Sensordaten, einen zellinternen Kurzschluss einer Speicherzelle erkennen zu können, sind in der Verschaltung zusätzlich parallele Widerstände angeordnet. Diese Widerstände sind in der Parallelverbindung zwischen zwei Speicherzellen angeordnet, also in den Verbindungen, die zwei benachbarte Pluspole und zwei benachbarte Minuspole zweier Speicherzellen miteinander verschalten. Die Widerstände sind insbesondere gleich dimensioniert. Durch die Widerstände ist die an den Parallelschaltungen abgegriffene Spannung auch abhängig von einer an den Widerständen abfallenden Widerstandsspannung. Diese Widerstandsspannung kann sich aufgrund eines infolge eines zellinternen Kurzschlusses auftretenden Kurzschlussstroms, welcher durch Entladen der der defekten Speicherzelle parallel geschalteten Speicherzellen innerhalb der Verschaltung fließt, insbesondere von kurzschlussstromabhängigen Nebenströmen, ändern.
Dabei ändert sich sowohl die Spannung derjenigen Zeile, in welcher der Kurzschluss auftritt, als auch die Spannung(en) der seriell angrenzenden Zeile(n). Somit kann der Kurzschluss durch Überwachen der Spannungen der Zeilen und durch Erkennen von Spannungsänderungen der Zeilen auf einfache Weise und ohne weitere Sensordaten erkannt werden. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Kurzschluss zu erkennen, falls die als Spannungserhöhung ausgebildete Spannungsänderung der zumindest einen seriell benachbarten Parallelschaltung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Kurzschluss anhand einer Höhe der Spannungsänderung der zumindest einen seriell benachbarten Parallelschaltung zu lokalisieren. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung anhand der Höhe der Spannungsänderung erkennen, ob sich der Kurzschluss am Rand oder in der Mitte der Zeile befindet. So kann die defekte Zelle schnell identifiziert und gegebenenfalls ausgetauscht werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Widerstände in ein Zellkontaktiersystem des Hochvoltenergiespeichers zum Verschalten der Speicherzellen integriert sind. Beispielsweise kann das Zellkontaktiersystem elektrisch leitfähige Zellverbinder zum Verschalten von jeweils zwei Speicherzellen aufweisen, wobei die Widerstände elektrisch und mechanisch mit den die Speicherzellen parallel verschaltenden Zellverbindern verbunden sind. Die Zellverbinder können beispielsweise in einem Kunststoffrahmen angeordnet sein, welcher an den Speicherzellen angeordnet wird. Durch das Integrieren der Widerstände in das Zellkontaktiersystem kann der Hochvoltenergiespeicher schnell und einfach mit den Widerständen ausgestattet werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, also ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Hochvoltenergiespeicher. Der Hochvoltenergiespeicher dient als Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs.
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Hochvoltenergiespeicher vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung eines Hochvoltenergiespeichers 1 für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Der Hochvoltenergiespeicher 1 weist eine Verschaltung 2 von Speicherzellen 3, 3' auf. Die Speicherzellen 3, 3' sind zeilenweise parallel verschaltet und die Parallelschaltungen 4a, 4b, 4c der Speicherzellen 3, 3' sind spaltenweise seriell verschaltet. An jeder Parallelschaltung 4a, 4b, 4c sind zwei Spannungsabgriffe 5 vorgesehen, an welchen mittels hier nicht gezeigter Spannungssensoren der Verschaltung 2 eine Spannung der jeweiligen Parallelschaltung 4a, 4b, 4c abgreifbar ist. Eine der Speicherzellen 3`, welche hier in der Parallelschaltung 4b angeordnet ist, ist defekt und hier als ein Widerstand R dargestellt, welcher einen zellinternen Kurzschluss der Speicherzelle 3' repräsentieren soll.
Außerdem weist jede Parallelverbindung 6 zweier Speicherzellen 3, 3' einen Widerstand Rp auf, wobei anhand der Widerstände Rp bzw. deren Beeinflussung der Spannung der zellinterne Kurzschluss der defekten Speicherzelle 3' erkannt werden kann. Im Falle des zellinternen Kurzschlusses fließt aufgrund der sich entladenden Speicherzellen 3 ein Kurzschlussstrom le durch diejenigen Parallelschaltung 4b, welche die defekte Speicherzelle 3' aufweist. Außerdem fließen in denjenigen Parallelschaltungen 4a, 4c, welche zu der Parallelschaltung 4b mit der defekten Speicherzelle 3' benachbart sind, Nebenströme In, welche die an den benachbarten Parallelschaltungen 4a, 4c abfallenden Spannungen verändern, insbesondere erhöhen. Anhand dieser Spannungsänderungen der Parallelschaltungen 4a, 4c kann der zellinterne Kurzschluss erkannt und sogar lokalisiert werden.

Claims

Hochvoltenergiespeicher (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend mehrere miteinander verschaltete Speicherzellen (3, 3`) und eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Speicherzelle (3`), wobei die Speicherzellen (3, 3`) in mehreren, seriell verschalteten Parallelschaltungen (4a, 4b, 4c) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein elektrischer Widerstand (Rp) in jeder Parallelverbindung (6) zweier, in einer Parallelschaltung (4a, 4b, 4c) benachbarter Speicherzellen (3, 3`) angeordnet ist, wobei die Erfassungseinrichtung pro Parallelschaltung (4a, 4b, 4c) einen Spannungssensor zum Erfassen einer zellspannungs- und widerstandspannungsabhängigen Spannung an Spannungsabgriffen (5) der Parallelschaltungen (4a, 4b, 4c) und eine Steuereinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, den Kurschluss einer Speicherzelle (3`) anhand von aus einer kurzschlussstrombedingten Änderung der Widerstandsspannungen resultierenden Spannungsänderungen der den Kurzschluss aufweisenden Parallelschaltung (4b) sowie zumindest einer seriell benachbarten Parallelschaltung (4a, 4c), und/oder der beiden, zu der den Kurzschluss aufweisenden Parallelschaltung (4b) seriell benachbarten Parallelschaltungen (4a, 4c) zu erkennen.
Hochvoltenergiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (Rp) gleich dimensioniert sind.
Hochvoltenergiespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den Kurzschluss zu erkennen, falls die als Spannungserhöhung ausgebildete Spannungsänderung der zumindest einen benachbarten Parallelschaltung (4a, 4c) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Hochvoltenergiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den Kurzschluss anhand einer Höhe der Spannungsänderung der zumindest einen seriell benachbarten Parallelschaltung (4a, 4c) zu lokalisieren.
Hochvoltenergiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochvoltenergiespeicher (1) ein Zellkontaktiersystem zum Verschalten der Speicherzellen (3, 3`) aufweist, in welches die Widerstände (Rp) integriert sind.
Hochvoltenergiespeicher (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellkontaktiersystem elektrisch leitfähige Zellverbinder zum Verschalten von jeweils zwei Speicherzellen (3, 3`) aufweist, wobei die Widerstände (Rp) elektrisch und mechanisch mit den die Speicherzellen (3, 3`) parallel verschaltenden Zellverbindern verbunden sind.
Kraftfahrzeug mit zumindest einem Hochvoltenergiespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.