DE202017103776U1 - Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien - Google Patents

Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien, die zur Überwachung von Antriebsbatteriezellen auf thermisches Durchgehen dient und ggf. eine Warnung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Sicherungselemente sowie eine Steuerschaltung und ein Warngerät umfasst, welche Sicherungselemente jeweils an der Außenseite einer Batteriezelle angeordnet sind, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezelle das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt, oder jeweils an einer aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe angeordnet sind, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezellengruppe das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt, wobei die Sicherungselemente hintereinander in Reihe geschaltet sind, um einen Sicherungselement-String zu bilden, welcher an einem Ende der Reihe nach mit der Steuerschaltung und dem Warngerät verbunden und am anderen Ende geerdet ist, wobei durch die Steuerschaltung die Tatsache, dass eine Triode beim Durchbrennen eines Sicherungselements eingeschaltet wird, benutzt wird, um das Warngerät zu betätigen und somit eine automatische Warnung zu realisieren.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere auf eine Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien.
  • Technischer Hintergrund
  • Zurzeit finden die Lithium-Ionen-Batterien immer breitere Anwendung im Bereich der Elektrokraftfahrzeuge und müssen für den Einsatz in einem Elektrokraftfahrzeug typischerweise in Reihe und parallel zueinander geschaltet werden, um ein sogenanntes Batteriepack zu bilden. Da ein Batteriepack eine hohe Energiemenge enthält, kann es z. B. bei Kurzschlüssen bzw. Kollisionen leicht zum thermischen Durchgehen der Batterien kommen. Für eine umfangreiche Förderung der Anwendung von Elektrokraftfahrzeugen als sogenannten umweltschonenden Fahrzeugen ist daher eine Erhöhung der Batteriesicherheit notwendig, um das thermische Durchgehen zu vermeiden oder die durch thermisches Durchgehen bedingten Schäden zu reduzieren. Mit dem gegenwärtigen Stand der Technik lässt sich das thermische Durchgehen noch nicht völlig vermeiden, was die Vorwarn- und Schutztechnik vor thermischem Durchgehen unentbehrlich macht. Im Batteriebereich bezeichnet thermisches Durchgehen eine durch Verschmelzen des Separators beim Überschreiten eines kritischen Temperaturwerts hervorgerufene starke chemische Reaktion innerhalb der jeweiligen Batterie, die zur schnellen Wärmefreisetzung oder sogar zu Explosionen führen kann. Daraus wird ersichtlich, dass das Verhalten einer Batterie stark von der Temperatur abhängt. Insbesondere gewährleisten geeignete Temperaturbedingungen nicht nur die Sicherheit einer Batterie, sondern stellen auch eine wichtige Voraussetzung für den langlebigen Betrieb einer Batterie dar. Derzeit erfolgt die Erfassung eines thermischen Durchgehens in der Regel durch Vermessen der Oberflächentemperatur einer Batterie. In einem Antriebsbatteriepack-System sind üblicherweise Tausende von Batteriezellen enthalten, für deren separate Temperaturüberwachung Tausende von Temperatursensoren nötig sind, was zu hohem Montageaufwand und hohen Kosten führen würde. Mit anderen Worten ist es mit dem bisherigen Stand der Technik kaum möglich, die Temperatur jeder Antriebsbatteriezelle zu überwachen. Das heißt, eine Überwachung aller Batteriezellen auf thermisches Durchgehen ist bisher unmöglich. Bei praktischer Anwendung wird normalerweise nur eine geringe Anzahl an Temperatursensoren benutzt, um das Thermomanagement (einschließlich der Überwachung auf thermisches Durchgehen) des ganzen Antriebsbatteriepack-Systems zu realisieren. Zwar nimmt die durch das thermische Durchgehen einer einzigen Batteriezelle bewirkte starke Wärmefreisetzung Einfluss auf die umgebenden Batteriezellen, was sich schließlich mit Sicherheit von den Temperatursensoren erfassen lässt. Dies verringert jedoch erheblich die Reaktionsgeschwindigkeit des ganzen Thermomanagement-Systems und kann sehr leicht zu großen Sach- und Personenschäden führen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ausgehend von dem bekannten Thermomanagement für Antriebsbatteriepack-Systeme gemäß dem Stand der Technik, bei dem die Überwachung des ganzen Antriebsbatteriepacks auf thermisches Durchgehen lediglich mittels einer geringen Anzahl an Temperatursensoren erfolgt, so dass nicht jede Batteriezelle des Antriebsbatteriepacks in Bezug auf Temperatur überwacht werden kann bzw. eine Überwachung aller Batteriezellen auf thermisches Durchgehen unmöglich ist, ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien bereitzustellen, bei der an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen oder an Batteriezellengruppen jeweils ein Sicherungselement angeordnet ist, welche Sicherungselemente hintereinander in Reihe geschaltet sind und mit einer Steuerschaltung und einem Warngerät zusammenwirken, um die Temperatur der in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen des Antriebsbatteriepacks in Echtzeit zu überwachen, wobei bei Überschreiten eines Temperaturschwellenwerts automatisch durch das Warngerät eine Warnung abgegeben wird. Eine derartige automatische Warnvorrichtung zeichnet sich durch einfachen Aufbau, geringe Kosten und gute Anwendbarkeit aus und ermöglicht eine Echtzeit-Überwachung der in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack auf thermisches Durchgehen, womit eine Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit des Thermomanagements für Antriebsbatteriepacks verbunden ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien gelöst, die zur Überwachung von Antriebsbatteriezellen auf thermisches Durchgehen dient und ggf. eine Warnung abgibt. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Sicherungselemente sowie eine Steuerschaltung und ein Warngerät umfasst. Hierbei sind die Sicherungselemente jeweils an der Außenseite einer Batteriezelle angeordnet, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezelle das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt. Alternativ dazu sind die Sicherungselemente jeweils an einer aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe angeordnet, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezellengruppe das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt. Zudem sind die Sicherungselemente hintereinander in Reihe geschaltet, um einen Sicherungselement-String zu bilden, welcher an einem Ende der Reihe nach mit der Steuerschaltung und dem Warngerät verbunden und am anderen Ende geerdet ist. Durch die Steuerschaltung wird die Tatsache, dass eine Triode beim Durchbrennen eines Sicherungselements eingeschaltet wird, benutzt, um das Warngerät zu betätigen und somit eine automatische Warnung zu realisieren.
  • Die Steuerschaltung umfasst eine Triode, einen Pull-Up-Widerstand, einen Klemmwiderstand, einen Strombegrenzungswiderstand und eine Gleichspannungsquelle, wobei ein Ende des Sicherungselement-Strings sowohl mit einem Ende des Pull-Up-Widerstands als auch mit einem Ende des Klemmwiderstands, das andere Ende des Pull-Up-Widerstands mit der Gleichspannungsquelle, das andere Ende des Klemmwiderstands mit der Basis der Triode, der Kollektor der Triode mit einem Ende des Warngeräts und das andere Ende des Warngeräts mit der Gleichspannungsquelle verbunden und der Emitter der Triode über den Strombegrenzungswiderstand geerdet ist.
  • Ferner ist vorgesehen, dass das mit der Steuerschaltung verbundene Ende des Sicherungselement-Strings zusätzlich mit einem Datenerfassungsmodul verbunden ist, und/oder dass das Warngerät ein Summer ist, und/oder dass für den Fall, dass die Sicherungselemente jeweils an einer aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe angeordnet sind, auf jeder der Batteriezellen der Batteriezellengruppe ein Wärmeleitelement aufliegt, das dafür sorgt, dass die Batteriezellen der Batteriezellengruppe die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei sich das Sicherungselement an dem Wärmeleitelement oder an einer der Batteriezellen der Batteriezellengruppe befindet.
  • Das Sicherungselement umfasst einen Sicherungselement-Grundkörper und eine externe Leitung, welche miteinander verbunden sind. Der Sicherungselement-Grundkörper umfasst von innen nach außen hintereinander eine Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, eine Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers und eine Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, wobei die beiden Enden der Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers jeweils über die externe Leitung nach außen geführt und über die externe Leitung hintereinander in Reihe geschaltet sind. Bei der Seitenfläche der Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, mit der sie auf einer Batteriezelle aufliegt, handelt es sich um eine Platten- oder bogenförmige Struktur, über welche die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers mit der Oberfläche der Batteriezelle verklebt oder verschweißt ist.
  • Des Weiteren ist die Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers aus einem Bismut-Blei-Antimon-Legierungsstoff, die Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers aus wärmeleitender Keramik und die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff angefertigt.
  • Dabei ist vorgesehen, dass als wärmeleitende Keramik Aluminiumcarbid und als elektrisch leitfähiger Werkstoff Kupfer oder Aluminium verwendet wird, und/oder dass die Mittelschicht des Sicherungselements einen Durchbrenntemperaturschwellenwert von 50–65°C aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe weiterhin durch ein Verfahren zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien gelöst, mit dem Antriebsbatteriezellen auf thermisches Durchgehen überwacht werden und ggf. eine Warnung abgegeben wird. Dieses Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: Anordnen eines Sicherungselements an der Außenseite jeder Batteriezelle, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezelle das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt, oder Anordnen eines Sicherungselements an jeder aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezellengruppe das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt; Herstellen einer Reihenschaltung der Sicherungselemente, um einen Sicherungselement-String zu bilden, dessen eine Ende der Reihe nach mit einer Steuerschaltung und einem Warngerät verbunden und dessen andere Ende geerdet wird, wobei durch die Steuerschaltung die Tatsache, dass eine Triode beim Durchbrennen eines Sicherungselements eingeschaltet wird, benutzt wird, um das Warngerät zu betätigen und somit eine automatische Warnung zu realisieren.
  • Dabei umfasst die zur Verwendung kommende Steuerschaltung eine Triode, einen Pull-Up-Widerstand, einen Klemmwiderstand, einen Strombegrenzungswiderstand und eine Gleichspannungsquelle, wobei ein Ende des Sicherungselement-Strings sowohl mit einem Ende des Pull-Up-Widerstands als auch mit einem Ende des Klemmwiderstands, das andere Ende des Pull-Up-Widerstands mit der Gleichspannungsquelle, das andere Ende des Klemmwiderstands mit der Basis der Triode, der Kollektor der Triode mit einem Ende des Warngeräts und das andere Ende des Warngeräts mit der Gleichspannungsquelle verbunden und der Emitter der Triode über den Strombegrenzungswiderstand geerdet wird.
  • Darüber hinaus ist vorgesehen, dass das mit der Steuerschaltung verbundene Ende des Sicherungselement-Strings zusätzlich mit einem Datenerfassungsmodul verbunden wird, um den Zustand der Sicherungselemente zu überprüfen und für eine Sicherheitsüberwachung mit einer übergeordneten Leitstelle zu kommunizieren, und/oder dass als Warngerät ein Summer eingesetzt wird, und/oder dass das Anordnen eines Sicherungselements an jeder aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe dadurch erfolgt, dass auf jeder der Batteriezellen der Batteriezellengruppe ein Wärmeleitelement aufliegt, das dafür sorgt, dass die Batteriezellen der Batteriezellengruppe die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei das Sicherungselement an dem Wärmeleitelement oder an einer der Batteriezellen der Batteriezellengruppe angeordnet wird.
  • Zudem ist vorgesehen, dass das Sicherungselement einen Sicherungselement-Grundkörper und eine externe Leitung, welche miteinander verbunden sind, umfasst. Der Sicherungselement-Grundkörper umfasst von innen nach außen hintereinander eine Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, eine Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers und eine Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, wobei die beiden Enden der Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers jeweils über die externe Leitung nach außen geführt und über die externe Leitung hintereinander in Reihe geschaltet werden. Überdies ist die Seitenfläche der Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, mit der sie auf einer Batteriezelle aufliegt, als Platten- oder bogenförmige Struktur ausgebildet, über welche die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers mit der Oberfläche der Batteriezelle verklebt oder verschweißt ist.
  • Die Erfindung bietet folgende Vorteile:
    Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien, die zur Überwachung von Antriebsbatteriezellen auf thermisches Durchgehen dient und ggf. eine Warnung abgibt, ist an den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen, und zwar an der Oberfläche der Batteriezellen, oder an Batteriezellengruppen jeweils ein Sicherungselement angeordnet, welche Sicherungselemente hintereinander in Reihe geschaltet sind und mit einer Steuerschaltung, vorzugsweise nämlich den Funktionswiderständen und der Triode, und einem Warngerät, wie beispielsweise einem Summer, zusammenwirken, um die Temperatur der in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen des Antriebsbatteriepacks, d. h. die Oberflächentemperatur der Batteriezellen, in Echtzeit zu überwachen, wobei bei Überschreiten eines Temperaturschwellenwerts der Summer zur automatischen Warnung veranlasst wird. Durch das Anordnen eines einzigen Sicherungselements an einer aus mehreren miteinander verbundenen, die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe kann die Anzahl der anzuordnenden Sicherungselemente angemessen verringert werden. Eine derartige automatische Warnvorrichtung der Erfindung zeichnet sich durch einfachen Aufbau, einfache Verdrahtung, geringe Kosten und gute Anwendbarkeit aus und ermöglicht eine Echtzeit-Überwachung aller in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack auf thermisches Durchgehen mit entsprechender Vorwarnung, womit eine Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit des Thermomanagements für Antriebsbatteriepacks verbunden ist. Auf diese Weise wird das Problem des Stands der Technik, dass bei dem derzeit bekannten Thermomanagement nicht alle Batteriezellen in Bezug auf Temperatur überwacht werden können und daher eine rechtzeitige Vorwarnung vor thermischem Durchgehen unmöglich ist, behoben.
  • Bevorzugterweise umfasst das erfindungsgemäße Sicherungselement einen Sicherungselement-Grundkörper und eine externe Leitung, welche miteinander verbunden sind. Der Sicherungselement-Grundkörper besteht aus drei Schichten, von innen nach außen nämlich einer Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, einer Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers und einer Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, wobei die Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers eine Kernschicht bildet und aus einem niedrigschmelzenden Legierungsstoff, nämlich einem Bismut-Blei-Antimon-Legierungsstoff, angefertigt ist. Außerdem kann die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers eine auf den jeweiligen Zellentyp abgestimmte Form haben, um dicht auf der Oberfläche der Batteriezelle aufzuliegen, wobei die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers vorzugsweise durch Verkleben oder Verschweißen mit der Oberfläche der Batteriezelle verbunden ist.
  • In bevorzugter Weise kann ein Ende des Sicherungselement-Strings zusätzlich mit einem Datenerfassungsmodul verbunden werden, um die Spannung an diesem Ende in Echtzeit zu erfassen, wobei sich das durch das Datenerfassungsmodul in Echtzeit erfasste Spannungssignal weiterhin an eine übergeordnete Leitstelle zur Datensicherung oder zur weiteren Auswertung und Verarbeitung weiterleiten lässt.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien, das der oben beschriebenen Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien entspricht und so angesehen werden kann, dass es auf Basis der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien realisiert wird. Dieses Verfahren zeichnet sich durch gute Verwendbarkeit und hohe Praxistauglichkeit aus und ermöglicht eine hocheffektive, schnelle und genaue automatische Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Thermomanagements für Antriebsbatteriepacks erhöht und eine Echtzeit-Überwachung von Batteriezellen auf thermisches Durchgehen mit entsprechender Vorwarnung erreicht wird. Insgesamt eignet es sich für das Thermomanagement von Antriebsbatteriepacks bei umweltschonenden Elektrokraftfahrzeugen und kann zur Förderung der Anwendung solcher neuartiger Fahrzeuge beitragen.
  • Darstellung der Abbildungen
  • Es zeigen
  • 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischern Durchgehen von Antriebsbatterien,
  • 2 in schematischer Darstellung einen bevorzugten Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien,
  • 3 in schematischer Darstellung einen bevorzugten Aufbau eines erfindungsgemäßen Sicherungselements und
  • 4 einen Schnitt in Richtung A-A der 3.
  • Konkrete Ausführungsformen
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen beschrieben.
  • Die Erfindung offenbart eine Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien, die zur Überwachung von Antriebsbatteriezellen auf thermisches Durchgehen dient und ggf. eine Warnung abgibt. Wie in 1 dargestellt ist, umfasst diese automatische Warnvorrichtung mehrere Sicherungselemente 1 sowie eine Steuerschaltung und ein Warngerät. Hierbei sind die Sicherungselemente 1 jeweils an der Außenseite einer Batteriezelle 2 angeordnet, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezelle 2 das jeweils zugeordnete Sicherungselement 1 durchbrennt. Alternativ dazu sind die Sicherungselemente 1 jeweils an einer aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen 2 bestehenden Batteriezellengruppe angeordnet, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezellengruppe das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt. Zudem sind die Sicherungselemente 1 hintereinander in Reihe geschaltet, und zwar über eine in 1 gezeigte externe Leitung 102, um einen Sicherungselement-String zu bilden, welcher an einem Ende der Reihe nach mit der Steuerschaltung und dem Warngerät verbunden und am anderen Ende geerdet ist. Durch die Steuerschaltung wird die Tatsache, dass eine Triode beim Durchbrennen eines Sicherungselements eingeschaltet wird, benutzt, um das Warngerät zu betätigen und somit eine automatische Warnung zu realisieren.
  • Bei Vorhandensein einer sehr großen Anzahl (in der Regel mehr als 1000) an Batteriezellen in einem Antriebsbatteriepack ist es nur mit sehr hohem Aufwand möglich, an jeder Batteriezelle ein Sicherungselement anzuordnen. Daher wird es bevorzugt, dass zunächst mehrere Batteriezellen über ein wärmeleitendes, vorzugsweise hochwärmeleitendes, Element miteinander verbunden werden und dann an dieser Batteriezellengruppe ein Sicherungselement angeordnet wird. Im Einzelnen werden die Sicherungselemente 1 jeweils an einer aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen 2 bestehenden Batteriezellengruppe angeordnet, wobei auf jeder der Batteriezellen 2 der Batteriezellengruppe ein Wärmeleitelement (in 1 nicht dargestellt) aufliegt, das dafür sorgt, dass die Batteriezellen 2 der Batteriezellengruppe die gleiche Betriebstemperatur haben. Dabei kann sich das Sicherungselement 1 an dem Wärmeleitelement oder an einer der Batteriezellen 2 der Batteriezellengruppe befinden (in 1 nicht dargestellt), um die Anzahl der anzuordnenden Sicherungselemente 1 zu reduzieren. Als Wärmeleitmaterial für das Wärmeleitelement wird vorzugsweise ein Kupfermetallwerkstoff eingesetzt, um die Gleichheit der Betriebstemperatur der Batteriezellen 2 einer jeden Batteriezellengruppe sicherzustellen und damit die Lebensdauer des Batteriepacks zu verlängern.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung einen bevorzugten Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Steuerschaltung einen Pull-Up-Widerstand 3, einen Klemmwiderstand 4, eine Triode 5, einen Strombegrenzungswiderstand 6 und eine Gleichspannungsquelle. Wie sich aus 2 ergibt, sind n Batteriezellen 2 in Reihe und parallel zueinander geschaltet, um ein Antriebsbatteriepack zu bilden. An den einzelnen, in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen 2, und zwar an der Oberfläche der Batteriezellen 2, ist jeweils ein Sicherungselement 1 (Hochtemperatur-Sicherungselement) angeordnet, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezelle 2 das jeweils zugeordnete Sicherungselement 1 durchbrennt. Dabei sind die Sicherungselemente 1 hintereinander in Reihe geschaltet, und zwar über eine in 2 dargestellte externe Leitung 102, um einen Sicherungselement-String zu bilden, welcher an einem Ende sowohl mit einem Ende des Pull-Up-Widerstands 3 als auch mit einem Ende des Klemmwiderstands 4 verbunden und am anderen Ende geerdet ist. Darüber hinaus ist das andere Ende des Pull-Up-Widerstands 3 mit der Gleichspannungsquelle, deren Spannungswert bei Niederspannungssteuerung auf 5 V eingestellt werden kann, und das andere Ende des Klemmwiderstands 4 mit der Basis der Triode 5 verbunden, deren Kollektor wiederum mit einem Ende eines Summers 7 verbunden ist, wobei das andere Ende des Summers 7 an der Gleichspannungsquelle, deren Spannungswert bei Niederspannungssteuerung auf 5 V eingestellt werden kann, angeschlossen und der Emitter der Triode 5 über den Strombegrenzungswiderstand 6 geerdet ist. Mit der oben beschriebenen automatischen Warnvorrichtung der Erfindung kann die Temperatur der in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen 2 eines Antriebsbatteriepacks, d. h. die Oberflächentemperatur der Batteriezellen 2, in Echtzeit überwacht werden, wobei bei Überschreiten eines Temperaturschwellenwerts automatisch durch ein Warngerät, wie etwa den Summer 7, eine Warnung abgegeben wird, d. h. es wird die Tatsache, dass die Triode 5 beim Durchbrennen eines Sicherungselements 1 eingeschaltet wird, benutzt, um den Summer 7 zu betätigen und somit eine automatische Warnung zu realisieren. Bevorzugterweise kann der Sicherungselement-String an demjenigen Ende, an dem er sowohl mit einem Ende des Pull-Up-Widerstands 3 als auch mit einem Ende des Klemmwiderstands 4 verbunden ist, zusätzlich mit einem Datenerfassungsmodul, beispielsweise einer Datenerfassungskarte, verbunden sein (in 2 nicht dargestellt), um den Zustand der Sicherungselemente zu überprüfen und für eine Sicherheitsüberwachung mit einer übergeordneten Leitstelle zu kommunizieren. Mit dem Datenerfassungsmodul kann nämlich die Spannung an diesem Ende in Echtzeit erfasst und das durch das Datenerfassungsmodul in Echtzeit erfasste Spannungssignal an eine übergeordnete Leitstelle zur Datensicherung oder zur weiteren Auswertung und Verarbeitung weitergeleitet werden, wodurch z. B. eine Echtzeit-Überprüfung des Zustands der Sicherungselemente 1 oder eine Echtzeit-Kommunikation zur Sicherheitsüberwachung vorgenommen werden kann.
  • 3 und 4 zeigen in schematischer Darstellung einen bevorzugten Aufbau eines erfindungsgemäßen Sicherungselements 1, wobei 4 einen Schnitt in Richtung A-A der 3 darstellt. Wie in 3 und 4 zu erkennen ist, umfasst das Sicherungselement 1 einen Sicherungselement-Grundkörper 101 und eine externe Leitung 102, welche miteinander verbunden sind. Der Sicherungselement-Grundkörper 101 besteht aus drei Schichten, von innen nach außen nämlich einer Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1013, einer Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1012 und einer Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1011, wobei die beiden Enden der Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1013 jeweils über die externe Leitung 102 nach außen geführt sind und über die externe Leitung 102 hintereinander in Reihe geschaltet sein können. Es versteht sich, dass der so entstandene Sicherungselement-String an einem Ende auch über die externe Leitung 102 zum einen sowohl mit einem Ende des Pull-Up-Widerstands 3 als auch mit einem Ende des Klemmwiderstands 4 und zum anderen mit einem Datenerfassungsmodul verbunden ist. Bei der Seitenfläche der Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1011, mit der sie auf einer Batteriezelle 2 aufliegt, kann es sich um eine Platten- oder bogenförmige Struktur handeln, über welche die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers mit der Oberfläche der Batteriezelle 2 verklebt oder verschweißt ist. Im Einzelnen bildet die Seitenfläche der Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1011, mit der sie auf einer z. B. quaderförmigen Batteriezelle 2 aufliegt, eine Plattenstruktur, über welche die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers dicht auf der Oberfläche der quaderförmigen Batteriezelle 2 aufliegt und damit verbunden ist. Wenn hingegen als Batteriezelle 2 eine zylinderförmige Zelle verwendet wird, handelt es sich bei der Seitenfläche der Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1011, mit der sie auf der zylinderförmigen Batteriezelle 2 aufliegt, um eine auf die Mantelfläche der zylinderförmigen Batteriezelle 2 abgestimmte bogenförmige Struktur, über welche die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers dicht auf der Mantelfläche der zylinderförmigen Batteriezelle 2 aufliegt und damit verbunden ist. Weiter bevorzugt kann die Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1013 aus einem Bismut-Blei-Antimon-Legierungsstoff, d. h. einem niedrigschmelzenden Legierungsstoff, angefertigt sein und die Mittelschicht des Sicherungselements weist einen Durchbrenntemperaturschwellenwert von 50–65°C auf, wobei dann durch den Summer 7 automatisch eine Warnung abgegeben wird, wenn die Temperatur der in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen 2 des Antriebsbatteriepacks diesen Temperaturschwellenwert überschreitet. Die Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1012 kann aus wärmeleitender Keramik, vorzugsweise Aluminiumcarbid, hergestellt sein und dient dazu, bei Gewährleistung einer guten Wärmeübertragung zwischen der Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1011 und der Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1013 die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1011 und die Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers 1013 elektrisch voneinander zu isolieren. Die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers ist aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, gefertigt.
  • Nachstehend wird auf die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien näher eingegangen.
  • Im Normalbetrieb der einzelnen Batteriezellen 2 (in der Regel Lithium-Ionen-Zellen) des Antriebsbatteriepacks gemäß 2, d. h. wenn alle Batteriezellen 2 bei einer geeigneten Temperatur von beispielsweise 50°C betrieben werden, brennt kein Sicherungselement 1 durch. Im geschlossenen Zustand der in 2 gezeigten ganzen Schaltung weist das Sicherungselement 1 einen verhältnismäßig geringen Widerstandswert und der Pull-Up-Widerstand 3 hingegen einen verhältnismäßig hohen Widerstandswert auf, wobei dasjenige Ende des Sicherungselement-Strings, an dem er sowohl mit einem Ende des Pull-Up-Widerstands 3 als auch mit einem Ende des Klemmwiderstands 4 verbunden ist und das auch als „Kopfende des Sicherungselement-Strings” bezeichnet werden kann, ein Potential von Vcc·(R1/(Ra + R1)) (1) hat.
  • Dabei steht Vcc für die Spannung einer Gleichspannungsquelle, die bei Niederspannungssteuerung in der Regel einen Spannungswert von 5 V hat, Ra für den Widerstandswert des Pull-Up-Widerstands 3, der oft groß bemessen ist und z. B. 10 KΩ beträgt, und R1 für den Gesamtwiderstand einer Reihenschaltung der Sicherungselemente 1, nämlich R1 = n·R0, wobei R0 für den Widerstandswert eines Sicherungselements 1, der häufig niedrig bemessen ist und beispielsweise geringer als 1 Ω beträgt, und n für die Anzahl der in Reihe geschalteten Sicherungselemente 1 steht, die üblicherweise weniger als 1000 beträgt.
  • Aus der Formel (1) ergibt sich, dass im Normalbetrieb des Antriebsbatteriepacks bei V. = 5 V, Ra = 10 KΩ und R1 = 1000 Ω das Kopfende des Sicherungselement-Strings ein Potential von geringer als 0,7 V hat, wobei die Triode 5 nicht eingeschaltet und der Summer 7 nicht betätigt wird. Wenn die Temperatur einer Batteriezelle 1 den Temperaturschwellenwert überschreitet, brennt das jeweils zugeordnete Sicherungselement 1 durch und am Kopfende des Sicherungselement-Strings liegt eine Momentanspannung von 5 V (Vcc) an, wobei die Triode 5 eingeschaltet und der Summer 7 betätigt, d. h. zur Erzeugung eines summenden Tons als Warnung veranlasst wird. Da der Strombegrenzungswiderstand 6 einen geringen Widerstandswert Rc von häufig weniger als 100 Ω besitzt, liegt zu diesem Zeitpunkt am Kopfende des Sicherungselement-Strings eine Spannung von ungefähr Vcc·(Rb/(Ra + Rb)) (2) an.
  • Aus der Formel (2) ergibt sich, dass bei Ra = Rb an dem Kopfende eine Spannung von etwa 2,5 V anliegt, die sich von einem Datenerfassungsmodul, beispielsweise einer Datenerfassungskarte, erfassen und als Spannungssignal an eine übergeordnete Leitstelle weiterleiten lässt.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien, mit dem Antriebsbatteriezellen auf thermisches Durchgehen überwacht werden und ggf. eine Warnung abgegeben wird und das folgende Schritte umfasst: Anordnen eines Sicherungselements an der Außenseite jeder Batteriezelle, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezelle das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt, oder Anordnen eines Sicherungselements an jeder aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezellengruppe das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt; Herstellen einer Reihenschaltung der Sicherungselemente, um einen Sicherungselement-String zu bilden, dessen eine Ende der Reihe nach mit einer Steuerschaltung und einem Warngerät, vorzugsweise einem Summer, verbunden und dessen andere Ende geerdet wird, wobei durch die Steuerschaltung die Tatsache, dass eine Triode beim Durchbrennen eines Sicherungselements eingeschaltet wird, benutzt wird, um das Warngerät zu betätigen und somit eine automatische Warnung zu realisieren. Mit dem erfindungsgemäßen automatischen Warnverfahren kann die Temperatur der in Reihe und parallel zueinander geschalteten Batteriezellen eines Antriebsbatteriepacks in Echtzeit überwacht werden, wobei bei Überschreiten eines Ternperaturschwellenwerts automatisch durch das Warngerät eine Warnung abgegeben wird.
  • Das oben beschriebene Anordnen eines Sicherungselements an jeder aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe erfolgt dadurch, dass auf jeder der Batteriezellen der Batteriezellengruppe ein Wärmeleitelement aufliegt, das dafür sorgt, dass die Batteriezellen der Batteriezellengruppe die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei das Sicherungselement an dem Wärmeleitelement oder an einer der Batteriezellen der Batteriezellengruppe angeordnet wird.
  • Bevorzugterweise umfasst die zur Verwendung kommende Steuerschaltung eine Triode, einen Pull-Up-Widerstand, einen Klemmwiderstand, einen Strombegrenzungswiderstand und eine Gleichspannungsquelle, wie dies in FIG dargestellt, wobei ein Ende des Sicherungselement-Strings sowohl mit einem Ende des Pull-Up-Widerstands als auch mit einem Ende des Klemmwiderstands, das andere Ende des Pull-Up-Widerstands mit der Gleichspannungsquelle, deren Spannungswert bei Niederspannungssteuerung auf 5 V eingestellt werden kann, das andere Ende des Klemmwiderstands mit der Basis der Triode, der Kollektor der Triode mit einem Ende des Warngeräts und das andere Ende des Warngeräts mit der Gleichspannungsquelle, deren Spannungswert bei Niederspannungssteuerung auf 5 V eingestellt werden kann, verbunden und der Emitter der Triode über den Strombegrenzungswiderstand geerdet wird.
  • Des Weiteren kann das mit der Steuerschaltung verbundene Ende des Sicherungselement-Strings zusätzlich mit einem Datenerfassungsmodul, beispielsweise einer Datenerfassungskarte, verbunden werden, um den Zustand der Sicherungselemente zu überprüfen und für eine Sicherheitsüberwachung mit einer übergeordneten Leitstelle zu kommunizieren. Mit dem Datenerfassungsmodul kann nämlich die Spannung an diesem Ende in Echtzeit erfasst und das durch das Datenerfassungsmodul in Echtzeit erfasste Spannungssignal an eine übergeordnete Leitstelle zur Datensicherung oder zur weiteren Auswertung und Verarbeitung weitergeleitet werden, wodurch z. B. eine Echtzeit-Überprüfung des Zustands der Sicherungselemente 1 oder eine Echtzeit-Kommunikation zur Sicherheitsüberwachung vorgenommen werden kann.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Sicherungselement einen Sicherungselement-Grundkörper und eine externe Leitung, welche miteinander verbunden sind, umfasst, vgl. 3 und 4. Der Sicherungselement-Grundkörper umfasst von innen nach außen hintereinander eine Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, eine Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers und eine Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, wobei die beiden Enden der Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers jeweils über die externe Leitung nach außen geführt und über die externe Leitung hintereinander in Reihe geschaltet werden. Überdies ist die Seitenfläche der Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, mit der sie auf einer Batteriezelle aufliegt, als Platten- oder bogenförmige Struktur ausgebildet, über welche die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers mit der Oberfläche der Batteriezelle verklebt oder verschweißt ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers aus einem Bismut-Blei-Antimon-Legierungsstoff, die Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers aus wärmeleitender Keramik, vorzugsweise Aluminiumcarbid, und die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, angefertigt sein kann, wobei die Mittelschicht des Sicherungselements einen Durchbrenntemperaturschwellenwert von 50–65°C aufweist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die vorangehend beschriebenen konkreten Ausführungsformen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung dienen und die Erfindung keineswegs einschränken. Den Fachleuten auf diesem Gebiet wird daher klar sein, dass trotz der obenstehenden näheren Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen und Ausführungsbeispiele weitere Abänderungen oder gleichwertige Substitutionen möglich sind. Insgesamt sind alle Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die nicht von den Grundideen der Erfindung abweichen, vom Schutzumfang der Erfindung umfasst.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sicherungselement
    2
    Batteriezelle
    3
    Pull-Up-Widerstand
    4
    Klemmwiderstand
    5
    Triode
    6
    Strombegrenzungswiderstand
    7
    Summer
    101
    Sicherungselement-Grundkörper
    102
    Externe Leitung
    1011
    Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers
    1012
    Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers
    1013
    Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien, die zur Überwachung von Antriebsbatteriezellen auf thermisches Durchgehen dient und ggf. eine Warnung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Sicherungselemente sowie eine Steuerschaltung und ein Warngerät umfasst, welche Sicherungselemente jeweils an der Außenseite einer Batteriezelle angeordnet sind, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezelle das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt, oder jeweils an einer aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe angeordnet sind, wobei bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts durch die Oberflächentemperatur einer Batteriezellengruppe das jeweils zugeordnete Sicherungselement durchbrennt, wobei die Sicherungselemente hintereinander in Reihe geschaltet sind, um einen Sicherungselement-String zu bilden, welcher an einem Ende der Reihe nach mit der Steuerschaltung und dem Warngerät verbunden und am anderen Ende geerdet ist, wobei durch die Steuerschaltung die Tatsache, dass eine Triode beim Durchbrennen eines Sicherungselements eingeschaltet wird, benutzt wird, um das Warngerät zu betätigen und somit eine automatische Warnung zu realisieren.
  2. Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung eine Triode, einen Pull-Up-Widerstand, einen Klemmwiderstand, einen Strombegrenzungswiderstand und eine Gleichspannungsquelle umfasst, wobei ein Ende des Sicherungselement-Strings sowohl mit einem Ende des Pull-Up-Widerstands als auch mit einem Ende des Klemmwiderstands, das andere Ende des Pull-Up-Widerstands mit der Gleichspannungsquelle, das andere Ende des Klemmwiderstands mit der Basis der Triode, der Kollektor der Triode mit einem Ende des Warngeräts und das andere Ende des Warngeräts mit der Gleichspannungsquelle verbunden und der Emitter der Triode über den Strombegrenzungswiderstand geerdet ist.
  3. Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Steuerschaltung verbundene Ende des Sicherungselement-Strings zusätzlich mit einem Datenerfassungsmodul verbunden ist, und/oder dass das Warngerät ein Summer ist, und/oder dass für den Fall, dass die Sicherungselemente jeweils an einer aus mehr als zwei die gleiche Betriebstemperatur aufweisenden Batteriezellen bestehenden Batteriezellengruppe angeordnet sind, auf jeder der Batteriezellen der Batteriezellengruppe ein Wärmeleitelement aufliegt, das dafür sorgt, dass die Batteriezellen der Batteriezellengruppe die gleiche Betriebstemperatur haben, wobei sich das Sicherungselement an dem Wärmeleitelement oder an einer der Batteriezellen der Batteriezellengruppe befindet.
  4. Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement einen Sicherungselement-Grundkörper und eine externe Leitung, welche miteinander verbunden sind, umfasst, welcher Sicherungselement-Grundkörper von innen nach außen hintereinander eine Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, eine Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers und eine Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers umfasst, wobei die beiden Enden der Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers jeweils über die externe Leitung nach außen geführt und über die externe Leitung hintereinander in Reihe geschaltet sind, wobei es sich bei der Seitenfläche der Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers, mit der sie auf einer Batteriezelle aufliegt, um eine Platten- oder bogenförmige Struktur handelt, über welche die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers mit der Oberfläche der Batteriezelle verklebt oder verschweißt ist.
  5. Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelschicht des Sicherungselement-Grundkörpers aus einem Bismut-Blei-Antimon-Legierungsstoff, die Zwischenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers aus wärmeleitender Keramik und die Außenschicht des Sicherungselement-Grundkörpers aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff angefertigt ist.
  6. Vorrichtung zur automatischen Warnung vor thermischem Durchgehen von Antriebsbatterien gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als wärmeleitende Keramik Aluminiumcarbid und als elektrisch leitfähiger Werkstoff Kupfer oder Aluminium verwendet wird, und/oder dass die Mittelschicht des Sicherungselements einen Durchbrenntemperaturschwellenwert von 50–65°C aufweist.
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