EP2792013A1 - Batteriesystem und kraftfahrzeug - Google Patents

Batteriesystem und kraftfahrzeug

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Publication number
EP2792013A1
EP2792013A1 EP12790516.4A EP12790516A EP2792013A1 EP 2792013 A1 EP2792013 A1 EP 2792013A1 EP 12790516 A EP12790516 A EP 12790516A EP 2792013 A1 EP2792013 A1 EP 2792013A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
battery system
switching means
series
fuse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12790516.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Wipfler
Markus Kohlberger
Joachim Fetzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, Samsung SDI Co Ltd filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2792013A1 publication Critical patent/EP2792013A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0046—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • B60L50/66—Arrangements of batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/21—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having the same nominal voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/583—Devices or arrangements for the interruption of current in response to current, e.g. fuses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery system comprising a battery having a plurality of battery cells connected in series. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle comprising the battery system.
  • Lithium-ion battery cells have at least one positive and one negative electrode (cathode or anode), the lithium-ion (Li +) reversible on (intercalation) or outsource (deintercalation) can.
  • FIG. 1 shows how individual battery cells 10 can be combined to form battery modules 12 and then batteries 14. This is done by not shown in parallel or series connection of the poles of the battery cells 10.
  • a battery module 12 and a battery 14 from at least two battery cells 10 the terms battery 14 and battery module 12 are often used interchangeably.
  • the electrical voltage of a battery 14 is for example between 120 and 600 volts DC.
  • DE 10 2009 050 996 A1 discloses an apparatus and a method for the
  • Battery cells within an energy storage device (eg, a battery).
  • the separation of the lines is carried out by a propellant, which is ignited, for example, after the evaluation of a crash signal.
  • a propellant which is ignited, for example, after the evaluation of a crash signal.
  • US 5,760,488 A deals with the provision of a vehicle with a fuel cell or battery powered power grid. It is designed to protect against high contact voltages with a
  • a battery system is provided with a battery which comprises a plurality of battery cells connected in series.
  • the battery comprises at least one such connected to the battery cells in series fuse means, so that after the release of the at least one securing means, the sum of the voltages of the battery cells still connected in series does not exceed a threshold voltage.
  • the battery system further includes one of the two battery poles electrically
  • connecting switching means which is designed to short-circuit the battery when detecting a fault signal, so that triggers the at least one securing means.
  • the series connection of the battery cells is at least partially separated by one or more in turn connected to the battery cells connected in series fuse means.
  • the triggering of several series-connected securing means is made possible by the fact that the securing means have only very low manufacturing tolerances and thereby trigger practically at the same time. This allows a safe release of all connected in series securing means.
  • the switching means is open in trouble-free operation and designed to be at a
  • closing the switching means can result in a new series connection of battery cells via the switching means.
  • Switching means are opened again after triggering the fuse or another securing means between the switching means and one of the
  • the battery according to the invention has the advantage that when a relevant fault is detected, the maximum voltage present within the battery is limited to a tolerable value. This is for example
  • Insulation damage among other things caused by mechanical deformations in a traffic accident makes sense, in order to minimize a risk to occupants or rescue workers in terms of a possible body perfusion.
  • the maximum occurring within the battery voltage after triggering the fuse is less than 60 volts DC.
  • a plurality of battery cells may be connected to form battery modules, which are in turn connected in series to increase the voltage.
  • a battery module may still have a tolerable contact voltage, but two series-connected battery modules may already exceed this permissible contact voltage.
  • the at least one securing means is a fuse, which represents a particularly cost-effective alternative.
  • the at least one securing means is a
  • the at least one securing means is a resetting fuse.
  • This can be either a manually resetting or self-resetting fuse, which can be used as a self-resetting fuse, for example, a PTC thermistor element.
  • the switching means is a relay, or further preferably a contactor, in order to realize, for example, higher switching performance.
  • the battery comprises a
  • Such impact sensors are also used among other things for airbag deployment. For example, from a certain accident severity, in which a strong deformation of the vehicle body is to be expected, the battery is short-circuited and triggered at least one securing means.
  • One way to detect an accident independent of an accident is the preferred use of a battery that has a
  • Insulation monitor includes. This is in turn with the switching means for direct or indirect transmission of the interference signal.
  • the at least one securing means is triggered only after the detection of an actual insulation fault.
  • the safety device can interrupt the series connection even after a double insulation fault, ie at two points with defective insulation, as well as a combination of fault signals from an insulation monitor and an impact sensor.
  • the at least one securing means is preferably an integral part of a circuit fixedly connected to the battery cell.
  • the circuit may preferably be arranged inside the battery cell.
  • the securing means is additionally protected by the battery cell housing from environmental influences.
  • the battery is a lithium-ion battery.
  • the lithium-ion technology particularly high energy storage densities can be achieved, which leads to further advantages, especially in the field of electromobility.
  • the battery is usually provided for feeding an electric drive system of the vehicle.
  • the motor vehicle preferably further comprises an impact sensor, which is connected to the switching means for the direct or indirect transmission of the interference signal.
  • an impact sensor which is already present in the vehicle can be used to generate the interference signal.
  • FIG. 4 shows a battery according to the invention comprising battery modules.
  • FIG. 1 has already been discussed to explain the state of the art.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a battery system according to the invention, wherein in the simplest case the battery 14 comprises only two battery cells 10 connected in series.
  • the series connection of the two battery cells 10 via an intermediate fuse means 18, for example, a relay and the two battery terminals 24 are electrically connected to a switching means 20.
  • the switching means 20 may for example be part of the battery 14 and integrated into it.
  • the switching means 20 is opened, a connected to the battery terminals 24, not shown consumer, such as a drive motor of an electric vehicle is powered by the battery 14 with power. If a fault signal is detected in the event of a fault, then the switching means 20 is closed and thus the battery 14 is short-circuited. Due to the high occurring short-circuit current, the securing means 18 is triggered and thus the series connection of the two battery cells 10th
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of the invention, after which each one
  • Battery cell 10 is assigned a securing means 18.
  • each securing means 18 can be an integral part of a circuit permanently connected to the battery cell 10.
  • the battery 14 comprises an insulation guard 22, which is adapted to a contact of the
  • Securing means 18 corresponds to the maximum voltage occurring within the battery 14 of the voltage of a single battery cell 10. With only low voltages of individual battery cells 10, it is usually more economical not to assign a securing means 18 to each battery cell 10, but only after a certain number of battery cells 10 connected in series to arrange a securing means 18. The number of battery cells 10 connected in series until a fuse means 18 is connected in series depends on the voltage of the individual battery cells 10 and on a maximum permissible value
  • each battery cell 10 can be connected in series to form a battery module 12.
  • the switching means 20 can be arranged as shown outside the battery 14, and connects the battery terminals 24 via the terminals of the battery 14. In a single voltage of a battery cell 10 of 9 volts thus results in the voltage of a battery module 12 to 27 volts. If the specification of a limit voltage of less than 60 volts, so after triggering the
  • Securing means 18 a maximum of two battery modules 12 remain connected in series, so that the sum of the voltages of the series-connected Battery module 12 is less than 60 volts. Accordingly, after each two battery modules 12, a securing means 18 is arranged. When closing the switching means 20 and after the release of the securing means 18 thus the voltage of the remaining series circuits of the battery modules 12 is in each case 54 volts.

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Abstract

Es wird ein Batteriesystem mit einer Batterie (14), welche eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen (10) umfasst, beschrieben. Zudem umfasst das Batteriesystem mindestens ein Sicherungsmittel (18), welches derart in Reihe zu den Batteriezellen (10) geschaltet ist, so dass nach dem Auslösen des mindestens einen Sicherungsmittels (18) die Summe der Spannungen der noch in Reihe geschalteten Batteriezellen (10) eine Grenzspannung nicht überschreitet. Ferner umfasst das Batteriesystem ein die beiden Batteriepole (24) elektrisch verbindendes Schaltmittel (20), welches dazu ausgebildet ist, beim Erkennen eines Störungssignals die Batterie (14) kurzzuschließen, so dass das mindestens eine Sicherungsmittel (18) auslöst. Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorgeschlagen.

Description

Beschreibung Titel
Batteriesvstem und Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, welches eine Batterie mit einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das das Batteriesystem umfasst.
Stand der Technik
In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen elektrische Energiespeicher zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt bzw. zum Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen Batterien Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen Batteriezellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können.
Figur 1 zeigt, wie einzelne Batteriezellen 10 zu Batteriemodulen 12 und dann zu Batterien 14 zusammengefasst werden können. Dies erfolgt durch nicht dargestellte Parallel- oder Reihenschaltung der Pole der Batteriezellen 10. Dabei besteht per Definition ein Batteriemodul 12 bzw. eine Batterie 14 aus mindestens zwei Batteriezellen 10, wobei die Begriffe Batterie 14 und Batteriemodul 12 oft synonym verwendet werden. Die elektrische Spannung einer Batterie 14 beträgt beispielsweise zwischen 120 und 600 Volt Gleichstrom.
Verschiedene Einflüsse können die Lebensdauer oder die Sicherheit einer Lithium-Ionen-Batterie beeinflussen. Hierzu gehören zum einen elektrische Einflüsse, wie zu hohe Ströme oder Spannungen, Temperatureinflüsse sowie mechanische Einflüsse. Batteriezellen, deren Gehäuse aus einem festen Aluminium- oder Stahlblech bestehen, sind in sich formstabil und überstehen kleinere Stöße ohne mechanische Verformung. Bei einem Unfall des
batteriebetriebenen Fahrzeuges kann es jedoch zu einer dauerhaften und deutlichen Verformung des Gehäuses der Batterie und damit auch der
Batteriezellen kommen. In solch einem Fall besteht die Gefahr, dass
beispielsweise Teile der Karosserie mit einem Batteriepol in Kontakt kommen und somit eine Gefährdung für Insassen und Rettungskräfte entsteht. Die DE 10 2009 050 996 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren, um die
Verbindungsleitungen zwischen mindestens zwei Energiequellen (z. B.
Batteriezellen) innerhalb einer Energiespeichereinrichtung (z. B. eine Batterie) zu durchtrennen. Die Durchtrennung der Leitungen erfolgt durch eine Treibladung, welche beispielsweise nach der Auswertung eines Crashsignals gezündet wird. Durch die Auftrennung der Leitungen innerhalb der Batterie wird der interne
Stromfluss unterbrochen, wodurch die Batterie von außen nicht mehr
kurzgeschlossen werden kann.
Die US 5,760,488 A beschäftigt sich mit der Bereitstellung eines Fahrzeuges mit einem brennstoffzellen- oder batteriegespeisten Energieversorgungsnetz. Es ist zum Schutz gegen hohe Berührungsspannungen mit einer
Isolationsüberwachung ausgestattet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einer Batterie, welche eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen umfasst, zur Verfügung gestellt. Zudem umfasst die Batterie mindestens ein derart zu den Batteriezellen in Reihe geschaltetes Sicherungsmittel, so dass nach dem Auslösen des mindestens einen Sicherungsmittels die Summe der Spannungen der noch in Reihe geschalteten Batteriezellen eine Grenzspannung nicht überschreitet. Das Batteriesystem umfasst ferner ein die beiden Batteriepole elektrisch
verbindendes Schaltmittel, welches dazu ausgebildet ist, beim Erkennen eines Störungssignals die Batterie kurzzuschließen, so dass das mindestens eine Sicherungsmittel auslöst. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch gezieltes
Kurzschließen der Batterie die Reihenschaltung der Batteriezellen zumindest teilweise getrennt wird, indem ein oder mehrere zu den Batteriezellen wiederum in Reihe geschaltete Sicherungsmittel auslösen. Das Auslösen mehrerer in Reihe geschalteter Sicherungsmittel wird dadurch ermöglicht, dass die Sicherungsmittel nur sehr geringe Fertigungstoleranzen aufweisen und dadurch praktisch zeitgleich auslösen. Dies ermöglicht ein sicheres Auslösen aller in Reihe geschalteten Sicherungsmittel. Um dies zu ermöglichen, ist das Schaltmittel im störungsfreien Betrieb geöffnet und dazu ausgebildet, sich bei einem
Störungssignal zu schließen und somit die Batterie kurzzuschließen. Es gilt jedoch zu beachten, dass durch das Schließen des Schaltmittels eine neue Serienschaltung von Batteriezellen über das Schaltmittel entstehen kann.
Dadurch summieren sich wiederum die Spannungen der mit dem positiven und dem negativen Batteriepol verschalteten Batteriezellen. Sollte diese Spannung höher einer maximalen zulässigen Spannung sein, so kann beispielsweise das
Schaltmittel nach dem Auslösen der Sicherung wieder geöffnet werden oder ein weiteres Sicherungsmittel zwischen dem Schaltmittel und einer der
nächstliegenden Batteriezellen angeordnet sein. Die erfindungsgemäße Batterie hat den Vorteil, dass beim Erkennen einer relevanten Störung die maximal vorhandene Spannung innerhalb der Batterie auf einen tolerierbaren Wert begrenzt wird. Dies ist beispielsweise bei
Isolationsschäden, unter anderem verursacht durch mechanische Verformungen bei einem Verkehrsunfall sinnvoll, um eine Gefährdung für Insassen oder Rettungskräfte in Hinsicht einer möglichen Körperdurchströmung zu minimieren.
Bevorzugt beträgt die maximale, innerhalb der Batterie auftretende Spannung nach dem Auslösen der Sicherung kleiner 60 Volt Gleichspannung. Bei
Berührspannungen kleiner 60 Volt Gleichspannung können tödliche
Verletzungen durch Körperdurchströmung weitestgehend ausgeschlossen werden. Bei einer noch tieferen Grenzspannung kann aufgrund der nur geringen verbleibenden Spannung auf einen Berührschutz verzichtet werden, eine beispielsweise bei einem Unfall beschädigte Schutzabdeckung stellt kein
Sicherheitsrisiko mehr dar. Auch bei einer späteren Reparatur wird das Risiko von Stromschlägen reduziert. Es können auch mehrere Batteriezellen zu Batteriemodulen zusammengeschlossen sein, welche zur Spannungserhöhung wiederum in Reihe geschaltet sind. Ein Batteriemodul kann beispielsweise eine noch zulässige Berührspannung aufweisen, zwei in Reihe geschaltete Batteriemodule jedoch diese zulässige Berührspannung bereits übersteigen. Somit kann durch eine Reihenschaltung jeweils eines Sicherungsmittels zu jedem Batteriemodul oder zwischen jedem in Reihe geschalteten Batteriemodulpaar eine einfache
Absicherung der Batterie erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Sicherungsmittel eine Schmelzsicherung, welche eine besonders kostengünstige Alternative darstellt.
Ferner bevorzugt ist das mindestens eine Sicherungsmittel eine
Halbleitersicherung, wodurch eine kurze Ansprechzeit bei gleichzeitig geringerem Platzbedarf realisiert werden kann.
Des Weiteren bevorzugt ist das mindestens eine Sicherungsmittel eine rückstellende Sicherung. Diese kann entweder eine manuell rückstellende oder selbstrückstellende Sicherung sein, wobei als selbstrückstellende Sicherung beispielsweise ein Kaltleiterelement Verwendung finden kann.
Vorzugsweise ist das Schaltmittel ein Relais, oder ferner bevorzugt ein Schütz, um beispielsweise höhere Schaltleistungen realisieren zu können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Batterie einen
Aufprallsensor, welcher mit dem Schaltmittel zur direkten oder indirekten
Übertragung des Störungssignals verbunden ist. Solche Aufprallsensoren werden unter anderem auch zur Airbagauslösung genutzt. Beispielsweise ab einer bestimmten Unfallschwere, bei welcher eine starke Deformation der Fahrzeugkarosserie zu erwarten ist, wird die Batterie kurzgeschlossen und das mindestens eine Sicherungsmittel ausgelöst.
Eine Möglichkeit, einen von einem Unfall unabhängigen Störfall zu detektieren, besteht in der bevorzugten Verwendung einer Batterie, welche einen
Isolationswächter umfasst. Dieser ist wiederum mit dem Schaltmittel zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden. Dadurch wird das mindestens eine Sicherungsmittel erst nach dem Detektieren eines tatsächlichen Isolationsfehlers ausgelöst. Optional kann das Sicherungsmittel auch erst nach einem doppelten Isolationsfehler, also bei zwei Stellen mit defekter Isolation, sowie bei einer Kombination von Störungssignalen aus einem Isolationswächter und einem Aufprallsensor die Reihenschaltung unterbrechen.
Des Weiteren bevorzugt ist das mindestens eine Sicherungsmittel integraler Bestandteil einer fest an die Batteriezelle gebundenen Schaltung. Diese
Schaltung kann ferner bevorzugt innerhalb der Batteriezelle angeordnet sein. Dadurch ist das Sicherungsmittel durch das Batteriezellengehäuse zusätzlich vor Umwelteinflüssen geschützt.
Vorzugsweise ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie. Durch die Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches die
erfindungsgemäße Batterie umfasst. Die Batterie ist in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen.
Das Kraftfahrzeug umfasst bevorzugt ferner einen Aufprallsensor, welcher mit dem Schaltmittel zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung kann ein ohnehin im Fahrzeug vorhandener Aufprallsensor zur Generierung des Störungssignals verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und der Beschreibung zu entnehmen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Batteriezelle, ein Modul und eine Batterie, Figur 2 eine erfindungsgemäße Batterie, Figur 3 eine erfindungsgemäße Batterie mit einem Isolationswächter, und
Figur 4 eine erfindungsgemäße Batterie umfassend Batteriemodule. Auf Figur 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
Figur 2 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, wobei im einfachsten Fall die Batterie 14 nur zwei in Reihe geschaltete Batteriezellen 10 umfasst. Die Reihenschaltung der beiden Batteriezellen 10 erfolgt über ein zwischengeschaltetes Sicherungsmittel 18, beispielsweise ein Relais und die beiden Batteriepole 24 sind mit einem Schaltmittel 20 elektrisch miteinander verbunden. Das Schaltmittel 20 kann beispielsweise Teil der Batterie 14 und in diese integriert sein.
Während des störungsfreien Betriebes ist das Schaltmittel 20 geöffnet, ein an den Batteriepolen 24 angeschlossener, nicht dargestellter Verbraucher, beispielsweise ein Antriebsmotor eines Elektrofahrzeuges, wird von der Batterie 14 mit Strom versorgt. Wird bei einem Störfall ein Störungssignal detektiert, so wird das Schaltmittel 20 geschlossen und damit die Batterie 14 kurzgeschlossen. Durch den hohen auftretenden Kurzschlussstrom wird das Sicherungsmittel 18 ausgelöst und somit die Reihenschaltung der beiden Batteriezellen 10
unterbrochen. Mit dem Schließen des Schaltmittels 20 wird jedoch eine neue Reihenschaltung der beiden Batteriezellen 10 über das Schaltmittel 20 geschaffen. Die Summe der Spannungen der beiden Batteriezellen 10 liegt dann nicht zwischen den Batteriepolen 24 an, sondern innerhalb der Batterie 14 zwischen den beiden Enden des ausgelösten Sicherungsmittels 18. Bei einem möglichen Isolationsfehler des Batteriegehäuses 16 kann dies zu einer neuen Gefährdungssituation führen. Um diese Serienschaltung über das Schaltmittel 20 aufzulösen, kann beispielsweise das Schaltmittel 20 nach dem Auslösen der Sicherungsmittel 18 wieder geöffnet werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anordnung eines weiteren Sicherungselementes zwischen einem der
Batteriepole 24 und der damit direkt verschalteten Batteriezelle 10. Durch elektrische Unterteilung der Batteriezellen 10 werden ihre Spannungen nicht mehr durch eine Reihenschaltung summiert, wodurch eine mögliche
Gefahrenquelle entschärft wurde. Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, wonach einer jeden
Batteriezelle 10 ein Sicherungsmittel 18 zugeordnet ist. Jedes Sicherungsmittel 18 kann dafür beispielsweise integraler Bestandteil einer fest an die Batteriezelle 10 gebundenen Schaltung sein. Zusätzlich umfasst die Batterie 14 einen Isolationswächter 22, welcher dazu ausgebildet ist, einen Kontakt des
Batteriegehäuses 16 mit einem unter Spannung stehenden Teil der Batterie 14 zu detektieren. Detektiert nun der Isolationswächter 22 einen Isolationsfehler zum Batteriegehäuse 16, so wird das normalerweise offene Schaltmittel 20 geschlossen und somit die Batterie 14 kurzgeschlossen. Beim Schließen des Schalters 20 lösen alle Sicherungsmittel 18 praktisch gleichzeitig aus. Dies ist möglich, da die Sicherungsmittel 18 sehr engen Toleranzen unterliegen, so dass diese im praktisch selben Zeitpunkt auslösen. Nach dem Auslösen der
Sicherungsmittel 18 entspricht die maximal innerhalb der Batterie 14 auftretende Spannung der Spannung einer einzelnen Batteriezelle 10. Bei nur geringen Spannungen einzelner Batteriezellen 10 ist es meist wirtschaftlicher, nicht jeder Batteriezelle 10 ein Sicherungsmittel 18 zuzuordnen, sondern erst nach einer bestimmten Anzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen 10 ein Sicherungsmittel 18 anzuordnen. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen 10, bis ein Sicherungsmittel 18 in Reihe geschaltet ist, hängt von der Spannung der einzelnen Batteriezellen 10 und von einer maximal zulässigen
Grenzspannung im Störfall ab.
Beispielsweise können wie in Figur 4 abgebildet jeweils drei Batteriezellen 10 in Reihe zu einem Batteriemodul 12 zusammengeschaltet sein. Das Schaltmittel 20 kann wie abgebildet auch außerhalb der Batterie 14 angeordnet sein, und verbindet die Batteriepole 24 über die Anschlussklemmen der Batterie 14. Bei einer Einzelspannung einer Batteriezelle 10 von 9 Volt ergibt sich somit die Spannung eines Batteriemoduls 12 zu 27 Volt. Besteht die Vorgabe einer Grenzspannung kleiner 60 Volt, so dürfen nach dem Auslösen der
Sicherungsmittel 18 maximal zwei Batteriemodule 12 in Reihe geschalten bleiben, damit die Summe der Spannungen der in Reihe geschalteten Batteriemodule 12 kleiner 60 Volt beträgt. Dementsprechend ist nach jeweils zwei Batteriemodulen 12 ein Sicherungsmittel 18 angeordnet. Beim Schließen des Schaltmittels 20 und nach dem Auslösen der Sicherungsmittel 18 beträgt somit die Spannung der verbleibenden Reihenschaltungen der Batteriemodule 12 jeweils 54 Volt.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriesystem mit einer Batterie (14), welche eine Mehrzahl in Reihe
geschalteter Batteriezellen (10) und mindestens ein derart in Reihe zu den Batteriezellen (10) geschaltetes Sicherungsmittel (18) umfasst, so dass nach dem Auslösen des mindestens einen Sicherungsmittels (18) die Summe der Spannungen der noch in Reihe geschalteten Batteriezellen (10) eine Grenzspannung nicht überschreitet und das Batteriesystem ferner ein die beiden Batteriepole (24) elektrisch verbindendes Schaltmittel (20) umfasst, welches dazu ausgebildet ist, beim Erkennen eines Störungssignals die Batterie (14) kurzzuschließen, so dass das mindestens eine
Sicherungsmittel (18) auslöst.
2. Batteriesystem nach Anspruch 1 , wobei das mindestens eine
Sicherungsmittel (18) integraler Bestandteil einer fest an die Batteriezelle (10) gebundenen Schaltung ist.
3. Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sicherungsmittel (18) eine Schmelzsicherung, eine Halbleitersicherung oder eine rückstellende Sicherung ist.
4. Batteriesystem nach Anspruch 3, wobei die rückstellende Sicherung eine selbstrückstellende Sicherung, insbesondere ein Kaltleiterelement ist.
5. Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltmittel (20) ein Relais oder ein Schütz ist.
6. Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Grenzspannung kleiner 60 Volt Gleichspannung beträgt.
7. Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Batterie (14) einen Isolationswächter (22) umfasst, welcher mit dem Schaltmittel (20) zur direkten oder indirekten Übertragung des
Störungssignals verbunden ist.
8. Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Batterie (14) einen Aufprallsensor umfasst, welcher mit dem Schaltmittel (20) zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden ist
9. Kraftfahrzeug umfassend ein Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, wobei das Kraftfahrzeug einen
Aufprallsensor umfasst, welcher mit dem Schaltmittel (20) zur direkten oder indirekten Übertragung des Störungssignals verbunden ist.
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