EP3631939A1 - Sicherungssystem zum schutz eines batteriesystems - Google Patents

Sicherungssystem zum schutz eines batteriesystems

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Publication number
EP3631939A1
EP3631939A1 EP18729876.5A EP18729876A EP3631939A1 EP 3631939 A1 EP3631939 A1 EP 3631939A1 EP 18729876 A EP18729876 A EP 18729876A EP 3631939 A1 EP3631939 A1 EP 3631939A1
Authority
EP
European Patent Office
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battery system
battery
security
fuse
overcurrent
Prior art date
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Pending
Application number
EP18729876.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norman Winkler
Thomas Nawrath
Stefan Reinhold
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.)
Hoppecke Batterien GmbH and Co KG
Original Assignee
Intilion AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Intilion AG filed Critical Intilion AG
Publication of EP3631939A1 publication Critical patent/EP3631939A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
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    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications
    • H—ELECTRICITY
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02J7/00036—Charger exchanging data with battery
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a security system for protection, in particular overcurrent protection, in a battery system. Furthermore, the invention relates to a battery system, a battery management system and a method for protection in the battery system.
  • Lithium batteries ie lithium-ion batteries
  • lithium batteries usually have a low internal resistance, so that enormous shorts or overcurrents can occur without suitable measures.
  • a known from the prior art way to prevent short circuits is the use of an irreversible fuse, such as a fuse, as overcurrent protection. This can be in the main stream path be integrated to prevent the current flow of the battery system in an overcurrent.
  • a fuse is in the performance classes of lithium batteries, however, relatively expensive, since high Abschaltré must be provided.
  • the fuse characteristic of the fuse is not suitable.
  • the fuse characteristic of a fuse can have a critical range in which very high currents are necessary to trigger the fuse. There is a risk here of destroying other components in the current path due to the high currents.
  • the fuse characteristic can also have another critical area in which the risk of false triggering exists.
  • many types of fuses have the disadvantage of having too slow a response time.
  • a safety system for protection preferably for overcurrent protection, in a battery system (that is to say in particular with rechargeable batteries as rechargeable batteries), comprising:
  • a (in particular irreversible) fuse element for the (in particular irreversible and / or at least partial) interruption of an electrical current path (in particular electric circuit) in the battery system
  • a detection unit (in particular with a shunt resistor, which is integrated in the current path) for detecting (at least) a detection information which is specific to at least one electric current of the current path, i. in particular allows a statement about a current intensity of the electric current flowing in the current path,
  • an electronic processing unit for performing a comparison of the detection information with a (customizable, possibly non-linear or linearly adjustable and / or non-linear or linear or stepped executed) backup default, preferably to detect an overcurrent condition, d. H. in particular a fault condition in the battery system, which, for example, indicates a (threatening) short circuit.
  • a (customizable, possibly non-linear or linearly adjustable and / or non-linear or linear or stepped executed) backup default preferably to detect an overcurrent condition, d. H. in particular a fault condition in the battery system, which, for example, indicates a (threatening) short circuit.
  • the processing unit is in active (in particular electrical) operative connection, ie preferably (possibly at least partially electrical) connected to the securing element, for example via at least one electrically conductive connection of the processing unit, in order to preferably secure the securing element
  • active (in particular electrical) operative connection ie preferably (possibly at least partially electrical) connected to the securing element, for example via at least one electrically conductive connection of the processing unit, in order to preferably secure the securing element
  • the interruption in positive detection of the overcurrent condition according to a (adaptable and / or linear or non-linear, in particular stage) tripping characteristic (of the security system or the fuse element) is carried out, more preferably the interruption by the fuse element primary and / or irreversible on detection of the overcurrent condition.
  • the performance is increased by the fact that an adjustable triggering characteristic is provided by the customizable backup specification. This allows a flexible and cost-effective adjustment of the fuse to different applications or to complex operating areas of the battery system.
  • the security specification is preferably adaptable and / or linear or non-linear, in particular stepped, preferably in that the security specification comprises at least one adaptable and / or linear or non-linear, in particular stepped, backup characteristic (for the trip current strengths).
  • the detection information is an electrical and / or digital or analog signal, such as, for example, a digital information or a measurement voltage, which is preferably proportional to the current strength of the (to be measured) electrical current in the current path. Accordingly, the detection information can be used to detect an (existing and / or imminent) overcurrent, i. H. the overcurrent condition, to detect.
  • the battery system preferably comprises at least one rechargeable electrical energy store, in particular a lithium accumulator (also: lithium-ion battery or lithium battery) which is electrically connected to the energy transfer via the current path (circuit) with at least one load.
  • the current path thus forms at least part of the load circuit, and preferably the fuse element (as well as optionally at least one semiconductor switching element) connects the energy store to the load.
  • An electrical energy store is understood in particular to mean a battery, ie preferably a rechargeable, in particular electrochemical, energy store and / or a secondary battery.
  • the energy store can thus be repeatedly charged and discharged, for example, the chemical reactions for energy production are reversible.
  • the processing unit is embodied, for example, as an integrated circuit and / or as a microprocessor and / or as a microcontroller and / or the like, and is preferably provided in a battery management system.
  • the processing unit may be directly or indirectly electrically connected to the detection unit.
  • the detection unit comprises at least one shunt resistor, which is integrated in the current path. The shunt resistor can convert the current through the current path (system current) into a measuring voltage (with the measuring voltage dropping across the resistor).
  • the shunt resistor may, for example, be connected to the processing unit via at least one further electronic component.
  • the at least one further component can, for. B. an amplifier unit, in particular an amplifier circuit, and / or a converter unit, in particular an analog-to-digital converter, be.
  • the amplifier unit prepares, for example, the measuring voltage so that it can be picked up by the converter unit.
  • the converter unit may also be part of the processing unit, for example a microcontroller. In this way, the processing unit can detect and evaluate the measurement voltage.
  • the measuring voltage and / or the output signal of the amplifier unit and / or the converter unit forms, for example, the detection information. In other words, the signal may constitute the detection information detected by the processing unit for evaluating the measurement voltage.
  • the detection information includes information about the measurement voltage and thus also about the current to be measured (system current) in the current path.
  • a computer program (or software routines) of the processing unit can then be used to compare (compare) the system stream with the backup specification. The comparison can be used to check given conditions. If these are satisfied, ie the overcurrent state is detected positively, the fuse element can be triggered to disconnect the battery current (eg from the load).
  • the processing unit can be connected to the security element (electrically) via a driver unit.
  • the elements shunt resistor (shunt) and / or amplifier unit and / or processing unit and / or driver unit and / or fuse element in one Battery management system already exist before the implementation of the security system and / or provide in addition to the function as a backup system nor another additional function for the battery management.
  • shunt resistor (shunt) and / or amplifier unit and / or processing unit and / or driver unit and / or fuse element in one Battery management system already exist before the implementation of the security system and / or provide in addition to the function as a backup system nor another additional function for the battery management.
  • an adjustable (and / or linear or non-linear, in particular stepped) tripping characteristic can be used, ie the fuse system triggers the fuse element in dependence on certain conditions which (eg manually by programming and / or configuration, before and / or during operation of the battery system) may be set and / or changed within certain limits if necessary.
  • the conditions are determined by the adjustment of the backup default, which includes, for example, one or more customizable (configurable) backup characteristics.
  • the fuse characteristics specify at which current limit values (ie triggering current strengths) a triggering of the fuse element takes place. It is also conceivable that in addition to the current strength, other parameters are used to set the conditions. This allows a very flexible use of the security system as overcurrent protection.
  • the overcurrent state may include a state in which an overcurrent or a short circuit exists and / or threatens to occur.
  • the overcurrent state there may also be a specific current characteristic in the permitted current range (of the operating range), which, however, is to be qualified as an overcurrent state on the basis of predetermined criteria, which indicate, for example, an impending overcurrent or short circuit.
  • predetermined criteria which indicate, for example, an impending overcurrent or short circuit.
  • the overcurrent state is detected on the basis of such complex criteria which, for example, define a specific pattern or specific features in the course.
  • Such a criterion or feature can, for example, also be predefined as a (mathematical) function to which the course of the current intensity within a certain tolerance must approach for a positive detection.
  • an adaptable triggering characteristic (due to the adaptable fuse specification) is particularly advantageous, since even such complex relationships can be used to detect an imminent overcurrent.
  • a further advantage within the scope of the invention can be achieved if the processing unit is designed to trigger the fuse element primarily in the positive detection of the overcurrent state based on the comparison in order to carry out the interruption of the current path through the fuse element. This represents a difference to a further variant in which initially detected another primary fuse in detected overcurrent condition, and only secondary (redundant) z. B. occurs in a fault of the primary fuse, the triggering of the fuse element.
  • the primary release of the fuse element has the advantage that in a critical situation of the battery system such as the presence of the overcurrent condition with less (faster) response time and more reliable can be the interruption of the current path.
  • an additional fuse for this purpose can be dispensed with.
  • the fuse element is designed as irreversible fuse element, so that the fuse element can only be triggered irreversibly to prevent the electric current through the processing unit. This allows a reliable and permanent prevention of current flow.
  • the term "irreversible” or “irreversibly triggerable” in the context of the invention relates in particular to the fact that (only) a pulse-like initiation current or energy burst is necessary in order to bring the fuse element from a closed to a permanently open (activated) switching state ( and thus cause the triggering).
  • This triggering can be effected, for example, by the processing unit by triggering a drive unit by the processing unit which triggers and / or provides the initiation current or energy burst in the fuse element.
  • the fuse element can remain stable in the open, activated switching state. This has the advantage that only a small amount of energy is required to switch the fuse element. It is ensured even after the elimination of the power supply that the circuit is interrupted and / or the flow of electricity is prevented.
  • the term “irreversible” thus also refers in particular to an electrical or electrically actuated switch with a stable switching state
  • Security element for example, be designed as a pyrotechnic switch and / or as a bistable relay. Accordingly, the fuse element may possibly be designed only for a single switching (triggering), so that a renewed closing of the circuit is prevented by the securing element (whereas this is possible in a "reversible” switching).
  • the security specification is implemented as digitally stored information, and is preferably adaptable, in particular programmable, as a function of at least one parameter of the battery system, wherein the adaptation preferably takes place linearly or non-linearly or in stages.
  • the security specification can, for example, be stored digitally in a non-volatile data memory of the battery system, preferably of the battery management system, preferably of the processing unit.
  • the adaptation can take place, for example, manually or automatically (possibly also during operation of the battery system).
  • the at least one parameter may include at least one of the following parameters:
  • At least one property of a semiconductor switching element of a battery management system in particular a parameter, preferably a short circuit resistance, so that the tripping characteristic is adapted to the property
  • the detection unit can be designed to detect at least one of the mentioned parameters, and / or at least one further detection unit can be provided for this purpose.
  • the security specification comprises at least one security characteristic which is specific to the triggering characteristic of the security system, and which is preferably variably adaptable to an operating region of the battery system, preferably manually by programming and / or configuration of the processing unit.
  • the safety curve has a linear or non-linear or stepwise course to effect the linear or non-linear or stepwise adaptation.
  • the fuse characteristic includes a value or different values for tripping currents (tripping current strengths), for example as a function of at least one further parameter of the battery system, such as an operating time or a temperature or the like.
  • the fuse characteristic can specify which parameter values which tripping current is used, ie in particular the overcurrent state is detected positive.
  • a linear safety curve only a fixed (constant) value for the tripping current can be provided, even for different values of the further parameter, such as the operating time, so as to ensure stability in a corresponding operating range.
  • the tripping current is, for example, the current that must be reached by the current through the current path so that the fault state, in particular the overcurrent state, is detected positively. This can be determined by the comparison by the processing unit.
  • the operating range includes, for example, at least one permissible value range (or different permissible value ranges) of at least one parameter of the battery system in which a normal state (ie in particular no overcurrent state) is present.
  • a normal state ie in particular no overcurrent state
  • the permissible value ranges can only be determined using complex rules that possibly take several parameters into account. This is due to the fact that the permissible value ranges can also be changed during operation and / or as a function of the parameters (such as the battery system and / or ambient temperature and / or the properties of the used components of the battery system and in particular of the battery management system).
  • the adaptable (variable) safety characteristic therefore has the advantage that an adaptation of the safety system and the tripping characteristic to the operating range (which may possibly include self-variable permissible value ranges) can be done, for. B. for different operating lives or different components.
  • the permissible value ranges are undershot and / or exceeded, an error state, in particular an overcurrent state, may be present.
  • the security specification includes a plurality of customizable security characteristics, which are preferably adaptable to one another differently from one operating region of the battery system, in particular the positive detection of the overcurrent condition for a plurality of value ranges and / or parameters of the operating range by comparison with the respective ones Perform backup curves.
  • the tripping characteristic can be adjusted (approximated) to the (complex) operating range by an individual adaptation of the fuse characteristics.
  • at least one backup characteristic for each one parameter and / or value range can be provided.
  • the fuse characteristics can be adapted to these areas, if necessary also non-linear or stepwise or linearly adapted, so that exceeding the fuse characteristics (ie, for example, the triggering currents provided by the measured current intensity or by the detection information about the current strength) positive detection causes.
  • other parameters may be taken into account, such as the operating time, the voltage, the state of charge or the temperature in the battery system.
  • the detected (measured) current provided by the detection information may be compared with a limit (eg, trip current) provided by the fuse default. If the current strength then exceeds the limit value, this can cause the positive detection (eg of the overcurrent state). It is also possible to provide a plurality of limit values in the backup specification, wherein, for example, a current (measured) value of at least one of the further parameters determines which limit value is taken into account for the comparison. If necessary, the value of the further parameter can also be compared with a limit value (for example, the security specification) for this decision.
  • a limit eg, trip current
  • the securing element is designed as a pyrotechnic switch, and can preferably be activated by ignition of an explosive charge of the pyrotechnic switch.
  • the pyrotechnic switch has a stable and irreversible switching state after activation.
  • the term "irreversible” refers in particular to the fact that after the activation or activation of the fuse element, the functionality of the fuse element for switching is irreversibly destroyed, so that a re-closing of the circuit (the energy storage) by the fuse element, in particular the pyrotechnic switch
  • the pyrotechnic switch or the securing element is preferably designed as a circuit breaker, which / allows a complete galvanic isolation of the circuit
  • a driver unit and electrically connected to the fuse element a burst of energy, in particular an ignition current, which activates / triggers the fuse element, for example causing the burst of energy to trigger an explosive unit of the Si, in particular as a pyrotechnic switch securing element, whereby a bolt is driven through a perforated conductor.
  • the conductor is in particular an electrical conductor, which is connected to the contacts of the fuse element such that it is part of the circuit of the battery system.
  • the current flow through the current path or conductor is interrupted by the triggering of the blasting unit or the activation of the fuse element, whereby the current flow of the circuit of the battery system is suppressed and / or the circuit is irreparably interrupted.
  • the fuse element is therefore integrated in particular in such a way in the circuit of the battery system, that the conductor or the contacts of the fuse element form part of the circuit and close it in the deactivated switching state of the fuse element and open in the activated switching state.
  • the pyrotechnic switch In normal operation, therefore, no and / or only a small power consumption of the pyrotechnic switch. A low power consumption is thus ensured by the fact that only when activated, So in case of switching, a (significant) electric power must be applied to the ignition.
  • the pyrotechnic switch is inexpensive and also has a high current carrying capacity, since the contacts are positively and / or cohesively connected before the ignition.
  • the battery system comprises at least one rechargeable energy store, preferably at least one lithium battery (lithium accumulator), which can be connected to a load (consumer) via an electrical current path.
  • the battery system may comprise at least one battery management system which serves at least for monitoring and / or regulating a current flow of the current path.
  • the battery system may include an electronic security system (in particular electronic overcurrent protection device) for overcurrent protection in the battery system, in particular a security system according to the invention, preferably as an electronic overcurrent protection device.
  • the battery system comprises at least one or more cells and / or one or more cell packets.
  • the battery system preferably has at least one cell packet with at least 8 cells and / or a maximum of 16 cells and / or a maximum of 24 cells. By interconnecting the cells, a particularly simple and cost-effective scaling of the battery system is possible.
  • the battery system in particular as a rechargeable battery system, preferably has at least one rechargeable energy store. In the case of a lithium (ion) battery system, at least one rechargeable lithium battery is provided as the energy store.
  • the maximum output voltage and / or open circuit voltage and / or rated voltage of the battery system is z. B. maximum 12 V and / or 26 V and / or 50 V.
  • the rated voltage of the individual cells in the range of 2 to 5 V, in particular 2.9 to 3.7 V.
  • the invention likewise relates to an (electronic) battery management system for monitoring and regulating a battery system, in particular a battery system according to the invention, comprising: at least one semiconductor switching element, preferably at least one power semiconductor switch, for controlling a current flow in the battery system,
  • At least one electronic security system for example as an electronic overcurrent protection device, in particular a security system according to the invention, for detecting an error state, in particular an overcurrent state, in the battery system.
  • the battery management system brings about the same advantages as have been described in detail with reference to a security system according to the invention and / or a battery system according to the invention.
  • a monitoring unit is provided to detect a malfunction in the backup system of the battery management system, so preferably in positive detection of the malfunction, the battery system is in a safe state, preferably by activation of the at least one semiconductor switching element to prevent the flow of electricity.
  • the monitoring unit is, for example, electrically connected to the processing unit and / or to the detection unit and / or to another detection unit in order to carry out the monitoring of the battery system and detection of the malfunction.
  • the monitoring unit can be connected to further components of the battery management system, such as electronics of the battery management system, in order to control the semiconductor switching element. This makes it possible, in case of malfunction of the backup system still an interruption of the current flow achieve. Furthermore, it may also be possible for methods of functional safety to be implemented in the security system.
  • the battery management system it may be possible for the battery management system to use exclusively the security system as an electronic security, and thus to dispense with a fuse or the like.
  • space and cost can be reduced because, for example, a fuse holder, busbars, and / or other fastening means for the fuse can be saved.
  • the invention likewise relates to a method for protection in a battery system, in particular for overcurrent protection, with a fuse element, a detection unit and an electronic processing unit.
  • the detection unit Determining detection information by the detection unit, wherein the detection information for an electric current is specific to an electric current path in the battery system (for example, the detection information is a possibly amplified and / or digital information converted measurement voltage of a shunt resistor),
  • Comparing the acquisition information is evaluated digitally and / or numerically by the processing unit, for example.
  • Triggering of the fuse element in particular initiated by the processing unit) in dependence on the comparison, so that an interruption of the electrical current path (by the fuse element) with positive detection of the error state, in particular overcurrent state, according to an adjustable tripping characteristic.
  • the method according to the invention brings about the same advantages as have been described in detail with reference to a security system according to the invention and / or a battery system according to the invention and / or a battery management system according to the invention.
  • the method may be suitable for operating a security system according to the invention and / or a battery system according to the invention and / or a battery management system according to the invention.
  • the detection information may be specific for a time profile of the electrical current, and in particular to comprise a plurality of current values, wherein features and / or patterns of the characteristic are preferably evaluated when carrying out the comparison on the basis of the detection information, an error state, in particular an overcurrent state to detect.
  • the detection information may, for example, comprise a plurality of values which represent a current intensity profile of the current through the current path (of the load circuit).
  • the detection information may also include values that are specific to a course of at least one other parameter of the battery system (such as a temperature profile, an operating period or the like).
  • the detection unit and / or a further detection unit can be provided for detecting the operating time, which includes, for example, a timer module or a timer or the like.
  • the processing unit can preferably be used to detect certain features in the course or in the acquisition information, such as, for example, a pattern and / or a defined stream (gradient) and / or a specific signature and / or specific limit values.
  • the security specification may also include at least one template history, with which the detection information is compared.
  • a short-circuit current can be detected in particular even during the initial phase (the so-called "bouncing") .
  • the current flow may possibly already be interrupted before the short-circuit current has completely built up , in particular overcurrent state, already be detected when first "signs" of a short circuit or the like occur, which can be detected, for example, on the basis of the course or the detection information.
  • the detection information is evaluated and / or compared when performing the comparison in accordance with predetermined comparison criteria in order to determine at least one characteristic of a characteristic of the electrical current which is specific for an overcurrent state.
  • the feature is, for example, a certain course (such as an increase or a certain function, which is approximated by the course). This makes it possible to detect an incipient short-circuit current or the like, and thus to trigger the fuse early.
  • the comparison and / or the comparison criteria can be provided, for example, by a digital specification and / or by an algorithm, such as a statistical algorithm and / or pattern recognition.
  • the fuse specification is adapted to an operating range of the battery system (in particular linear or non-linear or stepped), so that preferably at least one limit value of a current intensity of the electric current (as tripping current) is defined the interruption of the electrical current path is provided.
  • the interruption of the current path can take place through the activation of the fuse element in a defined time. For example. If the limit value is exceeded, the interruption can take place to provide reliable protection.
  • limit values can if necessary be combined with a previously described method in which further comparison criteria are used and / or the course is evaluated.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a security specification
  • FIG. 2 shows a further schematic illustration of a further securing specification
  • FIG. 3 shows a further schematic illustration of a further security specification
  • a schematic illustration of a security system according to the invention and a battery management system according to the invention a schematic representation of a battery system according to the invention
  • a schematic representation for the visualization of a method according to the invention in the following figures, the identical reference numerals are used for the same technical features of different embodiments.
  • FIGS. 1 to 3 schematically show various securing specifications S, in particular securing characteristics S.
  • the tripping behavior or tripping current S (with the current intensity I) of the fuse element 70 is shown for different operating periods t of a battery system 200.
  • the illustrated relationships are specific to a respective exemplary tripping characteristic of a fuse system 10 according to the invention.
  • the area highlighted with hatching In this case, the operating range B comprises current value ranges in which a normal operation of the battery system 200 is present, ie, no triggering of the fuse should take place.
  • FIG. 1 shows a typical characteristic, which can thus also be present in a conventional fuse.
  • a first critical area 101 is shown, in which there is a risk of false triggering of the fuse in continuous operation.
  • a second critical area 102 is shown in which very high currents are necessary to trigger the fuse. There is a risk of destroying other components in the current path.
  • FIG. 2 schematically shows a battery management system 300 according to the invention with a security system 10 according to the invention.
  • the current path P is partially shown, through which an electric current I flows, in particular between an energy storage 210 and a load 400.
  • a detection unit 20 is provided to detect this current I.
  • the detection unit 20 uses a shunt resistor 21, which is integrated in the current path P. Based on the voltage drop across the shunt resistor 21, a measurement voltage can be determined which is proportional to the current I.
  • This measuring voltage is amplified by an amplifier unit 30 and converted by a converter unit 40, in particular an analog-to-digital converter 40, into a digital unit Signal converted.
  • the detection information E can be determined, which is formed, for example, by the amplified measurement voltage and / or by the digitally converted measurement voltage.
  • the detection information E includes information about the detected parameter, ie in the example shown in Figure 4 of the current.
  • the detection information E may include a history of the values of the parameter such as the current.
  • the measuring voltage can be detected at several points in time, and the measured values ascertained in this case can be temporarily stored as a time profile.
  • the detection information E can be evaluated by a processing unit 50, such as a microcontroller.
  • a driver unit 60 can then be actuated by the processing unit 50, which then triggers the fuse element 70.
  • the current path P is interrupted.
  • FIG. 5 schematically shows a battery system 200.
  • This comprises in particular at least one energy store 210, which is connected via the current path P to a battery management system 300 of the battery system 200.
  • the battery management system 300 includes, for example, at least one semiconductor switching element 310 and / or at least one monitoring unit 320.
  • the battery management system 300 furthermore connects the energy store 210 to a load 400.
  • FIG. 6 schematically illustrates a method 100 according to the invention.
  • a detection information E is determined by the detection unit 20, the detection information E being specific for an electric current I in the case of an electrical current path P in the battery system 200.
  • a comparison of the acquisition information E with an adjustable security specification S by the processing unit 50 is provided, so that an overcurrent state is detected.
  • the fuse element 70 is triggered as a function of the comparison, so that an interruption of the electrical current path P occurs upon positive detection of the overcurrent state in accordance with an adaptable tripping characteristic.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherungssystem (10) zum Überstromschutz bei einem Batteriesystem (200), mit: - einem Sicherungselement (70) zur Unterbrechung eines elektrischen Strompfades (P) bei dem Batteriesystem (200), - einer Erfassungseinheit (20) zur Ermittlung einer Erfassungsinformation (E), welche für einen elektrischen Strom (I) des Strompfades (P) spezifisch ist, - einer elektronischen Verarbeitungseinheit (50) zur Durchführung eines Vergleichs der Erfassungsinformation (E) mit einer anpassbaren Sicherungsvorgabe (S), um einen Überstromzustand zu detektieren, wobei die Verarbeitungseinheit (50) in Wirkverbindung mit dem Sicherungselement (70) steht, um das Sicherungselement (70) in Abhängigkeit von dem Vergleich auszulösen, sodass die Unterbrechung bei positiver Detektion des Überstromzustands gemäß einer anpassbaren Auslösecharakteristik erfolgt.

Description

Sicherungssystem zum Schutz eines Batteriesystems
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherungssystem zum Schutz, insbesondere Überstromschutz, bei einem Batteriesystem. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Batteriesystem, ein Batteriemanagementsystem sowie ein Verfahren zum Schutz bei dem Batteriesystem. Lithiumbatterien (d. h. Lithium-Ionen-Akkumulatoren) sind leistungsfähige Akkumulatoren mit einer hohen Energiedichte. Allerdings weisen Lithiumbatterien üblicherweise einen geringen Innenwiderstand auf, sodass ohne geeignete Maßnahmen enorme Kurzschlüsse bzw. Überströme entstehen können. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit, um Kurzschlüsse zu unterbinden, ist der Einsatz einer irreversiblen Sicherung, wie einer Schmelzsicherung, als Überstromschutz. Diese kann in den Hauptstrompfad integriert werden, um bei einem Überstrom den Stromfluss des Batteriesystems zu unterbinden. Eine solche Sicherung ist in den Leistungsklassen von Lithiumbatterien allerdings relativ kostenaufwendig, da hohe Abschaltleistungen bereitgestellt werden müssen. Zudem muss gewährleistet werden, dass zwischen dem normalen Betriebsstrom (innerhalb eines Betriebsbereiches des Batteriesystems) und dem Auslösestrom (welcher zur Auslösung der Sicherung führt) ein ausreichend großer Abstand vorhanden ist. Dieses wird durch die Auswahl einer Sicherung mit geeigneter Auslösecharakteristik ermöglicht.
Dies kann allerdings zu dem Problem führen, dass für viele Anwendungsfälle die Sicherungskennlinie der Sicherung nicht geeignet ist. So kann die Sicherungskennlinie einer Schmelzsicherung einen kritischen Bereich aufweisen, in welchem sehr hohe Ströme notwendig sind, um die Sicherung auszulösen. Hierbei besteht die Gefahr, andere Bauelemente im Strompfad durch die hohen Ströme zu zerstören. Des Weiteren kann die Sicherungskennlinie auch einen weiteren kritischen Bereich aufweisen, in welchem die Gefahr von Fehlauslösungen besteht. Ferner haben viele Typen von Sicherungen den Nachteil, dass diese eine zu langsame Ansprechzeit haben.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und/oder schnellere und/oder leistungsfähigere Sicherung zum Überstromschutz für Batteriesysteme, insbesondere Lithium-Batteriesysteme, bereitzustellen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Sicherungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch ein Batteriemanagementsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sicherungssystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem, dem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Sicherungssystem zum Schutz, vorzugsweise zum Überstromschutz, bei einem Batteriesystem (d. h. insbesondere mit Akkumulatoren als wiederaufladbare Batterien), mit:
einem (insbesondere irreversiblen) Sicherungselement zur (insbesondere irreversiblen und/oder zumindest teilweisen) Unterbrechung eines elektrischen Strompfades (insbesondere Stromkreises) bei dem Batteriesystem,
- einer Erfassungseinheit (insbesondere mit einem Shunt-Widerstand, welcher im Strompfad integriert ist) zur Ermittlung (wenigstens) einer Erfassungsinformation, welche zumindest für einen elektrischen Strom des Strompfades spezifisch ist, d.h. insbesondere eine Aussage über eine Stromstärke des elektrischen Stroms ermöglicht, welcher im Strompfad fließt,
- einer elektronischen Verarbeitungseinheit zur Durchführung eines Vergleichs der Erfassungsinformation mit einer (anpassbaren, ggf. nicht-linear oder linear anpassbaren und/oder nicht-linear oder linear oder stufig ausgeführten) Sicherungsvorgabe, um vorzugsweise einen Überstromzustand zu detektieren, d. h. insbesondere einen Fehlerzustand bei dem Batteriesystem, welcher bspw. auf einen (drohenden) Kurzschluss hindeutet.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit mit dem Sicherungselement in (insbesondere elektrischer) Wirkverbindung steht, d. h. bevorzugt (ggf. zumindest teilweise elektrisch) mit dem Sicherungselement verbunden ist, bspw. über wenigstens einen elektrisch leitenden Anschluss der Verarbeitungseinheit, um vorzugsweise das Sicherungselement in Abhängigkeit von dem Vergleich auszulösen, sodass bevorzugt die Unterbrechung bei positiver Detektion des Überstromzustands gemäß einer (anpassbaren und/oder linearen oder nicht-linearen, insbesondere stufigen) Auslösecharakteristik (des Sicherungssystems bzw. des Sicherungselements) erfolgt, um besonders bevorzugt die Unterbrechung durch das Sicherungselement bei Detektion des Überstromzustands primär und/oder irreversibel durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass durch das Sicherungssystem eine besonders leistungsfähige Sicherung für das Batteriesystem bereitgestellt werden kann, welche eine zuverlässige und schnelle Auslösung bei Detektion des Überstromzustands ermöglicht. Insbesondere wird hierbei die Leistungsfähigkeit dadurch erhöht, dass eine anpassbare Auslösecharakteristik durch die anpassbare Sicherungsvorgabe bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine flexible und kostengünstige Anpassung der Sicherung an verschiedene Anwendungsfälle oder auch an komplexe Betriebsbereiche des Batteriesystems.
Dabei ist vorzugsweise die Sicherungsvorgabe anpassbar und/oder linear oder nicht-linear, insbesondere stufig, ausgeführt, bevorzugt dadurch, dass die Sicherungsvorgabe wenigstens eine anpassbare und/oder lineare oder nicht-lineare, insbesondere stufige, Sicherungskennlinie (für die Auslösestromstärken) umfasst.
Bspw. ist hierbei die Erfassungsinformation ein elektrisches und/oder digitales oder analoges Signal, wie bspw. eine digitale Information oder eine Messspannung, welche vorzugsweise proportional zur Stromstärke des (zu messenden) elektrischen Stroms im Strompfad ist. Entsprechend kann die Erfassungsinformation dazu genutzt werden, um einen (vorhandenen und/oder drohenden) Überstrom, d. h. den Überstromzustand, zu detektieren. Bevorzugt umfasst das Batteriesystem wenigstens einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Lithiumakkumulator (auch: Lithium-Ionen-Batterie oder Lithiumbatterie), welcher über den Strompfad (Stromkreis) mit wenigstens einer Last elektrisch zur Energieübertragung verbunden ist. Insbesondere bildet damit der Strompfad zumindest einen Teil des Laststromkreises, und vorzugsweise verbindet das Sicherungselement (sowie ggf. wenigstens ein Halbleiterschaltelement) den Energiespeicher mit der Last.
Unter einem elektrischen Energiespeicher wird insbesondere eine Batterie, d. h. vorzugsweise ein wiederaufladbarer, insbesondere elektrochemischer, Energiespeicher und/oder eine Sekundärbatterie verstanden. Der Energiespeicher kann somit mehrfach geladen und entladen werden, wobei bspw. die chemischen Reaktionen zur Energieerzeugung reversibel verlaufen. Die Verarbeitungseinheit ist bspw. als ein integrierter Schaltkreis und/oder als ein Mikroprozessor und/oder als ein Mikrocontroller und/oder dergleichen ausgeführt, und vorzugsweise in einem Batteriemanagementsystem vorgesehen. Vorzugsweise kann die Verarbeitungseinheit direkt oder indirekt elektrisch mit der Erfassungseinheit verbunden sein. Bevorzugt umfasst die Erfassungseinheit wenigstens einen Shunt-Widerstand, welcher im Strompfad integriert ist. Dabei kann der Shunt- Widerstand den Strom durch den Strompfad (Systemstrom) in eine Messspannung umwandeln (wobei die Messspannung am Widerstand abfällt).
Der Shunt-Widerstand kann bspw. über wenigstens ein weiteres elektronisches Bauteil mit der Verarbeitungseinheit verbunden sein. Das wenigstens eine weitere Bauteil kann z. B. eine Verstärkereinheit, insbesondere eine Verstärkerschaltung, und/oder eine Wandlereinheit, insbesondere ein Analog-Digital-Wandler, sein. Die Verstärkereinheit bereitet bspw. die Messspannung auf, sodass diese durch die Wandlereinheit aufgenommen werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Wandlereinheit auch Teil der Verarbeitungseinheit, bspw. eines Mikrocontrollers, sein. Auf diese Weise kann die Verarbeitungseinheit die Messspannung erfassen und auswerten. Die Messpannung und/oder das Ausgangssignal der Verstärkereinheit und/oder der Wandlereinheit bildet bspw. die Erfassungsinformation. Mit anderen Worten kann das Signal die Erfassungsinformation bilden, welches durch die Verarbeitungseinheit zur Auswertung der Messspannung erfasst wird. Somit umfasst die Erfassungsinformation eine Information über die Messspannung und damit auch über die zu messende Stromstärke (Systemstrom) im Strompfad. Über ein Computerprogramm (bzw. Softwareroutinen) der Verarbeitungseinheit kann dann der Systemstrom mit der Sicherungsvorgabe verglichen (abgeglichen) werden. Der Vergleich kann dazu genutzt werden, um vorgegebene Bedingungen zu prüfen. Wenn diese erfüllt sind, also der Überstromzustand positiv detektiert wird, kann das Sicherungselement ausgelöst werden, um den Batteriestrom (z. B. von der Last) zu trennen. Hierzu kann die Verarbeitungseinheit über eine Treibereinheit mit dem Sicherungselement (elektrisch) verbunden sein.
Optional können dabei die Elemente Shunt-Widerstand (Shunt) und/oder Verstärkereinheit und/oder Verarbeitungseinheit und/oder Treibereinheit und/oder Sicherungselement in einem Batteriemanagementsystem bereits vor der Implementierung des Sicherungssystems vorhanden sein und/oder neben der Funktion als Sicherungssystem noch eine weitere zusätzliche Funktion für das Batteriemanagement bereitstellen. Durch die Nutzung einer solchen Mehrfachfunktionalität können Kosten und Bauraum bei dem Batteriemanagementsystem reduziert werden.
Vorteilhafterweise kann dabei eine anpassbare (und/oder lineare oder nicht-lineare, insbesondere stufige) Auslösecharakteristik genutzt werden, d. h. das Sicherungssystem löst das Sicherungselement in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen aus, welche (z. B. manuell durch eine Programmierung und/oder Konfiguration, vor und/oder während des Betriebs des Batteriesystems) ggf. innerhalb bestimmter Grenzen festgelegt und/oder verändert werden können. Bspw. werden die Bedingungen durch die Anpassung der Sicherungsvorgabe bestimmt, welche bspw. eine oder mehrere anpassbare (konfigurierbare) Sicherungskennlinien umfasst. Die Sicherungskennlinien spezifizieren bspw., bei welchen Stromstärkegrenzwerten (d. h. Auslösestromstärken) eine Auslösung des Sicherungselements erfolgt. Auch ist es denkbar, dass neben der Stromstärke noch weitere Parameter genutzt werden, um die Bedingungen festzulegen. Dies ermöglicht einen sehr flexiblen Einsatz des Sicherungssystems als Überstromschutz. Der Überstromzustand kann dabei einen Zustand umfassen, bei welchem ein Überstrom bzw. ein Kurzschluss vorliegt und/oder auch einzutreten droht. Bspw. kann im Überstromzustand auch eine bestimmte Stromverlaufscharakteristik im erlaubten Strombereich (des Betriebsbereichs) vorliegen, welcher allerdings aufgrund vorbestimmter Kriterien als Überstromzustand zu qualifizieren ist, welche bspw. einen drohenden Überstrom oder Kurzschluss indizieren. Es ist auch denkbar, dass der Überstromzustand anhand solcher komplexen Kriterien detektiert wird, welche bspw. ein bestimmtes Muster oder bestimmte Merkmale im Verlauf definieren. Ein solches Kriterium bzw. Merkmal kann bspw. auch als (mathematische) Funktion vorgegeben werden, an welche sich für eine positive Detektion der Verlauf der Stromstärke innerhalb einer bestimmten Toleranz annähern muss. Hierbei ist eine anpassbare Auslösecharakteristik (aufgrund der anpassbaren Sicherungsvorgabe) besonders vorteilhaft, da auch solche komplexen Zusammenhänge genutzt werden können, um einen drohenden Überstrom zu detektieren. Ein weiterer Vorteil im Rahmen der Erfindung ist erzielbar, wenn die Verarbeitungseinheit dazu ausgeführt ist, bei der positiven Detektion des Überstromzustands anhand des Vergleichs primär das Sicherungselement auszulösen, um die Unterbrechung des Strompfades durch das Sicherungselement durchzuführen. Dies stellt einen Unterschied dar zu einer weiteren Variante, bei welcher bei detektiertem Überstromzustand primär zunächst eine andere Primärsicherung ausgelöst wird, und nur sekundär (redundant) z. B. bei einem Fehler der Primärsicherung die Auslösung des Sicherungselements erfolgt. Hingegen hat die primäre Auslösung des Sicherungselements den Vorteil, dass bei einer kritischen Situation des Batteriesystems wie dem Vorliegen des Überstromzustands mit geringer (schnellerer) Ansprechzeit und zuverlässiger die Unterbrechung des Strompfades erfolgen kann. Somit kann auch auf eine zusätzliche Schmelzsicherung zu diesem Zweck verzichtet werden.
Es ist ferner denkbar, dass das Sicherungselement als irreversibles Sicherungselement ausgeführt ist, sodass das Sicherungselement nur irreversibel zur Unterbindung des elektrischen Stroms durch die Verarbeitungseinheit auslösbar ist. Dies ermöglicht eine zuverlässige und dauerhafte Unterbindung des Stromflusses.
Der Ausdruck „irreversibel" bzw. „irreversibel auslösbar" bezieht sich im Rahmen der Erfindung insbesondere darauf, dass (nur) ein impulsartiger Initiierungsstrom bzw. Energiestoß notwendig ist, um das Sicherungselement von einem geschlossenen in einen dauerhaft geöffneten (aktivierten) Schaltzustand zu bringen (und damit die Auslösung zu bewirken). Diese Auslösung kann bspw. durch die Verarbeitungseinheit dadurch bewirkt werden, dass durch die Verarbeitungseinheit eine Treibereinheit angesteuert wird, welche den Initiierungsstrom bzw. Energiestoß beim Sicherungselement auslöst und/oder bereitstellt. Insbesondere kann dabei nach dem Wegfall der Energieversorgung (des Initiierungsstroms) das Sicherungselement stabil im geöffneten, aktivierten Schaltzustand verbleiben. Dies hat den Vorteil, dass nur ein geringer Energieaufwand notwendig ist, um das Sicherungselement zu schalten. Dabei ist auch nach dem Wegfall der Energieversorgung gewährleistet, dass der Stromkreis unterbrochen und/oder der Stromfluss unterbunden ist.
Der Ausdruck „irreversibel" bezieht sich damit insbesondere auch auf einen elektrischen bzw. elektrisch angesteuerten Schalter mit stabilem Schaltzustand. Somit kann das Sicherungselement bspw. als pyrotechnischer Schalter und/oder als bistabiles Relais ausgebildet sein. Entsprechend kann das Sicherungselement ggf. nur für ein einmaliges Schalten (Auslösen) ausgebildet sein, sodass ein erneutes Schließen des Stromkreises durch das Sicherungselement verhindert ist (wohingegen dies bei einem „reversiblen" Schalten möglich ist).
Optional kann es vorgesehen sein, dass die Sicherungsvorgabe als digital gespeicherte Information ausgeführt ist, und vorzugsweise in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter des Batteriesystems anpassbar, insbesondere programmierbar, ausgeführt ist, wobei die Anpassung vorzugsweise linear oder nicht-linear oder stufig erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass eine flexible Anpassung des Sicherungssystems möglich ist. Hierbei kann die Sicherungsvorgabe bspw. digital in einem nicht-flüchtigen Datenspeicher des Batteriesystems, vorzugsweise des Batteriemanagementsystems, bevorzugt der Verarbeitungseinheit, gespeichert sein. Die Anpassung kann dabei bspw. manuell oder automatisch (auch ggf. im Betrieb des Batteriesystems) erfolgen. Vorzugsweise kann der wenigstens eine Parameter zumindest einen der nachfolgenden Parameter umfassen:
- wenigstens eine Eigenschaft eines Halbleiterschaltelements eines Batteriemanagementsystems, insbesondere eine Kenngröße, vorzugsweise eine Kurzschlussfestigkeit, sodass die Auslösecharakteristik an die Eigenschaft angepasst wird,
- wenigstens eine Temperatur bei dem Batteriesystem und/oder der Umgebung, sodass die Auslösecharakteristik an die Temperatur angepasst wird,
- einen Anwendungsmodus des Batteriesystems und/oder Batteriemanagementsystems, sodass die Auslösecharakteristik an bestimmte
Anwendungen angepasst wird,
- eine Betriebsdauer des Batteriesystems.
Hierzu kann die Erfassungseinheit zur Erfassung wenigstens einer der genannten Parameter ausgeführt sein, und/oder wenigstens eine weitere Erfassungseinheit hierzu vorgesehen sein. Ferner ist es denkbar, dass die Sicherungsvorgabe wenigstens eine Sicherungskennlinie umfasst, welche für die Auslösecharakteristik des Sicherungssystems spezifisch ist, und welche vorzugsweise variabel an einen Betriebsbereich des Batteriesystems anpassbar ist, bevorzugt manuell durch eine Programmierung und/oder Konfiguration der Verarbeitungseinheit. Bevorzugt weist die Sicherungskennlinie einen linearen oder nichtlinearen oder stufigen Verlauf auf, um die lineare bzw. nicht-lineare bzw. stufige Anpassung zu bewirken. Bspw. umfasst die Sicherungskennlinie einen Wert oder unterschiedliche Werte für Auslöseströme (Auslösestromstärken), bspw. in Abhängigkeit von wenigstens einem weiteren Parameter des Batteriesystems, wie einer Betriebsdauer oder einer Temperatur oder dergleichen. Mit anderen Worten kann die Sicherungskennlinie vorgeben, bei welchen Parameter-Werten welcher Auslösestrom genutzt wird, d. h. insbesondere der Überstromzustand positiv detektiert wird. Auch kann bei einer linearen Sicherungskennlinie lediglich ein fester (konstanter) Wert für den Auslösestrom vorgesehen sein, auch für unterschiedliche Werte des weiteren Parameters wie der Betriebsdauer, um so die Stabilität bei einem entsprechenden Betriebsbereich zu gewährleisten. Der Auslösestrom ist dabei bspw. die Stromstärke, welche durch den Strom durch den Strompfad erreicht werden muss, damit der Fehlerzustand, insbesondere Überstromzustand, positiv detektiert wird. Dies kann durch den Vergleich durch die Verarbeitungseinheit festgestellt werden. Der Betriebsbereich umfasst bspw. wenigstens einen zulässigen Wertebereich (oder unterschiedliche zulässige Wertebereiche) wenigstens eines Parameters des Batteriesystems, in welchem ein Normalzustand (d. h. insbesondere kein Überstromzustand) vorliegt. Es können bspw. auch mehrere zulässige Wertebereiche vorliegen, welche mit bestimmten Bedingungen verknüpft sind (z. B. abhängig von einer Betriebsdauer oder einer Temperatur des Batteriesystems). Bspw. können die zulässigen Wertebereiche ggf. nur anhand komplexer Vorschriften ermittelt werden, welche ggf. mehrere Parameter berücksichtigen. Dies hängt damit zusammen, dass sich die zulässigen Wertebereiche auch während des Betriebs und/oder in Abhängigkeit von den Parametern (wie der Batteriesystem- und/oder Umgebungstemperatur und/oder der Eigenschaften der genutzten Komponenten des Batteriesystems und insbesondere des Batteriemanagementsystems) verändert können. Die anpassbare (variable) Sicherungskennlinie hat daher den Vorteil, dass eine Adaption des Sicherungssystems und der Auslösecharakteristik an den Betriebsbereich (welcher ggf. selbst veränderbare zulässige Wertebereiche umfassen kann) erfolgen kann, z. B. für unterschiedliche Betriebsdauern oder unterschiedliche Komponenten. Bei einem Unter- und/oder Überschreiten der zulässigen Wertebereiche kann dabei ein Fehlerzustand, insbesondere ein Überstromzustand, vorliegen. Weiter ist im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Sicherungsvorgabe mehrere anpassbare Sicherungskennlinien umfasst, welche vorzugsweise voneinander unterschiedlich an einen Betriebsbereich des Batteriesystems anpassbar sind, um insbesondere die positive Detektion des Überstromzustands für mehrere Wertebereiche und/oder Parameter des Betriebsbereiches durch den Vergleich mit den jeweiligen Sicherungskennlinien durchzuführen. Mit anderen Worten kann durch eine individuelle Anpassung der Sicherungskennlinien die Auslösecharakteristik an den (komplexen) Betriebsbereich angeglichen (angenähert) werden. Somit kann insbesondere wenigstens eine Sicherungskennlinie für jeweils einen Parameter und/oder Wertebereich bereitgestellt werden. Bspw. sind mehrere Wertebereiche vorgesehen, welche z. B. für unterschiedliche Betriebsmodi (Anwendungen) unterschiedliche Stromstärke-Bereiche umfassen, in denen ein Normalbetrieb (Normalzustand) vorliegt. Entsprechend können die Sicherungskennlinien an diese Bereiche angepasst werden, ggf. auch nicht-linear oder stufig oder linear angepasst werden, sodass ein Überschreiten der Sicherungskennlinien (d. h. bspw. der dadurch bereitgestellten Auslösestromstärken durch die gemessene Stromstärke bzw. durch die Erfassungsinformation über die Stromstärke) die positive Detektion bewirkt. Auch können ggf. weitere Parameter berücksichtigt werden, wie die Betriebsdauer, die Spannung, der Ladezustand oder die Temperatur bei dem Batteriesystem.
Bspw. kann beim Vergleich die erfasste (gemessene) Stromstärke, welche durch die Erfassungsinformation bereitgestellt wird, mit einem Grenzwert (z. B. Auslösestromstärke) verglichen werden, welcher durch die Sicherungsvorgabe bereitgestellt wird. Überschreitet dann die Stromstärke den Grenzwert, kann dies die positive Detektion (z. B. des Überstromzustands) bewirken. Auch können ggf. mehrere Grenzwerte in der Sicherungsvorgabe vorgesehen sein, wobei bspw. ein aktueller (gemessener) Wert wenigstens eines der weiteren Parameter bestimmt, welcher Grenzwert für den Vergleich berücksichtigt wird. Auch für diese Entscheidung kann ggf. der Wert des weiteren Parameters mit einem Grenzwert (z. B. der Sicherungsvorgabe) verglichen werden. Es kann von Vorteil sein, wenn im Rahmen der Erfindung das Sicherungselement als pyrotechnischer Schalter ausgebildet ist, und vorzugsweise durch eine Zündung einer Sprengladung des pyrotechnischen Schalters aktivierbar ist. Der pyrotechnische Schalter weist dabei nach der Aktivierung einen stabilen und irreversiblen Schaltzustand auf. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck„irreversibel" insbesondere darauf, dass nach dem Auslösen bzw. Aktivieren des Sicherungselements die Funktionalität des Sicherungselements zum Schalten irreversibel zerstört ist, sodass ein erneutes Schließen des Stromkreises (des Energiespeichers) durch das Sicherungselement, insbesondere den pyrotechnischen Schalter, unmöglich ist. Dabei ist der pyrotechnische Schalter bzw. das Sicherungselement vorzugsweise als Trennschalter ausgebildet, welcher/welches eine vollständige galvanische Trennung des Stromkreises ermöglicht. Zur Ansteuerung des Sicherungselements kann vorzugsweise eine Treibereinheit vorgesehen und elektrisch mit dem Sicherungselement verbunden sein. Die Treibereinheit erzeugt dabei einen Energiestoß, insbesondere einen Zündstrom, welcher das Sicherungselement aktiviert/auslöst. Der Energiestoß bewirkt dabei bspw. die Auslösung einer Sprengeinheit des insbesondere als pyrotechnischer Schalter ausgebildeten Sicherungselements, wodurch ein Bolzen durch einen perforierten Leiter getrieben wird. Der Leiter ist insbesondere ein elektrischer Leiter, welcher mit den Kontakten des Sicherungselements derart verbunden ist, dass er ein Bestandteil des Stromkreises des Batteriesystems ist.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass durch die Auslösung der Sprengeinheit bzw. der Aktivierung des Sicherungselements der Stromfluss durch den Strompfad bzw. Leiter unterbrochen wird, wodurch auch der Stromfluss des Stromkreises des Batteriesystems unterbunden und/oder der Stromkreis irreparabel unterbrochen wird. Zum erneuten Schließen des Stromkreises nach Aktivierung des Sicherungselements kann somit ein Austausch des Sicherungselements notwendig sein. Das Sicherungselement ist daher insbesondere derart in den Stromkreis des Batteriesystems integriert, dass der Leiter bzw. die Kontakte des Sicherungselements einen Teil des Stromkreises bilden und diesen im deaktivierten Schaltzustand des Sicherungselements schließen und im aktivierten Schaltzustand öffnen. Hierbei ist der Vorteil, dass nur im Schaltfall zur Aktivierung eine elektrische Leistung zur Zündung aufgebracht werden muss. Im Normalbetrieb erfolgt daher keine und/oder nur eine geringe Leistungsaufnahme des pyrotechnischen Schalters. Eine geringe Stromaufnahme wird somit dadurch gewährleistet, dass nur bei einer Aktivierung, also im Schaltfall, eine (wesentliche) elektrische Leistung zur Zündung aufgebracht werden muss. Der pyrotechnische Schalter ist kostengünstig und weist ferner eine hohe Strombelastbarkeit auf, da die Kontakte vor der Zündung form- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriesystem, insbesondere ein Lithium- Batteriesystem. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Batteriesystem wenigstens einen wiederaufladbaren Energiespeicher umfasst, vorzugsweise wenigstens eine Lithiumbatterie (Lithiumakkumulator), welcher über einen elektrischen Strompfad mit einer Last (Verbraucher) verbindbar ist. Des Weiteren kann das Batteriesystem wenigstens ein Batteriemanagementsystem umfassen, welches zumindest zur Überwachung und/oder Regelung eines Stromflusses des Strompfades dient. Außerdem kann das Batteriesystem ein elektronisches Sicherungssystem (insbesondere elektronische Überstromschutzeinrichtung) zum Überstromschutz bei dem Batteriesystem umfassen, insbesondere ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem, vorzugsweise als eine elektronische Überstromschutzeinrichtung. Damit bringt das erfindungsgemäße Batteriesystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem beschrieben worden sind. Vorzugsweise umfasst das Batteriesystem zumindest eine oder mehrere Zellen und/oder ein oder mehrere Zellpakete. Bevorzugt weist das Batteriesystem zumindest ein Zellpaket mit mindestens 8 Zellen und/oder maximal 16 Zellen und/oder maximal 24 Zellen auf. Durch eine Zusammenschaltung der Zellen ist eine besonders einfache und kostengünstige Skalierung des Batteriesystems möglich. Das Batteriesystem, insbesondere als wiederaufladbares Batteriesystem, weist vorzugsweise zumindest einen wiederaufladbaren Energiespeicher auf. Bei einem Lithium-(lonen-)Batteriesystem ist dabei zumindest eine wiederaufladbare Lithiumbatterie als Energiespeicher vorgesehen. Die maximale Ausgangsspannung und/oder Leerlaufspannung und/oder Nennspannung des Batteriesystems beträgt z. B. maximal 12 V und/oder 26 V und/oder 50 V. Weiter liegt die Nennspannung der einzelnen Zellen im Bereich von 2 bis 5 V, insbesondere 2,9 bis 3,7 V. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein (elektronisches) Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Regelung bei einem Batteriesystem, insbesondere einem erfindungsgemäßen Batteriesystem, aufweisend: wenigstens ein Halbleiterschaltelement, vorzugsweise wenigstens einen Leistungshalbleiterschalter, zur Steuerung eines Stromflusses bei dem Batteriesystem,
wenigstens ein elektronisches Sicherungssystem, bspw. als eine elektronische Überstromschutzeinrichtung, insbesondere ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem, zur Detektion eines Fehlerzustands, insbesondere eines Überstromzustands, bei dem Batteriesystem.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass bei einer positiven Detektion des Fehlerzustands bzw. Überstromzustands (insbesondere primär) ein Sicherungselement des Sicherungssystems zur (insbesondere irreversiblen) Unterbindung des Stromflusses auslösbar ist. Damit bringt das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriesystem beschrieben worden sind.
Es ist ferner denkbar, dass bei dem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem eine Überwachungseinheit vorgesehen ist, um eine Fehlfunktion bei dem Sicherungssystem des Batteriemanagementsystems zu detektieren, sodass vorzugsweise bei positiver Detektion der Fehlfunktion das Batteriesystem in einen sicheren Zustand überführbar ist, bevorzugt durch eine Aktivierung des wenigstens einen Halbleiterschaltelements zur Unterbindung des Stromflusses. Hierzu ist die Überwachungseinheit bspw. mit der Verarbeitungseinheit und/oder mit der Erfassungseinheit und/oder einer weiteren Erfassungseinheit elektrisch verbunden, um die Überwachung des Batteriesystems und Detektion der Fehlfunktion durchzuführen. Weiter kann die Überwachungseinheit mit weiteren Komponenten des Batteriemanagementsystems, wie einer Elektronik des Batteriemanagementsystems, verbunden sein, um das Halbleiterschaltelement anzusteuern. Dies ermöglicht es, bei einer Fehlfunktion des Sicherungssystems dennoch eine Unterbrechung des Stromflusses zu erzielen. Weiter kann es auch möglich sein, dass hierdurch Methoden der funktionalen Sicherheit bei dem Sicherungssystem implementiert werden.
Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass ausschließlich das elektronische Sicherungssystem zum Überstromschutz durch irreversible Unterbindung des Stromflusses vorgesehen ist. Mit anderen Worten kann es möglich sein, dass das Batteriemanagementsystem ausschließlich das Sicherungssystem als eine elektronische Sicherung nutzt, und somit auf eine Schmelzsicherung oder dergleichen verzichtet werden kann. Somit können auch Bauraum und Kosten reduziert werden, da bspw. ein Sicherungshalter, Stromschienen, und/oder andere Befestigungsmittel für die Schmelzsicherung eingespart werden.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Schutz bei einem Batteriesystem, insbesondere zum Überstromschutz, mit einem Sicherungselement, einer Erfassungseinheit und einer elektronischen Verarbeitungseinheit.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass zumindest einer der nachfolgenden Schritte durchgeführt wird, wobei vorzugsweise die Schritte nacheinander oder in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden, wobei bevorzugt einzelne Schritte auch wiederholt durchgeführt werden können:
Ermitteln einer Erfassungsinformation durch die Erfassungseinheit, wobei die Erfassungsinformation für einen elektrischen Strom bei einem elektrischen Strompfad bei dem Batteriesystem spezifisch ist (bspw. ist die Erfassungsinformation eine ggf. verstärkte und/oder in eine digitale Information umgewandelte Messspannung von einem Shunt-Widerstand),
Durchführen eines Vergleichs der Erfassungsinformation mit einer anpassbaren Sicherungsvorgabe durch die Verarbeitungseinheit, sodass ein Fehlerzustand, insbesondere Überstromzustand, detektiert wird, wobei vorzugsweise für den
Vergleich die Erfassungsinformation digital und/oder numerisch durch die Verarbeitungseinheit ausgewertet wird, bspw. mittels eines Computerprogramms, Auslösen des Sicherungselements (insbesondere initiiert durch die Verarbeitungseinheit) in Abhängigkeit von dem Vergleich, sodass eine Unterbrechung des elektrischen Strompfades (durch das Sicherungselement) bei positiver Detektion des Fehlerzustands, insbesondere Überstromzustands, gemäß einer anpassbaren Auslösecharakteristik erfolgt.
Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriesystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem beschrieben worden sind. Zudem kann das Verfahren geeignet sein, ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriesystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem zu betreiben.
Es ist ferner denkbar, dass die Erfassungsinformation für einen zeitlichen Verlauf des elektrischen Stroms spezifisch ist, und insbesondere mehrere Stromstärkewerte umfasst, wobei vorzugsweise bei der Durchführung des Vergleichs anhand der Erfassungsinformation Merkmale und/oder Muster des Verlaufs ausgewertet werden, um einen Fehlerzustand, insbesondere Überstromzustand zu detektieren. Hierzu kann die Erfassungsinformation bspw. mehrere Werte umfassen, welche einen Stromstärkeverlauf des Stroms durch den Strompfad (des Laststromkreises) repräsentieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungsinformation auch Werte umfassen, welche für einen Verlauf von wenigstens einem anderen Parameter des Batteriesystems spezifisch sind (wie einem Temperaturverlauf, einer Betriebsdauer oder dergleichen). Zur Erfassung der Betriebsdauer kann bspw. die Erfassungseinheit und/oder eine weitere Erfassungseinheit vorgesehen sein, welche bspw. einen Timerbaustein oder einen Zeitgeber oder dergleichen umfasst. Dabei wird insbesondere davon ausgegangen, dass wenigstens ein bestimmter Verlauf einen Kurzschluss oder dergleichen indiziert, sodass in diesem Fall der Fehlerzustand bzw. Überstromzustand detektiert werden soll. Vorzugsweise kann hierzu die Verarbeitungseinheit genutzt werden, um bestimmte Merkmale im Verlauf bzw. in der Erfassungsinformation zu detektieren, wie bspw. ein Muster und/oder ein definierter Strom (- verlauf) und/oder eine bestimmte Signatur und/oder bestimmte Grenzwerte. Dabei kann auch die Sicherungsvorgabe wenigstens einen Vorlagenverlauf umfassen, mit dem die Erfassungsinformation verglichen wird. Hierbei ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Sicherungssystem bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die hierfür relevanten Parameter nahezu beliebig vorgegeben werden können. So muss im Gegensatz zu einer Schmelzsicherung nicht auf das Schmelzen der Sicherung gewartet werden, sondern es kann bei bspw. einem definierten Strom in definierter Zeit die Sicherung ausgelöst werden. Da insbesondere bei dem Sicherungselement kein thermisches Schmelzen abgewartet werden muss (im Gegensatz zur Schmelzsicherung), kann schon bei geringeren Strömen der Stromkreis getrennt werden. Durch diese schnelle Trennung kann ein Kurzschlussstrom insbesondere schon während der Anfangsphase (dem sogenannten „Prellen") erkannt werden. Damit kann der Stromfluss ggf. schon unterbrochen werden, bevor sich der Kurzschlussstrom komplett aufgebaut hat. In anderen Worten kann vorteilhafterweise durch die Verarbeitungseinheit der Fehlerzustand, insbesondere Überstromzustand, bereits dann detektiert werden, wenn erste„Anzeichen" eines Kurzschlusses oder dergleichen auftreten, welche bspw. anhand des Verlaufs bzw. der Erfassungsinformation detektiert werden können.
Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass die Erfassungsinformation bei der Durchführung des Vergleichs gemäß vorbestimmten Vergleichskriterien ausgewertet und/oder verglichen wird, um wenigstens ein charakteristisches Merkmal eines Verlaufs des elektrischen Stroms zu ermitteln, welches für einen Überstromzustand spezifisch ist. Das Merkmal ist bspw. ein bestimmter Verlauf (wie ein Ansteigen oder eine bestimmte Funktion, welche durch den Verlauf angenähert wird). Dies ermöglicht es, einen beginnenden Kurzschlussstrom oder dergleichen zu detektieren, und damit frühzeitig die Sicherung auszulösen. Der Vergleich und/oder die Vergleichskriterien können dabei bspw. durch eine digitale Vorgabe und/oder durch einen Algorithmus, wie einen statistischen Algorithmus und/oder eine Mustererkennung, bereitgestellt werden.
Bevorzugt kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Sicherungsvorgabe an einen Betriebsbereich des Batteriesystems (insbesondere linear oder nicht-linear bzw. stufig) angepasst wird, sodass vorzugsweise wenigstens ein Grenzwert einer Stromstärke des elektrischen Stroms (als Auslösestrom) definiert wird, bei welchem die Unterbrechung des elektrischen Strompfades vorgesehen ist. insbesondere kann dabei die Unterbrechung des Strompfades durch die Aktivierung des Sicherungselements in definierter Zeit erfolgen. Bspw. kann bei einem Überschreiten des Grenzwertes die Unterbrechung erfolgen, um einen zuverlässigen Schutz bereitzustellen. Diese Möglichkeit der Nutzung von Grenzwerten kann ggf. mit einer zuvor beschrieben Methode kombiniert werden, bei welcher weitere Vergleichskriterien verwendet werden und/oder der Verlauf ausgewertet wird. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Sicherungsvorgabe,
Figur 2 eine weitere schematische Darstellung einer weiteren Sicherungsvorgabe, Figur 3 eine weitere schematische Darstellung einer weiteren Sicherungsvorgabe, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sicherungssystem und erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, eine schematische Darstellung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
In den Figuren 1 bis 3 sind schematisch verschiedene Sicherungsvorgaben S, insbesondere Sicherungskennlinien S, gezeigt. Hierbei ist beispielhaft das Auslöseverhalten bzw. der Auslösestrom S (mit der Stromstärke I) des Sicherungselements 70 für unterschiedliche Betriebsdauern t eines Batteriesystems 200 gezeigt. Somit sind die dargestellten Zusammenhänge spezifisch für eine jeweilige beispielhafte Auslösecharakteristik eines erfindungsgemäßen Sicherungssystems 10. Der mit einer Schraffur hervorgehobene Bereich entspricht dabei einem beispielhaften Betriebsbereich B eines Batteriesystems 200. In diesem Fall umfasst der Betriebsbereich B Stromstärkewertebereiche, in welchen ein Normalbetrieb des Batteriesystems 200 vorliegt, d. h. keine Auslösung der Sicherung erfolgen soll.
Figur 1 zeigt eine typische Kennlinie, welche so auch bei einer konventionellen Schmelzsicherung vorliegen kann. Dabei ist ein erster kritischer Bereich 101 dargestellt, in welchem eine Gefahr von Fehlauslösungen der Sicherung im Dauerbetrieb besteht. Zudem ist ein zweiter kritischer Bereich 102 dargestellt, in welchem sehr hohe Ströme notwendig sind, um die Sicherung auszulösen. Hierbei besteht die Gefahr, andere Bauteile im Strompfad zu zerstören.
Dieses Problem kann bei der Nutzung anderer Sicherungsvorgaben S zumindest reduziert werden. So ist in Figur 2 eine verbesserter Kennlinie gezeigt, wobei in einem ersten Bereich 103 ein ausreichender Abstand zum normalen Betriebsbereich B vorliegt, und in einem zweiten Bereich 104 die Kennlinie ausreichend nahe am Betriebsbereich B ist, um hohe Ströme zu verhindern. In Figur 2 ist die Sicherungsvorgabe S bzw. Sicherungskennlinie S linear ausgeführt. Eine weitere Verbesserung zeigt Figur 3, bei welcher eine Sicherungsvorgabe S genutzt wird, welche nicht-linear, insbesondere stufig, am Betriebsbereich B angepasst ist. Hierbei umfasst der Betriebsbereich B mindestens zwei unterschiedliche Wertebereiche für zulässige Werte (bspw. einer Stromstärke). In Figur 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem 300 mit einem erfindungsgemäßen Sicherungssystem 10 dargestellt. Hierbei ist der Strompfad P teilweise gezeigt, durch welchen ein elektrischer Strom I fließt, insbesondere zwischen einem Energiespeicher 210 und einer Last 400. Es ist dabei eine Erfassungseinheit 20 vorgesehen, um diesen Strom I zu erfassen. Dazu nutzt die Erfassungseinheit 20 einen Shunt-Widerstand 21 , welcher im Strompfad P integriert ist. Anhand des Spannungsabfalls am Shunt-Widerstand 21 kann eine Messspannung ermittelt werden, welche proportional zum Strom I ist. Diese Messspannung wird durch eine Verstärkereinheit 30 verstärkt und durch eine Wandlereinheit 40, insbesondere einen Analog-Digital-Wandler 40, in ein digitales Signal umgewandelt. Auf diese Weise kann die Erfassungsinformation E ermittelt werden, welche bspw. durch die verstärkte Messspannung und/oder durch die digital umgewandelte Messspannung gebildet wird. Entscheidend ist dabei, dass die Erfassungsinformation E eine Information über den erfassten Parameter umfasst, d. h. im in Figur 4 gezeigten Beispiel der Stromstärke. Auch kann die Erfassungsinformation E einen Verlauf der Werte des Parameters, wie der Stromstärke, umfassen. Hierzu kann bspw. die Messspannung zu mehreren Zeitpunkten erfasst werden, und die hierbei ermittelten Messwerte als zeitlicher Verlauf zwischengespeichert werden. Anschließend kann die Erfassungsinformation E durch eine Verarbeitungseinheit 50, wie einem Mikrocontroller, ausgewertet werden. In Abhängigkeit von dieser Auswertung kann dann eine Treibereinheit 60 durch die Verarbeitungseinheit 50 angesteuert werden, welche daraufhin das Sicherungselement 70 auslöst. Hierdurch wird der Strompfad P unterbrochen.
In Figur 5 ist schematisch ein Batteriesystem 200 dargestellt. Dieses umfasst insbesondere wenigstens einen Energiespeicher 210, welcher über den Strompfad P mit einem Batteriemanagementsystem 300 des Batteriesystems 200 verbunden ist. Das Batteriemanagementsystem 300 umfasst bspw. wenigstens ein Halbleiterschaltelement 310 und/oder wenigstens eine Überwachungseinheit 320. Das Batteriemanagementsystem 300 verbindet ferner den Energiespeicher 210 mit einer Last 400.
In Figur 6 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 visualisiert. Gemäß einem ersten Verfahrensschritt 1 10 erfolgt dabei ein Ermitteln einer Erfassungsinformation E durch die Erfassungseinheit 20, wobei die Erfassungsinformation E für einen elektrischen Strom I bei einem elektrischen Strompfad P bei dem Batteriesystem 200 spezifisch ist. Gemäß einem zweiten Verfahrensschritt 120 ist eine Durchführung eines Vergleichs der Erfassungsinformation E mit einer anpassbaren Sicherungsvorgabe S durch die Verarbeitungseinheit 50 vorgesehen, sodass ein Überstromzustand detektiert wird. Anschließend kann gemäß einem dritten Verfahrensschritt 130 ein Auslösen des Sicherungselements 70 in Abhängigkeit von dem Vergleich erfolgen, sodass eine Unterbrechung des elektrischen Strompfades P bei positiver Detektion des Überstromzustands gemäß einer anpassbaren Auslösecharakteristik erfolgt. Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
B ez u g s ze i c h e n l i s te
10 Sicherungssystem
20 Erfassungseinheit
21 Shunt-Widerstand
30 Verstärkereinheit
40 Wandlereinheit, Analog-Digital-Wandler
50 Verarbeitungseinheit
60 Treibereinheit
70 Sicherungselement, Pyrotechnisches Schaltelement 100 Verfahren
101 erster kritischer Bereich
102 zweiter kritischer Bereich
103 erster Bereich
104 zweiter Bereich
110 erster Verfahrensschritt
120 zweiter Verfahrensschritt
130 dritter Verfahrensschritt 200 Batteriesystem
210 Energiespeicher
300 Batteriemanagementsystem 310 Halbleiterschaltelement
320 Überwachungseinheit
400 Last t Zeit
B Betriebsbereich
E Erfassungsinformation
I Strom
P Strom pf ad
S Sicherungsvorgabe, Sicherungskennlinie

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Sicherungssystem (10) zum Überstromschutz bei einem Batteriesystem (200), mit:
einem Sicherungselement (70) zur Unterbrechung eines elektrischen Strompfades (P) bei dem Batteriesystem (200),
einer Erfassungseinheit (20) zur Ermittlung einer Erfassungsinformation (E), welche für einen elektrischen Strom (I) des Strompfades (P) spezifisch ist,
einer elektronischen Verarbeitungseinheit (50) zur Durchführung eines Vergleichs der Erfassungsinformation (E) mit einer anpassbaren Sicherungsvorgabe (S), um einen Überstromzustand zu detektieren, wobei
die Verarbeitungseinheit (50) in Wirkverbindung mit dem Sicherungselement (70) steht, um das Sicherungselement (70) in Abhängigkeit von dem Vergleich auszulösen, sodass die Unterbrechung bei positiver Detektion des Überstromzustands gemäß einer anpassbaren Auslösecharakteristik erfolgt.
Sicherungssystem (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verarbeitungseinheit (50) dazu ausgeführt ist, bei der positiven Detektion des Überstromzustands anhand des Vergleichs primär das Sicherungselement (70) auszulösen, um die Unterbrechung des Strompfades (P) durch das Sicherungselement (70) durchzuführen.
Sicherungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sicherungselement (70) als irreversibles Sicherungselement (70) ausgeführt ist, sodass das Sicherungselement (70) nur irreversibel zur Unterbindung des elektrischen Stroms (I) durch die Verarbeitungseinheit (50) auslösbar ist. Sicherungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sicherungsvorgabe (S) als digital gespeicherte Information ausgeführt ist, und in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter des Batteriesystems (200) anpassbar, insbesondere programmierbar, ausgeführt ist.
Sicherungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sicherungsvorgabe (S) wenigstens eine Sicherungskennlinie (S) umfasst, welche für die Auslösecharakteristik des Sicherungssystems (10) spezifisch ist, und welche variabel an einen Betriebsbereich (B) des Batteriesystems (200) anpassbar ist, vorzugsweise manuell durch eine Programmierung und/oder Konfiguration der Verarbeitungseinheit (50).
Sicherungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sicherungsvorgabe (S) mehrere anpassbare Sicherungskennlinien (S) umfasst, welche voneinander unterschiedlich an einen Betriebsbereich (B) des Batteriesystems (200) anpassbar sind, um die positive Detektion des Überstromzustands für mehrere Wertebereiche und/oder Parameter des Betriebsbereiches (B) durch den Vergleich mit den jeweiligen Sicherungskennlinien (S) durchzuführen.
Sicherungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sicherungselement (70) als pyrotechnischer Schalter ausgebildet ist, und vorzugsweise durch eine Zündung einer Sprengladung des pyrotechnischen Schalters aktivierbar ist.
8. Batteriesystem (200), mit
wenigstens einem wiederaufladbaren Energiespeicher (210), vorzugsweise wenigstens einem Lithiumakkumulator, welcher über einen elektrischen Strompfad
(P) mit einer Last (400) verbindbar ist,
wenigstens einem Batteriemanagementsystem (300) zumindest zur Überwachung eines Stromflusses des Strompfades (P),
einem elektronischen Sicherungssystem (10) zum Überstromschutz bei dem Batteriesystem (200), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Batteriemanagementsystem (300) zur Überwachung und Regelung bei einem Batteriesystem (200), aufweisend:
wenigstens ein Halbleiterschaltelement (310) zur Steuerung eines Stromflusses bei dem Batteriesystem (200),
wenigstens ein elektronisches Sicherungssystem (10) zur Detektion eines Überstromzustands bei dem Batteriesystem (200),
wobei bei einer positiven Detektion des Überstromzustands primär ein Sicherungselement (70) des Sicherungssystems (10) zur irreversiblen Unterbindung des Stromflusses auslösbar ist.
10. Batteriemanagementsystem (300) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Überwachungseinheit (320) vorgesehen ist, um eine Fehlfunktion bei dem Sicherungssystem (10) zu detektieren, sodass bei positiver Detektion der Fehlfunktion das Batteriesystem (200) in einen sicheren Zustand überführbar ist, vorzugsweise durch eine Aktivierung des wenigstens einen Halbleiterschaltelements (310) zur Unterbindung des Stromflusses.
- 3 -
1 1 . Batteriemanagementsystem (300) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass ausschließlich das elektronische Sicherungssystem (10) zum Überstromschutz durch irreversible Unterbindung des Stromflusses vorgesehen ist.
12. Batteriemanagementsystem (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sicherungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführt ist.
13. Verfahren (100) zum Schutz bei einem Batteriesystem (200), insbesondere zum Überstromschutz, mit einem Sicherungselement (70), einer Erfassungseinheit (20) und einer elektronischen Verarbeitungseinheit (50),
wobei die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden:
- Ermitteln einer Erfassungsinformation (E) durch die Erfassungseinheit (20), wobei die Erfassungsinformation (E) für einen elektrischen Strom (I) bei einem elektrischen Strompfad (P) bei dem Batteriesystem (200) spezifisch ist,
Durchführen eines Vergleichs der Erfassungsinformation (E) mit einer anpassbaren Sicherungsvorgabe (S) durch die Verarbeitungseinheit (50), sodass ein Überstromzustand detektiert wird,
Auslösen des Sicherungselements (70) in Abhängigkeit von dem Vergleich, sodass eine Unterbrechung des elektrischen Strompfades (P) bei positiver Detektion des Überstromzustands gemäß einer anpassbaren Auslösecharakteristik erfolgt. 14. Verfahren (100) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erfassungsinformation (E) für einen zeitlichen Verlauf des elektrischen Stroms (I) spezifisch ist, und insbesondere mehrere Stromstärkewerte umfasst, wobei bei der Durchführung des Vergleichs anhand der Erfassungsinformation (E) Merkmale und/oder Muster des Verlaufs ausgewertet werden, um einen Überstromzustand zu detektieren.
15. Verfahren (100) nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erfassungsinformation (E) bei der Durchführung des Vergleichs gemäß vorbestimmten Vergleichskriterien ausgewertet und/oder verglichen wird, um wenigstens ein charakteristisches Merkmal eines Verlaufs des elektrischen Stroms (I) zu ermitteln, welches für einen Überstromzustand spezifisch ist.
16. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sicherungsvorgabe (S) an einen Betriebsbereich (B) des Batteriesystems (200) angepasst wird, sodass wenigstens ein Grenzwert einer Stromstärke des elektrischen Stroms (I) definiert wird, bei welchem die Unterbrechung des elektrischen Strompfades (P) vorgesehen ist.
17. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Sicherungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder ein Batteriesystem (200) nach Anspruch 8 und/oder ein Batteriemanagementsystem (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 betrieben wird.
- 5 -
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