WO2012168180A2 - Energiesystem für ein fahrzeug, verfahren zur minderung der ladung einer batterie und kraftfahrzeug - Google Patents

Energiesystem für ein fahrzeug, verfahren zur minderung der ladung einer batterie und kraftfahrzeug Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an energy system for a vehicle, in particular for an electric motor driven vehicle and a method for reducing the charge of a battery, in particular a lithium-ion battery.
  • the present invention relates to a motor vehicle, in particular a motor vehicle driven by an electric motor.
  • lithium-ion technology Predestined for a wide range of applications is lithium-ion technology. It is characterized among other things by high energy density and extremely low self-discharge.
  • Lithium-ion cells have at least one positive and one negative electrode (cathode or anode), which can reversibly intercalate or deintercalate (deintercalation) lithium ions (Li + ) by means of an electrolyte component.
  • lithium-ion cells can be present as a roll or stack in the so-called hardcase or in the so-called soft pack.
  • Soft packs or pouch cells are cell units packaged with an aluminum composite foil;
  • the term lithium-ion polymer cells is also used.
  • Nominal capacities of lithium-ion single cells for cars or trucks are in the range of 3 Ah to 300 Ah, and typically between 4 Ah and 80 Ah, to the high electrical required for the required high drive power
  • the usually used in detecting a dangerous situation service device whose function can be taken over, for example, the battery management system is, depending on the configuration, with respect to a serious accident and / or serious insulation fault alone insufficient to avoid electric shock, since such a service device only then safety precautions meet if it itself was not affected by the accident.
  • US 2010/0026242 A1 discloses a method and a device for discharging an energy storage system, in which, in the event of an accident, an emergency discharge is carried out by means of a first and / or second discharge resistor. From US 7,592,776 B2, an energy storage unit is known, which in the case of
  • Energy storage stored electrical energy is converted into heat.
  • a charging coil the operation of which is set up and arranged to charge the battery. For discharge is thus a certain
  • an energy system for a vehicle in particular for an electromotive driven vehicle, wherein the energy system comprises at least one battery, in particular a lithium-ion battery, and at least one electrically connected to the battery
  • the energy system comprises a control device.
  • the energy system is set up such that upon receipt of a danger signal in the control device with this the
  • Consumption device is controlled such that by means of the consumption device within a certain period of time, a reduction in the charge of the battery by at least 90% can be realized. From the concept of the battery in the sense of the
  • Invention also battery cells and battery cell modules, which have a plurality of battery cells, includes his.
  • the consumption device is thus set up and arranged for implementing the electrical energy stored in the battery and / or for monitoring and / or regulating the battery. This means that when using the energy system according to the invention in an electric motor driven vehicle the
  • Consumption device for driving the vehicle and / or for the realization of at least one further electrical process in the vehicle while consuming the
  • Charge is set up during the electrical operation of the vehicle or its electrical operational readiness.
  • the operation of the vehicle means the driving state of the vehicle or its traveling readiness, and not the state of the vehicle during the charging of the battery.
  • the period of time during which said charge minimization is to be realized is preferably at most 60 s from the time the hazard signal is received in the
  • the time span can vary depending on the desired
  • Danger elimination be selected. If there is no danger to humans and animals, this period of time can be significantly exceeded, depending on permissible operating parameters and boundary conditions such as temperatures in cells, the consumer or the lines.
  • the period of time within which a detected hazardous voltage potential is to be reduced is preferably at most 30 ms in order to prevent an electric shock or life-threatening effects of an electric shock even in the event of a fault.
  • the reduction of the charge of the battery should be at least 90%. That is, based on the state of charge of the battery prior to receipt of the danger signal after the discharge made by the consumer device maximum 10% of the charge should be present, in particular preferably not more than 5% and, for absolute risk elimination, in particular 0% of the charge should be present. This means that preferably a complete equipotential bonding between the battery and the environment should be realized.
  • the consumer device may be a device in whose operation electrical energy can be implemented.
  • a consumption device is for example a device that is powered by the battery during operation of the motor vehicle, such as a heater for controlling the temperature of the passenger compartment or the converter for operating the electric drive.
  • Example heat around In particular, by means of the electrically operated heating device a quick potential equalization is possible.
  • the consumption device may be a device, upon actuation of which a flow of current into the environment of the vehicle can be realized.
  • a device for preventing the static charge of the vehicle can be used, which can be configured such that with it a targeted potential equalization can be realized.
  • Such a device for preventing the static charge may be connected to an opening switch, the deactivation of which, on the basis of a danger signal, enables, for example, a potential equalization to the ground via a conductor loop.
  • Consumption device is a balancing device with which a Charge balance between multiple cells of at least one battery can be realized.
  • the balancing device can be part of the battery management system.
  • the balancing device is supplied by the battery, so that the operation of the balancing device results in a reduction of the charge in the battery.
  • the control device is also a component of the battery management system.
  • control device may also be a simple mechanical device, such as a switch, which responds to extreme accelerations, as they occur in accidents.
  • the energy system is set up such that with the control device first the balancing device for carrying out a charge equalization between several cells can be controlled and then a further consumption device can be controlled, upon actuation of which electrical energy can be converted or a current flow into the environment of the vehicle is feasible.
  • a targeted discharge by means of balancing can be tried, and upon detection of a continuing hazard potential targeted discharging by means of a consumer device with conversion of electrical energy or a
  • a method for reducing the charge of a battery, in particular a lithium-ion battery is provided according to the invention, by means of at least one consumer device whose operation any one
  • the consumer device is driven such that by means of the consumption device within a certain period of time, a reduction in the charge of the battery is realized by at least 90%.
  • the period of time within which the reduction of the charge of the battery is to take place is from the input of the danger signal to the control device in
  • the inventive method for reducing the charge of a battery can be advantageously designed in particular by initially balancing a plurality of cells with a balancing device and then converting electrical energy by means of another consumer device a current flow is realized in the environment of the battery. If the cell balancing is carried out by means of a battery management system of a vehicle battery, this means that the control device firstly controls the battery management system to carry out a charge equalization between a plurality of cells and then activates a further consumption device, upon actuation of which the electrical energy is converted Current flow to the environment of the battery or the vehicle is realized.
  • the conversion of the electrical energy into kinetic energy in an electric motor or heat in a heater is understood here, for example. That is, according to the invention, primarily a discharge of the battery with opened contactors by means of balancing, optionally controlled by the battery management system, is carried out, wherein the battery can be disconnected from the high-voltage network of the vehicle. Only upon detection of a danger from the still existing potential of the battery, which could not be reduced, is used in addition to or instead a discharge of the battery by means of the consumption device, in the operation of electrical energy is implemented or a current flow in the environment of the battery or the vehicle is realized.
  • the advantage of the method according to the invention is the minimization of the risk for persons or objects in the environment of the energy system by the discharge by means of the balancing device, which can establish a charge balance between individual battery cells, with no currents to the body or the chassis of the vehicle or into the environment. Only when a danger is recognized by the remaining potential, a rapid discharge by closing the contactors and a concomitant flow of current to the body and / or the environment should be done in order to eliminate in a very short time the risk resulting from the battery charge, and consequently rule out that there is a risk of electric shock after the targeted discharge.
  • the danger signal which can trigger the targeted discharge, can be generated, for example, upon detection of a deviation of an actual parameter from a desired parameter range of a physical quantity, wherein the
  • a resistor in a voltage divider or an existing AC voltage can be.
  • the danger signal can also be generated when detecting, in particular, a negative acceleration, which is for example the case of a vehicle impact
  • the danger signal can, however, also on detection of a positive acceleration upon impact of an object, such as another vehicle to that with the inventive
  • the danger signal is generated.
  • damage to the battery and / or the insulation of the electrical lines can not be ruled out, so that consequently the risk of an electric shock is assumed.
  • the danger signal can be generated if the battery has been deformed inadmissible, so that at least a geometric dimension of the battery no longer corresponds to the setpoint parameter range. Such deformation may be due, for example, to increased
  • AC method AC method
  • a coupled into the high-voltage circuit of the vehicle AC signal is evaluated. By evaluating this signal, an insulation fault can be detected.
  • the inventive method is preferably designed such that in the targeted discharge also a cooling of the battery is made, as in the event of an accident, a so-called thermal runaway of the battery ("thermal runaway") can not be excluded, which may damage the battery and / or
  • thermal runaway a so-called thermal runaway of the battery
  • the converter and / or electric motor of the electric drive unit of a vehicle is used to reduce the charge of a battery according to the invention, it can be provided that these are likewise cooled.
  • the method according to the invention can be used not only for preventing electric shocks in emergency situations, but also for preparing the recycling at the end of the service life of the battery, wherein a dangerous situation is simulated or the targeted production of a deviation of an actual parameter from a target
  • Parameter range of a specified physical quantity is generated, so that a corresponding hazard signal is generated, which triggers the potential equalization.
  • a motor vehicle in particular a motorcycle
  • FIGURE 1 shows schematically an energy system according to the invention.
  • This energy system comprises a battery 1, which may be in particular a lithium-ion battery. Control technology is coupled to the battery 1 a
  • Battery management system 10 With the battery 1, an electric motor 20 and a heater 30 is further electrically connected.
  • the electric motor 20 is preferably for driving an electric vehicle, which with the
  • the heating device 30 is preferably set up to heat the passenger compartment of the vehicle.
  • the energization of the electric motor 20 is realized by closing the second switch 52.
  • the energization of the heater 30 is realized by closing the first switch 51.
  • the two switches 51 and 52 are each with a
  • Control device 50 connected. This control device 50 is in turn connected to a detection device 40 in terms of control technology.
  • Detection device 40 may be configured to detect a deviation of an actual parameter from a desired parameter range of a physical quantity, the physical quantity being, for example, the temperature of the battery, the acceleration of the battery, a geometric measurement of the battery, the electrical voltage on a physical quantity, the physical quantity being, for example, the temperature of the battery, the acceleration of the battery, a geometric measurement of the battery, the electrical voltage on a physical quantity.
  • the physical quantity being, for example, the temperature of the battery, the acceleration of the battery, a geometric measurement of the battery, the electrical voltage on
  • the detection device 40 If the actual parameter deviates from the desired parameter range, the detection device 40 generates a danger signal, which is input to the control device 50.
  • the control device may, depending on the type of detected danger signal, the first switch 51 for actuating the heater 30 and / or the second
  • Energy stored in the battery 1 is converted into heat by the heater 30 and / or converted into kinetic energy by the electric motor 20. As a result, the charge in the battery 1 is reduced.
  • Control device 50 this can the battery management system for
  • the balancing can first be carried out and, depending on the severity of the detected accident or the insulation fault, a discharge of the battery 1 at the same time or subsequently by actuation of the battery

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Abstract

Es wird ein Energiesystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie vorgeschlagen. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Minderung der Ladung einer Batterie (1), insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, mindestens eine Verbrauchseinrichtung eingesetzt wird, deren jegliche Betriebsweise eine Reduzierung der Ladung der Batterie (1) bewirkt, wobei mittels einer Steuerungseinrichtung (50) bei Eingang eines Gefahrensignals die Verbrauchseinrichtung derart angesteuert wird, dass mittels der Verbrauchseinrichtung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Minderung der Ladung der Batterie (1) um mindestens 90 % realisiert wird. Außerdem wird ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Energiesystem aufweist, vorgeschlagen.

Description

Beschreibung Titel
Energiesystem für ein Fahrzeug, Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie und Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiesystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug und ein Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Es besteht ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen und mobile Elektronikgeräte.
Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen- Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode beziehungsweise Anode), die mittels einer Elektrolytkomponente Lithium- Ionen (Li+) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können.
Kommerziell etablierte Lithium-Ionen-Zellen können als Wickel oder Stapel im sogenannten Hardcase oder im sogenannten Softpack vorliegen. Als Softpacks oder Pouch-Zellen werden Zelleinheiten bezeichnet, die mit einer Aluminium-Verbundfolie verpackt sind; auch die Bezeichnung Lithium-Ionen-Polymer-Zellen wird dafür verwendet. Nominale Kapazitäten von Lithium-Ionen-Einzel-Zellen für Pkw oder Lkw liegen im Bereich von 3 Ah bis 300 Ah und typischerweise zwischen 4 Ah und 80 Ah, um die für die geforderten hohen Antriebsleistungen erforderlichen hohen elektrischen
Spannungen beziehungsweise Ströme bereitstellen zu können. Bei Verwendung derartiger Energiespeicher zum Antrieb von Fahrzeugen muss jedoch die Sicherheit der Fahrzeuginsassen sowie der Umgebung des Fahrzeuges in jeder Situation sichergestellt sein. Das heißt, dass auch im Fall einer Havarie oder eines Unfalls des Fahrzeuges beziehungsweise der Batteriezelle und/oder bei einem Isolationsfehler in einer mit der Batterie verbundenen elektrischen Leitung der Gefahr eines elektrischen Stromschlags vorgebeugt werden muss.
Das üblicherweise bei Erkennung einer Gefahrensituation eingesetzte Servicegerät, dessen Funktion zum Beispiel vom Batteriemanagementsystem übernommen werden kann, ist, je nach Ausgestaltung, hinsichtlich eines gravierenden Unfalls und/oder gravierender Isolationsfehler alleine nicht ausreichend, einen Stromschlag zu vermeiden, da ein solches Servicegerät nur dann Sicherheitsvorkehrungen treffen kann, wenn es selbst nicht durch die Havarie beeinträchtigt wurde.
Eine bekannte Methode zur Risikominimierung ist es, eine gezielte Notentladung der Batteriezellen vorzunehmen. Dadurch lassen sich insbesondere nach Erkennung bestimmter Gefahrensituationen, wie zum Beispiel nach einem Unfall, Potenzial- Unterschiede zwischen Batterie und der Umgebung gezielt und gesteuert ausgleichen und somit die Gefahr des Stromschlages beseitigen. Diesbezüglich ist aus der US 2010/0026242 A1 ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Entladung eines Energiespeichersystems bekannt, bei der im Havariefall eine Notentladung mittels eines ersten und/oder zweiten Entladungswiderstandes vorgenommen wird. Aus der US 7,592,776 B2 ist eine Energiespeichereinheit bekannt, die im Falle einer
Gefahrensituation entladen werden kann. Bei der Entladung wird die im
Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Dazu kann insbesondere eine Ladespule dienen, deren Betrieb zum Laden der Batterie eingerichtet und angeordnet ist. Zur Entladung ist somit ein gewisser
schaltungstechnischer und steuerungstechnischer Aufwand zu betreiben, um mittels der ursprünglich nicht für die Entladung vorgesehenen Spule eine Umsetzung der elektrischen Energie in Wärme zu realisieren.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Energiesystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein elektromotorisches angetriebenes Fahrzeug, zur Verfügung gestellt, wobei das Energiesystem wenigstens eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, umfasst, sowie wenigstens eine mit der Batterie elektrisch verbundene
Verbrauchseinrichtung, deren jegliche Betriebsweise eine Reduzierung der Ladung der
Batterie bewirkt. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Energiesystem eine Steuerungseinrichtung. Das Energiesystem ist derart eingerichtet, dass bei Eingang eines Gefahrensignals in der Steuerungseinrichtung mit dieser die
Verbrauchseinrichtung derart ansteuerbar ist, dass mittels der Verbrauchseinrichtung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Minderung der Ladung der Batterie um mindestens 90 % realisierbar ist. Vom Begriff der Batterie sollen im Sinne der
Erfindung auch Batteriezellen sowie Batteriezellenmodule, die mehrere Batteriezellen aufweisen, umfasst sein. Die Verbrauchseinrichtung ist somit zur Umsetzung der in der Batterie gespeicherten elektrischen Energie und/oder zur Überwachung und/oder zur Regelung der Batterie eingerichtet und angeordnet. Das heißt, dass bei Verwendung des erfindungsgemäßen Energiesystems in einem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug die
Verbrauchseinrichtung zum Antreiben des Fahrzeuges und/oder zur Realisierung zumindest eines weiteren elektrischen Vorganges im Fahrzeug unter Verbrauch der
Ladung während des elektrischen Betriebes des Fahrzeuges oder seiner elektrischen Betriebsbereitschaft eingerichtet ist. Mit dem Betrieb des Fahrzeuges ist im Sinne der Erfindung der Fahrzustand des Fahrzeuges beziehungsweise seiner Fahrbereitschaft gemeint, und nicht der Zustand des Fahrzeuges während des Aufladens der Batterie.
Die Zeitspanne, während der die genannte Ladungsminimierung realisiert werden soll, beträgt vorzugsweise maximal 60 s ab Eingang des Gefahrensignals in der
Steuerungseinrichtung. Die Zeitspanne kann in Abhängigkeit der gewünschten
Gefahreneliminierung gewählt werden. Wenn keine Gefährdung für Mensch und Tier besteht, kann diese Zeitspanne auch deutlich überschritten werden, in Abhängigkeit zulässiger Betriebsparameter und Randbedingungen wie Temperaturen in Zellen, der Verbraucher oder der Leitungen. Die Zeitspanne, innerhalb derer ein detektiertes gefährdendes Spannungspotential zu mindern ist, ist vorzugsweise maximal 30 ms, um auch im Fehlerfall einen elektrischen Schlag oder lebensgefährliche Auswirkungen eines elektrischen Schlags zu verhindern.
Die Minderung der Ladung der Batterie soll um mindestens 90 % erfolgen. Das heißt, dass bezogen auf den Ladungszustand der Batterie vor Eingang des Gefahrensignals nach der mittels der Verbrauchseinrichtung vorgenommenen Entladung maximal 10 % der Ladung vorhanden sein soll, insbesondere vorzugsweise maximal 5 % und, zur absoluten Gefahreneliminierung, insbesondere 0 % der Ladung vorhanden sein soll. Das heißt, dass vorzugsweise ein vollständiger Potenzialausgleich zwischen der Batterie und der Umgebung realisiert werden soll.
Die Verbrauchseinrichtung kann dabei eine Einrichtung sein, bei deren Betrieb elektrische Energie umsetzbar ist. Eine solche Verbrauchseinrichtung ist zum Beispiel eine Einrichtung, die im Betrieb des Kraftfahrzeuges von der Batterie gespeist wird, wie zum Beispiel eine Heizeinrichtung zur Temperierung der Fahrgastzelle oder auch der Konverter zum Betrieb des elektrischen Antriebes. Derartige umsetzende
Einrichtungen setzen die elektrische Energie in andere Energieformen wie zum
Beispiel Wärme um. Insbesondere mittels der elektrisch betriebenen Heizeinrichtung ist ein schneller Potenzialausgleich möglich.
In alternativer Ausgestaltung kann die Verbrauchseinrichtung eine Einrichtung sein, bei deren Betätigung ein Stromfluss in die Umgebung des Fahrzeuges realisierbar ist. Zum Beispiel kann zu diesem Zweck eine Einrichtung zur Verhinderung der statischen Aufladung des Fahrzeuges genutzt werden, die derart ausgestaltet sein kann, dass mit ihr auch ein zielgerichteter Potenzialausgleich realisiert werden kann. Eine solche Einrichtung zur Verhinderung der statischen Aufladung kann mit einem Öffnungs- Schalter verbunden sein, bei dessen Deaktivierung aufgrund eines Gefahrensignals zum Beispiel über eine Leiterschleife ein Potenzialausgleich zum Untergrund ermöglicht wird.
In weiterer Ausführungsalternative kann vorgesehen sein, dass die
Verbrauchseinrichtung eine Balancing-Einrichtung ist, mit welcher ein Ladungsausgleich zwischen mehreren Zellen wenigstens einer Batterie realisierbar ist. Das heißt, dass in diesem Falle die Verbrauchseinrichtung zur Überwachung und/oder Regelung der Batterie eingerichtet und angeordnet ist. Die Balancing-Einrichtung kann dabei Bestandteil des Batteriemanagementsystems sein. Im Sinne der Erfindung ist davon auszugehen, dass die Balancing-Einrichtung von der Batterie gespeist wird, sodass der Betrieb der Balancing-Einrichtung eine Reduzierung der Ladung in der Batterie zur Folge hat. Insbesondere bei Ausführung der Balancing-Einrichtung als integraler Bestandteil des Batteriemanagementsystems kann vorgesehen sein, dass auch die Steuerungseinrichtung ein Bestandteil des Batteriemanagementsystems ist.
In alternativer Ausgestaltung kann jedoch die Steuerungseinrichtung auch eine einfache mechanische Einrichtung sein, wie zum Beispiel ein Schalter, der auf extreme Beschleunigungen, wie sie bei Unfällen auftreten, reagiert.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Energiesystem derart eingerichtet, dass mit der Steuerungseinrichtung zunächst die Balacing-Einrichtung zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen mehreren Zellen ansteuerbar ist und danach eine weitere Verbrauchseinrichtung ansteuerbar ist, bei deren Betätigung elektrische Energie umsetzbar ist oder ein Stromfluss in die Umgebung des Fahrzeuges realisierbar ist. Das heißt, dass mit dem erfindungsgemäßen Energiesystem je nach Schwere einer aufgetretenen Havarie beziehungsweise eines Isolationsfehlers zunächst eine gezielte Entladung mittels des Balancings versucht werden kann, und bei Detektierung eines weiterhin bestehenden Gefahrenpotenzials die gezielte Entladung mittels einer Verbrauchseinrichtung unter Umsetzung der elektrischen Energie oder eines
Stromflusses in die Umgebung des Fahrzeuges realisiert wird.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie zur Verfügung gestellt, mittels mindestens einer Verbrauchseinrichtung, deren jegliche Betriebsweise eine
Reduzierung der Ladung bewirkt, wobei mittels einer Steuerungseinrichtung bei
Eingang eines Gefahrensignals die Verbrauchseinrichtung derart angesteuert wird, dass mittels der Verbrauchseinrichtung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Minderung der Ladung der Batterie um mindestens 90 % realisiert wird. Damit ist, wie bereits in Bezug zum erfindungsgemäßen Energiesystem beschrieben, mit geringem schaltungstechnischen und steuerungstechnischen Aufwand eine gezielte Entladung der Batterie mittels zum Betrieb des Fahrzeuges sowieso vorgesehener Komponenten möglich.
Die Zeitspanne, innerhalb derer die Minderung der Ladung der Batterie erfolgen soll, beträgt vom Eingang des Gefahrensignals an der Steuerungseinrichtung in
Abhängigkeit der gewünschten Gefahreneliminierung vorzugsweise maximal 60 s, Das erfindungsgemäße Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie kann insbesondere dadurch vorteilhaft ausgestaltet sein, dass zunächst mit einer Balancing- Einrichtung ein Ladungsausgleich zwischen mehreren Zellen durchgeführt wird und danach mittels einer weiteren Verbrauchseinrichtung elektrische Energie umgesetzt wird oder ein Stromfluss in die Umgebung der Batterie realisiert wird. Wenn das Zell- Balancing mittels eines Batteriemanagementsystems einer Fahrzeugbatterie ausgeführt wird, bedeutet dies, dass mit der Steuerungseinrichtung zunächst das Batteriemanagementsystem zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen mehreren Zellen angesteuert wird und danach eine weitere Verbrauchseinrichtung angesteuert wird, bei deren Betätigung die elektrische Energie umgesetzt wird oder ein Stromfluss zur Umgebung der Batterie beziehungsweise des Fahrzeuges realisiert wird. Unter der Umsetzung der elektrischen Energie wird dabei zum Beispiel die Umwandlung der elektrischen Energie in kinetische Energie in einem Elektromotor oder in Wärme in einer Heizung verstanden. Das heißt, dass erfindungsgemäß primär eine Entladung der Batterie bei geöffneten Schützen mittels des Balancings, gegebenenfalls gesteuert durch das Batteriemanagementsystem, durchgeführt wird, wobei die Batterie vom Hochvoltnetz des Fahrzeuges getrennt sein kann. Erst bei Erkennung einer Gefahr durch das noch weiterhin bestehende Potenzial der Batterie, welches noch nicht abgebaut werden konnte, setzt zusätzlich oder statt dessen eine Entladung der Batterie mittels der Verbrauchseinrichtung ein, bei deren Betätigung elektrische Energie umgesetzt wird oder ein Stromfluss in die Umgebung der Batterie beziehungsweise des Fahrzeuges realisiert wird. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Minimierung des Risikos für Personen oder Gegenstände in der Umgebung des Energiesystems durch die Entladung mittels der Balancing- Einrichtung, welche einen Ladungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen herstellen kann, wobei keine Ströme an die Karosserie beziehungsweise das Fahrwerk des Fahrzeuges oder in die Umgebung geleitet werden. Erst bei einer Erkennung einer Gefahr durch das noch vorhandene Potenzial soll eine schnelle Entladung durch Schließung der Schütze und ein damit einhergehender Stromfluss an die Karosserie und/oder an die Umgebung erfolgen, um innerhalb kürzester Zeit die aus der Batterie- Ladung resultierende Gefahr zu beseitigen, und demzufolge auszuschließen, dass nach der zielgerichteten Entladung die Gefahr eines Stromschlages besteht.
Das Gefahrensignal, welches die zielgerichtete Entladung auslösen kann, kann zum Beispiel bei Detektion einer Abweichung eines Ist-Parameters- von einem Soll- Parameter-Bereich einer physikalischen Größe generiert werden, wobei die
physikalische Größe die Temperatur der Batterie, die Beschleunigung der Batterie, ein geometrisches Maß der Batterie, eine elektrische Spannung am
Batteriemanagementsystem, ein Widerstand in einem Spannungsteiler oder eine vorhandene Wechselspannung sein kann. Zum Beispiel kann ein Gefahrensignal bei einer Temperatur der Batterie über 200° C, bevorzugt bereits ab einer Temperatur von
60° C generiert werden, welche bereits auf eine unzulässige Überhitzung und gegebenenfalls auf ein so genanntes thermisches Durchgehen („thermal runaway") hindeuten kann. Daneben kann das Gefahrensignal auch bei Detektion insbesondere einer negativen Beschleunigung generiert werden, welche zum Beispiel beim Aufprall eines Fahrzeuges auf ein Hindernis entsteht. Das Gefahrensignal kann allerdings auch bei Detektion einer positiven Beschleunigung beim Aufprall eines Gegenstandes, wie zum Beispiel eines anderen Fahrzeuges auf das mit dem erfindungsgemäßen
Energiesystem ausgestattete Fahrzeug generiert werden. Das heißt, dass bei
Detektion eines potenziellen Unfalls das Gefahrensignal generiert wird. Bei einem solchen Unfall ist eine Beschädigung der Batterie und/oder der Isolation der elektrischen Leitungen nicht auszuschließen, sodass demzufolge von der Gefahr eines elektrischen Stromschlages auszugehen ist. Weiterhin kann das Gefahrensignal generiert werden, wenn die Batterie unzulässig verformt wurde, sodass wenigstens ein geometrisches Maß der Batterie nicht mehr dem Sollwert-Parameter-Bereich entspricht. Eine solche Verformung kann zum Beispiel aufgrund eines erhöhten
Innendrucks und/oder aufgrund einer mechanischen äußeren Belastung erfolgen, welche beide auf Unfallsituationen hindeuten. Insbesondere bei einem Ausfall des Batteriemanagementsystems ist eine Änderung der elektrischen Spannung am
Batteriemanagementsystem zu verzeichnen, sodass anhand dieser
Spannungsänderung von der Gefahr eines Stromschlages aufgrund mangelnder Funktionalität des Batteriemanagementsystems auszugehen ist. Bei einem innerhalb des Batteriemanagementsystems angeordneten Spannungsteiler, der bevorzugt hochohmig mit den jeweiligen Kontakten der Batterie verbunden ist, ist bei einem Isolationsfehler, der einen unbeabsichtigten Stromfluss zum Beispiel zwischen der Batterie und der Karosserie und/oder zur Umgebung bewirkt, eine Änderung der
Spannungsverteilung zu verzeichnen. Durch Auswertung des jeweiligen Widerstandes ist somit ein Isolationsfehler, der zu einem gefährlichen Stromschlag führen könnte, detektierbar. In einem sogenannten Wechselstrom-Verfahren (AC-Verfahren) wird ein in den Hochvolt-Stromkreis des Fahrzeuges eingekoppeltes Wechselspannungssignal ausgewertet. Durch die Auswertung dieses Signals kann ein Isolationsfehler erkannt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass bei der zielgerichteten Entladung außerdem eine Kühlung der Batterie vorgenommen wird, da im Havariefall ein so genanntes thermisches Durchgehen der Batterie („thermal runaway") nicht auszuschließen ist, welches gegebenenfalls zu einer Beschädigung der Batterie und/oder zu einer unkontrollierten Entladung führen kann. Bei Nutzung des Konverters und/oder Elektromotors der elektrischen Antriebseinheit eines Fahrzeuges zur erfindungsgemäßen Minderung der Ladung einer Batterie kann vorgesehen sein, dass diese ebenfalls gekühlt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur zur Verhinderung von Stromschlägen in Havariesituationen genutzt werden, sondern auch zur Vorbereitung des Recyclings am Ende der Lebensdauer der Batterie, wobei eine Gefahrensituation simuliert wird oder die gezielte Herstellung einer Abweichung eines Ist-Parameters von einem Soll-
Parameter-Bereich einer genannten physikalischen Größe erzeugt wird, sodass ein entsprechendes Gefahrensignal generiert wird, welches den Potenzialausgleich auslöst.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein
elektromotorisches angetriebenes Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein erfindungsgemäßes Energiesystem umfasst. Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird anhand des in der beiliegenden Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt die einzige Figur 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Energiesystem.
Dieses Energiesystem umfasst eine Batterie 1 , die insbesondere eine Lithium-Ionen- Batterie sein kann. Steuerungstechnisch gekoppelt ist mit der Batterie 1 ein
Batteriemanagementsystem 10. Mit der Batterie 1 ist weiterhin ein Elektromotor 20 sowie eine Heizeinrichtung 30 elektrisch verbunden. Der Elektromotor 20 ist vorzugsweise zum Antrieb eines Elektrofahrzeuges, welches mit dem
erfindungsgemäßen Energiesystem ausgestattet ist, eingerichtet. Die Heizeinrichtung 30 ist vorzugsweise zur Beheizung der Fahrgastzelle des Fahrzeuges eingerichtet. Die Bestromung des Elektromotors 20 wird durch Schließung des zweiten Schalters 52 realisiert. Die Bestromung der Heizeinrichtung 30 wird durch Schließung des ersten Schalters 51 realisiert. Die beiden Schalter 51 und 52 sind jeweils mit einer
Steuerungseinrichtung 50 verbunden. Diese Steuerungseinrichtung 50 ist wiederum steuerungstechnisch mit einer Detektionseinrichtung 40 verbunden. Die
Detektionseinrichtung 40 kann zur Detektion einer Abweichung eines Ist-Parameters von einem Soll-Parameter-Bereich einer physikalischen Größe eingerichtet sein, wobei die physikalische Größe zum Beispiel die Temperatur der Batterie, die Beschleunigung der Batterie, ein geometrisches Maß der Batterie, die elektrische Spannung am
Batteriemanagementsystem 10, der Widerstand in einem nicht dargestellten
Spannungsteiler oder auch eine Wechselspannung in einem Hochvolt-Stromkreis des
Fahrzeuges sein kann. Bei Abweichung des Ist-Parameters vom Soll-Parameter- Bereich generiert die Detektionseinrichtung 40 ein Gefahrensignal, welches der Steuerungseinrichtung 50 eingegeben wird. Die Steuerungseinrichtung kann, gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Art des detektierten Gefahrensignals, den ersten Schalter 51 zur Betätigung der Heizeinrichtung 30 und/oder den zweiten
Schalter 52 zur Betätigung des Elektromotors 20 schließen, sodass elektrische
Energie, die in der Batterie 1 gespeichert ist, durch die Heizeinrichtung 30 in Wärme umgesetzt wird und/oder durch den Elektromotor 20 in kinetische Energie umgesetzt wird. Dadurch wird die Ladung in der Batterie 1 gemindert. Alternativ oder
hinzukommend kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung 50 das Batteriemanagementsystem 10 ansteuert, deren integraler Bestandteil eine Balancing- Einrichtung sein kann. Bei Eingang eines Gefahrensignals an der
Steuerungseinrichtung 50 kann diese das Batteriemanagementsystem zur
Durchführung eines Ladungsausgleichs (balancing) zwischen einzelnen Zellen der Batterie 1 veranlassen, wobei ebenfalls die Ladung der Batterie 1 vermindert wird.
Je nach Abhängigkeit von der Art des detektierten Gefahrensignals kann zwecks Ladungsminderung in der Batterie zuerst das Balancing durchgeführt werden und je nach Schwere der detektierten Havarie beziehungsweise des Isolationsfehlers gleichzeitig oder anschließend eine Entladung der Batterie 1 durch Betätigung der
Heizeinrichtung 30 und/oder des Elektromotors 20 erfolgen.

Claims

Ansprüche
1 . Energiesystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein elektromotorisch
angetriebenes Fahrzeug, umfassend wenigstens eine Batterie (1 ), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, sowie wenigstens eine mit der Batterie (1 ) elektrisch verbundene Verbrauchseinrichtung, deren jegliche Betriebsweise eine
Reduzierung der Ladung der Batterie (1 ) bewirkt, sowie weiterhin umfassend eine Steuerungseinrichtung (50), dadurch gekennzeichnet, dass
das Energiesystem derart eingerichtet ist, dass bei Eingang eines Gefahrensignals in der Steuerungseinrichtung (50) mit dieser die Verbrauchseinrichtung derart ansteuerbar ist, dass mittels der Verbrauchseinrichtung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Minderung der Ladung der Batterie (1 ) um
mindestens 90 % realisierbar ist.
2. Energiesystem nach Anspruch 1 , wobei die Verbrauchseinrichtung eine
Einrichtung ist, bei deren Betrieb elektrische Energie umsetzbar ist.
3. Energiesystem nach Anspruch 1 , wobei die Verbrauchseinrichtung eine
Einrichtung ist, bei deren Betätigung ein Stromfluss in die Umgebung des
Fahrzeuges realisierbar ist.
4. Energiesystem nach Anspruch 1 , wobei die Verbrauchseinrichtung eine
Balancing-Einrichtung ist, mit welcher ein Ladungsausgleich zwischen
mehreren Zellen wenigstens einer Batterie (1 ) realisierbar ist.
5. Energiesystem nach Anspruch 4, wobei das Energiesystem derart
eingerichtet ist, dass mit der Steuerungseinrichtung (50) zunächst die
Balancing-Einrichtung zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen mehreren Zellen ansteuerbar ist und danach eine weitere
Verbrauchseinrichtung ansteuerbar ist, bei deren Betätigung elektrische Energie umsetzbar ist oder ein Stromfluss in die Umgebung des Fahrzeuges realisierbar ist.
6. Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie (1 ), insbesondere einer
Lithium-Ionen-Batterie, mittels mindestens einer Verbrauchseinrichtung, deren jegliche Betriebsweise eine Reduzierung der Ladung der Batterie (1 ) bewirkt, wobei mittels einer Steuerungseinrichtung (50) bei Eingang eines Gefahrensignals die Verbrauchseinrichtung derart angesteuert wird, dass mittels der
Verbrauchseinrichtung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Minderung der Ladung der Batterie (1 ) um mindestens 90 % realisiert wird.
7. Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie (1 ) nach Anspruch 6, bei dem die Zeitspanne vom Eingang des Gefahrensignals an der
Steuerungseinrichtung (50) maximal 60 Sekunden beträgt.
8. Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie (1 ) nach einem der
Ansprüche 6 und 7, bei dem zunächst mit einer Balancing-Einrichtung ein
Ladungsausgleich zwischen mehreren Zellen durchgeführt wird und danach mittels einer weiteren Verbrauchseinrichtung elektrische Energie umgesetzt wird oder ein Stromfluss in die Umgebung der Batterie realisiert wird.
9. Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Gefahrensignal bei Detektion einer Abweichung eines Ist- Parameters von einem Soll-Parameter-Bereich einer physikalischen Größe generiert wird, wobei die physikalische Größe sein kann:
a) die Temperatur der Batterie (1 );
b) die Beschleunigung der Batterie (1 );
c) ein geometrisches Maß der Batterie (1 );
d) elektrische Spannung am Batteriemanagementsystem (10);
e) Widerstand in einem Spannungsteiler;
f) Wechselspannung.
10. Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug,
umfassend wenigstens ein Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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