WO2013092017A1 - Trenneinheit zum trennen einer batterie von einem netz sowie ein kraftfahrzeug mit einer lithium-ionen-batterie - Google Patents

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separation unit
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Stefan Soboll
Lars HUEBNER
Johannes Helmich
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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Definitions

  • Separating unit for disconnecting a battery from a network and a motor vehicle with a lithium-ion battery
  • the present invention relates to a disconnecting unit for disconnecting a battery from a network. Furthermore, the invention relates to a battery and a
  • the background to this requirement is the safety shutdown of the battery in hybrid and electric vehicles.
  • An emergency shutdown may be necessary, for example, in case of system-related errors (short circuit) or accidents.
  • the battery By separating the battery from the network to prevent vehicle fires that are caused by an accident or short circuit. There are different ways to disconnect the battery if necessary. On the one hand, the battery can be disconnected by means of a battery switch. This method is not so high on the circuit overhead, but monitoring the
  • the battery disconnecting unit which interrupts the current flow of the battery in the event of an accident or short circuit to the electric motor immediately.
  • the battery disconnecting unit is for disconnecting the circuit of the battery.
  • There are several battery disconnect unit classes which include, for example, a
  • the battery disconnect unit returns to its default setting, that is, the
  • the method includes detecting high voltage noise such as welded contactors or
  • High voltage bus and a mass or a chassis comparing the impedance before and after opening the contactors and performing a maintenance response.
  • a disconnecting unit for disconnecting a battery from a network, often also referred to as a vehicle electrical system, wherein a fuse is furthermore provided, which serves to interrupt a circuit between the battery and the grid. It is characteristic that the fuse in the
  • the Separation unit is integrated.
  • the battery is disconnected from a network, the network representing the entirety of all electrical components in a motor vehicle.
  • the fuse is an integral part of the separation unit.
  • the fuse need not be connected as a separate element to the separation unit in addition.
  • the invention is based on the finding that the safety components are accommodated in one unit, whereby the maintenance effort can be reduced. By accommodating all individual components in a common housing, the packaging effort in the design can also be significantly reduced.
  • the manufacturing process of the separation unit is considerably simplified if the fuse is integrated into the separation unit and does not first have to be connected separately to the separation unit. In addition, it is advantageous that all critical components can be easily replaced, since the failure of the fuse is caused by the malfunction of the contactors.
  • the two connection points for the backup are no longer needed because they are integrated into the separation unit.
  • the separation unit can advantageously be produced in higher numbers, since it represents a standardized component. Furthermore, the stress-free replacement of the safety components by the exchange of the separation unit can be simplified or ensured.
  • the fuse of the separation unit realizes the electrical contacting by means of a form and / or material connection.
  • Connection is preferably realized with screws and the material connection preferably corresponds to the soldering. With both forms of connection is advantageously permanently achieved a secure connection.
  • the separation unit comprises at least one contactor, which with the
  • the contactor is connected in series with the fuse.
  • the separation unit has a current path with sensors.
  • the sensors are current, temperature, voltage and / or isolation sensors.
  • the advantage of a sensor is that a measurement can be made thereby, for example, the voltage is measured with the current sensor and the insulation with the insulation sensor.
  • the fuse is preferably a high-voltage fuse. This special high-voltage fuse makes it possible to safely separate the battery from the mains.
  • the separation unit a plurality of
  • Connection points power relay can be integrated. This is advantageous that the respective current path can be selectively interrupted.
  • the battery is a lithium-ion battery.
  • Lithium-ion technology enables particularly high energy storage densities to be achieved, which leads to further advantages, especially in the field of electromobility.
  • a motor vehicle is also provided with a battery, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle.
  • Figure 1 is a schematic representation of a separation unit according to the invention with integrated fuse
  • Figure 2 is a schematic representation of a separation unit according to the invention. Embodiments of the invention
  • FIG. 1 shows an embodiment of a separation unit 10 according to the invention.
  • the separation unit 10 includes at least four connection points 16 for different vehicle connections, such as a connection for
  • FIG. 1 has at least two contactors 14 in order to switch the current.
  • 16 current relays are integrated in the respective connection points in order to be able to interrupt the respective current path in a targeted manner.
  • Temperature sensors used, with the current sensor, the voltage and with the insulation sensor, the insulation is measured.
  • the current sensor the voltage and with the insulation sensor, the insulation is measured.
  • Fuse 12 a high-voltage fuse and suitable to be connected in series with the shooters 14.
  • the contactor 14 is designed with the fuse 12 for each current path. This creates an overlapping working area between the fuse 12 and the contactors 14, that is, to a certain extent, only the contactors 14 disconnect the power between the battery and the mains. In just this stream and above can next to the contactor 14 also trigger the fuse 12. At a current greater than the maximum separation current of the contactors 14 then disconnects the fuse 12, the battery from the mains. This enables a safe disconnection of the circuits despite failure of the relay. It can be seen that the fuse 12 is integrated into the separation unit 10 and connected to the two contactors 14. Furthermore, the fuse 12 is preferably connected to screws 18.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the separation unit 10.
  • the separation unit 10 has here a housing cover 20 and a cover 22 for the connection points 16.
  • the components are like contactor 14,
  • Fuse 12 housed under the housing cover 20 and the connection points 16 under the lid 22 and therefore not visible in the figure 2.

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Abstract

Es wird eine Trenneinheit (10) zum Trennen einer Batterie von einem Netz beschrieben, wobei weiter eine Sicherung (12) vorgesehen ist, die zum Unterbrechen eines Stromkreises zwischen der Batterie und dem Netz dient. Die Sicherung (12) ist dabei in die Trenneinheit (10) integriert.

Description

Beschreibung
Titel
Trenneinheit zum Trennen einer Batterie von einem Netz sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trenneinheit zum Trennen einer Batterie von einem Netz. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterie sowie ein
Kraftfahrzeug mit der Batterie.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (zum Beispiel bei Windkraftanlagen), in Kraftfahrzeugen (zum Beispiel in Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen) als auch im Bereich der Konsumgüter (zum Beispiel Laptops oder Mobiltelefone) vermehrt wiederaufladbare Batterien zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Hintergrund für diese Anforderung ist die Sicherheitsabschaltung der Batterie bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Eine Notabschaltung kann beispielsweise bei systembedingten Fehlern (Kurzschluss) oder bei Unfällen erforderlich werden.
Durch die Trennung der Batterie vom Netz sollen Fahrzeugbrände verhindert werden, die durch einen Unfall oder Kurzschluss herbeigeführt werden. Es gibt unterschiedliche Methoden, die Batterie im Bedarfsfall zu trennen. Zum einen kann die Batterie mittels eines Batterieschalters getrennt werden. Diese Methode ist vom Schaltungsaufwand nicht so hoch, wobei aber das Überwachen der
Betriebszustände und das damit verbundene Ein- und Ausschalten des Schalters für den Fahrer eine erhebliche Mehrbelastung bedeutet. Zum anderen gibt es die Batterietrenneinheit, die den Stromfluss der Batterie im Falle eines Unfalls oder Kurzschlusses umgehend zum Elektromotor unterbricht. Die Batterietrenneinheit dient zum Trennen des Schaltkreises der Batterie. Es gibt verschiedene Batterietrenneinheit-Klassen, welche beispielsweise einen
Anschluss für den Inverter oder für verschiedene Ladestecker ermöglichen. Des Weiteren existiert standardmäßig ein Service-Trenner. Dieser Service-Trenner stellt eine Steckbrücke dar, welche gezogen werden muss, damit an
Hochvolt-Komponenten gearbeitet werden kann. Dieser Service-Trenner ist ebenfalls mit integrierter Hochvolt-Sicherung verfügbar. Zusätzlich gibt es die
Alternative, über einen Lowvolt-Service-Trenner die Stromversorgung der
Batterie und somit auch die Batterietrenneinheit zu unterbrechen. Dadurch geht die Batterietrenneinheit auf ihre Default-Einstellung zurück, das heißt, die
Batterie ist vom Fahrzeug getrennt. Die Anforderungen an eine sichere
Fahrzeugbatterie nur mit dem Lowvolt-Service-Trenner zu erfüllen, würde auf der einen Seite die Hochvolt-Sicherung im Batteriekabelbaum überflüssig machen, auf der anderen Seite würde aber ein zusätzlicher Konstruktionsaufwand
entstehen und somit auch höhere Kosten.
Aus der DE 10 2009 01 1 261 sind ein
Hochspannungsfahrzeug-Störungsdetektierungsverfahren und eine
diesbezügliche Vorrichtung bekannt. Das Verfahren enthält das Detektieren von Hochspannungsstörungen wie etwa verschweißten Schaltschützen oder
getrennten Komponenten in einem Fahrzeug durch Messen der elektrischen
Gesamtimpedanz zwischen der positiven und der negativen Schiene eines
Hochspannungsbusses und einer Masse oder einem Fahrwerk, das Vergleichen der Impedanz vor und nach dem Öffnen der Schaltschütze und das Ausführen einer Wartungsantwort.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Trenneinheit zum Trennen einer Batterie von einem Netz, oftmals auch Fahrzeug-Bordnetz bezeichnet, zur Verfügung gestellt, wobei weiter eine Sicherung vorgesehen ist, die zum Unterbrechen eines Stromkreises zwischen der Batterie und dem Netz dient. Kennzeichnend ist, dass die Sicherung in die
Trenneinheit integriert ist. Die Batterie wird von einem Netz getrennt, wobei das Netz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug darstellt. Gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist die Sicherung integraler Bestandteil der Trenneinheit. Mit anderen Worten, die Sicherung muss also nicht als separates Element an die Trenneinheit zusätzlich angeschlossen werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Sicherheitskomponenten in einer Einheit untergebracht werden, wodurch der Wartungsaufwand verringert werden kann. Durch die Unterbringung aller Einzelkomponenten in einem gemeinsamen Gehäuse kann zudem der Packaging-Aufwand in der Konstruktion deutlich verringert werden. Der Herstellungsprozess der Trenneinheit wird wesentlich vereinfacht, wenn die Sicherung in die Trenneinheit integriert wird und nicht erst separat an die Trenneinheit angeschlossen werden muss. Zudem ist vorteilhaft, dass alle kritischen Bauteile problemlos ausgetauscht werden können, da der Ausfall der Sicherung durch die Fehlfunktion der Schütze verursacht wird. Weiterhin werden im Kabelstrang die zwei Anschlusspunkte für die Sicherung nicht mehr benötigt, da sie in die Trenneinheit integriert werden. Die Trenneinheit kann vorteilhaft in höheren Stückzahlen hergestellt werden, da sie eine standardisierte Komponente darstellt. Weiterhin kann das spannungsfreie Austauschen der Sicherheitskomponenten durch das Tauschen der Trenneinheit vereinfacht beziehungsweise sichergestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherung der Trenneinheit mittels eines Form- und/oder Stoffschlusses die elektrische Kontaktierung realisiert. In einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die formschlüssige
Verbindung vorzugsweise mit Schrauben realisiert wird und der Stoffschluss vorzugsweise dem Löten entspricht. Mit beiden Verbindungsformen wird vorteilhaft dauerhaft eine sichere Verbindung erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trenneinheit mindestens ein Schütz umfasst, das mit der
Sicherung verbunden ist. Dadurch wird vorteilhaft sichergestellt, dass die Batterie vom Netz getrennt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schütz mit der Sicherung in Reihe geschaltet ist. Vorteilhaft dabei ist, dass bis zu einem gewissen Strom das Schütz oder die Sicherung die Batterie vom Netz trennen kann und bei einem Strom größer dem maximalen Trennstrom des Schützes trennt die Sicherung die Batterie vom Netz, wodurch eine sehr sichere Trennung trotz Versagen der Relais ermöglicht wird.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Trenneinheit einen Strompfad mit Sensoren aufweist. Vorzugsweise sind die Sensoren Strom-, Temperatur-, Spannungs- und/oder Isolationssensoren. Der Vorteil eines Sensors ist, dass dadurch eine Messung vorgenommen werden kann, beispielsweise wird mit dem Stromsensor die Spannung und mit dem Isolationssensor die Isolation gemessen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherung vorzugsweise eine Hochvoltsicherung ist. Durch diese spezielle Hochvoltsicherung ist es vorteilhaft möglich, die Batterie vom Netz sicher zu trennen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Trenneinheit eine Vielzahl von
Anschlusspunkten aufweist, wobei in die Verbindung der jeweiligen
Anschlusspunkte Stromrelais eingebunden werden. Dadurch ist vorteilhaft, dass der jeweilige Strompfad gezielt unterbrochen werden kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen Batterie. Durch die Verwendung der
Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Trenneinheit als Bauteil kommen so auch dem Kraftfahrzeug als Baugruppe zugute.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Trenneinheit mit integrierter Sicherung, und
Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Trenneinheit. Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Trenneinheit 10 gezeigt. Die Trenneinheit 10 umfasst mindestens vier Anschlusspunkte 16 für verschiedene Fahrzeuganschlüsse, wie beispielsweise einen Anschluss für
Batterie laden, Anschlüsse für den Fahrzeugantrieb oder Anschlüsse zur Verbindung mit den Batteriezellen. Hierbei werden zwischen den positiven und negativen Anschlüssen der Batteriezellen und anderen Hochvolt-Komponenten, beispielsweise Ladestecker und Inverter, unterschieden. Weiterhin weist die Figur 1 mindestens zwei Schütze 14 auf, um den Strom zu schalten.
Es werden in die jeweiligen Anschlusspunkte 16 Stromrelais eingebunden, um den jeweiligen Strompfad gezielt unterbrechen zu können. Dabei erfolgt die Einbindung des Stromrelais von einer positiven Batteriezelle zu einer positiven Hochvolt-Komponente oder von einer negativen Batteriezelle zu einer negativen
Hochvolt-Komponente. Zusätzlich werden in den Strompfad verschiedene Sensoren und eine Sicherung 12 integriert. Vorzugsweise werden
Stromsensoren, Spannungssensoren, Isolationssensoren und
Temperatursensoren verwendet, wobei mit dem Stromsensor die Spannung und mit dem Isolationssensor die Isolation gemessen wird. Vorzugsweise ist die
Sicherung 12 eine Hochvoltsicherung und dafür geeignet, mit den Schützen 14 in Reihe geschaltet zu werden. Dabei wird das Schütz 14 mit der Sicherung 12 für jeden Strompfad ausgelegt. Dadurch entsteht ein überlappender Arbeitsbereich zwischen der Sicherung 12 und den Schützen 14, das heißt, bis zu einem gewissen Strom trennen nur die Schütze 14 den Strom zwischen der Batterie und dem Netz. Bei genau diesem Strom und darüber kann neben dem Schütz 14 auch die Sicherung 12 auslösen. Bei einem Strom größer dem maximalen Trennstrom der Schütze 14 trennt dann die Sicherung 12 die Batterie vom Netz. Dadurch wird ein sicheres Auftrennen der Stromkreise trotz Versagen des Relais möglich. Es ist ersichtlich, dass die Sicherung 12 in die Trenneinheit 10 integriert und mit den beiden Schützen 14 verbunden ist. Weiterhin ist die Sicherung 12 vorzugsweise mit Schrauben 18 verbunden.
Der Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform der Trenneinheit 10 zu entnehmen. Die Trenneinheit 10 weist hier einen Gehäusedeckel 20 und einen Deckel 22 für die Anschlusspunkte 16 auf. Dabei sind die Komponenten wie Schütz 14,
Sicherung 12 unter dem Gehäusedeckel 20 und die Anschlusspunkte 16 unter dem Deckel 22 untergebracht und daher in der Figur 2 nicht sichtbar.

Claims

Ansprüche
Trenneinheit (10) zum Trennen einer Batterie von einem Netz, wobei weiter eine Sicherung (12) vorgesehen ist, die zum Unterbrechen eines Stromkreises zwischen der Batterie und dem Netz dient,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sicherung (12) in die Trenneinheit (10) integriert ist.
Trenneinheit (10) nach Anspruch 1 , wobei die Sicherung (12) eine feste mechanische Verbindung mittels eines Form- und/oder Stoffschlusses aufweist, die die elektrische Kontaktierung realisiert.
Trenneinheit (10) nach Anspruch 2, wobei der Formschluss einer Schraube (18) und der Stoffschluss dem Löten entspricht.
Trenneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Trenneinheit (10) mindestens ein Schütz (14) umfasst, das mit der Sicherung (12) verbunden ist.
Trenneinheit (10) nach Anspruch 4, wobei das Schütz (14) mit der Sicherung (12) in Reihe geschaltet ist.
Trenneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein
Strompfad Strom-, Temperatur-, Spannungs- und/oder Isolationssensoren aufweist.
Trenneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Sicherung (12) eine Hochvoltsicherung ist. 8. Trenneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Trenneinheit (10) eine Vielzahl von Anschlusspunkten (16) aufweist, und wobei in die Verbindung der jeweiligen Anschlusspunkte (16) Stromrelais eingebunden werden.
9. Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Trenneinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 9, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
PCT/EP2012/072661 2011-12-23 2012-11-15 Trenneinheit zum trennen einer batterie von einem netz sowie ein kraftfahrzeug mit einer lithium-ionen-batterie WO2013092017A1 (de)

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