DE102010037176B4

DE102010037176B4 - Elektrischer Energiespeicher mit Sicherheitsfunktion und Verfahren zum Herabsetzen von elektrischen Ausgangsspannungswerten eines elektrischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102010037176B4
Application number: DE102010037176.9A
Authority: DE
Inventors: Juergen Hofmann
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: DE102010037176A1

Abstract

Elektrischer Energiespeicher (10) mit einer Sicherheitsfunktion zum Herabsetzen von elektrischen Ausgangsspannungswerten, welche oberhalb einer für ein Berühren aktiver Teile zulässigen Berührungsspannung sind, wobei der elektrische Energiespeicher (10) in Serie geschaltete spannungsliefernde Module (130, 131, 132) und elektrische Verbindungen (140, 141, 142) aufweist, durch welche die spannungsliefernde Module verbunden sind, mit
einer mechanischen Trenneinrichtung (150, 151, 152), welche von einer Ruheposition in eine Wirkposition verfahrbar ist,
wobei die spannungsliefernden Module (130, 131, 132) elektrische Spannungswerte aufweisen, welche unterhalb der Berührungsspannung sind, und die elektrischen Verbindungen (140, 141, 142) der spannungsliefernden Module (130, 131, 132) des elektrischen Energiespeichers (10) von der mechanischen Trenneinrichtung (150, 151, 152) durch eine Verfahrung in die Wirkposition durchtrennbar sind,
gekennzeichnet durch
einen Deformationsbereich, in welchem die mechanische Trenneinrichtung (150, 151, 152) in die Wirkposition verfahrbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit Sicherheitsfunktion und ein Verfahren zum Herabsetzen von elektrischen Ausgangsspannungswerten eines elektrischen Energiespeichers.
Elektrische Energiespeicher in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen stellen elektrische Energie zum Betrieb von Elektromotoren bereit und weisen eine Spannung von bis zu mehreren 100 V auf, da sie eine Vielzahl von Modulen mit einzelnen Batteriezellen aufweisen, welche in Serie geschaltet werden. Dabei weisen die einzelnen Module jeweils nur eine relativ niedrige Spannung auf. Erst durch eine elektrische Verschaltung der Module, wobei die Module elektrisch in einer Reihenschaltung miteinander gekoppelt werden, ergeben sich die hohen Spannungen der elektrischen Energiespeicher von bis zu mehreren 100 V.
WO 2008 / 076 040A1 , DE 42 34 551 C1 und DE 41 39 469 A1 offenbaren jeweils den Gegenstand des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Die US 2009/0159311 A1 beschreibt ein Fahrzeugbatterie-System, welches mehrere Fahrzeugbatteriezellen aufweist. Die einzelnen Fahrzeugbatteriezellen sind über elektrische Leiter miteinander gekoppelt, wobei die elektrischen Leiter trennbar ausgeführt sind, um im Falle eines Unfalls für eine Unterbrechung zu sorgen.
Die US 2009/0139781 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einer Batterie, um eine Versorgung mit elektrischer Energie zu gewährleisten, mit einem Elektromotor, um das Fahrzeug anzutreiben, und mit einem ersten Regelkreis, der zwischen der Batterie und dem Motor geschaltet ist, um den Fluss an elektrischer Energie zu steuern. Die Batterie ist in einer Batterieeinbaueinrichtung eingebettet, wobei mehrere Batteriezellen der Batterie mit der Batterieeinbaueinrichtung über fragile Anschlussdrähte verbunden sind, so dass bei auftretenden und auf die Batterieeinbaueinrichtung und die Batteriezellen wirkenden Beschleunigungskräften die fragile Anschlussdrähte, welche aus einem dünnen Draht ausgebildet sind, unterbrochen werden. Bei der beschriebenen Batterieeinbaueinrichtung gibt es eine kostspielige Fertigung und eine aufwendige Montage der fragilen Anschlussdrähte.
Die JP 09274906 A offenbart die Verwendung von Federelementen zum Auswurf einzelner Zellen eines elektrischen Energiespeichers im Crashfall.
Die JP 09284901 A beschreibt eine Vielzahl von in Reihe angeordneten Batterien, wobei die Batterien in der Anordnung in eine Richtung bewegt werden können. Zwischen je zwei Batterien ist eine Feder gespannt. Wenn eine Kollision von einer Sicherheitsvorrichtung erkannt wird, löst sich automatisch die Feder und die zwei der Feder zugeordneten Batterien werden in die vorgesehene Richtung bewegt und von der Anordnung getrennt.
Sicherheitsvorrichtungen, welche im Falle eines Unfalls eines Hybridfahrzeuges automatisch für eine elektrische Kontaktunterbrechung der Serienschaltung von Batterieeinzelzellen sorgen, sind aus der DE 42 34 551 C1 bekannt.
Nachteilig an den beschriebenen Sicherheitsvorrichtungen ist, dass sie bei unfallbedingten inneren Kurzschlüssen einer aus mehreren Zellen aufgebauten Batterie nicht verhindern können, dass für den Fahrer gefährliche elektrische Spannungen an stromführenden Metallteilen der Karosserie anliegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Energiespeicher und ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, welches elektrische Spannungswerte im Crashfall automatisch herabsetzt.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher mit einer Sicherheitsfunktion mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7 zum Herabsetzen von elektrischen Ausgangsspannungswerten eines elektrischen Energiespeichers gelöst.
Demgemäß wird erfindungsgemäß ein elektrischer Energiespeicher mit einer Sicherheitsfunktion zum Herabsetzen von elektrischen Ausgangsspannungswerten bereitgestellt, welche oberhalb einer für ein Berühren aktiver Teile zulässigen Berührungsspannung sind, wobei der elektrische Energiespeicher in Serie geschaltete spannungsliefernde Module und elektrische Verbindungen aufweist, durch welche die Module verbunden sind, mit einer mechanischen Trenneinrichtung, welche von einer Ruheposition in eine Wirkposition verfahrbar ist, wobei die spannungsliefernden Module (130, 131, 132) elektrische Spannungswerte aufweisen, welche unterhalb der Berührungsspannung sind, und die elektrischen Verbindungen der spannungsliefernden Module des elektrischen Energiespeichers von der mechanischen Trenneinrichtung durch eine Verfahrung in die Wirkposition durchtrennbar sind.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herabsetzen von elektrischen Ausgangsspannungswerten eines solchen elektrischen Energiespeichers mit einer Sicherheitsfunktion, wobei bei dem Verfahren die mechanische Trenneinrichtung von der Ruheposition in die Wirkposition verschoben wird, wobei durch das Verschieben der mechanischen Trenneinrichtung die elektrischen Verbindungen der in Serie geschalteten Module des elektrischen Energiespeichers durchtrennt werden.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee liegt darin, dass im Falle eines Unfalls des Hybrid- bzw. Elektrofahrzeuges die mechanische Trenneinrichtung aus ihrer Ruheposition in einem Deformationsbereich in die Wirkposition verfahren wird. Durch diese Verfahrbewegung der Trenneinrichtung wird die elektrische Verbindung zwischen einzelnen Modulen des elektrischen Energiespeichers aufgetrennt. Die mechanische Trenneinrichtung löst die Reihenschaltung der einzelnen Module auf. Durch diese Auftrennung addiert sich die niedrige Spannung der einzelnen Module nicht mehr zu einer hohen Ausgangsspannung.
Der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher weist gegenüber bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass nach einem Crash des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs am elektrischen Energiespeicher keine potentiell gefährliche Hochvoltspannung mehr anliegt.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der elektrische Energiespeicher Aktoren auf, durch welche die mechanische Trenneinrichtung verfahrbar ist.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung sind die Aktoren zur Bewegungserzeugung auf mechanische, pneumatische, hydraulische, oder elektromechanische Weise ausgelegt.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung ist die mechanische Trenneinrichtung aufgrund von Daten eines Beschleunigungssensors in die Wirkposition verfahrbar.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung ist die mechanische Trenneinrichtung aufgrund einer Auswertung von Daten eines Deformationssensors von der Ruheposition in die Wirkposition verfahrbar.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung weisen die Module in Serie geschaltete Batteriezellen auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Verschieben der mechanischen Trenneinrichtung in die Wirkposition aufgrund einer Auswertung von Daten eines Beschleunigungssensors.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung wird die mechanische Trenneinrichtung durch Aktoren auf mechanische, pneumatische, hydraulische, oder elektromechanische Weise verschoben.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung wird die mechanische Trenneinrichtung nur in einem Deformationsbereich des elektrischen Energiespeichers in die Wirkposition verschoben.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Verschieben der mechanischen Trenneinrichtung in die Wirkposition aufgrund einer Auswertung von Daten eines Deformationssensors des elektrischen Energiespeichers.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des elektrischen Energiespeichers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung des elektrischen Energiespeichers mit durchtrennten elektrischen Verbindungselementen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung des elektrischen Energiespeichers 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der elektrische Energiespeicher 10 weist beispielsweise einen ersten Pol 11 und einen zweiten Pol 12 des elektrischen Energiespeichers 10 auf. Ferner umfasst der elektrische Energiespeicher 10 vorzugsweise mehrere Batteriezellen 101-109, welche in Serie geschaltet sind und in Gruppen zu einer Vielzahl von Modulen 130-132 zusammengefasst sind. Die Module 130-132 sind über elektrische Verbindungen 140-142 ebenfalls in Serie geschaltet. Der elektrische Energiespeicher 10 weist mechanische Trenneinrichtungen 150-152 auf, welche durch Aktoren 160-162 verfahrbar sind. Die Aktoren erlauben beispielsweise eine Bewegungserzeugung für die mechanischen Trenneinrichtungen 150-152 durch mechanische, pneumatische, hydraulische, oder elektromechanische Weise. Beispielsweise werden induktiv arbeitende Elektromotoren, elektromotorische pneumatische, hydraulische oder mechanische Stellantriebe oder Stellungsregler verwendet, um die mechanischen Trenneinrichtungen 150-152 von den Ruhepositionen in die Wirkpositionen zu verfahren. Des Weiteren verfügt der elektrische Energiespeicher mit Sicherheitsfunktion über Sensoren wie beispielsweise Deformations- oder Beschleunigungssensoren zur Erfassung von Daten. Mithilfe einer Auswertung der Daten wird beispielsweise im Falle eines registrierten Unfalles des Hybrid- oder Elektrofahrzeuges oder einer detektierten Deformation des elektrischen Energiespeichers ein Verfahren der Stellantriebe oder Stellungsregler zur Positionierung der mechanischen Trenneinrichtungen in die Wirkpositionen erwirkt.
Beispielsweise wird ein Stellantrieb oder Stellungsregler als ein Linearantrieb oder Linearantriebssystem ausgeführt, die ausgelegt sind eine translatorischen Bewegung der mechanischen Trenneinrichtungen 150-152 in gerader Linie oder einem anderen vorgegebenen Verlauf auszuführen.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung des elektrischen Energiespeichers 10 mit durchtrennten elektrischen Verbindungselementen 140A, 141A, 142A gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der elektrische Energiespeicher 10 umfasst den ersten Pol 11 und den zweiten Pol 12 des elektrischen Energiespeichers 10. Ferner umfasst der elektrische Energiespeicher 10 die Batteriezellen 101-109, welche in Gruppen zu den Modulen 130-132 zusammengefasst sind. Die durchtrennten elektrischen Verbindungen 140A, 141A, 142A trennen eine beispielsweise in Serie erfolgte elektrische Verschaltung der Module 130-132, da die mechanischen Trenneinrichtungen 150-152 durch die Aktoren 160-162 verfahren worden sind und dabei die elektrischen Verbindungen 140-142 durchtrennt haben.
Die Module 130-132 weisen einzeln jeweils nur Ausgangsspannungen auf, die unter einer Berührschutzspannung liegen, welche kein Gefahrenpotential für den Fahrer darstellen. Insbesondere im Falle eines ungewollten Anliegens von Ausgangspannungen der Module 130-132 an einem elektrisch leitenden Teil des Hybrid- oder Elektrofahrzeuges.

Claims

Elektrischer Energiespeicher (10) mit einer Sicherheitsfunktion zum Herabsetzen von elektrischen Ausgangsspannungswerten, welche oberhalb einer für ein Berühren aktiver Teile zulässigen Berührungsspannung sind, wobei der elektrische Energiespeicher (10) in Serie geschaltete spannungsliefernde Module (130, 131, 132) und elektrische Verbindungen (140, 141, 142) aufweist, durch welche die spannungsliefernde Module verbunden sind, mit einer mechanischen Trenneinrichtung (150, 151, 152), welche von einer Ruheposition in eine Wirkposition verfahrbar ist, wobei die spannungsliefernden Module (130, 131, 132) elektrische Spannungswerte aufweisen, welche unterhalb der Berührungsspannung sind, und die elektrischen Verbindungen (140, 141, 142) der spannungsliefernden Module (130, 131, 132) des elektrischen Energiespeichers (10) von der mechanischen Trenneinrichtung (150, 151, 152) durch eine Verfahrung in die Wirkposition durchtrennbar sind, gekennzeichnet durch einen Deformationsbereich, in welchem die mechanische Trenneinrichtung (150, 151, 152) in die Wirkposition verfahrbar ist.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1, wobei die mechanische Trenneinrichtung (150, 151, 152) durch Aktoren (160, 161, 162) verfahrbar ist.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 2, wobei die Aktoren (160, 161, 162) zur Bewegungserzeugung auf mechanische, pneumatische, hydraulische, oder elektromechanische Weise ausgelegt sind.
Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Trenneinrichtung (150, 151, 152) aufgrund von Daten eines Beschleunigungssensors in die Wirkposition verfahrbar ist.
Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Trenneinrichtung (150, 151, 152) aufgrund einer Auswertung von Daten eines Deformationssensors von der Ruheposition in die Wirkposition verfahrbar ist.
Elektrischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Module (130, 131, 132) in Serie geschaltete Batteriezellen (101-109) aufweisen.
Verfahren zum Herabsetzen von elektrischen Ausgangsspannungswerten eines elektrischen Energiespeichers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Verfahren die mechanische Trenneinrichtung (150, 151, 152) von der Ruheposition in die Wirkposition verschoben wird, wobei durch das Verschieben der mechanischen Trenneinrichtung (150, 151, 152) die elektrischen Verbindungen (140, 141, 142) der in Serie geschalteten Module (130, 131, 132) des elektrischen Energiespeichers (10) durchtrennt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Trenneinrichtung (150, 151, 152) nur in einem Deformationsbereich des elektrischen Energiespeichers (10) in die Wirkposition verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verschieben der mechanischen Trenneinrichtung (150, 151, 152) in die Wirkposition aufgrund einer Auswertung von Daten eines Beschleunigungssensors erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die mechanische Trenneinrichtung (150, 151, 152) durch Aktoren (160, 161, 162) auf mechanische, pneumatische, hydraulische, oder elektromechanische Weise verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verschieben der mechanischen Trenneinrichtung (150, 151, 152) in die Wirkposition aufgrund einer Auswertung von Daten eines Deformationssensors des elektrischen Energiespeichers (10) erfolgt.