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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist. Die Hochvoltbatterie umfasst des Weiteren wenigstens eine Einrichtung Zur Temperaturerkennung, welcher beim Überschreiten eines Schwellenwerts der Temperatur eine irreversible Zustandsänderung widerfährt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hochvoltbatterie.
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Aus dem Stand der Technik, etwa der
US 2005/0233210 A1 oder der
US 2010/0028723 A1 , ist es bekannt, im Strompfad einer Hochvoltbatterie eine Schmelzsicherung vorzusehen. Diese unterbricht den Stromfluss, wenn sie sich aufgrund des durch diese hindurch fließenden Stroms so stark erwärmt, dass ein Schmelzleiter der Schmelzsicherung schmilzt.
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Anhand dieses sogenannten Auslösens der Schmelzsicherung kann also festgestellt werden, dass ein Schwellenwert der Temperatur überschritten wurde, nämlich der, welcher zum Schmelzen des Schmelzleiters geführt hat.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochvoltbatterie der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hochvoltbatterie zu schaffen, welche bzw. welches einen besonders sicheren Umgang mit der Hochvoltbatterie ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hochvoltbatterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie ist die wenigstens eine Einrichtung zur Temperaturerkennung dazu ausgelegt, unabhängig von einem elektrischen Stromfluss beim Überschreiten des Schwellenwerts von einem Ausgangszustand irreversibel in einen zweiten Zustand zu wechseln. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es mittels üblicher Schmelzsicherungen lediglich bei aktiver, also im Betrieb Strom bereitstellender oder Strom aufnehmender Hochvoltbatterie, möglich ist, thermische Belastungen zu detektieren, welche potentiell zu einem unsicheren Batterieverhalten führen können.
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Aufgrund der unabhängig vom Durchflossenwerden von elektrischem Strom auf eine Erwärmung reagierenden Einrichtung zur Temperaturerkennung kann eine thermische Belastung auch im passiven Batteriezustand erkannt werden, also beispielsweise wenn das Fahrzeug steht und die Batterie nicht geladen wird. Die Einrichtung zur Temperaturerkennung ist also als passives Bauteil ausgebildet, welche nicht des Durchflossenwerdens von elektrischem Strom als Auslöser bedarf, um irreversibel von dem Ausgangszustand in den zweiten Zustand zu wechseln.
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Eine aufgrund der thermischen Belastung gegebenenfalls notwendige Sicherung der Hochvoltbatterie, etwa in Form einer Stilllegung derselben, kann dann vorgenommen werden oder ausgelöst werden. Zudem ist so für Service-Personal, Rettungsdienste und dergleichen Bedienpersonen ein potentiell unsicherer Batteriezustand erkennbar, nämlich daran, dass die Einrichtung zur Temperaturerkennung irreversibel in den zweiten Zustand überführt ist. Die Bedienperson bemerkt also anhand der in den zweiten Zustand überführten Einrichtung zur Temperaturerkennung, dass zumindest lokal der Schwellenwert der Temperatur überschritten wurde und daher potentiell eine unsichere Batterie vorliegen kann.
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Dadurch, dass die Übertemperaturerkennung, etwa infolge eines Feuers, unabhängig vom aktiven Betrieb der Hochvoltbatterie vorgenommen werden kann, ist auch eine Langzeitüberwachung der passiven Hochvoltbatterie möglich, etwa bei der Lagerung, der Ersatzteilvorhaltung oder der Wiederverwendung. Des Weiteren kann eine sichere und nachhaltige Stilllegung der Hochvoltbatterie erfolgen, wenn aufgrund der thermischen Belastung Situationen eingetreten sind, die eine Transportsicherheitsbeurteilung erfordern. Unsichere Hochvoltbatterien können so leicht von anderen Hochvoltbatterien unterschieden werden, bei welchen kein Überschreiten des Schwellenwerts erfolgte und somit die Einrichtung zur Temperaturerkennung in ihrem Ausgangszustand vorliegt.
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Dies bringt besonders geringe Kosten für den Transport, die Befundermittlung oder die Nacharbeit an defekten Hochvoltbatterien mit sich. Durch die Einrichtung zur Temperaturerkennung ist also ein besonders sicherer Umgang mit der Hochvoltbatterie ermöglicht.
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Bevorzugt ist die wenigstens eine Einrichtung zur Temperaturerkennung dazu ausgelegt, beim Überschreiten eines Schwellenwerts der Temperatur aus einem Temperaturintervall von 60°C bis 120°C in den zweiten Zustand zu wechseln. So kann sichergestellt werden, dass die Hochvoltbatterie keinen Temperaturen ausgesetzt war, bei deren Überschreiten die Sicherheit von Komponenten der Hochvoltbatterie möglicherweise eingeschränkt sein könnte. Dies gilt insbesondere, wenn die Einrichtung zur Temperaturerkennung beim Überschreiten eines Schwellenwerts der Temperatur aus dem Temperaturintervall von 80°C bis 100°C vom Ausgangszustand in den zweiten Zustand wechselt.
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Besonders sicher kann das Überschreiten des Schwellenwerts der Temperatur erkannt werden, wenn in der Hochvoltbatterie eine Mehrzahl von Einrichtungen zur Temperaturerkennung an voneinander verschiedenen Einbauorten angeordnet sind. Dies ermöglicht es auch, in homogene Temperaturbelastungen der Hochvoltbatterie festzustellen, wenn es also lediglich lokal zu einer Erwärmung gekommen ist, bei welcher der Schwellenwert der Temperatur überschritten wurde. Die Einrichtungen zur Temperaturerkennung können auch redundant vorgesehen sein, sodass an der gleichen Stelle wenigstens zwei solche Einrichtungen vorhanden sind.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass zur Steigerung der Erkennungssicherheit und zur Erhöhung der Robustheit der Erkennung von ihrem Funktionsprinzip her verschiedene Einrichtungen zur Temperaturerkennung in der Hochvoltbatterie angeordnet sind.
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Beispielsweise kann die wenigstens eine Einrichtung zur Temperaturerkennung im zweiten Zustand eine andere Farbe aufweisen als im Ausgangszustand. Insbesondere können solche Farbumschläge bei voneinander verschiedenen Temperaturen erfolgen, sodass je nach überschrittenem Schwellenwert der Temperatur jeweilige Einrichtungen zur Temperaturerkennung auslösen, welche unterschiedliche Farbumschläge aufweisen.
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Die wenigstens eine Einrichtung zur Temperaturerkennung kann des Weiteren im zweite Zustand gegenüber dem Ausgangszustand deformiert sein, etwa nach Art eines Bimetalls, welches sich unter Temperaturbelastung verformt, wobei in einem solchen Fall dann sichergestellt wird, dass beim anschließenden Absinken der Temperatur das Bimetall nicht wieder seine ursprüngliche Form einnimmt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfährt zumindest eine Komponente der wenigstens einen Einrichtung zur Temperaturerkennung beim Wechsel in den zweiten Zustand eine Änderung des Aggregatszustands, welcher zumindest mittelbar erkennbar ist. So kann beispielsweise das Durchschmelzen der Komponente zu einer Änderung des Erscheinungsbilds der Einrichtung führen. Dieses geänderte Erscheinungsbild lässt dann den Schluss zu, dass am Einbauort der Einrichtung der Schwellenwert der Temperatur überschritten wurde. Auch kann die Erwärmung, welche zum Überschreiten des Schwellenwerts der Temperatur führt, ein Sich-Ausdehnen einer Gasblase der Einrichtung zur Temperaturerkennung bewirken, welche wiederum das Austreten einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs aus der Einrichtung zur Folge hat.
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Die wenigstens eine Einrichtung zur Temperaturerkennung kann in einer Leitung zum Überwachen von Anschlüssen der Hochvoltbatterie und/oder in einer Vorladeleitung der Hochvoltbatterie und/oder in einer Leitung zum Ansteuern wenigstens eines Schützes der Hochvoltbatterie angeordnet sein. Des Weiteren ist eine Anordnung in einer Niedrigvoltleitung möglich, welche dem Versorgen einer Steuerungseinrichtung der Hochvoltbatterie dient, und/oder eine Anordnung in einer Leitung, welche der Isolationsmessung der Hochvoltbatterie dient. Wenn die Einrichtung zur Temperaturerkennung in einer Messleitung für eine Strommessung angeordnet ist und/oder in einer Leitung zum Erfassen einer Temperatur und/oder einer Spannung der Batteriezellen der Hochvoltbatterie, so lässt sich besonders gut und einfach feststellen, ob im Bereich dieser Leitungen der Schwellenwert der Temperatur überschritten wurde.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisenden Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug wird wenigstens eine Einrichtung zur Temperaturerkennung aufgrund eines Überschreitens eines Schwellenwerts der Temperatur irreversibel von einem Ausgangszustand in einen zweiten Zustand überführt. Hierbei wechselt die wenigstens eine Einrichtung zur Temperaturerkennung unabhängig von einem elektrischen Stromfluss beim Überschreiten des Schwellenwerts von dem Ausgangszustand in den zweiten Zustand. Dies ermöglicht einen besonders sicheren Umgang mit der Hochvoltbatterie, da der irreversible Wechsel in den zweiten Zustand für eine Bedienperson leicht erkennbar ist.
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Die für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt schematisch eine Hochvoltbatterie, bei welcher an einer Mehrzahl von Einbauorten eine Schmelzsicherung vorgesehen ist, welche unabhängig von einem Stromdurchfluss durch die Hochvoltbatterie beim Überschreiten eines Schwellenwerts auslöst.
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Die Figur zeigt schematisch eine Hochvoltbatterie 10 eines Fahrzeugs, welche einen oder in anderen Ausführungsformen mehrere – Stapel von Batteriezellen 12 umfasst. Die Batteriezellen 12 können hierbei insbesondere als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. In einer von den Batteriezellen 12 zu einem elektrischen Anschluss 14 der Hochvoltbatterie 10 führenden Leitung ist eine Hochvoltsicherung 16 angeordnet, welche als Überstromschutzeinrichtung den Stromkreis unterbricht, wenn im Betrieb der Hochvoltbatterie 10 ein Strom zu großer Stärke auftritt. Diese Hochvoltsicherung 16 löst jedoch nur im aktiven Betrieb der Hochvoltbatterie 10 aus, also wenn diese entladen oder geladen wird.
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Vorliegend sind als weitere Einrichtungen zur Temperaturerkennung eine oder – wie im Ausführungsbeispiel gezeigt mehrere – Schmelzsicherungen 18 vorgesehen, welche unabhängig davon auslösen, ob die Hochvoltbatterie 10 aktiv ist oder nicht. Vielmehr sind diese Einrichtungen zur Temperaturerkennung als passive Bauteile ausgebildet, welche es auch bei einer sich in einem Lager befindenden Hochvoltbatterie 10 ermöglichen, festzustellen, ob diese Hochvoltbatterie 10 einer unerwünschten thermischen Belastung ausgesetzt war, welche potentiell zu unsicherem Batterieverhalten geführt haben könnte.
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Eine solche Schmelzsicherung 18 kann beispielsweise in einer Interlockleitung 20 der Hochvoltbatterie 10 angeordnet sein, welche als Signalleitung dazu dient festzustellen, ob im Bereich von Anschlüssen 14, 22 der Hochvoltbatterie 10 offene Schalter oder ein Kabelbruch vorhanden sind. Eine Schmelzsicherung 18 kann jedoch auch in einem Vorladeschaltkreis 24 angeordnet sein, also in einem Leitungszweig, in welchem ein hoher Widerstand dafür sorgt, dass bei zu hoher Spannung der Hochvoltbatterie 10 Spannung abfällt, und welcher dann überbrückt wird, wenn keine Schädigung von mit der Hochvoltbatterie 10 zu verbindenden elektrischen oder elektronischen Bauteilen mehr zu befürchten ist.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Schmelzsicherung 18 in Leitungen 26 anzuordnen, über welche Schütze 28, 30 der Hochvoltbatterie 10 angesteuert werden. Diese Leitungen 26 sind ebenso wie die Interlockleitung 20 mit einem Steuergerät 32 der Hochvoltbatterie 10 gekoppelt, welches eine Batteriemanagementeinheit 34 und eine Überwachungseinrichtung 36 zur Sicherheitsüberwachung umfasst.
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Zum Versorgen des Steuergeräts 32 mit Strom aus dem Bordnetz ist eine Niedrigvoltleitung 38 vorgesehen, in welcher ebenfalls eine Schmelzsicherung 18 angeordnet sein kann. Darüber hinaus ist es möglich, in einer Leitung 40, welche der Isolationsmessung der Hochvoltbatterie 10 dient, und welche den Widerstand zwischen dem Pluspol und einem Gehäuse 42 der Hochvoltbatterie 10 sowie zwischen dem Minuspol und dem Gehäuse 42 misst, eine Schmelzsicherung 18 vorzusehen. Eine Schmelzsicherung 18 kann des Weiteren in einer Messleitung 44 für eine Strommesseinrichtung 46 angeordnet sein, welche ebenfalls mit dem Steuergerät 32 verbunden ist.
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Des Weiteren sind vorliegend beispielhaft Schmelzsicherungen 18 in Leitungen gezeigt, welche einer Spannungsmesseinrichtung 48 bzw. einer Temperaturmesseinrichtung 50 zugeordnet sind, also der Erfassung von Spannung und Temperatur der Batteriezellen 12 dienen.
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Anstatt vorhandene Sicherheitskreise für die Integration der Schmelzsicherung 18 in selbige zu nutzen, kann es jedoch auch vorgesehen sein, die Schmelzsicherung 18 oder eine derartige Einrichtung zur Temperaturerkennung in einer eigens zu diesem Zweck an das Steuergerät 32 angeschlossenen Leitung anzuordnen.
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Zusätzlich oder alternativ zu den beispielhaft genannten Schmelzsicherungen 18 können Farbindikatoren als Einrichtungen zur Temperaturerkennung genutzt werden, welche beim Überschreiten eines Schwellenwerts der Temperatur einen Farbumschlag zeigen.
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Den genannten Einrichtungen zur Temperaturerkennung ist gemeinsam, dass sie das Auftreten einer thermischen Belastung der Hochvoltbatterie 10 auch dann detektieren können, wenn kein elektrischer Stromfluss vorliegt. Bei diesen Einrichtungen zur Temperaturerkennung ist es also nicht ein diese hindurchfließender zu starker Strom, welcher für das irreversible Überführen derselben von einem Ausgangszustand in einen zweiten Zustand sorgt. Derartige passive Bauteile ermöglichen also insbesondere eine Langzeitüberwachung der Hochvoltbatterie 10 und eine Übertemperaturerkennung unabhängig vom aktiven Betrieb der Hochvoltbatterie 10.
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Wenn sich aufgrund des Überschreitens des Schwellenwerts der Temperatur eine Zustandsänderung der Einrichtung zur Temperaturerkennung, beispielsweise der Schmelzsicherung 18, eingestellt hat, so ist dieser Wechsel von dem Ausgangszustand in den zweiten Zustand irreversibel und daher für eine Bedienperson gut feststellbar. Wird das Vorliegen des zweiten Zustands bemerkt, bei der Schmelzsicherung 18 also das Geschmolzen-Sein eines entsprechend temperaturempfindlichen Elements der Schmelzsicherung 18, so ist dies ein eindeutiger Hinweis darauf, dass die Hochvoltbatterie 10 näher zu untersuchen ist. Bevorzugt ist hierbei eine Selbstdiagnose möglich, etwa über eine Messung des Innenwiderstands.
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Insbesondere können Einrichtungen zur Temperaturerkennung unterschiedlicher Bauart zum Einsatz kommen, um die Erkennungssicherheit von Temperaturbelastungen der Hochvoltbatterie 10 zu steigern.
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Die Hochvoltbatterie 10 umfasst des Weiteren einen Kühlanschluss 52, über welchen in einen Kühlkreislauf 54 der Hochvoltbatterie 10 eine Kühlflüssigkeit oder ein Kältemittel eingebracht werden kann. Ein weiterer Einlass 56 oder Auslass ist für den Druckausgleich vorgesehen. Eine Bersteinrichtung 58 sorgt dafür, dass ein aufgrund eines Fehlers auftretender zu hoher Innendruck der Hochvoltbatterie 10 abgebaut werden kann. Über einen CAN-Bus 60 erfolgt eine Kommunikation zwischen dem Steuergerät 32 der Hochvoltbatterie 10 und weiteren Komponenten des Fahrzeugs.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvoltbatterie
- 12
- Batteriezelle
- 14
- Anschluss
- 16
- Hochvoltsicherung
- 18
- Schmelzsicherung
- 20
- Interlockleitung
- 22
- Anschluss
- 24
- Vorladeschaltkreis
- 26
- Leitung
- 28
- Schütz
- 30
- Schütz
- 32
- Steuergerät
- 34
- Batteriemanagementeinheit
- 36
- Überwachungseinrichtung
- 38
- Niedrigvoltleitung
- 40
- Leitung
- 42
- Gehäuse
- 44
- Messleitung
- 46
- Strommesseinrichtung
- 48
- Spannungsmesseinrichtung
- 50
- Temperaturmesseinrichtung
- 52
- Kühlanschluss
- 54
- Kühlkreislauf
- 56
- Einlass
- 58
- Bersteinrichtung
- 60
- CAN-Bus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0233210 A1 [0002]
- US 2010/0028723 A1 [0002]
