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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einem Batteriestrang, in dem ein Schaltmittel mit einer integrierten Sicherung verbaut ist.
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Stand der Technik
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Batteriesysteme werden sowohl in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in Hybrid-, Plug-In-Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch in stationären Anwendungen wie in Notstromsystemen in Zukunft vermehrt zum Einsatz kommen. Dabei nehmen die Anforderungen, die an solche Batteriesysteme bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer gestellt werden, beständig zu. Dem Stand der Technik sind aus diesem Grund bereits mehrere Ansätze zur Sicherung eines Batteriesystems, insbesondere vor der Entwicklung zu hoher (Kurzschluss-)Ströme innerhalb des Batteriesystems bekannt. Oft basieren solche Ansätze auf der Abkopplung des Batteriesystems von dessen Anschlüssen beziehungsweise auf der Unterbrechung der Verbindung zwischen den Polen des Batteriesystems.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 047 104 A1 ein Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batteriezellen bekannt, welches ein zwischen einen ersten Batteriepol und einen ersten Ausgang des Batteriesystems geschaltetes erstes Relais und ein zwischen einen zweiten Batteriepol und einen zweiten Ausgang des Batteriesystems geschaltetes zweites Relais aufweist. Oft kommen bei Batteriesystemen an Stelle von beziehungsweise zusätzlich zu den Relais Schütze beziehungsweise Sicherungen, insbesondere Schmelzsicherungen zum Einsatz. Diese Sicherungen sind in den meisten Fällen in dem Batteriesystem verbaut, um selbiges vor einem Versagen der Schütze beziehungsweise Relais abzusichern. Grund dessen ist, dass bei den derzeit in Batteriesystemen eingesetzten elektromagnetischen Schaltmitteln (z. B. Schütze, Relais) bei hohen Strömen, wie sie beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses durch das Batteriesystem fließen, häufig ein Phänomen auftritt, das umgangssprachlich als „Kleben“ bezeichnet wird. Fließt beispielsweise ein Kurzschlussstrom von über 5000 Ampere über einen Zeitraum von wenigen Millisekunden, können die beweglichen Komponenten des elektromagnetischen Schaltmittels mit den unbeweglichen Komponenten des Schaltmittels verschweißen. Das elektromagnetische Schaltmittel öffnet dann nicht mehr, was bei alleinigem Einsatz dieses Schaltmittels innerhalb des Batteriesystems sehr problematisch sein kann. Komponenten des Batteriesystems können beispielsweise Schaden nehmen oder es kann zu einer Brandentwicklung kommen. Deshalb werden zusätzlich zu den Schaltmitteln Sicherungen verbaut, die das Batteriesystem vor den Konsequenzen eines Versagens der Schaltmittel schützen sollen.
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Die 1 zeigt ein Batteriesystem 20 des Standes der Technik, in welchem mehrere Batteriestränge 18 zueinander parallel geschaltet sind. Die Enden der Parallelschaltung sind jeweils mit einem Anschluss 12, 13 des Batteriesystems 20 verbunden. Von der Vielzahl der Batteriestränge 18 ist in 1 ein Batteriestrang 18 dargestellt, während eine unbestimmte Anzahl weiterer Batteriestränge 18 über Punktlinien angedeutet sind. In dem dargestellten Batteriestrang 18 sind drei Batteriemodule 16 in Reihe geschaltet, wobei jedes der drei Batteriemodule 16 jeweils drei in Reihe geschaltete Batteriezellen 14 aufweist. Zwischen zweien der Batteriemodule 18 ist eine Sicherung 10 den Batteriemodulen 18 in Reihe geschaltet. Über zwei als Schütze ausgeführte Schaltmittel 8, die jeweils zwischen einem der Anschlüsse 12, 13 und den drei Batteriemodulen 18 angeordnet sind, ist das Batteriesystem 20 von dessen Anschlüssen 12, 13 abkoppelbar. Kommt es beispielsweise zu einem Kurzschluss zwischen den Anschlüssen 12, 13, so können die Schaltmittel 8 geöffnet werden. Versagen die Schaltmittel 8, kommt es beispielsweise zu dem weiter oben beschriebenen Phänomen der Verschweißung der beweglichen mit den unbeweglichen Teilen der Schütze, so löst die Sicherung 10 aus und unterbricht so den Stromfluss durch das Batteriesystem 20. Somit dient die Sicherung 10 dem Schutz des Batteriesystems 20 im Falle des Versagens der Schaltmittel 8.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches einen Batteriestrang umfasst, wobei der Batteriestrang mindestens ein dem Batteriestrang in Reihe geschaltetes Batteriemodul umfasst und das Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle aufweist. Das Batteriesystem umfasst ferner zwei Anschlüsse, wobei die beiden Enden des Batteriestrangs mit jeweils einem Anschluss verbunden sind. In Reihe zu dem Batteriestrang ist ein Schaltmittel mit integrierter Sicherung geschaltet.
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Der Vorteil eines solchen Batteriesystems ist, dass in ihm die das Batteriesystem vor zu hohen Strömen sichernden Komponenten innerhalb eines Batteriestrangs in einem Bauelement realisiert werden können, was eine Vereinfachung des Batteriesystems sowie eine Reduktion der Kosten für die Herstellung desselben bedeutet. So sind sowohl die Schaltmittel zur ein- beziehungsweise zweipoligen Abkopplung des Batteriesystems von dessen Anschlüssen als auch die Sicherung innerhalb des Schaltmittels mit integrierter Sicherung realisiert. Kommt es zu einer Verschweißung der beweglichen mit den unbeweglichen Teilen innerhalb des Schaltmittels und damit einhergehend zu einem Auslösen der Sicherung, muss in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem innerhalb eines Strangs nur eine Komponente ausgetauscht werden. Also ist die Unterbrechung eines Batteriestrangs mit nur einem Schaltmittel sicher möglich.
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Vorzugsweise weist das Schaltmittel mit integrierter Sicherung eine einfache oder eine doppelte Kontaktierung des Batteriestrangs, vor und/oder nach der Sicherung auf. Eine einfache beziehungsweise doppelte Kontaktierung des Batteriestrangs bedeutet, dass bei dem Öffnen des Schaltmittels der Batteriestrang an einer oder an zwei Stellen beziehungsweise Punkten innerhalb des Schaltmittels unterbrochen wird. In Reihe zu diesem Unterbrechungspunkt beziehungsweise Unterbrechungspunkten des Batteriestrangs liegt innerhalb des Schaltmittels eine Sicherung, wobei die Sicherung im Falle einer Doppelkontaktierung vorzugsweise von den zwei Unterbrechungspunkten eingeschlossen wird. Im Falle einer Doppelkontaktierung kann der Batteriestrang also durch das Schaltmittel vor und nach der Sicherung unterbrochen werden, was die Sicherheit des Batteriesystems erhöht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltmittel mit integrierter Sicherung in dem Batteriestrang zwischen zwei Batteriemodulen angeordnet. Durch diese Anordnung kann die Unterbrechung eines Batteriestrangs sicherer, beziehungsweise mit größerer Lastferne erfolgen.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist das Schaltmittel mit der integrierten Sicherung in dem Batteriestrang zwischen zwei Bereichen des Batteriestrangs positioniert, wobei im Falle einer geraden Anzahl an Batteriemodulen innerhalb des Batteriestrangs jeder der Bereiche eine Hälfte der Anzahl der Batteriemodule umfasst und im Falle einer ungeraden Anzahl an Batteriemodulen ein Bereich die von der Hälfte auf die nächste natürliche Zahl aufgerundete Anzahl an Batteriemodulen enthält, während der andere Bereich die von der Hälfte auf die nächste natürliche Zahl abgerundete Anzahl an Batteriemodulen aufweist. Dadurch erfolgt die Anordnung des Schaltmittels mit integrierter Sicherung mittig nach ungefähr oder genau der Hälfte der Batteriemodule innerhalb eines Batteriestrangs. Die Unterbrechung des Batteriestrangs bei beispielsweise einem Kurzschluss kann dann so früh wie möglich erfolgen, da das Schaltmittel mit integrierter Sicherung am Ort der Generation des Batteriestroms positioniert ist.
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Vorzugsweise ist das Schaltmittel als Schütz oder als Relais mit integrierter Sicherung ausgeführt. Vorteil der Verwendung eines Relais als Schaltmittel ist unter anderem in der großen Robustheit sowie dem hohen Isolationswiderstand und der hohen Sperrspannung der Schaltstrecke, die ein Relais aufweist, gegeben. Somit eignet sich eine Ausführung des erfindungsgemäßen Batteriesystems unter Verwendung eines Relais besonders gut für stärker beanspruchende Umgebungen. Des Weiteren sind Relais insbesondere in der Lage, sehr hohe Ströme zu schalten. Ferner bevorzugt ist die Verwendung von Schützen, welche noch höhere Ströme als Relais schalten können und gegenüber dem Relais einen Doppelkontakt aufweisen. Darüber hinaus weisen Schütze eine sehr geringe Schaltverzögerungszeit auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind noch weitere Batteriestränge parallel zu dem Batteriestrang geschaltet. Auf diese Weise kann die Spannung an und/oder der Strom durch die Last auf praktikable Weise erhöht werden. Die parallel geschalteten Batteriestränge können dabei so wie der Batteriestrang des erfindungsgemäßen Batteriesystems ausgestaltet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen mindestens einem der Anschlüsse und dem Batteriestrang mindestens ein Schaltmittel angeordnet. Dadurch erhöht sich die Sicherheit des Batteriesystems über die Absicherung innerhalb des Batteriestranges hinaus, da auch der gesamte Batteriestrang von den Anschlüssen des Batteriesystems abkoppelbar ist.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist das Schaltmittel als Schütz oder als Relais ausgeführt. Auf Grund der oben erwähnten Vorteile für Schütze und Relais kann die Abkopplung des Batteriestrangs in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems besonders sicher erfolgen.
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Bevorzugt ist in dem Batteriestrang des Batteriesystems genau eine Sicherung zu den Batteriemodulen in Reihe geschaltet. Mit anderen Worten ist neben der Sicherung innerhalb des Schaltmittels mit integrierter Sicherung keine weitere Sicherung innerhalb des Batteriesystems verbaut. Auf diese Weise können Kosten für die Realisierung des Batteriesystems eingespart werden.
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Vorzugsweise ist in dem Batteriestrang des Batteriesystems genau ein Schaltmittel verbaut. Durch den Verzicht auf den Verbau weiterer Schaltmittel abseits des Schaltmittels mit integrierter Sicherung innerhalb des Batteriesystems können Kosten eingespart werden, ohne dass damit einhergehend die Sicherheit des Batteriesystems vor Kurzschlussströmen eingeschränkt wird.
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Des Weiteren bevorzugt wird eine Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt, wobei die Batterie besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Vorteile solcher Batterien sind unter anderem in ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte sowie ihrer großen thermischen Stabilität gegeben. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass diese keinem Memory Effekt unterliegen.
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Vorzugsweise wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Batteriesystem des Standes der Technik,
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2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems mit Schaltmittel mit integrierter Sicherung sowie doppelter Kontaktierung, und
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3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems mit abkoppelbaren Batteriesträngen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems 20 mit einem Schaltmittel 6 mit integrierter Sicherung 4 sowie doppelter Kontaktierung 2 dargestellt. Zwischen den beiden Anschlüssen 12, 13 des Batteriesystems 20 ist eine Vielzahl von Batteriesträngen 18 parallel geschaltet, von denen ein Batteriestrang 18 ausgestaltet dargestellt ist, während eine nicht weiter bestimmte Anzahl parallel geschalteter Batteriestränge 18 durch eine Punktlinie angedeutet ist. Der Batteriestrang 18 weist in dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung aus drei Batteriemodulen 16 auf. In dem ersten Batteriemodul 16 sind drei Batteriezellen 14 in Reihe geschaltet, während in dem zweiten Batteriemodul 16 drei Batteriezellen 14 parallel zueinander geschaltet und in dem dritten Batteriemodul 16 fünf Batteriezellen 14 wiederum in Reihe geschaltet sind. Die Anzahl sowie die Art der Ausgestaltung der Batteriemodule 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt und können von diesem abweichen. Es können zum Beispiel auch eine weitaus größere Anzahl an Batteriezellen 14 beziehungsweise Batteriemodulen 16 verbaut sein. Zwischen dem zweiten und dem dritten Batteriemodul 16 ist ein Schaltmittel 6 mit integrierter Sicherung 4 und doppelter Kontaktierung 2, zu den Batteriemodulen 16 in Reihe liegend, angeordnet. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schaltmittel 6 als Schütz realisiert, welches vor und nach der als Schmelzsicherung ausgeführten Sicherung 4 eine Doppelkontaktierung 2 des Strangs aufweist. Wird an das erfindungsgemäße Batteriesystem 20 eine Last angeschlossen, kommt es zu einem Stromfluss durch die Batteriemodule 16 des Batteriestrangs 18. Über die Doppelkontaktierung 2 wird der Strom durch die Sicherung 4 des Schaltmittels 6 geleitet. Kommt es, beispielsweise durch einen Kurzschluss über die Anschlüsse 12, 13 zu einem Stromfluss innerhalb des Batteriestrangs 18, welcher den für das Batteriesystem 20 zulässigen Stromwert überschreitet, wird der Batteriestrang 18 über die Doppelkontaktierung 2 vor und nach der Sicherung 4 unterbrochen. Ist der Stromfluss durch den Batteriestrang 18 so groß, dass es zu einer unerwünschten Verschmelzung der Doppelkontaktierung 2 des Schützes kommt, löst die in dem Schütz verbaute Sicherung 4 aus und der Stromfluss durch den Batteriestrang 18 wird wieder unterbrochen. Das Batteriesystem 20 beziehungsweise dessen Komponenten sind somit vor einer Beschädigung durch einen zu hohen Strom geschützt.
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3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems 20 mit abkoppelbaren Batteriesträngen 18. Zwischen den Anschlüssen 12, 13 des Batteriesystems 20 ist abermals eine Vielzahl an Batteriesträngen 18 zueinander parallel geschaltet. Die Anschlüsse 12, 13 sind dabei mit den Enden der Parallelschaltung der Batteriestränge 18 verbunden. Erneut ist von den Batteriesträngen 18 nur einer dargestellt. Dieser weist eine Reihenschaltung von vier Batteriemodulen 16 auf, in welchen jeweils zwei Batteriezellen 14 in Reihe geschaltet sind. Nach der Hälfte der Batteriemodule 16 innerhalb des Batteriestrangs 18, das heißt nach den ersten beiden Batteriemodulen 16, ist ein Schaltmittel 6 mit einfacher Kontaktierung 2 und einer Sicherung 4, die als Schmelzsicherung ausgeführt ist, dem Batteriestrang 18 in Reihe geschaltet. Das Schaltmittel 6 selbst, als Relais ausgeführt, besteht also aus einer Reihenschaltung von einer Kontaktierung 2 des Batteriestrangs 18 mit einer Sicherung 4. Über zwei weitere Schaltmittel 8 ist die Parallelschaltung der Batteriestränge 18 von deren Anschlüssen abkoppelbar. Im Falle eines Kurzschlusses, beispielsweise über die Anschlüsse 12, 13 des Batteriesystems 20, werden bei dem Fluss eines Kurzschlussstromes durch das Batteriesystem 20 zunächst die Schaltmittel 8 geöffnet. Parallel dazu kann sicherheitshalber der Batteriestrang 18 über die Kontaktierung 2 des Schaltmittels 6 mit integrierter Sicherung 4 unterbrochen werden. Kommt es bei den Schaltmitteln 8 beziehungsweise dem Schaltmittel 6 zu dem Phänomen des „Klebens“, das heißt zu einem Versagen des Schaltmittels 8 beziehungsweise des Schaltmittels 6, so fließt der Strom in dem Batteriestrang 18 über die Schaltmittel 8, die Kontaktierung 2 als auch über die Sicherung 4 des Schaltmittels 6. Die Sicherung 4 löst dann innerhalb weniger Sekunden aus und unterbricht den Stromfluss durch den Batteriestrang 18. In diesem Ausführungsbeispiel ist genau ein Schaltmittel 6 mit integrierter Sicherung 4 verbaut, es können aber auch mehrere Schaltmittel 6 mit integrierter Sicherung 4, auch an anderen Positionen innerhalb des Batteriesystems 20, beispielsweise zwischen den Batteriemodulen 16 und einem Anschluss 12, 13 verbaut sein. Des Weiteren können neben der Sicherung 4 innerhalb des Schaltmittels 6 mit integrierter Sicherung 4 auch weitere Sicherungen in dem Batteriesystem 20 verbaut sein. Bevorzugt ist es aber, keine weiteren Sicherungen zu verbauen.
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In allen hier dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Batteriesystems liegt eine Parallelschaltung aus mehreren Batteriesträngen vor. Es kann aber auch ein erfindungsgemäßes Batteriesystem mit nur einem Batteriestrang realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009047104 A1 [0003]
