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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, bestehend aus einer Batterie mit Batteriezellen und einem Hauptstromkreis zur Versorgung eines Verbrauchers sowie eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeuges.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Unterbrechung der Versorgung eines Verbrauchers durch passive Aktivierung einer in den Hauptstromkreis eines Batteriesystems eingebundenen pyrotechnischen Sicherung.
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Stand der Technik
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In Pkw-Lithium-Ionen-Batterien werden zum Trennen von hohen Strömen Schmelzsicherungen und Schütze verwendet. Bei einem Kurzschluss mit sehr hohen Strömen löst die Sicherung nach einigen Millisekunden aus, jedoch dürfen die Schütze diesen sehr hohen Strom nicht trennen, weil durch einen Lichtbogen im Schütz die interne Kammer zerstört werden würde.
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Somit fließt ein hoher Kurzschlussstrom so lange, bis die Sicherung als passives Bauelement genügend Wärme entwickelt hat, dass im Inneren das Schmelzelement schmilzt und dadurch der Strom getrennt wird. Bei niedrigen Strömen (etwa einige hundert Ampere) braucht die Sicherung eine lange Zeit, um genügend Joule-Wärme zu entwickeln, und trennt somit den Strom nicht innerhalb einer für die Batteriesicherheit akzeptablen Zeit. In diesem Fall sind die Schütze nötig, um den Strom so bald wie möglich zu trennen.
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Leider jedoch erfolgt eine Strommessung in vielen Hochvolt-Speichersystemen bis lediglich etwa 300 bis 800 Ampere, so dass oberhalb dieses Wertes keine Information über den aktuell fließenden (Kurzschluss-) Strom vorhanden ist. Wenn also der maximale Kurzschlussstrom anliegt und die Relais geöffnet würden, bevor die Sicherung ausgelöst hat, könnten somit die Relais zerstört werden und die Batterie könnte unter Umständen nicht mehr allpolig getrennt werden.
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Bei 12 Volt Systemen werden oft pyrotechnische Sicherungen eingesetzt, die bei einem Unfall über das Airbagsteuergerät aktiviert werden. Intern befindet sich in der Sicherung ein Treibsatz, der explodiert, sobald ein bestimmter Strom durch die Ansteuerleitungen der Sicherung fließt.
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Durch die Explosion wird die Stromschiene in der Sicherung getrennt und der Strom wird dann unterbrochen. Da jedoch bisher eine externe Aktivierung des Sprengkörpers erforderlich ist, kann gerade bei Ausfall der aktiven Ansteuer-Elektronik keine Trennung mehr erfolgen. Dies wäre nicht der Fall, wenn ausschließlich passive elektrische Bauelemente zum Einsatz kämen, die die pyrotechnische Sicherung auslösen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches eine Batterie mit Batteriezellen und einen Hauptstromkreis zur Versorgung eines Verbrauchers umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Shunt (vorzugsweise ein möglichst konstanter Widerstand) und eine pyrotechnische Sicherung in den Hauptstromkreis seriell eingebunden sind, und dass mit dem Eingang und dem Ausgang des Shunts verbundene Ansteuerleitungen mit einem Zünder der Sicherung verbunden sind. Die Ansteuerleitungen der pyrotechnischen Sicherung sind dabei mit den Anschlüssen im Hauptstrompfad jeweils vor und nach dem Shunt verbunden. Durch den Spannungsabfall an dem Shunt (oder an einem vergleichbaren Widerstand) fließt ein Teil eines Kurzschlussstromes durch die pyrotechnische Sicherung, die vorzugsweise instantan aktiviert wird.
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Vorteil der Erfindung ist, dass durch die Integration einer pyrotechnischen Sicherung anstatt einer Schmelzsicherung der Strom in einem Batteriesystem sofort beim Überschreiten eines Grenzwertes getrennt wird und diese Trennung keine aktiven elektrischen Bauelemente benötigt, also eine Trennung des Hauptstrompfades mit nur Passivbauelementen möglich ist. Die pyrotechnische Sicherung reagiert wesentlich schneller als eine konventionelle Schmelzsicherung und schützt somit alle Batteriekomponenten auch deshalb besser, da eine passive elektrische Ansteuerung weniger fehleranfällig ist als eine aktive Ansteuerung.
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Bevorzugterweise ist der elektrische Widerstand einer pyrotechnischen Sicherung kleiner als der einer Schmelzsicherung, weil der für den Strom relevante Innenquerschnitt des Leiters größer ausgeführt werden kann. Die Trennung des Stromes erfolgt bei einer pyrotechnischen Sicherung vorzugsweise durch das Trennen einer Strom-Schiene durch einen Keil, welcher durch einen pyrotechnischen Zünder beschleunigt wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Einbindung von Steuerleitungen der pyrotechnischen Sicherung in den Hauptstromkreis die Sicherung dann sofort auslöst, sobald ein Stromgrenzwert (beispielsweise die maximale Trenngrenze von einem zusätzlich seriell in den Hauptstromkreis geschalteten Relais) überschritten wird.
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Der Steuerstrom oder die Steuerspannung, welche den Zünder der Sicherung versorgt, kann über zwei Steuerleitungen an den Zünder geführt werden, somit ist der Shunt beidseitig mit je einer Steuerleitung Richtung Zünder verbunden und der Spannungsabfall über dem Shunt liegt direkt in der Sicherung beim Zünder an.
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In einer anderen Variante führt nur eine separate Steuerleitung vom Shunt zum Zünder, während die andere Steuerleitung nicht separat, sondern mit jenem Teil des Hauptstrompfades leitungstechnisch identisch ist, welcher den Shunt mit der Sicherung verbindet. Der elektrische Kontakt zwischen Hauptstromleitung, welche durch die Sicherung führt, und Steueranschluss am Zünder in der Sicherung ist bautechnisch in der Sicherung hergestellt, was vorteilhafterweise die Fehlersicherheit erhöht und den Beschaltungsaufwand reduziert.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind die Batteriezellen Lithium-Ionen-Zellen. Die Bezeichnung Batterie darf im Sinne dieses Dokuments derart verstanden werden, dass es sich dabei um ein elektrisch wiederholbar wiederaufladbares Element zur Stromversorgung handelt, welches üblicherweise auch als Akkumulator oder Sekundärbatterie bezeichnet wird.
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Vorteil ist eine möglichst große Verhältniszahl zwischen elektrischer Kapazität und träger Masse der Batterie bei möglichst geringem Volumen.
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Auch ist es zweckmäßig, dass in die Ansteuerleitungen ein nichtlineares passives elektrisches Bauelement integriert ist. Die Ansteuerleitungen führen zum elektrisch empfindlichen Teil des pyrotechnischen Zünders der Sicherung. Beispielsweise enthält der Zünder ein Halbleiterbauelement, welches nicht durch eine Zwischenspeisung versorgt wird, da es ansonsten ein aktives Bauelement wäre. Eine Zwischenspeisung in diesem Sinne würde beispielsweise einen Kondensator oder eine Stützbatterie zur Versorgung einer beispielsweise Transistorschaltung verwenden. Das passive elektrische Bauelement hat den erfindungsgemäßen Vorteil, die über dem Shunt abgegriffene, mit der momentanen Stärke des Hauptstroms in Korrespondenz stehende, Spannung zu teilen und somit durch Auslegung des Bauelements den Zusammenhang zwischen Spannungsabfall am Shunt und Zündspannung, als Spannung, bei welcher der Zünder die Sicherung auslöst, definieren zu können. Durch Integration eines nichtlinearen elektrischen Bauelements in die Ansteuerleitungen oder in den elektrisch empfindlichen Teil des Zünders in der Sicherung selbst wird vermieden, dass der Zünder im Normalbetrieb auslöst. Nur im Störfall, wenn der Strom einen festgelegten Wert übersteigt, löst der Zünder aus.
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Mit anderen Worten: Shunt, passives elektrisches Bauelement und elektrischer Teil des Zünders befinden sich in ein und derselben Kirchhoffschen Masche. Der Spannungsabfall über dem definiert zu wählenden passiven elektrischen Bauteil reduziert demnach die Spannung, welche den Zünder zünden lässt, um einen beliebig zu wählenden Wert.
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Vorteil ist, dass, weil dieser Wert beliebig ist, dieser insbesondere ein festgelegter Grenzwert sein kann. Um auch nach oben, zu großen Beträgen hin, zu einem für die Zündung ausreichenden elektrischen Spannungswert zu gelangen, kann der Widerstand des Shunts entsprechend vergrößert werden.
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Auch ist es denkbar, dass das nichtlineare passive elektrische Bauelement eine Zener-Diode oder ein Varistor ist. In Sperrrichtung fällt über der Diode oder dem Varistor ein definierter Spannungsbetrag ab. Beim Erreichen einer Durchbruchspannung kann der Zündstrom fließen.
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Vorteil ist, dass somit durch geeignete Wahl der entsprechenden Zener-Diode oder des entsprechenden Varistors der Zündpunkt definiert werden kann, als Zündpunkt, bei welchem Spannungsabfall über dem Shunt eine bestimmte Größe erreicht wird.
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Auch ist es denkbar, dass ein Verbraucher in den Hauptstromkreis eingebunden ist und ein Antriebsmittel für ein Kraftfahrzeug enthält. Der Hauptstrompfad versorgt den Verbraucher und ist als Leitungspfad, Kirchhoffsche Masche oder Zusammenschluss von seriell geschalteten, den gleichen Strom zur gleichen Zeit im gleichen Umlaufsinn führenden beispielsweise Kabeln oder Leitungsabschnitten zu verstehen.
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Vorteil ist, dass gerade niederohmige und somit stromintensive Kraftfahrzeugantriebe durch das erfindungsgemäße Batteriesystem sicherer und zuverlässiger als bisher vom Hauptstrom getrennt werden können.
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Auch ist es denkbar, dass der Zünder zusätzlich mit einem Steuerelement verbunden ist, welches ausgebildet ist, auf Information bezüglich eines Crashs anzusprechen. Das Steuerelement ist beispielsweise ein Airbagsteuergerät oder ein Batteriemanagementsystem mit angeschlossenem oder integriertem Beschleunigungssensor oder ein sonstiges Gerät, welches eine elektronische Schaltung enthält, welche sich mit der Behandlung von Crash, Unfall, Verformung, Beschleunigung oder deren entsprechenden physikalischen Parametern befasst. Zusätzlich verbunden bedeutet, dass auch ein Steuersignal von einem aktiven Steuerelement in der Lage ist, den Zünder zu zünden und dadurch die Sicherung auszulösen. Dies kann beispielsweise durch Existenz eines zweiten elektrisch empfindlichen Teils verbunden mit dem Sprengsatz in der Sicherung erfolgen und/oder durch Existenz einer weiteren Steuerleitung, aber auch durch Kontaktierung derselben Steuerleitung, wie diese für die passive Ansteuerung verwendet wird. Dabei ist es denkbar, die passive Anbindung der Steuerleitung an den Shunt über einen ohmschen Widerstand zu führen, welcher groß genug ist, das Steuersignal von der aktiven Anbindung, vom aktiven Steuerelement, nicht kurzzuschließen, jedoch auch klein genug ist, um in beiden Sorten Ansteuerung den Zünder zum Auslösen der Sicherung zu bringen, ohne das Steuersignal übergebührend stark zu dämpfen.
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Mit anderen Worten, zusätzlich kann die pyrotechnische Sicherung redundant angebunden und somit über das Airbagsteuergerät gezündet werden. Die Schütze können dann beim Detektieren eines Überstromes sofort öffnen, weil der Hauptstrompfad beim Detektieren des Überstromes durch das Batteriemanagementsystem bereits durch die pyrotechnische Sicherung getrennt ist (durch die sehr schnelle Reaktion, schneller als die Reaktion eines Relais), oder der Strom noch so niedrig ist, dass die Schütze den Strom trennen können.
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Vorteil ist die erhöhte Auslösesicherheit infolge redundanter Anbindung.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeug mit einem wie beschriebenen Batteriesystem zur Verfügung gestellt.
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Vorteil ist die verbesserte Sicherheit im Schadensfall, wie beispielsweise kürzere Kurzschlussströme oder verbesserte Trennung von Hochspannungen.
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Weiterhin wird ein Verfahren beschrieben zur Unterbrechung der Versorgung eines Verbrauchers durch passive Aktivierung einer in den Hauptstromkreis eines Batteriesystems eingebundenen pyrotechnischen Sicherung mit den Schritten Erfassen eines Spannungsabfalls über einem Shunt, Vergleichen des Spannungsabfalls mit einem Sollwert, Zünden der Sicherung bei Erreichen des Sollwerts und Trennen des Hauptstromkreises.
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Der Zünder der Sicherung reagiert mit Zündung auf eine bestimmte elektrische Zündspannung beziehungsweise auf einen bestimmten elektrischen Zündstrom. Das Vergleichen des Spannungsabfalls über dem Shunt mit einem im Zünder der Sicherung befindlichen Sollwert ist derart zu verstehen, dass die elektrische Spannung, welche über dem Shunt abfällt, zum Ansteuern des Zünders benutzt wird und mit der elektrisch sensitiven Komponente des Zünders ein weiteres passives elektrisches Bauelement im Ansteuerpfad in Serie liegt, welches durch Wahl seiner physikalischen Parameter einen definierbaren Spannungsabfall aufweist. Dieser durch Wahl des Bauteils bestimmbare Spannungsabfall stellt einen Sollwert bezüglich des Zündpunkts dar.
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Vorteil ist die hohe Auslösesicherheit durch rein passive Ansteuerung und der Komfort, durch einfache Wahl eines passiven Bauteils den Zündpunkt definieren zu können.
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Weiterhin ist es denkbar, dass der Zünder der pyrotechnischen Sicherung zusätzlich auf Information bezüglich eines Crashs anspricht, dadurch die Sicherung auslöst und den Hauptstromkreis trennt. Durch beispielsweise eine separate, aktive Anbindung, zusätzlich zur passiven Anbindung, kann dies erreicht werden. Der Zünder spricht dann auf beispielsweise einen Crash an, wenn die aktive Anbindung ein Element zur Crashdetektion, beispielsweise Airbagsteuergerät oder Beschleunigungssensor umfasst.
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Vorteil ist die erhöhte Auslösesicherheit infolge gestiegener Anzahl an Möglichkeiten, die Sicherung auszulösen und somit den Hauptstromkreis zu trennen.
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Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Batteriesystem mit Shunt, Sicherung, Verbraucher und Schütz.
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In der 1 ist in schematischer Darstellung ein Batteriesystem dargestellt, bestehend aus einer Batterie 10 mit Batteriezellen 20 und einem Hauptstromkreis 30, welcher die elektrischen Bauteile Batterie 10, Antriebsmittel 40, Shunt 50, pyrotechnische Sicherung 60 mit Ansteuerleitungen 70a, 70b und Relais 80 in Serienschaltung elektrisch verbindet. Diese sind im Kirchhoffschen Sinne also in einer Masche angeordnet, gekennzeichnet durch stets gleich starken Strom zur gleichen Zeit im selben Umlaufsinn an jedem dieser Bauteile in dieser Masche. Das Relais ist vorzugsweise ein Schaltschütz, tauglich für sehr große Ströme im Hochvoltbereich.
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Eine weitere Kirchhoffsche Masche, also Serienschaltung, wird durch den Shunt 50, die Ansteuerleitung 70a, die Ansteuerleitung 70b, den elektrisch empfindlichen Teil des Zünders der Sicherung 60 und, für die bevorzugte Ausführung, eine Zener-Diode oder ein Varistor gebildet. Die Zener-Diode/der Varistor fängt bezüglich jener elektrischen Spannung, welche an den Zünder gelangt, Spannungsschwankungen über dem Shunt soweit auf, bis diese die Sperrspannung der Zener-Diode überschreiten. Dadurch wird ein Auslösen der Sicherung im Normalbetrieb vermieden.
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Nicht dargestellt ist eine optionale und zusätzliche aktive Anbindung des Zünders der Sicherung 60 an ein aktives Steuerelement wie beispielsweise ein Airbagsteuergerät. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine Ansteuerung des Schützes 80.
