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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren miteinander verschalteten Batteriezellen zum Bereitstellen einer an Ausgangsanschlüssen der Batterie anliegenden elektrischen Ausgangsspannung, wobei die Batterie eine Sicherungseinrichtung aufweist, mit der die Batteriezellen im Fehlerfall von zumindest einem der Ausgangsanschlüsse getrennt werden können. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zum sicheren Betreiben einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei verfahrensgemäß in einem Fehlerfall der Batterie, insbesondere im Überstromfall, zumindest einer der Ausgangsanschlüsse von der Batterie galvanisch entkoppelt wird.
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Stand der Technik
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Es ist absehbar, dass in Zukunft vermehrt Batterien mit hoher Kapazität und Leistungsdichte nicht nur im Automotive Bereich, sondern auch bei stationären Anwendungen und im Consumer Bereich zum Einsatz kommen werden. Hierzu kommen insbesondere Batterien in Betracht, die auf Lithium-Ionen-Technologie basieren, die sich nicht nur durch eine hohe Energie- und Leistungsdichte, sondern auch durch eine geringe Selbstentladung auszeichnen. Die Batterien weisen gewöhnlich eine Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung aus zu Batterien verschalteten Batteriemodulen auf. Dabei besteht per Definition eine Lithium-Ionen-Batterie aus mindestens zwei verschalteten Lithium-Ionen-Zellen. Typischerweise besteht ein Batteriemodul aus sechs Batteriezellen.
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Es ist insbesondere in Fahrzeugen, wie beispielsweise in Elektro- beziehungsweise Hybridfahrzeugen, notwendig, die Batterie vor Kurzschlüssen und Überströmen zu schützen. Auch ist ein Schutz der Fahrzeuginsassen im Gefahrenfall oder von Wartungspersonal während einer Handhabung der Batterie notwendig. Dies liegt in den typischerweise sehr hohen elektrischen Spannungen begründet, die in typischen Traktionsbatterien, wo 50 bis 100 oder noch mehr Zellen in Reihe geschaltet sein können, erzeugt werden. Die verwendeten Sicherheitsmaßnahmen umfassen den Einsatz von Schützen und zusätzlichen Sicherungen, die mit den Batteriezellen verschaltet oder in den Batteriezellen verbaut sind. Ferner sind geeignete Batterie-Überwachungselektroniken vorhanden, um die Schütze bei Bedarf anzusteuern.
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In 1 wird ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Batterie 10, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie gezeigt, die eine Reihenschaltung aus mehreren Batteriezellen 11 und eine Überwachungselektronik 12 mit sogenannten Zellüberwachungseinheiten 13 (CSC) („Cell Supervision Circuit“) sowie einem Steuergerät 14 umfasst. Die Batteriezellen 11 erzeugen eine Ausgangsspannung, die im Normalbetrieb der Batterie 10 zwischen dem positiven Ausgangsanschluss 19 und dem negativen Ausgangsanschluss 23 der Batterie 10 auftritt. Ferner überwachen die Zellüberwachungseinheiten 13 die Batteriezellen 11 von typischerweise jeweils zwei Batteriemodulen. Dazu werden Temperatur- und Spannungsmessungen an den Batteriezellen 11 vorgenommen. Die Batterie 10 weist ferner Strommessmittel auf, die einen Shunt-Sensor 17 und einen Hall-Sensor 22 umfassen. Die ermittelten Messdaten der Strommessmittel 17 und der Zellüberwachungseinheiten 13 werden über eine Kommunikationsverbindung an das Steuergerät 14 übertragen, von wo aus eine zentrale Überwachung und ein Laden- oder Entladen der Batteriezellen 11 gesteuert werden kann. Die Sicherung 18 dient dazu, einen Batteriestrompfad, bevorzugt den Hauptstromkreis 21 der Batterie 10, zu unterbrechen, was insbesondere bei einer Fehlfunktion der Batterie 10 der Fall sein wird. Dabei soll durch die Sicherung 18 eine dauerhafte Unterbrechung oder Abschaltung der Batterie 10 erreicht werden. Üblicherweise sind mehrere der Sicherungen 18 in der Batterie 10 angeordnet, beispielsweise eine in jeder Batteriezelle 11. Die Sicherung 18 kann insbesondere als Schmelzsicherung 18 ausgeführt sein. Die Batterie 10 weist außerdem Schalterelemente 15 auf, mittels denen die Batterie 10 abgeschaltet und galvanisch von einem Fahrzeug getrennt werden kann. Die Schalterelemente 15 sind Schütze, die von dem Steuergerät 14 angesteuert werden und/oder automatisch auslösen können, beispielsweise mittels Magnetspulen. Die Schütze 15 können auch im Wartungsfall betätigt werden, um eine lediglich vorübergehende Spannungsfreischaltung der Ausgangsanschlüsse 19, 23 zu bezwecken.
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Die Verwendung von Sicherungen, insbesondere von Schmelzsicherungen, in Batterien, wie beispielsweise der in 1 gezeigten, hat den Nachteil, dass die Sicherungen 18 altern und versehentlich auslösen können, auch wenn kein wirklicher Gefahrenfall vorliegt. Dadurch können erhöhte Kosten und zusätzlicher Aufwand entstehen.
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Als Schalterelemente sind ferner pyrotechnische Schalter bekannt, die zum Trennen von Niedervolt-Batterien im Crash-Fall verwendet werden. Aus der
DE 10 2008 047 502 A1 ist ferner eine Vorrichtung zur Energieverteilung in einem Fahrzeug angegeben, die ein als Pyroschalter ausgeführtes Schalterelement zum irreversiblen Abtrennen eines Spannungswandlers von einem elektrischen Zwischenkreis des Antriebssystems des Fahrzeugs aufweist.
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Ferner sind Heißleiter und Bimetallschalter bekannt. So ist in
DE 25 53 546 A1 ein Überstromschutzschalter beschrieben, bei dem durch einen Überstrom hervorgerufene Wärme eine Ausbiegung des Bimetalls bewirkt, wodurch ein Auslösemechanismus freigegeben und eine Öffnung von Schaltkontakten herbeigeführt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit mehreren, miteinander verschalteten Batteriezellen zum Bereitstellen einer an Ausgangsanschlüssen der Batterie anliegenden elektrischen Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie eine Sicherungseinrichtung aufweist, mit der die Batteriezellen im Fehlerfall von zumindest einem der Ausgangsanschlüsse getrennt werden können. Die Sicherungseinrichtung weist einen pyrotechnischen Schalter und ein separates thermisches Auslöseelement auf, das in einem Ansteuerkreis des pyrotechnischen Schalters angeordnet ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum sicheren Betreiben einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, die in einem Normalbetrieb eine elektrische Ausgangsspannung an der Batterie zugeordneten Terminals, beispielsweise an Ausgangsanschlüssen der Batterie, bereitstellen, wobei in einem Fehlerfall der Batterie, insbesondere im Überstromfall, zumindest eines der Terminals von der Batterie galvanisch entkoppelt wird. Dabei wird zum galvanischen Entkoppeln des zumindest einen Terminals ein pyrotechnischer Schalter verwendet. Der pyrotechnische Schalter wird unter Verwendung eines thermischen Auslöseelements angesteuert.
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Ein Vorteil der Erfindung ist eine höhere Robustheit gegenüber der Verwendung einer (Schmelz-)Sicherung, sowohl hinsichtlich Alterung als auch hinsichtlich einer versehentlichen Auslösung. Erfindungsgemäß erfolgt die Kopplung über die Temperatur, wodurch gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet werden kann. Dies wird insbesondere erreicht, indem gleichzeitig sowohl ein pyrotechnischer Schalter als auch ein separates thermisches Auslöseelement angeordnet werden. So kann durch das thermische Auslöseelement zunächst eine Detektion der Temperatur beziehungsweise des verursachenden (Über-)Stroms an einer geeigneten Stelle erfolgen, und ferner durch den pyrotechnischen Schalter eine zuverlässige Trennung sichergestellt werden. Damit wird auf günstige Weise eine Funktionenteilung beziehungsweise Arbeitsteilung in der Sicherungseinrichtung erreicht, was die Zuverlässigkeit und Batteriesicherheit erhöht.
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann eine Detektion der Temperatur mittels des schaltungstechnisch mit dem Pyroschalter verbundenen, separaten thermischen Auslöseelements an einer beliebigen geeigneten Stelle innerhalb der Batterie erfolgen, beispielsweise direkt an den Batteriezellgehäusen.
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Bevorzugt wird das thermische Auslöseelement jedoch mit einem Widerstandselement, insbesondere einem Heizelement, das im Betrieb der Batterie von einem Batteriestrom durchflossen wird, thermisch gekoppelt.
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Ferner kann das Heizelement als ein Shunt-Widerstand im Hauptstromkreis der Batterie angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass dabei eine ohnehin schon vorhandene Komponente, hier der Shunt-Widerstand, der im Allgemeinen zur Strommessung für die Batterieüberwachung dient, verwendet werden kann. Dadurch können Kosten eingespart werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das thermische Auslöseelement dazu angeordnet, bei einem Überstrom der Batterie eine Stromquelle mit einer Zündstelle oder einer Zündeinrichtung des pyrotechnischen Schalters zu verbinden. Bevorzugt schaltet das thermische Auslöseelement dabei einen Auslösestrom zu einer Zündstelle oder Zündeinrichtung des pyrotechnischen Schalters durch. Dies ermöglicht auf günstige Weise eine hohe Flexibilität, insbesondere in Hinsicht auf die Art der Stromquelle und der Zündeinrichtung. So kann sichergestellt werden, dass der Pyroschalter im Fehlerfall zuverlässig gezündet und eine Trennung bewirkt wird.
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Die Erfindung ist nicht auf eine einzige bestimmte Art von Auslöseelement beschränkt.
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So weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das thermische Auslöseelement einen Bimetallschalter auf.
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Gemäß noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das thermische Auslöseelement einen Heißleiter auf.
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Diese Ausführungsformen können je nach Anwendung und Ausgestaltung auch kombiniert werden.
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Bei einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist das thermische Auslöseelement mit dem Hauptstromkreis der Batterie parallel verschaltet. Dadurch kann die Temperaturansprechbarkeit weiterhin gesteigert werden.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, zur Verfügung gestellt, das die erfindungsgemäße Batterie aufweist. Dabei ist die Batterie mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs verbunden.
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Bevorzugt ist die beanspruchte Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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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 Blockschaltbild einer herkömmlichen Batterie gemäß dem Stand der Technik mit einer Reihenschaltung mit mehreren Batteriezellen, und
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2 ein Blockschaltbild einer Sicherungseinrichtung zum Überstromschutz einer Batterie nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 2 ist ein Blockschaltbild einer Sicherungseinrichtung 20 zum Überstromschutz einer Batterie 10 nach einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In der nachfolgenden Beschreibung werden teilweise auch Bezugszeichen aus 1 verwendet, was darauf hinweist, dass die erfindungsgemäße Sicherungseinrichtung 20 gemäß 2 in einer Batterie angeordnet ist, die gleiche oder ähnliche Komponenten wie die in 1 gezeigte Batterie 10 aufweisen kann.
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Gemäß der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform weist ein thermisches Auslöseelement 30 ein Bimetall 29 auf. Das thermische Auslöseelement 30 ist mit einem geeignet ausgewählten Element in der Batterie 10, das bei Überstrom eine überhöhte Temperatur hat, thermisch gekoppelt, was in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 27 bezeichnet wird. Dazu wird in dieser Ausführungsform ein Widerstandselement 26 verwendet. Das Widerstandselement 26 kann beispielsweise eine Stromschiene und/oder einen Shunt-Widerstand 17 umfassen. Das Auslöseelement 30 fungiert als ein Schalter in einem Ansteuerkreis 25 eines pyrotechnischen Schalters 24. Somit wird mittels des Auslöseelements 30 ein Überstrom detektiert, der ein Schließen des Ansteuerkreises 25 zur Folge hat. Fließt ein zu hoher Batteriestrom, so erhitzt sich das Bimetall 29 und schaltet die Stromquelle 28 auf den pyrotechnischen Schalter 24 um, der dann durch den Versorgungsstrom aus der Stromquelle 28 gezündet wird.
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Somit wird eine zuverlässige Sicherungsmaßnahme bereitgestellt, die insbesondere auch dann noch eingesetzt werden kann, wenn ansonsten alle elektronischen und elektromechanischen Maßnahmen nicht mehr greifen. Die Batterie 10 wird sicher galvanisch vom Fahrzeug getrennt wird, wobei der pyrotechnische Schalter 24 als Sicherung gegen Überstrom eingesetzt wird.
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Da der pyrotechnische Schalter 24 auf eine besondere Weise durch das Bimetall 29 und die Stromquelle 28 angesteuert wird, kann ein autonomes, das heißt hier versehentliches Schalten verhindert werden. Der pyrotechnische Schalter 24 wird dazu verwendet, elektrische Ausgangsanschlüsse 19, 23 der Batterie 10 sicher abzutrennen. Dazu werden, anschaulich gesagt, zunächst die Nebenwirkungen wie Temperaturanstieg grenzwertig hoher Batterieströme, die in elektrischen Leitern des Fahrzeug-Betriebsnetzes oder in dem Hauptstromkreis 21 der Batterie 10 vorkommen, erfasst. Dann wird mit Vorteil mittels eines an einen Abschnitt eines elektrischen Leiters angekoppelten temperaturempfindlichen Bauelements, wie dem Shunt-Widerstand 22, ein Auslösestrom für den pyrotechnischen Schalter 24 beziehungsweise dessen Zündstelle erzeugt.
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Die durch das Bimetall 29 anschließbare Stromquelle 29 kann hier bevorzugt ein Kondensator mit minimaler Beschaltung sein. Jedoch ist die Erfindung nicht auf einen Kondensator als Stromquelle beschränkt. So ist beispielsweise auch eine separate Batterie oder eine stromdurchflossene Spule denkbar.
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Die Ausgangsanschlüsse 19, 23 können direkt an der Batterie 10 angeordnet sein. Jedoch kann die Erfindung auch dazu eingesetzt werden, Ausgangsanschlüsse 19, 23, die hinter einem Zwischenkreis oder an sonstigen, mit der Batterie 10 verbundenen Modulen, angeordnet sind, sicher abzutrennen.
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Ein Vorteil der Erfindung ist ferner in der einfachen und günstigen Bauweise, die dadurch ermöglicht wird, zu sehen. So kann die Sicherungseinrichtung 20 mit einer kompakten Elektronik, die auch in den pyrotechnischen Schalter eingebaut sein kann, ausgeführt sein. Dadurch kann eine einfache Überstromüberwachung ohne extra Steuergerät zur Verfügung gestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008047502 A1 [0006]
- DE 2553546 A1 [0007]
