DE102013017409A1 - Batteriesystem mit einer Hochvolt-Batterie und einem Batterie-Management-System, insbesondere für ein elektromotorisch antreibbares Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem (1), insbesondere für ein elektromotorisch antreibbares Fahrzeug, umfassend eine Hochvolt-Batterie (2) und ein Batterie-Management-System (3), wobei die Pole der Hochvolt-Batterie (2) mittels elektrischer Leiter (4, 4') elektrisch mit einem Hochvolt-Bordnetz (5, 5') und/oder elektromotorischen Antrieb (5, 5') eines Fahrzeugs verbindbar sind, zum Verbinden und Trennen der Pole mit/von dem Hochvolt-Bordnetz und/oder elektromotorischen Antrieb wenigstens einer der elektrischen Leiter (4, 4') einen Schütz (6, 6') aufweist, und die Hochvolt-Batterie (2) weiter eine Sicherungseinrichtung (7) zum Trennen der Hochvolt-Batterie (2) vom Hochvolt-Bordnetz (5, 5') und/oder elektromotorischen Antrieb (5, 5') in einem Störungsfall aufweist, wobei die Sicherungseinrichtung (7) eine pyrotechnische Sicherungseinrichtung aufweist und das Batterie-Management-System (3) dazu eingerichtet ist, im Falle eines Versagens des wenigstens einen Schützes (6, 6') beim Öffnen zur Trennung von wenigstens einem Pol der Hochvolt-Batterie (2) vom Hochvolt-Bordnetz (5, 5') und/oder elektromotorischen Antrieb (5, 5') ein Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung (7) auszugeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Hochvolt-Batterie und einem Batterie-Management-System, insbesondere für ein elektromotorisch antreibbares Fahrzeug.
  • Als Traktionsspeicher bzw. Energiespeicher moderner Elektrofahrzeuge bzw. optional elektromotorisch antreibbarer Fahrzeuge (bspw. Hybridfahrzeuge) werden aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energie- und Leistungsdichte derzeit vorwiegend wiederaufladbare Lithium-Batterien (Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien) verwendet. In geringerem Umfang kommen auch andere Batterietypen zum Einsatz, wie beispielsweise wiederaufladbare Nickel-Metallhydrid-Batterien.
  • Diese Traktionsspeicher weisen eine Spannung von 400 V oder höher auf und werden oftmals als Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) oder als Traktionsbatterien (synonym oftmals auch als Traktionsakku, Antriebsbatterie oder Zyklenbatterie) bezeichnet.
  • Batterien auf Lithiumbasis reagieren bekanntermaßen empfindlich auf hohe Temperaturen sowie auf Über- bzw. Unterspannung. Derartige Betriebszustände sind nicht nur abträglich für die Lebensdauer der Lithium-Batterie sondern können bspw. aufgrund eines sog. „thermal runaway” auch Gefahren bergen, beispielsweise in Form eines Brennens oder einer Explosion der Lithium-Batterie.
  • Daher weisen Hochvolt-Batterien in aller Regel ein Batterie-Management-System auf, wie es bspw. die DE 10 2008 063 136 A1 beschreibt. Mittels eines Batterie-Management-Systems können mittels geeigneter Mess- und Regeleinrichtungen nicht nur Diagnosefunktionen bereitgestellt werden, sondern auch eine Ladungs- und Entladungs-Steuerung unter Berücksichtigung der einzuhaltenden Ladeschluss- und Entladeschluss-Spannungen.
  • Gemäß dem aktuellen Stand der Technik wird beim Starten eines elektromotorisch antreibbaren Fahrzeugs vom Steuergerät des Fahrzeugs ein Befehl zum Batterie-Management-System gesendet, welches daraufhin den Zustand der Traktionsbatterie kontrolliert und – sofern keine Störung erkannt wird – die Schütze des Batteriesystems schließt, um den Motor und die (Leistungs) Elektronik des Fahrzeugs in den dafür programmierten Fällen mit Strom zu versorgen. Beim Abstellen des Fahrzeugs werden die Schütze des Batteriesystems durch das Batterie-Management-System wieder geöffnet.
  • Aber auch im Falle einer Störung ist es erforderlich, eine Hochvolt-Batterie sicher vom Hochvolt-Fahrzeugkreis (Hochvolt-Bordnetz) zu trennen. Ein typischer Fall einer Störung ist ein Unfall eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, der beispielsweise mit Hilfe von entsprechenden Beschleunigungssensoren erkannt werden kann. Im einfachsten Fall werden in einem Störungsfall durch das Batterie-Management-System die Schütze des Batteriesystems geöffnet und so die Hochvolt-Batterie (Traktionsbatterie) vom Hochvolt-Fahrzeugkreis des Fahrzeugs getrennt.
  • Ein (Schalt) Schütz ist ein elektrisch oder pneumatisch betätigter oder elektronischer Schalter für große elektrische Leistungen, der in seinem Aufbau Ähnlichkeiten mit einem Relais aufweist. Beim Trennen der Kontakte eines Schützes kann es zur Ausbildung von Abreißfunken oder eines Schaltlichtbogens kommen. Dies kann Kontaktabbrand oder einen sog. Schützkleber und damit einen vorzeitigen Ausfall eines Schaltschützes zur Folge haben.
  • Um die Gefahr, die mit einem Ausfall eines Schütz verbunden ist, zu vermeiden, wird nach dem derzeitigen Stand der Technik daher die Anzahl der erlauben Schaltzyklen in Abhängigkeit des Trennstroms vom Hersteller des Schütz vorgegeben. Diese Angaben werden in der Software des Batterie-Management-Systems zur Berechnung der Schützalterung verwendet. Beim Erreichen des berechneten Alterungslimits ist ein Tausch der Batterie erforderlich, um ein garantiertes Öffnen der Schütze sicherzustellen.
  • Gemäß diesem Stand der Technik erfolgt somit keine Bestimmung der realen Alterung der Schütze und die Hochvolt-Batterien müssen bei vermeintlichem Schützverschleiß getauscht werden, was mit Kosten, Zeitaufwand und einem Fahrzeugausfall beim Kunden verbunden ist.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Batteriesystem mit einer Hochvolt-Batterie und einem Batterie-Management-System, insbesondere für ein elektromotorisch antreibbares Fahrzeug, zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch das Batteriesystem gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem vorgeschlagen, insbesondere für ein elektromotorisch antreibbares Fahrzeug, umfassend eine Hochvolt-Batterie und ein Batterie-Management-System, wobei die Pole der Hochvolt-Batterie mittels elektrischer Leiter elektrisch mit einem Hochvolt-Bordnetz und/oder elektromotorischen Antrieb eines Fahrzeugs verbindbar sind, zum Verbinden und Trennen der Pole mit/von dem Hochvolt-Bordnetz und/oder elektromotorischen Antrieb wenigstens einer der elektrischen Leiter einen Schütz aufweist, und die Hochvolt-Batterie weiter eine Sicherungseinrichtung zum Trennen der Hochvolt-Batterie vom Hochvolt-Bordnetz und/oder elektromotorischen Antrieb in einem Störungsfall aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinrichtung eine pyrotechnische Sicherungseinrichtung aufweist und das Batterie-Management-System dazu eingerichtet ist, im Falle eines Versagens des wenigstens einen Schützes beim Öffnen zur Trennung von wenigstens einem Pol der Hochvolt-Batterie vom Hochvolt-Bordnetz und/oder elektromotorischen Antrieb ein Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung auszugeben.
  • Durch das neuartige Batteriesystem ergibt sich eine Reihe von Vorteilen. So sind keine Berechnung des Schützverschleißes und kein prophylaktischer Batterietausch erforderlich. Durch Zünden einer pyrotechnischen Sicherungseinrichtung kann bei einem Versagen des wenigstens einen Schützes eine sichere und garantierte Stromtrennung und damit Spannungsfreiheit erreicht werden. Auch kann gegebenenfalls auf einen der beiden Schütze, die bei derzeitigen Hochvolt-Batterien vorhanden ist, verzichtet werden.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Hochvolt-Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Lithium-Polymer-Batterie mit mehreren Batterie-Einzelzellen. Derartige Hochvolt-Batterien werden derzeit ganz überwiegend als Traktionsspeicher für elektromotorisch antreibbare Fahrzeuge verwendet.
  • Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Batteriesystem weiter eine vom Batterie-Management-System unabhängige Einrichtung auf, mittels der die pyrotechnische Sicherungseinrichtung ausgelöst werden kann. Diese Einrichtung umfasst in bevorzugter Weise eine Steckereinrichtung für einen Signalstecker.
  • Weiter ist es von Vorteil, wenn bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem das Batterie-Management-System im Falle eines Versagens des wenigstens einen Schütz beim Öffnen zur Trennung von wenigstens einem Pol vom Bordnetz und/oder elektromotorischen Antrieb dazu eingerichtet ist, vor Ausgabe eines Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung einen Pulsstrom zum Lösen des Schütz auszulösen und falls dieser Pulsstrom das Lösen des Schütz nicht bewirkt, ein Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung auszugeben.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1: Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems;
  • 2: Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
  • Die Darstellungen in den Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht. Innerhalb der Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
  • Wie in 1 rein schematisch und nicht maßstabsgerecht dargestellt ist, weist das erfindungsgemäße Batteriesystem 1, das insbesondere für ein elektromotorisch antreibbares Fahrzeug geeignet ist, eine Hochvolt-Batterie 2 und ein Batterie-Management-System 3 auf. Die Pole der Hochvolt-Batterie 2 sind mittels elektrischer Leiter 4, 4' elektrisch bspw. mit einem Hochvolt-Bordnetz 5, 5' und/oder elektromotorischen Antrieb 5, 5' eines Fahrzeugs verbindbar. Zum Verbinden und Trennen der Pole mit/von dem Hochvolt-Bordnetz und/oder elektromotorischen Antrieb weist wenigstens einer der elektrischen Leiter 4, 4' einen Schütz 6, 6' auf. Die Hochvolt-Batterie 2 umfasst weiter eine Sicherungseinrichtung 7 zum Trennen der Hochvolt-Batterie 2 vom Hochvolt-Bordnetz 5, 5' und/oder elektromotorischen Antrieb 5, 5' bei einem Störungsfall auf.
  • Das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinrichtung 7 eine pyrotechnische Sicherungseinrichtung aufweist und das Batterie-Management-System 3 dazu eingerichtet ist, im Falle eines Versagens des wenigstens einen Schütz 6, 6' beim Öffnen zur Trennung von wenigstens einem Pol der Hochvolt-Batterie 2 vom Hochvolt-Bordnetz 5, 5' und/oder elektromotorischen Antrieb 5, 5' ein Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 7 auszugeben.
  • Das Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 7 kann beispielsweise vom Batterie-Management-System 3 über einen elektrischen Leiter 8 zu der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 7 übertragen werden.
  • Bei den im erfindungsgemäßen Batteriesystem 1 verwendeten Komponenten können alle aus dem Stand der Technik bekannten verwendet werden. Für die vorliegende Erfindung verwendbare pyrotechnische Sicherungseinrichtungen sind beispielsweise über Autoliv B. V. & Co. KG, Dachau (www.pyroswitch.com) erhältlich.
  • Sofern ein Datenaustausch zwischen Komponenten des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 und/oder zwischen Komponenten des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 und Komponenten außerhalb des erfindungsgemäßen Batteriesystems (bspw. Komponenten des Hochvolt-Bordnetzes 5, 5', elektromotorischen Antriebs 5, 5' oder weiteren Komponenten des Fahrzeugs) erforderlich oder wünschenswert ist, kann diese Kommunikation auf jede geeignete Weise erfolgen (drahtgebunden, drahtlos, über ein Bussystem, etc.). Soweit erforderlich oder wünschenswert können selbstverständlich auch weitere, in den Figuren nicht dargestellte Komponenten und Verbindungen (bspw. elektrische Leiter) zwischen den Komponenten des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 und/oder zwischen Komponenten des Batteriesystems 1 und Komponenten außerhalb des Batteriesystems 1 vorgesehen sein.
  • Das in 2 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 unterscheidet sich von demjenigen gemäß 1 dadurch, dass nur ein Schütz 6 vorgesehen ist und das Batteriesystem weiter eine vom Batterie-Management-System 3 unabhängige Einrichtung 10 aufweist, mittels der die pyrotechnische Sicherungseinrichtung 7 ausgelöst werden kann. Bei dieser unabhängigen Einrichtung 10 kann es sich bspw. um eine Steckereinrichtung für einen Signalstecker handeln.
  • Aufgrund der Überwachung der Funktionsweise des/der Schütz(e) durch das Batterie-Management-System 3 und das Vorsehen einer pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 7, die für den Fall eines Versagens des/der Schütz(e) ausgelöst werden kann, kann gegebenenfalls auf einen Schütz 6, 6', insbesondere den Schütz 6' am Minus-Pol der Hochvolt-Batterien 2 verzichtet werden, da auch im Falle eines Versagens dieses Schütz 6, 6' auf sichere Weise eine Trennung der Hochvolt-Batterie 2 vom Hochvolt-Bordnetz 5, 5' und/oder elektromotorischen Antrieb 5, 5' erreicht werden kann.
  • Durch eine vom Batterie-Management-System 3 unabhängige Einrichtung 10 (bspw. in Form einer Steckerverbindung für einen Signalstecker), die bspw. mittels einer Zündleitung mit der pyrotechnischen Sicherung 7 verbunden ist, kann diese auch unabhängig vom Batterie-Management-System 3 ausgelöst werden. Hierbei ist keine Kommunikation bspw. zwischen dem Batterie-Management-System 3 und der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 7 bzw. dem/den Schütz(en) 6, 6' erforderlich.
  • Eine solche Auslösung mittels eines Signalsteckers kann beispielsweise durch Rettungskräfte vorgenommen werden, die im Falle eines Unfalls sicher stellen müssen, dass aufgrund des Unfalls bspw. keine Spannung an Karosserieteilen anliegt, um sich und die Insassen des Fahrzeugs beim Bergungsvorgang nicht zu gefährden. Aber auch außerhalb von einer Unfallsituation ist mittels einer Einrichtung 10 jederzeit eine kontrollierte Außerbetriebnahme der Hochvolt-Batterie 2 möglich.
  • Durch das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 können auch sog. „Limp Home Mechanismen” (Notfall-Mechanismen) realisiert werden. Beispielsweise kann das Batterie-Management-System 3 im Falle eines Versagens des wenigstens einen Schütz 6, 6' beim Öffnen zur Trennung von wenigstens einem Pol vom Bordnetz 5, 5' und/oder elektromotorischen Antrieb 5, 5' dazu eingerichtet sein, vor Ausgabe eines Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 7 einen Pulsstrom zum Lösen des Schütz 6, 6' auszulösen und falls dieser Pulsstrom das Lösen des Schütz 6, 6' nicht bewirkt, ein Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 7 auszugeben.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine neuartige Lösung für eine sichere Trennung des Schütz/der Schütze 6, 6' einer Hochvolt-Batterie 2 vor. Gemäß dieser Lösung erfolgt keine Berechnung des Schützverschleißes und es ist anstelle einer konventionellen Sicherungseinrichtung (Sicherung) bei der Hochvolt-Batterie 2 eine pyrotechnische Sicherungseinrichtung (Pyro-Sicherung) 7 vorgesehen. Bei einem Versagen der mechanischen Trennung von wenigstens einem der Schütze 6, 6' (bspw. aufgrund von Schützkleber), erfolgt ein Sprengen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung 7 und damit eine garantierte Spannungsfreiheit der mit der Hochvolt-Batterie 2 ursprünglich verbunden Stromabnehmer.
  • Mit der vorliegenden Erfindung werden insbesondere die folgenden Vorteile erreicht:
    • – Es wird eine verlängerte Verfügbarkeit bzw. Lebensdauer der Hochvolt-Batterie 2 erreicht;
    • – Es ist kein prophylaktischer Batterietausch notwendig;
    • – Es besteht die Möglichkeit für „Limp Home Mechanismen”;
    • – Es besteht die Möglichkeit, auf einen der beiden, bei herkömmlichen Hochvolt-Batterien vorgesehenen Schütze zu verzichten;
    • – Es besteht die Möglichkeit, eine Trennung von Hochvolt-Batterien von den Stromabnehmern vorzunehmen, ohne dass eine Kommunikation zwischen Hochvolt-Batterie 2 und Batterie-Management-System 3 erforderlich ist;
    • – Es besteht die Möglichkeit von „Nottrennungen” durch Rettungskräfte;
    • – Es ist ein definiertes Außerbetriebnehmen der Hochvolt-Batterie möglich (vergleichbar mit Airbag).
  • Die für das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 erforderlichen Komponenten und Bauteile (Hochvolt-Batterie, deren Batterie-Einzelellen und deren Zusammenschaltung; Batterie-Management-System, pyrotechnische Sicherungseinrichtung, Schütze, etc.) sowie deren mögliches Zusammenwirken (elektronische bzw. elektrische Verbindung; drahtgebundene bzw. drahtlose Kommunikation, etc.) sowie die Komponenten und Bauteile außerhalb des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 sowie deren mögliches Zusammenwirken mit dem erfindungsgemäße Batteriesystem 1 sind einem Fachmann bekannt. Daher braucht in der vorliegenden Anmeldung hierauf nicht näher eingegangen zu werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriesystem
    2
    Hochvolt-Batterie
    3
    Batterie-Management-System
    4, 4'
    elektrischer Leiter
    5, 5'
    Hochvolt-Bordnetz oder elektromotorischer Antrieb
    6, 6'
    Schütz
    7
    Sicherungseinrichtung
    8
    elektrischer Leiter
    9
    Batterie-Einzelzelle
    10
    Einrichtung zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008063136 A1 [0005]

Claims (5)

  1. Batteriesystem (1), insbesondere für ein elektromotorisch antreibbares Fahrzeug, umfassend eine Hochvolt-Batterie (2) und ein Batterie-Management-System (3), wobei die Pole der Hochvolt-Batterie (2) mittels elektrischer Leiter (4, 4') elektrisch mit einem Hochvolt-Bordnetz (5, 5') und/oder elektromotorischen Antrieb (5, 5') eines Fahrzeugs verbindbar sind, zum Verbinden und Trennen der Pole mit/von dem Hochvolt-Bordnetz und/oder elektromotorischen Antrieb wenigstens einer der elektrischen Leiter (4, 4') einen Schütz (6, 6') aufweist, und die Hochvolt-Batterie (2) weiter eine Sicherungseinrichtung (7) zum Trennen der Hochvolt-Batterie (2) vom Hochvolt-Bordnetz (5, 5') und/oder elektromotorischen Antrieb (5, 5') in einem Störungsfall aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinrichtung (7) eine pyrotechnische Sicherungseinrichtung aufweist und das Batterie-Management-System (3) dazu eingerichtet ist, im Falle eines Versagens des wenigstens einen Schütz (6, 6') beim Öffnen zur Trennung von wenigstens einem Pol der Hochvolt-Batterie (2) vom Hochvolt-Bordnetz (5, 5') und/oder elektromotorischen Antrieb (5, 5') ein Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung (7) auszugeben.
  2. Batteriesystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvolt-Batterie (2) eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Lithium-Polymer-Batterie mit mehreren Batterie-Einzelzellen (9) ist.
  3. Batteriesystem (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter eine vom Batterie-Management-System (3) unabhängige Einrichtung (10) aufweist, mittels der die pyrotechnische Sicherungseinrichtung (7) ausgelöst werden kann.
  4. Batteriesystem (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Batterie-Management-System (3) unabhängige Einrichtung (10) eine Steckereinrichtung für einen Signalstecker umfasst.
  5. Batteriesystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterie-Management-System (3) im Falle eines Versagens des wenigstens einen Schütz (6, 6') beim Öffnen zur Trennung von wenigstens einem Pol vom Bordnetz (5, 5') und/oder elektromotorischen Antrieb (5, 5') dazu eingerichtet ist, vor Ausgabe eines Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung (7) einen Pulsstrom zum Lösen des Schütz (6, 6') auszulösen und falls dieser Pulsstrom das Lösen des Schütz (6, 6') nicht bewirkt, ein Signal zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherungseinrichtung (7) auszugeben.
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